Bioenergética Principios https://bioenergeticamaestria.wordpress.com/ Dra. Sobeida Sánchez Nieto Departamento de Bioquímica Facultad de Química, UNAM sobeida@unam.mx

Bioenergética Es la rama de la bioquímica que se dedica al estudio de las reacciones que involucran cambios de energía. 1950’s… Se conocía la síntesis de ATP ya sea por la oxidación de los sustratos o por las reacciones dependientes de la luz 1965-1980 Teoría QUIMIOSMÓTICA, surge la membrana como un componente esencial en los procesos de transducción o conversión de energía.

Bioenergética Objetivo Entender los mecanismos por los cuales la energía puede obtenerse, ya sea por la oxidación de substratos, por absorción de la luz para llevar a cabo la síntesis de ATP, o para la acumulación de iones a través de la membrana.

Las transformaciones energéticas en los organismos vivos siguen las leyes de la termodinámica

1ª Ley de la Termodinámica Conocida como "Ley de conservación de la energía" Establece que hay cierta magnitud llamada "energía", la cual no varía con los múltiples cambios que ocurren en la naturaleza.

2ª Ley de la Termodinámica Establece que existe otra magnitud llamada "entropía", que permanece constante en algunas transformaciones y que aumenta en otras, sin disminuir jamás. Aquellas transformaciones en las cuales la entropía aumenta, se denominan "procesos irreversibles".

Entropía es la medida del desorden El proceso de descongelado del hielo hace que un sistema estructurado pase o se convierta en uno menos estructurado en el cuál las moléculas de agua líquida no tienen una posición fija

El flujo de agua en la cascada es irreversible

Energía libre Las reacciones químicas son influenciadas por 2 fuerzas: la tendencia para lograr el enlace más estable (entalpía, H) y la tendencia para lograr el mayor desorden, expresada como entropía (S). La fuerza neta de la reacción es el G o energía libre de Gibbs

Energía libre de Gibbs Es la energía que se encuentra disponible en un sistema para realizar trabajo. se puede estimar el cambio en la energía libre del sistema: G= H-TS

Glucosa (C6H12O6) 6 CO2 + 6H2O             ~ 30-36 ATP A + B  C + D  Por ejemplo, en las reacciones químicas hay una gran energía de cambio cuando los reactantes son convertidos a productos. Y cuando están en equilibrio, no hay energía libre disponible para realizar trabajo. El desplazamiento de una molécula del equilibrio define su capacidad de realizar trabajo. Una reacción puede tener lugar espontáneamente sólo si G, es negativo.

Gráfica de energía libre de una reacción

Energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio G= Gº + RT ln [C][D] [A][B] Entonces la G depende de la naturaleza de los reactantes y también de sus concentraciones R=1987 calmol-1K-1

Energía libre estándar vs energía libre La energía libre estándar (Gº) se presenta en reacciones a temperatura estándar T=25C (298°K), pH=7.0 y 1M de sustratos y productos. Datos que para muchas reacciones se encuentran en tablas. G= Gº + RT lnK En el equilibrio K=Keq y G=0 Gº=-RTlnKeq

Efecto de la concentración de reactantes (Ay B) y los productos (C y D) sobre la espontaneidad de una reacción química Cociente de productos/ reactantes C][D] /[A][B] G=G° + RTln [C][D]/[A][B] Características de la reacción 1/100 Negativo Espontánea 1 Cero En equilibrio 100/1 Positivo No espontánea

ATP ADP + Pi Moléculas de combustible O2 Respiración Trabajo CO2 + H2O Transporte Biosíntesis Trabajo mecánico ADP + Pi

Catabolismo oxidación de sustratos a moléculas simples para la producción de energía Anabolismo el uso de precursores simples y energía para la biosíntesis de macromoléculas

Compuestos de alta energía La alta energía de un compuesto no es sinónimo de estabilidad del enlace químico de este, ni se refiere a la energía requerida para romper los enlaces. Los compuestos de alta energía son aquellos que al romperse hidrolíticamente tienen un producto más estable que el compuesto original

Trifosfato de adenosina (ATP) Carga neta -4 ATP es la principal fuente de energía de los seres vivos. El ATP alimenta casi todas las actividades celulares, entre ellas el movimiento muscular, la síntesis de proteínas, la división celular y la transmisión de señales nerviosas.

El ATP es un compuesto de alta energía e inestable 1. La repulsión electrostática entre las cargas negativas de los grupos fosfato del ATP favorecen su hidrólisis.

2. Los productos de su hidrólisis, el ADP y el Pi se solvatan más que el ATP, por lo que se estabilizan más. 3. Los productos tienen más formas de resonancia que el ATP.

PEP presenta el más alto valor de energético en la célula ATP un valor intermedio

Reacciones de transferencia de fosforilo

Glucólisis Proceso de oxidación o catabólico de la glucosa (6C) para su conversión a piruvato (3C) Diez enzimas participan en la vía Se divide en dos etapas En la primera etapa se invierte energía y no hay pérdida de carbonos En la segunda se produce energía en forma de ATP y poder reductor en forma de NADH Se realiza un proceso oxidativo sin pérdida del número de carbonos

El ATP puede ceder su grupo fosforilo. Primera reacción en la glucólisis Espontáneo No espontáneo Espontáneo 1 Kcal = 4.184 KJ -30.5 KJ

Reacción irreversible la fosforilación de la fructosa 6 fosfato por la fosfofructocinasa 1

Primera etapa de la glucólisis Se comienza con 6C Se invierte energía 2 ATPs Concluye con 2 moléculas de 3C

glucólisis

Energética de la glucólisis Reacción Enzima G0' (kcal/mol) G (kcal/mol) 1 Hexoquinasa o Glucoquinasa - 4.0 - 8.0 2 Fosfoglucoisomerasa + 0.4 - 0.6 3 Fosfofructoquinasa-1 - 3.3 - 5.3 4 Fructosa-1,6-bis-fosfato aldolasa + 5.7 - 0.3 5 Triosa-fosfato isomerasa + 1.8 + 0.6 6 Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa + 1.5 - 0.4 7 Fosfoglicerato quinasa - 4.5 + 0.3 8 Fosfoglicerato mutasa + 1.06 + 0.2 9 Enolasa - 0.8 10 Piruvato quinasa - 7.5 - 4.03

Los productos de la hidrólisis de la fructosa 1,6 fosfato por la aldolasa En la primera etapa se produce gliceraldehído- 3 fosfato y dihidroxiacetona fosfato La isomerasa, la triosa fosfato isomerasa es una enzima muy eficiente, al removerse el gliceraldehído-3 fosfato para continuar en la vía glicolítica la dihidroxiacetona fosfato es convertida a gliceraldehído 3-fosfato Por lo que al final se tiene que de la primera parte de la glucólisis se producen 2 moléculas de gliceraldehídro 3P Triosa fosfato isomerasa

Resumen de la primera parte de la glucólisis Gliceraldehído-3- fosfato (G3P)

Cómo se produce el ATP? Hay tres métodos básicos: 1. La fosforilación a nivel de sustrato 2. La fosforilación oxidativa 3. La fotofosforilación

Fosforilación a nivel de sustrato La glucolisis y el ciclo de krebs

Segunda fase glicólisis Producción de 2 intermediarios de alta energía (1,3 bifosfoglicerato y fosfoenolpiruvato) Producción de moléculas de ATP Gliceraldehído-3 fosfato deshidrogenasa Fosfoglicerato mutasa

Gliceraldehído-3 fosfato dehidrogenasa SEGUNDA FASE Gliceraldehído-3 fosfato dehidrogenasa 1. Formación del primer intermediario de alta energía 1,3 BIFOSFOGLICERATO 2. Primera oxidación: SE OXIDA EL GLICERALDEHÍDO 3- FOSFATO 3. Se produce NADH PODER REDUCTOR!!!

SEGUNDA FASE PRIMERA Fosforilación a nivel de sustrato en la segunda parte de la glucólisis

Glucólisis Formación de ATP 1. Fosforilación a nivel de sustrato.

ATP ATP

Dependiendo de las condiciones: aerobias o anaerobias será el destino del carbono y el nivel energético de la célula citoplasma mitocondria

La glucosa se oxida produciendo CO2 y en el camino ATP y NADH

FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO Succinil-CoA sintasa

El GTP se puede reconvertir reversiblemente en ATP

-43 KJ/mol

Fosforilación a nivel de sustrato Metabolito de alta energía Transferencia de fosfato a Producto de alta energía formado 1, 3 Bi-P Glicerato ADP ATP Fosfoenolpiruvato SuccinilCoA GDP GTP Creatin-P

Fosforilación oxidativa y fotofosforilación

Fosforilación oxidativa o fotofosforilación. En ambos se genera un gradiente de concentración de protones a través de la membrana. La descarga de ese gradiente se encuentra acoplada enzimáticamente a la formación de ATP a partir de ADP y Pi (en el proceso inverso de la hidrólisis de ATP). En el metabolismo oxidativo, este proceso se denomina fosforilación oxidativa, mientras que en la fotosíntesis se denomina fotofosforilación.

The electrochemical proton gradient and ATP synthase At the inner mitochondrial membrane, a high energy electron is passed along an electron transport chain. The energy released pumps hydrogen out of the matrix space. The gradient created by this drives hydrogen back through the membrane, through ATP synthase. As this happens, the enzymatic activity of ATP synthase synthesizes ATP from ADP. © 2010 Nature Education