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Segunda solemne bioquímica Bioenergética Estudio cuantitativo de la energía necesaria para que ocurran los procesos químicos dentro de la célula. Estas transformaciones de energía obedecen las leyes de la termodinámica: 1. Conservación de energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. 2. Entropía: en el universo siempre se tiende a incrementar el desorden (proceso natural). La entropía tiende a aumentar, por lo que entre más desorden haya más favorable será la reacción. Clasificación de reacciones químicas Exergónicas: reacciones espontáneas que liberan energía, por lo que son favorables, lo que quiere decir que a penas la enzima encuentre sustrato creará producto. Endergónicas: reacciones NO espontáneas que requieren de energía para ocurrir, por lo que NO son favorables.

Parámetros termodinámicos

ΔG Donde:

= ΔH

–

T°

*

ΔS

G: energía libre de Gibbs, “decide” si ocurrirá o no la reacción dependiendo de su valor: - Reacción favorable: ΔG debe ser negativo, por lo tanto, ΔH debe ser negativo y ΔS positivo. - Reacción NO favorable: ΔG será positivo. H: entalpía, calor asociado a la reacción. T°: temperatura en Kelvin. S: entropía, desorden asociado. Energía libre de Gibbs: mide la energía asociada a una reacción química disponible para realizar un trabajo. Si ΔG es: - Negativo: la reacción será exergónica, es decir, favorable y espontánea, por lo que liberará energía. G productos < G sustratos - Positivo: la reacción será endergónica, es decir, NO será favorable ni espontánea, por lo que requiere de energía para ocurrir. G productos > G sustratos Entalpía: asociada al calor de una reacción. Si ΔH es: - Negativo: la reacción será exotérmica, es decir, liberará calor. H productos < H sustratos - Positivo: la reacción será endotérmica, es decir, requerirá de calor. H productos > H sustratos

Entropía: desorden asociado a una reacción. Si ΔS es: - Negativo: la reacción será endergónica, por lo tanto, NO será favorable. S sustrato > S producto

- Positivo: la reacción será exergónica, es decir, favorable. S sustrato < S producto

Energía libre estándar: está relacionada a la concentración (Keq) de sustrato y producto, por lo que se trata de otra forma de medir si las reacciones están ocurriendo o no dentro de la célula.

ΔG’0: -RTInKeq Keq = Entonces si… Keq > 1 Keq < 1 Keq = 1

Reacción Favorable Desfavorable En equilibrio

ΔG Negativo Positivo Cero

Simbolización A+BC A+BC A+B=C

Reacciones acopladas: para que las reacciones endergónicas puedan ocurrir, se deben unir a las exergónicas, las cuales arrastrarán a las primeras para que también puedan suceder.

Ejemplo:

Rol del ATP como molécula de energía La molécula de ATP es capaz de generar energía debido a que sufre una hidrólisis, la cual ocurre en los siguientes pasos: 1. Con ayuda algunas corta el del grupo quedando separada manera:

de H2O y enzimas, se último enlace fosfato γ, la molécula de la siguiente

2. Como se puede ver, luego del corte queda un Pi y un ADP 2-, ambas moléculas resultan ser ácidas en un pH de 7,2, por lo tanto, se desprotonarán y quedarán cargadas. 3. Gracias a que las moléculas soltaron un H +, el ADP2- quedará ionizado en un pH de 7,0, y el Pi se estabilizará por resonancia. 4. Debido a la gran cantidad de cargas parciales y cargas completas que tienen estas dos moléculas, atraerán al agua, las cuales generarán un campo de fuerza alrededor de estas, dejándolas solvatadas y MUY estables.

¿Por qué la hidrólisis del ATP es tan estable?  Porque sus productos se estabilizan por resonancia.  Porque al tener cargas y cargas parciales sus productos son rodeados por agua, por lo que son solvatadas (otra característica que genera estabilidad).  Por que el ΔG de la hidrólisis es de -30,5 KJ/mol, por lo que es MUY favorable.

OJO: el ATP no es la única molécula que entrega energía, sino que hay muchas más que también lo hacen. El proceso que sufren es exactamente el mismo, ya que también tienen su grupo P expuesto, lo que facilita su “corte”.

También existe compuestos que NO tienen P, pero que de todas formas entregan energía. Un ejemplo es la Acetil-CoA, que tiene dos carbonos y una coenzima A, cada vez que corto este último componente, el compuesto queda como ácido acético, el cual libera un protón y se ioniza. Finalmente, el acetato se estabiliza por resonancia, liberando así mucha energía.

Hidratos de carbono Funciones Energética: funcionan como combustible rápido e inmediato, por lo que son una fuente de energía primaria, la cual se obtiene por fermentación y respiración celular. Hay 3 hidratos de carbono genéticamente importantes: - Glucosa: hidrato de carbono más común. - Glucógeno: es como se almacenan las fuentes de hidratos de carbono en el hígado y el músculo esquelético. - Almidón: es lo mismo que el glucógeno, pero en plantas. Estructural: forman las paredes celulares de bacterias, hongos y plantas, y se encuentran en los tejidos mesodérmicos. Informativa: cumplen una función de reconocimiento (glucocálix), y se encuentran en ADN y ARN. Características: - Están formados por C, H, O. - Su fórmula general es CnH2nOn. - Químicamente son polihidroxialdehídos además, cuentan con muchos grupos OH. Clasificación de los hidratos de carbono

y

polihidroxicetonas,

Monosacáridos: son las azúcares más pequeñas, se clasifican en dos: - Aldosas: tienen un grupo aldehído (CHO) en el carbono 1. - Cetosas: tienen un grupo cetona (C=O) en el carbono 2.

Isómeros: se dan cuando dos (o más) monosacáridos tienen la misma cantidad de átomos, pero distinta estructura. En estos, la diferencia que existe es el cambio de posición de los OH de los carbonos quirales.

- Carbono quiral: TODOS sus sustituyentes son distintos.

Epímeros: se dan cuando cambia SOLO UN OH de posición.

Formación de anillos: los azúcares son más estables en anillos que en forma lineal, por lo que, al entrar al cuerpo, con la ayuda de muchas enzimas, sufre un proceso para adoptar esta forma: 1. Se une un grupo OH con el carbono funcional (aldehído o cetona) mediante un enlace llamado hemiacetal. 2. Cuando la estructura se cierra, el grupo aldehído se desarma, quedando finalmente un OH unido a un carbono funcional, el cual pasará a llamarse anomérico. 3. Cuando la estructura ya está completamente ciclada, el OH puede tomar dos posiciones:

A pesar de que el OH queda en distintas posiciones, estos NO son epímeros, sino que son ANÓMEROS. Anómeros: azúcar ciclada que puede tener un OH arriba (β), o abajo (α). En la célula (sobre todo en eucariontes mamíferos) SIEMPRE encontramos la forma α. Un azúcar ciclada puede formar dos tipos de anillos: - 5C: piranos, unen el penúltimo OH con el grupo funcional. - 4C: furano, une al OH del carbono 4 con el grupo funcional.

Enantiómeros: molécula que tiene una imagen especular, es decir que TODOD los OH unidos a carbonos quirales cambiarán de posición. Ejemplo:

Diasteroisómeros: NO tienen una imagen especular, es decir, NO cambian todos los OH, solo cambia 1, 2, 3, pero NO TODOS.

Disacáridos: son dos azúcares pegadas mediante una reacción de condensación por un enlace glucosídico. Une al grupo funcional del azúcar 1 con el OH del azúcar 2. Hay dos tipos de enlaces glucosídicos: el enlace alfa va “hacia abajo” y el beta “hacia arriba”.

Ejemplos de moléculas importantes con enlace α: - Sacarosa: glucosa + fructosa. - Lactosa: glucosa + galactosa. - Maltosa: glucosa + glucosa.

Polisacáridos: largas cadenas de monosacáridos polímeros de gran tamaño, como, por ejemplo:

que

forman

- Glicógeno. - Almidón. - Celulosa: componente de la pared celular de células vegetales, tiene enlaces β glucosídicos, por lo que el ser humano es incapaz de degradarla. Los polisacáridos se pueden dividir en:

Glicógeno:

homopolisacárido (contiene solo glucosas) ramificado.

Celulosa: homopolisacárido NO ramificado. Tiene un enlace glucosídico β 1,4.

Metabolismo de los hidratos de carbono

Glicógeno, solo ocurre en células del hígado y músculo esquelético Puede ser almacenada

Oxidación vía pentosa fosfato

El objetivo es formar Ribosa – 5- fosfato, azúcar importante para ARN y AND. Ocurre en

Glucosa Oxidación li óli i

vía

El objetivo de la glucólisis es formar ATP y piruvato. Ocurre en todas las él l

¿Cuándo se hará glicólisis? - Cuando el objetivo sea formar ATP (energía). Esta ocurre en el citoplasma de la célula mediate 10 reacciones sucesivas en donde se forma:  Poca cantidad de ATP (2).  Piruvato: dependiendo de la cantidad de oxígeno que haya, se harán distintos procesos. Sin oxígeno: fermentación, no genera energía. Con oxígeno: respiración celular, se produce la mayor cantidad de energía.

Glucólisis: convierte a una molécula de glucosa en dos de piruvato, por lo que es un proceso catabólico y exergónico (libera energía). Este proceso cuenta con dos fases: - Preparativa: se prepara la glucosa para que pueda ser cortada por la mitad, por lo que este proceso consume ATP.

- Productiva: se comienzan a generar los productos (ATP y piruvato).

Fase preparativa o preparatoria: en esta fase se usarán dos moléculas de ATP y una de glucosa como sustratos. De las 10 reacciones sucesivas, las que pertenecen a esta etapa son las que van de la 1 a la 5. - Reacciones 1 y 3: IRREVERSIBLES, ya que, utilizan ATP, y, además, su enzima es una quinasa, por lo que solo pueden ir en ese sentido. - Reacciones 2, 4 y 5: REVERSIBLES. Fase productiva: comienza cuando la molécula ya está dividida justo por la mitad. Comprende las etapas de la 1 a la 6, y deja los siguientes productos: -

2 2 4 2

piruvato. Productos principales, NADH sirven para la ATP moléculas de agua (no sirve a nivel energético).

OJO: cuando quiero hacer energía, voy en una sola dirección. Sin embargo, mi cuerpo también es capaz de generar glucosa en situaciones extremas, y lo hace “dando vuelta” las reacciones 1 y 3, haciendo que sean irreversibles. Esto es otro proceso distinto a la glucólisis, el cual sí o sí se debe efectuar con otras enzimas para las fases 1 y 3.

¿Cuánto es el ATP neto de a glicólisis? Durante la fase preparativa se gastarán 2 moléculas de ATP, mientras que en la productiva se generarán 4 moléculas de ATP, sin embargo, si hacemos el cálculo de producción neta, solo obtendríamos 2 ATP. Cualquier monosacáridos generará la misma cantidad de energía que la glucosa, por ejemplo, galactosa. La maltosa, galactosa y sacarosa generarán 4 ATP netos, ya que, son disacáridos. Los pentasacáridos, por ejemplo, generarán 10 ATP netos.

Enzimas importantes Consumes ATP: - Rx 1: hexoquinasa. - Rx 2: fosfofructoquinasa.

Fase preparativa

Producen ATP: - Rx 7: fosfoglicerato quinasa. - Rx 10: piruvato quinasa. Fase productiva - Rx 6: gliceraldehído 3P deshidrogenasa.

Producen NADH:

Fase preparativa Reacción 1: catalizada por la enzima hexoquinasa, quien transfiere grupos fosfatos. Esta reacción también es llamada reacción de fosforilación.

Hexoquinasa: cuando aumenta la concentración de glucosa en la sangre, se secreta insulina, quien es la encargada de regular estas concentraciones uniéndose a células con transportadores GLUT, los cuales “abren su tapa” permitiendo la entrada de la glucosa, sin embargo, estas se pueden escapar, y para que eso no pase actúa la hexoquinasa, quien les agrega un grupo fosfato, impidiendo así su salida.

Reacción 2: catalizada por la fosfohexosa isomerasa, la cual formará isómeros, es decir, reordenará la estructura de la molécula.

Reacción 3: esta es la reacción más IMPORTANTE. Esta catalizada por la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1), la cual funciona como punto de control: - Si está activa: se continuará con el proceso de glicólisis. - Si NO está activa o se encuentra inhibida: NO se hará glicólisis.

Reacción 4: catalizada por la aldolasa, a cual corta la fructosa 1,6 – bifosfato.

Reacción 5: catalizada por la triosa fosfato isomerasa, quien convertirá a la Dihidroxiacetona fosfato en Gliceraldehído 3 fosfato.

Fase productiva Reacción 6: aquí se generará NADH como producto y 1,3 Bifosfato glicerato (recordar que desde ahora en adelante todos los productos serán x2, ya que, hay dos moléculas de Gliceraldehído 3 fosfato).

Esta reacción: - Es una reacción de óxido reducción. - Es la única enzima deshidrogenasa de la glicólisis, por lo que esta es la única reacción de la glicólisis en la que se produce NADH.  Si hay oxígeno: NADH servirá para formar un poco más de energía.  Si NO hay oxígeno: NADH no se utilizará para formar más energía. Reacción 7: en esta reacción, catalizada por la fosfoglicerato quinasa, se produce ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato.

Fosforilación a nivel de sustrato: producción de ATP a partir de ADP combinada a una transformación enzimática de un sustrato.

Reacción 8: catalizada por la P – glicerato mutasa (isomerasa), la cual cambia de posición al grupo fosfato para dejarlo expuesto y generar ATP.

Reacción 9: catalizada por la enolasa (liasa), la cual sacará una molécula de agua para generar un doble enlace con el fin de que el grupo fosfato quede MUY expuesto y cortarlo sea más fácil. Reacción 10: catalizada por la enzima piruvato quinasa, la cual es IRREVERSIBLE y “decide” si se hace o no la glicólisis, por lo que se debe regular constantemente. Aquí se forma ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

Fosforilación a nivel de sustrato: ocurre cuando hay una molécula (sustrato) con un grupo fosfato muy expuesto. Este se hidrolizará y posteriormente será transferido para formar ATP. - Fosfoglicerato quinasa + piruvato quinasa: producen ATP. - PFK – 1 y hexoquinasa: gastan/consumen ATP.

Regulación de la glicólisis: las enzimas que deben ser reguladas son las de los pasos IRREVERSIBLES: Hexoquinasa (reacción 1): es inhibida por la glucosa – 6 – fosfato, que es su producto. Si este se acumula, entonces la hexoquinasa dejará de producirlo hasta que sea nuevamente necesario. Inhibición por producto. Fosfofructoquinasa (reacción 3): es inhibida por altas concentraciones de ATP y citrato, pero es activada por AMP. Si yo tengo mucho AMP, entonces tengo poco ATP porque lo estoy gastando, por lo tanto, necesito producir más.

 Hay más ATP que AMP, por lo tanto, NO ocurre la glicólisis.  Hay más AMP que ATP, por lo tanto, SÍ se producirá la glicólisis. Por otro lado, la PFK1 también será inhibida de manera alostérica por la fructosa 2,6 bifosfato. Cuando aumenta la concentración de la glucosa en la sangre, se libera insulina, la cual activa la formación del modulador alostérico. - Cuando la fructosa 2,6 bifosfato esté unida a la PKF1, esta estará activa, por lo que sí se producirá la glucólisis. - Sin su modulador, estará inactiva, por lo que no se producirá la glucólisis. Piruvato quinasa (reacción 10): se inhibe por altas concentraciones de ATP y AcetilCoA. Si hay mucho ATP, entonces no ocurrirá la glicólisis, ya que, sobra el producto final, en cambio, si este falta, entonces el proceso se volverá a activar.

Una vez listo el piruvato, este puede seguir dos caminos dependiendo de si tiene oxígeno o no:

Cuando la célula NO cuenta con oxígeno, entonces seguirá el camino de la fermentación, que tiene como principal objetivo recuperar los niveles de NAD+ para que las reacciones de la glicólisis no se detengan. Hay dos tipos de fermentación:

Alcohólica: el piruvato se convierte en etanol, dando como producto NAD+. Aquí ocurren dos reacciones: - Rx 1: ocurre una descarboxilación (enzima piruvato descarboxilasa), lo que forma al intermediario acetaldehído. - Rx 2: toma NADH para formar + NAD y etanol.

Láctica: ocurre en células eucariontes y algunos m.o. Aquí en una sola reacción de oxido reducción (enzima lactato deshidrogenasa), el piruvato se convierte en lactato, formando también NAD +.

Cuando el piruvato cuenta con oxígeno, entonces entrará al complejo piruvato deshidrogenasa, el cual cuenta con 3 unidades, las cuales tienen una tarea específica cada una: - E1: piruvato deshidrogenasa, aquí ocurre la descarboxilación oxidativa del piruvato gracias a la enzima TPP (Tiamina Pirofosfato), y entrega como producto CO2. - E2: dihidrolipoil transacetilasa, aquí ocurre la SÍNTESIS de A-Coa gracias a la enzima Lipoato y a la CoA. Hay una transferencia de 2 carbonos. - E3: dihidrolipoil deshidrogenasa, aquí actúan FAD y NAD+ para entregar productos como NADH.

¿Cómo se hace la Acetil-CoA? - La CoA se encuentra dentro de la mitocondria, y sirve para que el E2 pueda pegarle los dos carbonos sobrantes del piruvato a su azufre, formando así la Acetil-CoA. OJO: en un principio, el piruvato cuenta con 3 carbonos, sin embargo, cuando entra a E1 se le quita uno, y los dos restantes son los que se le pegan a la CoA.

E1: aquí se cortará el grupo carboxilo del piruvato (primer carbono que sale), liberando así un CO2 debido a la descarboxilación. Lo que quedó de piruvato se pegará a la TPP, quien se encargará de transferir los 2 carbonos sobrantes al E2. E2: cuenta con una enzima llamada Lipoato, la cual tiene la siguiente estructura:

Sin embargo, cuando llegan los dos carbonos que fueron transferidos por la TPP, se abre el puente que une a los dos azufres para poder recibir a estos forasteros, quedando de esta manera:

Finalmente, la E2tomará del medio CoA para poder transferirle los dos carbonos por medio de una reacción de transesterificación (transferencia de un grupo éster), formando así el A-CoA. Cuando el Lipoato entrega a los dos carbonos, queda en estado reducido, sin embargo, debe poder volver a su estado oxidado para seguir recibiendo moléculas de carbono.

E3: reacciones de oxido – reducción. En su sitio activo, E3 tiene una molécula de FAD, la cual deshidrogenará (sacará H) del Lipoato para

que este se oxide y pueda volver a su función principal: captar las dos moléculas de carbono. Cuando ocurra esta reacción, FAD se convertirá en FADH 2, pero estará pegado a E3, por lo que no podrá volver a cumplir su función a no ser que se recupere el FAD. Para eso, E3 tendrá una segunda reacción de oxido – reducción (deshidrogenación), donde tomará una molécula de NAD+ del medio para que pueda robarle los 2 hidrógenos de FADH 2, dando, así como producto NADH + H+.

La reacción que convierte al piruvato en Acetil-CoA tiene un ΔG MUY negativo, por lo que es una reacción IRREVERSIBLE de un solo sentido.

Productos de la descarboxilación oxidativa - Co2. - Acetol – CoA. - NADH. Complejo piruvato deshidrogenasa Se inhibe por: - Altas concentraciones de ATP y NADH. - Inhibición por producto (los mencionados arriba).

- Regulaciones no alostéricas o por modificación covalente: se le agrega un grupo P a E1 de manera covalente para que CPD deje de funcionar. - Regulación hormonal: insulina y glucagón. - Regulación por ácidos grasos: ocurrirá cuando usemos ácidos grasos para sintetizar A-CoA por medio del corte de los primeros. CPD se desactiva ya que se utiliza otra vía. Se activa cuando: - Se desfosforila E1. - Hay altas concentraciones de AMP y NAD +, ya que quiere decir que no hay ATP ni NADH, con el cual se hace A-CoA.

Ciclo de Krebs Completa el metabolismo del piruvato, el cual comenzó en la glicólisis. Su principal objetivo es formar poder reducto (NADH y FADH 2), los cuales entregarán electrones a la cadena transportadora para formar ATP. Productos: - 3 NADH - 1 FADH2 - 1 ATP

Por cada molécula de A-CoA

Reacción 1: catalizada por la enzima citrato sintasa (debe ser muy b...