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Energética celular

Energética celular. Enlaces de alta energía Tipos de respiración Etapas de la respiración Oxidaciones biológicas Cadena respiratoria Fosforilación oxidativa. Vida : conjunto de funciones que resisten a la muerte

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Energética celular

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  1. Energética celular Enlaces de alta energía Tipos de respiración Etapas de la respiración Oxidaciones biológicas Cadena respiratoria Fosforilaciónoxidativa

  2. Vida: conjunto de funciones que resisten a la muerte Seres Vivos = Procesos qcos. lejanos al equilibrio (en el equilibrio no se genera trabajo útil) Vida: basada en uso de E p/↓la entropía (p/mantener 1 orden estructural) y cuenta c/ mecanismos que impiden alcanzar el equilibrio. Sistemas Materia de alrededores Conjunto de materia = Sistema (Objeto de estudio) Universo Aislados (sin intercambio) Cerrados (intercambio de energía) Abiertos(intercambio de materia y energía) Termodinámica clásica o de equilibrio = Seres vivos : Termodinámica de los procesos irreversibles o del desequilibrio

  3. Energía total e 1 Sistema • E Cinética = EC • E Potencial = EP • E Interna = U Sist. “en descanso” (no somet. A campos manéticos o eléctricos) EC = EP= cero E Total = U (Traslación, rotación y vibr.de molécs. y la E de electrones y del núcleo) No es medible, interesa ΔU = Q + W (calor y trabajo) 1º Ley: “En cualquier transform. fca. o qca. La cantidad total de E del universo permanece constante” o “Ley de la conservación de la E” Aplicación: Calorimetría (C. adiabático o Bomba calorimétrica)

  4. ENERGÍA = capacidad de realizar trabajo • CÉLULA = E potencial (enlaces covalentes C-C o fosfo anhidrido del ATP) • División celular • Crecimiento • Biosíntesis • Transp. Activo de membrana, etc. • Organismos fotosintéticos =CO2 E Solar C Orgánico • ANIMALES : HERBÍVOROS – OMNÍVOROS – CARNÍVOROS (Otros: granívoros, frujívoros, insectívoros, etc)

  5. Entalpía (H) es el cambio de calor a presión constante ΔH = ΔU + P ΔV (presión constante y cambios de volumen despreciables). Se puede hablar de diferencia de calor = ΔH  es característico de c/reacción y puede ser (-) o (+) en reacciones endotérmicas o exotérmicas respectivamente. • Entalpimetría molar = ΔĦ 1 cal = 4,184 Julios (J) Hexoquinasa Glc + ATP ---------------Glc-6-P + ADP ΔĦ = -6,6 kcal/mol (-27,6 kJ/mol) • 2º Ley: “Cualquier proceso irreversible que se lleve a cabo en un sistema aislado conduce al aumento de la entropía del sistema” Predice la dirección de las reacciones, introduciendo dos conceptos: la Entropía (S) y la E libre o de Gibbs(G) ΔS univ = ΔSsist+ΔSalr≥0 ΔG = ΔH–TΔS, ≤0(en unidades de energía) Prevé la reversibilidad o irreversibilidad de las reacciones Glc + 6O2 6CO2 + 6H2O; ΔG°= -3,82 kcal/g (irreversible)

  6. Energía libre y Equil.qco. Están relacionados • ΔG°` = -RT ln Keq (no es ΔG en el equilibrio o = 0) Es característico de c/reacción en cualquier entorno (dentro o fuera de la célula) y se puede calcular a partir de la Keq ΔG°`(+) endergónicas (inviables en la direcc. propuesta) ΔG°`(-) exergónicas (liberan E h. llegar al equilibrio) Puede variar (exer o enderg) según [S] y [P] reales.

  7. Las endergónicas son viables si se acoplan a exergónicas. Glc + 6O26CO2 + 6H2O ΔG°`= -688 kcal/mol (-2878kJ/mol) Se divide en varios pasos p/poder captar poca E liberada en reaccs endergónicas: glucólisis, descarboxilación del piruvato, Krebs, cad. Respiratoria y Fosforil. oxidativa). 1 mol de Glc = 38 moles de ATP Eficiencia mínima= [(38x7,3)/688,1] x 100 = 40,3% Glc + Pi Glc-6-P + H2O ΔG°`= +3,2 kcal/mol (+13,4kJ/mol) Se acopla a la hidrólisis del ATP ATP + H2O  ADP + Pi ΔG°`= -7,3 kcal/mol (-30,5kJ/mol) Glc + ATP  Glc-6-P + ADP ΔG°`= -4,1 kcal/mol (-17,2kJ/mol)

  8. Relación ΔG°` y K`eq de 1 reacción

  9. Metabolismo celular “Conjunto ordenado de reacciones bioquímicas”

  10. METABOLISMO Son todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula

  11. CATABOLISMO Conjunto de reacciones bioquímicas que conducen a la producción de ENERGIAy PODER REDUCTORpara la biosíntesis. ANABOLISMO Suma total de todas las reacciones biosintéticas de la célula.

  12. E libre ó E de Gibbs (G) Función más importante en bioquímica Dif. de E libre de Gibbs negativo (-G) =Proceso real o factible • G = Gfinal – Ginicial G < 0 (FACTIBLE y EXERGÓNICO) – ej. G°’ = -8 kcal/mol G = 0 (ISOERGÓNICO-en equilibrio) G > 0 (NO FACTIBLE y ENDERGÓNICO) – ej. G°’ = +5 kcal/mol

  13. = ENERGÍA DE ACTIVACIÓN ΔG(-) REACCIONES EXERGÓNICAS LIBERAN ENERGÍA Eaes distinta del ΔG = °’GP - °’GR . Derecha = reacción exergónica o espontánea. E del P < que la del R = valor negativo del ΔG (E liberada en la reacción) y, en este caso, es menor que cero.

  14. Reacciones acopladas Las Enzimas pueden combinar reacciones exergónicas + endergónicaspara resultar en una reacción acoplada que en conjunto es exergónica (reacción espontánea).

  15. Frecuentemente las reacciones energéticamente desfavorables están acopladas a la hidrólisis del ATP • ATP + H2O -> ADP + Pi + E = G°’ = -7,5 kcal/mol • Sistema ATP-ADP (ADP + Pi + E = Fosforilación) Ciclo del ATP-ADP Movimiento Biosíntesis Transporte activo ATP G°’ = -7,5 kcal/mol ADP G°’ = 7,5 kcal/mol Fotosíntesis Oxidación de macromoléculas

  16. CATABOLISMO Rutas para la obtención de energía y poder reductor (serie de reacciones catalizadas por enzimas, acopladas a otras que permiten almacenar E): Fermentación Respiración Fotosíntesis

  17. FERMENTACIÓN Son vías catabólicas en las que compuestos orgánicos actúan sucesivamente como donadores y aceptores de electrones. Es un proceso ANAEROBIO. La energía se obtiene únicamente por FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

  18. e- y H+ son transferidos desde 1 molécula 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 eléctrico 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 ΔE Los e- se desplazan hacia pares redox con mucha afinidad por los e- como el par O2/H2O Esquema de fermentación

  19. NAD+ - NADH en acción

  20. Vía glicolítica y fermentación

  21. PRINCIPALES VÍAS DE FERMENTACIÓN Fementación propiónica BACT. PROPIÓNICAS enterobacterias Fementación ácido mixta Fementación láctica Fementación alcohólica BACTERIAS LÁCTICAS Fementación acetoínica LEVADURAS Fementación butírica ENTEROBACTERIAS ANAEROBIOS

  22. RESPIRACIÓN Proceso de oxidación de sustratos usando un aceptor final de electrones exógeno Aeróbica Anaeróbica Proceso por el cual se oxida un compuesto usando O2como aceptor final de electrones Cuando el aceptor final de electrones es diferente del O2 (nitrato, sulfato, etc.)

  23. Esquema respiración aeróbica

  24. - O2 - O2 Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras células y algunos microorganismos Fermentación a Alcohol en levaduras Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aeróbicas + O2

  25. Matriz mitocondrial, Hay 1 ADN circular y pequeños ribosomas que sintetizan un pequeño número de proteínas. Enzimas de la oxidación de AG, aminoácidos, ácidopirúvicoque se descarboxila y se encuentran las enzimas del ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo del ácido cítrico. Membrana Interna: Los sistemas Red-0x del transporte de electrones se encuentran adosados a las crestas mitocondriales, el sistema de la fosforilaciónoxidativa(ocurre tanto en bacterias aeróbicas como en mitocondrias de células eucarióticas).

  26. TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMÁTICO y otros transportes FAD+ NADH+H+ NAD+ Di-HO-ACETONA-P-----------------> GLICEROL-3-P Glicerol-3P-DH (Citosol) Di-HO-ACETONA-P Gli-3-P-DH (Mitocondrial) FADH2 NADH+ H+ Malato Oxalacetato  Aspartato Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA (+) (-) ADP ATP Translocasas AA, Malato, Succinato, Piruvato NAD+, NADH, FAD HS-CoA

  27. DescarboxilaciónOxidativa del Piruvato 1) Descarboxilación exergónica 2) Formación de sulfoester de alta E con Lipoato 3) Transtiolación isoexergónica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoA • Otras enzimas con igual mecanismo: • Alfa-cetoglutarato DH, • Alfa-cetobutirato DH, • cadena ramificada cetoácido DH

  28. Ejercicio brusco ↑↑↑Acetil-S-CoA = va a haber insuf. Oxalacetato p/dar Citrato Estrés, Diabetes Reacciones Auxiliares o Anapleróticas Acetil-S-CoA (alostérico +) Carbonil-Pato -> Carboxi-Biotina-E Insulina (+) MDH(NADP+) + MDH NADPH + H+ NAD+ NADP+ NADH + H+

  29. Ciclo de Krebs o del ácido cítrico

  30. Moléculas: Simétrica Asimétrica (quiral)

  31. 180 g (1 mol) Glc son oxidados por 192 g (6 moles) de oxígeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2

  32. Alostérica : Inhib x ATP Inhib. Citrato y fluorocitrato y Succinil-S-CoA (competición) c/Fe++ + Glutatión G (+) - (↑citrato) Malato hidroliasa H°= 6 isoenz IV +abundante Ubiquinona reductasaC/4Fe++ no Hem (+) CoQH2 y ATP (-) Oxalato y Malonato (competitiva) + Mg++ NADH y Succinil-CoA (-) Alostérica = ADP(+) enz. tetramérica ATP(-) dímero (-) déficit de Tiamina – Presencia de Iones de Hg y arsenito (bloq. -SH del lipoato) C/nivel de E constante = Libremente reversible Inhib.=Malonato (competición)

  33. Ciclo de Krebs • biosintético • ahorro de energía • Remoción de intermediarios • puede saturarse. • Única vía enzimática saturable • azúcares • ácidos grasos En la respiración aeróbica se conserva aprox. el 42 % de la energía de la glucosa en forma de ATP. 288 Kcal * mol-1 (1205 KJ* mol-1 ) Es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre ( G°) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/ 686 x 100= 42 %.

  34. Respiración Aerobia • Sería un desperdicio si toda la energía -rescatada de la molécula de glucosa q´ entró al metabolismo energético -almacenada en las coenzimas FADH y NADH- fuera utilizada directamente para reducir el oxígeno en agua, bajo la reacción: NADH + 1/2 O2 NAD + H2O Los sistemas biológicos aprovechan la E de las coenzimas interponiendo entre NADH - FADH y el O2 una serie de compuestos capaces de oxidarse y reducirse alternativamente. “Cascada de electrones" cuya energíaes utilizada para la fosforilaciónoxidativa del ADP.

  35. Transferencia de energía en el metabolismo celular • P (grupos fosfato) = conservación y transferencia de E • 1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP • Creatín-P y Arginín-P = reservas de E p/cederla al ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales como el músculo) • Fosforilación oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E liberada por oxidación de coenzimas reducidas)

  36. Compuestos que tienen uniones fosfato de alta energía FOSFOCREATINA NH O - N * O- P N-C CH2 COO O- CH3 -10.3 -14.8 -10.1 O CH2 O O OH O - O C P O * * O- O- P O C CH CH2 O P O- COO- O- O- FOSFO-ENOLPIRUVATO 1,3-bisFOSFOGLICERATO (2 INTERMEDIARIOS ALTAMENTE ENERGÉTICOS DE LA GLUCÓLISIS) O O O ATP - * P-O-P-O-P- OCH2 O Adenine O O- O- O- g a b Kcal OH OH -7.3 -6.6 Kcal/mol Kcal Kcal ATP = “moneda energética celular”, reconocible por Enzs. (fosforilación, transporte de solutos contra gradiente, movimiento Musculares, síntesis de Acil-CoA, etc)

  37. Compuestos ricos en energía - Transferidores de grupos fosfato • Fosfoanhidridos = ATP - ADP (-7,3; -8,2; -6,0 y -3,3 Kcal/mol) EJ. ATP • Acilfosfatos =1,3-Bis-fosfoglicerato (-10,3 Kcal/mol) – aminoacil-AMP - Acilfosfato • Enol-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)

  38. Ésteres y Tioésteres

  39. -ΔG°`t 52 40 14 12 10 8 6 4 2 (Pot.de transf.de grupo st) “Moneda energética celular” NADH + H+ FADH2 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA PEP Creatín-P 1,3-Bis-P-Glicerato Acil-CoA ATP Mecánico Osmótico Químico Glc 6 P TRABAJO

  40. Atividad intensa en corto tiempo Atividad liviana o de resistencia Atividad intensa en corto tiempo

  41. ATP El ATP se puede sintetizar a partir de ADP y Pi principalmente mediante dos procesos: • Fosforilación a nivel de substrato. • Fosforilación oxidativa. • Pero también por el “Ciclo del ATP”

  42. Las 3 Etapas de la RespiraciónSon las 3 etapas de la oxidación metabólica de sustratos orgánicos1. Generación de grupo acetilo del acetil-CoA, desde piruvato, acidos grasos(mitocondria), o aminoácidos(citoplasma/mitocondria).2. Oxidación de los carbonos del acetilo en el ciclo de Krebs (mitocondria).3. Pasaje de electrones de la oxidación a través del sistema de transporte de electronespara obtener ATPen la fosforilaciónoxidativa.

  43. PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS GLICÉRIDOS 1° Etapa GLICEROL + AG AMINOÁCIDOS GLUCOSA 2° Etapa PIRUVATO MITOCONDRIA ACETIL-CoA CO2 H+ 3° Etapa (NADH, FADH2) ADP + Pi Oxidación Fosforilativa ½O2 ATP H2O

  44. Triglicéridos Rutas Principales del Metabolismo de Lípidos Fosfolípidos Colesterol El acetil-CoA es un intermediario clave en el metabolismo de los lípidos y los hidratos de carbono

  45. Sólo Leu y Lys son puramente cetogénicos Cuerpos cetónicos Acidos grasos

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