Universidad Nacional Experimental del Táchira UNET
Departamento de Química
Bioquímica
Profa. Fanny López
Nombres y apellidos: Contreras Erika C.I: 21.002.974
Corona Edward C.I: 26.371.931
Debe desarrollar la siguiente actividad, relacionada con el metabolismo de Carbohidratos.
Se usa un carbohidrato como fuente de Carbono para la obtención de la energía en condición aeróbica con disponibilidad de oxígeno. Realice las rutas metabólicas que corresponden utilizando el siguiente esquema
Carbohidrato: Glucógeno
Etapa hidrolitica:
Hidrólisis del glucógeno: El glucógeno es hidrolizado por la enzima glucógeno fosforilasa en glucosa-1-fosfato.
Glucógeno + H2O → Glucosa-1-fosfato
¿Dónde ocurre?: En el citosol de la célula muscular o hepática.
Cuál es el Sustrato: glucógeno.
Cuál es el Producto: Glucosa-1-fosfato
Cuál es el aceptor electrónico final: NAD+
Conversión de glucosa-1-fosfato a piruvato: La glucosa-1-fosfato se convierte en piruvato en una serie de reacciones enzimáticas conocidas como la vía glucolítica.
Cadena de transporte de electrones: Los electrones transportados por NADH y FADH2 entran en la cadena de transporte de electrones, que se encuentra en la membrana mitocondrial interna.
NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O + Energía
FADH2 + ½ O2 → FAD + H2O + Energía
Cuál es el Sustrato: NADH, FADH2
Cuál es el Producto: ATP
Cuál es el aceptor electrónico final: O2
Balance energético final:
Por cada glucógeno hidrolizado, se producen 3 moléculas de ATP durante la glucólisis y 2 moléculas de ATP durante el ciclo de Krebs, para un total de 5 moléculas de ATP. Además, se producen 8 moléculas de NADH y 2 moléculas de FADH2, que producen un total de 28 moléculas de ATP durante la cadena de transporte de electrones.
En total, se producen 33 moléculas de ATP por cada glucógeno hidrolizado en condiciones aeróbicas.
Etapa Anaeróbica:
El glucógeno es un polisacárido de almacenamiento de glucosa en los animales. Durante la etapa anaeróbica, se produce una degradación parcial del glucógeno, dando como resultado la producción de energía en forma de ATP sin la presencia de oxígeno.
Ubicación subcelular: citosol.
Cuáles son las reacciones de:
Fosforilación: Se produce fosforilación a nivel de sustrato, en la que se transfiere un grupo fosfato desde una molécula de fosfato de alta energía (como el fosfato de creatina o el ATP) a una molécula de ADP para producir ATP. La enzima implicada en esta reacción es la fosfocreatina quinasa y la creatina fosfato es el donador de fosfato en el músculo.
Formación de enlace macroenergético: En el proceso de degradación del glucógeno, se produce la formación de enlaces fosfato de alta energía, como en la conversión de glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato por la enzima fosfohexosa isomerasa.
Fosforilación a nivel de sustrato: Se produce fosforilación a nivel de sustrato en la conversión de 1,3-bisfosfoglicerato a 3-fosfoglicerato por la enzima fosfoglicerato quinasa.
Que producen potenciales REDOX: Durante la etapa anaeróbica no se producen potenciales REDOX.
Que consumen ATP: La síntesis de glucógeno a partir de glucosa requiere la hidrólisis de ATP para proporcionar la energía necesaria para el proceso.
Que producen ATP: La glucólisis anaeróbica a partir de glucógeno produce ATP.
Cuánto es el N° de ATP consumido: Se consume 1 ATP en la primera etapa de la glucólisis, en la que se fosforila la glucosa para formar glucosa-6-fosfato.
Cuánto es el N° de ATP producido: Se producen 2 ATP por cada molécula de glucosa que se degrada en la glucólisis anaeróbica a partir de glucógeno. Este proceso produce 2 moléculas de piruvato, que pueden ser posteriormente convertidas en lactato en el músculo.
Cuánto es el N° de Potenciales de Reducción: Durante la etapa anaeróbica, no se producen potenciales REDOX.
Etapa Aeróbica:
¿Donde ocurre?: en la mitocondria de la célula.
Cuántos ácido pirúvico se generan por cada CHO inicial: En la etapa aeróbica, a partir de una molécula de glucógeno se pueden generar varias moléculas de glucosa, y luego cada molécula de glucosa puede ser convertida en 2 moléculas de ácido pirúvico. Por lo tanto, el número de ácido pirúvico generado a partir de una molécula de glucógeno depende de la cantidad de glucosa que se libere.
Cuántos Acetil-CoA se generan por cada CHO inicial: Cada molécula de ácido pirúvico se convierte en una molécula de Acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs para producir energía.
Que tipo de Reacción es la Etapa Preparatoria: La Etapa Preparatoria en la metabolización del glucógeno es similar a la del metabolismo de la glucosa, donde el ácido pirúvico es oxidado a Acetil-CoA y se reduce el NAD+ a NADH. Esta reacción se llama la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico.
Que se genera de importancia en esta etapa Preparatoria: En la etapa preparatoria, es importante la generación de NADH, que se produce por la reducción del NAD+ durante la oxidación del ácido pirúvico. El NADH es un aceptor de electrones que se utiliza en la cadena de transporte de electrones para producir ATP mediante fosforilación oxidativa.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs, conocido también como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, es una ruta metabólica que se encarga de oxidar completamente los acetil-CoA producidos en la etapa preparatoria de la respiración celular, generando energía en forma de ATP y NADH+ + H+.
Cuáles son las reacciones de:
Descarboxilación Oxidativa: El ácido pirúvico generado en la etapa preparatoria es convertido en acetil-CoA, perdiendo una molécula de CO2 y produciendo una molécula de NADH+ + H+. El acetil-CoA es entonces incorporado al ciclo de Krebs a través de la reacción con oxalacetato para formar citrato.
Fosforilación a nivel de sustrato: Durante el ciclo, se llevan a cabo dos reacciones de fosforilación a nivel de sustrato que generan ATP directamente. Estas reacciones se producen en la conversión de succinil-CoA a succinato y en la conversión de fosfoenolpiruvato a piruvato.
Deshidrogenación simple: Durante el ciclo, se llevan a cabo una serie de reacciones de deshidrogenación simple que producen NADH+ + H+ a partir de la oxidación de moléculas de ácido málico, succinato e isocitrato.
Formación de enlaces macroenergéticos: En el ciclo de Krebs se llevan a cabo varias reacciones que generan GTP (guanosín trifosfato), que puede ser convertido en ATP. Por ejemplo, en la reacción que convierte succinil-CoA en succinato, se libera una molécula de GTP.
Consumo y producción de ATP: Aunque se producen dos moléculas de ATP directamente durante el ciclo de Krebs, también hay un consumo neto de ATP en la etapa preparatoria, por lo que el saldo final es de 2 ATP producidos por cada glucógeno inicial.
Producción de potenciales REDOX: Durante el ciclo de Krebs se generan un total de 6 moléculas de NADH+ + H+ y 2 moléculas de FADH2, que pueden ser utilizadas en la cadena de transporte de electrones para generar más ATP.
Cuánto es el N° de ATP producido x CHO inicial: 2 moléculas de ATP.
Cuánto es el Nº de NADH+ + H+ producido (x Glucosa): 6 moléculas de NADH+ + H+ por cada glucógeno inicial.
Cadena de Transporte de Electrones
Cantidad de ATP que se produce por NADH+ + H+: 2.5 ATP
Cantidad de ATP que se produce por FADH2: 1.5 ATP.
Cantidad de ATP que se produce por el CHO degradado: En la glucólisis se producen 2 ATP, en la conversión del piruvato a Acetil-CoA se produce 2 NADH+H+ que generan un total de 5 ATP, en el ciclo de Krebs se generan 6 NADH+H+ (15 ATP) y 2 FADH2 (3 ATP), para un total de 30 ATP.
¿Que ocurre en presencia de un inhibidor en de la cadena respiratoria?
En el complejo I
Cuantos ATP se Producen: se producen aproximadamente 1,5 ATP por cada NADH+H+.
En el complejo II
Cuantos ATP se Producen: se producen 1,5 ATP por cada FADH2.
En el complejo IVI
Cuantos ATP se Producen: la cantidad de ATP producida dependerá del grado de inhibición del complejo y de la cantidad de electrones que se acumulan en la cadena respiratoria.
A partir de lo Anterior:
Resuma el Rendimiento Energético Neto Producto de la degradación del Carbohidrato sin inhibidores e Indicando de donde provienen los ATP
Etapa anaeróbica: Consumo de 2 ATP, producción de 4 ATP y 2 NADH+H+.
Etapa preparatoria: Producción de 2 Acetil-CoA, 2 CO2 y 2 NADH+H+.
Ciclo de Krebs: Producción de 2 ATP, 6 NADH+H+ y 2 FADH2.
Cadena de transporte de electrones: Producción de 10 NADH+H+ y 2 FADH2, lo que se traduce en la producción de 28-34 ATP.
El rendimiento energético neto sería de aproximadamente 32-38 ATP por cada molécula de glucógeno degradada en presencia de oxígeno. Los ATP se producen principalmente en la cadena de transporte de electrones a partir de los electrones transportados por el NADH+H+ y el FADH2 generados en las etapas previas.
Que pasa cuando hay presencia de inhibidores de la respiración como: Monóxido de Carbono (CO) o cianuro (CN-). Como es el resultado del rendimiento Energético.
La presencia de inhibidores de la respiración como Monóxido de Carbono (CO) o cianuro (CN-) pueden afectar significativamente el rendimiento energético de la degradación del carbohidrato glucógeno. Estos inhibidores actúan bloqueando la cadena de transporte de electrones, lo que impide la producción de ATP a través de la fosforilación oxidativa.
Analizar el efecto de inhibidores/ desacopladores de respiración celular indicando como afecta la producción de ATP y el proceso de respiración celular.
Los inhibidores de la respiración celular, como el monóxido de carbono y el cianuro, pueden interrumpir la cadena de transporte de electrones y reducir la producción de ATP. Estos compuestos se unen a proteínas específicas en la cadena de transporte de electrones y evitan que los electrones fluyan a través de la cadena, lo que interrumpe el gradiente de protones y, por lo tanto, reduce la producción de ATP.
Por otro lado, los desacopladores, como el dinitrofenol (DNP), aumentan la permeabilidad de la membrana mitocondrial interna y permiten que los protones fluyan de vuelta a la matriz mitocondrial sin pasar por la ATP sintasa. Esto significa que el gradiente de protones se reduce y se reduce la producción de ATP.
Tanto los inhibidores cómo los desacopladores pueden afectar negativamente el proceso de respiración celular y, por lo tanto, la capacidad de la célula para generar energía.
Son biomoléculas que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, junto con moléculas de azúcar, que al descomponerse producen glucosa. Su principal función en el organismo de los seres vivos es la de contribuir en el almacenamiento y en la obtención de energía de forma inmediata, sobre todo al cerebro y al sistema nervioso.
Los carbohidratos se clasifican en:
Monosacáridos, que no pueden hidrolizarse en carbohidratos más simples.
Disacaridos, que al hidrolizarse producen dos monosacáridos.
Oligosacaridos, dan de 3-10 monosacáridos por hidrólisis.
Polisacaridos, cuya hidrólisis resulta en más de 10 monosacáridos.
Monosacáridos: Son los glúcidos más sencillos, se subdividen en tres tipos: glucosa, fructosa y galactosa. Están constituidos químicamente por una sola cadena de polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Su principal función en los organismos es energética, aunque algunos de ellos entran a formar parte de la composición de moléculas con funciones muy diferentes. Están formados por cadenas carbonadas de 3 a 12 átomos de carbono; se nombran añadiendo el sufijo -osa al prefijo que indica el número de carbonos de la molécula. Los más abundantes y de mayor importancia biológica son las triosas, pentosas y hexosas.
Aldosa Cetosa
Disacáridos: se compone de dos moléculas de monosacáridos que se unen a través de un enlace glucosídico. Se caracterizan porque una de estas moléculas siempre es glucosa y a partir de allí, surgen sacarosa, maltosa y lactosa. Los disacáridos tienen funciones importantes en la dieta del hombre como fuentes principales de energía, considerando que son degradados a monosacáridos por disacaridasas para que así, se puedan absorber en el tracto alimentario.
Polisacáridos: está compuesto por muchas unidades de monosacáridos; se trata de cadenas de variable complejidad compuestas de múltiples moléculas de azúcar. Tienden a ser insolubles en el agua y los seres humanos sólo pueden utilizar algunos para producir energía. Los que tienen mayor valor nutricional son almidón, glucógeno y la celulosa.
Oligosacáridos: se constituyen a partir de la unión de entre dos y diez monosacáridos. Cuando tienen tres o más monosacáridos, lo habitual es que se encuentren unidos a lípidos o a proteínas. los oligosacaridos ofrecen un buen aporte de fibra; los más comunes son los disacáridos, que surgen por el vínculo entre dos monosacáridos con un enlace éter, perdiendo así una molécula de agua. Se encuentran en una gran variedad de vegetales, como la cebolla, el ajo, el puerro, la alcachofa y el espárrago, y de frutas tales como el plátano y el tomate. Todo esto sin dejar de lado el trigo integral, entre otros cereales que los incluyen. Por otro lado estan los fructo-oligosacáridos, una variedad que a veces se menciona como oligofructosa. Se trata de compuestos ricos en fibra soluble y fructosa, que forman parte de los denominados prebióticos.
DISACÁRIDOS
Los disacáridos o azúcares dobles son un tipo de hidratos de carbono. Su fórmula general es C12H22O12. Están formados por la condensación de dos monosacáridos iguales o distintos mediante enlace O-glucosídico y consiste en la unión de dos grupos –OH (hidroxilo) con pérdida de una molécula de agua, mono o dicarbonílico, que además puede ser α o β en función del -OH hemiacetal.
Propiedades
Son solubles en agua, dulces y cristalizables. Pueden hidrolizarse y ser reductores cuando el carbono anomérico de alguno de sus componentes no está implicado en el enlace entre los dos monosacáridos. La capacidad reductora de los glúcidos se debe a que el grupo aldehído o cetona puede oxidarse dando un ácido.
Los disacáridos desempeñan funciones importantes en la dieta humana; para que haya absorción de un carbohidrato es necesario que la molécula se rompa hasta llegar a la unidad básica, que es el monosacárido. Así podrá suministrar energía para que se lleven a cabo las reacciones químicas del organismo. Cuando la ingestión se produce de forma correcta, contribuye a mejorar el metabolismo de proteínas.
Los disacáridos de interés biológico son:
Sacarosa: Es un disacárido formado por una molécula de α-D-glucopiranosa y otra de β-D-fructofuranosa unidas por medio de un enlace α (1→2). El enlace se realiza entre el -OH del carbono anomérico del primer monosacárido y el -OH del carbono anomérico del segundo. Tiene función energética, esta presente en los vegetales, y también en la caña de azúcar. A la sacarosa se le llama también azúcar común, se encuentra en la caña de azúcar y en la remolacha azucarera.
Lactosa: es un disacárido formado por la unión de una molécula de D-galactopiranosa y otra de D-glucopiranosa unidas por medio de un enlace β (1→4). Tiene la función de dar más energía y se la puede encontrar fácilmente en la leche puesto que la lactosa es el disacárido más importante de esta, por lo tanto, a veces se denomina el azúcar de la leche. La hidrólisis hace que la lactosa produzca glucosa y galactosa.
Maltosa: Disacárido formado por dos moléculas de D-glucopiranosa unidas mediante enlace α (1→4), entre el oxígeno del primer carbono anomérico (proveniente de -OH) de una glucosa y el oxígeno perteneciente al cuarto carbono de la otra. La maltosa es el α -D-glucopiranosil (1→4)-D-glucopiranosa y al tener libre el carbono anomérico del segundo es un disacárido reductor. La maltosa es también llamada azúcar de malta, puesto que aparece en los granos germinados de cebada.
Cuál es la temperatura optima de la reacción de la enzima utilizada para generar los datos experimentales de la siguiente figura
Vo
T (°C)
Al observar la gráfica se estimaría que la temperatura optima en este caso estaría entre 52-53°C valor que corresponde con el máximo de actividad enzimática. Se designa como temperatura óptima y se define como la temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima. Es decir, que a este valor sería donde la reacción ocurre a mayor velocidad considerando que al aumentar la temperatura del medio hay un aumento en la energía lo que permite que la energía de activación de una reacción sea más alcanzable.
En el tramo desde el inicio hasta la temperatura óptima los valores bajos de temperatura dificultan la reacción al hacer menos reactivos a los sustratos. En general, la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas se duplica por cada 10ºC de incremento de temperatura, hasta alcanzar un máximo de actividad. Cuando la temperatura es muy baja la actividad enzimática es mínima (aunque la enzima no sufre desnaturalización).
En el tramo desde la temperatura óptima hasta los 70°C se puede decir que las enzimas, al ser proteínas, sufren la desnaturalización por el calor (no por el frío). Se observa que al sobrepasar el intervalo óptimo tiene lugar una pérdida progresiva de la actividad catalítica. La desnaturalización provoca que la actividad enzimática decrezca rápidamente hasta anularse.
2 Las líneas de puntos de la figura, representan interacciones no covalentes entre el sustrato y los aminoácidos del sitio activo de una enzima.
a.) Identifique cada tipo de interacción no covalente. Elija entre puentes de hidrogeno, enlaces iónicos e interacciones hidrofóbicas.
El enlace del lado izquierdo es de tipo iónico se evidencia debido a que es una interacción entre un oxígeno con un electrón libre O- y un H3N con un nitrógeno carente de un electrón.
El enlace de la mitad, se trata de un enlace hidrofobico, pues nterviene una molecula de agua.
El enlace de la derecha, se trata de otro enlace ionico, se observa la union de la base H3N y el acido COOH.
b.) De el nombre de los posibles aminoácidos del sitio activo de una enzima.
Aminoácidos ácidos y básicos como:
ácidos: ácido aspartico, Ácido glutamico.
básicos: lisina, Arginina.
Siendo importante considerar que los aminoácidos que constituyen las enzimas unos desempeñan una función estructural mientras que oros facilitan la unión enzima-sustrato, siendo llamados de fijación y otros, los catalíticos, hacen posible la transformación del sustrato.
3. En un experimento realizado en un laboratorio de bioquímica, se encuentra que una solución de 10uM de la enzima acetilcolinesterasa, catalizo la ruptura de acetilcolina 0,5M en un tiempo de reacción de 1 min. Calcule el número de recambio de la acetilcolinesterasa en segundos. Se midio los valores de KM de dos sustratos: Acetil colina KM= 1 x 10-5 M y Butirilcolina KM= 2x10-4 M. Cuál de los dos sustratos tiene mayor afinidad por la enzima a partir de la estructura de cada uno. Explique
datos:
[ACETILCOLINA] = 10uM
Catálisis
[S] = 0,5M=0.0005mM =
T = 1minuto = 60 seg
Kcat?
V= K cat/ Km → Kcta = V * Km
Kcta= 0.0005mM/ 60seg * 0,010mM
Kcat = 8,3 * 10^- 9 s^-1
La Acetilcolina KM= 1 x 10-5 M tiene Mayor afinidad por el sustrato .
“Cuanto menor es Km mayor es la afinidad (predomina la forma ES)”
La acetilcolinesterasa (AChE) quizás sea una de las enzimas más rápidas que existen. Esta enzima hidroliza la acetilcolina para formar colina y acetato.
Es importante conocer la forma iónica de los péptidos y de
las proteínas pues:
Los cambios de pH modifican la carga de una proteína, y por tanto su comportamiento con su entorno.
la solubilidad de muchas proteínas es mínima en su punto isoeléctrico, puesto que las moléculas ya no se repelen unas a otras cuando su carga neta es cero.
el hecho de que las proteínas y los péptidos tengan distintas cargas netas a un pH determinado suele aprovecharse para su separación, por electroforesis o por cromatografía de intercambio iónico.
En este caso el tetrapeptido
formado por Fen-Gln-Asp-Ala se tiene que solo el Asp presenta un grupo
ionizable en su cadena lateral: el COOH donde su valor de pKa=3.86 y al
hacer la ionización se presenta un punto isoeléctrico de 3.1 mostrándose así en la curva de titulación acido base de dicho tetrapeptido.
El conocimiento de las propiedades ácido-base de los aminoácidos es de mucha importancia
para la comprensión y el análisis de las proteínas. Por otra parte, las técnicas de separación,
identificación y cuantificación de los aminoácidos presentes en una proteína y su secuencia se basan también en su comportamiento ácido-base.
En el caso del punto isoeléctrico donde la carga neta es de
cero en ese punto la solubilidad es mínima es decir que la proteína precipita
pues ya no hay esa repulsión entre cargas, además las proteínas y péptidos cambian
de acuerdo al pH del medio, lo que se aprovecha para poder separar distintas proteínas
por métodos como la electroforesis o la cromatografía de intercambio iónico. En
este caso se considera el punto isoeléctrico de 3.1 por lo tanto valores por debajo
de este indican que la carga es positiva (+), mientras que valores por arriba indican
que la carga es negativa (-). Es así que, en un campo eléctrico por debajo de
3.1 es un anión por lo que se desplaza al polo negativo (-) y por arriba de 3.1
se comportaría como un catión y se desplaza al polo positivo (+). En pH=3.1 la
carga neta es cero (C. N=0) por lo tanto no se desplazaría en el campo eléctrico
a pH fisiológico es decir pH=7 la carga neta es cero.
HEMOGLOBINA
La hemoglobina es una proteína esencial en el cuerpo, que realiza la mayor parte del transporte de oxígeno en la sangre desde los pulmones al músculo, así como el de C02 y los H+ en la dirección opuesta. La hemoglobina es una proteína esférica compuesta por cuatro subunidades, dos cadenas α y dos cadenas β de estructura tridimensional semejante, consta de dos tipos de componentes llamados hemo y globina. Cada una tiene un grupo prostético hemo, con capacidad para captar oxígeno y otros ligandos, que presenta una estructura compuesta por cuatro anillos con un átomo de hierro central unido por seis enlaces. La unión del oxígeno a una subunidad de la hemoglobina produce un cambio en la conformación de esa cadena que induce modificaciones en las otras cadenas y en la estructura cuaternaria de la proteína: el resultado es un cambio desde una forma denominada T a una forma denominada R, que presenta una mayor afinidad por el oxígeno.
El pH de la sangre está cerca del pH neutro de 7,4,
normalmente oscila entre 7,35 y 7,45 y debe mantenerse en ese rango. Pero
dentro de las células, el pH puede variar en un rango más amplio y afecta el
proceso de suministro de oxígeno. Si el pH se vuelve más bajo (más ácido), la
curva de afinidad de oxígeno de la hemoglobina se mueve hacia la derecha como
se muestra arriba, y exhibe una menor afinidad en el rango de concentración de
oxígeno típico del interior celular. El metabolismo activo en la célula produce
CO2 y H, que actúan para reducir el pH. Esto hace que el oxígeno se
libere más rápidamente en un efecto conocido como efecto Bohr, que lleva el
nombre de Christian Bohr, quien descubrió este fenómeno.
Al observar la curva de disociación del O2 se
nota que al inicio (parte anaranjada) la deoxi-hb tiene muy baja afinidad por
el O2 por lo que requiere de grandes cambios en la PO2
para que la hemoglobina (hb) se oxigene mejor o más fácil por así decirlo, una
vez que la hb comienza a oxigenarse (parte verde) se vuelve más receptiva al O2
por lo que unas pequeñas modificaciones de la PO2 reflejaran
cambios en la sat de hemoglobina, y al llegar casi que al 100% de sat de la
hemoglobina (parte amarilla) ya los cambios en la PO2 no la
modificaran.