PRINCIPIOS DE BIOENERGÉTICA

Bioenergética: Estudio cuantitativo de las transformaciones de energía que permite mantener los organismos vivos, o sea cambios energéticos en el ambiente celular. Leyes de la termodinámica:

Energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Entropía: todo tiende hacia el desorden.

Células se mantienen ordenadas internamente a costa de tomar energía del ambiente. Células devuelven energía que no es utilizada al universo en forma de calor. Entonces: leyes de la termodinámica sí se cumplen para las células.

Energía libre de Gibbs (G):

Proceso endergónico: consume energía para que ocurra.Proceso exergónico: libera energía cuando ocurre.

Energía libre de Gibbs es energía capaz de hacer un trabajo. La medimos con un cambio de energía (ΔG).

ΔG = Energía final – energía inicial

*Unidades joules/mol o calorías/mol

En procesos endergónicos energía del final es número alto alta, energía inicial es baja, por lo que en este caso ΔG es positivo.

En proceso exergónicos más bien va a ser negativo, porque se libera energía y entonces hay menos energía en los productos del final, y más energía en el estado inicial.

En reacción química sucede lo mismo:

Reacción endergónica + ΔG (Productos con menos energía que reactivos)

Reacción exergónica -ΔG (Productos con más energía que reactivos)

ENTALPÍA (H):Mide el contenido de calor de un sistema. Ojo: no es contenido de energía, sino de calor. Por eso entalpía

es subdivisión de Energía libre de Gibbs.ΔH positivos: reacciones endotérmicas. Hay que suministrar calor.ΔH negativo: reacciones exotérmica. Se libera calor.

*Unidades joules/mol o calorías/mol

En reacciones química exergónicas, esperamos que se libere energía, puede ser en forma de calor, pero no necesariamente, por lo que no podemos asegurar que también sea exotérmica.

ENTROPÍA (S): Cuando productos de la reacción son menos complejos y más desordenados decimos que ΔS es positivo,

hay más desorden al final. *Unidades: Joules/mol.Kelvin

ΔG mide energía de toda la reacción, una parte podría ser calor, y otra desorden.

ΔG = ΔH - TΔST: temperatura

Para que reacción sea exergónica (-ΔG), lo ideal es que libere mucha energía en forma de calor (-ΔH) y que genere mucho desorden (+ΔS), esta resta nos daría un ΔG muy negativo.

*Endergónico y exergónico NO es sinónimo de exotérmico y endotérmico.

Los organismoa heterótrofos obtenemos energía de lo que comemos. La degradación de los alimentos que ingerimos tiene ΔG negativo, para de esta manera liberar energía y poder realizar trabajos a partir de ella.

Energía libre estándar (G°)El mismo ΔG pero cuando cantidades de reactantes y productos es la misma (concentraciones equimolares), Ph es 7, y termperatura 25°C.

Para que una reacción se realice lo importante es la energía de activación. Puede tener un ΔG grandísimo, pero si la energía de activación es muy grande, es más difícil que se dé porque hay que superar primero esta energía de activación, por lo que no importa si ΔG es más grande (productos con mucha menos energía), si la energía de activación es grande me impedirá llevar a cabo reacción. ¿Cómo bajamos energía de activación para que reacciones se den más rápidamente? Enzimas.

Reacciones se dice que son consecutiva, si una consume mucha energía (+ΔG), pero la otra libera mucha energía (-ΔG), entonces con la segunda reacción se paga la primera, la reacción tiene propiedades aditivas. Cuando logro acoplar reacciones entonces tal vez hasta me sobre energía, por lo que primera reacción se ve favorecida. Células lo que hacen es eso, degradan alimentos que liberan energía, y energía liberada la utilizan para sintetizar otras cosas. Por ejemplo:

ΔGo

Negativo → Libera energía (reacción exergónica)Cero → La reacción esta en equilibrio

Positivo → Consume energía (reacción endergónica)

ΔGo

Negativo → La reacción se desplaza hacia los productosCero → La reacción esta en equilibrio

Positivo → La reacción se desplaza hacia los reactantes

Procesos catabólicos: Son todos lo que degradan, en el caso de los humanos, alimentos: carbohidratos, proteínas y lípidos. Estos tienen –ΔG, son procesos exergónicos.

Procesos anabólicos: toman moléculas pequeñas y sintetizan macromoléculas. Consumen energía. +ΔG.

ATP, adenosina trifosfato: (“Club de Leones”)Para acoplar procesos catabólicos y anabólicos tenemos ATP, que recoge energía liberada por degradación de diferentes cosas y la reparte a procesos que la necesiten.Al unirse fosfatos al azúcar guardan energía, cuando se rompen estos enlaces, la energía se libera. Por esto de la misma manera sirven moléculas de GTP, UTP o CTP, porque también tienen esos enlaces de fosfato ricoenergéticos, pero naturaleza decidió (no se sabe por qué) que se usa más el ATP.ATP almacena energía por corto tiempo, apenas tiene energía la da por eso no almacenamos energía en forma de ATP, sino que la almacenamos como

glucógeno y triglicéridos.ATP es muy inestable porque fosfatos son muy negativos, y no les gusta estar juntos, entonces apenas puedan se separan, por eso da energía muy rápidamente.En organismo casi siempre está unido a Mg.

*Hay que saber:

Energía liberada por hidrólisis de ATP es de -30.5, esto en condiciones estándar (pH 7, 25°C, y concentraciones equimolares de reactivos y productos), por lo que en el cuerpo no siempre libera esa energía, sólo cumplimos condición de pH 7, pero anda alrededor de ese valor. Sabemos que reacción es exergónica pero no sabemos si es exotérmica o no.Por supuesto que energía de activación de ATP no es tan altísima, si queremos liberar energía necesitamos que este valor no sea muy alto, para poderlo hacer eficientemente.

*Energía de catabolismo + ADP + Pi = ATP

¿CÓMO ES PROCESO EN EL QUE LOGRAMOS METER ENERGÍA EN FORMA DE ATP?Para sintetizar ATP hay 2 formas:

Fosforilación a nivel de sustrato: Reacciones óxido-reducción

FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO:Hay 3 moléculas importantes:

PEP (fosfo enol piruvato): 3 carbonos y i fosfato. Puedo quitar fosfato gracias a H2O, y me queda un piruvato en forma enol, se reacomoda y queda como piruvato en forma ceto.

Notemos que libera más energía que el ATP. 1,3 bifosfoglicerato o gliceraldehído 1,3 bifosfato: 3 carbonos, con 2 fósforos, uno pegado en el

C1, y otro. Cortamos un P por hidrólisis, queda 3 fosfoglicerato, que reacomodamos.

Fosfocreatinina: Tenemos creatinina con un fosfato pegado en grupo amino, le quitamos un P i, y se libera la energía.

*En las 3 reacciones, segunda parte de la reacción, el reacomodo, es el que libera más energía, por lo que favorece la primera, que no es tan espontánea.

Hay muchas reacciones donde hay fosfatos involucrados, y quitarle esos fosfatos libera energia. Entonces se han clasificado esos compuestos en 2 gupos:

Compuestos de alta energía: Liberan más de -25 Kj/mol.

Compuestos de baja energía: Liberan menos de -25 Kj/mol.

ΔG que se libera no depende del enlace de Pi roto, sino de la relación de los ΔG de los reactantes y los productos.

Fosforilación a nivel de sustrato consiste en buscar moléculas que tengan fosfatos producidas en el catabolismo, y que cuya hidrólisis libere más energía que el ATP, entonces esa energía la podemos utilizar para sintetizar ATP, el cual pasa energía a moléculas más pequeñas como la glucosa. Esa energía sobrante normalmente se pierde por calor. ¿Por qué toda la energía de degradación de alimentos va a ATP? Porque en ATP podemos hacer paquetes más pequeños de energía para repartir y no desperdiciar nada, si una reacción necesita mucha energía se le da más de un ATP. Si usáramos PEP o fosfocreatinina, etc, es mucha energía, en una sola molécula y a la hora de darla a las diferentes reacciones, sobraría mucha y se desperdiciaría (Club de Leones: paquetes de comida pequeño, si familia es grande se les da varios paquetes, pero si familia es pequeña no se les da tantos. Si

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hiciéramos paquetes grandes de comida a una familia de pocos integrantes le daríamos demasiada y se desperdicia porque se pierde).

Datos interesantes: Contracción muscular: cada miosina que avanza en la actina una posición gasta un ATP. Gran

gasto de ATP con ejercicio físico. Corazón, cerebro, riñones e hígado gastan 70% de ATP del cuerpo. Corazón, por cada latido gasta

2% de ATP disponible en ese momento. Adenilato kinasa: como mecanismo de emergencia. Cuando hay muy pocoATP toma 2 ADP y

forma un ATP + AMP. Fosfocreatinina PCr: En músculo. Creatinina con un fosfato. Cuando hace falta ATP toma un

fosfato y se lo pega a un ADP. Y más bien cando hay mucho ATP se carga con un P que luego podrá donar.

Polifosfatos inorgánicos (PolyPn+1):

REACCIONES DE ÓXIDO REDUCCIÓN (REDOX)

La segunda forma del organismo de sintetizar ATP. En este tipo de reacciones siempre hay alguien que pierde e -

(se reduce), y otro que los gana (se oxida).

Recordar (insistió en esto).Vamos a ingerir alimentos, se toman e- de los alimentos, se pasan a unos intermediarios los cuales se los dan a O2, en este último paso donde se dan a O2 genera ATP en el camino.

Los intermediarios metabólicos son: NAD NADP FAD FMN

NAD: Un nucleótido. Lo más importante del NAD es su anillo, el cual es derivado de la niacina. N anillo de nicotinamida e donde NAD puede almacenar 2 electrones. Los hidrógenos de los cuales toma los e-, sólo tienen 1 electrón, entonces debe usar dos moléculas de H. Toma un H completo (con su e- y su p+ y del otro sólo toma se e- por lo que sobra un p+.

NADP: Funciona igual a NAD, sólo que tiene un fosfato pegado. Hay enzimas que prefieren el NADH, y otras el NADPH. Las NADH más relacionada a reacciones anabólicas, y las NADP a reacciones catabólicas.

Ambas moléculas, son muy solubles en agua, por lo que se pueden mover, porque difunden rápidamente.

FAD: Muy parecido, pero en lugar de anillo de nicotinamida tiene anillo de isoaloxazina, derivado de riboflavina. Acepta 2 hidrógenos completos.

FAD FADH2

FMN: sólo tiene el anillo, no tiene azúcar ni base nitrogenada. Los electrones se pegan a el anillo de isoaloxazina.

Igual que con NAD y NADP, hay enzimas que prefieren usar FADH2, y otras que prefieren FMNH2. Pero estas enzimas no son móviles, el sustrato debe de ir hasta ellas para que les donen los electrones.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y RESPIRACIÓN CELULAR

Ocurre en mitocondria, en luz y oscuridad.

Moléculas involucradas:

Ubiquinona: Derivadas del benceno.

Citocromos: Con grupo hem, el cual tiene un Fe coordinado con N. Recoge electrones en el Fe. Hay 3 tipos de citocromos: A, B y C (no hay quepredérselos). Lo importante es que los 3 tipos tienen el grupo hem.

Proteínas hierro-sulfuro (Fe-S): también un Fe, pero coordinado con S.

Complejos de la cadena respiratoria: En mitocondria. Allí hay 4 complejos importantes: I, II, III, y IV.La idea de este proceso es tomar los electrones y pasárselos a O2. Los electrones son traídos por loas acarreadores. NAD+ y NADP pueden moverse. En este proceso sólo actúa NAD, él trae el electrón y se lo da a complejo I y queda oxidado como NADH +H.En complejo I, e- es recogido por la ubiquinona que lo lleva al complejo III. Ahí llega citocromo C que recoge el e-, va por el espacio intermembrana, y se lo lleva a complejo IV, ahí se une con el O 2, que está en la matriz, y forma H2O.

Este proceso, ocurre relativamente fácil, libera energía, un -ΔG. Con la energía que se obtuvo cuando el e- llega al complejo I y lo toma la ubiquinona, pasamos 4 electrones que estaban en la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Ubiquinona llega al complejo III, mientras ese e -, está en este complejo y lo toma el citocromo C, también libera energía y esta energía la invertimos en pasar 4 protones más. Y el electrón cuando pasa de complejo IV y lo toma el O2, ya casi no le alcanza la energía y saca sólo 2 protones más.Si yo sigo sacando protones y protones vamos a tener un gradiente, más adelante cuando estos protones son devueltos a favor de gradiente es donde obtenemos la energía, entonces todo está en poderlos devolver de una forma controlada.

El otro acarreador de electrones, FAD+, pero el FAD+ no se puede mover, así que está unido en el complejo II, por lo que necesita que le llevan los electrones. Los electrones son llevados por

2H+

2H+

succinato, que cuando se los dona se transforma en fumarato. Ese e- es recogido también por la ubiquinona del complejo II y se lo lleva al complejo III, entonces ubiquinona puede recoger electrones en el complejo I, o los puede recoger en el II. Electrones en el complejo II es recogido por el citocromo C que lo pasa al complejo IV, y los electrones terminan en O2 para convertirse en agua.

Entonces: Por cada NAD+ que entra a cadena respiratoria salen 10 H+ a espacio

intermembrana Por cada FADH2 que entra a cadena respiratoria salen 6 H + a espacio

intermembrana

Complejo I:El que recoge los electrones es un FMN, que los va a pasar a una proteína Fe-S, de esa proteína los recoge la ubiquinona y los electrones se mueven hasta el complejo III. Cada uno de los elctrones tiene un –ΔG. Entonces ocurren 2 procesos simultáneos: la transferencia exergónica de hidrógenos a la ubiquinona, y la transferencia endergónica de 4 protones al espacio intermembrana.

Complejo II:Es mucho más pequeño que el I, y tiene un FAD, la coenzima que recoge los electrones que dona el succinato. Succinato dona electrones al FAD, FAD se los dona a otra proteína Fe-S, y ah í los transporta la ubiquinona. NO hay transporte de protones al espaciointermembrana en esta complejo.}

Los electrones pueden entrar por otros lados aparte de los complejos I y II, hay algunas excepciones: hay moléculas como el glicerol-3-P, que puede ir y donar los electrones directamente a la ubiquinona. Algunos ácidos grasos también pueden hacer eso.

Complejo III (citocromo bc1):Recibe a los electrones del complejo III. Hay varias

proteínas que tienen un gruppo hem, tiene bastantes citocromos y también tiene proteínas Fe-S. Cada uno de los citocromos va a aceptar a los electrones que trae la ubiquinona, los pasa a la proteína Fe-S la cual lo pasa al citocromo C, el cual los puede recibir de uno en uno. Hay un paso de protones al espacio intermembrana. Citocromo C sale del complejo III y va al complejo IV.

Complejo IV:Bastante diferente a los otros porque tiene iones Cu, entonces los que se van a reducir no van a ser Fe, sino el Cu. Cu va a recoger los electrones del citocromo C se los va a pasar a una proteína del citocromo, y de ahí une los elctrones al O2 para formar agua. *Gabriela dijo que no le interesa lo que sucede dentro de cada complejo, pero sí cómo se van moviendo las cosas de complejo a complejo.

Conteo final: Por cada NADH que queda en el sistema, y después de haber ocurrido todo el proceso vamos ea tener NAD+

ya oxidado, vamos a tener 10 protones en el espacio intermembrana, y vamos a tener un ΔG= -220 kJ/mol, que es bastante. Se dice que pasar un protón de la matriz al espacio intermembrana consume como 20 kJ que se pierden como calor.

NADH + 11 H+N + ½ O2 NAD++ 10H+

p + H2O ΔG= -220 kJ/mol

Mientras que cuando el succinato trae los electrones ocurre todo el proceso de paso de protones al espacio intermembrana y esto genera -150 kJ/mol. Transporta 6 electrones, y costaban 20 kJ cada uno, 120 kJ está perdiendo

Succinato + 6H+N +1/2 O2 Fumarato + 6H+

p + H2O ΔG= -220 kJ/mol

Después del proceso vamos a tener un gradiente elctroquímico: tiene un componente eléctrico porque hay una diferencia de cargas entre matriz y espacio intermembrana, y hay componente químico porque hay más protones en espacio intermembrana que adentro.

La última parte del proceso: tenemos un gradiente, y energía acumulada en el espacio intermembrana y lo que queremos es sintetizar ATP. Para sintetizar ATP el primer paso se llama cadena respiratoria que es recoger electrones, llevárselos al O2 y gracias a esto formar un gradiente (de complejo I hasta que llega al O 2). Ahora vamos a agregar un quinto complejo más:

Complejo V:La mayoría del tiempo se le llama ATP sintetasa. Se divide como en dos partes, una parte

en espacio intermembrana (F0) y otra en la matriz (F1). La función de este complejo es dejar que los protones se devuelvan a favor de gradiente, lo que es una reacción exergónica que va a liberar energía, de la cual genera ATP, tomando un ADP y pegándole grupo P que estuviera por ahí suelto.

Esto es sintetizar ATP por fosforilación oxidativa (cadena respiratoria + complejo V). La otra forma de sintetizar ATP es por medio de la fosforilación a nivel de sustrato, en la cual unimos ADP + P en la cual necesitábamos alguien que tuviera más energía y que diera energía para formarlo. En este lo que necesitamos es un gradiente que libere energía, el gradiente lo crea la cadena respiratoria.

*Si dejamos de respirar no va a haber más O2 al final de cadena respiratoria, la cual no va a poder aceptar más electrones, lo que provoca que la cadena se detenga porque está saturada, no van a haber protones saliendo, por lo que no genero un gradiente y no se va a sintetizar ATP, no hay ATP y corazón deja de latir. El 90% de O2 que consumimos es utilizado para mantener este sistema.

Se dice que los dos procesos, la respiración celular y la síntesis de ATP están acoplados obligatoriamente (en presentación está como fosforilación oxidativa y síntesis de ATP acoplados obligatoriamente lo cual no está correcto), si se elimina el O2 se elimina la síntesis de ATP. Por ejemplo, en el momento que haya mucho succinato quiere decir que se da mucha respiración y se va a dar mucha síntesis de ATP. Entonces están acoplados obligatoriamente porque no se puede dar una sin la otra. Si se bloquea un paso de la cadena respiratoria afectará la síntesis de ATP.

Estructura del complejo ATP sintetasa

Sintetiza ATP a partir de ADP +P. Tiene 2 partes:F0: está metida en la membrana. A través de ella van a pasar protones, de los cuales sabemos que se usa esa energía para sintetizar ATP. Compuesto por 12 subunidades,12 proteínas de tipo C que van a formar un anillo, de donde se ancla el complejo F1 en su subunidad γ. Además tiene una subunidad a, y dos δ al lado.

F1: en la matriz intracelular. Formado por 3 proteínas de tipo α, 3 proteínas de tipo β, intercaladas una con la otra, y una de tipo γ en el medio. Hay un ε que ayuda a γ a anclarse.

Cada vez que un protón entre por el ATP sintetasa cada subunidad γ da una vuelta de 120°, para llegar al punto de inicio tiene que dar 3 vueltas. La vuelta la da solamente γ, las subunidades alrededor de ella se quedan quietas; el γ donde da vuelta toca a α o β, pero se enlaza más fuerte con una β. Cada vuelta que da de 120° se enlaza a un β, y a α no lo toca, como que se lo brinca.

Cuando γ pega con β obliga a un ATP, que está en β, a irse.Por ATP sintetasa entra un ADP y un P, que está en el otro β, y en el tercer β hay un ATP. Entonces cuando sale un ATP, subunidad γ se rota hacia donde está el otro ATP, y en el β que queda vacío entra un ADP + P, que luego se hace ATP.

Por cada vuelta de 360°, ATP sintetasa necesita 3 protones, y libera un ATP por cada rotación.

ATP listo en matriz pasa por otro complejo, que se llama transportador de nucleótidos adenina, que toma ATP listos y los saca para que célula realice todas sus funciones. Una vez que ha sido utilizado ATP queda como ADP + P, los que necesitamos llevar nuevamente adentro para que puedan regenerarse como ATP; como es un transporrtador de nucleótiodos adenina saca los ATP, y mete los ADP que quedan. Para regenerar

ATP no sólo necesitamos los ADP, sino que también P, y los fosfatos quedaron fuera; entonces para meter un P necesitamos energía, esa energía la tomo aprovechando gradientes de protones que había entrando, entonces meto un protón (H+) y un P a favor de gradiente. ¿Cuántos protones se necesitan que entren a la matriz mitocondrial para sintetizar un ATP? 4.

3 para que rotara 120 ° la subnidad γ, y otro para meter un P después de usado el ATP.

Entonces si sabemos que en la cadena respiratoria 1 NADH saca 10 protones a la matriz de la mitocondria, y por cada 4 protones se produce un ATP, entonces un NADH alcanza para producir 2.5 ATP. De la misma manera 1 succinato produce 1.5 ATP, porque saca 6 protones a la matriz.

Proteínas desacoplantes:Además de los 4 complejos de la cadena respiratoria, el complejo V ATP sintetasa,

además hay un 6to complejo transportador de ATP/ADP, un 7mo que cotransporta protones y P a favor de gradiente, hay un 8vo digamos, las proteínas desacoplantes, también conocidas como termogeninas. Ellas lo que hacen es que los protones en lugar de entrar por el ATP sintetasa, entran por esas proteínas, no los acoplan con nada, simplemente los dejan pasar a favor de gradiente, y esa energía se pierde en forma de calor. Entonces mantienen el calor.

Animales que hibernan tienen muchas de estas prtoteínas para mantener el calor, en los bebés, mitocondrias de tejido graso pardo. Entonces se invierten algo de los protones en liberar calor.

Inhibición:Rotenona Complejo I (Insecticidas)Malonato Complejo IIAntimicina Complejo III

Cianuro Complejo IV (cámara de gas)Oligomicina Complejo V (antibacterial)