Diapositiva 1

Energtica celularEnlaces de alta energaTipos de respiracinEtapas de la respiracin

Oxidaciones biolgicasCadena respiratoriaFosforilacin oxidativa

Materia de alrededoresSistemasConjunto de materia =Sistema (Objeto de estudio)UniversoAislados (sin intercambio)Cerrados (intercambio de energa)

Abiertos (intercambio de materia y energa) Vida: conjunto de funciones que resisten a la muerteSeres Vivos = Procesos qcos. lejanos al equilibrio (en el equilibrio no se genera trabajo til)Vida: basada en uso de E p/la entropa (p/mantener 1 orden estructural) y cuenta c/ mecanismos que impiden alcanzar el equilibrio.Termodinmica clsica o de equilibrio

= Seres vivos : Termodinmica de los procesos irreversibles o del desequilibrio2Energa total e 1 SistemaE Cintica = ECE Potencial = EPE Interna = USist. en descanso (no somet. A campos manticos o elctricos)EC = EP= ceroE Total = U (Traslacin, rotacin y vibr.de molcs. y la E de electrones y del ncleo) No es medible, interesaU = Q + W (calor y trabajo)1 Ley: En cualquier transform. fca. o qca. La cantidad total de E del universo permanece constante o Ley de la conservacin de la EAplicacin: Calorimetra (C. adiabtico o Bomba calorimtrica)

ENERGA = capacidad de realizar trabajoCLULA = E potencial (enlaces covalentes C-C o fosfo anhidrido del ATP)

Divisin celularCrecimientoBiosntesisTransp. Activo de membrana, etc.

Organismos fotosintticos =CO2 E Solar C Orgnico

ANIMALES : HERBVOROS OMNVOROS CARNVOROS (Otros: granvoros, frujvoros, insectvoros, etc)

Entalpa (H) es el cambio de calor a presin constante H = U + P V (presin constante y cambios de volumen despreciables). Se puede hablar de diferencia de calor = H es caracterstico de c/reaccin y puede ser (-) o (+) en reacciones endotrmicas o exotrmicas respectivamente.

Entalpimetra molar = 1 cal = 4,184 Julios (J) HexoquinasaGlc + ATP ---------------Glc-6-P + ADP = -6,6 kcal/mol (-27,6 kJ/mol)

2 Ley: Cualquier proceso irreversible que se lleve a cabo en un sistema aislado conduce al aumento de la entropa del sistemaPredice la direccin de las reacciones, introduciendo dos conceptos: la Entropa (S) y la E libre o de Gibbs (G)S univ = Ssist + Salr 0

G = H TS, 0 (en unidades de energa) Prev la reversibilidad o irreversibilidad de las reaccionesGlc + 6O2 6CO2 + 6H2O; G = -3,82 kcal/g (irreversible)Energa libre y Equil.qco. Estn relacionadosG` = -RT ln Keq (no es G en el equilibrio o = 0)Es caracterstico de c/reaccin en cualquier entorno (dentro o fuera de la clula) y se puede calcular a partir de la KeqG`(+) endergnicas (inviables en la direcc. propuesta)G`(-) exergnicas (liberan E h. llegar al equilibrio)

Puede variar (exer o enderg) segn [S] y [P] reales.Las endergnicas son viables si se acoplan a exergnicas.Glc + Pi Glc-6-P + H2O G`= +3,2 kcal/mol (+13,4kJ/mol)

Se acopla a la hidrlisis del ATP

ATP + H2O ADP + PiG`= -7,3 kcal/mol (-30,5kJ/mol)

Glc + ATP Glc-6-P + ADP G`= -4,1 kcal/mol (-17,2kJ/mol)Glc + 6O26CO2 + 6H2O G`= -688 kcal/mol(-2878kJ/mol)

Se divide en varios pasos p/poder captar poca E liberada en reaccs endergnicas: gluclisis, descarboxilacin del piruvato, Krebs, cad. Respiratoria y Fosforil. oxidativa).

1 mol de Glc = 38 moles de ATPEficiencia mnima=[(38x7,3)/688,1] x 100 = 40,3%Relacin G` y K`eq de 1 reaccinK`eqG`kcal/molG`kJ/mol0,001+4,1+17,10,01+2,7+11,40,1+1,4+5,71,00010,0-1,4-5,7100,0-2,7-11,41000,0-4,1-17,1

Metabolismo celularConjunto ordenado de reacciones bioqumicasMETABOLISMOSon todos los procesos qumicos que tienen lugar dentro de una clula

CATABOLISMOConjunto de reacciones bioqumicas que conducen a la produccin de ENERGIA y PODER REDUCTOR para la biosntesis.ANABOLISMOSuma total de todas las reacciones biosintticas de la clula.

E libre E de Gibbs (G) Funcin ms importante en bioqumica

Dif. de E libre de Gibbs negativo (-G) =Proceso real o factible

G = Gfinal Ginicial

G < 0 (FACTIBLE y EXERGNICO) ej. G = -8 kcal/mol

G = 0 (ISOERGNICO-en equilibrio)

G > 0 (NO FACTIBLE y ENDERGNICO) ej. G = +5 kcal/mol

13

REACCIONES EXERGNICAS LIBERAN ENERGA

Ea es distinta del G = GP - GR .

Derecha = reaccin exergnica o espontnea.

E del P < que la del R = valor negativo del G (E liberada en la reaccin) y, en este caso, es menor que cero.

G(-) = ENERGA DE ACTIVACIN14Reacciones acopladasLas Enzimas pueden combinar reacciones exergnicas + endergnicas para resultar en una reaccin acoplada que en conjunto es exergnica (reaccin espontnea).

Frecuentemente las reacciones energticamente desfavorables estn acopladas a la hidrlisis del ATP ATP + H2O -> ADP + Pi + E = G = -7,5 kcal/molSistema ATP-ADP (ADP + Pi + E = Fosforilacin)Ciclo del ATP-ADPMovimientoBiosntesisTransporte activo

ATP G = -7,5 kcal/molADP G = 7,5 kcal/mol

FotosntesisOxidacin de macromolculasCATABOLISMOFermentacinRespiracinFotosntesisRutas para la obtencin de energa y poder reductor (serie de reacciones catalizadas por enzimas, acopladas a otras que permiten almacenar E):FERMENTACINSon vas catablicas en las que compuestos orgnicos actan sucesivamente como donadores y aceptores de electrones. Es un proceso ANAEROBIO.La energa se obtiene nicamente por FOSFORILACIN A NIVEL DE SUSTRATO

Esquema de fermentacine- y H+ son transferidosdesde 1 molcula que se oxida a otra que se reduce.

Pares Redox

NADH NAD+ + H+ + 2e-

NADPH NADP+ + H+ + 2e-

FADH2 FAD+ + 2H+ + 2e-

La tendencia a transferir e- de un par redox se puede medir experim. Formando un circuito elctrico con una mezcla equimolecular del par c/un sedundo par (seleccionado como St -> H2 2H+ + 2 e- E= 0,00V)Midiendo la diferencia de voltaje = potencial redox E

Los e- se desplazan hacia pares redox con mucha afinidad por los e- como el par O2/H2O

NAD+ - NADH en accinVa glicoltica y fermentacin

PRINCIPALES VAS DE FERMENTACINFementacin cido mixtaFementacin butricaFementacin acetonicaFementacin lcticaFementacin alcohlicaFementacin propinicaenterobacteriasENTEROBACTERIASANAEROBIOSBACTERIAS LCTICASLEVADURASBACT. PROPINICASRESPIRACINAerbicaAnaerbicaProceso de oxidacin de sustratos usando un aceptor final de electrones exgenoProceso por el cual se oxida un compuesto usando O2 como aceptor final de electrones Cuando el aceptor final de electrones es diferente del O2 (nitrato, sulfato, etc.)Esquema respiracin aerbica

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+ O225Matriz mitocondrial, Hay 1 ADN circular y pequeos ribosomas que sintetizan un pequeo nmero de protenas. Enzimas de la oxidacin de AG, aminocidos, cido pirvico que se descarboxila y se encuentran las enzimas del ciclo de Krebs o de los cidos tricarboxlicos, o ciclo del cido ctrico.Membrana Interna: Los sistemas Red-0x del transporte de electrones se encuentran adosados a las crestas mitocondriales, el sistema de la fosforilacin oxidativa (ocurre tanto en bacterias aerbicas como en mitocondrias de clulas eucariticas).

NADH+H+ NAD+ Di-HO-ACETONA-P-----------------> GLICEROL-3-PGli-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+TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMTICO y otros transportesDescarboxilacin Oxidativa del Piruvato1) Descarboxilacin exergnica2) Formacin de sulfoester de alta E con Lipoato3) Transtiolacin isoexergnica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoAEnzimaCosustrato prostticoSustrato solublePiruvato deshidrogenasa Pir. descarboxilasaE1TPP = Tiamina pirofosfato + Mg++Dihidrolipoil transacetilasaE2LipoamidaCoenzima ADihidrolipoil deshidrogenasaE3FADNAD+Otras enzimas con igual mecanismo:Alfa-cetoglutarato DH, Alfa-cetobutirato DH, cadena ramificada cetocido DH

Ejercicio bruscoAcetil-S-CoA = va a haber insuf. Oxalacetato p/dar CitratoEstrs, Diabetes

Reacciones Auxiliares o AnaplerticasAcetil-S-CoA (alostrico +)Insulina (+)MDH(NADP+) + MDH NADPH + H+ NAD+ NADP+ NADH + H+Carbonil-Pato -> Carboxi-Biotina-E29

Ciclo de Krebso delcido ctrico

Molculas:

Simtrica

Asimtrica (quiral)

180 g (1 mol) Glc son oxidados por 192 g (6 moles) de oxgeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2

33

Alostrica : Inhib x ATP Inhib. Citrato y fluorocitrato y Succinil-S-CoA (competicin)c/Fe++ + Glutatin G (+) - (citrato)+ Mg++ NADH y Succinil-CoA (-)Alostrica =ADP(+) enz. tetramrica ATP(-) dmero(-) dficit de Tiamina Presencia de Iones de Hg y arsenito (bloq. -SH del lipoato)Ubiquinona reductasa C/4Fe++ no Hem (+) CoQH2 y ATP(-) Oxalato y Malonato (competitiva)Malato hidroliasaH= 6 isoenzIV +abundanteC/nivel de E constante =Libremente reversibleInhib.=Malonato (competicin)34

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 %. 36

Sera un desperdicio si toda la energa -rescatada de la molcula de glucosa q entr al metabolismo energtico -almacenada en las coenzimas FADH y NADH- fuera utilizada directamente para reducir el oxgeno en agua, bajo la reaccin:NADH + 1/2 O2 NAD + H2OLos sistemas biolgicos aprovechan la E de las coenzimas interponiendo entre NADH - FADH y el O2 una serie de compuestos capaces de oxidarse y reducirse alternativamente.

Respiracin Aerobia

Cascada de electrones" cuya energa es utilizada para la fosforilacin oxidativa del ADP.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) *P-O-P-O-P-OO-OO-OCH2OOHOHAdenineOO-O-abgATPKcal/mol-7.3-6.6P*N-CNHOO-O-NCH3CH2COO-FOSFOCREATINA-10.3KcalOO-O-OO-O-PCOCHOHCH2POOO-O-PO1,3-bisFOSFOGLICERATO-10.1CCH2COO-FOSFO-ENOLPIRUVATO-14.8O(2 INTERMEDIARIOS ALTAMENTE ENERGTICOS DE LA GLUCLISIS)**ATP = moneda energtica celular, reconocible por Enzs. (fosforilacin, transporte de solutos contra gradiente, movimiento Musculares, sntesis de Acil-CoA, etc)

Compuestos que tienen uniones fosfato de alta energaKcalKcalCompuestos ricos en energa- Transferidores de grupos fosfatoFosfoanhidridos = ATP - ADP (-7,3; -8,2; -6,0 y -3,3 Kcal/mol) EJ. ATPAcilfosfatos = 1,3-Bis-fosfoglicerato (-10,3 Kcal/mol) aminoacil-AMP - AcilfosfatoEnol-fosfatos = PEP (14,8 Kcal/mol)Fosfoguanidinas = creatin-Pato(-10,3 Kcal/mol) arginin-Pato

- Transf. de grupos acilo = deriv. de HS-CoA (-7,7 a -10,5 Kcal/mol)

- Transferidores de grupos metilo = S-Adenosil-metionina (-10,0 Kcal/mol)

steres y Tiosteres

FOSFORILACIN OXIDATIVANADH + H+FADH2PEP1,3-Bis-P-GliceratoGlc 6 PAcil-CoACreatn-PATPTRABAJOMecnicoOsmticoQumicoMoneda energtica celular-G`t52

40

14

12

108

6

42(Pot.de transf.de grupo st)

Atividad intensa en corto tiempoAtividad liviana o de resistenciaAtividad intensa en corto tiempo44

ATPEl ATP se puede sintetizar a partir de ADP y Pi principalmente mediante dos procesos:Fosforilacin a nivel de substrato.

Fosforilacin oxidativa.Pero tambin por el Ciclo del ATP

45Las 3 Etapas de la RespiracinSon las 3 etapas de la oxidacin metablica de sustratos orgnicos

1. Generacin de grupo acetilo del acetil-CoA , desde piruvato , acidos 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 a travs del sistema de transporte de electrones para obtener ATP en la fosforilacin oxidativa.

Grupo alimenticio

Unidad metabolizada

Transformacin convergente

CarbohidratosGlucosaENERGA en ATPGrasas (Lpidos)Acidos grasosProtenasAminocidos

PROTENASPOLISACRIDOSGLICRIDOSAMINOCIDOSGLICEROL + AGGLUCOSAPIRUVATOACETIL-CoAOxidacin FosforilativaADP + PiATPH2OO2MITOCONDRIAH+CO2(NADH, FADH2)1 Etapa2 Etapa3 Etapa

TriglicridosFosfolpidosColesterolEl acetil-CoA es un intermediario clave en el metabolismo de los lpidos y los hidratos de carbonoRutas Principales del Metabolismo de Lpidos

Slo Leu y Lysson puramentecetognicosCuerposcetnicosAcidos grasosVas metablicas c/generacin de EUna de las numerosas vas metablicas que tienen ms directamente a su cargo la generacin de formas de energa seguramente aprovechables por las clulas es la Cadena Respiratoria acoplada a la Fosforilacin Oxidativa.

Otra est representada por un camino que degrada la glucosa a cido lctico, alcohol u otros productos.51

GlicolisisNAD+NADHGlucosaPiruvatoC6C3ADP ATPFermentacin Piruvato (C3) NADH NAD+Alcoholes de cadenas cortas, cidos grasos(C2-C4)52AnaerobiosisEl oxgeno no es el aceptor final sino otra molcula que se reduce:Levaduras usan acetaldehido -> etanolMsculo usa piruvato -> lactatoEstos productos son sustancias orgnicas y el proceso se denomina fermentacin (ej. Microorganismos ruminales) y hay gran prdida de energa.Desc. del Pir y Ciclo de Krebs (intermediarios de C4-C6)Cadena Respiratoria yFosforilacin OxidativaNADH

NAD O2 H2OADPATP Pyruvate 3CO2

(C3)NADNADH(C1)

Respiracin Aerbica = Glicolisis + Descarboxilacin Oxidativa del Piruvato + KrebsCADENA RESPIRAT

ACOPLAMIENTO

FOSFORIL.OXIDAT.NADHFADH2NAD+FADATP54

Algunas deshidrogenasas c/NAD+ o NADP+ como coenzimasAlgunas Enz (Flavoprotenas) c/ Flavina Nucletidos como coenzimas55