Bioenergética PDF

BIOENERGÉTICA La bioenergética es la rama de la termodinámica que estudia las transformaciones energéticas en los seres vivos El cambio de energía libre en sistemas biológicos El cambio de la energía libre esta dado por la ecuación: ΔG= ΔH –TΔS ΔG= cambio de energía libre ΔH= cambio del entalp...

BIOENERGÉTICA La bioenergética es la rama de la termodinámica que estudia las transformaciones energéticas en los seres vivos El cambio de energía libre en sistemas biológicos El cambio de la energía libre esta dado por la ecuación: ΔG= ΔH –TΔS ΔG= cambio de energía libre ΔH= cambio del entalpía T= temperatura (K) ΔS= cambio de entropía En una reacción bioquímica, la reacción para predecir el sentido de la ecuación será la siguiente: aA + bB cC + dD Y dado que la ΔG depende de la cantidad de sustratos y productos generados, se apluca la ecuación de equilibrio de la siguiente manera: ΔG= ΔG°´+ RT ln En las reacciones químicas, cuando el ΔG es negativo, significan que estas proceden de forma espontánea Cuando el ΔG es positivo, significa que las reacciones son no espontáneas Si el ΔG =0, significa que el sistema está en equilibrio Entalpía: cantidad de calor de un sistema Entropía: el desorden al cual tienden los átomos o moléculas de un sistema Reacción exotérmica: Reacción química en la cual, existe liberación de calor (reacción espontánea) Reacción endotérmica: Reacción química la cual necesita energía para llevarse a cabo (reacción no espontánea) Las reacciones de las cuales se obtiene energía en el organismo son en su mayoría de óxido-reducción en las mitocondrias. METABOLISMO BASAL Las reacciones en el organismo son prácticamente en su totalidad exotérmicas. La suma de todas las reacciones en el organismo se le conoce como METABOLISMO BASAL (BMR) El BMR se mide por calorimetría directa, en el cual se mide el calor total liberado por un ser vivo en un tiempo determinado Otro método es la calorimetría indirecta, en este método se mide el consuno de O2 El valor del BMR del hombre es de 7500 kJ (1800 kcal) y en la mujer es de 5400 kJ (1300 kcal) Parámetros para la medición de el BMR: haber dormido durante 8 horas, posición reclinada, después de 12 horas de ayuno, es decir, en estado de postabsorción Otra medida que se realiza es el metabolismo en reposo (RMR) Su significado y valor es similar al BMR, pero tiene condiciones menos restrictivas Es la medición del gasto mínimo de energía en condiciones de reposo ESTADIOS DE LA OXIDACIÓN DEL COMBUSTIBLE Existen dos estadios generales en la oxidación de los combustibles: La producción de coenzimas de nucleótidos reducidas durante la oxidación de combustibles. El empleo de la energía libre obtenida por la oxidación para producir ATP Estructura e importancia del ATP La oxidación de combustibles metabólicos es primordial para la vida. Los hidratos de carbono y los lípidos son biotransformados en el organismo para formar H2O, CO2 y un componente fundamental que es el ATP Casi la mitad de la energía obtenida en la oxidación de combustibles, es ocupada para la síntesis de ATP, el cual es el principal transductor de energía en los seres vivios El ATP está conformado por la base púrica adenina, el hidrato de carbono ribosa y tres grupos fosfato El ATP posee dos enlaces fosfo anhidro denominados de alta energía. Durante el trabajo metabólico, estos enlaces se rompen y la molécula de ATP se transforma en ADP o AMP La energía liberada de los enlaces fosfo anhidro de ATP, se utilizan para impulsar o favorecer reacciones que de otro modo serían desfavorables Síntesis del ATP En la membrana externa de la mitocondria, se encuentran enzimas y proteínas de transporte. La proteína porina P formadora de poros, es permeable a todos los iones, moleculas pequeñas y proteínas menores a 10 kDa. Las proteínas grandes son transportadas por la transloca en la membrana mitocondrial externa (TOM) y por la translocasa mitocondrial interna (TIM) La membrana mitocondrial interna (MMI) se encuentra replegada, formando las crestas Esta membrana, contiene los componentes de la fosforilación oxidativa, que será el lugar donde se produzcan las moléculas de ATP. TRANSDUCCIÓN DE ENERGÍA Las principales enzimas de óxido reducción que participanen la transducción de energía son: nicotinamida-adenina-dinucleótido (NAD+) la flavina-adenina-dinucleótido (FAD) y flavina- mononucleótido (FMN) Durante el metabolismo, se transfieren electrones desde los hidratos de carbono y las grasas a estas coenzimas, y ahora pasan a su forma reducida NADH FADH2 FMNH2 Para todas las coenzimas, se transfieren un par de electrones, el NAD acepta un protón, mientras que la FAD y la FMN aceptan dos protones La oxidación de nucleótidos reducidos produce una gran cantidad de energía libre. La oxidación de 1 mol de NADH+ en la reducción con 0.5 mol de O2 para formar H2O, da la suficiente energía para sintetizar 7 mol de ATP NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O ΔG°´=-220 kJ/mol (-52.4 kcal/mol) ADP + Pi ATP + H2O ΔG°´= -30.5 kH/mol¨(-7.3 kcal/mol) De acuerdo a esta reacción, en el balance global, se dice que el rendimiento es de 2.5 mol de ATP/ mol de NADH La energía de la oxidación de NADH+ y FADH2 se utiliza en el sistema de transporte energético para bombear protones hacia el espacio intermembranoso. La energía que se produce cuando los protones vuelven a entrar en la matriz mitocondrial, se utiliza para sintetizar ATP (fosforilación oxidativa)  SISTEMA MITOCONDRIAL DE TRANSPORTE DE ELECTRONES El sistema o cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria Se encuentra en la membrana mitocondrial interna Esta formado por complejos de proteínas grandes y dos componentes independientes: ubiquinona y citocromo c Complejos Proteicos Los electrones pasan del componente que tiene potenciales de reducción más negativos, a los que tienen los potenciales de reducción más positivos Los electrones se conducen a través de una secuencia definida, desde coenzimas de nucleótidos reducidos hasta el O2 El transporte es impulsado por los cambios en la energía libre por medio de bombas de protones Paso de los electrones en la cadena respiratoria Los electrones son transportados por medio de flavoproteínas Hay cuatro complejos, el complejo I contiene FMN, , mientras que los otros complejos contienen FAD Estas flavoproteínas, reducen a la ubiquinona (coenzima Q, Q) que esta localizada al inicio de la cadena de transporte de electrones común formada por Q, complejo III, el citocromo c y el complejo IV Flavoproteína(reducida) + Q Flavoproteína(oxidada) +QH2 Los protones se bombean por medio de los complejos I, III y IV de la matriz hasta el espacio intermembranoso El aceptor final de electrones en la cadena es el O2 En esta parte, el O2 pasa hasta agua, se transfieren cuatro protones del complejo IV y otros cuatro desde el compartimiento de la matriz mitocondrial En este proceso de fosforilación oxidativa, se adiciona un grupo fosfato al ADP ADP+Pi+1/2 02 +2H+ +2e- ATP+H20 Por cada par de electrones transportados por los complejos I, III o IV, cada complejo bombea el número suficientes de protones para la síntesis de un mol de ATP/complejo Por cada par de electrones que provienen de NADH+ se producen 2.5 mol de ATP Por cada par de electrones que provienen FADH2 se producen 1.5 mol de ATP, y esto es, por que no provienen protones del bombeo del complejo I El complejo I (NADH-Q reductasa, NADH deshidrogenasa) es una flavoproteína que contiene FMN, se encarga de transferir electrones a la ubiquinona y se bombean cuatro protones a través de esta reacción NADH+Q+5H+ matriz NAD+ + QH2 + 4 H+ espacio intermembranoso El complejo II o suucinato Q reductasa (succinato deshidrogenasa del ciclo de los ácidos tricarboxílicos) oxida el succinato a fumarato y reduce el FAD a FADH2 La glicerol 3 fosfato Q reductasa, oxida el glicerol 3 P citoplasmático a dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y reduce el FAD a FADH2 La acil-CoA deshidrogenasa cataliza el primer paso de la oxidación mitocondrial de los ácidos grasos y produce FADH2 Lanzaderas de electrones El NADH producido no puede atravesar la membrana interna, y no podría ser oxidado. Bajo esta situación, dos lanzaderas se encargan permiten la oxidación del NADH, sin que necesariamente tenga que ser transferido. La primera lanzadera es la del glicerol 3 P, que transfiere los electrones desde el citoplasma a la mitocondria, reduciendo FAD a FADH2 La glicerol 3 P deshidrogenasa citoplasmática cataliza la reducción de dihidroxiacetona fosfato (DHAP) con NADH para formar glicerol 3 P, recuperando el NAD El glicerol 3 P citoplasático, vuelve a ser oxidado a DHAP por otra isoforma de la glicerol 3 P deshidrogenasa. Los electrones de estas vías, son transportados hacia la ubiquinona El músculo esquelético, es un ejemplo de célula que utiliza esta vía para la obtención de energía Lanzadera del malato-aspartato Esta vía es más complicada, ya que el malato puede atravesar la membrana mitocondrial interna, pero su producto (oxalacetato) no puede atravesar dicha membrana. El intercambio se realiza por interconversión de α cetoácidos y α aminoácidos, participando el glutamato y el α cetoglutarato, así como de isoenzimas de glutamato-oxalacetato transaminasa UBIQUINONA (COENZIMA Q10) Es un compuesto liposoluble que se encuentra en la membrana interna de las mitocondrias La ubiquinona contiene una cadena lateral de 10 unidades de isopreno y se le denomina a menudo CoQ10 Es capaz de difunfiren la membrana interna y aceptar electrones de las 4 flavoproteínas Estos electrones los transfiere al complejo III Es capaz de transportar 1 o 2 electrones Se tiene la teoría de que es una fuente de radicales superóxido de la célula Complejo III (citocromo C reductasa) Se le conoce también como ubiquinona-citocromo c reductasa o QH citocromo c reductasa Este complejo aceptaelectrones desde la ubiquinona, y es capaz de bombear H+ a través de la membrana mitocondrial interna Los electrones de la ubiquinona son transferidos a través de dos clases de citocromo b, a un centro FeS, al citocromo c1, y finalmente al citocromo c. Reacción global: QH2 +2cit coxidado +2H+ matriz 2 Q+2 cit creducido +4H+ espacio intermembranoso En esta reacción, se bombean 4 protones, 2 desde ubiquinona reducida y 2 desde la matriz Citocromo C Es una proteína periférica de membrana que contiene un grupo hemo que transporta electrones desde el complejo III al complejo IV Cada citocromo c transporta solo un electrón La reducción de O2 a 2H2O por el complejo IV, requiere de 4 moléculas de citocromos c reducido. La unión con los complejos III y IV se da por unión electrostática, principalmente con la lisina de las proteínas En esta proteína, ocurre la reducción del ferricitocromo (FE+3) a ferrocitocromo (Fe+2) Esto ocasiona un cambio conformacional, lo que permite el paso de electrones al complejo IV Durante el estrés oxidativo y la lesión celular, el citocromo c puede ser liberado de la membrana mitocondrial interna y verterse al citosol; con este proceso se induce la apoptosis Complejo IV Es conocido como citocromo c oxidasa o citocromo oxidasa, se encuentra como dímero en la membrana mitocondrial interna. Transfiere electrones al O2 para su reducción a H2O, transfiriendo 4 electrones El cobre es un componente común El complejo IV, bombea H+ al exterior de las mitocondrias Se sintetiza 1 mol de ATP por cada par de electrones trasferidos al oxígeno La reacción global es la siguiente: 4 cit c reducido + 4 H+ (matriz) + O2 4 cit c oxidado + 2 H2O Síntesis de Trifosfato de Adenosina Se piensa que las mitocondrias sintetizan ATO, utilizando la energía libre procedente del gradiente de protones generada durante la oxidación del NADH y FADH2 Esta energía se conoce como fuerza motriz de electrones, que es un gradiente electroquímico Complejo V (ATP sintasa) En la cara matricial interna en la membrana mitocondrial interna se encuentran las Atp sintasas. Esta conformada por dos complejos principales: El componente de la membrana interna, conocido como Fo, es el motor impulsado por protones El segundo componente se conoce como F1, consta de tres componentes: el primero fija ADP y Pi, el segundo sintetiza al ATP y el tercero libera al ATP, por cada vuelta se producen 3 ATP Efectos sobre la cadena respiratoria de las siguientes sustancias: Rotenona Antimicina A Cianuro CO (monóxido de carbono) Oligomicina ¡¡¡ VÁMONOS A COMER!!!