Teórico 3 Biológica

Vista previa del material en texto

TEÓRICO N° 3 
BIOENERGÉTICA Y REACCIONES BIOQUÍMICAS 
 (Resumen de diapos + Lehninger) 
 
 Las transformaciones de energía biológica obedecen las leyes de la termodinámica. 
 Los seres vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. 
Los sistemas vivos nunca están en equilibrio con su entorno, y las interacciones entre el sistema y 
el entorno explican cómo los organismos crean orden en su interior sin dejar de operar bajo la 
segunda ley de la termodinámica. 
 La tendencia neta a que una reacción ocurra está dada por el cambio de energía libre: 
𝛥𝐺 = 𝐺𝐺 − 𝐺𝐺𝐺. El ΔG de una reacción espontánea siempre es negativo. 
 Las células son sistemas isotérmicos ya que funcionan a temperatura constante, y también 
a presión constante. 
 El ΔG de una reacción es función del ΔG° característico de cada reacción específica, y de un 
término que expresa la concentración de los productos y reactivos: 
 𝛥𝐺 = 𝐺𝐺° + 𝐺𝐺𝐺𝐺
[𝐺]𝐺
𝐺[𝐺]𝐺
𝐺
[𝐺]𝐺
𝐺[𝐺]𝐺
𝐺 
 
 ΔG se puede considerar como una medida de la distancia de un sistema a su equilibrio. 
Cuando una reacción ha alcanzado el equilibrio, no hay ninguna fuerza que la induzca a ir en una 
dirección u otra y no puede realizar trabajo: ΔG = 0. Por lo tanto, [A]i = [A]eq, etc. y se obtiene: 
 
𝐺𝐺° = −𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 
 
En bioquímica se usan condiciones estándar modificadas (ΔG°’) para reflejar mejor el 
entorno del ser vivo. Se considera [H+] = 10-7 M, [H2O] = 55,5 M y [Mg
2+] = 1 mM. 
 El ΔG es una función de estado, por lo que tiene la propiedad de aditividad (básicamente lo 
mismo que la ley de Hess). 
 
 El ΔG de fosforilación (ΔGP) es la energía libre real de la hidrólisis de ATP en condiciones 
intracelulares, y varía entre células debido a diferentes condiciones y concentraciones de ATP y 
ADP, pero siempre es alto y negativo. 
 Además, la concentración libre de AMP, ADP y Pi suele ser sustancialmente menor que la 
concentración total. 
 Si bien se usa ΔG° para comparar teóricamente distintas reacciones, a nivel bioquímico nos 
importa ΔG. 
 Lo importante para definir la capacidad de una reacción de realizar trabajo es el grado con 
el que el balance de masa de una reacción se encuentra desplazado del equilibrio. 
 
 Otros compuestos fosforilados, como el fosfoenolpiruvato (PEP) y los tioésteres también 
tienen altas ΔG° de hidrólisis. El PEP al hidrolizarse forma una estructura muy estable por 
resonancia. El 1,3-bifosfoglicerato contiene un enlace anhídrido entre el carboxilo C1 y un ácido 
fosfórico, cuya hidrólisis está acompañada de un alto ΔG° negativo por motivos similares. En la 
 
fosfocreatina, el enlace P-N puede ser hidrolizado para generar creatina libre y Pi; la liberación de 
Pi y la estabilización por resonancia de la creatina favorecen el avance de la reacción. En todas 
estas reacciones liberadoras de fosfato, la cantidad de formas resonantes disponibles para Pi 
estabilizan al producto con respecto al reactivo, aumentando el valor de la ya de por sí negativa 
ΔG°. Los tioésteres también tienen alta energía negativa de hidrólisis. El acetil-CoA es uno de 
muchos tioésteres importantes para el metabolismo; el grupo acilo se activa por transacilación, 
condensación o redox. Los tioésteres tienen menos estabilización resonante que los ésteres de 
oxígeno, por lo que el ΔG° con los productos (carboxilato) estabilizados es aún mayor que para los 
ésteres. 
 En resumen las reacciones de hidrólisis con ΔG° grande y negativo tienen productos más 
estables que los reactivos debido a: (1) que la tensión de enlace de los reactivos se vea aliviada por 
la separación de cargas, como en el ATP, (2) los productos se estabilizan por ionización, como en el 
ATP, fosfatos de acilo y tioésteres, (3) los productos están isomerización (tautomería), como en 
PEP, y/o (4) los productos están estabilizados por resonancia, como la creatina liberada de la 
fosfocreatina, el carboxilato liberado de fosfatos de acilo, etc. 
 
 El ATP puede actuar directamente como fuente de energía a través de su hidrólisis (acople 
directo), pero generalmente lo hace mediante la formación de nuevos compuestos fosforilados de 
alta energía (acople indirecto). El Pi se une a la enzima o al sustrato aumentando su energía libre, y 
luego la molécula fosforilada libera Pi/PPi. El acople directo se da solo en algunas reacciones, ej. en 
las proteínas responsables de la contracción muscular o en las enzimas que se mueven a lo largo 
del ADN. 
 
 Los compuestos de fosfato en los seres vivos pueden ser divididos en base a su ΔGP. Los 
compuestos de alta energía tienen un ΔG°’ más negativo que -25 kJ/mol, mientras que aquellos de 
baja energía tienen valores menos negativos. Basados en esta clasificación, el ATP (ΔGP°’ = -30.5 
kJ/mol) es una molécula de alta energía, mientras que la glucosa-6-P (ΔGP°’ = -13.8 kJ/mol) es de 
baja energía. 
 Hablar de “high-energy phosphate bonds” es incorrecto, ya que de hecho los enlaces no 
contienen energía, y romperlos requiere un aporte de energía. La energía liberada proviene de la 
menor energía libre de los productos. 
 Si bien el ATP es termodinámicamente inestable en agua, es cinéticamente estable (tiene 
una enorme Ea), por lo que no dona espontáneamente Pi al agua o a otros aceptores potenciales, 
si no es en presencia de enzimas específicas que bajen la Ea. De esta manera, la célula regula la 
función del ATP por medio de la regulación de enzimas. 
 
 Las reacciones del ATP son generalmente de tipo SN2, y cada uno de los tres fosfatos es 
susceptible de ser atacado, dando productos distintos. Un ataque nucleofílico por un alcohol en el 
fosfato gama da ATP y un nuevo éster de fosfato (en realidad lo que se transfiere es un grupo 
fosforilo, ya que el oxígeno del éster proviene del alcohol). Un ataque en posición beta da AMP y 
transfiere un pirofosforil al nucleófilo. Un ataque en la posición alfa del ATP dará PP i y transfiere 
5’-AMP como un grupo adenilil (adenililación). Las reacciones de adenililación liberan más energía 
que el rompimiento del enlace beta-gama, por lo que son usadas para promover reacciones 
 
metabólicas muy desfavorables (ej. activación de ácidos grasos). La fosforilación es importante 
para el transporte activo de iones. La pirofosforilación es clave en el metabolismo de nucleótidos. 
 La polifosfatasa inorgánica es un buen donador de fosforilos. 
 En todos los tipos celulares se producen transfosforilaciones entre nucleótidos 
 
 Las reacciones redox son importantes para la utilización de energía por la célula. 
 La oxidación de la glucosa provee energía para la producción de ATP, ya que tiene un ΔG°’ 
total de -2840 kJ/mol (mucho más que los 50-60 kJ/mol necesarios para sintetizar ATP desde ADP). 
Como la conversión de la glucosa en CO2 no se da un paso, la energía libre liberada en cada paso 
de oxidación es ligeramente mayor a la necesaria para la síntesis de ATP, con un pequeño exceso. 
Los electrones liberados en estas reacciones son transferidos a coenzimas especializadas en el 
transporte de electrones, como NAD+ y FAD. 
 Todas las enzimas que catalizan oxidaciones celulares utilizan solo unos pocos 
transportadores de electrones, cuya reducción mediante procesos catabólicos resulta en la 
conservación de energía libre liberada por la oxidación de sustratos. NAD, NADP, FMN y FAD son 
coenzimas hidrofílicas que sufren oxidación y reducción reversibles en muchas de las reacciones 
de transferencia de electrones. Los nucleótidos NAD y NADP se mueven fácilmente de una enzima 
a otra, mientras que los nucleótidos de flavina FMN y FAD están normalmente firmemente unidos 
a las enzimas, llamadas flavoproteínas. Quinones liposolubles como la ubiquinona y la 
plastoquinona actúan como transportadores de electrones y donantes de protones en el medio no 
acuoso de las membranas. Las proteínas de hierro y azufre, y los citocromos, que tienen grupos 
prostéticosfuertemente unidos que se oxidan y reducen de forma reversible también sirven como 
transportadores de electrones en muchas reacciones redox; algunas son hidrofílicas mientras que 
otras son proteínas de membrana integrales o periféricas. 
 
 La nicotinamida adenina dinucleótido (NAD, NAD+ en su forma oxidada) y su análogo 
nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP, NADP+ oxidado) están compuestos por dos 
nucleótidos unidos por medio de sus grupos fosfato por un enlace fosfoanhidro. Ambas coenzimas 
sufren la reducción reversible del anillo de nicotinamida. Cuando un sustrato sufre oxidación 
(deshidrogenación), liberando dos átomos de hidrógeno, la forma oxidada del nucleótido (NAD+ o 
NADP+) acepta un ion hidruro (H- o :H+) y se reduce. El segundo protón quitado del sustrato se 
suelta al solvente acuoso. 
 
𝐺𝐺𝐺+ + 2𝐺− + 2𝐺+ → 𝐺𝐺𝐺𝐺 + 𝐺+ 
 
 La reducción de NAD+ o NADP+ convierte al anillo bencenoide de la nicotinamida (con una 
carga positiva en el nitrógeno) a una forma quininoide (sin carga en el N). Mientras que la forma 
reducida absorbe luz a 340 nm, la forma oxidada no, por lo que es posible utilizar esto para 
estudiar reacciones que involucran a estas enzimas. 
 Es importante tener en cuenta que en este caso el signo más no simboliza una carga 
positiva; de hecho, ambas moléculas están cargadas negativamente. El signo más representa la 
carga positiva sobre el N en la forma oxidada. En las abreviaciones NADH y NADPH, la H simboliza 
 
al ion hidruro de la forma reducida. Usamos NAD y NADP para referirnos a los nucleótidos sin 
especificar su estado de oxidación. 
 En la célula, el ratio de NAD+/NADH es alto, favoreciendo el transporte de hidruros del 
sustrato hacia NAD+ para formar NADH. En cambio, NADPH suele estar en mayores 
concentraciones que NADP+. Por lo tanto, NAD+ generalmente funciona en oxidaciones, 
generalmente en reacciones catabólicas, mientras que NADPH es la coenzima más común para 
reducciones, casi siempre en reacciones anabólicas. Algunas pocas enzimas pueden usar cualquier 
coenzima, pero la mayoría muestran una preferencia por alguna de las dos. 
 
 Las flavoproteínas son enzimas que catalizan reacciones redox usando bien flavina 
mononucleótido (FMN) o flavina adenina dinucleótido (FAD) como coenzima. Estas coenzimas, los 
nucleótidos de flavina, se derivan de la vitamina riboflavina. El anillo de los nucleótidos de flavina 
sufre reducción reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de hidruro de un sustrato 
reducido. Las formas totalmente reducidas se abrevian FADH2 y FMNH2. Cuando el nucleótido 
oxidado acepta un solo electrón, se forma FADH+ y FMNH+. 
 Como estos nucleótidos pueden participar en reacciones con transferencia de uno o dos 
electrones, las flavoproteínas están involucrados en una mayor diversidad de reacciones que las 
deshidrogenasas dependientes de NAD(P). 
 Al igual que las coenzimas nicotamídicas, los nucleótidos de flavina sufren un cambio en la 
banda de absorción al reducirse. Los nucleótidos totalmente reducidos tienen un máximo de 
absorción cerca de 360 nm. En el estado intermedio el máximo es en 450 nm y en el estado 
oxidado el máximo está entre 370 y 440 nm. 
 El nucleótido de flavina está unido fuertemente, y en algunas enzimas covalentemente 
(grupos prostéticos). No transfieren electrones difundiéndolos de una enzima a otra, si no que 
actúan como una especie de almacenamiento temporal de electrones para la flavoproteína 
mientras cataliza una reacción redox.