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Tema 12.- Introducción al metabolismo
Ciclo de materia y flujo de energía en la biosfera
Visión general del metabolismo: Catabolismo y anabolismo
Variación de energía libre. Compuestos ricos en energía: ATP
Oxidorreducción biológica. Sistemas de transporte electrónico.
Fosforilación oxidativa:
Estudio de la ATPasa mitocondrial.
Fotofosforilación
Objetivos;
Conceptos sobre vías metabólicas: Catabolismo y anabolismo
Significado del acoplamiento energético de reacciones enzimáticas: “una R
endergónica se produce si se acopla con otra R exergónica ∆GT < 0.
Comprender qué son los compuestos ricos en energía y calcular el potencial de
transferencia de grupos fosfato. Función del ATP.
Entender la función del NADH en la oxidación de nutrientes y como se efectúa el transporte
de e- en los complejos de proteínas transmembrana con grupos red-ox activos.
La Coenzima Q y el citocromo c son transportadores móviles de e- en la membrana.
Los H+ son traslocados a través de la membrana interna por los complejos I, III y IV.
La energía libre de la oxidación del NADH se conserva como un gradiente
electroquímico de H+(fuerza protomotriz), que activa a la ATP-asa.
2NADH + 2H+ + O2 transporte de 4e- 4 H2O Se traslocan 20 H+ 2,5 ATP
Introducción al metabolismo
Metabolismo:
Conjunto ordenado de
reacciones enzimáticas que se producen en
las células.
Conjunto de reacciones que transforman la
materia con intercambio de energía.
Las
reacciones
bioquímicas
organizadas en vías metabólicas.
están
Las vías metabólicas son
interdependientes y su actividad está
regulada y coordinada
Funciones del metabolismo:
Degradar las moléculas de los nutrientes
para obtener energía química (ATP)
Sintetizar las biomoléculas componentes de
las células, consumiendo energía (ATP).
ESQUEMA DEL METABOLISMO
Bioenergética:
Bases termodinámicas de las reacciones bioquímicas:
Variación de energía libre ∆Gº
Las células y los organismos vivos son sistemas abiertos que
intercambian materia y energía con su entorno.
1- Aprovechan la energía:
A partir de la energía solar (org. autótrofos)
A partir de componentes químicos (nutrientes) de su entorno (org. heterotótrofos)
2 - Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico.
Biosíntesis (anabolismo)
Trabajo mecánico (contracción muscular)
Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente)
Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso)
Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la
energía en los sistemas biológicos.
La única energía que pueden utilizar las células vivas (P y T = ctes)
es la energía libre
Energía libre de Gibbs (G)
Bioenergética
Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la termodinámica
Principio de conservación de la energía
Aumento natural del desorden, al realizarse un trabajo, una parte de la
energía se disipa en forma de calor.
∆G = ∆H - T ∆S
Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo
durante una reacción a temperatura y presión constantes
Entalpía (H): contenido calórico del sistema
∆H > 0
Reacción endotérmica (absorbe calor)
∆H < 0
Reacción exotérmica (libera calor)
Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema
∆S > 0
Aumenta entropía en el sistema
∆S < 0
Disminuye entropía en el sistema
Energía libre de Gibbs
Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y
presión constantes
Proporciona información sobre:
La dirección de la reacción química
Composición en el equilibrio
La cantidad de trabajo desarrollado
Variación de energía libre (∆G)
Predice si una reacción es factible o no
Reactivos
GR
Productos
GP
∆ G = GP - GR
∆G = 0
Proceso en equilibrio
∆G > 0
Reacción endergónica, consume energía
∆G < 0
Reacción exergónica, genera energía (espontánea)
Relación entre ∆G, ∆Gº y Keq
∆Go = variación de E libre en condiciones estándar.
Valor fijo para cada reacción
∆G = variación de E libre real. Es variable, depende [R] y [P] y de la Tª
∆G = ∆Go + RT ln
Si la reacción está en el equilibrio ∆G
0 = ∆Go + RT ln
[C] [D]
[A] [B]
=0
[C]eq [D]eq
[A]eq [B]eq
Si la reacción es en condiciones fisiológicas
(pH = 7)
∆Go = - RT ln Keq
∆Go’ = - RT ln K’eq
Compuestos ricos en energía y
Potencial de transferencia de ̴ P
El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exergónicas está
mediado por intermediarios de alta energía
Los compuestos ricos en energía:
Liberan la energía mediante la hidrólisis de un enlace y transferencia de
grupo (rotura de un enlace rico en energía ~)
Transfieren la energía en una sola reacción
Son aquellos que ceden una energía > 25 kJ/mol (potencial de
transferencia de grupo)
Potencial de transferencia de grupo:
Capacidad de un compuesto para de ceder “el grupo” a otra sustancia.
Se mide por la energía libre desprendida en la hidrólisis del enlace del
grupo a transferir (alta energía).
Grupos transferidos en reacciones bioquímicas: Fosfato, Acilo, metilo, etc.
ATP:
5’-Adenosina trifosfato: estructura y función
Adenina
Enlace fosfoéster
Enlace
fosfoanhidro
5´-Adenosina trifosfato
Ribosa
ATP = Nexo entre los
procesos dadores de
energía y los procesos
biológicos consumidores
de energía.
Desarrolla:
- trabajo químico y
- trabajo biológico
Compuestos fosfato ricos en energía
Fosfoenolpiruvato
piruvato + Pi
∆G´o = -63 kJ/mol
1,3-Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato + Pi
∆G´o = -49,3 kJ/mol
Fosfocreatina
Creatina + Pi
∆G´o = -43 kJ/mol
Fosfoenolpiruvato
∆G´o de hidrólisis (kJ/mol)
1,3-Bisfosfoglicerato
Fosfocreatina
Compuestos Fosfato de
alta energía
ATP
Compuestos Fosfato de
baja energía
Glucosa-6-fosfato
Glicerol-3-fosfato
Flujo de grupos P
Dadores de P de alta energía
ATP
Aceptores de P de baja energía
Metabolismo = catabolismo + anabolismo
Catabolismo
Anabolismo
Ejemplo de acoplamiento energético:
papel del ATP
ATP
∆G´o2
∆G´oTOTAL = ∆G´o1 + ∆G´o2 = 13,8 + (-30,5) =
= -16, 7 kJ/mol
ADP
= -30,5 kJ/mol
∆G´o1 = 13,8 kJ/mol
Glucosa
Glucosa + Pi
ATP + H2O
Glucosa + ATP
Glucosa 6-P + H2O
ADP + Pi
Glucosa 6-P + ADP
Reacción global exergónica
Glucosa 6-P
El ATP es un índice de la carga energética celular
La [ATP] + [ADP] + [AMP] en el interior celular es constante
[ATP] + ½ [ADP]
Carga energética celular =
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Velocidad relativa
Vía generadora de ATP
Vía utilizadora de ATP
Carga energética
T 12B.- Oxido-reducción biológica
Las células oxidan los nutrientes orgánicos para generar ATP,
necesario para su trabajo útil.
Perdida de electrones = Oxidación
A
A+ + eoxidado
Ganancia de electrones = Reducción reducido
El flujo de electrones en el metabolismo se canaliza a través de
intermediarios metabólicos y de transportadores (COENZIMAS REDOX) que
convierten la energía del flujo de e- (∆ Eo) en energía química (∆ Go): ATP.
Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una fuente de electrones. Su
degradación producirá la coenzima reducida NADH
CO2
NAD+
FAD
NADH
FADH2
∆ Eo
∆ Go
∆ Go
H2O
ATP
Potencial de reducción: Eo
Fe2+ (donador) / Fe3+ (aceptor): par redox conjugado
NADH (donador) / NAD+ (aceptor):
par redox conjugado
Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e En condiciones estándar ( Eo ):
25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M
H + + e-
Eo = 0 V
½ H2
En condiciones fisiológicas pH = 7 ( Eo´ )
Patrón o par estandar
Eo(H+/1/2H2) = 0,42 V
•Tendencia a adquirir e- > par estándar Eo´
+
Mucha afinidad por e- ->OXIDANTE
•Tendencia a adquirir e- < par estándar Eo´
-
Poca afinidad por e- ->REDUCTOR
Los e- fluyen desde las especies reductoras, con un Eo´ más electronegativo (- Eº’)
a las especies oxidantes, con un Eo´ más electropositivo (+ Eº’).
Potencial de reducción e ∆Gº (ejemplo)
Los potenciales de reducción estándar de los compuestos permiten
calcular la ∆Gº de la reacción redox
Piruvato + NADH + H+
Lactato + NAD+
Semirreacciones:
Piruvato + 2H+ + 2e-
Lactato
NADH - 2H+ - 2e-
NAD+
Eo´ = -0,19 V
Eo´ = -0,32 V
∆Go´ = - n F ∆E
∆ o´
n = nº de e- cedidos = 2,
F = 96,48 kJ/mol V
∆Eo´ = Eo´ (aceptor e-) – Eo´ (donador e-)
∆Eo´ = Eo´ (oxidante) – Eo´ (reductor)
∆Eo´ = -0,19 – (-0,32) = 0,13 V
Piruvato acepta e- del NADH
∆Go´´ = -2 (96,5 kJ/mol V) (0,13 V) = -25,09 kJ/mol
La reacción es espontánea en condiciones estándar: [ ]= 1M, 25ºC y pH 7
Respiración mitocondrial
• Las células aeróbicas consumen O2 y lo reducen a H2O
con los e- procedentes de la oxidación de nutrientes
(NADH, FADH2).
TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL:
Se da en la membrana interna mitocondrial a través de una
serie de transportadores de e- (componentes de la cadena
respiratoria) que llevan los e- desde las coenzimas reducidas
(NADH, FADH2) hasta el O2.
Membrana interna
Es impermeable a casi todos los iones,Se pliega en crestas
Contiene los componentes de la cadena de transporte
de e-, desde el NADH hasta el O2. y la ATP sintasa
Durante la transferencia de e- desde el NADH, o el
FADH2 , hasta el O2 se genera un bombeo de H+ hacia el
espacio
intermembranoso,
originando
una
fuerza
protomotriz (H+-motriz) que activa a la ATP-sintasa.
• La fosforilación oxidativa consiste en la fosforilación
del ADP hasta ATP por la ATP-sintasa, activada por
los H+ (fuerza proton-motriz).
• constituye la fuente más importante de ATP en los
organismos aerobios
La oxidación del NADH se produce en la cadena respiratoria
mitocondrial
Formada por complejos
proteicos y otros transportadores
1.- Transporte de
electrones desde el NADH
• Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa
• Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa
• Complejo IV: Citocromo c oxidasa
2.- Transporte de electrones
desde el FADH2
• Complejo II: Succinato CoQ
reductasa
• Otras proteínas similares:
- glicerol-P-deshidrogenasa
- acil-CoA-deshidrogenasa
Compuestos
redox
Otros componentes de la cadena respiratoria
Transportadores de electrones
Coenzimas:
NAD+
NADP+
Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas
FMN
FAD
UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético)
Quinonas: Transportadores en medio lipídico (membranas)
Ubiquinona = Co Q = Q
Citocromos:
Proteínas con grupo prostético hemo
Centros ferro-sulfurados
Proteínas con Fe asociado a átomos de S
algunos transportadores de e- están asociados a proteínas y forman lo
que llamamos Complejos: I, II, III y IV
Coenzimas transportadoras de e- :
DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA
NADH (coenzima soluble)
o
NADH
(reducido)
NAD+
(oxidado)
Adenina
NAD+ + 2H+ + 2e-
AH2 + NAD+
Coenzima de oxidorreductasas o
deshidrogenasas
Responsable entrada e- por el complejo I
NADH + H+
A + NADH + H+
MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA y
DINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA
FMN FAD
FMN y FAD (coenzimas NO solubles,
ligadas a proteínas)
Anillo de isoaloxazina
FMN
.
.
FADH (FMNH )
(semiquinona)
FADH2 (FMNH2)
(totalmente reducido)
FAD
FMN presente en complejo I
FADH2 entrada de e- por el complejo II
FAD + 2H+ + 2e-
FADH2
FMN + 2H+ + 2e-
FMNH2
COENZIMA transportadora de e- :
Ubiquinona, Coenzima Q, CoQ
Unidades de ISOPRENO
Ubiquinoa (Q)
Totalmente oxidada
Lípido isoprenoide
Radical Semiquinona
Parcialmente oxidado
QHo
Difunde libremente por la membrana
No está ligado a ninguna proteína
Ubiquinol
Totalmente reducido
QH2
Puede transferir 1 e- o 2 e-
Método: Extraible con isooctano
Proteínas con transportadores de e- :
Citocromos (HEMO)
Proteínas con un grupo hemo
Transfieren 1 e- mediante la
oxidorreducción del Fe (2+, 3+)
Clasificación según su espectro de absorción: a, b, c
Citocromos a y b están en LOS complejos III y IV
Citocromo c es una proteína soluble, se asocia con la membrana interna
Proteínas con centros ferro-sulfurados
Proteínas con Fe en forma NO HEMO sino asociado a átomos de S de los
residuos de cisteína en las proteínas
Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe
Fe-S
2Fe-2S
4Fe–4S
NADH CoQ reductasa
Transfieren 2 e- desde diversos
sustratos (succinato, glicerol-3-P,
Acil-CoA) que son oxidados por
estas enzimas, y los e- van a
través de FAD y por grupos
ferrosulfurados hasta la CoQ
Transfiere 2 e- desde el NADH hasta
la CO Q, pasando por FMN y por
grupos ferosulfurados (Fe-S) en el
complejo proteico
Enzimas tipo complejo II
• succinato CoQ reductasa
• Glicerol-3-P desHasa
• Acil-CoA desHasa
CoQ cit c reductasa
Cit c oxidasa
Transfiere 2 e- desde la CO Q hasta
el cit c, pasando por los cit b y c1 y
por grupos ferosulfurados
Los e- se transfieren aquí de 1 en 1
Transfiere e- desde el citocromo c (4 viajes)
hasta el O2, pasando por dos grupos de
Cu y por los citocromos a y a3.
A) 2NADH 4e- O2 2H2O
Bombean 20 H+ 5 ATP
B) 2FADH2 4 e- O2 2H2O
Bombean 12 H+ 3 ATP
Potenciales de reducción de los pares red-ox
transportadores de e- en la cadena respiratoria
REACCIÓN
E0‘
•NAD+ / NADH + H+
-0.32
•Flavoproteina-FMN
(ox) / Flavoproteina-FMNH2 (red)
-0.30
Piruvato / Lactato
–0.18
Acetaldehido / Etanol
-0.16
Oxalacetato / L - malato
-0.166
•Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red)
+0.04
•Citocromo C (ox) / Citocromo C (red)
+0.25
•Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red)
+0.55
•½ O2 / H2O
+0.82
[ H+]
FADH2
[ H+]
[ H+]
Determinación de la secuencia con
Inhibidores del transporte electrónico
Impiden el paso de e- a través de los transportadores de la
cadena respiratoria,
interrumpiendo en consecuencia la forforilación oxidativa.
NADH → FMN
CoQ → cit b → cit c1 → cit c → cit a → cit a3 → O2
FADH2
Transportadores reducidos y transportadores oxidados
Rotenona
barbitúricos Amital
Azida
Teoría quimiosmótica de Mitchel: Los Complejo I, III, y IV generan un
gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que activa la ATP sintasa
La FUERZA PROTÓNMOTRIZ, en el espacio
intermembranoso, tiene
dos componentes
El gradiente de carga potencial eléctrico = ∆Ψ
El gradiente de [ H+ ] potencial químico = f(pH)
BALANCE:
A) 2NADH 4e- O2
Bombean 20 H+ 5 ATP
B) 2FADH2 4 e- O2
Bombean 12 H+ 3 ATP
Agentes desacoplantes
DISIPAN LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ y
p-DNF
p-dinitrofenol
desacoplan la fosforilación oxidativa del TEM, por
tanto bajan el rendimiento de la síntesis de ATP
Los agentes desacoplantes son
sustancias que introducen H+ desde el
espacio intermembranoso hacia el interior
mitocondrial.
El p-DNF entra en las células en estado
molecular y en el interior se disocia.
En el espacio intermembranoso (pH inferior) se
protona y entra a la mitocondria, en el interior
hay un pH superior y se disocia.
La gramicidina A es un ionóforo
ATP sintasa: la subunidad F0 la ancla a la membrana y la F1 en la matriz
mitocondrial
El anillo c gira con el paso de H+
El giro de “γε
γε”
γε provoca cambios
conformacionales en las subunidades αβ
F1= α3 β3 γ δ ε
F0= a b2 c12
Las 3
unidades β de
la ATP sintasa
no son
equivalentes,
la rotación de
“γγ−ε” las
cambia la
conformación.
Según va girando el complejo por el paso de H+ las
unidades β cambian de conformación:
L: une ADP y Pi; T: sintetiza ATP; O: libera ATP
Transportadores de iones a través de la membrana interna mitocondrial
El ATP sintetizado en el interior
Espacio
intermembranoso
mitocondrial debe de exportarse al
citoplasma para cumplir allí con las
necesidades propias
-Esto se hace con un sistema
antiporte:
1 ATP sale y 1ADP
entra a refosforilarse
- Hay otro sistema simporte que
importa Pi y H+
Traslocasa
de
nucleotidos
de adenina
(antiporte)
ATP
sintasa
Traslocasa
de fosfato
(simporte)
DENTRO de la
Matriz
La síntesis de materia orgánica en la biosfera (glúcidos: Gal-3-P; F-6-P)
se efectúa en base a la energía hν
ν en los organismos fotosintéticos.
FOTOSÍNTESIS: se produce en los cloroplastos que poseen un
sistema de membranas altamente organizado, los tilacoides, dentro
del estroma.
En la FOTOSÍNTESIS se pueden diferenciar dos tipos de
procesos:
1- FOTOFOSFORILACIÓN: conversión de la energía
lumínica en energía química: ATP Y NADPH.
2- SÍntesis de glúcidos. Ciclo de Calvin.
1.En las membranas tilacoides de los
cloroplastos hay pigmentos que absorben la
luz y toman e- del H2O, los activan y los
transportan hasta generar NADPH.
Además, el paso de e- por algunos
complejos transportadores procura un
gradiente de H+ entre el interior tilacoidal
y el estroma.
La fuerza protón-motriz activa a la ATP-asa y
se obtiene ATP.
LOCALIZACIÓN DE LA FOTOFOSFORILACIÓN
La fotofosforilación se produce en los fotosistemas y los complejos proteicos
situados en las membranas tilacoides.
Las reacciones del ciclo de Calvin o fase oscura se producen en el estroma.
ESTRUCTURA y
MICROGRAFÍA DE UN
CLOROPLASTO
Localización de los componentes que
realizan la fotofosforilación.
Se distribuyen en las regiones
apiladas de las membranas tilacoides
1) FOTOFOSFORILACIÓN = Generación de energía química:
ATP y de NADPH
En los cloroplastos existen 2 fotosistemas (I y II) compuestos por pigmentos: clorofilas
y otros.
Iluminados los dos funcionan de forma concertada, así que:
ESQUEMA EN Z.- los fotosistemas
absorben los fotones y se
activan
- en los sistemas
activados, la energía se
utiliza para extraer los edel H2O
- los e- se transportan
hasta generar NADPH
- con el transporte de ese impulsan los H+ a
través de la membrana
tilacoide.
- el gradiente de H+
generado activa a la ATPasa para producir ATP.
Los pigmentos fotosintéticos (clorofilas, carotenoides, etc.) absorben
fotones debido al sistema de dobles enlaces conjugados
Esquema de los fotosistemas
en los fotosistemas
ESPECTROS DE ABSORCIÓN de
las CLOROFILAS a y b
Los e- fluyen desde el FS II al FS I y atraviesan el complejo citocromo bf, que es una bomba de
H+.
TRANSPORTADORES: Ph: feofitina; Qa y Qb: plastoquininas y PC: plastocianina
En el FS I, la absorción de luz induce la transferencia de e- desde el H2O a través del P700 a la
ferredoxina-reductasa por una C.T.E.
TRANS.: clorofila, una quinona y complejos 4Fe-4S.
Los dos fotosistemas
tienen que funcionar,
absorbiendo fotones,
para que se
produzca un flujo
ininterrumpido de edesde el H2O hasta
el NADP+.
Estroma
SE GENERA
NADPH Y ATP
en el estroma
FOTOFOSFORILACIÓN cíclica y no cíclica (generación de ATP)
Fotofosforilación cíclica: Absorbe
fotones sólo el FS I y la Ferredoxina
reducida puede pasar los e- a la cadena
PQ, cyt bf, PC y de nuevo caer los e- al
propio FS I, cerrando el ciclo.
Al pasar los e- por el complejo cyt bf se
produce el bomneo de H+, que permite
activas a la ATP-asa
Se genera ATP
Fotofosforilación no cíclica, cuando los dos fotosistemas absorben luz simultáneamente
Se genera ATP y NADPH