BIOENERGÉTICA

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Estudiaremos la energía que utiliza la célula y cómo la obtiene.

ENERGÍA Y TRABAJO

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo.

En bioquímica se habla principalmente de dos tipos de energía: energía calorífica y energía química.

La energía calorífica se mide en calorías, aprovecha la diferencia de calor que existe entre 2 sistemas; la energía química se libera cuando los enlaces entre distintos átomos, que forman una molécula, se rompen o se transforman

Cuando se dice que se “libera” cierta cantidad de energía realmente se quiere decir que una forma de energía se transforma en otra, generalmente es la energía química la que se transforma en energía calorífica.

La potencialidad de un compuesto para liberar energía dependerá de su capacidad para ser oxidado

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ATP, MOLÉCULA ESENCIAL DE LA BIOENERGÉTICA

En los organismos vivientes la energía que se obtiene al quemar los alimentos se debe transformar en otro tipo de energía que se utiliza para sintetizar una molécula llamada ADENOSÍN TRIFOSFATO (ATP)

El ATP hidroliza en un proceso exergónico para dar una molécula de ADP y una molécula de fosfato (P)

El ATP es capaz de proporcionar una cantidad considerable de energía a otras moléculas o sistemas perdiendo fosfato terminal.

Como puede verse en la ecuación el ADP con el P para formar ATP es imposible en forma espontánea YA que requiere 7.500 cal por cada mol

Pero la célula puede formar grandes cantidades de ATP a partir de ADP y P con energía, la cual se obtiene durante la transformación de la glucosa, grasas y proteínas en CO2 y agua.

El sitio en el cual la célula sintetizan la mayor parte del ATP está representado por las mitocondrias en la membrana interna de estás mitocondrias 50 en ciertas moléculas oxidadas y reducidas.

OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN

Una reacción REDOX se da cuando se transfieren electrones de un compuesto a otro.

Se oxida el compuesto que pierde o dona los electrones --> Agente reductor

Se reduce el compuesto que gana o acepta los electrones --> Agente oxidante

El agente reductor tiene presión de electrones definida y el agente oxidante posee una afinidad por los electrones. Dicha presión y la afinidad pueden medirse por el potencial redox (E). Los compuestos con un valor menor de E pueden ceder electrones (reducir) a aquellos que tienen un valor mayor de E

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CADENA RESPIRATORIA

Es serie de componentes por los cuales viajan los electrones. Es la responsable de prácticamente todo el consumo de oxígeno (respiración) que se lleva a cabo.

Los electrones tienden a pasar del acarreador de electrones más negativo al más positivo, la colocación (figura de abajo) permite el flujo de electrones de un componente a otro hasta llegar al oxígeno.

La coenzima Q y el FAD aceptan los electrones en forma de átomos de hidrógenos completos, el NAD acepta un átomo de hidrógeno completo y un electrón y los citocromos, solo son capaces de aceptar electrones.

Para formar ATP a partir de ADP y P, se requieren como mínimo 7,500 cal/mol. Existen tres segmentos de la cadena donde se libera más de esto:

Entre el NADH y el FAD

Entre citocromo b y citocromo c

Entre citocromo a/a3 y el oxígeno.

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FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

La formación de ATP es un proceso que requiere flujo de electrones, oxígeno y una reacción que lleve a cabo la unión entre el ADP y el P. A este proceso se le llama Fosforilación Oxidativa, fosforilación porque el ADP se fosforila y oxidativa porque se está consumiendo oxígeno durante todo el proceso.

Sí se detiene la síntesis de ATP por falta de ADP también se detiene el flujo de electrones esto es importante para las células y los organismos, pues les permite regular su respiración de acuerdo con sus necesidades.

Es importante tener en cuenta que fosfato siempre hay de sobra es el ADP el que limita la velocidad del funcionamiento del sistema fosforilante y de la respiración acoplada a él.

En condiciones de reposo la cantidad de ADP es pequeña: el sistema fosforilante y la respiración funcionan a una velocidad baja; cuando el trabajo celular aumenta, también lo hace la producción de ADP. Los niveles de ADP regulan la velocidad de la respiración, a esto se le conoce como CONTROL RESPIRATORIO

Mecanismo

Lo que ocurre en la fosforilación oxidativa es una transformación de energía eléctrica en energía química. Se sabe que se lleva a cabo exclusivamente en la membrana interna de las mitocondrias, la cual presenta unos nódulos pequeños. Los acarreadores respiratorios se encuentran en el seno de la membrana, mientras que el sistema responsable de la fosforilación, es decir, la unión del ADP con el P para formar ATP, localiza en estos nódulos. Durante el paso de electrones a través de toda la cadena respiratoria hasta el oxígeno se depositan 6H+: Dos en el paso de e- del NAD a la CoQ, dos del Citb al Citc y dos del Cita + a3 al O2

Durante la fosforilación oxidativa existen 3 cambios energéticos:

La energía eléctrica provoca al paso de electrones a los diferentes componentes de la cadena respiratoria

En tres sitios de la cadena se expulsan H+ que se encuentran exclusivamente en lado externo de la membrana dando lugar a una diferencia de pH (más protones fuera que dentro). Está diferencia de pH se llama GRADIENTE DE PROTONES. Los protones tienden regresar al interior de la mitocondria y eso implica un cambio de energía conocida como POTENCIAL ELECTROQUÍMICO.

La membrana interna posee el sistema fosforilante capaz de captar la energía del potencial electroquímico y transformarla en energía química, la del ATP.

Eficiencia

Por cada átomo de oxigeno que consumimos durante la respiración se habrán de formar aproximadamente 3 moléculas de ATP en el sistema mitocondrial esto da una eficiencia de aproximadamente 40%. Para que exista formación de ATP se requiere que pasen electrones a través de la cadena respiratoria, esos electrones son aportados por moléculas que derivan ya sea de la glucosa, los lípidos o las proteínas que los seres vivos ingieren

Modificaciones

Inhibidores respiratorios: Sustancias capaces de bloquear el transporte de electrones a distintos niveles. El más conocido es el cianuro capaz de inhibir el paso de electrones del Cita + a3 al oxígeno.

Inhibidores de la fosforilación: No interfieren con el transporte de electrones, se limitan a inhibir las reacciones del sistema fosforilante. Bloquen la unión del ADP al P impidiendo que la energía del potencial electroquímico llegue al sistema fosforilante.

Desacoplantes: No afectan, e incluso aceleran el transporte de electrones pero impiden la formación de ATP. Desacoplan el sistema fosforilante equilibrando la [H+] a ambos lados de la membrana, en estas condiciones nada de la energía se aprovecha y toda se transforma en calor y no en energía química.

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FOTOSÍNTESIS

Proceso por el cual la energía solar se convierte en energía química. El proceso fotosintético es muy complejo y se suele dividir en tres etapas:

Etapa de radiación: Maquinaria atrapa la energía luminosa

Etapa fotoquímica: Separación de cargas, o sea primeras reacciones de oxido-reducción

Etapa bioquímica: Ocurren las reacciones de transferencia electrónica, se sintetizan carbohidratos y ATP.

LOCALIZACIÓN DEL PROCESO FOTOSINTÉTICO

En las plantas se lleva a cabo en cloroplasto específicamente en las membranas tilacoides. En las bacterias fotosintéticas se efectúa en la membrana plasmática

PIGMENTOS ANTENA

Son pigmentos con capacidad para absorber la luz (igual a la clorofila=indispensable) que no son indispensables por ejemplo los carotenos

CENTROS DE REACCIÓN

Sitio de la membrana donde la energía luminosa que recogieron los pigmentos antena se transforma en energía química. En el centro de reacción, se liberan electrones que se usan para reducir moléculas con potencial redox muy negativo. Cuando los electrones se liberan del centro de reacción, queda un hueco que en las plantas se rellena con electrones que provienen de moléculas de agua, al desprenderse los electrones de ella para llenar el hueco de electrones que se indujo por la luz, se desprende oxígeno.

EL ESQUEMA Z

La producción de oxígeno es mucho más alta si ciertos sistemas fotosintéticos se iluminan simultáneamente a dos longitudes de onda, que cuando se iluminan a las dos longitudes de onda por separado. En el esquema Z se muestra cómo ocurre la transferencia de electrones desde el centro de reacción hasta su destino final y cuál es la función de los dos foto-eventos.

SÍNTESIS DE ATP EN LA FOTOSÍNTESIS

Parte de la energía que se libera en diferentes procesos REDOX, se utiliza para que un número determinado de protones H+ que originalmente están en un lado de la membrana, se transfieran al otro. La transferencia de protones al interior del tilacoide origina un potencial electroquímico que es el impulso de la síntesis de ATP a partir de ADP y P.

FLUJO DE e- CÍCLICO Y NO CÍCLICO

Cuando el transporte de electrones termina con la reducción de NAD es un transporte no cíclico. Cuando la ferrodoxina dona sus electrones a la plastoquinona por medio del citocromo 563, se establece un transporte cíclico.

FIJACIÓN DE CO2 Y FORMACIÓN DE CARBOHIDRATOS.

La síntesis de un carbohidrato a partir de moléculas como CO2 requiere:

Un aporte energético por parte del ATP

Síntesis del ATP que requiere energía solar

Reducción del CO2 a cargo del NADPH

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EL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS O CICLO DE KREBS