bioenergética i

A L L YO U N E E D T O K N O W

B Y

B R . C A R L O S P E D R O Z A

Unidad II

Universidad Central de Venezuela

Facultad de Medicina

Escuela “José María Vargas”

Cátedra de Bioquímica

Br. Carlos Pedroza

Bioenergética I

Bioenergética

A L L YO U N E E D T O K N O W

B Y

B R . C A R L O S P E D R O Z A

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Bioenergética

“Especialidad de la termodinámica que estudia las transformaciones de la

energía en los organismos vivos”1.- Estudia los mecanismos mediante los cuales los organismos adquieren, almacenan, utilizan y liberan energía2.- Estudia los procesos físicos y químicos relacionados con el flujo de la energía en la biosfera.


Respiración celular

Moléculas combustibles

+O2

CO2+

H2O



Etapa 1Triglicéridos

Glucosa

Aminoácidos (cetogénicos)

Acetil-CoA

Ácidos Grasos

Piruvato

Lipólisis

Glicólisis

Desaminación y oxidación

Oxidación

β- oxidación

NADH++H+

NADH++H+NADH++H+



Etapa 2

Ciclo de KrebsAcetil-CoA



Ciclo de

Krebs

1

Glicólisis

Oxidación

β-oxidación

NADH++H+

NADH++H+

FADH2

NADH++H+

NADH++H+

NADH++H+

NADH++H+

Etapa 2

Ciclo de KrebsAcetil-CoA



Ciclo de

Krebs

1

Glicólisis

Oxidación

β-oxidación

CTē NADH++H+

NADH++H+

FADH2

NADH++H+

NADH++H+

NADH++H+

NADH++H+

Etapa 3



Etapas

1 Conversión de moléculas combustibles en Acetil CoA

2Ingreso del Acetil CoA al Ciclo de Krebs y su oxidación hasta CO2 más

NADH+ y FADH2

3Transferencia de ē desde NADH+ y FADH2 a la CTē y de ésta al O2 con

liberación de energía y síntesis de ATP.


Bioenergética I

ATP

Ventajas de la molécula de

ATP como moneda energética


ΔG de hidrólisis del ATP

Mecanismos de síntesis de ATP

Activación de moléculas

metabólicas por el ATP

Etapas de la Respiración

Celular

Fase preparativa y oxidativa

de la Glicólisis

Estudio energético de sus

reacciones

Descarboxilación oxidativa

del piruvato


Ventajas de la molécula de ATP como moneda energética



¿Que hace que el ATP sea una molécula idónea como “moneda energética”?

Biodisponibilidad en los comienzos de la vida

Valor intermedio del ΔG`º de hidrólisis de su

fosfato terminal

Su capacidad de fraccionar la liberación de su

energía

Su estabilidad termodinámica debido a una alta

energía de activación



Biodisponibilidad en los comienzos de la vida

Atributos de los seres vivos1. Alto grado de complejidad y de

organización, tanto estructural como funcional, a

todo nivel

2. Sistemas abiertos en estado estacionario

dinámico

3. Capacidad de auto-reproducirse y auto-

ensamblarse

4. Capacidad de responder a alteraciones del

entorno

5. Capacidad de evolucionar



Valor intermedio del ΔG`º de hidrólisis de su fosfato terminal



Capacidad de fraccionar la liberación de su energía

ATP → ADP + Pi

ATP → AMP + PPi PPi → 2Pi

ADP → AMP + Pi

AMP → Ribosa-Adenina + Pi

-30,5 kJ/mol

-61 kJ/mol

-30,5 kJ/mol

-14,2 kJ/mol



-30,5 kJ/mol30,5 kJ/mol




-14,2 kJ/mol




Estabilidad termodinámica debido a una alta energía de activación


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato



¿A que se debe el elevado ΔG’° de hidrólisis del ATP?

La tensión electrostática entre los oxígenos con

cargas negativas.

La estabilización por resonancia de sus

productos de hidrólisis

La mejor solvatación de sus productos de

hidrólisis.

El aumento de la entropía resultante de su

hidrólisis.



Tensión electrostática entre los oxígenos con cargas negativas



Estabilización por resonancia de sus productos de hidrólisis



Mejor solvatación de sus productos de hidrólisis



Aumento de la entropía resultante de su hidrólisis



Otros compuestos fosforilados y tioésteres


Otr

os

co

mp

uest

os

fosf

ori

lad

os

y t

ioést

ere

s



Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato



Mecanismos de síntesis del ATP

Fosforilación fotosintética

Fosforilación a nivel de sustrato

Fosforilación oxidativa



Fosforilación Fotosintética

Mecanismos que emplean las plantas,

algas y otros microorganismos usando

la energía luminosa.




Transferencia de la energía contenida en un enlace

de alta energía, previamente formado sobre un

metabolito al ADP

→




1,3-BifosfogliceratoGlicólisis – 7ma reacción

FosfoenolpiruvatoGlicólisis – 10ma reacción

Succinil Co-AC. de Krebs – 5ta reacción




Gli

có

lisi

s –

7m

a r

eacció

n




Gli

có

lisi

s –

10m

a r

eacció

n




C.

de K

reb

s –

5ta

reacció

n



Fosforilación Oxidativa

Mecanismo acoplado al transporte de e-

provenientes de las reacciones de oxido–reducción

del catabolismo celular


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato


Activación de moléculas metabólicas por el ATP

¿Cómo el ATP transfiere su energía en las reacciones?

Por hidrólisis directa del ATP unido no

covalentemente a la enzima.

Por unión covalente de forma transitoria

del ATP, o de algunos de sus

elementos, al sustrato o a la enzima.



Conformación BConformación A

ADP + Pi ATP



¿Cómo el ATP activa procesos metabólicos?

Por transferencia de grupos fosfatos

Sin transferencia de grupos fosfatos

Por un mecanismo mixto (con y sin

transferencia de grupos fosfatos)



Por transferencia de grupos fosfato



Sin transferencia de grupos fosfato



Por mecanismo mixto (con o sin transferencia)


Bioenergética I

ATP








Reacciones REDOX


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Hierro

Forma ferrosa→ Fe+2

Forma férrica → Fe+3

Cobre

Forma cuprosa→ Cu+

Forma cúprica → Cu++

Fe+3 + ↔ Fe+2 Cu++ + ↔ Cu+


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Reducción Gana o acepta electrones

-Disminuye su estado de oxidación-

Oxidación Cede o dona electrones

-Aumenta su estado de oxidación-

Fe+3 + ↔ Fe+2 Cu++ + ↔ Cu+


Reacciones REDOX

Se oxidó Se redujo

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

LeyendaReducido

Oxidado


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Fe2+ ↔ Fe3+ +

Cu2+ + ↔ Cu+Semirreacciones o

Hemireacciones

Se oxidó

Se redujo


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Fe2+ ↔ Fe3+ +

Cu2+ + ↔ Cu+

Fe2+ → Donó electrones

Cu2+ → Aceptó electrones


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

LeyendaReducción

Oxidación

+2 → +3

+2 → +1


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Par redoxDonador de electrones ↔ Aceptor de electrones + e-

Fe2+ ↔ Fe3+ +

Cu2+ + ↔ Cu+


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

Potencial de Reducción o de Oxidorreducción ( E’º )

Mide la afinidad del aceptor de electrones de un par redox por

sus electrones. Se mide en condiciones estándar.

Fe2+ ↔ Fe3+ +

Cu2+ + ↔ Cu+


Reacciones REDOX


Reacciones REDOX

NAD+ ↔ NADH + H+


Reacciones REDOX

FAD+ ↔ FADH2


Reacciones REDOX


Reacciones REDOX

“Cuanto más reducido sea un compuesto más energía liberará al oxidarse”

H H H O H

H C C C C C COH

O O O H O

H

H H H H

Glucosa: C6H12O6

+ 6 O2

G’0 = – 2.840 kJ/mol

6 CO2 + 6 H2O

H H H H H

H C C C C C

COOH

H H H H H Ácido caproico: C6H12O2

+ 10 O2 6 CO2 + 6 H2O

G’0 = – 3.750 kJ/mol


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato


Glicólisis

GlicólisisPropósito/Función Glucosa → Piruvato + ATP

Localización

Todos los tejidos, es de máxima importancia

en los hematíes, músculo esquelético activo y

el encéfalo.

Zona Citosol

Secuencia de

acontecimientos

Glucosa → G6P → F6P → F-1,6-P → GAP →

1,3-DPG → 3PG → 2PG → PEP → Piruvato.

Regulación Reacciones 1, 3 y 10.


Glicólisis

1.- Vía catabólica de Embden-Meyerhof → Degradación oxidativa de la glucosa en 10 reacciones.

Glucosa (6C) → 2Piruvato (3C)

2.- Uno de sus productos → ATP y NADH++ H+

3.- Es universal

4.- Estas diez reacciones se agrupan en dos fases:

• Fase preparatoria, cebadora o de acúmulo de energía.

• Fase de beneficios, retributiva, oxidativa o de generación de energía.

5.- Puede ser

• Aeróbica → Piruvato + ATP + NADH+

• Anaeróbica → Lactato + ATP.

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Reacción Enzimas y cofactores

Transferencia de

grupos fosfatos

Cuatro quinasas transfieren cada una un grupo fosfato:

ATP → Intermediario; Intermediario → ATP.

Isomerización Dos isomerasas convierten aldosas en cetosas

Escisión aldólicaUna aldolasa rompe un intermediario C6 y genera con ello dos

unidades C3.

Oxidación y

fosforilación

Una deshidrogenasa cataliza la transferencia de electrones:

Sustrato → NAD+

Trasvase de

grupos fosfato

Una mutasa transfiere intramolecularmente un resto de fosfato

de un átomo de oxígeno al siguiente

DeshidrataciónUna deshidratasa (enolasa) separa una molécula de H2O de un

intermediario formando un doble enlace.

Glicólisis1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Glicólisis

Visión global

GlucosaGlucosa

2 Piruvato

2 Gliceraldehído -3-Fosfato

2 ATP

2 ADP

4 ADP + 4Pi

2 ATP

2 NAD+

2 NADH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Glicólisis1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase Preparatoria – Glicólisis

1.- Activación de la Glucosa1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase Preparatoria – Glicólisis1

2

8

9

6

7

3

4

5

10

2.- Isomerización de la Glucosa 6-P a Fructosa 6-P



2

8

9

6

7

3

4

5

10

3.- Segunda fosforilación



2

8

9

6

7

3

4

5

10

4.- Escisión de la F-1,6-P en dos triosas-P



2

8

9

6

7

3

4

5

10

5.- Isomerización de la DHAP y GAP


Fase Preparatoria – Glicólisis

5.- Isomerización de la DHAP y GAP1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase de Preparación

Sustrato para la fase de

beneficio

Sustrato para la síntesis de

triglicéridos

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase de Preparación

1.- Destinos de los productos• Gliceraldehído3-P → Sustrato para la fase de beneficio.

• Dihidroxiacetona-P → Síntesis de triglicéridos.

2.- Cálculo del cambio de energía libre:

4.- Keq global ≈ 1 → Se da en condiciones de libre reversibilidad.

5.- Desplazamiento → Velocidad en que se utilicen sus productos.

1

2

3

4

5

-16,7

+ 1,7

-14,2

+23,8

+7,5

+ 2,1 kJ/mol

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase de Beneficios – Glicólisis

6.- Oxidación del Gliceraldehído-3P1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



7.- Primera Fosforilación a nivel de sustrato1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



8.- Reacción de la Fosfoglicerato Mutasa1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



9.- Formación del PEP1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



10.- Segunda Fosforilación a nivel de sustrato1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Destinos del Piruvato1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Estudio energético de las reacciones de la Glicólisis

Ciclo de

KrebsPDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10

En condiciones aeróbicas

En condiciones anaeróbicas

Descarboxilación

oxidativa


Estudio energético de las reacciones de la Glicólisis1

2

8

9

6

7

3

4

5

10

En condiciones anaeróbicas


Reacción Enzimas y cofactores

Transferencia de

grupos fosfatos

Cuatro quinasas transfieren cada una un grupo fosfato:

ATP → Intermediario; Intermediario → ATP.

Isomerización Dos isomerasas convierten aldosas en cetosas

Escisión aldólicaUna aldolasa rompe un intermediario C6 y genera con ello dos

unidades C3.

Oxidación y

fosforilación

Una deshidrogenasa cataliza la transferencia de electrones:

Sustrato → NAD+

Trasvase de

grupos fosfato

Una mutasa transfiere intramolecularmente un resto de fosfato

de un átomo de oxígeno al siguiente

DeshidrataciónUna deshidratasa (enolasa) separa una molécula de H2O de un

intermediario formando un doble enlace.

Glicólisis1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Glicólisis


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato


Fase de Beneficios

1.- Destinos de los productos

• Piruvato → Descarboxilación oxidativa → Ciclo de Krebs.

→ Reducción → Lactato.

2.- Cálculo del cambio de energía libre en condiciones anaeróbicas:

8

9

6

7

10

+6,3

-18,5

+4,4

+7,5

-31,4

-25,1

-56,8 kJ/mol (por GAP)L

L

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Fase de Beneficios

3.- Cantidad de ATP producidos/utilizados

-2

2x(2)

Fase Preparatoria

Fase de Beneficios

2 ATP

-2

+4

L

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Glicólisis

Cálculo total del cambio de energía libre:

Porcentaje de energía liberada de la glucosa por la glicólisis anaeróbica

+2,1

2x(-56,8)

2x(-30,5)

-172,5 kJ/mol

Fase Preparatoria

Fase de Beneficios

2 ATP

+2,1

-113,6

-61,0

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

C6H12O6 → 2 CH3–HCOH–COO– + 2 H+

ΔG’ = -2840 kJ/mol

ΔG’ = -172,5 kJ/mol

ΔG’ = -2840 kJ/mol

ΔG’ = -172,5 kJ/mol

L

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Glicólisis

Cálculo total del cambio de energía libre:

Porcentaje de energía liberada de la glucosa por la glicólisis anaeróbica

+2,1

2x(-56,8)

2x(-30,5)

-172,5 kJ/mol

Fase Preparatoria

Fase de Beneficios

2 ATP

+2,1

-113,6

-61,0

ΔG’ = -2840 kJ/mol

ΔG’ = -172,5 kJ/mol100%

X6,07%

L

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato


Descarboxilación oxidativa del Piruvato

A.- Complejo multienzimático.

B.- Modelo de regulación → Mecanismos de regulación por modificación

covalente y alostérico.

1.- Complejo Piruvato Deshidrogenasa

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



2.- Lugar en la célula

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



A.- Piruvato Deshidrogenasa (E1)

B.- Dihidrolipoil Transacetilasa (E2)

C.- Dihidrolipoil Deshidrogenasa (E3)

3.- Enzimas del Complejo

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10


FAD+NAD+Coenzima AÁcido lipoicoPirofosfato de

Tiamina


4.- Coenzimas del Complejo

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



5.- Reacción global

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



6.- Subreacciones

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10



7.- Regulación

PDH

1

2

8

9

6

7

3

4

5

10

*

P Inactiva

Activa


Bioenergética I

ATP









Celular


de la Glicólisis


reacciones


del piruvato

bioenergética i

Health & Medicine

carlos pedrozaventajas

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carlos pedroza14 ventajas

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co2 ms nadh

molcula deatp

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ciclo de krebsacetil