Bioenergética Presentación PDF

BIOENERGÉTICA Se encarga de estudiar las diferentes transformaciones de energía que se llevan a cabo en la célula. Procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. Permite predecir las transformaciones y...

BIOENERGÉTICA Se encarga de estudiar las diferentes transformaciones de energía que se llevan a cabo en la célula. Procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. Permite predecir las transformaciones y la cuantificación de las variaciones termodinámicas.  El organismo humano es un sistema alejado del equilibrio, abierto (permite la transferencia de materia y energía con los alrededores), con paredes diatérmicas (permite el intercambio de calor con el ambiente circundante), y móviles (permite el intercambio de energía en forma de trabajo). Transformaciones de energía que tienen lugar en la célula, y de la naturaleza y función de los procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la termodinámica  CONCEPTOS ✔ PROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que transcurre con liberación de calor al medio. ✔ PROCESO ENDOTÉRMICO: el que transcurre tomando calor del medio. ✔ PROCESO EXERGÓNICO: libera energía. (ESPONTANEO). ✔ PROCESO ENDERGÓNICO: absorbe energía. (NO ESPONTANEO). Leyes de la Termodinámica Ley Cero: dos cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico, lo estarán con un tercero. Primera Ley: la energía de un sistema aislado se conserva. Segunda Ley: en un sistema aislado la entropía es máxima cuando todos los procesos reversibles han terminado.  FUNCIONES DE ESTADO Son propiedades de un sistema que dependen de las condiciones específicas en las que éste se encuentre (P, T, V). Evalúan los estados inicial y final, no el proceso de transición entre uno y otro estado. ❑ Primera Ley: define la entalpía, H, como el cambio de calor de un sistema. ❑ Segunda Ley: la entropía, S, permite medir el grado de libertad de un sistema, señalando si un proceso es o no espontáneo. ❑ La energía de Gibbs, G, señala si un proceso es o no favorable en términos energéticos.  ΔG = ΔH-TΔS ✔ Una reacción es espontánea cuando ΔG es negativo. ✔ Concepto de reacción endergónica y exergónica ✔ La ΔG estándar biológica (ΔGº’):Reacciones que se producirán en las condiciones: ❖ 1M de concentración de solutos. ❖ PH = 7.0 ([H+]= 10-7M) ❖ 25ºC ❖ 1 at de presión En cualquier reacción de un ser vivo la ΔG debe ser menor de cero para que se formen productos Según la concentración de sustratos y productos en la célula (o en un compartimentode ésta), el signo de ΔG puede En el equilibrio, ΔGR= 0 cambiar ΔGRº´= -RT lnKeq  REACCIONES ACOPLADAS Muchos procesos bioquímicos endergónicos se realizan gracias al acoplamiento a reacciones exergónicas. La reacción total 3 (suma de 1+2) es exergónica. La suma de ΔG1º’+ ΔG2º’es ΔG3º’o –3.0 kcal/mol La reacción completa es espontánea.  ATP Y ENERGÍA CELULAR ATP Químicamente es: Nucleótido formado por una base nitrogenada molécula de adenina. Un azúcar de 5-carbonos, la ribosa Tres grupos fosfatos.  ATP Y ENERGÍA CELULAR SISTEMA ATP-ADP ATP suministra energía libre para conducir muchas reacciones endergónicas Los otros nucleósidostrifosfato(GTP, UTP y CTP) pueden dirigir reacciones de forma análoga al ATP, aunque el ATP se encuentra en mucha mayor concentración en las células  ATP Y ENERGÍA CELULAR SISTEMA ATP-ADP Esta energía puede ser almacenada en un lugar y movida de una a otra parte de la célula y ser liberada para llevar a cabo una reacción bioquímica. La energía acumulada en el ATP es liberada cuando la unión del fosfato es rota. En este proceso un grupo fosfato es desprendido, creándose fósforo inorgánico y ADP, y liberando 7.3 kcal/mol  ATP Y ENERGÍA CELULAR La hidrólisis de los enlaces anhídrido fosfórico del ATP desprende gran cantidad de energía libre  ATP Y ENERGÍA CELULAR POTENCIAL DE TRANSFERENCIA DEL GRUPO FOSFORILO El ATP tiene un potencial de transferencia del grupo fosforilo intermedio entre las moléculas fosforiladas: buen transportador de grupos fosforilos de una a otras. La creatinafosfato del músculo es una buena reserva de energía:  ATP Y ENERGÍA CELULAR ATP Puede actuar como transportador de energía química, en cientos de reacciones celulares, por lo que se le considera como un compuesto rico en energía. La energía que se libera cuando se hidroliza el ATP, es utilizada en: La síntesis de biomoléculas, Transporte activo de iones en contra de un gradiente de concentración En movimientos de ciclosis citoplasmática En la contracción muscular En la emisión de luz por bacterias, luciérnagas El movimiento de flagelos y cilios.  ATP Y ENERGÍA CELULAR ATP El ATP es inestable a ácidos, álcalis y al calor. A pH 7.0 el ATP se encuentra como un anión con cuatro cargas negativas. El fosfato terminal del ATP se puede decir que existe en un estado activado, cuando este fosfato se hidroliza se forma ADP y Pi, dos moléculas de menor contenido energético. El enlace químico que se rompe en esa reacción de hidrólisis se conoce algunas veces como un enlace de alta energía.  ATP Y ENERGÍA CELULAR | SINTESIS DE ATP Es un producto del ciclo de Krebs. Este ciclo tiene lugar en las membranas mitocondriales, por tanto, el ATP se produce dentro de estas. Sin embargo en las celulas procariotas, poco evolucionadas y de escasos organelos especializados en funciones, el ATP se produce en el citoplasma. FOTOFOSFORILACIÓN VÍAS DE SÍNTESIS FOSFORILACIÓN QUIMIOSÍNTESIS OXIDATIVA  ATP Y ENERGÍA CELULAR FOTOFOSFORILACIÓN Tiene lugar en los CLOROPLASTOS y forma parte esencial de la fase luminosa de la fotosíntesis. La cadena de transporte de electrones se localiza en la membrana de los tilacoides. Los electrones deben ser transportados desde el agua (dador débil de electrones) hasta los coenzimas oxidados que deben ser reducidos (y que poseen escasa afinidad por los electrones). La energía necesaria para el proceso la proporciona la luz, que es captada por los pigmentos fotosintéticos.  ATP Y ENERGÍA CELULAR FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Tiene lugar en las MITOCONDRIAS y constituye la fase final de la respiración oxidativa. La cadena de transporte de electrones se localiza en la membrana mitocondrial interna. Los electrones se desplazan libremente desde el dador de electrones (coenzimas reducidos) hasta el oxígeno; es decir, desde un compuesto con un bajo potencial redox hasta un compuesto con un potencial redox mayor (y, por lo tanto, con una gran afinidad por los electrones).  ATP Y ENERGÍA CELULAR QUIMIOSÍNTESIS Tiene lugar en bacterias quimiosintéticas (transformadores). Los electrones son liberados en reacciones químicas exotérmicas, en las que el substrato utilizado suele ser un compuesto inorgánico sencillo como el amoniaco (NH3), el sulfuro de hidrógeno (SH2), carbonatos, etc.  ATP Y ENERGÍA CELULAR INTERMEDIARIOS NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina). Interviene en reacciones de deshidrogenación y transporta electrones a una cadena de transporte para la síntesis de ATP. FAD (Flavin adenin dinucleótido). Interviene en reacciones de deshidrogenación y aporta electrones para las reducciones necesarias y para la síntesis de ATP.  VÍAS METABÓLICAS Las rutas metabólicas no son independientes entre sí. La reacciones en el hialoplasma son Las moléculas resultantes deben anaerobias y no degradan por completo incorporarse después a las mitocondrias, los compuestos orgánicos sobre los que donde se degradan completamente, actúa. liberando gran cantidad de energía (ATP).  TIPOS DE METABOLISMO Forma de obtención de materiales, Compuestos inorgánicos, Compuestos orgánicos ❖ Autótrofos: obtienen las sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas, como el CO2, H2O, NO3-, PO4-3, etc. ❖ Heterótrofos: son incapaces de elaborar los compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos y deben obtenerlos del medio. Forma de obtener energía: ❖ Fotosintético. Cuando la fuente de energía es la luz ❖ Quimiosintéticos la energía la obtienen a partir de sustancias químicas, tanto orgánicas como inorgánicas. ❖ Fotolitótrofos: Obtienen la energía de la luz y los materiales a partir de sustancias inorgánicas. Se les llama también fotoautótrofos y fotosintéticos. Ejemplo: las plantas verdes. ❖ Fotoorganótrofos: Obtienen la energía de la luz y los materiales de sustancias orgánicas. Este raro tipo de nutrición sólo es propio de ciertas bacterias como las bacterias purpúreas. ❖ Quimiolitótrofos: Obtienen la energía de procesos químicos y los materiales a partir de sustancias inorgánicas. Se les denomina también quimiosintéticos. Ejemplo: las bacterias férricas, las sulfurosas y las nitrificantes y nitrosificantes. ❖ Quimioorganótrofos: Obtienen la energía y los materiales a partir de sustancias orgánicas. Se les llama también quimioheterótrofos. Ejemplo: los animales y los hongos.  CLOROPLASTOS Y FOTOSÍNTESIS Fotosíntesis es un proceso donde la energía solar es convertida en energía química. Se lleva a cabo en los cloroplastos de las hojas o tallos jóvenes que absorben energía solar. Los cloroplastos están formados por granas y tilacoides. Estos últimos contienen los pigmentos que absorben energia  Función: Realizan la fotosíntesis: fase luminosa en los tilacoides y fase oscura en el estroma Estructura Tienen doble membrana ✔ la memebrana interna se pliega dando lugar a los tilacoides ✔ El medio interno se lllama Estroma ✔ Tienen ribososmas, ADN.  FASES DE LA FOTOSÍNTESIS Fase lumínica : Las reacciones de luz ocurren en los tilacoides. Aquí se absorbe luz solar y se convierte en energía química. El agua se fotodescompone liberando oxígeno O2 y se sintetizan ATP y NADPH2. REACCIONES DEPENDIENTES DE LUZ Ocurren en las granas de los cloroplastos: 1. La clorofila y otras moléculas de pigmento presentes en las granas del cloroplasto absorben la energía de luz. 2. Esto aumenta la energía de ciertos electrones en las moléculas de los pigmentos activándolos. Esto los lleva a un nivel de energía más alto. A medida que los electrones de los pigmentos llegan a un nivel de energía más bajo, liberan energía. Fase no lumínica : Las reacciones de oscuridad ocurren en el estroma. El CO2 es transformado en carbohidratos usando el ATP y el NADPH2 de los tilacoides. Las plantas realizan fotosíntesis cuando hay suficiente luz, de lo contrario consumen oxígeno del exterior llevando a cabo respiración celular.  MITOCONDRIAS Y RESPIRACIÓN CELULAR La principal función de las mitocondrias es generar energía para mantener la actividad celular mediante procesos de respiración aerobia. (aportan cerca del 90% de la energía que necesita la célula) por medio de la utilización de ciertas enzimas capaces de transformar los materiales nutrientes en moléculas ATP las cuales son aprovechadas por la célula como fuente directa de energía. La respiración celular es por lo general aerobia ✔ Glucosa : dióxido de carbono y agua. Las reacciones químicas de la respiración celular se agrupan en cuatro fases: ❑ Glucólisis ❑ Formación de acetil-coenzima A ❑ Ciclo de Krebs ❑ Cadena Respiratoria  GLUCOLISIS Y FERMENTACION Los carbohidratos constituyen aproximadamente el 50% de la ingesta y son hidrolizados de manera secuencial en el tubo digestivo hasta llegar a monosacáridos. Así, en nuestra dieta incorporamos:  CATABOLISMO DE CARBOHIDRATOS GLUCÓLISIS En condiciones anaeróbicas: ✔ Fermentación. En condiciones aeróbicas: ✔ Ciclo de Krebs. ✔ Cadena transportadora de electrones. ✔ Fosforilación oxidativa. Consta de 9 pasos divididos en dos fases Fase 1: De Glucosa a gliceraldehido-3-P y dihidroxiacetona-P Fase 2: Se da por duplicado De Gly-3-P a ác. pirúvico. α-D-Glucosa ATP 1 β-D-fructosa-1,6-diP Hexoquinasa ADP ADP Fosfofructoquinasa 3 ATP Fosfofructoisomerasa 2 α-D-Glucosa-6-P β-D-fructosa-6-P. Ác. 3-fosfoglicérico β-D-fructosa-1,6-diP Fosfoglicerato ATP quinasa 6 Aldolasa 4 ADP Gliceraldehido-3- P DH Dihidroxiacetona-P Gliceraldehido-3-P Ác. 1,3-difosfoglicérico + NAD Triosafosfato NADH+H+ isomerasa 5. Ác. 3-fosfoglicérico Ác. Pirúvico (Pyr) 7 ATP Fosfoglicerato Fosfopiruvato 9 quinasa quinasa ADP Enolasa 8 Ác. 2-fosfoglicérico Ác. Fosfoenol pirúvico (PEP)  BALANCE ENERGÉTICO Partiendo de una glucosa, al final de la glucólisis tenemos: DE A BALANCE FASE TOTAL Glucosa Glucosa-6-P - 1 ATP x 1 - 1 ATP Fructosa-6-P Fructosa-1,6-di P - 1 ATP x 1 - 1 ATP Gliceraldehido-3-P ac. 1,3-di P-glicérico + 1 NADH x 2 + 2 NADH ac. 1,3-di P-glicérico ac. 3-P-glicérico + 1 ATP x 2 + 2 ATP PEP Piruvato + 1 ATP x 2 + 2 ATP TOTAL + 2 NADH+H+ + 2 ATP CONDICIONES ANAERÓBICAS  FERMENTACIÓN Degradación de los carbohidratos en condiciones anaeróbicas Se realiza en el citoplasma celular. Son propias de microorganismos (levaduras y bacterias), si bien algunas (fermentación láctica) puede realizarse en el tejido muscular de animales si no llega suficiente oxígeno FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Las dos moléculas de ácido pirúvico obtenidos en la glucólisis se transforman en dos moléculas de etanol + CO2 2 CO2 2 NAD+ 2 NADH+H+ 2 CH3-CO-COOH 2 CH3-CHO 2 CH3-CH2OH (2 Pyr) (2 acetaldehído) (2 etanol) Pyr Alcohol DH descarboxilasa Ej.: Saccharomyces cerevisiae (cerveza); S. apiculatus (sidra);…  FERMENTACIÓN LÁCTICA Las dos moléculas de ácido pirúvico obtenidos en la glucólisis se transforman en dos moléculas de ácido láctico 2 NADH+H+ 2 NAD+ 2 CH3-CO-COOH 2 CH3-CHOH-COOH (2 Pyr) (2 acetaldehído) Lactato DH Ej.: Lactobacillus casei, L. bulgaricus, Streptococcus lactis, (productos derivados de la leche). CONDICIONES AERÓBICAS Vía más eficiente en la obtención de energía. Hay una degradación total del piruvato hasta llegar CO2 y H2O Se produce en el interior de la mitocondria. El Pyr se transforma en acetil-CoA y este entra en la mitocondria CO2 NAD NADH + H+ CH3-CO-COOH CH3-CO^SCoA Pyr Acetil-CoA Pyr DH HSCoA  Ocurre en procesos consecutivos e interrelacionados: Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico Ciclo de Krebs Cadena respiratoria – Transporte de electrones – Fosforilación oxidativa  Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico El ácido pirúvico llega a la matriz mitocondrial El complejo multienzimático piruvato-deshidrogenasa lo transforma en Acetil-CoA Se pierde un grupo carboxilo (descarboxilación) que sale en forma de CO2 y dos hidrógenos (deshidrogenación) que son + aceptados por un + NAD que pasa a NADH + H Por cada molécula de glucosa: 2 Ácido pirúvico + 2 CoA + 2 NAD+ 🡪2 Acetil-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2H+  Ciclo de Krebs Se realiza en la matriz mitocondrial El acetil-CoA (molécula inicial) se descarboxila hasta obtener CO2. Por cada acetil-CoA, se obtienen coenzimas reducidos,3 NADH+ H+ y 1 FADH2 , que se oxidarán en la cadena respiratoria.  Balance energético Por vuelta Por se molécula produc de e: glucosa (2 vueltas ): - 1 GTP - 2 GTP (equival - 6 NADH e a un - 2 ATP) FADH2 - 3 NADH - FADH2  TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Conjunto de proteínas llegan las moléculas Formada por 4 complejos: transportadoras de reducidas: NADH+H*, 3 bombas de protones y electrones situadas en la FADH2 las cuales han sido una conexión física con el membrana interna de la producidas en otras rutas ciclo del ácido cítrico. mitocondria metabólicas. El objetivo de la cadena transportadora de electrones es crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. En la cadena Los electrones hay dos NADH pasan a través de donadores de FADH2 la cadena hasta electrones. el oxígeno. El cual se reduce para formar agua.  Oxido - reducción Los electrones se pueden aceptar y donar en varias formas : ✔ Individualmente ✔ Un electrón unido a un protón ; es decir, un átomo de H. ✔ Dos electrones unidos a dos protones; es decir, dos átomos de H.  La cadena de transporte de electrones. La cadena respiratoria consta de 3 El acoplamiento quimiosmótico partes: La fosforilación oxidativa El proceso de fosforilación oxidativa ocurrirá en las crestas mitocondriales  Serie de La función de proteínas o estos Cadena complejos complejos en transportado protéicos este caso es ra de unidos o movilizar electrones adheridos a electrones a la membrana través de mitocondrial. ellos  Coenzima Además de tener los Q10 cuatro complejos protéicos se tienen asociados a la cadena transportadora de elctrones dos transportadores Citocromo C  COMPLEJO I O NAD DESHIDROGENASA Es una enzima compuesta por 42 cadenas polipeptídicas diferentes, incluyendo una flavoproteína que contiene FMN( es un nucleótido de flavina) y como mínimo 6 centros ferro sulfurados (Fe-S). Transfiere 2 electrones a la ubiquinona y 4 protones desde la matriz hacia el espacio intermenbranal.  COMPLEJO II SUCCIINATO DESHIDROGENASA ▪ Única enzima del ciclo de Krebs ligada a la membrana ▪ Transfiere electrones a la ubiquinona ▪ NO hay bombeo de protones ❑ La glicerol 3 fosfato deshidrogenasa, transporta electrones directamente a la ubiquinona sin pasar por el complejo II  COMPLEJO III UBIQUINONA CITOCROMO C- OXIDOREDUCTASA (COMPLEJO CITOCROMO bc) Es una proteína transportadora de electrones que contiene un grupo prostético hemo. Se bombean cuatro protones por cada par de electrones transferidos ❑ Acopla la transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c  COMPLEJO IV CITOCROMO OXIDASA Transporta electrones desde el citocromo c al oxigeno molecular, reduciéndolo a H2O. Hay bombeo de protones El complejo IV puede ser inhibido por: ❑ Cianuro (CN- ) ❑ SH2 ❑ CO ❑ Azida (N3-)  COMPLEJO ATP SINTASA F1: Subunidades α3, β3, γ, δ y ε y tres sitios catalíticos F0: Proteína integral, canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b 2 y c12 Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química. El Dr. Boyer (1964) recibió el premio Nobel al describir la ATP sintasa  TEORÍA QUIMIOSMÓTICA QUIMIOSMOSIS Es la difusión de iones a Peter Mitchell, 1978 través de una membrana. Específicamente se relaciona con la generación de ATP mediante el movimiento de iones hidrogeno (protones o H+) a través de la membrana interna mitocondrial y de la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. FUERZA PROTOMOTRIZ Es generada por la cadena transportadora de electrones, que actúa como una bomba tanto de electrones como de protones, creando una separación de carga. En la mitocondria, la liberación de energía libre desde la cadena transportadora de electrones, es utilizada para mover protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana de la mitocondria. Se crean concentraciones levemente altas de partículas cargadas positivamente, dando por resultado un lado más positivo y un lado más negativo (El gradiente eléctrico generado es de aproximadamente -200 mV) Ésta diferencia de carga da como resultado un gradiente electroquímico. Éste gradiente se compone tanto del gradiente de pH y del gradiente eléctrico. El gradiente de pH corresponde a la diferencia en la concentración del ion H+. Juntos, el la FPM que la ATP- sintasa gradiente electroquímico de protones necesita ser de 50 kJ/mol corresponde tanto a la concentración como a la aprox producir ATP diferencia de carga que se pueda generar.  ¿ QUÉ ES LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA? Síntesis de ATP añadiendo un fosfato a un ADP gracias a la energía producida por el paso de protones a favor de gradiente a través de una ATP sintasa en su regreso a la matriz mitocondrial, de dónde habían sido bombeados aprovechando los electrones que se había obtenido oxidando moléculas orgánicas. A partir de un NADH se pueden sintetizar hasta 2.5 ATP y de un FADH2, se pueden obtener 1.5 ATP.  BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL La oxidación en la cadena respiratoria de una molécula de: – 1NADH → 3 ATP – 1FADH2 → 2 ATP PROCESO CITOPLASMA MATRIZ MITOCONDRIAL TRANSPORTE TOTAL ELECTRÓNICO GLUCOLISIS 2 ATP 2 ATP 2 NADH 2 x (3 ATP) 6 ATP Ácido pirúvico a 2 x (1 NADH) 2 x (3 ATP) 6 ATP acetil- CoA RESPIRACIÓN Ciclo de krebs 2 x (1 ATP) 2 ATP 2 x (3 NADH) 6 x (3 ATP) 18 ATP 2 x (1 FADH2) 2 x (2 ATP) 4 ATP Balance energético global por cada molécula de glucosa 38 ATP