BIOENERGETICA

ENERGIA

Objetivos:

Analizar los procesos de producción y almacenamiento de energía

Reconocer los mecanismos por los cuales la energía se almacena en forma de ATP

Resultado de Aprendizaje

Explicar la producción y almacenamiento de energía metabolica

ENERGIA: Capacidad para

realizar trabajo

• Constituyente básico del universo.• Relación entre la materia y su energía

equivalente.

E = mc2

E = Energía total: Julios (kg m2/s2)m =Masa : kgc =Velocidad de la luz (3.0 x 10 elevado a la 8 m/s)

ENERGIA:

BIOENERGETICA

Rama de la termodinámica, que se encarga del estudio cuantitativo de las transducciones o transformaciones energéticas que ocurren en los seres vivos

ENERGIA

TERMODINAMICALos sistemas biológicos cumplen con las leyes generales de la

termodinámica:

• Primera ley:

La energia total de un sistema incluido su entorno permanece constante (no se pierde ni se gana energia)

• Segunda ley:

La entropía total de un sistema completo debe aumentar, cuando un proceso físico y químico ocurre espontáneamente aumenta la entropía

• Tercera ley:

Al acercarse la temperatura de un cristal sólido perfecto al cero absoluto (0 k) el desorden se aproxima a cero

ENERGIA

Primera ley de la termodinámica.

• La energía no puede crearse ni destruirse.

• Energía interna: la cantidad total de energía de un sistema y su (entalpía) con el entorno debe ser la misma antes y después de producirse un proceso.

• Para cualquier proceso real o factible cambio de energía libre es negativo.

• El sistema tiene mas energía libre en el estado inicial que en el estado final.

Delta G = G final – G inicial.

ENERGIA

Segunda ley de la termodinámica

• Cambios espontáneos :cuando se producen cambios físicos o químicos con liberación de energía

• Cambios no espontáneos:cuando se requiere un aporte constante de energía para mantener un cambio

• Todos los procesos espontáneos se producen en dirección que incrementa el desorden total del universo (un sistema y su entorno)

• La variación de entropía del universo es positiva para todos los procesos espontáneos

ENERGIA

Para conservar los procesos vitales todos los organismos deben obtener suministros de energía libre a partir de su ambiente

A. Organismos autótrofos:procesos exergónicos simples ( energía de la

luz solar; vegetales verdes),( reacción Fe2+ ----Fe3+ + e- ,en bacterias)

B. Organismos heterótrofos:energía libre al acoplar su metabolismo con la

degradación de moléculas orgánicas complejas de su entorno (trifosfato de adenosina ; ATP )

ENERGIA LIBRE

Tercera ley de la termodinámica:

ENERGIA GIBBS: (∆G)Expresa la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante

Cuando la reacción ocurre de manera que se libera energía libre, El sistema posee menor cantidad de energia.

ENERGIA LIBRE

En las vías metabólicas existen dos tipos de reacciones:

• EXERGONICA: EL cambio de energía libre ∆G es negativo lo que significa que en el sistema se pierde energía.

• ENDERGONICA: EL cambio de energía libre ∆G es positivo lo que significa que en el sistema se gana energía.

ENERGIA LIBRE

Proceso ISORGONICO:

Cuando el cambio de energía libre ∆G es igual a cero:

No se intercambia energía y prevalecen en condiciones de equilibrio y proceso

ATP: Es un acoplamiento de las reacciones endergonicas y exergonicas.

ENERGIA

REACCIONES ACOPLADAS Los procesos endergonicos

proceden mediante el acoplamiento con procesos exergonicos

En la practica un proceso endergonico no puede existir independientemente si no que debe constituir un componente de un sistema exergonico-endergonico

El cambio total es exergonico

ENERGIA

REACCIONES ACOPLADAS

Formación de un intermediario:mecanismo intrínseco para el control biológico de la velocidad de los procesos

Control de resp. celular:proceso que evita quemar las moléculas de combustible fuera de control

Síntesis de un compuesto de alta energía: para potenciar la reacción exergonica e incorporar el nuevo compuesto en la reacción endergonica (transferencia de energía libre)

METABOLISMO

El metabolismo puede subdividirse en dos categorías:

El ANABOLISMO:

El metabolismo anabólico incluye los procesos que se encargan de sintetizar moléculas complejas, como lípidos, polisacáridos y ácidos nucleicos, a partir de moléculas simples.

METABOLISMO

Para lograrlo consume energía; dicha energía proviene generalmente de compuestos fosforilados:

• ATP

• moléculas con poder reductor: NADH y el FADH

METABOLISMO

EL CATABOLISMO:

Es la parte del metabolismo que incluye los procesos relacionados con la degradación de sustancias complejas a sustancias más simples.

En estos procesos se genera energía.

ENERGIA

METABOLISMOCatabolismo • reacciones exergonicas• Degradación u oxidación de las moléculas del

combustible• Se genera energía

Anabolismo ; Reacciones de síntesis de moléculas complejas Reacciones endorgonicas, consume energía

Metabolismo; o La suma de el anabolismo mas el catabolismo

ATP Y SU SINTESIS EN LA

CADENA RESPIRATORIA

¿ QUE ES EL ADENOSÍN TRIFOSFATO (ATP)?

Las células heterótrofas obtienen la energía libre

a partir de las moléculas de nutrientes.

Esa energía es convertida por medio de

diferentes procesos en ATP, a partir de ADP

(adenosín difosfato) y Pi (fosfato inorgánico).

¿ QUE ES EL ADENOSÍN TRIFOSFATO (ATP)?

El ATP es capaz de donar parte de su energía a las

reacciones endergónicas del metabolismo , para

la síntesis de intermediarios metabólicos y

macromoléculas.

El ATP es utilizado en muchos procesos celulares y

fisiológicos que requieren un suplemento de

energía

Ej:

1. Conducción eléctrica en el sistema

nervioso

2. Transporte de sustancias a través de la

membrana en contra de gradiente de

concentración

3. Contracción muscular.

ENERGIA

TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP)

ESTRUCTURA

Nucleótido formado por :

a) Adeninab) Ribosac) Unidad trifosfato

Los dos grupos fosfóriles terminales están unidos por enlaces fosfoanhidrido estables en condiciones intracelulares suaves

Enzimas especificas para la hidrólisis del ATP de los enlaces fosfoanhidrido

ENERGIA

ATP

Es un intermediario en el flujo de energía desde las moléculas de alimento a las reacciones de biosíntesis del metabolismo

Moneda de intercambio energético de los seres vivos

ENERGIAHIDRÓLISIS DEL ATP

Los productos de la hidrólisis del ATP mas frecuentes son: ADPPI

En alguna ocasiones puede producirse una hidrólisis que origina:AMPPPI(Pirofosfato)

La hidrolisis de ATP conduce ala liberacion de -30,5 KJ/mol

COMPUESTOS RICOS EN ENERGIA

A pesar de que el ATP es “la moneda “ Rico- energetica de la celula existen otras moleculas con una mayor energialibre de hidrolisis como:

El fosfoenolpiruvato (PEP) ∆G = -61,9 KJ/mol

El 1,3 disfofoglicerato (1,3-DPG) ∆G = - 49,3 KJ/mol

La fosfocreatina (PC) ∆G = -43,0 kj/mol

Este ultimo es muy importante para el suplemento de energía en el músculo esquelético

Los dos primeros forman parte de una de las vías metabolicas de los carbohidratos

SINTESIS DE ATP

A partir de un sustrato:

Se sintetiza a partir de un compuesto mas energético como:

• Fosfoenolpiruvato (PEP)

• El 1,3-difosfoglicerato.

• Esta síntesis puede producirse de forma aerobia o anaerobia.

COMPUESTOS RICOS EN

ENERGIA

ENERGIA

FOSFATOS DE ENERGIA

MONEDA ENERGETICA DE LA CELULA

El ATP tiene la capacidad de actuar como donador de fosfatos de alta energía

El ADP puede aceptar fosfato de alta energía para formar ATP

Los procesos generadores de fosfato de alta energía se conectan con los procesos utilizadores de fosfato de alta energía (ciclo ATP/ADP)

El ATP se consume y regenera continuamente

La hidrólisis del ATP conduce a la liberación de 30,5

KJ/mol.

A pesar de que el ATP es “la moneda” rico-

energética de la célula, no es la molécula que

posee la mayor energía libre de hidrólisis en la

célula.

Existen otras moléculas con la mayor energía libre

de hidrólisis:

fosfoenolpiruvato (PEP), △G= -61,9 KJ/mol

1,3-difosfoglicerato(1,3-DPG),△G= -49,3 KJ/mol

y la fosfocreatina, △G= -43,0 KJ/mol.

El ATP se encuentra en

una posición energética

intermedia lo convierte en

una molécula central, que

puede ser sintetizada a partir

de moléculas más energéticas

que él, como el PEP, y puede

donar energía para que sucedan

que sucedan reacciones que

involucren una gran cantidad

de compuestos menos

energéticos que él, como la

glucosa.

En las células, la síntesis del ATP puede ocurrir de dos

formas diferentes:

La síntesis de ATP a partir de un sustrato, que se

conoce también como fosforilación a nivel de sustrato.

La síntesis de ATP en la cadena respiratoria

En la sintesis de ATP a partir de sustratos, el ATP se

sintetiza a partir de un compuesto más energético que

él, como el PEP o el 1,3-difosfoglicerato.

Síntesis de ATP a partir de sustrato, consiste en el

traspaso energético de una molécula más energética a

otra de menor energía.

se puede producir:

presencia de oxígeno (aerobia)

ausencia de oxígeno (anaerobia).

en diferentes sitios celulares como el citoplasma (o

citosol) y la mitocondria.

La síntesis de ATP en la cadena respiratoria, se

diferencia en la anterior en:

No requiere compuestos más energéticos que

el ATP, pues depende solo de procesos de

oxidación-reducción.

Se efectúa exclusivamente en presencia de

oxígeno y en la mitocondria.

Proceso más complejo que el que se da a

partir de sustratos rico-energéticos.

Se puede definir como una secuencia deproteínas que se ubican en la membranainterna de la mitocondria y que se ordenade acuerdo con su potencial de reducción(E) para permitir el transporte deelectrones unidireccionalmente hasta eloxigeno.

¿ QUE ES LA CADENA RESPIRATORIA?

En general, en la cadenarespiratoria existen dos grandestipos de familia de proteína:

Las que transportan hidrógenoscompletos (protones con suselectrones).

Las que transportan exclusivamente electrones.

Los electrones que viajan a lo largo de la cadena respiratoria provienen de dos fuentes principales, que son dos moléculas con un alto poder reductor, el NADH y el FADH como agentes reductores.

Estas moléculas se pueden originar directamente en el ciclo de krebs o en otras vías metabólicas que las producen como metabolitos intermedios.

Evento A partir de una

mol de NADH

A partir de una mol

de FADH2

e transportados hasta el O2 2 2

Cant de protones liberados al

espacio intermembrana10 6

Moléculas de O2 consumidas ½ ½

Moléculas de agua producidas 1 1

MITOCONDRIA

Función: respiración celular, procesomediante el cual la mitocondria produceenergía en forma de ATP. Este procesodepende del O2.

Está rodeada por dos membranas:

Externa: lisa, permeable.

Interna: forma crestas, impermeable, necesita transportes especializados.

ENERGIA

MITOCONDRIA

METABOLISMO AEROBIO;

Mecanismo mediante el cual la energía del enlace químico de las moléculas del alimento se captura y se utiliza para impulsar la síntesis dependiente de oxigeno de la adenosina trifosfato (ATP)(RESPIRACION CELULAR)

ENERGIALA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

(CADENA RESPIRATORIA)

COMPONENTES

Membrana mitocondrial interna.

Cuatro complejos;

A. El complejo I (complejo NADH deshidrogenosa).

B. El complejo II (complejo succinato deshidrogenosa).

C. El complejo III (complejo citocromo bc).

D. El complejo IV (citocromo oxidasa).

COMPLEJOS PROTEICOS

Complejo I

Complejo II

Complejo III

Complejo IV

Cada uno de los anteriores tiene parte dela secuencia respiratoria. El complejo Vcataliza la síntesis de ATP a partir de ADP.

ENERGIA

CANTIDADES DE ATP Y ADP DENTRO DE LAS

MITOCONDRIAS

Controladada :

Proteínas de transporte de membrana interna;

A. Translocalizador ADP-ATP ( antiporte ADP/ATP), (nucleótido translocasa o ATP translocasa)proteína responsable del intercambio 1:1 de ATP intramitocondrial por ADP producido en el citoplasma

B. Translocasa de fosfato:el transporte de H2PO4-

junto con un protón se producen por simporte H2PO4-/H+

A partir de estos hallazgos, en 1973,Peter Mitchell, formulo lo que se conocecomo la teoría quimiosmotica de lafosforilacion oxidativa.

Esta teoría enuncia que la síntesis de ATP en lacadena respiratoria se da gracias a la creaciónde un gradiente electroquímico, creado por ladiferencia en la concentración de protonesentre la matriz mitocondrial y el espaciointermembrana.

Como la membrana interna es tan impermeable,

los protones no pueden pasar simplemente através de ella; deben hacerlo a través de unaproteína especifica. Esta proteína es la subunidadFo de la ATP-sintetasa.

Los protones pasan por la subunidad Fo hacia lamatriz cuando llegan a la subunidad F1, producencambios conformacionales complejos en sussubunidades proteicas, y estimulan la síntesis deATP t su liberación a la matriz mitocondrial.

La síntesis de ATP en la cadenarespiratoria solo se produce porla energía que genera elgradiente electroquímico deprotones entre la matrizmitocondrial y el espaciointermembrana.

La Teoría Quimiosmotica De La Síntesis Del ATP

Para poder entender la relación entre el funcionamiento de la cadena respiratoria y la síntesis de ATP, es necesario tener presente algunos aspectos importantes:

1. La creación del gradiente de

protones por la cadena respiratoria entre la matriz mitocondrial y el espaciointermembrana.

2. La presencia en la membrana interna de un complejo proteico que va a permitir, a partir de dicho gradiente, la sintesis de ATP.

La ATP sintetasa es un complejo que se divide en dos subunidades funcionales :

1. Subunidad Fo:

canal de protones. 2. Subunidad F1:

actividad catalítica

1. Subunidad Fo:

canal de protones.

Constituido por mas de10 proteínas

Atraviesa la membranacelular de lado a lado

Establece unacomunicación directaentre la matrizmitocondrial y el espaciointermembrana.

2.Subunidad F1: actividad catalítica

compuesta por 9proteínas

responsable de lasíntesis de ATP.

esta localizada en lamatriz mitocondrial.

Fosforilacion Oxidativa

El acople entre el transporte de electronesy la síntesis de ATP en la cadenarespiratoria, a partir de ADP + Pi (fosfatoinorgánico), se conoce con el nombre de“Fosforilacion Oxidativa”.

Debe haber suplemento constante de ADPy Pi para que se logre la síntesis de ATP.

En resumen se necesitan:

ADP.

Pi.

e

Gradiente de

protones

Transportadores relacionados con la Fosforilacion Oxidativa

La ATP Sintasa:

Permite entrada de protones y síntesis deATP.

El Antiporte ADP/ATP o Nucleótido

Translocasa:

Transporta 2 sustancias al mismo tiempo endirecciones opuestas

.

El Simporte H+/Piruvato:

Transporta dos sustancias en la mismadirección.

La translocasa y el simporte proveen la materia prima ADP Pi respectivamente

la ATP sintasa los conjuga para sintetizar el ATP en la mitocondria.

La translocasa permite la salida de ATP de la mitocondria para que esta molécula pueda ser utilizada en otras partes de la célula.

El Control De la Síntesis De ATP

En este proceso participan todas las víasmetabólicas que generan los elementosnecesarios para síntesis de el ADP, el Pi yel poder reductor en forma de NADH o deFADH2.

De esta manera se determina la velocidadde síntesis.

La relación entre ADP/ATP es importante para

determinar la velocidad con que ocurre la

cadena respiratoria:

Relac Veloc. Cadena

ADP/ATP Respiratoria

Relac Veloc. Cadena

ADP/ATP Respiratoria

Es importante la relación ADP/ATP: si la relación , la cadena respiratoria aumenta

su velocidad.

Citoplasma Matriz mitocondrial

La síntesis de ATP

El gradiente de protones

La vel de la cadena resp

La relación ADP/ATP

El ADP aumenta

ATP

La act. celular

Se gasta ATP

Se produce ADP

Los Agentes que afectan la Fosforilacion Oxidativa

Existen muchos agentes que pueden alterar la síntesis de ATP asociada a la cadena respiratoria.

Si se detiene la cadena Respiratoria por medio de

venenos como el cianuro o el CO, se detiene

también la SINTESIS DE ATP.

Los Agentes que afectan la Fosforilacion Oxidativa

De acuerdo con sus mecanismos de acción se clasifican en:

Desacoplantes

Inhibidores del transporte de electrones

Inhibidores de la ATP-Sintasa

Inhibidores de la ATP-Translocasa

Los Desacoplantes

Son sustancias que evitan el acople entre eltransporte de electrones y la fosforilacionde ADP para sintetizar ATP.

Hay desacoplantes exógenos(que no son sintetizados por el organismo) como:

Antibióticos:

Ej: Valinomicina, que funciona como untransportador de iones potasio (K+).

Compuestos quimicos:

Provocan el mismo efecto final, uno deellos es el 2,4dinitrofenol,se diferenciade la valinomicina en que no transportaiones potasio, sino protones.

Desacoplantes biológicos:

La termogenina o proteína desacoplante, que se encuentra en el tejido adiposo pardo o grasa parda.

Los Inhibidores Del Transporte De Electrones

Algunos compuestos, como la antimicina, impiden el paso de electrones entre el complejo III (complejo citocromo bc).El complejo IV (citocromo oxidasa) al unirse a algunas de las proteínas que los componen.

Otros como la rotenona, se unen al complejo I (complejo NADH deshidrogenasa) e inhiben el paso de electrones al complejo III (complejo citocromo bc).

Los Inhibidores Del Transporte De Electrones

Quizás los mas conocidos son:

El cianuro o acido cianhidrico( HCN )

El monóxido de carbono ( CO ).

Estos compuestos inhiben el paso deelectrones al complejo IV el ultimo de lacadena, como resultado la cadenarespiratoria se detiene también.

Los Inhibidores De La ATP-Sintasa (Fo/F1)

La oligomicina, otro antibiótico, inhibe laactividad de la ATP-Sintasa y a pesar deque los protones pasen a través de ella, laactividad enzimática de F1 se encuentrabloqueada y no se sintetiza la moléculaenergética.

Los Inhibidores De La ATP-Translocasa

El atractosilo es un compuesto capaz deinhibir el transportador de la ATP-translocasa entonces detiene laexportación del ATP y la entrada de ADP.