BIOENERGÉTICA

Es el estudio de las 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

• Las células necesitan de energía para poder realizar sus actividades de desarrollo, crecimiento, renovación de sus estructuras, síntesis de moléculas, etc.

• La energía química que utiliza una célula animal para realizar trabajo proviene principalmente de la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos. (carbohidratos, grasas)

• Al producirse una transformación química, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energía de las moléculas aumenta o disminuye. (DG aumenta o disminuye)

• La “moneda” de intercambio de Energía en los procesos biológicos es el ATP

ESTRUCTURA DEL ATP

• Adenosina:

• Adenina.-base nitrogenada

• Ribosa.- un azúcar de cinco carbonos

• Tres grupos fosfato.- poseen un átomo de fósforo unido a cuatro átomos de oxígeno, con enlaces de alta energía que al romperse dichos enlaces, se libera la energía almacenada.

• En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un solo enlace y quedando un grupo fosfato libre.

• Sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP y dos grupos fosfato.

ATP (ADENOSIN TRIFOSFATO) Es la fuente de energía universal de la célula.

Papel del ATP como transportador de energía

Desfosforilación

del sustrato

Fosforilación del

sustrato Desfosforilación

Fosforilación

ATP

ADP

El ATP almacena energía y actúa como “moneda de cambio energético”.

• Las oxidaciones se efectúan por adición de O, por pérdida de H o por otra reacción que resulte en la pérdida de electrones.

• La reducción, por el contrario, implica ganancia de electrones.

Durante el metabolismo celular se producen oxidaciones

de los sustratos metabólicos (con la concomitante

reducción de intermediarios) y estas reacciones se

utilizan para obtener energía.

Oxidaciones y Generación de Energía Celular

Un compuesto que se oxida cede electrones (reductor)

Un compuesto que se reduce recibe electrones (oxidante)

Ejemplo: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu1+

Hay dos semi reacciones:

Fe2+ Fe3+ + 1e- oxidación

Cu2+ + 1e- Cu1+ reducción

Al igual que los ácidos y las bases, siempre que hay una oxidación

(perdida de electrones) debe haber una reducción (ganancia de

electrones).

SISTEMA: Es la porción de universo que tomamos como objeto de estudio. Existen tres tipos de sistemas: SISTEMAS AISLADOS (no intercambia materia ni energía) SISTEMAS CERRADOS (no intercambia materia si energía) SISTEMAS ABIERTOS (intercambia materia y energía) ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de propiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T)

• 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)

DG < 0

Reactivos

Productos

DG > 0

Reactivos

Productos

La reacción es espontánea.

Cuando se desprende energía libre, las

reacciones se denominan exergónicas.

El sistema puede realizar trabajo y se

produce aumento de desorden.

La reacción no es espontánea.

Cuando se absorbe energía libre, las reacciones

se denominan endergónicas.

Para que se produzcan deben estar asociadas a

otras donde DG sea lo suficientemente negativo.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA:

Primera ley o principio de la conservación de la energía: en cualquier

cambio físico o químico, la cantidad total de energía del universo

permanece constante.

Segunda ley: en todo los procesos la entropía del universo se

incrementa o la entropía de un sistema aislado tenderá a aumentar

hacia un valor máximo.

DEFINICIONES

Entalpía

H o entalpía, expresa el contenido de calor en una reacción a presión

constante, se mide como la diferencia entre: H(productos) –

H(reactivos) = DH

Cuando se libera calor se dice que es una reacción exotérmica y DH es

negativo ya que el contenido de calor de los productos es menor que

los reactivos; si la reacción absorbe calor del medio se habla de una

reacción endotérmica y DH es positivo. DH es equivalente a DE cuando

no hay cambios de volumen.

Energía Libre

G o energía libre de Gibbs, expresa la cantidad de energía capaz de realizar

trabajo, se mide como la diferencia de energía entre

G(productos) – G(reactivos) = DG,

si DG es negativo si dice que es una reacción exergónica, si DG es positivo la

reacción es endergónica.

Entropía

S o entropía, es una magnitud del desorden en un sistema, cuando los

productos son menos complejos y más desordenados que los reactivos la

entropía aumenta,

S(productos) – S(reactivos) = DS

Estas magnitudes (bajo condiciones de temperatura y presión constantes)

están relacionadas entre si de acuerdo con la siguiente ecuación:

DG = DH - T DS

energía libre entalpía entropía

donde T es la temperatura absoluta (en grados K).

Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando DG es negativo

o es exergónico, cuando DG = 0 el proceso esta en equilibrio.

Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H20 DGo = -2823 KJ/mol

¿Por qué la glucosa no reacciona espontáneamente con el oxígeno?

G

DG

Glucosa +

O2

CO2 + H20

DG* DG

O exergónica espontánea

O endergónica, no posible

O en equilibrio

Coordenadas de la reacción

El DG representa el máximo de trabajo útil que puede

proporcionar una reacción. Para el caso de la glucosa

podríamos obtener hasta 2823 kJ por mol de glucosa oxidada

hasta CO2 y H2O.

19

• Desde el punto de vista energético, una reacción con un DG positivo no podría ocurrir a no ser que exista un aporte de energía que la haga posible.

• Dicho aporte, lo proveen compuestos de alto contenido energético, que se caracterizan por tener enlaces que al romperse liberan una alta cantidad de energía. Este proceso se llama acoplamiento.

¿Cómo se aplican estos principios en el metabolismo celular?

La primera reacción de la glucólisis es la formación de glucosa-1-fosfato a

partir de glucosa, esta es una reacción desfavorable desde el punto de vista

termodinámico:

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O DGo = +13.8 kJ/mol

para hacer esta reacción posible se acopla con la hidrólisis de ATP,

ATP + H2O ADP + Pi DGo = -30.5 kJ/mol

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O DGo = +13.8 kJ/mol

ATP + H2O ADP + Pi DGo = -30.5 kJ/mol

Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP DGo = -16.7 kJ/mol

Acoplamiento energético entre reacciones

La energía desprendida en una reacción exergónica, puede aprovecharse

para que se produzcan reacciones energéticamente desfavorables.

ATP

ADP

DG= -7,3kcal/mol

Hexoquinasa

Glucosa

Glucosa-6~P

Glucosa + Pi Glucosa-6-P

ATP + H2O ADP + Pi

DG= +3 kcal/mol

DG= -7,3 kcal/mol

Glucosa +ATP + H2O Glucosa-6-P + ADP DG= -4,3 kcal/mol

FOSFORILACIÓN DE LA GLUCOSA MEDIANTE ATP

La hidrólisis del ATP (proceso exergónico)

se acopla a la fosforilación de la glucosa

(proceso endergónico).

El proceso global es favorable energéticamente.

DG= +3kcal/mol

Reacciones acopladas

Una cantidad termodinámica (ej: DG, DH o DS) nos indica que una reacción es permitida, A B está “permitida”;

B A no es espontánea, a menos que se le acople otra reacción favorecida (ej: ATP ADP)

Sin embargo, para que la reacción se produzca, la energía neta debe descender (i.e., DG total debe ser negativa.)

Reacciones acopladas

Fuentes de electrones para la cadena respiratoria

• Los alimentos que ingerimos están constituidos básicamente

por carbohidratos, lípidos, y proteínas; los cuales deben ser descompuestas en moléculas más pequeñas antes de que las células puedan ser utilizarlos, para extraer de ellos la energía necesaria (CATABOLISMO) y así poder producir nueva materia viva (ANABOLISMO)

• En la célula las primeras moléculas que son utilizadas como fuente de energía son los carbohidratos, cuando estos se terminan la célula hace uso de los lípidos y como última reserva energética ocupa las proteínas.

• El proceso de obtención de energía que se lleva a cabo en la célula ocurren en diferentes etapas.

1. Descomposición de las macromoléculas a sus unidades más simples.

2. Estas unidades en primer lugar van a ser transformadas ACETIL COENZIMA A con producción de ATP y liberación de parejas de átomos de HIDRÓGENO = > las cuales van a entrar al primer sistema de oxido – reducción es decir directamente a la cadena respiratoria.

• En el caso de la GLUCOSA => es transformada a acido Piruvico en un proceso denominado Glicolisis, en ciertos lugares de este proceso se libera la energía suficiente para la formación de moléculas de ATP.

• En el caso de los ácidos grasos (Triglicéridos) y aminoácidos no van a sufrir glicolisis (propia de la glucosa) sino otros procesos para formar ACIDO PIRÚVICO, ACETIL Co A y algunos intermediarios del acido de Krebs.

• El ácido pirúvico sea transformado en acetil Co A antes de ingresar al ciclo de Krebs puesto que dicho compuesto aún contiene energía para ser extraída, y en el proceso del ciclo de Krebs se van a producir parejas de átomos de H y moléculas de ATP.

Esquema general de la respiración celular

Cadena

respiratoria

Acído pirúvico CITOSOL

MATRÍZ

MITOCONDRIAL

CRESTAS

MITOCONDRIALES

Membranas externa e interna

GLUCÓLISIS • La glucólisis o glicolisis (del griego glycos:

azúcar y lysis: ruptura), es la forma más rápida de conseguir energía para una célula, y en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a la cual se recurre. Ésta se encuentra estructurada en 10 reacciones enzimáticas que permiten la transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato

• En este proceso se van a producir dos parejas de átomos de hidrogeno (2H) que entran directamente a la cadena respiratoria a nivel del NAD/NADH + H y existe una producción neta de 2 ATP

• Este ATP, formado se debe a un proceso de FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO => lo que significa la obtención de ATP no la a través de la cadena respiratoria si no mediante la oxidación de diferentes compuestos.

1 mol GLUCOSA 2 mol ACIDO PIRUVICO

2 (2H) NAD + / NADH + H+

2 ATPS

Junto con Otto Warburg

elucidaron la vía en

levaduras

Elucidaron la vía en músculo en 1930s

Los seres vivos y la energía

Citosol: Glucólisis, ruta de las pentosas, síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos, reacciones de gluconeogénesis

Gránulos de glucógeno: síntesis y degradación de glucógeno

Lisosoma: enzimas hidrolíticas

Mitocondria: Ciclo de Krebs, fosforilación Oxidativa, oxidación de ácidos grasos, catabolismo de aminoacidos

Golgi: Maduración de glucoproteínas, Formación de membranas

Reticulo endoplasmico: síntesis de lípidos

Ribosomas: síntesis de proteínas

Nucléolo: síntesis de RNA ribosómico

Núcleo: replicación de DNA, síntesis de tRNA, mRNA, y de proteínas nucleares

TOPOGRAFÍA DEL METABOLISMO

GLUCÓLISIS

• Se encuentra dividida en dos fases: La primera, de gasto de energía y la segunda fase, que obtiene energía.

• La primera fase consta en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído -una molécula de baja energía- mediante el uso de 2 ATP. Ésto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtención energética

La glucólisis tiene tres funciones principales:

La generación de moléculas de alta energía, ATP y NADH (nicotina adenín dinucleótido) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y anaeróbica (ausencia de oxígeno).

La generación de ácido pirúvico que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.

La producción de compuestos intermediarios de 6 y 3 carbonos, los que pueden ser utilizados por otros procesos celulares.

FASE I (1)

HEXOQUINASA + +

+ H+

HEXOQUINASA

Hexoquinasa

Hexoquinasa

(2)

Fosfoglucosa

isomerasa

Fosfoglucosa

isomerasa

(3) +

+

+ H+ Fosfofructoquinasa

(4)

+

Aldolasa

Aldolasa

(5)

SEGUNDA FASE

• En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP.

FASE II (6)

Gliceraldehído 3-fosfato

deshidrogenasa

+

NAD: Nicotinamida Adenina Dinucleótido. NAD+ en su forma oxidada y NADH + H cuando está reducido.La concentración de NAD+ en la célula es pequeña; por lo tanto debe reciclarse continuamente de la forma oxidada a la reducida y viceversa. NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+

COFACTORES REDOX MOLÉCULAS INTERMEDIARIAS Moléculas capaces de transportar energía

NAD+ + 2e- + H+ NADH

E´o = - 0.320 V

(7) +

+

Fosfoglicerato

quinasa

(8) Fosfoglicerato

mutasa

(9)

Enolasa

(10) +

+ H+

Piruvato

quinasa

Resumen de la glucólisis

BALANCE PARCIAL : - 2 ATP

ENERGÍA CONSUMIDA ENERGÍA PRODUCIDA

BALANCE PARCIAL : 4 ATP + 2 NADH

BALANCE TOTAL : 2 ATP y 2 NADH

Glucosa (6 C)

Glucosa 6P (6C)

Fructosa 6P (6C)

Fructosa 1,6 diP (6C)

Gliceraldehido 3P (3C)

Gliceraldehido 1,3 diP (3C)

3-fosfoglicérico (3C)

2-fosfoglicérico (3C)

Fosfoenolpiruvato (3C)

Piruvato (3C)

Acetil CoA (2C)

ATP ATP

ATP

ATP

CO2

ADP ADP

ADP

ADP

NAD+

NAD+

Pi

H2O CoA

x2

NADH

H+

NADH

H+

Glucolisis

Oxidación del piruvato

GLUCOLISIS

FERMENTACIÓN

4 ATP

2 NADH

2 H2O

2 CO2

2 Etanol 2 Lactato

2ATP GLUCOLISIS

4 ATP

2ATP

2 NADH

2 H2O

OXIDACIÓN DEL PIRUVATO 2 NADH

EN PRESENCIA DE 02 EN AUSENCIA DE 02

2 CO2

Glucosa Glucosa

ENZIMAS: 1. Hexoquinasa 2. Glucosa fosfato isomerasa 3. Fosfofructoquinasa 4. Aldolasa 5. Triosa fosfato isomerasa 6. Gliceraldehido 3 fosfato

deshidrogenasa 7. 3 fosfoglicerato quinasa 8. Mutasa 9. Enolasa 10.Piruvato quinasa

BALANCE DE LA GLUCÓLISIS

• Resumen de compuestos que ingresan y productos que salen del proceso

• Entradas

Glucosa + 2 ATP + 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD

• Salidas

2 piruvatos + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2H2O

Eficiencia de la Respiración

1 g Glucosa contiene 3800 cal

1 Molécula ATP necesita 7300 cal.

1 mol Glucosa es igual a 180 g

Energía contenida en 1 mol Glucosa 684000 cal

Energía usada en síntesis de ATP 277400 cal

1 g Glucosa 3800 cal

180 g Glucosa x = 684000 cal

1 mol ATP 7300 cal

38 mol ATP x = 277400 cal

684000 cal 100%

277400 cal x = 40.56%

• El 40.56% es la cantidad de energía recuperada por la célula y utilizada en la síntesis de ATP, el resto de energía se pierde en la forma de calor.

• Gasolina 25 – 30%

• Vapor 8 – 12%

• La célula es increíblemente eficiente.

Glucosa

2 Piruvato

2 Acetil CoA

2 Etanol + 2CO2 2 Lactato

Glucólisis (10)

reacciones

sucesivas

Condiciones

anaeróbicas

Condiciones

aeróbicas

Fermentación Alcoholica en levaduras

Conversión a Lactato en vigorosa contracción muscular, en eritrocitos y en microorganismos

Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aereóbicas.

Condiciones

aeróbicas

Cíclo del

Acido cítrico

4 CO2 + 4 H2O

TRES DESTINOS DEL PIRUBATO PRODUCIDO EN LA GLUCÓLISIS

CH3 - CH2OH

Etanol

G3P

Glucosa Dihidroxiacetona

fosfato

Ácido 1,3-

bifosfoglicérico ATP 2

NADH

CO2 CH3 - CHO

Acetaldehído

NAD + CH3 - CO - COOH

Ácido pirúvico

VIA ANAEROBIA FERMENTACION ETILICA

GLUCOLISIS ANAEROBICA Producción de Vino

Fermentación láctica

CH3 - CHOH - COOH

Ácido láctico

Glucosa

Dihidroxiacetona

fosfato

ATP 2 NADH NAD +

G6P G3P Ácido 1,3-

bifosfoglicérico

CH3 - CO - COOH

Ácido pirúvico Láctico deshidrogenasa

VIA ANAEROBIA FERMENTACION LACTICA