BC 9 Bioenergética necroticaenfmed

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Bioenergética 
ENERGÍA METABÓLICA 
La energía metabólica es la energía que obtienen todos los seres vivos a partir de la energía química contenida 
en los alimentos o nutrientes. 
Los organismos transforman la energía química contenida en los enlaces químicos de los alimentos en energía 
útil para la célula. 
 
MITOCONDRIAS 
✓ Son organelas compuestas por dos bicapas lipídicas formadas por una membrana mitocondrial: 
o Externa: tiene un alto número de proteínas que funcionan como poros acuosos permeables. Es 
altamente permeable. 
o Interna: es más amplia en superficie y se encuentra 
replegada al interior de la mitocondria, formando 
una serie de crestas. Tiene una composición 
bioquímica diferente a la externa, dado que su 
proporción de proteínas es mucho más alta, posee 
distintas clases de fosfolípidos y es altamente 
impermeable. 
✓ Hay espacios funcionales dentro de las mitocondrias: 
o Espacio Intermembranoso: entre la membrana interna y externa. 
o Espacio Matriz Mitocondrial: en el interior de la membrana interna, es más amplio. 
✓ Son movidas en el interior de las células por proteínas motoras adosadas a su superficie, que permiten 
que las mitocondrias se desplacen a través de los microtúbulos. 
✓ Sufren muchos procesos de fisión y fusión, es decir, muchas mitocondrias se funden entre sí y también 
se separan. 
✓ Teoría endosimbiótica: esta teoría señala que las mitocondrias provienen de bacterias aeróbicas que 
se introdujeron en el interior de las células eucariotas primitivas. 
Una prueba que sustenta esta teoría es que en el interior de las mitocondrias hay ADN mitocondrial, el 
cual tiene una estructura similar a los genomas bacterianos (circular, no núcleo). 
El genoma mitocondrial humano codifica para 37 genes, de los cuales 13 codifican para cadenas 
polipeptídicas que van a formar parte de proteínas dentro de la cadena de transporte de e-. 
Esos 13 péptidos son transcritos y traducidos en el interior de la Matriz Mitocondrial. 
✓ Las Mitocondrias NO son una entidad independiente, debido a que hay muchas proteínas distintas que 
forman parte de la estructura mitocondrial. Son un sistema mixto, dado que los componentes que las 
forman van a estar codificados, en parte minoritaria, por el genoma mitocondrial y, en parte 
mayoritaria, por el genoma nuclear. 
✓ Funciones: 
o Bioenergética: permiten la síntesis de ATP celular 
o Reservorio intracelular de calcio 
o Señalización intracelular durante la apoptosis: conduce a algunos de los tipos de apoptosis 
o Participa en la esteroideogénesis: participan en la biosíntesis de las hormonas derivadas del 
colesterol (Pej. estrógeno y testosterona). La síntesis de dichas hormonas comprende un camino 
biosintético, el cual comienza en las mitocondrias y luego pasa al REL para continuar. Entonces, 
algunas reacciones de la producción de hormonas esteroideas se dan en las membranas de la 
mitocondria. La función puede cambiar y ser más preponderante en algunos tipos celulares 
específicos. 
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BIOENERGÉTICA: SÍNTESIS DE ATP CELULAR 
Algunos conceptos previos... 
• Reacciones químicas: 
o Espontáneas: son aquellas que no necesitan energía para poder producirse, dado que se producen 
liberando energía al medio. La energía contenida en los enlaces covalentes es liberada al ambiente 
celular. A→ B + C 
Pej. Todas las reacciones del catabolismo, degradación de moléculas y producción de aminoácidos libres 
a partir de un péptido. 
o No espontáneas: necesitan energía para poder producirse. Generan nuevos enlaces químicas para lo 
que necesitan tomar la energía. Las células realizan muchas reacciones No espontáneas. D + E → F 
Pej. Las reacciones de biosíntesis o del anabolismo. 
 
¿Cómo hacen las células para generar reacciones no espontáneas? 
La solución celular es acoplar reacciones, es decir, producir de manera simultánea una reacción que libere 
energía, y dicha energía sea utilizada de manera paralela por una reacción no espontánea. 
Dicho de otro modo, el acoplamiento de reacciones químicas cuando una reacción 
espontánea se produce en el mismo momento de una no espontánea→permite que la 
energía liberada por una de las reacciones sea utilizada en la otra. 
Esta reacción de liberación de energía espontánea dentro de las células es la hidrólisis del ATP, es decir, la 
ruptura de un enlace covalente de alta energía entre un grupo fosfato. 
A medida que las células van realizando reacciones no espontáneas, los niveles de ATP dentro de ellas van 
disminuyendo. 
 
¿Cómo se recuperan los niveles de ATP a partir de ADP y fosfato? 
Las reacciones que ocurren para regenerar el ATP van a ser las Reacciones de óxido-reducción, las cuales se 
producen de manera simultánea 
Es la reacción por la cual una molécula pierde electrones (e-) mientras que otra molécula los gana. La molécula 
que pierde e- se ha oxidado y la molécula que los gana se ha reducido. 
Este pasaje de e- de una molécula a otra, es una reacción que puede ocurrir de 
manera espontánea cuando el potencial de reducción de la molécula que acepta 
los e- es mayor que el potencial de reducción de la molécula que los libera. 
Cada molécula, por su propia estructura, tiene distintos grados de afinidad por 
los e-→ mientras menor sea la afinidad más fácil será que los libere. 
Potencial de Reducción: magnitud por la cual se cuantificar químicamente la afinidad por los e-. Mayor 
Potencial = Mayor Afinidad. 
Las reacciones dentro de las células están catalizadas por enzimas, quienes por su estructura peptídica son 
pobres aceptores de e- y, por lo tanto, tienen una capacidad limitada para catalizar las reacciones Oxido-
Reducción. 
Para poder catalizar las enzimas reciben ayuda de moléculas auxiliares orgánicas denominadas Coenzimas, las 
cuales actúan como receptoras temporarias de e- 
• Coenzima NAD +: existe en una forma oxidada y, al aceptar 2e- de algún otro sustrato, puede 
transformarse en una variante reducida = NADH (no tiene una carga neta negativa porque en el medio 
hay protones y se protona por 1 de ellos) 
• FAD (forma oxidada): es una molécula orgánica que en su estado basal es neutra y cuando acepta 2e- 
de algún sustrato queda con dos cargas negativas qué son neutralizadas por dos protones= FADH2 
(forma reducida). 
 
CATABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO 
¿Cuáles son los caminos enzimáticos y bioquímicos que van 
a conducir a la producción de ATP celular? 
El Catabolismo de los Hidratos de Carbono es cuando las 
células utilizan glúcidos como fuente de energía. La 
energía estará contenida en los enlaces covalentes 
carbono-carbono de esa molécula. 
Para obtener energía de los hidratos de carbono →un 
conjunto de 10 reacciones ocurren en el citosol= Glucólisis. 
La Glucólisis se genera a partir de la Glucosa de 6 Carbonos 
(C)→ 2 Piruvatos de 3C. 
Los e- que han salido de la ruptura de esos enlaces 
covalentes son almacenados en las formas reducidas de Coenzimas. 
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Fosforilación a Nivel de Sustrato 
Es una reacción en donde se utiliza en forma directa la energía, liberada por la ruptura de los enlaces covalentes, 
y se genera una molécula de ATP a partir de ADP + Fosfato. Sin embargo, la formación de ATP de este modo es 
un proceso bioquímicamente ineficiente dado que se disipa mucha energía en forma de calor. 
Por ende, la forma de obtención de ATP en la glucólisis es una producción pobre desde un punto de vista de la 
eficiencia. 
 
¿Qué ocurre con la energía contenida en los enlaces covalentes del piruvato y en las coenzimas reducidas? 
El próximo paso del Catabolismo de los Hidratos de Carbono, va a ocurrir dentro de las Mitocondrias. 
1. Un Piruvato 3C ingresa a la Matriz Mitocondrial a través de transportadores (que están en la membrana 
mitocondrial externa e interna).2. En el interior de la Matriz Mitocondrial el Piruvato pierde uno de sus átomos de carbono (es liberado 
en forma de CO2) = Piruvato 2C, y nuevamente se va a generar una coenzima reducida que va a absorber 
los e- que surjan de la ruptura de ese enlace covalente. 
3. Los 2C restantes se fusionaron con la Coenzima A, quien tiene un rol 
fundamental en el metabolismo de las Células. 
4. La Coenzima A permite formar un enlace de alta energía con los 2C 
del Piruvato (grupo acetilo) = Acetil CoA. 
 
Y, como no hay ninguna enzima que pueda utilizar al grupo acetilo aislado como sustrato, se llevarán a cabo 
otras reacciones... 
 
CICLO DE KREBS (no hay que saber los pasos o nombres de enzimas del ciclo, solo comprender qué sentido tiene en la producción de ATP) 
El Acetil CoA va a ser el primer sustrato de un conjunto de reacciones que van a tener como objetivo final: 
permitir que las enzimas rompan los enlaces covalentes que le quedan al grupo acetilo y liberan la energía 
contenida en forma de e-, que serán almacenados por las enzimas NADH y FADH2. 
1. Se une Acetil CoA (2C) a Oxalacetato (4C) = Ácido Cítrico (6C) 
El Oxalacetato es una molécula presente en la matriz mitocondrial 
2. El Ácido Cítrico es un sustrato posible para enzimas celulares, quienes irán clivando los enlaces 
covalentes= liberando el carbono en forma de CO2 y generando coenzimas reducidas que van a tomar 
los e-. 
3. En la última reacción se regenera el Oxalacetato. 
El resultado final es que se van a ir acumulando, en la matriz mitocondrial, niveles de coenzimas reducidas. 
 
CATABOLISMO DE LOS ÁCIDOS GRASOS 
¿Qué ocurre cuando el nutriente que se utiliza como fuente de energía no es un Hidrato de Carbono, sino un 
Lípido? 
Los lípidos más frecuentemente utilizados en el catabolismo son los ácidos grasos. 
Los ácidos grasos provienen usualmente de los triacilgliceroles que consumimos de grasas y aceites. Cada una 
de las moléculas de los ácidos grasos que componen a los triglicéridos tiene un número de uniones covalentes 
carbono-carbono mucho más alto que el número de enlaces covalentes de una molécula de hidratos de carbono, 
por lo cual los ácidos grasos son una reserva superior de energía. 
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¿Cómo se obtiene energía a partir de ellos? 
Los ácidos grasos ingresan por difusión a la matriz mitocondrial y allí van a sufrir una serie de 4 reacciones 
bioquímicas conocidas como B-Oxidación. 
La B-Oxidación implica asociar al ácido graso a una Coenzima A y en una serie de 4 reacciones generar una 
ruptura de este para así obtener Acetil CoA. 
Por cada vuelta que da este ciclo el ácido graso termina siendo reducido en dos carbonos. Un ácido graso con 
20 átomos de carbono podrá generar 10 moléculas de acetil-CoA a medida que el ciclo se repita. 
Si comparamos cuántas moléculas de acetil-CoA forma un hidrato de carbono (2), no sólo se generan más 
moléculas de acetil-coa desde el ácido graso, sino también más enzimas reducidas. 
El destino del acetil-CoA va a ser el Ciclo de Krebs y por esto decimos que el Ciclo de Krebs es un punto de unión 
de vías bioquímicas diferentes. 
Las enzimas que catalizan la B-Oxidación también están presentes en otras organelas celulares como los 
peroxisomas; pero el acetil-coa que se producen los peroxisomas no es utilizado en el Ciclo de Krebs. La B-
Oxidación Peroxisomal no tiene un fin bioenergético. 
 
TEORÍA QUIMIOSMÓTICA 
¿Cómo se relacionan las coenzimas reducidas con la producción de ATP? 
En la Membrana Mitocondrial Interna se produce la Reacción de Cadena de Transporte de Electrones y 
Fosforilación Oxidativa. 
 
La Cadena de Transporte De Electrones 
Está formada por Complejos de Proteínas / Complejos Respiratorios y por Cofactores que van a participar de 
reacciones óxido-reducción, teniendo entonces mayor potencial de reducción que las coenzimas reducidas. 
1. Complejo Mitocondrial 1: tiene mayor potencial de reducción que NADH. 
Cuando NADH, que está difundiendo por la matriz mitocondrial, choca espontáneamente contra el 
Complejo 1 → se oxida liberando sus e- y pasándoselos al Complejo 1. 
2. Complejo Mitocondrial 2: tiene mayor potencial de reducción que el Complejo 1. 
Va a haber una transferencia espontánea de e- desde el complejo 1 hacia el 2. 
3. Luego hacia el 3 y del 3 hacia 4 
4. Complejo 4: en este complejo el oxígeno molecular (O2) es el último aceptor de los e-. Luego, 
combinándose con protones del medio (H+)→ se transforman en moléculas de agua (H2O). 
En ausencia de oxígeno llegaría un momento en que todos los complejos quedarían saturados de 
electrones y todas las coenzimas quedarán en su estado reducido→ esto haría que no queden más 
moléculas oxidadas de las coenzimas que puedan participar de las reacciones = estas se detendrían y 
se impediría así la síntesis de ATP. 
 
Venenos respiratorios: de manera irreversible bloquean algunos complejos respiratorios 
• Rotenona: en algunos fertilizantes, se une al complejo 1. 
• Cianuro: es compuestos químicos que se une al complejo 4. 
 
¿Qué ocurre con la energía liberada en cada una de estas reacciones Óxido-Reducción? 
Los Complejos tienen la capacidad de actuar como bombas= la energía es utilizada para bombear protones (P+) 
en contra del gradiente de concentración, es decir, desde la matriz hacia el espacio intermembrana. 
Las coenzimas reducidas van a ir oxidándose→ los e- a medida que pasan por los complejos irán liberando 
energía mediante las reacciones espontáneas→ la energía va a ser acumulada en la formación de un gradiente 
de P+ (que no pueden regresar por la alta impermeabilidad de la membrana interna). 
 
Generación Del Gradiente Electroquímico 
El gradiente de P+ es: 
• Osmótico: porque hay una mayor concentración de moléculas de un lado al otro 
• Eléctrico: porque no sólo se produce una tendencia de las moléculas a equilibrar su gradiente de 
concentración, sino también hay una tendencia de estas equilibrar el gradiente eléctrico. 
 
Fosforilación Oxidativa 
¿Cómo se disipa el gradiente? 
En la membrana mitocondrial interna el único lugar por donde el gradiente de P+ puede retornar a la matriz 
mitocondrial es a través de un Complejo Enzimático denominado ATPsintasa. 
El pasaje de P+ a través de la ATPsintasa permite que esta enzima utilice la energía, liberada por la disipación 
del gradiente, para fosforilar ATP a partir de ADP + Fosfato. 
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La relación que hay entre la reacción óxido-reducción y la fosforilación no es directa, sino que se da por la 
generación de un gradiente de protones formado por la energía liberada por las reacciones de óxido-reducción 
(a través de la actividad de los complejos respiratorios), que luego es utilizada por la ATP sintasa. 
Por último, hay transportadores en la membrana mitocondrial interna y en la externa para que el ATP producido 
pueda ser transportado al Citosol y a otros Compartimientos Celulares. 
 
¿Qué ocurriría si los protones enviados por los complejos respiratorios pudieran atravesar la membrana 
mitocondrial interna sin pasar por la ATP sintasa? ¿Qué pasaría si la membrana mitocondrial interna fuese 
permeable a los protones? 
Nunca se acumularía un gradiente en el espacio intermembrana, sino que los protones espontáneamente 
volverían a la matriz a favor de su gradiente de concentración= la energía de la cadena de transporte de 
electrones se liberaría en forma de calor. 
 
Este fenómeno de permeabilidad de la membrana interna se puede dar bajo ciertas condiciones, como Pej. 
ciertos agentes químicos, ácidos débiles liposolubles como el Dinitrofenol, pueden actuar como 
permeabilizadores de membrana y se los conoce como Agentes Desacoplantes. 
Algo característico de la intoxicación por desacoplantes es el aumento en la temperatura corporal. 
La grasa parda también puede generar proteínas qué desacoplen la cadenade transporte de electrones y 
generar calor bajo ciertas condiciones fisiológicas. Por esto, la desacloplación no es necesariamente patológica. 
 
PEROXISOMAS 
Son vesículas muy pequeñas que están formadas por una membrana y contienen enzimas oxidativas 
relacionadas con el metabolismo del agua oxigenada o peróxido de hidrógeno (HO). Esta molécula es un 
poderoso oxidante que resulta tóxico para la célula y es, a la vez, un producto natural de la degradación de 
ciertas moléculas orgánicas. 
Los peroxisomas contienen enzimas, peroxidasas, que son capaces de utilizar el oxígeno molecular (0) como 
medio para captar hidrógeno del metabolismo de ciertos sustratos orgánicos, formando agua oxigenada: 
 
El agua oxigenada se produce en los peroxisomas por la acción de ciertas enzimas, y como un paso final de 
algunos procesos catabólicos. 
Otra enzima propia de los peroxisomas es la catalasa, que destruye el peróxido de hidrógeno: 
 
Esta enzima es capaz de utilizar el H20, para oxidar, por ejemplo, alcoholes y otras sustancias tóxicas. incluyendo 
varias drogas. En el hígado y en el riñón, que están interpuestos en la circulación sanguínea y actúan como 
"filtros de esa sangre, estas reacciones son muy importantes. Además, la catalasa elimina. en parte, el H2O, que 
se acumula. 
 
Otra enzima presente en los peroxisomas es la urato-oxidasa, que está normalmente muy concentrada y forma 
casi un cristal (nucleoide cristalino). 
En los peroxisomas, al igual que en las mitocondrias de los animales, se degradan los ácidos grasos por beta-
oxidación. Pero en las células vegetales, la beta-oxidación ocurre únicamente en los peroxisomas y no en las 
mitocondrias. En los vegetales hay peroxisomas típicos de las hojas y otros típicos de las se millas. En los de las 
hojas se oxida un producto de la fotosíntesis, lo que se conoce como fotorrespiración. Los de las semillas, 
denominados glioxisomas porque en ellos se desarrolla el ciclo del ácido glioxílico, son capaces de transformar 
los ácidos grasos de los lípidos en azúcares, lo que ocurre cuando la plántula comienza a crecer. Los animales 
no somos capaces de hacerlo ya que no poseemos glioxisomas ni las enzimas correspondientes. 
 
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SÍNTESIS 
✓ Las proteínas mitocondriales tienen un origen doble, dado que hay 
solo un pequeño grupo de proteínas (sólo 13 péptidos) que son 
codificados por el ADN mitocondrial y solo algunas de estas proteínas 
están en los complejos respiratorios. El resto de los complejos 
respiratorios, enzimas de la matriz mitocondrial y de la membrana 
mitocondrial interna, están formados por más de 1000 clases de 
proteínas codificadas por el ADN nuclear→ estas, una vez que 
termina su traducción, son incorporadas a la mitocondria gracias a 
la presencia de péptidos señales específicos. 
 
✓ Para comprender la generación de ATP debemos saber que hay una 
oxidación progresiva de sustratos, los cuales son utilizados como 
fuente de energía 
 
✓ El NADH y FAD2 van a ser generados en distintos pasos del proceso, pero 
fundamentalmente durante el Ciclo de Krebs; y luego estos iban a liberar 
su energía en otra serie de reacciones de óxido de reducción que se 
daba a nivel de la cadena de transporte electrones→ en donde estos 
electrones pasan a través de los complejos respiratorios para ser 
finalmente depositados en aquella molécula que tiene el mayor 
potencial de reducción de todos = el oxígeno molecular. 
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