Q.F.B ANA PERLA VILLASANA RUÍZ Ca. M.C.S. Energía vital El hombre necesita de energía química para vivir. La energía la obtiene de los alimentos para.

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1 Q.F.B ANA PERLA VILLASANA RUÍZ Ca. M.C.S

2 Energía vital El hombre necesita de energía química para vivir. La energía la obtiene de los alimentos para formar moléculas de alta energía que generan: Trabajo muscular Envió de señales Síntesis química tisular Los fosfatos de alta energía, como el ATP, son los medios que utiliza el cuerpo para captar la energía de la oxidación de los productos de la digestión. La fuente principal de la energía química es el catabolismo

3 Energía vital Parte de la energía que se obtiene de la transformación de la glucosa en CO2 y H2O se usa para llevar acabo distintas reacciones químicas y el resto de la energía se libera como calor. No todo se libera como calor, se utiliza también para formar compuestos de alta energía como los fosfatos. Cada organofosfato posee la capacidad de transferir su unidad de fosfato a otra molécula. POTENCIAL DE TRANSFERENCIA DEL GRUPO FOSFATO

4 EJEMPLO ATP + glicerol 3-fosfato ADP + glicerol 1,3- difosfato + + + +

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6 Energética bioquímica El trifosfato de adenosina (ATP) es el principal proveedor de energía en el cuerpo. Toda la energía bioquímica se reduce a la síntesis y utilización de este compuesto. Un adulto en reposo consume 40 kg de ATP por día,cuando se ejercita la proporción del consumo puede alcanzar hasta 0.5 kg por minuto. La contracción muscular se puede escribir en forma muy simple: Musculo relajado + ATP Musculo contraído + ADP + Pi Esta reacción provoca cambios en las estructuras terciarias de las proteínas musculares que hacen que las fibras formadas por ellas se contraigan.

7 Energética bioquímica ATP rompimiento ENERGÍA El ATP tiene dos enlaces fosfato que durante la transferencia de energía química forman como productos el AMP (monofosfato de adenosina) y el ion difosfato inorgánico PPi. Los transportadores de energía son trifosfatos distintos al ATP. Ejemplo: GTP (trifosfato de guanosina)

8 Energética bioquímica “Fosfatos de alta energía” El ATP puede formase a partir del ADP mediante la transferencia de un fosfato de otros compuestos de alto potencial de transferencia y energía. El sistema ATP/ADP puede aceptar energía química de fosfatos con potencial mayor y después transferirla mediante fosforilaciones a otros compuestos.

9 Una vez que se utiliza el ATP, este debe volver a formarse para continuar realizando un trabajo. La resíntesis del ATP es continua. Uno de los principales objetivos del catabolismo es transferir la energía química de manera que el ATP se resintetice a partir del ADP y el Pi. El objetivo esencial del catabolismo es la resíntesis de ATP

10 El catabolismo forma compuestos de bajo potencial de energía, donde uno de sus grupos fosfatos se transfiere al ADP para formar ATP Ejemplo: La síntesis general de ATP se llama: FOSFORILACIÓN A NIVEL DEL SUSTRATO ( ADP es el sustrato). El grupo fosfato a veces no proviene de un ion fosfato en solución, esto no significa que no pueda unirse al ADP, pero sucede en otro tipo de fosforilación, la FOSFORILACIÖN OXIDATIVA, la cual se lleva a cabo en una serie de reacciones llamadas CADENA RESPIRATORIA.

11 La fosfocreatina es otro trifosfato importante para la contracción muscular como el ATP. El ATP presente en el musculo en reposo, solo puede mantener la actividad muscular por segundos. Para asegurar la regeneración del ATP el tejido muscular forma y acumula fosfocreatina durante los periodos de reposo. Cuando se utiliza parte del ATP y se genera ADP + Pi, la fosfocreatina regenera el ATP. La enzima que participa es la creatinacinasa (CK) Fosfocreatina + ADP CK creatina + ATP

12 CICLO DE CORI El ciclo de Cori es la circulación cíclica de la glucosa y el lactato entre el músculo y el hígado. Las células musculares carecen de la enzima glucosa-6-fosfatasa Glucólisis y Gluconeogénesis (VÍA ANAEROBIA)

13 El tejido muscular contiene tres o cuatro veces mas fosfocreatina que ATP, esta reserva no satisface las necesidades de fosfato de alta energía por periodos largos. Para largos periodos de trabajo el cuerpo utiliza otras formas para generar ATP. (VIAS DE SÍNTESIS DE ATP)

14 Todas las vías bioenergéticas convergen en el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria. “El objetivo principal es saber quien inicia la síntesis de ATP” Este proceso esta controlado por retroalimentación, si hay suficiente ATP, no es necesario que se forma más. Y a medida que se utiliza se va regenerando. En general la formación de ADP dispara estas acciones.

15 Vías metabólicas que pueden formar ATP

16 Todas las vías bioenergéticas convergen en el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria. El ciclo del ácido cítrico también requiere un “Combustible” y eta es la función que cumple un derivado acetilado de una coenzima llamada coenzima A. La acetil-CoA, es el combustible del ciclo del ácido cítrico. El catabolismo de las macromoléculas (CARBOHIDRATOS, LÍPIDOS Y PROTEÍNAS) pueden formar acetil-CoA.

17 Los ácidos grasos son una de las fuentes principales de acetil-CoA durante los periodos de gran actividad del organismo. El ciclo de los ácidos grasos desdobla a estas moléculas en unidades acetilo. Los aminoácidos también pueden ser catabolizados hasta unidades acetilo o productos intermedios del ciclo del ácido cítrico. La vía de la glucolisis desdobla la glucosa hasta formar el ion piruvato.

18 La glucolisis puede formar ATP cuando la célula tiene deficiencias de oxigeno. La glucolisis forma ATP por fosforilación a nivel del sustrato en forma independiente de la cadena respiratoria. Aun cuando la célula es deficiente de oxigeno la glucolisis es capaz de sintetizar ATP. La glucolisis es una fuente importante de generación ATP cuando las células han consumido su provisión de oxigeno. Cuando la glucolisis es capaz de funcionar sin oxigeno, su producto final es el ion lactato, no el piruvato, pero una vez que llega el oxigeno el lactato es convertido en piruvato.

19 La secuencia completa de reacciones que consumen oxigeno, desde las unidades de glucosa hasta los iones Piruvato, la acetil-CoA y la cadena respiratoria, se llama SECUENCIA AÉROBICA del catabolismo de la glucosa. La secuencia que funciona sin oxigeno, desde la glucosa hasta los iones lactato, se denomina SECUENCIA ANAERÓBICA del catabolismo de la glucosa. La glucolisis puede terminar en lactato o piruvato, dependiendo de la provisión de oxigeno.

20 Fosforilación Oxidativa La palabra respiración se refiera a alago mas que una acción mecánica, pues incluye la reacciones químicas que utilizan oxigeno en la célula. El oxigeno se reduce para formar agua El flujo de electrones hacia el oxigeno en la cadena respiratoria, crea en la mitocondria un gradiente de protones que dirige la síntesis de ATP.

21 Reacciones de oxido/reducción (: ) + 2H + + H- -H Par de par de átomo de oxigeno molécula de agua electrones protones Reducción es la ganancia de electrones o de portadores de electrones del tipo del H: Oxidación es la pérdida de electrones o de H: Los electrones y los protones proviene, de los productos intermediarios del catabolismo de los azúcares y las grasas. Se utilizan los electrones de los enlaces C-H; a veces el ion Hidruro (H:), transporta los electrones. Los iones hidruro pueden pasar directamente de los donadores a los receptores, en ocasiones solo pasan electrones. Cuando una molécula pierde electrones, esta se oxida y el receptor se reduce.

22 Las enzimas respiratorias son los agentes principales de la transferencia de electrones La cadena respiratoria es una larga serie de reacciones de oxirreducción. El flujo de electrones desde el donador inicial se lleva a cabo en descenso de una pendiente energética hasta el oxigeno y es irreversible. El principal sitio para la síntesis de ATP es la membrana interna de la mitocondria. La membrana interna de la mitocondria cuenta con las enzimas respiratorias: los catalizadores que actúan en la cadena respiratoria.

23 Enzimas Respiratorias

24 CADENA RESPIRATORIA

25 La cadena respiratoria crea normalmente un gradiente de protones a través de la membrana de la mitocondria. La primera enzima de la cadena respiratoria transporta NAD + como coenzima y acepta el H: de una molécula donadora. Es frecuente que este donador sea un producto intermedio del ciclo del acido cítrico. Ejemplo: MH 2 + NAD + M +NADH + H +

26 El flujo de electrones hacia el oxigeno se inicia cuando un par de ellos pasa del MH 2 al NADH. La siguiente enzima en la cadena es el FMN, que posee la vitamina riboflavina como parte de su coenzima. El hidruro del NADH pasa ahora al FMN y se puede escribir como: NADH + H + + FMN FMNH 2 + NAD + Esto restaura la enzima NAD + y mueve la par de electrones un escalón mas abajo en la cadena respiratoria.

27 La siguiente etapa es la transferencia exclusiva del par de electrones, mientras que el núcleo de hidrogeno H: sale del portador como H +. Esto induce cambios conformacionales en una proteína de la membrana interna, que hace que los protones se muevan hacia afuera de esta. Este paso inicia la función mas importante de la cadena respiratoria, la creación de un gradiente de H + a través de la membrana mitocondrial interna.

28 Los dos electrones del H: son aceptados por una proteína fierro- azufre (FeS-P). El fierro al aceptar un electrón se reduce Fe 3+ a Fe 2+ por lo que necesita dos unidades de FeS-P para aceptar el par de electrones que se encuentran a punto de dejar FMNH 2. Esto se describe como: FMNH 2. + 2 FeS-P FMN + 2 FeS-P ˙ + 2H + En la que FeS-P ˙ representa la forma reducida de la proteína fierro-azufre, encontrándose como Fe 2+.

29 Reacciones oxido-reducción MH2 NAD + FMNH 2 2 FeS-P M : NADH FMN 2FeS-P ˙ + H + 2 H + Favorecen la migración de protones al exterior de la membrana mitocondrial externa. En este punto, ya se pasaron dos electrones del MH 2 a dos moléculas de proteína fierro –azufre y se generaron dos iones hidrogeno.

30 Los protones liberados producen cambios conformacionales en las proteínas de la membrana interna, que las obliga a expulsar protones hacia el fluido de la parte externa de la membrana mitocondria interna. El fluido de la parte externa de la membrana interna tendrá un PH con 1.4 unidades por debajo del interno, en otras palabras, el flujo de electrones en la cadena respiratoria comienza a establecer un gradiente de protones que llevara finalmente a la síntesis de ATP. (la membrana interna es impermeable a los protones, por lo que ya no pueden difundir de regreso). Cerca de tres o cuatro protones salen por cada par de iones H + liberados por la oxidación.

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32 Las etapas siguientes son transferencias adicionales de electrones a través de una serie de enzimas que incluyen a varios de los llamados citocromos. Estos citocromos se designan en el orden en que participan como: b, c 1, c, a, a 3 La función global de la cadena respiratoria es el transporte de electrones desde un metabolito (MH 2 ) hasta el oxigeno, al mismo tiempo que genera los gradientes de H + y carga (+).

33 Los citocromos a, a 3 se conocen en forma colectiva como la enzima Citocromo oxidasa. Esta en la enzima que cataliza la reducción del oxigeno. El Citocromo a 3 contiene un ion cobre que alterna entre los estados Cu 2+ y Cu.

34 La cadena respiratoria oxida metabolitos, reduce oxigeno y reacomoda protones La ecuación nos indica como los protones se pueden regresar a la membrana interna desde el exterior de esta. MH2 + nH + + ½ O2 M + H2O + nH + del interior de conduce el flujo de la membrana interna protones que forma el gradiente de estos La formación de protones debido a la oxidación de una molécula de MH 2, obliga a una serie de cambios conformacionales en las proteínas de la membrana que liberan doce iones H + hacia el fluido que se encuentra justo afuera de la membrana interna.

35 Se establecen dos gradientes: uno de protones y otro de carga positiva El funcionamiento de la cadena respiratoria bombea protones hacia afuera de la membrana interna, sin que salga la carga equivalente de iones negativos. Por tanto se forman dos gradientes: Iones H + Carga Positiva (+) El gradiente de carga positiva se podría eliminar por la migración de iones negativos hacia el exterior, o por la migración de cualquier ion positivo hacia el interior.

36 Los canales de protones de la membrana mitocondrial interna incluyen una enzima para generar ATP a partir de ADP y Pi. La membrana mitocondrial interna tiene complejos proteínicos que forman conductos a través de ella. Existe un conducto por cada unidad de enzimas respiratorias. El conducto permite el paso de protones y termina en el interior de la membrana interna, con una enzima llamada ATPasa, la cual cataliza la formación de ATP a partir de ADP y Pi. La enzima sintetiza el ATP y después lo atrapa con fuerza, cuando los protones fluyen a través del conducto, causan cambios conformacionales en los polipéptidos de la enzima, lo cual lo obliga a liberar el ATP.

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38 Dado que lo establece el gradiente de protones y hace posible la síntesis de ATP es una serie de oxidaciones, la síntesis total se llama FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. También se le denomina fosforilación de la cadena respiratoria.

39 Una proteína transportadora, de la membrana mitocondrial, induce ADP y expulsa ATP. Tanto el ADP como el ATP son especies muy cargadas que no pueden atravesar fácilmente la bicapa lipidica de una membrana. Una proteína transportadora, de la membrana mitocondria, llamada ATP-ADP translocasa, resuelve el problema. La migración de ATP hacia el exterior esta complementado con el movimiento del ADP hacia adentro.

40 Ciclo del Ácido Cítrico La acetil-CoA se utiliza para sintetizar ion citrato, el cual después se rompe poco a poco, hasta formar CO2, al mismo tiempo que se envían unidades de (H: + H + ) a la cadena respiratoria. Estas reacciones ocurren en la parte mas interna de la mitocondria, dentro de la membrana interna, en la llamada Matriz Mitocondrial.

41 La Coenzima A es el portador común de las unidades acetilo. Para que un grupo acetilo entre al ciclo del ácido cítrico, debe ir unido a la coenzima A, la cual se representa como CoA-SH. La conversión del ion piruvato en acetil-CoA incluye una descarboxilación y una oxidación. La ecuación general es la siguiente:

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