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Bionergetica: Estudio de la transformación de la energia dentro de la celula Metabolismo: Conjunto de procesos por los que la celula obtiene energia y el poder reductor a partir de su entorno, oxidando compuestos, para luego sintetizar los componentes fundamentales de sus macromoleculas utilizando esta energia y poder reductor.
Termodinamica
Un sistema termodinamico se define como la materia comprendida en la región de estudio. Por ejemplo una reacción química de una via metabólica. El entorno es la materia del resto de universo. Sistema+Entorno=Universo
- Primera ley de la termodinamica: La energia en el universo es constante. No se crea ni se destruye, se transforma. Función de estado termodinamica: función que depende del estado inicial y final del proceso y no de como ocurre. ΔH = Q - W
- Segunda Ley de la termodinamica: El grado de desorden (entropía) del universo (sistema + entorno) siempre tiende a aumentar. Energia libre de Gibbs (G): enegia capaz de realizar trabajo durante una reacción a P y T constante. (ΔG = joules/ mol) ΔG negativo = reacción exergónica (libera energia) =Espontanea ΔG positivo = reacción endergónica (consume energia) =No espontanea Entropia (S): desorden del sistema ΔG = ΔH-TΔS Entalpia (H): contenido calorico. Refleja numero y tipos de enlaces químicos del sistema (reactivos y productos). No confundir con la temperatura a la que transcurre la reaccion ΔH negativo: reacción exotermica (libera calor). Δ Positivo: reacción endotermica (consume calor).
Energia de reactivos mayor que la de productos: Espontanea. ΔG < 0 Energia de reactivos menor que la de productos: no espontanea ΔG > 0 Energia de reactivos igual que la de productos: Equilibrio ΔG = 0 Varia dependiendo del sistema. Criterio de espontaneidad No depende del sistema. Definida en condiciones estandar para cada reaccion Unico termino variable. Depende de las concentraciones de productos y reactivos Las reacciones son reversibles, si estan cercas del equilibrio. La energia libre depende de la concentración de productos y reactivos
Acoplamiento de las reacciones quimicas
Si la celula fuera un sistema aislado, las reacciones quimicas alcanzarian siempre el equilibrio, lo cual no seria bueno ya que no habria energia libre para realizar el trabajo necesario para mantenerla viva. Las celulas se mantienen alejadas del equilibrio manipulando las concentraciones de reactivos y productos para mantener sus reacciones metabólicas en la dirección necesaria. Lo hace acoplando reacciones.
Acoplamiento de las reacciones quimicas
La hidrólisis de ATP es una reacción muy exergónica
Esto se debe:
- Disminución de la repulsión de cargas. Hay cuatro cargas negativas ocupando un espacio muy acotado esto hace que haya una gran repulsión de cargas dentro de la molecula lo que lo hace muy inestable. Esta favorecido la entrada de una molecula de agua al ultimo de los fosfatos para liberar fosfato inorganico y ADP.
- Estos productos pueden estabilizarse por resonancia. Las cargas negativas del fosfato pueden compartirse entre los cuatro oxigenos de este. Hace entonces que el ADP sea mucho mas estable que el ATP.
- Ionización de los productos. A pH fisiológico esta favorecida la liberación del protón al medio y por lo tanto favorece la estabilización por resonancia de esas cargas negativas resultantes. Moleculas de alta energia: moleculas que sus enlaces fosfato covalentes tienen almacenada energia que se libera cuando se hidrolizan. Los enlaces fosfatos hacen que las moleculas sean inestables y que cuando se hidrolizan hacen que los productos sean mas estables, este proceso libera energia que es aprovechada en general por reacciones acopladas por otra reacción que necesita energia para proceder en el sentido deseado.
Ciclo de Krebs
Se alimenta a partir de una molecula de dos carbonos, el acetilCoA que puede provenir de la oxidación de los acidos grasos, de los glucidos o de los aminoacidos. El acetilCoA termina oxidandose completamente a CO2 y en las reacciones que forman parte del ciclo se forman moleculas de poder reductor que luego van a entran en la fosforilación oxidativa y van a producir el ATP. Por cada acetilCoA que entra al ciclo de Krebs, se dan 3NADH y un FADH2, tambien se forma una molecula de GTP.
Ciclo de Krebs
El ciclo comienza con la condensación aldólica entre el acetilCoA y el oxalacetato para formar primero un intermediario, el citrilCoA, se hidroliza por agua y forma el citrato. El acetilCoA se reutiliza en la reacción de piruvatodeshidrogenasa. Es una reacción irreversible. Luego, a partir de citrato se forma isocitrato por una simple isomerización, mediante la cual se cambia la posición del grupo funcional. El isocitrato es la que permite el próximo paso. Es reversible. Ocurre una decarboxilación oxidativa del isocitrato, el producto es el α-cetoglutarato que es una molecula de cinco carbonos, se pierde el primero de los carbonos. Ocurre la primera formación de NADH. La enzima requiere Mn+ 2 como cofactor y el α-cetoglutarato va a ser el sustrato de la siguiente enzima que es otra reacción irreversible catalizada por α-cetoglutarato deshidrogenasa que es un complejo grande. Es la segunda reacción de carboxilación oxidativa, se libera el segundo carbono, se forma otro NADH. Las tres primeras reacciones son espontaneas. En la tercera y cuarta se oxida un carbono y se reducen dos NAD+. La 5 reacción consiste en la hidrolisis de succinilCoA, que fue uno de las moléculas de partida, en succinato. Esta reacción es reversible, catalizada por siccinilCoA sintetasa, la energia acumulada en el enlace del succinilCoA es de alta energia se usa para fosforilar un GDP o ADP en GTP o ATP (fosforilación a nivel del sustrato). El succinato se transforma en fumarato por una deshidrogenación, por la succinatodeshidrogenasa la cual se encuentra unida a la membrana interna de la mitocondria, esta enzima tiene un FAD unido covalentemente, se reduce un FADH2 en esta reacción. El fumarato se hidrata para formar el malato por la fumarasa y esta molecula de malato se vuelve a oxidar a oxalacetato, esta reacción reduce un NAD a NADH. La energia es solo espontanea en tres reacciones: las catalizadas por la citrato sintasa, por la isocitrato deshidrogenasa, la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Son los pasos regulados por regulación alosterica.
Reacciones anapleróticas: Otros intermediarios hacen que vuelvan los intermediarios al ciclo de Krebs despues que estos hayan ido a la via anabólica. Son importantes porque son las que hacen que el ciclo funcione anfibólicamente. El oxalacetato se puede regenerar a partir de piruvato por carboxilación y consumo de un ATP. Esta reacción esta catalizada por la piruvato carboxilasa. Importante en higado y riñón. Tambien se puede formar oxalacetato a partir de el fosfoenolpiruvato que se fosforila por la fosforenolpiruvato carboxiquinasa y consumo de GDP. La Fosforenolpiruvato carboxilasa a partir de fosfoenolpiruvato + bicarbonato tambien puede formar oxalacetato La enzima malica que carboxila piruvato usando NADPH y bicarbonato forma malato y NADP.
Fosforilacion oxidativa
Es el proceso por el cual se acopla la oxidación de las moleculas combustibles con la sintestis de ATP. En eucariotes ocurre en la mitocondria Este acoplamiento se produce por un gradiente de protones a traves de la membrana mitocondrial interna. En la fosforilación oxidativa se utilizan el NADH y el FADH producidos en las vias catabolicas para reducir el O2 a agua. Este proceso es muy exergonico. Se utiliza para sintetizar ATP. Se produce un gradiente de protones, que se produce por el transporte de electrones desde el NADH y el FADH2 a traves de una serie de transportes acoplados a la mmi que genera un gradiente de protones hacia el lado externo de la membrana que despues va a canalizar la sintesis de ATP. Una molecula oxidada puede tomar electrones del entorno y reducirse teniendo un potencial de reducción (capacidad de tomar electrones) y por el contrario una sustancia reducida puede liberar electrones y oxidarse va a tener un potencial de donor de electrones.
Fuerza impulsora del transporte de electrones que permite la formación del
gradiente de protones y las í ntesis de ATP
El potencial de reducción es una función de estado, depende del estado inicial y el final. Como el transporte de electrones va del NADH al O2, la energia que se pone en juego es el cambio del potencial de reducción (Potencial de reducción del O2 - potencial de reducción del NADH). En este caso una diferencia de potencial de 1,13 V entre el NADH y el O2 permite la formación del gradiente de protones y la sintesis de ATP.
Fosforilacion oxidativa
Es un grupo hemo. Estan unidos covalentemente a las proteinas (grupos celestes). El atomo de hierro se oxidan/reducen. Transportador en la mmi, es un lipido no es una proteina El NAD+ cuando se reduce transportar dos patrones y dos electrones. El FAD+ transporta dos proton y dos electrones. La UQ transporta dos protones y dos electrones. Los citocromos (todas las proteinas que tiene Fe) transportan solo un electron. Todos estos transportadores se hallan organizados en complejos que se localizan en la membrana mitocondrial interna.
Los complejos proteicos se ordenan en base a sus potenciales de reducción Primeramente el NADH le cede los electrones producto de la oxidación del ciclo de Krebs al complejo I que esta formado por varias proteinas, este complejo se llama NADH Q oxidorreductasa, transporta los electrones desde el NAD hacia la ubiquinona. El segundo complejo, esta formado por la enzima succinato deshidrogenasa, es una enzima que tiene FAD unido covalentemente, y el FADH le entrega los electrones a la ubiquinona. La ubiquinona recibe los electrones del complejo I y II y en una serie de oxidaciones se produce la reducción de la ubiquinona en su forma totalmente reducida a ubiquinol y le pasa esos electrones al complejo III. El complejo II se llama Q citocromo C oxidorreductasa, este complejo, entrega los electrones al citocromo C, proteina movil con porción hidrofóbica que esta unida a la mmi, a la parte mas hidrofilica, al recibir los electrones el citocromo C se mueve a traves de la membrana y los entrega al complejo IV. El complejo IV se llama Citocromo c oxidasa, aca comienza una serie de transporte entre diferentes proteínas dentro del complejo hasta que finalmente son entregados al oxigeno que se reduce a agua.
Complejo III
Transfiere electrones desde la ubiquinona reducida al citocromo C oxidado. Bombea 4 H+ hacia el espacio intermembrana en dos pasos de dos cada uno.
Complejo IV
Transfiere electrones desde el citocromo C reducido al O2. Bombea 4H+
Como se acopla el transporta de electrones con la sintesis de ATP
El gradiente de protones que se genera, es un gradiente quimico, porque del espacio intermembrana se acumulan protones y dentro de la matriz se acumulan oxhidrilos (OH-) a causa del bombeo de protones que sale y eso genera un gradiente de carga. Con una carga positiva de un lado de la membra y otra negativa del lado de la matriz mitocondral. Hipótesis Quimio-Osmótica: La transferencia de electrones a traves de la cadena respiratoria provoca el bombeo de protones desde la matriz hacia el citosol a traves de la mmi. El gradiente de pH y la diferencia de potencial constituyen la fuerza proton-motriz que es utilizada para dirigir la sintetis de ATP. A traves de la ATPsintasa.
ATPsintasa
Es una proteina que tiene varias subunidades y esta anclada a la membrana mitocondrial. Tiene una subunidad F0 anclada a la membrana y una F1 que esta en la matriz mitocondrial. La subunidad F0 es un canal de protones, los protones que se fueron acumulando en el espacio intermembrana por la cadena transportadora de electrones, ahora van a empezar a volver a la matriz. El movimiento de protones a traves de la subunidad F0 hace que la enzima se vaya desplazado y hace que vaya cambiando la conformación de la subunidad F1 y ese movimiento que tiene capacidad catalitica de fosforilación de ADP, genera el ATP. Mas protones van a seguir pasando cambiando la conformación de F1, permitiendo que el ATP formado y unido al sitio activo se libere. La salida del ATP de la matriz mitocondrial al citosol esta favorecida por un transportador de nucleotidos de adenina, se compensa con la entrada de ADP, que va a ser el sustrato de la ATPsintasa en la matriz. Se equilibra la salida de ATP (producto) de la matriz mitocondrial con la entrada de ADP (sustrato) desde el citosol). Tambien hay entrada de fosfato co-simporte con protones, ingresa el fosfato a la matriz.
ATPsintasa
