Bioenergética I

Unidad II
ALL YOU NEED TO KNOW
BY
BR. CARLOS PEDROZA

Universidad Central de Venezuela
Facultad de Medicina
Escuela “José María Vargas”
Cátedra de Bioquímica

Bioenergética I

Br. Carlos Pedroza

Bioenergética
ALL YOU NEED TO KNOW
BY
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
energía
2.- Estudia los procesos físicos y químicos relacionados
con el flujo de la energía en la biosfera.

Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

Respiración celular

Moléculas CO2
combustibles +
+O2 H2O


Etapa 1
Lipólisis β- oxidación
Triglicéridos Ácidos Grasos
NADH++H+

Glucosa
Glicólisis
Piruvato
Oxidación
Acetil-CoA
NADH++H+ NADH++H+

Desaminación y oxidación
Aminoácidos (cetogénicos)


Etapa 2

Acetil-CoA Ciclo de Krebs


Etapa 2 NADH++H+ Glicólisis
NADH++H+ Oxidación
1 NADH++H+ β-oxidación
NADH++H+
Ciclo de
Acetil-CoA
FADH2
Ciclo de Krebs
Krebs

NADH++H+
NADH++H+


Etapa 3 NADH++H+ Glicólisis
NADH++H+ Oxidación
1 NADH++H+ β-oxidación
NADH++H+

FADH2
Ciclo de
Krebs

CTē NADH++H+
NADH++H+



Etapas
1 Conversión de moléculas combustibles en Acetil CoA
Ingreso del Acetil CoA al Ciclo de Krebs y su oxidación hasta CO2 más
2
NADH+ y FADH2
Transferencia de ē desde NADH+ y FADH2 a la CTē y de ésta al O2 con
3
liberación de energía y síntesis de ATP.


Bioenergética I

ATP Respiración celular
 Ventajas de la molécula de  Etapas de la Respiración
ATP como moneda energética Celular
 Fase preparativa y oxidativa
 ΔG de hidrólisis del ATP
de la Glicólisis
 Estudio energético de sus
 Mecanismos de síntesis de ATP
reacciones
 Activación de moléculas  Descarboxilación oxidativa
metabólicas por el ATP 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 vivos
1. 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 Material elaborado por el Br. Carlos Pedroza

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


Capacidad de fraccionar la liberación de su energía

ATP → ADP + Pi -30,5 kJ/mol

ATP → AMP + PPi PPi → 2Pi -61 kJ/mol

ADP → AMP + Pi
-30,5 kJ/mol

AMP → Ribosa-Adenina + Pi
-14,2 kJ/mol



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



-14,2 kJ/mol


Estabilidad termodinámica debido a una alta energía de activación


ΔG de hidrólisis del ATP

¿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


Mecanismos de síntesis de ATP

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-Bifosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Succinil Co-A
Glicólisis – 7ma reacción Glicólisis – 10ma reacción C. de Krebs – 5ta reacción


Glicólisis – 7ma reacción



Glicólisis – 10ma reacción



C. de Krebs – 5ta reacción



Fosforilación Oxidativa

Mecanismo acoplado al transporte de e-
provenientes de las reacciones de oxido–reducción
del catabolismo celular

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.



ADP + Pi ATP

Conformación A Conformación B



¿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 Respiración celular
 Ventajas de la molécula de
 Reacciones REDOX
ATP como moneda energética
 Fase preparativa y oxidativa
 ΔG de hidrólisis del ATP
de la Glicólisis
 Estudio energético de sus
 Mecanismos de síntesis de ATP
reacciones
 Activación de moléculas  Descarboxilación oxidativa
metabólicas por el ATP del piruvato

Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Hierro Cobre
 Forma ferrosa→ Fe+2  Forma cuprosa→ Cu+
 Forma férrica → Fe+3  Forma cúprica → Cu++

Fe+3 + ↔ Fe+2 Cu++ + ↔ Cu+

Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Reducción Oxidación
 Gana o acepta electrones  Cede o dona electrones
-Disminuye su estado de oxidación- -Aumenta su estado de oxidación-

Fe+3 + ↔ Fe+2 Cu++ + ↔ Cu+

Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Se oxidó Se redujo

Leyenda
Reducido
Oxidado


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Se oxidó Fe2+ ↔ Fe3+ + Semirreacciones o
Se redujo Cu2+ + ↔ Cu+ Hemireacciones


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Fe2+ ↔ Fe3+ +
Cu2+ + ↔ Cu+

Fe2+ → Donó electrones
Cu2+ → Aceptó electrones

Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Leyenda
Reducción
Oxidación

+2 → +3
+2 → +1

Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Fe2+ ↔ Fe3+ +
Cu2+ + ↔ Cu+
Par redox
Donador de electrones ↔ Aceptor de electrones + e-


Reacciones REDOX

Fe2+ + Cu 2+ ↔ Fe3+ + Cu +

Fe2+ ↔ Fe3+ +
Cu2+ + ↔ 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.

Reacciones REDOX


Reacciones REDOX

NAD+ ↔ NADH + H+


Reacciones REDOX

FAD+ ↔ FADH2


Reacciones REDOX
H
H H H O H
HC C C C C COH + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
O O O H O
H H H H G’0 = – 2.840 kJ/mol

Glucosa: C6H12O6

H H H H H
HC C C C C + 10 O2 6 CO2 + 6 H2O
COOH
H H H H H G’0 = – 3.750 kJ/mol
Ácido caproico: C6H12O2

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

Glicólisis

Glicólisis
Propósito/Función Glucosa → Piruvato + ATP
Todos los tejidos, es de máxima importancia
Localización en los hematíes, músculo esquelético activo y
el encéfalo.
Zona Citosol
Secuencia de Glucosa → G6P → F6P → F-1,6-P → GAP →
acontecimientos 1,3-DPG → 3PG → 2PG → PEP → Piruvato.
Regulación Reacciones 1, 3 y 10.


1 Glicólisis
2
1.- Vía catabólica de Embden-Meyerhof → Degradación oxidativa de la
3 glucosa en 10 reacciones.
Glucosa (6C) → 2Piruvato (3C)
4 2.- Uno de sus productos → ATP y NADH++ H+
6 5 3.- Es universal
4.- Estas diez reacciones se agrupan en dos fases:
7 • Fase preparatoria, cebadora o de acúmulo de energía.
• Fase de beneficios, retributiva, oxidativa o de generación de energía.
8
5.- Puede ser
9 • Aeróbica → Piruvato + ATP + NADH+
• Anaeróbica → Lactato + ATP.
10


Glicólisis
1
Reacción Enzimas y cofactores
2
Transferencia de Cuatro quinasas transfieren cada una un grupo fosfato:
3 grupos fosfatos ATP → Intermediario; Intermediario → ATP.
Isomerización Dos isomerasas convierten aldosas en cetosas
4
Una aldolasa rompe un intermediario C6 y genera con ello dos
6 5 Escisión aldólica
unidades C3.
7 Oxidación y Una deshidrogenasa cataliza la transferencia de electrones:
fosforilación Sustrato → NAD+
8 Trasvase de Una mutasa transfiere intramolecularmente un resto de fosfato
grupos fosfato de un átomo de oxígeno al siguiente
9
Una deshidratasa (enolasa) separa una molécula de H2O de un
Deshidratación
10 intermediario formando un doble enlace.


Glicólisis
1

2
Glucosa
3
2 ATP
4
2 ADP
6 5
2 Gliceraldehído -3-Fosfato
7 2 NAD+ 4 ADP + 4Pi
8
2 NADH 2 ATP
9 2 Piruvato
Visión global
10


Glicólisis
1

2

3

4
6 5

7

8

9

10


Fase Preparatoria – Glicólisis
1
1.- Activación de la Glucosa
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
2.- Isomerización de la Glucosa 6-P a Fructosa 6-P
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
3.- Segunda fosforilación
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
4.- Escisión de la F-1,6-P en dos triosas-P
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
5.- Isomerización de la DHAP y GAP
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1 Fase de Preparación
2

3

4
6 5

7

8

9
Sustrato para la fase de Sustrato para la síntesis de
10 beneficio triglicéridos

1 Fase de Preparación
2
1.- Destinos de los productos
3 • Gliceraldehído3-P → Sustrato para la fase de beneficio.
• Dihidroxiacetona-P → Síntesis de triglicéridos.
4 2.- Cálculo del cambio de energía libre:
6 5 1 -16,7
2 + 1,7
7 3 -14,2
4 +23,8
8
5 +7,5
9 + 2,1 kJ/mol
4.- Keq global ≈ 1 → Se da en condiciones de libre reversibilidad.
10 5.- Desplazamiento → Velocidad en que se utilicen sus productos.

Fase de Beneficios – Glicólisis
1
6.- Oxidación del Gliceraldehído-3P
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
7.- Primera Fosforilación a nivel de sustrato
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
8.- Reacción de la Fosfoglicerato Mutasa
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
9.- Formación del PEP
2

3

4
6 5

7

8

9

10


1
10.- Segunda Fosforilación a nivel de sustrato
2

3

4
6 5

7

8

9

10


Destinos del Piruvato
1

2

3

4
6 5

7

8

9

10


Estudio energético de las reacciones de la Glicólisis
1
En condiciones aeróbicas
2
Descarboxilación
3 Ciclo de
oxidativa

4 PDH Krebs
6 5
En condiciones anaeróbicas
7

8

9

10


Estudio energético de las reacciones de la Glicólisis
1
En condiciones anaeróbicas
2

3

4
6 5

7

8

9

10


Glicólisis


1 Fase de Beneficios
2
1.- Destinos de los productos
3
• Piruvato → Descarboxilación oxidativa → Ciclo de Krebs.
4 → Reducción → Lactato.

6 5
2.- Cálculo del cambio de energía libre en condiciones anaeróbicas:
6 +6,3
7 -18,5
7
8 +4,4
8
9 +7,5
9 10 -31,4
L -25,1
10 L
-56,8 kJ/mol (por GAP)

1 Fase de Beneficios
2
3.- Cantidad de ATP producidos/utilizados
3
Fase Preparatoria -2 -2
4 Fase de Beneficios 2x(2) +4
6 5 2 ATP

7

8

9

10 L


1 Glicólisis
2
Cálculo total del cambio de energía libre:
3
Fase Preparatoria +2,1 +2,1
4 Fase de Beneficios 2x(-56,8) -113,6
6 5 2 ATP 2x(-30,5) -61,0
-172,5 kJ/mol
7
Porcentaje de energía liberada de la glucosa por la glicólisis anaeróbica
8
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
ΔG’ = -2840 kJ/mol ΔG’ = -2840 kJ/mol
9
ΔG’ = -172,5 kJ/mol
L C6H12O6 → 2 CH3–HCOH–COO– + 2 H+
10 ΔG’ = -172,5 kJ/mol

1 Glicólisis
2
Cálculo total del cambio de energía libre:
3
Fase Preparatoria +2,1 +2,1
4 Fase de Beneficios 2x(-56,8) -113,6
6 5 2 ATP 2x(-30,5) -61,0
-172,5 kJ/mol
7
Porcentaje de energía liberada de la glucosa por la glicólisis anaeróbica
8
ΔG’ = -2840 kJ/mol 100%
9
ΔG’ = -172,5 kJ/mol 6,07%
X
10 L


Descarboxilación oxidativa del Piruvato
1
1.- Complejo Piruvato Deshidrogenasa
2 A.- Complejo multienzimático.
3

4
6 5

7

8

9
B.- Modelo de regulación → Mecanismos de regulación por modificación
10 PDH
covalente y alostérico.

1
2.- Lugar en la célula
2

3

4
6 5

7

8

9

10 PDH


1
3.- Enzimas del Complejo
2 A.- Piruvato Deshidrogenasa (E1)
3 B.- Dihidrolipoil Transacetilasa (E2)
C.- Dihidrolipoil Deshidrogenasa (E3)
4
6 5

7

8

9

10 PDH


1
4.- Coenzimas del Complejo
2 Pirofosfato de
Tiamina Ácido lipoico Coenzima A NAD+ FAD+
3

4
6 5

7

8

9

10 PDH


1
5.- Reacción global
2

3

4
6 5

7

8

9

10 PDH


1
6.- Subreacciones
2

3

4
6 5

7

8

9

10 PDH


1
7.- Regulación
2
*
3

4
6 5 P Inactiva
7
Activa
8

9

10 PDH


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