TERMODINAMICA Y BIOENERGTICA

Ciclo de Krebs y BioenergticaBIOQUMICAAo 2014GLSLas 3 Etapas de la Respiracin

Oxidacin metablica de sustratos orgnicos

1. Generacin de grupo acetilo del ACETIL~CoA, desde PIRUVATO, CIDOS GRASOS (mitocondria), o AMINOCIDOS (citoplasma/mitocondria).

2. Oxidacin de los carbonos del acetilo en el CICLO DE KREBS (mitocondria).

3. Pasaje de electrones de la oxidacin en un segundo paso a travs del sistema de TRANSPORTE DE ELECTRONES para obtener ATP en la FOSFORILACIN OXIDATIVA.PROTENASPOLISACRIDOSGLICRIDOSAMINOCIDOSGLICEROL + AGGLUCOSAPIRUVATOACETIL-CoAFosforilacin OxidativaADP + PiATPH2OO2MITOCONDRIAH+CO2(NADH, FADH2)1 Etapa2 Etapa3 EtapaGrupo alimenticioUnidad metabolizadaTransformacin convergenteCarbohidratosGlucosaENERGA en ATPGrasas (Lpidos)cidos grasosProtenasAminocidos

ACETIL-CoAVIDEO 1http://www.youtube.com/watch?v=NS9uHH-oZNw

Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aerbicasFermentacin a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras clulas y algunos microorganismos Fermentacin a Alcohol en levaduras - O2- O2+ O27

Transaminaciones, eta-oxidacin, Ciclo de Krebs, Cad. Respiratoria y Sntesis de ATP Gluclisis, Pentosas-P, TransaminacionesCMO SE MANTIENE LA RELACIN NADH /NAD+ ?TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMTICO - REOXIDACINNADH+H+NAD+ Di-HO-ACETONA-P---------------> GLICEROL-3PGli-3-P-DH (Mitocondrial) Glicerol-3P-DH (Citosol)

Di-HO-ACETONA-PAA, Malato, Succinato, PiruvatoNAD+, NADH, FAD HS-CoATranslocasasADPATP Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA(+)(-)FAD+FADH2 Malato Oxalacetato AspartatoNADH + H+

CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

Papel central en el metabolismo. Reacciones individuales. Estequiometra y rendimiento energtico. Regulacin. Algunos AA se degradan a Piruvato; y ste da origen a: alanina, cistena, glicina, serina, treonina, y triptofano.

Fermentacin = a lactato , etanol, AGV.Final de la glucolisis Las Enzs que actan s/ el Piruvato son:Piruvato QuinasaPiruvato DescarboxilasaPiruvato DeshidrogenasaLactato DeshidrogenasaPiruvato CarboxilasaTransaminasasInicio de la gluconeognesis. PiruvatoDescarboxilacin Oxidativa del Piruvato1) Descarboxilacin exergnica y fijacin del resto acilo a la TPP-Enz2) Formacin de sulfoester de alta Energa con Lipoato3) Transtiolacin isoergnica del acetilo desde el Lipoato a la HS-CoAEnzimaCosustrato prostticoSustrato solublePiruvato deshidrogenasa Pir. descarboxilasaE1TPP = Tiamina pirofosfatoDihidrolipoil transacetilasaE2LipoamidaCoenzima ADihidrolipoil deshidrogenasaE3FADNAD+Otras enzimas con igual mecanismo:Alfa-cetoglutarato DH, Alfa-cetobutirato DH, cadena ramificada cetocido DH

Piruvato Deshidrogenasa Fuente de acetil-CoA para el ciclo del cido ctrico Cataliza la descarboxilacin oxidativa del piruvato.Se usan 4 Vitaminas diferentes como coenzimasPiruvato + NAD+ + CoA-SH Acetyl~CoA + NADH + CO2

Energticamente muy favorable ( G = -33.5 kJ/mol) y esencialmente irreversible in vivo.

Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsnico que se unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida) Napolen y Darwin -

El enlace tioester posee unaalta energa libre de hidrlisisAporta los dos C que se van a oxidar en el ciclo del cido ctrico.

Acetil-CoA

Se origina en: Glucosa, cidos grasos y aminocidos.

Es precursor de: cidos grasos, colesterol, aminocidos y se oxida en el Ciclo de KREBSAcetil~CoA + H2O acetato + HS-CoA + H+G = -32,2 kJ/molORIGEN DEL ACETIL~CoA- Descarboxilacin del Piruvato.- Oxidacin de cidos Grasos.- A partir de Aminocidos cetognicos.

Respiracin aerobia y anaerobia

BicarbonatoPiruvatoaPiruvato CarboxilasaOTRO DESTINO DEL PIRUVATO18Estrategia General y objetivos del Ciclo del Acido Ctrico (C. de Krebs)En cada vuelta se introducen 2 carbonos (Acetil-CoA), y su equivalente ser totalmente oxidado. Se liberan 2 molculas de CO2.La energa libre de la oxidacin se conserva en forma de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) y GTP.Los intermediarios se reciclan y pueden dar AA, AG, Colesterol, Glc, Porfirinas, oxidar esqueletos de AA. 19Ciclo de Krebs de los cidos tricarboxlicos En el ciclo entra una molcula de acetato (dos tomos de C) salen dos molculas de CO2 y cuatro pares de hidrgenos.

1 molcula de glucosa -> 2 de acetato (4 C), que se degrada en un proceso cclico.

Una serie de sustancias del ciclo ceden H por pares (2H) a otra (NAD, FAD) reducindola (a NADH, FADH2). En cierta forma, el proceso equivale a tener tomos de H que se pueden unir con el O durante la respiracin para formar agua.

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1 - CITRATO SINTASAAdicin de un grupo acetilo (transportado por HS-CoA) al Oxalacetato = Citrato2 - ACONITASACambio de un grupo -OH del Citrato de la posicin 3 a la 2, dando Isocitrato3 - ICDH + NAD+: Deshidrogenacin y descarboxilacin. Oxidacin del -OH del Isocitrato de la posicin 2, debilitacin y prdida del -COO- central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)4 - -CETOGLUTARATO DH + NAD+: Deshidrogenacin , descarboxilacin y sntesis (Similar a reaccin de Piruvato-DH)Por la oxidacin se debilita y pierde el COO- . Ingresa 1 HS-CoA que transporta el Succinato, central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)5 - SUCCINIL-CoA SINTETASA: Hidrlisis del Succinil-CoA, c/liberacin de suficiente E p/sntesis de GTP6 - SUCCINATO DH + FAD+:Oxidacin con insaturacin del Succinato7 - FUMARASA + H2O: Hidratacin del Fumarato8 - Malato DH + NAD+: Oxidacin del Malato en su grupo alcohol (a carbonilo) reconstituyendo Oxalacetato.PIZARRN

EC 2.3.3.1.EC 4.2.1.3.EC 1.1.1.41/42.E1- 1.2.4.2.E1- 2.3.1.12.E1- 1.6.4.3.EC 6.2.1.4.EC 1.3.99.1.EC 4.2.1.2.EC 1.1.1.37.[[Cis-Aconitato]

Molculas:

Simtrica

Asimtricas (quiral)

Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2Pi + 2NAD+2 cido pirvico + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2 H2OBalance2 Piruvatos + 2 HS-CoA + 2 NAD + 2 cetil~S-CoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ + C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol 180 g (1 mol) Glucosa son oxidados por 192 g (6 moles) de oxgeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2

La metabolizacin de la Glc libera E que es capturada en molculas de ATP2 ATP36-38 ATP( 30-32)26La velocidad de la Gluclisis y la del Ciclo de Krebs (que consume Acetil-CoA) estn integrados (bajo condiciones normales) por:

Inhibicin por altos niveles de ATP y NADH (componentes comunes de ambas vas); yPor la concentracin de Citrato (producido en Krebs que inhibe la Fosfofructoquinasa 1 de la Gluclisis)

Se metaboliza tanta Glc requiera el Ciclo de Krebs

Retiro de intermediarios hacia vas anablicasReposicin anaplertica de intermediarios agotados.Las reacciones de transaminacin y desaminacin de AA son reversibles, por lo que su direccin vara en funcin de la demanda metablica.Tips del Ciclo de Krebs biosinttico ahorro de energa

Remocin de intermediarios puede saturarse. nica va enzimtica saturable azcares cidos grasosEn la respiracin aerbica se conserva aprox. el 42 % de la energa de la glucosa en forma de ATP.

288 Kcal * mol-1 (1205 KJ* mol-1 )

Es una reaccin fuertemente exergnica, con una energa libre ( G) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/ 686 x 100= 42 %. 29TERMODINAMICA Y BIOENERGTICATermodinmica:Campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de la materia de los sistemas macroscpicos, as como sus intercambios energticos.

Sistemas macroscpicos: Conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. Bioenergtica: leyes de la termodinmica-Estudia las transformaciones de energa que tienen lugar en la clula. -Naturaleza y funcin de los procesos qumicos en los que se transforma la energa en seres vivos.

CLULASNecesitan de energa p/sus actividades (desarrollo, crecimiento, renovacin de estructuras, sntesis de molculas, etc).Segn la fuente de carbonos:Auttrofos: Pueden utilizar el CO2 como fuente de C (bacterias, vegetales).Hetertrofos: obtienen C de molculas orgnicas complejas (animales, microorganismos).

CLULA ANIMALEnerga qumica para realizar trabajo proviene de la oxidacin de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

Metabolismo: suma de las reacciones qumicas que ocurren en la clula (organizadas en series de reacciones catalizadas) = rutas metablicasCatabolismo: Las molculas nutrientes se convierten en otras mas pequeas y simples.Anabolismo: molculas pequeas reaccionan para convertirse en otras ms grandes y complejas.Fase dedegradacinFase desntesisATPADPNADPH+H+NADP+En una transformacin qumica, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energa (E) de las molculas aumenta o disminuye (DG aumenta o disminuye).

Moneda de intercambio de Energa en los procesos biolgicos = ATP

Beta-Oxidacin y Krebs

NADH, NADPH y FADH2 son los principales transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservacin de la Energa Libre que se produce en la oxidacin de los sustratos

Ana l og as

Na t u r a l es35DEFINICIONESENERGA: Es la capacidad para producir un trabajo.

SISTEMA: toda porcin del universo que se somete a estudioTipos de sistemas: Segn el intercambio que se permita entre el sistema y el universo, ste puede ser: Abiertos: intercambio de materia y energa. Cerrados: intercambio de energa, no de materia. Aislados: impide intercambio de energa y materia.

MEDIO: es lo que rodea al sistema

UNIVERSO = SISTEMA + MEDIODEFINICIONESEstado de un sistema:Se puede describir mediante propiedadesmedibles que se conocen como variables de estado.Algunos ejemplos de variables son:

TemperaturaPresinVolumenEntropa (S)Entalpa (H)ENTALPA (DH): es la energa en forma de calor, liberada o consumida en un sistema a ,T y P constantes.

ENTROPA (DS): energa no degradada, no utilizada para realizar trabajo.

ENERGA LIBRE (DG): Representa la energa intercambiada en una reaccin qumica. Es la energa disponible para realizar trabajo. DEFINICIONESPRINCIPIOS DE LA TERMODINMICAPRIMER PRINCIPIO: LA ENERGA TOTAL DEL UNIVERSO PERMANECE CONSTANTEEquivale a decir: la energa del universo no se crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.

SEGUNDO PRINCIPIO: LA ENTROPA DEL UNIVERSO AUMENTAEquivale a decir que el grado de desorden en el universo aumenta.Cambio de entalpa (H) = calor de reaccin Calor desprendido o consumido en el curso de una reaccin.

Si se rompen los enlaces ms dbiles y se forman enlaces ms fuertes se desprende calor, y la reaccin es exotrmica (valor negativo de H).

Si se rompen enlaces fuertes y se forman enlaces ms dbiles, entonces se consume energa en la reaccin, y sta es endotrmica (valor positivo de H).Segundo principio:El desorden o entropa de un sistema aislado nunca puede decrecer.

Entropa (S)Direccin de una reaccinA una temperatura dada la espontaneidad de una reaccin depender del balance entre dos tendencias, pudiendo determinarse relacionando las propiedades termodinmicas de entalpia (H) y entropa (S).

H = est en relacin a la energa requerida para romper enlaces qumicos (tendencia a formar los enlaces ms fuertes posible).

S = est relacionado con el grado de dispersin de la materia y la energa (tendencia a dispersarse, al mayor desorden).

Direccin de una reaccinDe acuerdo a la termodinmica, la direccin preferencial para una reaccin est determinada por el compromiso entre las tendencias hacia enlaces ms fuertes (H) y mayor desorden (S).

Se dice, entonces, que la diferencia entre H y TS equivale a una cierta cantidad de energa til para hacer trabajo, propiedad del sistema que se conoce comnmente como energa libre de Gibbs (G).

Una reaccin qumica solo ocurrir si G es negativo, es decir, si la energa libre del sistema disminuye (Reacciones exergnicas, que son espontneas en la direccin escrita). G disminuye (-G )Las reacciones con G es positivo, donde la energa libre del sistema aumenta (Reacciones endergnicas o endotrmicas, no son espontneas en la direccin en que se escriben)

G aumenta (+G )Endergnica endotrmicaNo espontneaReversibleG disminuye (-G )Exergnica exotrmicaEspontneaReversibleLa ecuacin que relaciona G y Keq es: G = -RT lnKeq R = 1.99 x 10-3 kcal/kelvin-molT = temperatura absoluta en kelvins

El valor de RT a 25C es 0,593 kcal/molKeq = [C][D] / [A][B]Keq de c/reaccin qumica es caracterstico a una T dada.Si Keq >1, la reaccin est desplazada hacia (1)Si Keq 0 (NO FACTIBLE y ENDERGNICO)

REACCIONES CON:-G = son exergnicas y espontneas a derecha

+G = endergnicas e inviables a derecha pero pueden ser viables por acoplamiento energtico con las exergnicas

VIDEO 2http://www.youtube.com/watch?v=KcsNFNjjD5cCOMPUESTOS DE ALTA ENERGA Compuestos c/Patos G de hidrlisis, en kJ/molFosfoenolpiruvato (-61.9)1,3-bifosfoglicerato (-49.3)Fosfocreatina (-43.0) ATP (-30.5)ADP(-30.5)Glucosa-1-fosfto(-20.9)Glucosa-6-fosfto(-13.8)

-61,9 kJ/mol (-14,8 cal/mol)-51,4 kJ/mol (-12,3 cal/mol)-43,1 kJ/mol (-10,3 cal/mol)-30,5 kJ/mol (-7,3 cal/mol)-13,8 kJ/mol (-3,3 cal/mol)-9,2 kJ/mol (-2,2 cal/mol)

Mg++Mg++

ENZIMAS PRESENTES EN CASI TODAS LAS CLULAS

ATP a pH fisiolgico est como ATP4-. 4 cargas (-) prximas originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi o AMP+PPi.Transferencia de energa en el metabolismo celularP (grupos fosfato) = conservacin y transferencia de E

1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP

Creatn-P y Arginn-P = reservas de E p/cederla al ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales como el msculo)

Fosforilacin oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E liberada por oxidacin de coenzimas reducidas) Reacciones acopladasLas Enzimas pueden combinar reacciones exergnicas con endergnicas para resultar en una reaccin acoplada que en conjunto es exergnica (reaccin espontnea).REACCIONES ENERGTICAMENTE ACOPLADASnombreDG(kcal/mol)ATP ADP + P-7,3ADP AMP + P-7,7AMP adenosina + P-3,4Una reaccin altamente exergnica puede hacer que otra endergnica ocurra si ambas se acoplan.Los valores de DG de reacciones secuenciales son aditivos

Este principio explica por que una reaccin termodinmicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reaccin que sea exergnica, a travs de un intermediario comn

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP

G = -7,3 + 3,3 = -4,0 Kcal/mol ACTIVACIONEs la unin de molculas biolgicas de modo tal que, la ruptura de ese enlace qumico formado, tiene un DG