BIOQUÍMICA

Año 2015

GLS

Las 3 Etapas de la Respiración

Oxidación metabólica de sustratos orgánicos

1. Generación de grupo acetilo del ACETIL~CoA, desde

PIRUVATO, ÁCIDOS GRASOS (mitocondria), o

AMINOÁCIDOS (citoplasma/mitocondria).

2. Oxidación de los C del acetilo (Acetil-CoA) en el

CICLO DE KREBS (mitocondria).

3. Pasaje de electrones de la oxidación en un segundo

paso a través del sistema de TRANSPORTE DE

ELECTRONES para obtener ATP en la FOSFORILACIÓN

OXIDATIVA.

PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS GLICÉRIDOS

AMINOÁCIDOS GLICEROL + AG GLUCOSA

PIRUVATO

ACETIL-CoA

Fosforilación Oxidativa

ADP + Pi

ATP H2O

½O2

H+

CO2

(NADH, FADH2)

1° Etapa

2° Etapa

3° Etapa

4°

ETA

PA

3°

ETA

PA

Grupo alimenticio

Unidad metabolizada

Transformación convergente

Carbohidratos Glucosa ENERGÍA en ATP

Grasas (Lípidos)

Ácidos grasos

Proteínas Aminoácidos

Animales, plantas y muchos microorganismos

en condiciones aeróbicas

Fermentación a Lactato en

esfuerzos musculares,

eritrocitos, otras células y

algunos microorganismos

Fermentación a Alcohol

en levaduras

- O2 - O2

+ O2

ACETIL-CoA

VIDEO 1 http://www.youtube.com/watch?v=NS9uHH-oZNw

Transaminaciones, Βeta-oxidación, Ciclo de Krebs, Cad. Respiratoria y Síntesis de ATP

Glucólisis, Pentosas-P,

Transaminaciones

CÓMO SE MANTIENE LA

RELACIÓN NADH /NAD+ ?

TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMÁTICO - REOXIDACIÓN

NAD+, NADH, FAD HS-CoA

AA, Malato, Succinato,

Piruvato Translocasas

ADP

ATP

Ca++ [200mM] +K+

Acil-S-CoA (+) (-)

Malato Oxalacetato Aspartato NADH + H+

CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

Papel central en el metabolismo.

Reacciones individuales.

Estequiometría y rendimiento energético.

Regulación.

Algunos AA se degradan a Piruvato; y éste da origen a: alanina, cisteína, glicina, serina, treonina, y triptofano.

Fermentación = a lactato, etanol, AGV….

Final de la glucolisis

Las Enzs que actúan s/ el Piruvato son:

Piruvato Quinasa (EC 2.7.1.40)

Piruvato Descarboxilasa (EC 4.1.1.1)

Piruvato Deshidrogenasa (EC 1.2.4.1)

Lactato Deshidrogenasa (EC 1.1.1.27)

Piruvato Carboxilasa (EC 6.4.1.1)

Transaminasas (EC 2.6.1.2 – GPT/ALT)

Inicio de la gluconeogénesis.

PIRUVATO

Pir-quinasa

Enzimas que actúan s/ el Piruvato

LDH

ALT/GPT

Enzimas que actúan s/ el Piruvato

Bicarbonato Piruvato

a Piruvato

Carboxilasa

OTRO DESTINO

DEL PIRUVATO

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

1) Descarboxilación exergónica y fijación del resto acilo a la TPP-Enz

2) Formación de sulfoester de alta Energía con Lipoato

3) Transtiolación isoergónica del acetilo desde el Lipoato a la HS-CoA

Enzima Cosustrato prostético

Sustrato soluble

Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa

E1 TPP = Tiamina pirofosfato

Dihidrolipoil transacetilasa E2 Lipoamida Coenzima A

Dihidrolipoil deshidrogenasa E3 FAD NAD+

Otras enzimas con igual mecanismo:

a)Alfa-cetoglutarato DH,

b)Alfa-cetobutirato DH,

c)cadena ramificada cetoácido DH

Piruvato Deshidrogenasa

Fuente de acetil-CoA para el ciclo del ácido cítrico

Cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato.

Se usan 4 Vitaminas diferentes como coenzimas

Piruvato + NAD+ + CoA-SH <-> Acetyl~CoA + NADH + CO2

Energéticamente muy favorable ( ΔG = -33.5 kJ/mol) y

esencialmente irreversible in vivo.

Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsénico que se

unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida) – Napoleón y Darwin -

El enlace tioester posee una

alta energía libre de hidrólisis

Aporta los dos C

que se van a oxidar

en el ciclo del

ácido cítrico.

Acetil-CoA

Origen: oxid. De

Glc, AG y AA.

Acetil~CoA + H2O acetato + HS-CoA + H+

∆G°’ = -32,2 kJ/mol

Es precursor de:

ácidos grasos,

colesterol,

aminoácidos.

ORIGEN DEL ACETIL~CoA

- Oxidación de Ácidos Grasos.

- A partir de Aminoácidos cetogénicos.

- Descarboxilación del Piruvato.

Estrategia General y objetivos del Ciclo del

Acido Cítrico (C. de Krebs)

En cada vuelta se introducen 2 carbonos (Acetil-

CoA), y su equivalente será totalmente oxidado.

Se liberan 2 moléculas de CO2.

La energía libre de la oxidación se conserva en

forma de coenzimas reducidas (NADH y FADH2)

y GTP.

Los intermediarios se reciclan y pueden dar AA,

AG, Colesterol, Glc, Porfirinas, oxidar esqueletos

de AA.

Ciclo de Krebs ó de los ácidos tricarboxílicos

En el ciclo entra una molécula de acetato (dos átomos de C) salen dos moléculas de CO2 y cuatro pares de hidrógenos. 1 molécula de glucosa -> 2 de acetato (4 C), que se degrada en un proceso cíclico. Una serie de sustancias del ciclo ceden H por pares (2H) a otra (NAD, FAD) reduciéndola (a NADH, FADH2). En cierta forma, el proceso equivale a tener átomos de H que se pueden unir con el O durante la respiración para formar agua.

1 - CITRATO SINTASA Adición de un grupo acetilo (transportado por HS-CoA) al Oxalacetato = Citrato

2 - ACONITASA Cambio de un grupo -OH del Citrato de la posición 3 a la 2, dando Isocitrato

3 - ICDH + NAD+: Deshidrogenación y descarboxilación. Oxidación del -OH del Isocitrato de la posición 2,

debilitación y pérdida del -COO- central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)

4 - α-CETOGLUTARATO DH + NAD+: Deshidrogenación , descarboxilación y síntesis (Similar a reacción de Piruvato-DH)

Por la oxidación se debilita y pierde el –COO- . Ingresa 1 HS-CoA que transporta el Succinato,

central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)

5 - SUCCINIL-CoA SINTETASA: Hidrólisis del Succinil-CoA, c/liberación de suficiente E p/síntesis de GTP

6 - SUCCINATO DH + FAD+: Oxidación con insaturación del Succinato

7 - FUMARASA + H2O: Hidratación del Fumarato

8 - MALATO DH + NAD+: Oxidación del Malato en su grupo alcohol (a carbonilo) reconstituyendo Oxalacetato.

8 ENZIMAS PIZARRÓN

EC 2.3.3.1.

EC 4.2.1.3.

EC 1.1.1.41/42.

E1- 1.2.4.2.

E1- 2.3.1.12.

E1- 1.6.4.3.

EC 6.2.1.4.

EC 1.3.99.1.

EC 4.2.1.2.

EC 1.1.1.37.

[[Cis-Aconitato]

Moléculas:

Simétrica

Asimétricas

(quiral)

Glucosa + 2ATP + 4ADP +

2Pi + 2NAD+

2 Ácido pirúvico + 2ADP + 4ATP +

2NADH + 2H+ + 2 H2O

Balance

2 Piruvatos + 2 HS-CoA +

2 NAD +

2 Ácetil~S-CoA + 2CO2 +

2NADH + 2H+ +

C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol

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

La metabolización de la Glc libera E que es capturada en moléculas de ATP

2 ATP

36-38 ATP

(ó 30-32)

La velocidad de la Glucólisis y la del Ciclo de Krebs (que consu-me Acetil-CoA) están integrados (bajo condiciones normales) por:

a) Inhibición por altos

niveles de ATP y NADH

(componentes comunes

de ambas vías); y

b) Por la concentración de

Citrato (producido en

Krebs que inhibe la

Fosfofructoquinasa 1 de

la Glucólisis)

Se metaboliza tanta Glc

COMO requiera el Ciclo de

Krebs

Retiro de

intermediarios

hacia vías

anabólicas

Reposición

anaplerótica de

intermediarios

agotados.

Las reacciones de

transaminación y

desaminación de

AA son

reversibles, por lo

que su dirección

varía en función

de la demanda

metabólica.

Tips del Ciclo de Krebs

– biosintético

– ahorro de energía

• Remoción de intermediarios

– puede saturarse.

• Única vía enzimática saturable

– azúcares

– ácidos grasos

En la respiración aeróbica se conserva aprox. el 42 % de la energía de la glucosa en forma de ATP. 288 Kcal * mol-1 (1205 KJ* mol-1 )

Es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre ( G°) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/

686 x 100= 42 %.

Termodinámica:

Campo de la física que describe y relaciona las propiedades

físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así

como sus intercambios energéticos.

Sistemas macroscópicos: Conjunto de materia que se

puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno

infinito e imperturbable.

Bioenergética: leyes de la termodinámica

-Estudia las transformaciones de energía que tienen

lugar en la célula.

-Naturaleza y función de los procesos químicos en los

que se transforma la energía en seres vivos.

CÉLULAS Necesitan de energía p/sus actividades

(desarrollo, crecimiento, renovación de estructuras, síntesis de moléculas, etc).

Según la fuente de carbonos: Autótrofos: Pueden utilizar el CO2 como fuente de C (bacterias,

vegetales).

Heterótrofos: obtienen C de moléculas orgánicas complejas

(animales, microorganismos).

CÉLULA ANIMAL

Energía química para realizar trabajo proviene de la oxidación de sustancias incorporadas como

alimentos (carbohidratos, grasas).

Metabolismo:

suma de las reacciones químicas que ocurren en la célula (organizadas en series de reacciones catalizadas) = “rutas metabólicas”

Catabolismo: Las moléculas

nutrientes se convierten

en otras mas pequeñas

y simples.

Anabolismo: moléculas pequeñas

reaccionan para convertirse

en otras más grandes y

complejas.

Fase de

degradación

Fase de

síntesis

ATP

ADP

NADPH+H+

NADP+

En una transformación química, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energía (E)

de las moléculas aumenta o disminuye

(G aumenta o disminuye).

“Moneda” de intercambio de Energía en los procesos biológicos = ATP

Beta-Oxidación y

Krebs

NADH, NADPH y

FADH2 son los principales

transportadores de

electrones, ya que sufren

oxidaciones y/o

reducciones reversibles.

Sus reducciones,

permiten la conservación

de la Energía Libre que se

produce en la oxidación

de los sustratos

Analogías

Naturales

BIOQUÍMICA

ENERGÍA: Es la “capacidad para producir un trabajo”.

SISTEMA: “ toda porción del universo que se somete a estudio”

Tipos de sistemas:

Abiertos: intercambio de materia y energía.

Cerrados: intercambio de energía, no de materia.

Aislados: impide intercambio de energía y materia.

MEDIO: “es lo que rodea al sistema” UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO

DEFINICIONES

Estado de un sistema:

Se puede describir mediante propiedades medibles que se conocen como variables de estado.

Algunos ejemplos de variables son:

DEFINICIONES

Temperatura

Presión

Volumen

Entropía (S)

Entalpía (H)

ENTALPÍA (H): es la energía en forma de calor, liberada o consumida en un sistema, a T y P constantes.

ENTROPÍA (S): energía no degradada, no

utilizada para realizar trabajo. ENERGÍA LIBRE (G): Representa la energía

intercambiada en una reacción química. Es la energía disponible para realizar trabajo.

DEFINICIONES

PRIMER PRINCIPIO:

“ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO PERMANECE CONSTANTE”

Equivale a decir: la energía del universo no se crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.

SEGUNDO PRINCIPIO: “ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO

AUMENTA” Equivale a decir que el grado de desorden en el

universo aumenta.

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

ENTALPÍA (H): contenido de E calórica de un sistema.

Cambio de entalpía (ΔH) = calor de reacción

Calor desprendido o consumido en el curso de

una reacción (a presión constante).

ΔH = Hf – Hi

(Hf y Hi son NO determinables; pero si ΔH)

Si se rompen los enlaces más débiles y

se forman enlaces más fuertes se

desprende calor, y la reacción es

exotérmica (valor negativo de ΔH°).

A + B C + calor -ΔH° (Hf<Hi)

Si se rompen enlaces fuertes y se

forman enlaces más débiles, entonces se

consume energía calórica en la reacción, y

ésta es endotérmica (valor positivo de

ΔH°).

A + B + calor C +ΔH°(Hf>Hi)

Si una reacción absorbe (o libera) calor en una dirección, es

decir, es endotérmica (ó exotérmica), en la dirección contraria (o inversa) liberará (ó absorberá) calor, siendo por lo tanto exotérmica (ó endotérmica). Por ej.:

N2(g) + O2(g) 2NO(g) ΔH° = +43 kcal

2NO(g) N2(g) + O2(g) ΔH° = -43 kcal

Termoquímica

Segundo principio:

El desorden o entropía de un sistema aislado

nunca puede decrecer.

Entropía (S)

Dirección de una reacción A una temperatura dada la espontaneidad de una

reacción dependerá del balance entre dos tendencias,

pudiendo determinarse relacionando las propiedades

termodinámicas de entalpia (∆H) y entropía (∆S).

∆H = está en relación a la energía requerida para

romper enlaces químicos (tendencia a formar los

enlaces más fuertes posible).

∆S = está relacionado con el grado de dispersión de la

materia y la energía (tendencia a dispersarse, al mayor

desorden). ∆S = Q (ó calor absorbido)/T (°K de temp.)

Dirección de una reacción De acuerdo a la termodinámica, la dirección

preferencial para una reacción está determinada

por el compromiso entre las tendencias hacia

enlaces más fuertes (∆H) y mayor desorden (∆S).

Se dice, entonces, que la diferencia entre ∆H y

T∆S equivale a una cierta cantidad de energía útil

para hacer trabajo, propiedad del sistema que se

conoce comúnmente como energía libre de

Gibbs (G).

Si ∆G°´ de una reacción química es negativo (la energía libre del sistema

disminuye) = Reacciones exergónicas, espontáneas en la dirección escrita.

Si ∆G°´ es positivo (la energía libre del sistema aumenta) = Reacciones endergónicas,

no son espontáneas en la dirección en que se escriben.

G°´ aumenta (+∆G°´ )

Endergónica

No espontánea

Reversible

G°´ disminuye (-∆G°´ )

Exergónica

Espontánea

Reversible

La ecuación que relaciona ∆G y Keq es:

∆G°´ = -RT lnKeq

R = 1.99 x 10-3 kcal/kelvin-mol

T = temperatura absoluta en kelvins

El valor de RT a 25°C es 0,593 kcal/mol

Keq de c/reacción química es característico a una Tº dada.

Si Keq >1, la reacción está desplazada hacia (1)

Si Keq <1, la reacción está desplazada hacia (2)

Si Keq =1, la reacción está en Equilibrio (no hay desplazamiento neto).

En seres vivos las reacciones se desplazan del equilibrio.

Keq = [C][D] / [A][B] EQUILIBRIO QUÍMICO

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Fundamentalmente sólo hay dos razones por la que ocurre una reacción química:

(1) la tendencia a lograr el mínimo de energía (2) la tendencia a lograr el máximo desorden

Medir el contenido de energía de un sistema es muy difícil, generalmente se mide el cambio de energía entre dos estados.

La variación de energía (G) para ir de A hacia B es:

GBA = GB - GA

Para ir de B hacia A:

GAB = GA – GB = - GBA

A B

1

2

Gº es la variación de Energía Libre en condiciones estándar (Tº= 298ºK,[1M],P = 1atm)

Gº’ es la variación de energía libre estándar a un pH próximo al fisiológico (pH = 7)

R = 1,987 cal/mol grado

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Matemáticamente: G = H -TS

PROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que transcurre con liberación de calor al medio.

PROCESO ENDOTÉRMICO: el que transcurre tomando calor del medio.

PROCESO EXERGÓNICO: libera energía. (ESPONTANEO)

PROCESO ENDERGÓNICO: absorbe energía. (NO ESPONTANEO)

Función más importante en Bioquímica Proceso real o factible = cambio de E libre de Gibbs negativo (-G)

G = Gfinal – Ginicial

G < 0 (FACTIBLE y EXERGÓNICO)

G = 0 (ISOERGÓNICO-en equilibrio)

G > 0 (NO FACTIBLE y ENDERGÓNICO) REACCIONES CON:

-G = son exergónicas y espontáneas a derecha +G = endergónicas e inviables a derecha – pero pueden ser

viables por acoplamiento energético con las exergónicas

E libre ó E de Gibbs (G)

VIDEO 2 http://www.youtube.com/watch?v=KcsNFNjjD5c

Compuestos c/Patos ∆G° de hidrólisis, en kJ/mol

Fosfoenolpiruvato (-61.9)

1,3-bifosfoglicerato (-49.3)

Fosfocreatina (-43.0)

ATP (-30.5)

ADP (-30.5)

Glucosa-1-fosfáto (-20.9)

Glucosa-6-fosfáto (-13.8)

-61,9 kJ/mol (-14,8 cal/mol) -51,4 kJ/mol (-12,3 cal/mol)

-43,1 kJ/mol

(-10,3 cal/mol)

-30,5 kJ/mol

(-7,3 cal/mol)

-13,8 kJ/mol (-3,3 cal/mol)

-9,2 kJ/mol (-2,2 cal/mol)

Mg++

Mg++

ENZIMAS

PRESENTES EN

CASI TODAS LAS

CÉLULAS

ATP a pH fisiológico

está como ATP4-.

4 cargas (-) próximas

originan tensiones

intramoleculares que

desaparecen al

hidrolizarse en

ADP+Pi o AMP+PPi.

Transferencia de energía en el metabolismo celular

P (grupos fosfato) = conservación y transferencia de E

1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP

Creatín-P y Arginín-P = reservas de E p/cederla al

ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales

como el músculo)

Fosforilación oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E

liberada por oxidación de coenzimas reducidas)

Las Enzimas pueden combinar

reacciones exergónicas con

endergónicas para resultar en una

reacción acoplada que en conjunto es exergónica (reacción espontánea).

REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADAS

nombre Gº’(kcal/mol)

ATP ADP + P -7,3

ADP AMP + P -7,7

AMP adenosina + P -3,4

Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan.

“Los valores de Gº de reacciones secuenciales son aditivos”

Este principio explica por que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea exergónica, a través de

un intermediario común

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP

∆G°’ = -7,3 + 3,3 = -4,0 Kcal/mol

Es la unión de moléculas biológicas de modo tal

que, la ruptura de ese enlace químico formado, tiene un G <0

Ejs: 1) A + COENZIMA A-COENZIMA A-COENZIMA + B AB + COENZIMA G<0 2) FOSFORILACION

ACTIVACION

Estructura química de la Acetil CoA. El grupo acetilo aparece a la izquierda de la figura, unido al azufre (S)

ADENOSINA

ÁCIDO PANTOTÉNICO

CISTEÍNA

La Coenzima A es un transportador de grupos acilo.

Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los grupos acilo mediante un enlace tioester.

La hidrólisis de un tioester es muy favorable termodinámicamente, lo que hace que esta molécula tenga un alto potencial de transferencia de grupos acilo.

La CoA es un “transportador de acilos activado” igual que el ATP es “un transportador de P activado”.