Download tema 6 bioquimica

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA
SEDE – CAMOAPA
ASIGNATURA: BIOQUÍMICA
MATERIAL DE APOYO
Elaborado por: Msc. Javier Antonio Carranza Rocha
Camoapa, 05 de Abril 2016.
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III UNIDAD.
Nombre de la Unidad: Bioenergética.
Objetivo de la Unidad: Comprender el proceso del metabolismo celular en los seres vivos y la energía que
acompaña a estos procesos.
Contenido a Desarrollar:
Recordemos las siguientes estructuras.
2

Compuestos Ricos en energía.
El fosfoenolpiruvato es un intermediario importante en el metabolismo de la glucosa y su hidrolisis como se
muestra en la siguiente figura.
Fosfoenolpiruvato
Enolpiruvato
Piruvato
Hidrolisis del fosfoenolpiruvato. El símbolo – denota el enlace de alta energía.
El símbolo (-) significa enlace de alta energía. (Lipmann propuso su uso). Parte de la fuerza impulsora para
esta reacción es la conversión de la forma enol del piruvato a la forma ceto mas estable por tautomerismo.
Los tautómeros son isómeros que difieren en la posición de enlace de un átomo de hidrogeno. La riqueza de
energía excepcional del fosfoenolpiruvato tiene algunas consecuencias bioquímicas poco comunes.
Otros compuestos de alta energía son los anhídridos ácidos simples, todos son ricos en energía en la
naturaleza y son poco comunes.
Los fosforamidatos, que contienen una unión P-N, son ricos en energía. La hidrolisis de la fosfocreatina
para producir creatina y fosfato se ilustra en la siguiente ecuación.
La fosfocreatina sirve como una forma de almacenamiento de enlaces fosfatos ricos en energía en el
musculo esquelético, el musculo cardiaco y el cerebro.
Los fosfodiésteres cíclicos son compuestos ricos en energía. El AMP cíclico son dos moléculas reguladoras
que activan a sus correspondientes proteincinasas. La reacción de hidrolisis se ilustra en la ecuación y el
símbolo – identifica el enlace de alta energía.
3

Compuesto de pirofosfato y otros compuestos.
Pirofosfato
Modelo de anión de pirofosfato, P2O74−
En química, los pirofosfatos son los aniones, sales, y ésteres del ácido pirofosfórico. El anión se
abrevia PPi y se forma por la hidrólisis de ATP para formar AMP en la célula. Esta hidrólisis se
conoce como pirofosforolisis
ATP → AMP + PPi
El anión pirofosfato tiene una estructura P2O74−, y es un ácido anhidro del fosfato. Es inestable
en disolución acuosa y se hidroliza rápidamente formando fosfato inorgánico:
P2O74− + H2O → 2 HPO42−
Abreviado:
PPi + H2O → 2 Pi
Desde el punto de vista del enlace entre fosfatos, se requieren dos reacciones de fosforilación para
obtener la hidrólisis del ATP a AMP y PPi.
AMP + ATP → 2 ADP
2 ADP + 2 Pi → 2 ATP
La síntesis del tetraetil pirofosfato fue descrita por primera vez en 1854 por Philip de Clermonunt en
una reunión de la Academia Francesa de Ciencias.
El término pirofosfato también designa a los ésteres formados por la reacción de condensación de un
compuesto biológico fosforilado con un fosfato inorgánico.
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
ATP, estructura, propiedades, funciones, síntesis y degradación.
El ATP es el prototipo histórico de un compuesto de alta energía, y la importancia del ATP en la economía
energética de las células es primordial.
Estructura.
Adenosin Trifosfato. (Formula estructural)
Modelo de bolas y varillas del ATP
Formula Molecular
C10H16N5O13P3
El trifosfato de adenosina es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por
una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono
5 tiene enlazados tres grupos fosfato. Es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones
celulares.
Se produce durante la fotorrespiración y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en
la catálisis de numerosos procesos químicos.
El ATP es una molécula utilizada por todos los organismos vivos para proporcionar energía en las reacciones
químicas. También es el precursor de una serie de coenzimas esenciales como el NAD+ o la coenzima A. El
ATP es uno de los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular. Además, es una coenzima de
transferencia de grupos fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimas quinasas (co-sustrato).
Descubrimiento.
El trifosfato de adenosina fue aislado por primera vez del músculo humano en 1929 en los Estados Unidos por
Cyrus
H.
Fiske
y Yellapragada
Subbarao,
e
independientemente,
en
Alemania
por
Karl
Lohman.[cita requerida] No fue, sin embargo, hasta diez años más tarde cuando empezó a reconocerse el
papel central del ATP en la transferencia de energía. En 1941, Fritz Lipmann (Premio Nobel, 1953) ayudado
por las contribuciones de Herman Kalckar, apuntó la hipótesis de la naturaleza cíclica del papel del ATP en los
procesos bioenergéticos escribiendo: "No se pueden dar respuestas definidas a la pregunta de cómo opera el
5
alto potencial del grupo fosfato como promotor de varios procesos si bien se puede reconocer una
interconexión más o menos estrecha con el recambio del fosfato. El ciclo metabólico (es) comparable a una
máquina que genera corriente eléctrica. Parece, de hecho, que en la organización celular la «corriente» de
fosfato juega un papel similar al de corriente eléctrica en la vida de los seres humanos. Es también una forma
de energía utilizada para todos los fines.
Propiedades.
El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza
rápidamente
a
pH
extremo.
Por
consiguiente,
se
almacena
mejor
como
una
sal
anhidra.
La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol y su acidez es de 6.5. Es una molécula inestable y tiende a
ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se
convertirán a ADP.
Las células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de magnitud del equilibrio,
siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a la concentración de ADP. Este desplazamiento
del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le
llama a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla de ATP y ADP en
equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil.
El ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como una forma de
almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del equilibrio.
Función.
Fuente de energía.
El ATP es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de
macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas. También desempeña un papel fundamental en el
transporte de macromoléculas a través de las membranas celulares, es decir, en la exocitosis y endocitosis.
Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del
ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las
reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y
fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol:
Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es
una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:
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La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde
la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:
La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato.
Sin embargo, hay un nivel de entalpía a sobrepasar antes de liberar esta energía (estado de transición). Esto
explica por qué la hidrólisis de los enlaces pirofosfato no sucede todo el tiempo. Las enzimas son capaces de
reducir ese umbral de entalpía para utilizar la energía liberada.
Si la energía se almacena en los enlaces anhídridos, podríamos preguntarnos cuál es el interés de los seres
vivos para sintetizar la molécula en su conjunto y no sólo el pirofosfato libre. La razón es, probablemente, la
capacidad de las enzimas para reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos
libres, que son muy similares a todos los grupos fosfatos presentes en las biomoléculas.
El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los
cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP. La coenzima ATP/ADP es un proveedor de energía
universal, y es la principal fuente de energía directamente utilizable por la célula. En los seres humanos, el
ATP constituye la única energía utilizable por el músculo.
El ATP está críticamente involucrado en el mantenimiento de la estructura celular, facilitando el montaje y
desmontaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso similar, el ATP es necesario para el acortamiento
de los filamentos de actina y miosina necesarios para la contracción muscular. Este último proceso es una de
las principales necesidades energéticas de los animales y es esencial para la locomoción y la respiración.
Función en la fotosíntesis.
Entre las reacciones químicas de la fotosíntesis de las plantas, la clorofila utiliza la luz del Sol para impulsar
una cadena de reacciones que almacena la energía en forma de energía química en la molécula cargada de
energía del ATP. La energía química guardada en el ATP es utilizada por la planta en muchas reacciones
químicas, cuando la planta necesita energía para impulsar una reacción química, muchas veces la toma del
ATP, que al cederla se "gasta" (se transforma en una molécula de más baja energía llamada ADP). La planta
puede utilizar muchas moléculas como fuente de energía química (por ejemplo puede utilizar las moléculas de
almacenamiento, como el almidón de las plantas terrestres, o las de transporte, la sacarosa), pero muchas
veces, como primer paso la molécula seleccionada para esto debe transferirle su energía al ATP: mediante
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unas reacciones químicas la molécula pierde su energía química y a cambio el ADP se carga de energía
química en forma de ATP.
Reacción química de formación de ATP. La energía con la que se forma el ATP puede ser tomada por
ejemplo de la luz del Sol, por fotosíntesis, aunque también puede tomar energía por otros medios, como de la
degradación de la glucosa.
De los productos de la fotosíntesis, el oxígeno no se utiliza, y es liberado al medio. A partir de los productos de
la fotosíntesis se pueden continuar las reacciones químicas de biosíntesis para construir todas las demás
moléculas que necesita la planta (anabolismo). La glucosa y sus derivados, son utilizados por la planta de dos
maneras: por un lado los utiliza como componentes estructurales, con los que se forma el cuerpo físico de
cada célula de la planta (en forma de celulosa), y por otro lado los utiliza como fuente de energía química, por
ejemplo para formar más ATP cuando éste escasea. Si bien durante el proceso de fotosíntesis la planta toma
algo de la energía de la luz del Sol para formar ATP, no le alcanza para cubrir sus necesidades (en especial
en los momentos en que la planta no está expuesta a la luz, y en los órganos que no son fotosintéticos), por lo
que debe recurrir a la glucosa y otros derivados almacenados o transportados para utilizarlos como fuente de
energía química, principalmente en el proceso llamado respiración celular (las plantas también respiran
oxígeno).
Hidrólisis
Molécula de ATP y su hidrólisis a ADP + Pi:
Se puede representar así: A-P~P~P
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Donde °¬°°~° son los enlaces anhídrido de ácido, que son de alta energía. En la hidrólisis del ATP se está
hidrolizando uno de esos enlaces anhídrido de ácido. Esto libera gran energía, concretamente 7,7 kcal/mol. Es
decir:
ΔG = -7,7 kcal/mol o lo que es lo mismo, aproximadamente - 31 KJ/mol
Es una reacción muy exergónica. Su
es 11.
Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía.
Almacenamiento de ATP
Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo. En principio, el ATP
se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida,
(como es el caso de determinados gases de combate diseñados para tal fin; o venenos como el cianuro, que
bloquean la cadena respiratoria; o el arsénico, que sustituye el fósforo y hace que sean inutilizables las
moléculas
fosfóricas).
El ATP no se puede almacenar en su estado natural, sino sólo como intermediarios de la cadena de
producción de ATP. Por ejemplo, el glucógeno puede ser convertido en glucosa y aportar combustible a la
glucolisis si el organismo necesita más ATP. El equivalente vegetal del glucógeno es el almidón. La energía
puede también ser almacenada como grasa, mediante neo-síntesis de ácidos grasos.

Papel de las Mitocondrias en metabolismo energético.
Las mitocondrias son las “centrales energéticas” de las células. Allí, algunas moléculas como la glucosa se
oxidan y se rompen en trozos más pequeños. En esta reacción se liberan átomos de hidrogeno (se liberan
electrones, pero suelen ir acompañados de protones: electrón + protón =1 átomo de H). Este hidrogeno se
une al oxigeno y se forma moléculas de agua.
Las mitocondrias tienen un rol central en el metabolismo energético porque la energía que resulta del proceso
de oxidación de los alimentos se transforma en ATP, la moneda energética en la célula. Este proceso
depende del oxigeno y cuando la cantidad de este es limitada se metabolizan productos glucolíticos en el
citosol por la respiración anaerobia que es menos eficiente pero independiente de la mitocondria.
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El gradiente de protones genera un potencial quimiosmótico, también conocido como la fuerza motriz de
protones, que lleva a la fosforilación del ADP a través de la ATP sintasa.
El ritmo de la respiración
mitocondrial depende del potencial de fosforilación expresado como [ATP] / [ADP] relación [pi] a través de la
membrana mitocondrial interna que se rige por la translocasa nucleótidos de adenina. En el caso de aumento
de la demanda de energía celular cuando el potencial se reduce la fosforilación del ADP y está más
disponible, una tasa de respiración es mayor que conduce a un aumento de la síntesis de ATP.
La relación entre el metabolismo de la energía y la longevidad ha sido sugerida por dos teorías aparentemente
opuestas. De acuerdo al "tipo de hipótesis de vida" propuesto por Pearl en 1928, existía una relación directa
de la producción metabólica de un organismo a su longevidad. En el siglo 20, los científicos propusieron un
nuevo giro en esta vieja teoría: el consumo de energía límites de la longevidad. En otras palabras, la tasa
metabólica de un organismo determina su vida útil. Más tarde, después del descubrimiento del estrés
oxidativo y la formulación de la teoría de los radicales libres del envejecimiento la interpretación se simplifica,
a los factores que disminuyen la tasa metabólica de un organismo ya que podría aumentar la longevidad y
viceversa. Hoy en día la tasa de la teoría de la vida es rechazada como una explicación válida Los científicos
ahora creen que, si bien el ritmo metabólico puede afectar el envejecimiento, que no quiere decir que siempre
lo hace. La restricción calórica, la única intervención conocida para extender la vida de muchas especies
diferentes, lo hace sin la reducción de la tasa metabólica del animal.
Diferentes manipulaciones genéticas y la dieta, se sabe que prolongan la vida útil, pues se ha demostrado que
reduce y aumenta la producción de ATP en células. El mecanismo molecular detrás de este dualismo no se
conoce, y los experimentos, sin duda, se necesitan más para aclarar el papel de la biogénesis mitocondrial y
la tasa de respiración mitocondrial.
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GUIA DE AUTOESTUDIO
UNIDAD III. BIOENERGETICA.
Objetivo.
Al finalizar esta unidad serás capaz de:
 Comprender el proceso del metabolismo celular en los seres vivos y la energía que acompaña a estos
procesos.
I.
Orientaciones.
 Lea detenidamente el material de estudio referente a esta temática.
 Analice lo que va leyendo parte por parte y trate de comprender cada una de las situaciones
planteadas.
 Conteste científicamente en su cuaderno y preséntelo en limpio cuando se haya concluido la discusión
de las situaciones planteadas en la guía.
 Explique aplicando el tema en estudio evitando razonamientos no relacionados con lo estudiado.
II.
Organización.
Los estudiantes se reunirán en pequeños grupos (no más de 3 estudiantes) para dar resolución a las
actividades planteadas en la guía de autoestudio.
III.
Actividades.
1. ¿Cómo se llaman los compuestos ricos en energía?
2. ¿Qué es el ATP, como esta formado y cuál es su función?
3. ¿Qué sucede si el organismo deja de producir ATP?
4. ¿Cuál es el papel de las mitocondrias en el metabolismo energético?
5. Evaluación.
 Cada grupo de estudiantes contestaran la guía y la entregaran al Maestro para su evaluación..
 Tienen la opción de enviar su trabajo al correo [email protected].
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