be-3. l'energia química dels sistemes vius

Tema 3: Lenergia qumica dels sistemes vius

1. Combusti del organisme i dels aliments

1.1 Historia XVIII: Lavoussier. Per tal de poder comenar a quantificar les reaccions qumiques, aquest cientfic va estudiar les reaccions de combusti ja que aquestes tenien unes caracterstiques especifiques que feien que la quantificaci fos quasi perfecte ja que per comenar la matria orgnica utilitzada com a reactiu desapareixia per complert poden aix determinar que al final de la reacci la seva massa es molt semblant a 0. Lavoussier tamb va predir que la respiraci dels organismes tenia que basar-se en reaccions iguals o semblants a la combusti ja que aquets agafaven O2 i expulsaven CO2 i podien utilitzar els aliments com a font de matria orgnica. Va predir que aquesta reacci de combusti dels aliments segurament es produa en els pulmons ja que era all on hi havia les concentracions ms grans de O2 i de CO2 i que la calor que es produa com a resultat de la reacci era repartida per tot el cos a traves de la sang. Com ja veurem posteriorment tamb va comenar a fer anlisis calorimtrics tant de forma directa com indirecta. 1933: Es comena a establir la gluclisi. 1937: Es descriu el cicle de Krebs. Podem veure que han passat 150 anys entre els dos fets ja que durant aquest temps no tenem ni el coneixement ni el equipament adequat com per poder estudiar correctament la bioenergtica. Per tant el organisme energticament parlant era una caixa negre on entrava O2 i aliments i sortia CO2. El pas que va permetre comenar a estudiar aquest tema va ser descobrir que la respiraci es donava en totes les cllules duna forma molt equivalent.

1.2 Calorimetria directa Definici: s la mesura de la calor a partir de collocar un organisme al interior duna cambra i a partir de veure com augmenta la temperatura dalguna substancia determinar quanta calor a produt. Com ja sabem en el organisme es produeixen moltes reaccions i com dicta el segon principi de la termodinmica aquestes no funcionaran amb un rendiment del 100% i per tant sempre hi haur una part de lenergia que es dissipar en forma de calor i aquesta pot ser mesurada i que coneixem com a metabolisme basal o calor latent. Hem de tenir en compte de que si no exists el segon principi no ens caldria alimentar-nos perqu totes les reaccions tindrien un rendiment del 100% i per tant no perdrem mai energia i no caldria reemplaar-la.

1.2.1 Calormetre de Lavoussier Com ja hem vist Lavoussier va realitzar una hiptesi en el qual en els organismes es produa una reacci semblant a la combusti. Per tant com a resultat de la reacci es tenia que produir calor. Per tal de poder mesurar aquesta calor va dissenyar aquest calormetre.

El calormetre consta dun recipient gran que conte dos parets per tal de que sigui isotrmic i duna cistella que es pot dipositar en el interior del recipient i que es el lloc on es collocava el organisme. Entre la cistella i el recipient existia un espai en el qual es collocava gel. Quan collocavem el organisme en el interior del recipient amb gel aquest sanava fonent i el recipient tenia un sistema per tal de poder recollir tota aquesta aigua liquida. Aixi doncs coneixen el temps, el volum daigua fossa i la calor latent es podia determinar quanta calor desprenia un organisme per unitat de temps, es a dir, la calor latent del organisme o metabolisme basal Amb aquest calormetre tamb va poder fer estudis calorimtrics de la combusti dels aliments. En aquesta ocasi en la cistella i collocava els aliments i els cremava i desprs realitzava el mateix tipus de clculs que abans.

1.2.2 Calorimetria daliments actual Actualment el sistema que sutilitza per determinar de forma directa la calor que produeix la combusti dels aliments es basa en un recipient isotrmic que conte aigua en el fons i tamb una gran quantitat dO2. Conte un petit recipient que esta amb contacte amb laigua on collocar el aliment i un elctrode que generar la guspira per tal de que sinici la reacci de combusti. Finament tenim un termmetre per mesurar com augmenta la temperatura de laigua. Hem de tenir en compte que el experiment es realitza a P=cte i el W que es realitza nomes es dexpansi i per tant la Q=H. Daquesta manera sha pogut determinar un valor de H mitja per les principals biomolcules.

Biomolcula H(Kcal/Kg) Glcids -4,1103 Lpids -9,3103 Protenes -5,5103

Mitjana -6,3103

1.2.3 Calorimetria directa dhumans. Calormetre de Atwater-Benedict Es una gran cambra isotrmica que ens permet mesurar el volum de gasos que entra, el volum que surt i la calor que desprn el individu de forma directa. Els gas que entra s nomes el O2 i es controlat amb un mediador. Els gasos que surten son el H2O i el CO2 i per mesurar-los sutilitzen dos compostos qumics diferents que son capaos de reaccionar i retenir el H2O i el CO2 de tal manera que la diferencia de massa abans i desprs de lexperiment ens donar la quantitat de productes formats.

CO2: Sutilitza el NaOH. H2O: Sutilitza el cid sulfric.

La calor que desprs el individu es pot mesurar gracies a un conjunt de tubries que hi han al interior de la cambra que contenen aigua en el seu interior. La temperatura de laigua daquestes tubries es mesura quan entre i quan surt del interior de la cambra i la diferencia es la per el hum. Una altre cop hem de tenir present que la P=cte i el W s nomes dexpansi.

Bioenergtica Francesca Soler

1

3. Lenergia qumica dels sistemes vius Recull qestions bsiques que sn netament de bioenergtica bioqumica. Tema introductori. On arrenquen les primeres consideracions cientfiques sobre les consideracions energtiques de lE dels ssers vius. Neix la qumica moderna (Lavoisier) i neix la BQ.

1790 Lavoisier troben un primer vincle entre E i sistemes vius. Troben que les reaccions bsiques que estaven estudiant passen tamb en organismes vius. Agafava molcules orgniques i mesurava volums, massa i les combustionava.

Combustions: Molcules orgniques + O2 CO2 + H2O + Q

Pesava una determinada matria i mesurava un volum i tamb mirava macroscpicament que hi havia despreniment de calor (Q) i feia calorimetria per mesurar aquesta calor despresa.

Va veure que si aix eren les combustions, quan estudiava els ssers vius (respiraci) veia que necessitaven O2 i extreien CO2 + H2O. Va veure que la respiraci devia ser:

Respiraci: Aliments + O2 CO2 + H2O + Q

Va fer mesures de calor despresa mitjanant calorimetria directa de la respiraci de lanimal viu i tamb de combusti dels aliments. Tamb va fer calorimetria indirecta.

Calorimetria de combusti dels aliments Recipient, termmetre, H2O, O2, aliments, bra que tira guspires. A partir de la temperatura de laigua s possible calcular la calor despresa.

Lavoisier tamb feia calorimetria directa de la respiraci: aparell on posava un animal viu. T doble paret (ben isolat). Entre la xarxa metllica que contenia lanimal i la paret interna hi posava gel picat. Lacumulava aigua, obria laixeta, recollia laigua, sabia el temps que havia passat i com que coneixia la

calor latent de quant laigua gel passa a lquid, podia calcular la calor despresa

per aquell animal en un temps determinat.

Lavoisier tamb feia calorimetria indirecta mesurant CO2.

Aquest sistema ha perms mesurar el metabolisme basal o calor latent del humans. H= -2000Kcal/dia

Gracies a la calorimetria indirecte podem conixer quin es laugment de H si el organisme esta fent un exercici. Hem de tenir en compte que

Exercici moderat: Augmenta 500Kcal/dia el metabolisme basal Tour de Frana: Augmenta 5000Kcal/dia el metabolisme basal

1.3 Calorimetria indirecta Definici: La mesura de la calor es fa a partir de la relaci de O2 consumit i CO2 produt per un organisme. Per tal de poder-ho calcular es necessari que tinguem molt ben caracteritzades les reaccions

1.4 Exemples clau amb les dades proporcionades La vida esta sustentada per la combusti daliments: Si tenim en compte que 40 dies de dejuni impliquen la prdua de 15Kg podem veure que la despesa energtica que tenim durant els 40 dies si contem que realitzem un exercici moderat (metabolisme basal=2500) 40 dies 2500 = 100 10! I els aliments que consumim durant els 3 dies tenint en compte la mitjana de H de combusti dels aliments 6,3 10! 15 = 94,5 10! Per tant podem veure com lenergia que perdem i lenergia que ens donen els aliments es molt semblant i per tant podem confirmar la hiptesi de que lenergia que ens dona la combusti dels aliments es la que ens permet viure. Importncia energtica de mantenir-se viu: Hem de tenir clar que lenergia que gastem cada dia sense tenir en compte el exercissi que fem es molta i per tant que aguantar-se viu te un pes energtic imporant. Per aix farem dos comparacions Fem canvi de unitats i passem a Wats Per tan podem veure com cada dia gastem la mateixa energia que consumeix una bombeta. Si mirem quanta energia gastem per Kg, tenint en compte una persona de 70Kg i la comparem amb la del sol Humans 10070 = 1,4 4 10!"2 10! = 2,4 10!! Per tant podem veure com en relaci al nostre pes, gastem una gran quantitat denergia.

Aliment +O2 CO2 + H2O + Q


3

Perden 15 Kg: 15Kg6,3103Kcal/Kg=94,5103Kcal, que s casi el mateix nmero.

La calor ve dels aliments, que sn E qumica. Acabem de construir una hiptesi qumica que proposa que s possible justificar lE despresa dels ssers vius a partir e lE qumica que tenen

al seu interior. Hiptesi qumica acceptable.

Metabolisme basal w=0 Sn unes -2000Kcal/dia. El rendiment del metabolisme que passa dins el cos no s el 100%. Les -2000Kcal/dia s una dissipaci de calor que indica que el rendiment no s del 100% segon principi, fa que hi hagi aquesta transformaci incompleta.

2000

2000 10

3600 24

10,24

~ 100= 100 ( )

Un hum adult ms o menys t un metabolisme basal de 100W. Mirem quants W per Kg sn:

10070

= 1,4

El Sol emet 41026W, per t una massa de 21030Kg. Quan divideixo,

4 102 10

= 2 10

tan

Lavoisier anava molt desencarrilat amb el tema pq pensava que la combusti dels aliments es realitzava als pulmons i que la calor produda per aquesta combusti era transportada per la sang a la resta de lorganisme. Es van passar 150 anys (des del 1790) per trobar que totes les

cells respiren.

1933 via de la gluclisi

1937 Krebs (cicle dels cids tricarboxlics)

Conclusi: estem en condicions dindicar la missi de la bioenergtica agafar lE de les reaccions qumiques que tenen lloc als sistemes vius, trobar els transformadors que fan que aquesta E doni treballs cellulars (W biosntesi, W transport, W mecnic...).

Fins lany 1970 no hi va haver un bon coneixement. Quines molcules possem els ssers vius que sn combustibles i quantifiquem-les.

Combustibles Pes (Kg) H/Kg (Kcal/Kg) H total (Kcal) Triglicrids 15 9,3103 140000 Protenes (mobilitzables) 6 4,1103 24000 Glucogen 0,23 4,1103 900 Combustibles en circulaci (glucosa, ac grassos...)

~0,02 ~5103 100

165000Kcal disponibles mobilitzables

2. Principals combustibles dels organismes Pes (Kg) H/Kg (Kcal/Kg) H total (Kcal) Triglicrids 15 9,3103 140000

Protenes (nomes les musculars)

6 4,1103 24000

Glucogen 0,02 4,1103 900

Combustibles en circulaci (glucosa, ac. Grassos...)

0,02 5103 100

TOTAL 165000 kcal

Per tant podem veure que durant una situaci de dejuni abans de quedar-nos sense energia podem mobilitzar 165000kcal.

2.1 Triglicrids Els triglicrids s la principal molcula que sutilitzen com a font de reserva denergia per dos motius principalment

Presenta la relaci H/massa ms alta. Aix vol dir que la seva combusti es la que ens proporciona ms energia per unitat de massa

Es un compost hidrofbic. Per tant semmagatzema de forma lliure (no associat amb laigua) i per tant el seu emmagatzemament no comporta un pes extra.

Ex: Si utilitzesim els glicogen com a principal font de reserva energtica 140000 1 4,1 10! 3 1 = 100 Per tant nomes per emmagatzemar energia ja tindrem un pes de 100Kg, al qual sha de sumar el pes de totes les altres parts del cos. Per tant el pes que tindrem seria inviable tenint en compte el valor de la gravetat a la terra.

Si mirem la ruta metablica que permet la combusti dels triacilglicrids

2.2 Dejuni i cossos cetnics Quan estem en dejuni es comencen a mobilitzar totes les reserves que hem vist en el punt anterior de tal manera que arribin en tots els teixits i es pugui obtenir energia a partir dells. El problema es que el cervell nomes pot consumir glucosa i no pas

triglicrids i com ja hem vist les reserves de glucogen sn molt baixes i aix fa que el segon dia de dejuni ja sesgotin. Per tal de poder garantir glucosa pel cervell es comena a produir la gluconeognesis en el fetge. Aquesta ruta anablica per comporta que els intermediaris dels cicles de Krebs com el oxalacetat i el citrat estiguin ocupats i per tant que el acetil-CoA no hi pugui entrar i sacumuli. Aquesta acumulaci provoca que aquesta acetil-CoA es transformi en un cossos cetnic. Aquets cossos cetnics poden ser utilitzats com a combustible per tots els altres teixits (menys el cervell). El punt clau daquestes molcules per es troba en dos caracterstiques del seu metabolisme

Una vegada en el teixit, amb dos simples reaccions es poden convertir en 2 acetil-CoA que es poden introduir en el cicle de Krebs. Per tant son rpidament mobilitzables ja que la ruta catablica utilitzada per obtenir energia a partir dells es curta i simple

Una de les reaccions, el pas de acetoacetat a acetoactil-CoA, per convertir el cos cetnic en acetil-CoA esta catalitzada per una acetiltransferasa que no es troba en el fetge de tal manera que la combusti daquestes molcules nomes es podr fer en els altres teixits.

Cal dir que el cervell a partir de 40 dies de dejuni ja comena a consumir cossos cetnics com a combustible. Per tant les dos grans fons de reserva en el cos sn els triglicrids i els cossos cetnics.

3. ATP

3.1 Historia 1929: Allament del ATP a partir dextractes cclics de mscul. Tamb van allar Pi i Creatina 1934: Es veu una relaci entre la degradaci de glucosa i la formaci dATP. s a dir veuen que la reacci de formaci dATP a partir dADP+Pi es produeix al mateix temps que la degradaci de glucosa 1935: Es fan mesures calorimtriques de la reacci de dhidrlisi del ATP i veuen que te un H

1939: Descobreixen que la miosina presenta activitat ATPasa i que lATP provoca el canvi de conformaci de las complexos actina-miosina. Al mateix temps tamb es va veure que altes concentracions dATP promouen la formaci de glucogen. 1941: Sntesi de Lipmann. Aquest cientfic fa una sntesi de tot el que shavia descobert fins el moment sobre lATP. Els punts clau que es tenien clars en aquella poca eren:

LATP es produeix en reaccions catabliques LATP es degrada en reaccions anabliques LATP conte molta energia que pot ser utilitzada per produir treball cellular

relacionat amb treball mecnic A partir daqui va fer una sntesi utilitzant un smil amb les dinamos elctriques que sn uns aparells que sn capaos de generar una corrent elctrica a partir de moviment (energia elctrica a partir denergia mecnica). El va proposar es que el metabolisme del organisme era com un dinamo que es movia gracies a lentrada continua daliments i la sortida de gasos, aquest fet el va anomenar dinamometabolic. La dinamometabolic era capa de generar una corrent on en lloc de haver-hi electrons hi havien molcules dATP. Aquest ATP es creava a partir de la uni de Pi + ADP i la fora qumica necessria per aquesta sntesi la trien de la dinamometabolica. Aquest ATP sutilitzava o be per generar un stock denergia com les bateries elctriques o per donar energia a altres processos cllulars no espontanis. Una vegada el ATP cedia la seva energia es tornaven a generar ADP + Pi i daquesta manera es tancava el cicle.

3.2 Estructura Hidrlisi: Els enllaos que salliberen per produir els diferents productes a partir del ATP sn els enllaos anhdrids. Sha pogut saber gracies a experiments amb ATP amb fosfats marcats radioactivament.

Producci ADP: Hidrlisi per enlla . Com a resultat sallibera ADP i Pi (ortofosfat)


5

Els cossos cetnics, una vegada es tenen circulen per la sang i amb un parell de passes ja sn mobilitzables. Sn combustibles cetnics rpidament mobilitzables.

Molcules dinters 1929 ATP allat en extractes cclics de mscul.

1934 es va veure que la degradaci de la glucosa provocava que es forms ATP en la reacci: ADP + Pi ATP + H2O.

1935 van fer calorimetria de la reacci contraria, dhidrlisi de lATP. Van trobar que lS era de valor absolut gran i molt negatiu. Reacci molt espontnia.

1939 van veure que la miosina s igual a ATPasa. Actua com a enzim que hidrolitza lATP. La miosina + ATP sofreix canvis de conformaci.

1939 es va veure que la presencia dATP promou la formaci de glucogen.

Aix va portar molt immediatament, 1941, a una visi sinttica i integrada de tot aix: SNTESI DE LIPMANN. Al 1953 va ser el Nobel de fisiologia i medicina. Lipmann va veure tot aix i va anar lligant caps.

LATP es forma quan hi ha reaccions catabliques i t, quan esta format, sembla que pot tenir energia qumica important i provoca treball de biosntesi i treball mecnic.

Com intuir el que est passant a la cell. A Lipmann se li va ocrrer donar voltes al tema dynamo aparells que al girar generen electricitat (per energia mecnica). Es va imaginar que havia de convertir aquesta idea delectricitat en energia qumica. La dynamo metablica genera un corrent denllaos qumics que t a veure el fosfat inorgnic que sincorpora a lADP

per formar ATP. LATP (molcula soluble) actua com una mena de cable que porta lE a qualsevol lloc. Es fan treball de biosntesi, perd la seva E. El fosfat inorgnic lliure necessita que el catabolisme li torni a donar E. Com que lATP sel troba vinculat a tantes reaccions, s com una moneda energtica universal reconeguda per moltes reaccions del metabolisme.

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HH

HH

OP

O-

O

OP

O

O-

OP

O-

O

HO

Anhidrid fosforic

Ester fosforic

Producci AMP: Hidrlisi per enlla . Com a resultat sallibera AMP i PPi (pirofosfat)

Forma inica: A pH 7 com veiem tots els O dels fosfats estan en forma aninica menys el marcat de color blau que esta parcialment ionitzat. Per tant podem dir que a condicions fisiolgiques el ATP conte 3,5 carregues negatives Importncia del Mg2+: Es molt important ja que es capa de quelar el ATP es a dir, es capa dunir-se al ATP a partir dunions electroestatiques. Al interior de la cllula la [Mg2+]=2-5mM i aix fa que la relaci ATP:Mg2+ sigui 1:1 per en condicions de saturaci es 1:2

3.3 G de la reacci dhidrlisis = ln!" !" = !"[]!"[]!"

3.3.1 Mtode de Clcul. Llei de Hess Problema: La reacci en condicions dequilibri est molt desplaada cap a la dreta i aix fa que la concentraci de [ATP] sigui tant baixa que no pot ser mesurada per cap instrument de laboratori actualment ja que no tenen la sensibilitat suficient. Aquest fet comporta que no es pugui estimar correctament el valor de Keq i per tant el valor de G no sigui precs. Existeix nomes un aparell que es el RMN de 31P que ens permet, a partir despectres trobar pics que tenen a veure amb la [ATP], [ADP],[Pi]... in vivo sense que la cllula es veig-hi danyada Soluci: Per tal de poder calcular quin es el valor de G utilitzo la llei de Hess amb dues reaccions entre les dues contenen els reactius i els productes de la reacci dhidrlisi del ATP per que cadascuna delles es pot mesurar perfectament les concentracions. A ms a ms sn reaccions catalitzades per enzims i que per tant es produiran de forma rapida sense alterar les propietats termodinmiques.

3.3.2 Valors Mitjanant aquest mtode sha pogut calcular el valor de la hidrlisi del ATP, ADP i AMP. Els valors sn

Hidrlisi ATP fins a ADP: G=-7,3Kcal/mol Hidrlisi ATP fins a AMP: G=-6,9Kcal/mol Hidrlisi ADP: G=-7,3Kcal/mol Hidrlisi AMP: G=-3,4Kcal/mol

ADP + PiATP + H2O


6

Fosfats La part energticament interessant de lATP sn els fosfats:

Hi ha 3 enllaos per 2 entre fosfats. A pH fisiolgic (neutre) les propietats acido-bsiques fan que hi hagi ionitzaci i tenim 3 crregues negatives. LOH de lextrem

est 50% ionitzat 50% no ionitzat. En realitat nhi ha 2, en el fosfat hi ha 1,5 crregues negatives. Normalment a la cell (pH fisiolgic) lATP existeix unit a Mg en relaci (1:1).

Hem dimaginar que aprofitant 2 crregues negatius hi ha un Mg2+ (certa neutralitzaci).

Reacci tant desplaada cap a la dreta q analticament s molt difcil analitzar la Keq pq els productes sn massa petits. Grcies al fet que el tema estava en mans de bioqumics, es va poder resoldre amb enzims.

Valor molt negatiu que ens indica que la reacci est molt desplaada cap a la dreta.

+ + = 7,3/

+ + = 3,4/

Es van fer experiments amb fosfat marcat radioactivament i el ATP marcat on es trenca es a lenlla anhdrid i es fa servir lE de lenlla (sanomenen enllaos rics en E). Veurem que

considerar que aquests enllaos sn rics en E s una tonteria.

Hi ha mtodes diversos per mesurar lATP de la cell, per la RMN de 31P permet, a partir els espectres, trobar pics que tenen a veure amb la [ATP], [AMP], [Pi]... permet fer aquestes mesures in vivo. La Keq s mes complicada i emprica del que he escrit tina ATO amb 4 crregues negatives, amb 3, ATP amb magnesi que ara t 2 crregues negatives...

= + + +

= + + +

= +

+

La Keq que realment mesura el qumic o bioqumic s una Keq que en el numerador t una

suma despcies i en lATP tamb. =[][]

[]. s una Keq aproximada. A ms variar

segons medi inic, concentraci de reactius i productes, valors de . La Keq que donen els llibres s una Keq APARENT. Sha despecificar el medi inic i les concentracions de reactius.

Com podem veure sn valors molt negatius i aix contrasta amb el fet de que les reaccions estiguessin molt desplaades cap a la dreta.

3.3.3 Keq aparent Una vegada ja tenim els valors de G ja podem trobar quin es el valor de Keq ara be hem de tenir en compte que el valor que trobem no es correcte al 100% ja que realment trobem una Keq (aparanent). Aix es degut a que com ja hem vist el ATP, ADP, AMP i Pi sn una especis inica i per tant la concentraci total de cadascuna es la suma de totes les possibles formes iniques = !! + !! + [!!]+ [!] = !! + [!!]+ ! + [] = !! + [!!]+ ! Per tant la Keq que realment obtenim s !" = !"[ ]!"[ ]!" Per aquest motiu i pel fet que ja hem vist en el tema anterior en el qual la K realment depn de les activitats i no de les concentracions quan ens donen el valor de la Keq es necessari que ens donin les condicions en les qual sha calculat

pH [Mg] [ATP] inicial [ions] en dissoluci

3.3.4 Motiu de la G tant negativa Existeixen nomes dos motius pels quals aix pot passar:

Estabilitat del producte Inestabilitat del reactiu

Estabilitat del producte: El motiu de lestabilitat de productes es completament entrpic. Lestabilitat es deu a que els productes presenten ms formes ressonants que no pas els reactius i per tant com ja hem vist els sistemes avanant sempre cap al desordre, es a dir, cap all on hi han ms formes possibles. Les formes ressonants es van tenir en compte quan Paulling (1960) va realitzar estudis cristallogrfics de les diferents molcules dATP, ADP i Pi i va veure que els enllaos P-O presentaven una distancia denlla de 1,54 tot i que en altres molcules que tenien enllaos P-O amb enlla simple la distancia era de 1,75. Per tant les molcules de ATP, ADP i Pi tenien enllaos dobles parcials deguts a la ressonncia. Podem veure per exemple la ressonncia del Pi Daquesta manera podem veure com en la reacci dhidrlisi del ATP

O-P

O-

O

-O

O-

P-O O

O-

-O P

O-

O

O-

O-

P O-O

O-

ADP + PiATP + H2O7 formes ressonants 5 formesressonants

4 formes ressonants

Inestabilitat del reactiu: El motiu de linestabilitat de reactius es completament entalpic. Linestabilitat es deguda a una repulsi electrosttica creada per la gran quantitat de carregues negatives que acumulen els fosfats en poc espai. Tenim dos proves que ho demostren:

Hidrlisi a pH 8: A pH 7 tenem 3,5 carregues per a pH 8 ja en tenim 4 carregues negatives i per tant tenim ms repulsi. En aquet pH tenim un G=-8,3Kcal/mol per tant podem veure com disminueix -1Kcal/mol. Per tant podem veure que quan hi ha ms repulsi i per tant ms inestabilitat la reacci encara est ms desplaada cap a la dreta

Hidrlisi sense presencia de Mg: Quan hi ha Mg aquest apantalla les carregues, per sense aquest les carregues no estan apantallades i per tant tenim ms repulsi. En aquesta [Mg2+ ]tenim un G=-8,3Kcal/mol per tant podem veure com disminueix -1Kcal/mol. Per tant podem veure que quan hi ha ms repulsi i per tant ms inestabilitat la reacci encara est ms desplaada cap a la dreta

Hidrlisi del AMP: Com ja hem vist la hidrlisi del AMP no te un valor tant negatiu i aix es degut a que el AMP no te tanta repulsi electrosttica i per tant no es tant negatiu

3.4 G de la reacci dhidrlisis Diferencia G i G: Fins ara hem vist quin es el valor de G, es a dir, el valor de G quan la reacci es troba en lequilibri. Ara be en la cllula com ja sabem les concentracions de reactius i productes sn controlades i per tant aquesta reacci dhidrlisi no es troba en equilibri. = ln!" = + ln Hem de tenir en compte que es la ra de masses actives (): Es el nom que rep la relaci entre les concentracions de productes i reactius (el que esta en el interior del ln) = + ln Valor de G en la cllula: Com podem veure en la formula de G tant G com R i T sn valors que es poden considerar constants i per tant lnic que pot fer variar el valor de G es , es a dir, les concentracions de reactius i de productes. Si desenvolupem G podem veure com = (ln ln!") = ln !" Per tant segons el valor de la ratio entre i Keq G ser:

G>0: No espontnia. Es produir quan >Keq. El potencial qumic de reactius ser inferior al de productes.

G=-1kcal/mol pH7 pH8

[Mg]=1mM [Mg]=0mM

G=-1kcal/mol

G=0: Equilibri. Es produir quan =Keq. El potencial qumic de reactius ser igual al de productes

G

Podem veure com el ATP presenta una G que es troba al mig i per tant es converteix en un bon intermediari de reaccions acoblades. s a dir, permet que reaccions que en la cllula no podrien succeir com el trasps del P del PEP a la glucosa, perqu sn desfavorables succeeixin ja que les torna favorables a partir dacoblar-se a reacci. Permet doncs que les reaccions tinguin el sentit que a mi minteressa. Aquest acoblament es pot produir gracies a la presencia del enzim ja que sense ell cada reacci es produiria de forma independent. Ex1: Hidrolisi del PEP.

Ex2. Fosforilaci de la glucosa en el C6.

Un smil que ens pot ajudar es imaginar que tenim dues masses, una que es troba en el terra (m) i laltre que es troba ha una certa distancia del terra (M). La que esta a una certa distancia del terra caur de forma espontnia, per la que esta en el terra no pujar de forma espontnia. El que puc fer es aprofitar lenergia mecnica de M per aixecar m proper fer-ho necessitar un mtode dacoblament que en aquest cas ser la politja. Cal destacar el paper de la creatina en el mscul ja que aquesta molcula es capa de ser utilitzat com a reserva denergia ja que es capa de cedir el P en el ADP quan les concentracions dATP baixen. Igual que la creatina totes les molcules que tenen un G ms elevat sn capaos de generar ATP. Per tant el ATP no lhem de considerar com una molecula que ens serveix de Stock denergia sin que es una moneda de canvi que ens permet transmetre lenergia.

3.5.2 Funcins PPi

3.5.2.1 Arrossegament reaccions Hidrlisi del PPi: El PPi es capa dhidrolitzar-se gracies a lacci de la pirofosatasa inorgnica. Te una valor de G=-6,9 per tant es una reacci molt espontnia o desplaada cap a la dreta. Arrossegament reaccions: El PPi com ja hem vist es produeix quan es produeix la hidrlisi del ATP fins a formar AMP. Aquesta reacci es sol acoblar a daltres reaccions


7

Per qu la reacci est tan desplaada cap a la dreta? Els reactius sn poc estables o els productes sn molt estables.

Inestabilitat dels reactius (H0) El motiu s electroscpic (tensi electrosttica). Proves:

x Shan fet mesures de lG (Keq) de la reacci dhidrlisi a diferents pH. Si es treballa a pH7 es troba un valor diferent que a pH8 (G0-1Kcal/mol). T lgica pq augmenta la crrega.

x Sha fet mesura amb magnesi o sense i l G0-1Kcal/mol. T lgica pq el magnesi apantalla, millor treure el magnesi pq hi hagi ms G0 alliberada.

Estabilitat dels productes (S0) Ms sofisticat. Obra de Pauling (1960). En el fosfat inorgnic la distncia P-O s de 1,54 en els cristalls que va estudiar. Aix no lliga amb que la distncia P-O tpica en altres substncies s de 1,73 (distncia normal ms llarga). Tampoc era tan curta com un enlla doble. Aquesta distncia era indistinta per qualsevol dels O que envoltava els P. Teoria de Pauling de la RESSONANCIA: els fosfats estan presents en una barreja daltres formes ressonants. Surten 4 formes i la distncia P-O no s ben b de doble enlla ni denlla senzill. En lATP hi ha 7 formes ressonants i en lADP 5. En el Pi 4.

En els productes hi ha ms formes ressonants i s ms probable termodinmicament el que t ms formes (entropia).

En la reacci dhidrlisi de lATP el segon factor s responsable del guany dS. La primera part

(repulsi electrnica) s responsable de lH de la reacci.

Reacci que existeix en el metabolisme. Donada la relaci entre G0 i la Keq (G0=-RTLnKeq) podem dir que la reacci est desplaada cap a la dreta (pq Keq s gran). Perqu actu dintermediari com hi ha dhaver altres reaccions que ho aprofitin.

Existeix en el metabolisme. Tamb desplaada cap a la dreta per no tant.


7












7












7












8

En la cell passa que hi ha una transformaci ADP ATP acoblada a la primera reacci i t un G0=+7,3. No li agrada desplaar-se cap a la dreta, per el conjunt de les dues reaccions s G0=-7,5Kcal/mol i s espontnia. Paper estrella de lATP.

El paper de lATP el podem entendre si posem un exemple de masses en un camp gravitatori: tinc una massa gran (M) a certa altura i una massa petita (m) a la superfcie de la Terra. Vull que la petita pugi aprofitant la tendncia de la gran a anar cap a baix. Si deixo caure la M, la tindr a terra per la m no es mour, noms sescalfar el terra (calor dissipada) o el transformar. Soluci: posar acoblament mecnic. Una corda que uneixi les dues masses i una politja. Hi ha augment de G.

El metabolisme ha trobat la manera dacoblar les reaccions:

LATP t molcules amb les quals es comunica molt

qumicament. Quan van descobrir lATP, amb els mateixos

experiments van descobrir una altra espcie fosforilada, el fosfat de creatina.

Fosfat de creatina Molcula que t un fosfat ric en E.

s la part interessant pq s el fosfat que intercanvia amb lATP.

Fosfoarginina molcula semblant que funciona en altres organismes.

La creatina s una molcula que es troba en el mscul per no en fetge. Quan hi ha esforos musculars intensos, lATP es fa servir molt i le CrP pot convertir lADP en ATP. Actua com a

reservori dE. Actua en moments desforos molt intensos.

LATP est relacionat amb altres nuclesids trifosfat:

x UTP biosntesi de polisacrids x CTP de lpids x GTP de protenes x ATP, UTP, CTP i GTP biosntesi de RNA x dATP, dUTP, dCTP i dGTP biosntesi de DNA

Sn molcules tan semblants que hi ha una reacci molt inespecfica catalitzada per la nuclesid-difosfat-quinasa, que converteix qualsevol nuclesid trifosfat en el corresponent difosfat per transferncia de fosfat tal com indica la reacci: XTP + YDP XDP + YTP.

que no son espontnies, ara b malgrat que sacobla la reacci no es torna espontnia sin que te un valor de G molt a prop de 0 (equilibri), es a dir, no passa com abans. Com a resultat de la reacci es produeix PPi i rpidament aquest es degradar ja que la seva reacci est molt desplaada cap a la dreta. Aix far que la reacci que es troba en equilibri es desplaci cap a la dreta ja que esta disminuint la concentraci de un dels seus productes. Per tant podem veure com el PPi es capa darrossegar les reaccions. Hem de tenir en compte que la reacci dhidrlisi del PPi no sacobla a a reacci no espontnia sin que son dues reaccions independents. Alguna de les reaccions on aix succeeix es en lactivaci dels cids grassos, en lactivaci dels sucres per poder formar glicogen i en la sntesi dATP.

3.5.2.2 Cedir un P a un altre molecula. Sha vist el que PPi es capa dactuar de la mateixa manera que el ATP, es a dir, es capa de cedir un dels seus P a una altre molcula. Per tant el PPi interv directament com un metablit energtic. Aquest fet sha vist en estudiar el metabolisme de dun parsit (Entamoeba Histologyca) Per aquest motiu fa pensar que el PPi es un precursor evolutiu del ATP. Tamb existeix la hiptesis de que oligofosfats (3-4 fosfats units) sn precursors evolutius del ATP. Per tant tot fa pensar que el Pi es va unir a ladenosina i va formar una molcula ms eficient que molts enzims van utilitzar com a S.

3.8 Estat estacionari dinmic. Carga energtica Utilitzaci del ATP:

Espcie Kg ATP/dia Lactobacillus 180g ATP/dia cllula seca Azctobacter 7kg ATP/dia cllula seca Humans 75kg ATP/dia hum

Per tant podem veure com hi ha una gran gas ATP cada dia i aix implica que ha dexistir un recanvi molt rpid. Aix implica doncs que hi aix una activitat qumica molt elevada. Ex1: E.coli quan esta en creixement hidrolitza 2,5106 molcules dATP/segon cllula. Els valors de ATP es mantenen constants sempre a 5106 molcules dATP/cllula. Per tant es lgic pensar que hi ha un gran recanvi dATP ja que com podem veure cada segon shidrolitzen quasi be la totalitat de la concentraci dATP. Ex2: Cllules animals. Si marquem els fosfats dels ATP radioactivament aleshores podem veure com es va gastant el ATP i si fem una grfica veiem que al cap de 1-2 min ja tenim nomes el 50%. Per tant es necessita un gran recanvi Estat estacionari dinmic: Es el estat en que es troben les cllules que no presenten cap patologia. Aquest fet es degut a que totes les concentracions de la cllula es


9

En el metabolisme tenim molcules com el PEP i la G-6-P amb lATP/ADP al mig. Hi ha transferncia de fosfats inorgnics i lATP s lintermediari com (moneda energtica de canvi

universal). No s un estoc (emmagatzament), sin un transmissor universal dE metablica.

Els que fan estoc dE sn els lpid, glucgen, protenes... per no lATP. Els fosfgens (CrP,

XTP/XDP) tampoc sn grans estocs dE.

Fins ara la hidrlisi s del fosfat , per en el metabolisme tamb hi ha hidrlisi en el fosfat :

+ 2 + () = 7,3

+ 2 + () = 6,9

Priofosfat-lisi de lATP Aquesta reacci, que t un molt considerable, casi la mateixa, s til per fer anar reaccions metabliques endavant.

Ex/ degradaci c. grassos, que shan dactivar amb CoA, que t un grup tiol que suneix a lac gras i es forma RCO SCoA (acil gras CoA) per lacil-CoA-sintetasa, que s lac gras activat pq pugui continuar. Aquesta reacci allibera pirofosfat. Aquesta seria una reacci molt poc desplaada cap a la dreta pq t un increment denergia lliure molt poc negatiu. No s

convenient.

+ + + + = 0,2/

+ 2 2 = 6,9/

Sort nhi ha de que el PPi es converteix en dues molcules de Pi a travs de la reacci

catalitzada per la pirofosfatasa inorgnica. Aquesta segona reacci s important pq el conjunt t un molt negatiu.

En el metabolisme dels sucres necessitem tenir el sucre activat i el mateix passa amb la sntesis de lADN. El PPi juga un paper important en aquestes reaccions al arrastrar-les cap a la dreta.

Lestudi del metabolisme dorganismes estranys indica que el PPi a vegades t un rol ms

directament protagonista: microorganisme Entamoeba histologyca organisme que funciona amb ATP.

Enz que reconeix el PPi directament com a molc que fa un paper com si fos ATP. El PPi interv com a metablit dE. Probablement a levoluci probitica hi havia substncies qumicament

semblants a lATP que exercien el rol de portar E qumica.

Es pensa que el PPi s un precursor evolutiu de lATP. Els oligos tamb.


11

Si faig anlisi qumica i mesuro la quantitat dATP que hi ha, per cada cell s

un 5106 molcules dATP/cell. El doble de les que necessito cada segon. E.Coli ha de regenerar molt ATP i molt de pressa. En aprox 1 o 2 min lATP ja sha descompost i si alg no el regenera ens quedarem sense. Est reduint el contingut de radioactivitat pq li estan entrant fosfats no marcats.

Lactobacillus s un bacteri fermentador (no respira). Aquestes cells vives necessiten 180g dATP/dia i gram de cells seques.

Azctobacter s un bacteri aerbic 7Kg ATP/dia i gram cells seques.

Humans 75Kg ATP/dia i individu. Hi ha dhaver una sntesi constant dATP que contraresti el consum.

Existeix un estat estacionari dinmic passa de tot i molt de pressa per aparentment no passa res. No s cap equilibri.

Aquest estat estacionari s extensiu a tots els metablits.

Nivells energtics O crrega energtica, que s, segons Atkinson, la suma de la []/[]

[][][] que si s 0 tot

s AMP i si s 1 tot s ATP. El nombre real va de 0,8 a 0,95 per multitud despcies. A lestat

estacionari bsicament hi trobem el mateix. Com que alhora s un estat dinmic,

Si anem fora de lestat estacionari, si tinc un valor ms baix, necessito que es produeixi ms ATP, que les vies productores siguin ms rpides que les consumidores. Es produeix un excs dATP i es torna a lestat estacionari.

mantenen constants malgrat que com ja hem vist les diferents especies es van utilitzant i a un ritme a vegades molt elevat. Per tant en les cellules les vies anabliques i catabliques estan igualades. Carga energtica: Es un concepte generat per Atkinson el qual serveix per mesurar el nivell energtic que te la cllula. = + 12 [] + + [] Aquest es mou entre 0 quan tot el que tenim es AMP i en 1 quan tot el que tenim es ATP Experimentalment sha trobat que la majoria de cllules dorganismes diferents presenten uns valors de carga energtica prxims a 0,8-0,95. Per tant les relacions entre les concentracions de ATP, ADP i AMP semblant ser universals. El punt on es trobem les dues rectes es el estat estacionari. En el moment que tenim valors de carga energtica diferents sactivaran o be les vies anabliques o be les catabliques per tal de tornar a lestat estacionari dinmic

3.7 Altres nucletids fosfat Existeixen molts altres nucletids fosfat que tenen altres funcions a la cllula. Alguns dells sn:

ATP GTP (important sntesi de proteines) CTP (important sntesi de lpids) TTP UTP (sntesi glcids)

Es pot transferir el P entre diferents nucletids mitjanant una reacci catalitzada per la nuclesid difosfat quinasa. Daquesta manera podem mantenir els nivells dels diferents nuclesids fosfats en funci de les necessitats. XTP + YDP YTP + XDP


11

Si faig anlisi qumica i mesuro la quantitat dATP que hi ha, per cada cell s

un 5106 molcules dATP/cell. El doble de les que necessito cada segon. E.Coli ha de regenerar molt ATP i molt de pressa. En aprox 1 o 2 min lATP ja sha descompost i si alg no el regenera ens quedarem sense. Est reduint el contingut de radioactivitat pq li estan entrant fosfats no marcats.

Lactobacillus s un bacteri fermentador (no respira). Aquestes cells vives necessiten 180g dATP/dia i gram de cells seques.

Azctobacter s un bacteri aerbic 7Kg ATP/dia i gram cells seques.

Humans 75Kg ATP/dia i individu. Hi ha dhaver una sntesi constant dATP que contraresti el consum.

Existeix un estat estacionari dinmic passa de tot i molt de pressa per aparentment no passa res. No s cap equilibri.

Aquest estat estacionari s extensiu a tots els metablits.

Nivells energtics O crrega energtica, que s, segons Atkinson, la suma de la []/[]

[][][] que si s 0 tot

s AMP i si s 1 tot s ATP. El nombre real va de 0,8 a 0,95 per multitud despcies. A lestat

estacionari bsicament hi trobem el mateix. Com que alhora s un estat dinmic,

Si anem fora de lestat estacionari, si tinc un valor ms baix, necessito que es produeixi ms ATP, que les vies productores siguin ms rpides que les consumidores. Es produeix un excs dATP i es torna a lestat estacionari.

be-3. l'energia química dels sistemes vius

Documents