Apuntes de Bioquímica (PDF)

BLOQUE VI. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO. BIOENERGÉTICA Prof. Vanesa Jiménez Ortega 18.- Introducción al metabolismo. Bioenergética 19.- Ciclo de los ácidos tricarboxílicos 20.-Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa 18. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO....

BLOQUE VI. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO. BIOENERGÉTICA Prof. Vanesa Jiménez Ortega 18.- Introducción al metabolismo. Bioenergética 19.- Ciclo de los ácidos tricarboxílicos 20.-Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa 18. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO. BIOENERGÉTICA Prof. Vanesa Jiménez Ortega 18- Bioenergética Introducción al metabolismo Termodinámica de las reacciones bioquímicas Acoplamiento de reacciones. Intermediarios de alta energía: ATP, coenzima A Obtención de ATP: fosforilación a nivel de sustrato  Organización funcional del metabolismo. Panorámica general. BIOENERGÉTICA: rama de la bioquímica que trata la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos Todos los organismos necesitan energía y materia (carbono). Podemos realizar una clasificación en función del tipo de fuente de energía y el origen de la forma química del carbono: NH3 CO2 Feduchi. Bioquímica: Conceptos esenciales. Panamericana. 2011  PROCESOS METABÓLICOS EN ORGANISMOS QUIMIOHETERÓTROFOS NUTRIENTES Vía degradativa PRODUCTOS DE DEGRADACIÓN Hidratos de carbono CATABOLISMO CO2 H2 O NH3 Lípidos METABOLITOS INTERMEDIARIOS Proteínas MOLÉCULAS PRECURSORAS Aminoácidos MACROMOLÉCULAS Monosacáridos Proteínas ANABOLISMO Glicerol Hidratos de carbono Vía biosintética Ácidos grasos Lípidos Acetil CoA Ácidos nucleicos Bases nitrogenadas  METABOLISMO Conjunto de todas las reacciones que tienen lugar en las células para: La degradación de sustancias exógenas (nutrientes) a sus productos constituyentes (metabolitos intermediarios). La obtención de energía química a partir de las moléculas combustibles. El ensamblaje de los productos de degradación (metabolitos intermediarios) para formar moléculas propias. La síntesis y degradación de moléculas especializadas. Las reacciones celulares forman parte de las rutas metabólicas, una serie de reacciones encadenadas e interdependientes. ETAPAS DEL CATABOLISMO 1.- Las grandes moléculas se degradan hasta unidades más pequeñas. Digestión. Otros, p.ej.: Glucogenólisis 2.- Estas moléculas más pequeñas se degradan hasta intermediarios metabólicos. Importante, Acetil CoA. 3.- Se produce ATP a partir de la oxidación completa del fragmento acetilo del acetil- CoA y NADH, FADH2. ETAPAS DEL ANABOLISMO 3.- Biosíntesis de macromoléculas a partir de moléculas sillares. Biosíntesis de proteínas, glucógeno, etc. 2.- Transformación de los metabolitos intermediarios a moléculas sillares. Síntesis de ácidos grasos, gluconeogénesis, síntesis de aminoácidos. 1.- Ciclo de Krebs como nexo de unión entre catabolismo y anabolismo=anfibólica ASPECTOS TERMODINÁMICOS DE LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS  APLICACIONES DE LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA A LOS PROCESOS BIOQUÍMICOS Termodinámica: conjunto de leyes fundamentales que gobiernan las transformaciones energéticas de la materia y por lo tanto también rigen para los seres vivos. Primer principio de la termodinámica: Principio de conservación de la energía. La energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma. Segundo principio de la termodinámica: un proceso tiene lugar espontáneamente si aumenta la suma de las entropías del sistema y de su entorno. Permite obtener información relativa a la reacción bioquímica, como su viabilidad, dirección o cantidad de energía emitida o absorbida durante la misma, lo cual es necesario para comprender los procesos biológicos.  Primer principio de la termodinámica: Principio de conservación de la energía. La energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma. ENTALPÍA (H): contenido de calor interno de un sistema, reflejo del número y tipo de enlaces que contiene la molécula. GA Estado inicial DGº Cambio de contenido energético (sustratos) (por la energía contenida en los Estado final G B enlaces químicos-potencial químico) (productos) INCREMENTO DE ENTALPÍA (H: HP-HS) cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico. Desprende energía H0 EXOTÉRMICO ENDOTÉRMICO Una reacción es más probable si se da en situaciones de disminución de entalpía (H0). Los cálculos de esta magnitud para algunos sistemas no son muy asequibles y por ello es necesario definir otra propiedad, cuyo valor también indique la espontaneidad o no de los procesos, y cuyo cálculo sea más sencillo. Dicha magnitud es la energía libre de Gibbs (G), que es también una función de estado, y que está relacionada con la entalpía y con la entropía.  TERMODINÁMICA EN REACCIONES QUÍMICAS La espontaneidad de una reacción, en función de la entalpía y entropía, viene dada por la ENERGÍA LIBRE DE GIBBS EXOTÉRMICO Energía libre ENDOTÉRMICO Procesos espontáneos G=0 Procesos no espontáneos (sin aporte de energía) (con aporte de energía) Reacción en G NEGATIVA G POSITIVA equilibrio REACCIÓN EXERGÓNICA REACCIÓN ENDERGÓNICA Todos los sistemas tienden a alcanzar su equilibrio termodinámico, en el cual la energía libre del sistema es mínima. Koolman y Röhm. Bioquímica Humana. Ed. Panamericana  PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LAS REACCIONES 1.- Que una reacción tenga o no lugar espontáneamente viene determinado por la diferencia de energía libre o energía libre de Gibbs (G) entre los productos y sustratos. 2.- Esta energía libre de Gibbs es diferente de la energía de activación, que es la necesaria para iniciar la conversión de los sustratos en productos y que determina la velocidad de una reacción. Las enzimas actúan sobre la energía de activación, no sobre la energía libre. Si una reacción no es espontánea, las enzimas no hacen que lo sea. G no proporciona ninguna información sobre la velocidad de una reacción. G = H − TS G se define como: H : INCREMENTO DE ENTALPÍA S : INCREMENTO DE ENTROPÍA T: Temperatura Koolman y Röhm. Bioquímica Humana. Ed. Panamericana EXPRESANDO LA ENERGÍA LIBRE DE UN SISTEMA BIOQUÍMICO EN TÉRMINOS DE CONCENTRACIÓN: Cuando una reacción se encuentra en equilibrio, la constante de ese equilibrio (Keq) se define mediante la ley de acción de masas, que aplicada a un caso general es la siguiente: G < 0 Reacción exergónica o espontánea G > 0 Reacción endergónica o no espontánea G = 0 Equilibrio Go' = variación de energía libre estándar. Es constante para cada reacción química y corresponde con la medida de variación de energía libre determinada en condiciones estándar (a pH 7; T 298 K, presión 1 atm, concentración 1M reactivos y productos). R= constante universal de los gases (8,314 J∙ K -1 ∙ mol-1) (1,98 Kcal ∙ K -1 ∙ mol-1) T = temperatura absoluta en grados Kelvin. 25º + 271 = 298 K El criterio de espontaneidad de una reacción lo da G , no Go' DETERMINACIÓN DE GO' A + B → C + D [C] [D] G = Go' + RT ln [A] [B] 50 % G6P 50% F6P Si se deja a la reacción alcanzar el equilibrio: [C ][ D] G=0 Keq = [ A][ B] 1,33 M 0,67 M 66,5% G6P 33,5% F6P 0 = G º´+ RT ln Keq G º´= − RT ln Keq Todas las reacciones tienden a su posición de equilibrio. Feduchi y cols., “Bioquímica : conceptos esenciales”. Panamericana. 2011  si ΔG0′ es negativo indica que el valor de la constante, Keq, es mayor que la unidad, o lo que es lo mismo, el equilibrio está desplazado hacia los productos. A + B → C + D [C] [D] G = Go' + RT ln [A] [B] si ΔG0′ es positivo, indica que Keq es menor que la unidad, es decir, que Si se deja a la reacción alcanzar el el equilibrio está desplazado hacia la formación de reactivos. equilibrio: s [C ][ D] Keq = G=0 Exergónicas [ A][ B] 0 = G º´+ RT ln Keq G º´= − RT ln Keq Endergónicas 1KJ=0,24Kcal; 1Kcal=4,19KJ Si el sistema no está en equilibrio, cualquier sentido de la reacción que conduzca a él, será espontaneo, es decir, tendrá un valor de G negativo. Glucosa 6P Fructosa 6P G6P G○´=+1,7 kJ/mol F6P Reacción endergónica 33,5% F6P [ F 6 P] 0,67 M Keq = = [G 6 P] 1,33M 66,5% G6P Entonces ¿no se forma F6P a partir de G6P en nuestros sistemas? Glucosa 6P Fructosa 6P G6P F6P La formación de F6P podrá tener lugar espontáneamente si aumenta la concentración del sustrato o disminuye la del producto.  El ΔG real depende de la naturaleza de los reactivos (ΔG○) y de sus concentraciones. Cuando una reacción tiene un valor positivo de energía libre estándar, se puede contrarrestar para que sea exergónica: _reduciendo los productos, de manera que la concentración de E+F reactivo sea mayor que la de producto y por lo tanto, el cociente A + B → C + D sea menor que 1 (ln negativo). [C] [D] ↓ G = Go' + RT ln - [A] [B] - + ↑ _ aumentando los sustratos Cuanto más lejos se sitúan los sistemas de su estado de equilibrio, más irreversible es la reacción. Reacciones cercanas a su punto de equilibrio son fácilmente reversibles. PROPIEDAD ADITIVA DE LA ENERGÍA LIBRE: El incremento de energía libre total para una serie de reacciones acopladas es igual a la suma de los cambios de energía libre de las etapas individuales. Gracias a ello, las reacciones intrínsecamente desfavorables (endergónicas) pueden hacerse favorables acoplándolas a reacciones exergónicas: REACCIONES SECUENCIALES G⁰´1=+5kJ/mol; G ⁰´2=-10kJ/mol = - 5kJ/mol REACCIONES ACOPLADAS = - 30kJ/mol = +10kJ/mol A+C B+D = - 20kJ/mol Este principio bioquímico es empleado para impulsar innumerables reacciones, transporte de sustancias a través de membranas, la transmisión de impulsos nerviosos, contracción muscular, etc. ACOPLAMIENTO DE REACCIONES: ENERGÍA LIBRE DE TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATO  Los compuestos que frecuentemente se acoplan para impulsar reacciones endergónicas se conocen como INTERMEDIARIOS DE ALTA ENERGÍA lanzaderas de energía - Liberan la energía mediante hidrólisis y transferencia de grupo (rotura enlace rico en energía). - Transfieren la energía en una sola reacción. Los compuestos ricos en energía están ligados a la transferencia de un determinado grupo, y por lo tanto, se pueden clasificar en función del grupo que se transfiere: Transferidores de grupos fosforilo (los más importantes). Transferidores de grupos acilo. Acetil-CoA -31,4 -7,5  Los compuestos ricos en energía o en energía de hidrólisis se definen como aquellos intermediarios metabólicos cuyo potencial de transferencia de grupo es igual o inferior a −30 kJ/mol. Potencial de transferencia de fosfato: Capacidad de un compuesto para ceder “el grupo” a otra sustancia. Se mide por la energía libre estándar desprendida en la hidrólisis del enlace de alta energía, que se representa con el signo ∼. Mathews y cols., “Bioquímica”. Ed. Pearson 2004 INTERMEDIARIOS DE ALTA ENERGÍA: SISTEMA DE ATP/ADP Las reacciones que constituyen el catabolismo son en general procesos termodinámicamente viables, es decir, con ΔG0′ negativo, mientras que por el contrario el conjunto de reacciones anabólicas se desarrollan en sentido opuesto, es decir, con ΔG0′ positivo. ATP: Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía ATP: Adenosín-5'-trifosfato o Trifosfato de adenosina Coenzima no vitamínica: transferencia de grupos fosfato de las quinasas. El potencial de transferencia de un enlace éster fosfato es la mitad que el de los enlaces fosfoanhídrido. ATP P ADP P AMP P P P P Adenosina P P Adenosina P Adenosina Adenosina Gº= -31 KJ/mol Gº= -31 KJ/mol Gº= -14 KJ/mol Keq=105 H2O H2O H 2O La hidrólisis más frecuentemente utilizada en los acoplamientos energéticos con reacciones endergónicas es la de ATP a ADP y Pi. Sin embargo, cuando se requiere impulsar una reacción muy endergónica, la reacción que se utiliza es la hidrólisis de ATP a AMP y PPi, debido no al ΔG0′ que es muy similar, sino a la posterior e inmediata escisión del pirofosfato a través de la enzima pirofosfatasa, que lo hidroliza a dos moléculas de fosfato inorgánico (Pi). El ATP es un compuesto relativamente estable y su hidrólisis espontánea es lenta, pero cuando se produce ya sea espontáneamente o catalizada por una enzima, se libera una energía libre sustancial. En células G⁰´ ≠ G´ [ATP], [ADP] y [Pi] ≠ 1M Cuanto más alejadas del equilibrio se encuentre la reacción, mayor será la energía liberada para alcanzarla. Las células mantienen la proporción de ATP superior a la de ADP. *El resto de NTP, también con compustos ricos en energía que transfieren grupos fosforilo, aunque su actuación no es tan generalizada. Por ejemplo, el trifosfato de uridina (UTP), participa en el metabolismo del glucógeno, el trifosfato de guanidina (GTP) en la biosíntesis ribosomal de proteínas o en las cascadas de transducción de señales, o el trifosfato de citidina (CTP) en la biosíntesis de fosfolípidos. Todos ellos se regeneran a expensas del ATP, simplemente por ser más abundante.  Factores que contribuyen a hacer que los cambios de energía libre sean tan elevados en los grupos fosfato: Cuatro cargas negativas tan próximas= repulsiones electroestáticas Impedimento estérico entre los átomos contiguos de oxígeno Enlaces fosfoanhidro que dificultan las formas resonantes. Al hidrolizarse el ATP: - la repulsión se reduce. - estabilización por resonancia de los productos. Los productos de la hidrólisis pueden adoptar más formas resonantes que el compuesto original. P.Ej.: Fosfato inorgánico (Pi ) H2PO4- =HPO42- Estructuras de resonancia del ion fosfato - estabilización por hidratación de los productos de la hidrólisis. El agua se puede unir más eficazmente al ADP y Pi que a la porción fosfoanhídrido del ATP, con lo cual ADP y Pi se estabilizan por hidratación. Híbrido de resonancia La hidrólisis de un enlace de alta energía desprende elevada energía porque los productos son mucho más estables que en el compuesto original, ya sea por reducción de repulsión electrostática, aumento de hidratación o de formas de resonancia. Mathews y cols., “Bioquímica”. Ed. Pearson 2011 INTERMEDIARIOS DE ALTA ENERGÍA: TRANSFERENCIA DE GRUPOS ACILO SH CH2 CH2 -mercaptoetilamina NH C O CH2 Existen más intermediarios de alta energía que el ATP, pero la evolución CH2 Pantotenato ha creado una serie de enzimas que se unen preferentemente al ATP y NH NH2 C O han hecho de esta molécula el nucleótido más abundante. N N HO C H El enlace tioester, que se forma entre un ácido carboxílico y un tiol H3C C CH3 O O N N (SH), es un enlace de alta energía. H2C O P O P O CH2 O La energía de hidrólisis de estos compuestos se debe a que el enlace O− O− H H tioéster impide totalmente la resonancia. H O OH H ADP-3'-fosfato Por ejemplo: el tiol de la coenzima A (abreviada CoA-SH). − O P O− COENZIMA A O OBTENCIÓN DE ATP Las células intercambian la energía liberada en la ruptura del ATP para llevar a cabo funciones esenciales, a veces convirtiendo la energía química en otros tipos de energía (mecánica, eléctrica, de transporte). Existen distintas vías para producir ATP a partir de ADP y Pi: A- Fosforilación a nivel de sustrato La energía de una transformación química es directamente utilizada para transferir el grupo fosfato (Pi) al ADP y obtener ATP. B- Fosforilación Oxidativa La energía de la oxidación es utilizada para generar poder reductor (equivalentes de reducción: NADH, FADH2), que será oxidado en la mitocondria hasta reducir al oxígeno a agua. Esta energía es indirectamente utilizada para producir ATP. [Fosforilación Fotosintética] Herrera E,. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014. A- FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO La ruptura de un compuesto de alto contenido energético puede impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. 1,3-BISFOSFOGLICERATO, FOSFOENOLPIRUVATO (metabolismo de glúcidos) Fosfoglicerato Piruvato quinasa quinasa ATP ATP H2O+ADP Gº´=-49 KJ/mol H2O+ADP FOSFOCREATINA O CREATINA FOSFATO (CP) La fosfocreatina se encuentra en el músculo de los vertebrados y es un reservorio de grupos fosforilo de alta energía que pueden transferirse fácilmente al ATP. Para que la reacción de síntesis de fosfocreatina tenga lugar hay que incrementar la concentración de creatina y ATP.  B- FOSFORILACIÓN OXIDATIVA La oxidación de los nutrientes durante el catabolismo genera electrones, que son transferidos a transportadores especiales, tales como los nucleótidos de piridina o flavina (NAD y FAD), que se reducen, convirtiéndose en moléculas con poder reductor (NADH+H+ Y FADH2). Estado más reducido. Por lo tanto, cuanto más reducido está el sustrato, mayor será su potencial de generación de energía biológica durante su oxidación. Estado más oxidado. El aceptor último de electrones es el oxígeno, pero los electrones no se transfieren directamente a él. A partir de las moléculas con poder reductor tiene lugar una secuencia de reacciones de oxidación-reducción acopladas que conforman la denominada CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO O CADENA RESPIRATORIA. Este proceso es exergónico y la energía que libera impulsa la síntesis de ATP. Con la cesión de los electrones, NADH y FADH2 vuelven a oxidarse en la cadena respiratoria y quedan disponibles para comenzar un nuevo ciclo.