Procesos biológicos.

Trabajo final

Q.F.B Irais Velazquez Sacamo

Vanessa Ramírez Salas

Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs).El Ciclo del Ácido Cítrico es la vía central de metabolismo aeróbico; en esta vía se oxidan los compuestos de carbono que proviene de la degradación de todos los principios inmediatos y también se forman moléculas precursoras para la síntesis de muchos de ellos. Su nombre proviene del primer intermediario formado, el Citrato. También se conoce como Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos porque dos intermediarios de la vía son ácidos de este tipo.

Desarrollo En 1920 Thumberg, Batelli y Stern descubrieron que ácidos orgánicos como Succinato, Fumarato, Malato y Citrato, son rápidamente oxidados, estimulando en forma catalítica el consumo de Oxígeno y la producción de Dióxido de Carbono. Posteriormente, descubrieron otros ácidos tricarboxílicos como el Isocitrato y el cis-Aconitato, que tienen el mismo efecto En 1935 Albert Szent-Görgyi propone una secuencia para la oxidación enzimática del succinato:

Succinato -> Fumarato -> Malato -> Oxalacetato

Además, descubre que la adición de Oxalacetato produce un consumo de Oxígeno mucho mayor que el teóricamente necesario. Ese mismo año, Martius y Knoop determinan la secuencia enzimática de oxidación de Citrato:

Citrato -> -Cetoglutarato -> Succinato

En 1937 Hans Adolph Krebs descubre que en condiciones anaeróbicas, la adición de Oxalacetato al medio provoca la acumulación de Citrato. También encuentra que la inhibición específica de la enzima Succinato Deshidrogenasa (EC 1.3.99.1) con Malonato, anula el efecto catalítico de todos los ácidos, con acumulación de Succinato en forma proporcional a la cantidad añadida de ácido. También probó que en estas condiciones, la adición de Oxalacetato restablece el consumo de Piruvato, pero en proporción 1 a 1 y no en forma catalítica, como descubrió Szent-Görgyi.

Con base en sus resultados, Krebs propuso el esquema general del ciclo (Figura 2) y demostró la existencia de todas las enzimas involucradas. Por la importancia de su contribución, el Ciclo del Ácido Cítrico también se conoce como Ciclo de Krebs.

En 1945, Albert L. Lehninger y Eugene P. Kennedy, determinaron que el Ciclo de Krebs se lleva a cabo en la Matriz Mitocondrial.

Los objetivos del Ciclo de Krebs son:

Oxidar acetil~CoA a CO2

Generar equivalentes de reducción (NADH y FADH2). Suministrar intermediarios para la síntesis de otros compuestos (Aminoácidos, Ácidos

grasos, Colesterol, Gluconeogénesis, Porfirinas). Vincular derivados de aminoácidos al proceso terminal de oxidación.

El catabolismo oxidativo de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos puede dividirse en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs es la segunda. En la primera etapa, que incluye a las vías catabólicas de ácidos grasos y a la glucólisis se genera acetil-CoA (2C). Los aminoácidos pueden dar indirectamente acetil CoA , o directamente intermediarios del ciclo de Krebs. En la tercera etapa el poder reductor aportado por el ciclo de Krebs es drenado hasta el oxígeno a través de los transportadores de cadena respiratoria (NADH.H, FADH2, CoQ y citocromos) y parte de la energía liberada se emplea en la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa.

El ciclo de Krebs es una ruta anfibólica: participa en procesos catabólicos y anabólicos. El ciclo proporciona α-cetoglutarato y oxalacetato para la síntesis de glutamato y aspartato respectivamente, entre otras moléculas fundamentales para la célula.

El piruvato genera la principal molécula abastecedora del ciclo: la acetil coenzima A

• La reacción de oxidación - decarboxilación del piruvato es el nexo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. Esta reacción irreversible es catalizada por un complejo enzimático (piruvato deshidrogenasa) localizado en la matriz mitocondrial de eucariotas, y en el citosol de procariotas (figura 2).

• El piruvato pierde el grupo carboxilo como CO2, y los dos carbonos restantes unidos a la CoA conforman la acetil-CoA (figura 2). En la reacción se reduce un NAD a NADH.H que a su vez cede los H a los otros transportadores de cadena respiratoria, con la consecuente formación de 3 ATP.

Una visión panorámica del ciclo de Krebs

• La acetil-CoA generada por los diferentes catabolismos se condensa con el oxalacetato y genera citrato. A través de 7 reacciones de oxidación y descarboxilación sucesivas (de la 2 a la 8, figura 3) se regenera oxalacetato, capaz de iniciar un nuevo ciclo.

• En cuatro reacciones del ciclo ocurren oxidación de intermediarios y reducción de coenzimas de cadena respiratoria: tres NAD y un FAD (figura 3). Esas moléculas reducidas que integran la cadena respiratoria se reoxidan, y parte de la energía liberada se usa para fosforilar el ADP a ATP.

En el ciclo propiamente dicho se produce una fosforilación a nivel de sustrato que produce un GTP, que equivale energéticamente a un ATP. El ciclo se puede resumir en la siguiente ecuación:

Acetil-CoA + 3NAD + FAD + GDP + Pi -> CoA-SH + 3 NADH.H + FADH2 + GTP + 2 CO2

Las reacciones del ciclo

• Reacción 1: condensación del oxalacetato con la acetil CoA

La enzima citrato sintasa condensa a la acetil-CoA (2C) con el oxalacetato (4C) para dar una molécula de citrato (6C). Como consecuencia de esta condensación se libera la coenzima A (HSCoA). La reacción es

fuertemente exergónica: es irreversible.

Reacción 2: isomerización del citrato a isocitrato

La isomerización del citrato en isocitrato ocurre por dos reacciones, que se resumen en una.

Reacción 3: oxidación y decarboxilación del isocitrato

El isocitrato es sustrato de la isocitrato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor un NAD, que forma parte de la cadena respiratoria. En la reacción 3 se resumen dos reacciones a partir de las cuales el isocitrato forma α-cetoglutarato (5C). Para lograr ese producto ocurre una decarboxilación, es decir la liberación de una molécula de CO2, y la reducción de un NAD que permite la formación de 3 ATP.

• Reacción 4: el α-cetoglutarato se transforma en succinil-CoA

Este paso implica la segunda decarboxilación oxidativa, catalizada por la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que lleva a la formación de succinil-CoA (4C). El NAD es la coenzima de la deshidrogenasa, de manera que se formarán 3 ATP como consecuencia de la actividad de cadena respiratoria.

• Reacción 5: la succinil-CoA rinde succinato y GTP

La succinil-CoA, es un tioéster de alta energía con un ∆G° de hidrólisis de -33.5 KJ.mol-1 ′aproximadamente. La energía liberada por la ruptura de ese enlace se utiliza para generar un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1GTP por fosforilación a nivel de sustrato. En la reacción se libera HSCoA. El GTP se puede convertir en ATP según la siguiente reacción:

GTP + ADP GDP + ATP ∆G° = 0 KJ.mol- 1′

• Reacción 6: el succinato se transforma en fumarato

El succinato es oxidado a fumarato por la succinado deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al FAD: se producen 2ATP en la cadena respiratoria. La enzima usa FAD porque la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD. El complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa es el único del ciclo que está asociado a la membrana mitocondrial de eucariotas, y en la membrana plasmática de procariotas.

Reacción 7: el fumarato se hidrata y genera malato

La fumarasa cataliza la adición de agua, es decir la hidratación del fumarato. El producto de la reacción es el malato.

• Reacción 8: el malato se oxida a oxalacetato

Dada la naturaleza cíclica de la vía, las reacciones en su conjunto conducen a la regeneración del oxalacetato. La malato deshidrogenasa cataliza la oxidación del malato a oxalacetato, con la reducción de un NAD: se forman 3 ATP en la cadena respiratoria.

Regulación del Ciclo de Krebs

La regulación del ciclo hace posible la producción de moléculas de acuerdo a las necesidades celulares, y asegura que no ocurra sobre o sub producción en un momento dado. La regulación del ciclo se da en diferentes puntos, porque puede alimentarse o ser abastecido a través de cualquiera de sus intermediarios. La regulación es compleja en comparación con la de vías catabólicas como la glucólisis, y se considerarán situaciones de regulación relacionadas al estado energético celular.

La regulación de las enzimas es por modulación alostérica, por modificación covalente y por acumulación de productos. La “lógica” de la regulación se rige principalmente por la relación ATP/ADP y NADH.H/NAD, así como por las concentraciones de algunos intermediarios del ciclo.

Las relaciones entre ATP/ADP y NADH.H/NAD están relacionadas entre sí a través de la fosforilación oxidativa que ocurre en la cadena respiratoria, y ambas son señales del estado energético de la célula.

Fosforilacion oxidativa.

La función principal de los procesos explicados hasta ahora es suministrar el hidrógeno de la molécula de glucosa en formas oxidables. La oxidación del hidrógeno sucede a través de una serie de reacciones que desdoblan cada átomo de H en un protón y un electrón (H2 ® H+ + e-). Los electrones se combinarán con el oxígeno disuelto con las moléculas de agua y generar iones hidroxilo y, después, éstos junto con el hidrógeno se combinan para formar agua. Durante esta secuencia se liberan enormes cantidades de energía para formar ATP. Esta síntesis de ATP recibe el nombre de fosforilación oxidativa y se produce enteramente en las mitocondrias, en la llamada cadena transportadora de electrones (CTE), que esencialmente constituye la respiración interna y tiene lugar en la membrana interna mitocondrial, mediante un proceso muy especializado llamado mecanismo quimiosmótico.

Básicamente la CTE comprende 2 procesos: 1) los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportador a otro y 2) los protones son translocados a través de la membrana, lo que significa que son pasados desde el interior o matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana provocando un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor final del electrón, combinándose con ellos y con el ión H para producir agua.

El primer paso de la fosforilación oxidativa es ionizar los átomos de hidrógeno extraídos hasta ese momento de los sustratos alimentarios. Se libera el otro átomo de H unido al NAD y éste último se reutiliza una y otra vez para captar H. Los electrones extraídos de los átomos de H para su ionización entran inmediatamente en la CTE. La CTE está formada por 4 complejos proteicos con moléculas transportadoras y sus enzimas correspondientes (Complejo I, NADH deshidrogenasa; Complejo II, Succinato-CoQ reductasa; Complejo III, citocromo C reductasa; Complejo IV, citocromo oxidasa), 1 componente no proteico (ubiquinona –Q-) que está embebido en la membrana, y una pequeña proteína llamada citocromo C, en el espacio intermembrana pero adosada a la membrana interna.

Cada electrón es lanzado desde uno de estos aceptores hasta el siguiente hasta que se alcanza finalmente el citocromo-oxidasa, llamado así porque es capaz de ceder 2 electrones y de reducir el oxígeno elemental para formar oxígeno iónico, que luego se combina con los hidrogeniones dando agua.

El siguiente paso en la fosforilación oxidativa consiste en convertir el ADP en ATP, a lo cual contribuye una gran molécula proteica que sobresale por toda la membrana mitocondrial interna. Se trata de una ATPasa llamada ATP sintetasa. La elevada concentración de hidrogeniones con carga positiva creado entre las dos membranas mitocondriales y la gran diferencia de potencial a través de la membrana interna provoca que los hidrogeniones fluyan al interior de la matriz mitocondrial a través de la ATPasa. La energía liberada por este flujo de hidrogeniones es utilizada por la sintetasa para fosforilar el ADP en ATP que es transferido al citoplasma. Por cada 2 electrones que se introducen en la cadena

transportadora, provenientes de la ionización de 2 átomos de H, se sintetizan 3 moléculas de ATP.

Para hacernos una idea del rendimiento energético en la formación de ATP podemos seguir lo que ocurre a partir de 1 molécula de glucosa , cuyo balance energético sería el siguiente:

1. Glucolisis: 4 ATP, de ellos, 2 se consumen en su fosforilación inicial, ganando finalmente 2 ATP.

2. Ciclo de Krebs: cada vuelta genera 1 ATP, pero como cada glucosa genera 2 ácidos pirúvicos, son dos vueltas al ciclo generando 2 ATP.

3.Cadena transportadora de electrones: de los 24 átomos de H generados hasta ese momento, 20 se oxidan aquí generando hasta 3 ATP por cada 2 H proporcionando 30 ATP.

4.Los 4 átomos de H restantes son oxidados por su deshidrogenasa generando 2 ATP por cada 2 átomos oxidados, lo que supone 4 ATP más.

Por cada molécula de glucosa degradada a CO2 y agua se producen 38 ATP que almacenan 456000 calorías, mientras que se han liberado 686000 calorías durante la oxidación completa de la glucosa. Esto supone una eficiencia máxima global de transferencia de energía del 66%. El 34% restante se convierte en calor no pudiéndose ser aprovechado por la célula.

Biosintesis de proteínas y acidos nucleicos:

Proteinas

La síntesis de proteínas se lleva a cabo en dos etapas: la primera etapa (transcripción) ocurre dentro del núcleo de las células eucariotas, aquí la secuencia se transcribe en una molécula de ARN, el cual es denominado ARN mensajero (ARNm) y la segunda etapa (traducción - síntesis de proteína propiamente dicha) el ARNm pasa del núcleo al citoplasma donde el mensaje es traducido por los ribosomas que arman una proteína.

Transcripción

Para formar la cadena de ARN a partir del ADN se debe tener en cuenta que cada nucleótido del ADN se ensambla con un determinado nucleótido del ARN. La molécula helicoidal de ADN se desenrolla y deja accesible la cadena a partir de la cual se inicia la síntesis (armado) del ARN. La enzima (polimerasa del ARN) que controla la reacción detecta una región de la secuencia del ADN, llamada promotor, que marca el punto de inicio de la síntesis. Los nucleótidos se añaden uno por uno en orden complementario, de esta manera la adenina del ADN se combina con el uracilo del ARN (A – U), en el mismo orden, la timina se ensambla con la adenina (T – A), y la citosina se combina con la guanina y viceversa (C – G, G – C). Hay por lo tanto complementariedad entre el ARN y el ADN de donde se copia. Al conservar la información impresa en esta parte del genoma (dotación genética), el ARN se constituye en portador de las instrucciones que determinan la secuencia de aminoácidos de una proteína. Dichas instrucciones, en clave, se descifran leyendo los nucleótidos de tres en tres ("tripletes"), y cada triplete de nucleótido, que determina uno de los 20 aminoácidos existentes, recibe el nombre de codón. Durante la traducción, a medida que se "leen" los codones, se van añadiendo los aminoácidos correspondientes a la proteína que se está formando.

Traducción

Queda claro que el ARNm es el que lleva la información que se decodificará en la síntesis (armado) de proteínas, determina el orden en que se unirán los aminoácidos. La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt) específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta ARNm, dónde se aparean el

codón de éste y el anticodón del ARNt, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde. Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARNm queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARNm, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente, esta estructura se conoce con el nombre de polirribosoma (polisoma).

El trabajo de los ARNt consiste en tomar del citosol a los aminoácidos y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. La síntesis de las proteínas comienza con la unión entre sí de dos aminoácidos y continúa por el agregado de nuevos aminoácidos -de a uno por vez- en uno extremos de la cadena.

Como se ha explicado, la clave de la traducción reside en el código genético, compuesto por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos -o tripletes- en el ARNm. Los distintos tripletes se relacionan específicamente con tipos de aminoácidos usados en la síntesis de las proteínas. Cada triplete constituye un codón, existen en total 64 codones (cuatro nucleótidos se combinan de a tres, así que: 43 = 64), 61 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar el cese de la traducción.

Ácidos nucleicos

El ensamblaje en el orden correcto de las unidades básicas del DNA o el RNA es mucho más sencillo que el de los aminoácidos en las proteínas. Las reglas que gobiernan la síntesis de los ácidos nucleícos (además de las enunciadas al principio del capítulo) son:

Las cadenas o hebras de DNA o de RNA son producidas en las células por copia de hebras pre-existentes de DNA, siguiendo las reglas de apareamiento de bases complementarias. En la replicación de un DNA de doble hélice, se copian ambas cadenas. En algunos virus, el RNA es copiado a partir de un RNA pre-existente y en los retrovirus, el DNA se produce copiando RNA.

Los ácidos nucléicos crecen en una dirección: 3´--> 5'

Enzimas especiales, llamadas polimerasas elongan las cadenas de RNA o DNA. Las enzimas que copia DNA para hacer más DNA son las DNA-polimerasas y las que copian RNA de DNA,RNA-polimerasas. La copia de DNA a RNA se llama, como hemos visto, transcripción, y normalmente, sólo una cadena es copiada. Sin embargo, en las bacterias existen cadenas de DNA doble llamadas plásmidos que son transcritas a RNA

Las RNA-polimerasas pueden iniciar una cadena de ácido nucleico. Una RNA-polimerasa puede encontrar en una cadena duplex de DNA un lugar de iniciación, separar ambas hebras y generar una cadena de RNA. Por el contrario, las DNA-polimerasas no pueden iniciar un DNA de novo, sino que requieren un primer para iniciar la reacción.

Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos Los ácidos nucleicos, ácido desoxirribonucleico DNA y ácido ribonucleico RNA, son macromoléculas encargadas de almacenar y transferir la información genética. Ambos están formados por unidades llamadas nucleótidos, cuya representación aparece a continuación.Al analizar el producto de la hidrólisis total de un nucleótido se obtienen siempre tres componentes: una pentosa, una base nitrogenada y un fosfato. La unión de estas tres moléculas en relación 1:1:1 constituye un nucleótido, unidad básica o monómero de los ácidos nucleicos.La pentosa puede ser: ribosa o desoxirribosa. La diferencia entre ambas reside en que el grupo hidroxilo (-OH) del carbono 2´ de la ribosa es sustituido por un hidrógeno en la desoxirribosa. Los nucleótidos con ribosa (ribonucleótidos) son los constituyentes del RNA, mientras que aquellos que tienen desoxirribosa (desoxirribonucleótidos), constituyen el DNA. Los carbonos (C) de las pentosas se representan como C1´ , C2´, etc., a diferencia de las bases nitrogenadas que se designan como C1, C2, etc.Las bases nitrogenadas, son una familia de moléculas cíclicas derivadas de dos anillos básicos: purina y pirimidina. El DNA contiene dos bases púricas, adenina (A) y guanina (G) y dos bases pirimidínicas citosina (C) y timina (T). Las bases púricas son las mismas en el RNA y DNA, sin embargo en el RNA las bases pirimidínias, son la citosina y el uracilo (U)

Una base, una pentosa y un fosfato forman un nucleótido. En la formación de un nucleótido, la base nitrogenada se une al C 1´ de la pentosa mediante un enlace Nglucosídico mientras que el grupo fosfato se une al C 5´ de la pentosa mediante un enlace éster.Los nucleótidos pueden contener uno, dos o tres fosfatos, denominándose respectivamente nucleótido mono, di o tri-fosfato.

Los nucleótidos se unen entre sí para formar polinucleótidos Los ácidos nucleicos, DNA y RNA, son cadenas de desoxirribonuceótidos o ribonucleótidos respectivamente, unidos entre sí por enlaces fosfodiéster entre los C 5´y 3´ de las pentosas de nucleótidos consecutivos.De esta forma el extremo 5’ de la cadena polinucleotídica tendrá un grupo fosfato libre y el extremo 3´ un grupo hidroxilo libre.La secuencia lineal de los nucleótidos de un ácido nucleico se abrevia con la letra correspondiente a la abreviatura de cada base nitrogenada comenzando desde la izquierda, por con el extremo 5´de la cadena.Así, el extremo 5´ hace referencia al primer nucleótido de la cadena y el extremo 3´ al último. La secuencia de bases constituye lo que se denomina estructura primaria y se lee en sentido 5´-3´de la cadena de nucleótidos.

Degradación de proteínas y compuestos nitrogenados.

Las proteínas constituyen un grupo numeroso de compuestos nitrogenados naturales. Comprenden, con ADN, ARN, polisacáridos y lípidos, cinco clases de complejas biomoléculas que se encuentran en las células y en los tejidos. Son los principales elementos de construcción (en forma de aminoácidos) para músculos, sangre, piel, pelo, uñas y órganos internos, entran a formar parte de hormonas, enzimas y anticuerpos, y sirven como fuente de calor y de energía.

Proteínas

Recambio proteicoCasi todas las proteínas del organismo están en una constante dinámica de síntesis (1-2% del total de proteínas), a partir de aminoácidos, y de degradación a nuevos aminoácidos. Esta actividad ocasiona una pérdida diaria neta de nitrógeno, en forma de urea, que corresponde a unos 35-55 gramos de proteína. Cuando la ingesta dietética compensa a las pérdidas se dice que el organismo está en equilibrio nitrogenado.

El balance nitrogenado puede ser positivo o negativo. Es positivo cuando la ingesta nitrogenada supera a las pérdidas, como sucede en crecimiento, embarazo, convalecencia de enfermedades. Es negativo si la ingesta de nitrógeno es inferior a las pérdidas, tal como ocurre en: desnutrición, anorexia prolongada, postraumatismos, quemaduras, deficiencia de algún aminoácido esencial.

Vías de degradación de las proteínasDos son las vías por la que son degradadas las proteínas mediante proteasas (catepsinas).

Vía de la ubiquitina (pequeña proteína básica). Fracciona proteínas anormales y citosólicas de vida corta. Es ATP dependiente y se localiza en el citosol celular.

Vía lisosómica. Fracciona proteínas de vida larga, de membrana, extracelulares y organelas tales como mitrocondrias. Es ATP independiente y se localiza en los lisosomas.

Eliminación del nitrógeno proteicoEl excedente de aminoácidos del organismo tiene que ser degradado, y para ello el organismo elimina el grupo amino, formando amoníaco, que pasa a urea (ciclo de la urea), eliminándose este elemento por la orina. Una pequeña cantidad de amoníaco puede pasar a glutamina. El principal lugar de degradación de aminoácidos es el hígado.

El amoníaco es un compuesto muy tóxico, y por ello ello el organismo lo convierte en uno no tóxico, urea. Las características de la urea favorecen su formación: a) molécula pequeña, b) casi el 50% de su peso es nitrógeno, c) se necesita poca energía para su síntesis.

Formación de urea por el ciclo de la ornitinaEn los hepatocitos se localizan las cinco reacciones que constituyen el ciclo.

1. Formación de carbamil-fosfato, paso irreversible catalizado por la enzima carbamil-fosfato-sintasa I.2. Formación de citrulina, mediante la ornitina-transcarbamilasa3. Síntesis de argininosuccinato. La argininosuccinato-sintasa cataliza la condensación de citrulina con ácido aspártico.4. Escisión de argininosuccinato a fumarato y arginina mediante la argininosuccinato-liasa.5. Escisión de arginina a ornitina y urea mediante la arginasa

Aminoácidos

Aminoácidos esenciales y no esencialesLos aminoácidos existentes en el organismo son 20. De ellos, 9 son esenciales y los otros 11 son no esenciales.

Aminoácidos esenciales: histidina (His), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile), lisina, (Lys), metionina (Met), treonina (Thr), fenilalanina (Phe), triptófano (Trp).

Histidina y arginina se les considera esenciales durante períodos de rápido crecimiento celular (lactancia e infancia)

Aminoácidos no esenciales, y que pueden ser sintetizados por el organismo: tirosina (Tyr), glicina (Gly), alanina (Ala), cisteína (Cys), serina (Ser), ácido aspártico (Asp), asparaguina (Asn), ácido glutámico (Glu), glutamina (Gln), arginina (Arg), prolina (Pro).

Reacciones en el metabolismo de los aminoácidosLas dos reacciones principales en el metabólismo de los aminoácidos son: transaminación y deaminación oxidativa

Transaminación Es este un proceso, realizado en el citosol y en las mitocondrias, por el que un aminoácido se convierte en otro. Se realiza por medio de transaminasas que catalizan la transferencia del grupo alfa-amino (NH3+) de un aminoácido a un alfa-cetoácido, tal como piruvato, oxalacetato o más frecuentemente alfa-cetoglutarato. Consecuentemente se forma un nuevo aminoácido y un nuevo cetoácido.

Las transaminasas que más habitualmente intervienen en la transaminación son: alanina-aminotransferasa (ALT) y asparto-aminotransferasa (AST). Requieren, como cofactor, piridoxal-fosfato (PLP), un derivado de la vitamina B6.

Deaminación oxidativaProceso, realizado en las mitocondrias, y en el que la enzima ácido glutámico-deshidrogenasa elimina el grupo amino del ácido glutámico. Se forma amoníaco que entra en el ciclo de la urea y los esqueletos carbonados vienen a ser productos intermedios glucolíticos y del ciclo de Krebs.

Los productos de deaminación de los aminoácidos son los siguientes:Aminoácido(s) Producto

Ile, Leu, Lys Acetil-CoA

Tyr, Phe Acetoacetato

Gln, Pro, Arg Glu y alfa-cetoglutarato

His Glu y alfa-cetoglutarato

Thr, Met , Val Succinil-CoA

Tyr, Phe, Asp Fumarato

Asp, Asn Oxaloacetato

Ser, Gly, Cys Piruvato

Trp Alanina y piruvato

Síntesis de aminoácidosLa síntesis de los aminoácidos, con excepción de cisteína y tirosina, está unida al ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), bien por transaminación o bien por fijación de amonio. El grupo alfa-amino es central a toda síntesis de aminoácidos y deriva del amonio de los grupos aminos del L-glutamato. De éstos se sintetizan glutamina, prolina y arginina. El ácido glutámico es la principal fuente de los grupos amino para la transaminación.La cisteína se forma, en el citosol celular, a partir de serina y del aminoácido esencial metionina.La tirosina se forma mediante hidroxilación del aminoácido esencial fenilalanina por la fenilalanina hidroxilasa.

Sistemas abiertos y cerrados.Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.

Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).

Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

A lo largo de estas páginas trataremos los sistemas cerrados.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Equilibrio termodinámico

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

Equilibrio térmico: la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores. Equilibrio mecánico: la presión del sistema es la misma que la de los alrededores.

Leyes de la termodinámica.

La termodinamica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.

Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinamica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.

La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.

Primera Ley de la Termodinamica

Esta ley se expresa como:

Eint = Q - W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)

Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

Segunda Ley de la Termodinamica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:

Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

Tercera Ley de la Termodinamica

Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio):

"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".

Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:

"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"

Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".

"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".

Entropia.La entropía, el desorden y el grado de organización.

Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden.

Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas.

La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja.

La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.

Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.

Entropia, procesos reversibles y procesos irreversibles.

Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso reversible y qué un proceso no reversible.

Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales. Teniendo en cuenta

nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas, según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá.

El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo de procesos es importante porque en la naturaleza todos los procesos son irreversibles.

La entropía y la energía "gastada".

En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de

chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿qué tiene que ver la entropía aquí?

La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.

Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente.

¿Para qué sirve la entropía?

La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.

Entalpia.

Cuando aplicamos el Primer Principio de la Termodinámica a estas reacciones, surge una nueva función de estado, denominada entalpía que es un concepto fundamental en termoquímica. Veremos a continuación cómo aplicar dicho principio a estas reacciones paso a paso hasta llegar a la deducción de la entalpía y a su relación con la variación de energía interna en una reacción química a presión constante.La expresión matemática del primer principio es:

En este caso, dado que es una reacción que no se lleva a cabo en un recipiente cerrado, consideraremos que sí que hay una variación de volumen apreciable que será:

ΔV = Volumen productos (VP) – Volumen reactivos (VR)Como estamos considerando la transferencia de calor a presión constante, esto se indica con una p subíndice, es decir:

ΔU = QP – PΔVSi despejamos este QP, pasando el término – PΔV al otro lado sumando quedará:

QP = ΔU + PΔVY como ΔV = VP – VR,

y ΔU = UP – UR, entonces:

QP = UP – UR + P(VR – VP)

QP = UP – UR + PVP – PVR

Ahora agrupamos los términos referidos a productos y los referidos a reactivos. Queda:

QP = UP + P VP – (UR + PVR)El producto PV tiene unidades de energía, que sumada a la energía interior U, nos da una nueva medida de energía que llamamos ENTALPÍA, representada por H, y que es una función de estado (depende de los estados final e inicial del sistema):

H = U + PV

QP = UP + PVP – (UR + PVR)HP = UP + PVP

HR = (UR + PVR)QP = UP+ PVP – (UR +PVR)

QP = ΔHComo vemos, el calor absorbido o desprendido en una reacción química realizada a presión constante es igual a la variación de entalpía del sistema, siendo H, por tanto, otra forma más de medir la energía de un sistema.Dado que la entalpía es una función de estado, como ocurre con la energía interna, U, no se puede conocer su valor absoluto, únicamente se puede medir su variación durante una reacción química.

Energia de Gibbs y energía libre estándar.

El cambio en la energía libre de Gibbs asociado con una reacción química, es un indicador útil de si la reacción se producirá espontáneamente. Dado que el cambio en la energía libre es igual al trabajo útil máximo que se puede lograr por la reacción

entonces, un ΔG negativo asociado con una reacción, indica que esta puede ocurrir de forma espontánea. Esto es coherente con la convención química habitual del tratamiento del trabajo realizado por el sistema como un trabajo negativo. Las reacciones más comunes pueden ser evaluadas para su espontaneidad bajo condiciones normales, buscando las cantidades termodinámicas asociadas a cada uno de los reactivos y los productos. Para condiciones no estándares se puede hacer uso de la expresión del ΔG en términos de los otros potenciales termodinámicos

El cambio en la energía libre ΔG de una reacción, se puede expresar en términos de las concentraciones de equilibrio de los reactivos y productos. Es conveniente expresar ΔG para cualquier reacción, en términos de su valor bajo condiciones estándares en las que se han tabulado los valores. Para una reacción representada como

A + B ↔ C + D

el cambio en la energía libre se puede expresar como

Donde ΔG0' es la variación de energía libre estándar y se presume a la temperatura de 25°C = 298K.

Cambio de Energía Libre Estándar

En las reacciones bioquímicas, es conveniente hacer referencia al cambio en la energía libre de Gibbs ΔG en algún conjunto de condiciones estándares. Las condiciones elegidas por lo general se enumeran en la tabla. El valor estándar ΔG0' se determina a partir de datos experimentales y permite la evaluación de ΔG para otras condiciones experimentales.

Condiciones Estándares

T = 25°C = 298K P = 1 atm [C]=1 M, todos los

reactivos Agua 55,6M H+ conc = 10-7M

(pH=7.0)

La notación ΔG0' se usa para pH=7,0 porque ΔG0 se usa para condiciones de pH = 0,0 o 1 M H+.

Relación entre ΔG0' y K'eq

K'eqΔG0'

kcal/mol

106 -8,2

104 -5,5

102 -2,7

101 -1,4

100 0,0

10-1 1,4

10-2 2,7

10-4 5,5

10-6 8,2

Energía de Activación.

El acontecimiento de una reacción química está obligatoriamente relacionado con el contacto entre moléculas reactivas y a una energía mínima necesaria. Esta energía mínima para el acontecimiento de la reacción es llamada como energía de activación.

La formación de los productos a partir de los reactivos es un proceso gradual en que los enlaces de los reactivos son rotos en paralelo con la formación de los enlaces de los productos. Este estado intermedio en que algunos enlaces están semi-rotos y otros semi-formados es conocido como “complejo activado”.

Otra exigencia para la formación del complejo activado es que las moléculas reactivan colisiones con orientación favorable a la formación del mismo

Colisiones con energía y orientaciones adecuadas a la formación del complejo activado, son llamadas como colisiones efectivas. Estos son los principios básicos de la Teoría de Colisión.

Dada la siguiente reacción:

H2 + I2 —-> 2 HI

Verifiquemos en la tabla a continuación, en la primer línea una orientación que lleva a una colisión no efectiva y en la segunda línea una que lleva a una colisión efectiva

No todas las colisiones son efectivas, en tanto, todas en que el complejo activado es alcanzado llevan a la formación de los productos.

Complejo activado es una estructura intermedia entre los reactivos y los productos, con enlaces intermediarios entre los dos reactivos y los dos productos.

La energía de activación de la reacción corresponde a la energía necesaria para que la reacción se efectúe con menos energía de los reactivos. Cuanto más baja fuese la energía de activación de una reacción, más elevada será la velocidad de la misma.

Una reacción se llama exotérmica cuando provee para el medio una energía más alta que la necesaria para alcanzar el complejo activado.

Cuando una reacción es endotérmica, ella provee para el medio una energía más baja que la necesaria para alcanzar el complejo activado.

Catalizadores son sustancias que disminuyen la energía de activación para una dada reacción, sin alterar el ΔH de la misma. Los catalizadores no se alteran durante las reacciones.

En la autocatálisis, uno de los productos de la reacción actúa como catalizador, al inicio de la reacción es lenta con la formación de este la velocidad va aumentando gradualmente.

En la catálisis homogénea, catalizador y reactivos se encuentran en la misma fase. En la catálisis heterogenea, catalizador y reactivos se encuentran en fases diferentes.

Las enzimas son catalizadores que actúan en reacciones biológicas y generalmente son bastante específicas y presentan temperatura óptima de actuación en el entorno de los 37º.

Bibliografia: Ciclo de Krebs:

o http://www.bioquimica.dogsleep.net/Teoria/archivos/Unidad62.pdf o https://alumnosmedicinaunahvs.files.wordpress.com/2012/03/113_ciclo-de-krebs.pdf o http://www.fagro.edu.uy/~bioquimica/docencia/material%20nivelacion/CICLO%20DE%20KREBS.pdf

Fosforilacion oxidativa:o http://ocw.unican.es/ciencias-de-la-salud/fisiologia-general/materiales-de-clase-1/tema-1.-

introduccion-al-estudio-de-la-fisiologia/Tema%204C-Bloque%20I-Fosforilacion%20Oxidativa.pdfo http://www.ffis.es/volviendoalobasico/4fosforilacion_oxidativa.html

Biosintesis de proteínas y acidos nucleicos:o http://www.fagro.edu.uy/~bioquimica/docencia/material%20nivelacion/8aACIDOS%20NUCLEICOS

%202010.pdfo http://ocw.unican.es/ciencias-de-la-salud/bioqumica/material-de-clase-1/Tema14_traduccion.pdf o http://portalacademico.cch.unam.mx/materiales/prof/matdidac/sitpro/exp/bio/bio1/GuiaBioI/

ANEXO_6SINTESIS.pdfo http://www.iqb.es/cbasicas/fisio/cap04/cap4_3.htm

Degradacion de proteínas y compuestos nitrogenados:o http://www.alimentacionynutricion.org/es/index.php?mod=content_detail&id=78

Sistemas abiertos y cerrados:o http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html

Leyes de la termodinámica:o http://www.ib.edu.ar/becaib/cd-ib/trabajos/Gobbi.pdf o http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.htmlo http://www.jfinternational.com/mf/tercera-ley-termodinamica.html

Entropia y entalpia:o http://www.quimitube.com/videos/termodinamica-teoria-7-concepto-entalpia-transferencia-calor-

presion-constanteo http://www.monografias.com/trabajos/termoyentropia/termoyentropia.shtml

Energia libre de Gibbs y de energía libre estándar:o http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/chemical/gibbspon.html

Conceptos de energía de activación:o http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/energia-de-activacion