ENERGIA II PARCIAL

(1)

ENERGIA

ATP

(2)

ENERGIA



_Definición:

 _{Constituyente básico del universo.}_{Constituyente básico del universo.}

 _{Relación entre la materia y su energía equivalente.}_{Relación entre la materia y su energía equivalente.}

E = mc2

Energía total (E): Julios (kg m2/s2)

Masa (m): kg

Velocidad de la luz (c = 3.0 x 10 elevado a la 8 m/s)

(3)

ENERGIA

Definicion;

La capacidad de

producir cambio y se

mide por la cantidad

de trabajo realizado

durante este periodo

de cambio

(4)

ENERGIA



_{Bioenergética}

_{( termodinámica bioquímica)}

Estudio de los cambios de energía que acompañen a las

reacciones bioquímicas.



_{El cambio en la energía libre (Delta G) (Gibbs}

₎

Corresponde a la parte del cambio en la energía total de

un sistema disponible para realizar trabajo (energía útil)

(o potencial químico) (energía disponible para realizar

un trabajo químico).



_{Las reacciones solo son cinéticamente favorables}

cuando el sistema que experimenta el cambio dispone

de energía suficiente.

(5)

ENERGIA

TERMODINAMICA

 _{Los sistemas biológicos cumplen con las leyes generales de la}_{Los sistemas biológicos cumplen con las leyes generales de la}

termodinámica:

1.

1. Primera ley

_{Primera ley}

: la energia total de un sistema incluido su : la energia total de un sistema incluido su entorno permanece constante (transfiere o se transforma)

entorno permanece constante (transfiere o se transforma)

2.

2. Segunda ley

_{Segunda ley}

: la entropía total de un sistema completo : la entropía total de un sistema completo debe aumentar cuando un proceso ocurre espontáneamente

debe aumentar cuando un proceso ocurre espontáneamente

3.

3. Tercera ley: al acercarse la temperatura de un cristal sólido _{Tercera ley: al acercarse la temperatura de un cristal sólido}

perfecto al cero absoluto (0 k) el desorden se aproxima a cero

(6)

ENERGIA



_{Primera ley de la termodinámica.}



_{La energía no puede crearse ni destruirse.}



_{Energía interna}

_{: la cantidad total de energía de un sistema y su}_{: la cantidad total de energía de un sistema y su}

(entalpía) entorno debe ser la misma antes y después

de

de producirse un proceso. producirse un proceso.

 _{Para cualquier proceso real o factible cambio de energía libre es}_{Para cualquier proceso real o factible cambio de energía libre es}

negativo.

El sistema tiene mas energía libre en el estado inicial que en el estado El sistema tiene mas energía libre en el estado inicial que en el estado final.

final.

(7)

ENERGIA

PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

 _{Cambio de energía: reacción procede de}_{Cambio de energía: reacción procede de}

menor cero

menor cero manera espontánea manera espontánea (negativa) con perdida de

(negativa) con perdida de DeltaG < 0

DeltaG < 0 energía libre energía libre

(Exorgonico) (Exorgonico)

 _{Cambio de energía libre: prevalecen las}_{Cambio de energía libre: prevalecen las}

es igual a cero condiciones de

DeltaG = 0 equilibrio y el proceso

es Isorgonico (no se

es Isorgonico (no se intercambia energía)

intercambia energía)

 _{Cambio de energía libre: el proceso no es factible}_{Cambio de energía libre: el proceso no es factible}

es positivo y es endorgonico

DeltaG > 0

(8)

ENERGIA



_{Segunda ley de la termodinámica}



_{Cambios espontáneos ; cuando se producen cambios}

físicos o químicos con liberación de energía



_{Cambios no espontáneos ; cuando se requiere un aporte}

constante de energía para mantener un cambio



_{Todos los procesos espontáneos se producen en}

dirección que incrementa el desorden total del universo

( un sistema y su entorno)



_{La variación de entropía del universo es positiva para}

todos los procesos espontáneos

(9)

ENERGIA

METABOLISMO



_Catabolismo

_;



_{las reacciones exergonicas}



_{Degradación u oxidación de las moléculas del}

combustible



_{Se genera energía}



_Anabolismo

_;



_{Reacciones de síntesis de moléculas complejas}



_{Reacciones endorgonicas, consume energía}



_Metabolismo;

(10)

(11)

ENERGIA

REACCIONES ACOPLADAS

A.

A. Formación de un intermediarioFormación de un intermediario

mecanismo intrínsico para el mecanismo intrínsico para el control biológico de la velocidad

control biológico de la velocidad

de los procesos

Control respiratorio; proceso Control respiratorio; proceso que evita quemar las moléculas

que evita quemar las moléculas

de combustible fuera de control

B.

B. Síntesis de un compuesto de Síntesis de un compuesto de alta energía potencial en la

alta energía potencial en la

reacción exorgonica e

incorporar el nuevo compuesto

en la reacción endorgonica

(transferencia de energía libre)

(12)

ENERGIA

REACCIONES ACOPLADAS

 _{Los procesos endorgonicos}_{Los procesos endorgonicos}

proceden mediante el

acoplamiento con procesos

exorgonicos

 _{En la practica un proceso}_{En la practica un proceso}

endorgonico no puede existir

independientemente si no que

debe constituir un componente

de un sistema

exorgonico--endorgonico

endorgonico

(13)

ENERGIA



_{Para conservar los procesos vitales todos los}

organismos deben obtener suministros de energía libre

a partir de su ambiente

A.

A. Organismos autótrofos:

_{Organismos autótrofos:}

procesos exorgonicos simples ( energía de la luz solar;

vegetales verdes),( reacción Fe2+ ----Fe3+ + e- ,en

bacterias)

B.

B. Organismos heterótrofos:

_{Organismos heterótrofos:}

energía libre al acoplar su metabolismo con la

degradación de moléculas orgánicas complejas de su

entorno

(14)

(15)

(16)

ENERGIA

TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP

)

ESTRUCTURA



_Nucleótido

_{formado por :}_{formado por :}

a)

Adenina

_Adenina

b)

Ribosa

_Ribosa

c)

Unidad trifosfato

_{Unidad trifosfato}

 _{Los dos grupos fosfóriles}_{Los dos grupos fosfóriles}

terminales están unidos por

enlaces fosfoanhidrido

estables en condiciones

intracelulares suaves

 _{Enzimas especificas para la}_{Enzimas especificas para la}

hidrólisis del ATP de los

enlaces fosfoanhidrido

(17)

(18)

ENERGIA

ATP



_{Es un intermediario en el}

flujo de energía desde las

moléculas de alimento a

las reacciones de

biosíntesis del

metabolismo



_{Moneda de intercambio}

energético de los seres

vivos

(19)

HIDRÓLISIS DEL ATP

 _{proporciona de forma inmediata}_{proporciona de forma inmediata} y directa la energía libre para

y directa la energía libre para

impulsar una variedad inmensa

de reacciones bioquímicas

endorgonicas

 _{Transferencia de energía libre}_{Transferencia de energía libre} de los procesos exorgonicos

de los procesos exorgonicos

hacia los endorgonicos

Procesos:Procesos:

A.

A. Biosíntesis de macromoléculasBiosíntesis de macromoléculas

B.

B. Transporte activo de sustancias Transporte activo de sustancias a través de las membranas

a través de las membranas

celulares

C.

C. Trabajo mecánico; contracción Trabajo mecánico; contracción muscular

muscular

D.

D. Conducción eléctrica en el Conducción eléctrica en el sistema nervioso

(20)

ENERGIA

ATP

POTENCIAL DE TRANSFERENCIA DE GRUPO

 _{Tendencia del ATP a}_{Tendencia del ATP a}

hidrolizarse:

ATP 4- + H20 ADP3- + Pi2- ATP 4- + H20 ADP3- + Pi2- + H+

+ H+

Delta G = -30,5 kJ/molDelta G = -30,5 kJ/mol

A.

Fosfatos de baja energía

B.

Fosfatos de alta energía

 ATP ; los dos enlaces _{ATP ; los dos enlaces}

fosfoanhidrido se denominan con

frecuencia de energía elevada

 _{Puede transportar grupos fosforilo}_{Puede transportar grupos fosforilo}

desde compuestos de mayor

energía a compuestos con menor

energía

(21)

ENERGIA

ENERGIA LIBRE DE ALGUNOS COMPUESTOS

BIOLOGICOS FOSFORILADOS

(22)

ENERGIA

ATP

HIDRÓLISIS EXORGONICA

 _{A valores de PH intracelular, el ATP lleva tres a cuatro cargas}_{A valores de PH intracelular, el ATP lleva tres a cuatro cargas}

negativas que se repelen entre ellas ( la hidrólisis del ATP reduce

la repulsión electrostática ; molécula metaestable)

 _{Hibridación de resonancia; los productos de la hidrólisis del ATP}_{Hibridación de resonancia; los productos de la hidrólisis del ATP}

son mas estables que el ATP ( cuando un a molécula tiene dos o

mas estructuras alternativas que solo se diferencian en la

posición de los electrones)

C.

C. Los productos hidrolizados del ATP: adenosin difosfato ( ADP ) y Los productos hidrolizados del ATP: adenosin difosfato ( ADP ) y el fosfato inorgánico (Pi ), o bien el adenosin monofosfato ( AMP)

el fosfato inorgánico (Pi ), o bien el adenosin monofosfato ( AMP)

y el pirofosfato (PPi), se solvatan con mas facilidad que el ATP

(23)

ENERGIA

FOSFATOS DE ENERGIA

MONEDA ENERGETICA DE LA CELULA

 _{El ATP tiene la capacidad de}_{El ATP tiene la capacidad de}

actuar como donador de

fosfatos de alta energía

 _{El ADP puede aceptar fosfato}_{El ADP puede aceptar fosfato}

de alta energía para formar

ATP

 _{Los procesos generadores de}_{Los procesos generadores de}

fosfato de alta energía se

conectan con los procesos

utilizadores de fosfato de alta

energía (ciclo ATP/ADP)

 _{El ATP se consume y}_{El ATP se consume y}

regenera continuamente

(24)

ENERGIA

FOSFATOS DE ALTA ENERGIA

Fuentes principales que toman parte en la conservación de la energía

(captura de energía).

1.

1. Fosforilación oxidativa.Fosforilación oxidativa.

 _{Fuente cuantitativamente mas grande de fosfato en organismos aerobios.}_{Fuente cuantitativamente mas grande de fosfato en organismos aerobios.}  _{La energía libre proviene de la oxidación en la cadena respiratoria}_{La energía libre proviene de la oxidación en la cadena respiratoria}

utilizando O2 molécular en el interior de las mitocondrias.

2.

2. Glucólisis.- (síntesis de ATP a partir de un sustrato) Glucólisis.- (síntesis de ATP a partir de un sustrato)

 _{Requiere de compuesto mas energético que el.}_{Requiere de compuesto mas energético que el.}

 _{De la formación del lactato a partir de una molécula de glucosa resulta la}_{De la formación del lactato a partir de una molécula de glucosa resulta la}

formación neta de 2 enlaces fosfato de alta energía.

3.

3. Ciclo del ácido cítrico.Ciclo del ácido cítrico.

 _{En el paso de la succinil tiocinasa se genera en forma directa un enlace}_{En el paso de la succinil tiocinasa se genera en forma directa un enlace}

de fosfato de alta energía.

(25)

ENERGIA

FOSFATOS DE ALTA ENERGIA

PRODUCCION EN CELULAS AEROBICAS

 _{Fosforilación oxidativa.}_{Fosforilación oxidativa.}

 _{La estructura y funcionamiento complejo de las células eucariotas}_{La estructura y funcionamiento complejo de las células eucariotas}

se mantienen gracias a las cantidades extraordinariamente

elevadas de ATP que pueden generar (mitocondria) (recuperación

celular).

 _{Por la habilidad para utilizar el O2 como aceptor terminal de los}_{Por la habilidad para utilizar el O2 como aceptor terminal de los}

electrones que se extraen de las moléculas combustibles.

a.

a. El O2 se encuentra en todas partes de la superficie terrestre.El O2 se encuentra en todas partes de la superficie terrestre.

b.

b. El O2 difunde a través de membranas celulares._{El O2 difunde a través de membranas celulares.}

c.

c. El O2 es muy reactivo._{El O2 es muy reactivo.}

 _{La cantidad de ATP integrado depende del aporte de O2 y}_{La cantidad de ATP integrado depende del aporte de O2 y}

necesidad de la célula.

(26)

ENERGIA

MITOCONDRIA



_METABOLISMO

AEROBIO;

Mecanismo mediante el

cual la energía del enlace

químico de las moléculas

del alimento se captura y

se utiliza para impulsar la

síntesis dependiente de

oxigeno de la adenosina

trifosfato (ATP)

(RESPIRACION

CELULAR)

(27)

ENERGIA

LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

(CADENA RESPIRATORIA)

COMPONENTES

 _{Membrana mitocondrial}_{Membrana mitocondrial}

interna.

Cuatro complejos;Cuatro complejos;

A.

A. El complejo I (complejo _{El complejo I (complejo}

NADH deshidrogenosa).

B.

B. El complejo II (complejo El complejo II (complejo succinato deshidrogenosa).

succinato deshidrogenosa).

C.

C. El complejo III (complejo _{El complejo III (complejo}

citocromo bc).

D.

D. El complejo IV (citocromo _{El complejo IV (citocromo}

oxidasa).

(28)

(29)

(30)

ENERGIA

LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

(CADENA RESPIRATORIA)

 _{El complejo I (complejo NADH}_{El complejo I (complejo NADH}

deshidrogenasa).

 _{Cataliza la transferencia de electrones}_{Cataliza la transferencia de electrones}

desde el NADH a la UQ (ubiquinosa)

 _{Complejo proteico mas grande de la}_{Complejo proteico mas grande de la}

membrana interna.

 _Contiene_Contiene _1.-_1.-

varios centros de hierro – azufre.

2.- 1 molécula de FMN.2.- 1 molécula de FMN.

 _{El transporte electrónico va}_{El transporte electrónico va}

acompañado por el movimiento de

protones desde la matriz a través de la

membrana interna al interior del

espacio intermembrana.

(31)

ENERGIA

LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

EL COMPLEJO III (SUCCINATO DESHIDROGENASA)

 _Componentes:_Componentes:

1.

1. Enzima Enzima

succinatodeshidrogenasa

2.

2. 2 proteínas hierro-azufre2 proteínas hierro-azufre

3.

3. FAD unido covalentementeFAD unido covalentemente

 _{Cataliza la transferencia de}_{Cataliza la transferencia de}

electrones desde el succinato a

la UQ

 _{Otras transferencias de}_{Otras transferencias de} electrones:

electrones:

a)

a) La glicerol-3-fosfato La glicerol-3-fosfato deshidrogenasa

deshidrogenasa

b)

(32)

ENERGIA

LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

EL COMPLEJO III

( CITOCROMO bc 1)

 _{Transfiere los electrones desde}_{Transfiere los electrones desde} la coenzima Q reducido

la coenzima Q reducido

(

( UQH2) al citocromo cUQH2) al citocromo c

 _Contiene:_Contiene:

a)

a) Dos citocromos bDos citocromos b

b)

b) Un citocromo c1Un citocromo c1

c)

c) Centro hierro – azufreCentro hierro – azufre

 _{Los electrones se transfieren de}_{Los electrones se transfieren de} uno en uno y se reduce en

uno en uno y se reduce en

forma reversible un átomo de

hierro oxidado ( Fe 3+) a Fe 2+

 _{En el lado citoplasmático de la}_{En el lado citoplasmático de la} membrana se liberan 4

membrana se liberan 4

protones

(33)

ENERGIA

LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO

COMPLEJO IV

( CITOCROMO OXIDASA)

 _{Complejo proteico que cataliza la}_{Complejo proteico que cataliza la}

reducción de cuatro electrones del

02 para formar H20

 _Contiene:_Contiene:

a)

a) Subunidades ( 6 y 13)Subunidades ( 6 y 13)

b)

b) 2 átomos de cobre2 átomos de cobre

c)

c) Los átomos de hierro del hemo de Los átomos de hierro del hemo de los citocromos a y a3

los citocromos a y a3 d)

d) El átomo de hierro del cita3 esta El átomo de hierro del cita3 esta asociado a un átomo de cobre

asociado a un átomo de cobre

denominado CUB

 _{El citocromo c transfiere los}_{El citocromo c transfiere los}

electrones de uno a uno al cit a y

CUA, los electrones se ceden a

cit a3 y CUB

(34)

ENERGIA

FOSFORILACION OXIDATIVA



_{El proceso por el que la energía generada}

por la cadena de transporte electrónico se

conserva mediante la fosforilación del

ADP para dar ATP

(35)

ENERGIA

FOSFORILACION OXIDATIVA FOSFORILACION OXIDATIVA

TEORIA QUIMIOSTATICA DE ACOPLAMIENTO TEORIA QUIMIOSTATICA DE ACOPLAMIENTO

(MODELO DE MITCHELL) (MODELO DE MITCHELL)

 _{La energía libre que se libera en el}_{La energía libre que se libera en el}

transporte electrónico y la síntesis

de ATP se acopla por la fuerza

protón - motriz creada por la CTE

( las reacciones químicas pueden

acoplarse a los gradientes

osmóticos)

A.

A. Generación de un gradiente Generación de un gradiente electroquímico ( fuerza

electroquímico ( fuerza

protón-motriz) a través de la membrana

motriz) a través de la membrana

interna

B.

B. Los protones en exceso en el Los protones en exceso en el espacio intermembrana pueden

espacio intermembrana pueden

pasar solo a través de canales

especiales( se produce el flujo

termodinámicamente favorable a

través de un canal que contiene

actividad ATP sintasa ( síntesis de

ATP)

(36)

ENERGIA

CADENA RESPIRATORIA

EL NADH COMO AGENTE REDUCTOR

(37)

ENERGIA

LA CADENA RESPIRATORIA

EL FADH2 COMO AGENTE REDUCTOR

(38)

ENERGIA

FOSFORILACION OXIDATIVA

GRADIENTE DE PROTONES QUE GENERAN LOS SISTEMAS DE

TRANSPORTE ELECTRONICO



_{El ATP se sintetiza al}

fluir los protones a través

de la ATP sintasa



_{Se utiliza la perdida}

regulada de los protones

para impulsar varias

clases de trabajo

(39)

ENERGIA

SINTESIS DE ATP

 _{ATP sintasa ( complejo v)}_{ATP sintasa ( complejo v)}

estructuras localizadas en la estructuras localizadas en la

superficie interna de la membrana

interna

 _{Componentes principales:}_{Componentes principales:}

1.

1. La unidad F1 ( la ATPasa activa)La unidad F1 ( la ATPasa activa)

cinco subunidades diferentescinco subunidades diferentes

responsable de la síntesis de ATPresponsable de la síntesis de ATP

actividad catalíticaactividad catalítica

2.

2. La unidad Fo ( canal de La unidad Fo ( canal de

transmembrana para los protones)

posee tres subunidades presentesposee tres subunidades presentes

(40)

(41)

ENERGIA

SINTESIS DE ATP

ATP SINTASA

 _{Se requiere para la}_{Se requiere para la}

translocacion de 3 protones a

través de la ATP sintasa para

sintetizar cada molécula de

ATP

 _{Se requiere la transferencia de}_{Se requiere la transferencia de}

otro protón para el transporte

de ATP y OH- fuera de la

matriz intercambiados por

ADP y Pi

 _{El efecto de la fuerza protón-}_{El efecto de la fuerza protón-}

motriz es inducir un giro de

tres pasos de 120° de cada

una de las unidades Fo

(42)

ENERGIA



_{Se requieren cuatro protones para la síntesis de cada}

molécula de ATP;

a)

3 para impulsar el rotor de la ATP sintasa

b)

1 para impulsar el transporte hacia adentro del fosfato



_{El numero de moléculas de ATP que se sintetizan por}

cada molécula con poder reductivo:

a)

NADH : 2.5 moléculas de ATP

b)

(43)

ENERGIA

LA DEPENDENCIA ENTRE LOS PROCESOS

CTE Y DE SINTESIS DE ATP

(44)

ENERGIA

CONTROL DE LA FOSFORILACION OXIDATIVA

 _{Permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere}_{Permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere}

de inmediato para mantener sus actividades

 _{El transporte electrónico y la síntesis de ATP están estrechamente}_{El transporte electrónico y la síntesis de ATP están estrechamente}

acoplados

 _{Control de la fosforilación oxidativa por la concentración de ATP; las}_{Control de la fosforilación oxidativa por la concentración de ATP; las}

mitocondrias solo pueden oxidar el NADH y el FADH2 cuando hay

una concentración suficiente de ADP y Pi

 _{Control respiratorio ; control de la respiración aeróbica por ADP}_{Control respiratorio ; control de la respiración aeróbica por ADP}

 _{La formación de ATP parece estar fuertemente relacionada con el}_{La formación de ATP parece estar fuertemente relacionada con el}

cociente de acción de masas del ATP

(45)

ENERGIA

CANTIDADES DE ATP Y ADP DENTRO DE LAS

MITOCONDRIAS

Controladada :Controladada :

Proteínas de transporte de Proteínas de transporte de membrana interna;

membrana interna;

A.

A. Translocalizador ADP-ATP Translocalizador ADP-ATP ( antiporte ADP/ATP),

( antiporte ADP/ATP),

(nucleótido translocasa o ATP

translocasa)

proteína responsable del proteína responsable del intercambio 1:1 de ATP

intercambio 1:1 de ATP

intramitocondrial por ADP

producido en el citoplasma

B.

B. Translocasa de fosfato:Translocasa de fosfato:

el transporte de H2PO4- junto el transporte de H2PO4- junto con un protón se producen por