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• Miguel Villegas

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Resolver el siguiente cuestionario por equipo de laboratorio. Capítulo 15 Principios de bioenergética y ciclo del ATP, del libro de Bioquímica de Lehninger.

1. Escribe la formula desarrollada del ATP, ADP y AMP. ATP = C10H16N5O13P3

ADP= C10H15N5O10P2

AMP= C10H14N5O7P

Indica el significado de ATP, ADP y AMP. ATP: (Adenisintrifosfato) 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. Se produce durante la foto respiración y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula molecular es C10H16N5O13P3. ADP: (Adenosindifosfato) Es un nucleótido difosfato, es decir, un compuesto químico formado por un nucleósido y dos radicales fosfato unidos entre sí. En este caso el nucleósido lo componen una base púrica, la adenina, y un azúcar del tipo pentosa que es la ribosa. Se puede considerar como la parte sin fosforilar del ATP.

AMP: (Adenosinmonofosfato) es un nucleótido que se encuentra en el ARN. Es un éster de ácido fosfórico con en nucleósido adenosina. El AMP está formado por fosfato, ribosa, y adenina. Su fórmula es C10H14N5O7P. 2. En que partes de la célula se encuentran presentes el ATP, ADP y AMP. Estos se encuentran en el citoplasma, las mitocondrias y en los núcleos que se encuentra en las células. 3. En qué intervalo de concentraciones se encuentra la suma de ATP, ADP y AMP en una célula viva. La suma de sus concentraciones en fase acuosa se encuentra comprendida entre 2 y 10mM, según las especies. 4. Qué indica la primera ley de la termodinámica. Menciona que en cualquier proceso, la energía total del sistema y de su entorno permanece constante. Ya que la energía no se crea ni se destruye.

5. Qué indica la segunda ley de la termodinámica.

Establece que en todos los procesos, la entropía del sistema más la de su entorno, siempre sufre un incremento hasta alcanzar un equilibrio, en cuyo punto, la entropía es la máxima posible en las condiciones de temperatura y presión que prevalecen. 6. Describe que indica la expresión ΔG= ΔH + TΔS. Es la relación entre las variación de la energía libre de un sistema reaccionante y la entropía en condiciones de temperatura y presión constantes, en la que ∆G es la variación de energía libre del sistema, ∆H la variación de entalpia, T° la temperatura absoluta y ∆S es la variación de entropía.

7. Cuál es la diferencia entre ΔG y ΔG⁰. ΔG es la energía libre que se define como la fracción de la variación total de energía que es capaz de efectuar trabajo a medida que el sistema tiende hacia el equilibrio; mientras que ΔG⁰ es la variación de energía libre estándar que a su vez es una constante fija cuyo valor es característico para una reacción química determinada. 8. Cómo se relacionan las concentraciones de reactivos y productos de una reacción química en equilibrio y la ΔG⁰. ΔG° constituye una medida del descenso de energía libre de dicha reacción, cuando se permite que tenga lugar en condiciones estándar definidas arbitrariamente, mientras que las concentraciones, la T y la constante R reflejaran las concentraciones de los productos y los reactivos, por lo que podrán calcular la variación de energía libre.

37 Calcula el porcentaje de energía libre conservada como ATP a partir de fosfoarginina. R= 38 Qué son los fosfágenos. R= Los fosfatos que desempeñan el papel de depósito o almacenadores de energía del enlace fosfato se· designan, frecuentemente, como fosfágenos. 39 Para qué se transfiere el grupo fosfato desde el ATP a diferentes moléculas. R= el A TP puede ceder su grupo fosfato terminal a una gran variedad de moléculas capaces de aceptar el fosfato en reacciones catalizadas por enzimas específicos. Entre estos aceptores se hallan la D~glucosa y la D~glicerina. El enzima hexoquinasa cataliza la reacción ATP + D~glucosa ↔ ADP + D~glucosa~6~fosfato

∆G0= -4,00 kcal mol-1 Obsérvese que el ∆G0 de esta reacción es fuertemente negativo, indicando con ello que los grupos fosfato tenderán a transferirse a la glucosa si se parte de concentraciones 1 M de todos los reaccionantes y de todos los productos. Por tanto, en esta reacción la dirección de la transferencia de los grupos fosfato se realiza hacia fuera del A TP. .mientras que en las reacciones y se efectuaba hacia dentro del AD P, para formar A TP. La diferencia es que el producto fosforilado resultante de la transferencia del grupo fosfato desde el ATP a la glucosa, es decir, la glucosa~6~fosfato, posee una energía libre estándar de hidrólisis inferior (menos negativa) que la del ATP mientras que el 3~fosfo~ gliceril~fosfato y el fosfoenolpiruvato poseen valores de ∆G0 mayores (más negativos) que el A TP. 40 Qué aplicación tienen las rutas enzimáticas que transfieren fosfato. R= Los grupos fosfato se transfieren, en primer lugar, por acción de fosfotransferasas específicas desde compuestos de contenido energético elevado hasta el ADP. El A TP así formado se convierte después en el dador de fosfato en una segunda reacción enzimática para formar un fosfato con bajo contenido de energía. El resultado neto es la transferencia de un grupo fosfato desde el dador de elevada energía al aceptor de baja energía, a través del sistema· ATP~ADP como mediador. 41 Cómo se determina la reversibilidad biológica de las reacciones enzimáticas su variación de energía libre. R= 42 Cuál es la diferencia entre una escisión pirofosfatolítica y ortofosfatolítica. R= Tenemos como ejemplo la activación enzimática de un ácido graso para formar su éster con el coenzima A, importante intermediario en la biosíntesis de triacilglicéridos y de fosfoglicéridos: ATP+ RCOOH + CoA-SH ↔ AMP + PP1 + RCO-S-CoA ciclo gras

ester acilo graso-CoA

Esta reacción se verifica a través de lo que se ha denominado escisión pirofosfatolítica del A TP, en contraposición con la escisión ortofosfatolítica habitual, en la que el ATP pierde un simple grupo ortofosfato. Ambos tipos de escisión pueden representarse del modo siguiente: Escisión ortofosfatolítica: A – R – P ~P ~ P ↔ A – R – P ~ P + Pi Escisión pirofosfatolítica: A – R – P – P – P ↔ A – R – P + P~P. 43 En cuál escisión del grupo fosfato que produce más variación de la energía libre.

R= La disminución de energía libre cuando el A TP experimenta la escisión pirofosfatolítica es sustancialmente mayor que el que se produce en la ortofosfatolítica. La variación de energía libre estándar ∆G0 para la reacción ATP +H2O ↔ AMP + PPi es de -100 kcal mol-1. La escisión pirofosfatolítica del ATP produce de este modo un «impulso» termodinámico adicional en algunas reacciones enzimáticas.

44 Qué es un sistema cerrado y un sistema abierto. R= Los principios de la termodinámica clásica o de equilibrio que hemos empleado para el análisis de las variaciones de energía en las reacciones químicas aisladas, los sistemas cerrados son aquellos que no intercambian materia con su entorno. El análisis de los sistemas cerrados es relativamente sencillo, ya que solamente se precisa considerar los estados inicial y final de un sistema determinado, o conjunto de materia, después de alcanzar el equilibrio. Mediante el empleo de tales métodos, se ha llegado a disponer de mucha información importante sobre la energética de las reacciones enzimáticas individuales. Pero cuando intentamos aplicar esta información al análisis de los intercambios energéticos en las células intactas, nos enfrentamos con grandes dificultades ya que las células vivas son sistemas abiertos.

45 Porqué las células vivas son sistemas abiertos. R= Una célula determinada, en un momento dado, se encuentra en un estado estacionario en el que la velocidad de entrada de materia es igual a la velocidad de salida de la misma. En este estado estacionario, la concentración de todos los componentes de la célula, entre ellos la del ATP; permanece constante: en estas condiciones, la velocidad de formación de cada uno de los componentes es exactamente igual a su velocidad de utilización. Qué indica el término “reacciones químicas acopladas”, describe un ejemplo. En dos reacciones consecutivas en las cuales un producto de la primera, actúa como sustrato en la segunda, como en el ejemplo: A+B C+D D+EF+G Se dice que las reacciones se hallan acopladas mediante un intermediario común, en este caso el componente D.

9. Qué indica la propiedad de aditividad de las reacciones químicas. 10. Determine el valor del ΔG⁰ del anhidro acético.

∆G°=-2.303RT ln Keq ∆G°=-2.303(1.98 cal mol-1 K-1 )(298 K°)(ln 1.75x10-5 ) =14,884.04 cal mol-1 11. Determine el valor del ΔG⁰ de la gicilglicina.

∆G°=-2.303RT ln Keq ∆G°=-2.303(1.98 cal mol-1 K-1 )(298 K°)(ln 6.72x10-6 ) =16184.62 cal mol-1

12. Menciona cinco moléculas fosfatadas que presenten un elevado contenido energético e indica su valor de ΔG⁰. ATP (Adenosintrifosfato), ADP (Adenosindifosfato), AMP (Adenosinmonofosfato), Pi (fosfato inorgánico), PCr (fosfocreatina) 13. Menciona cuales son los enlaces de alta energía en la molécula de ATP y ADP, justifica tu respuesta. Los enlaces anhiodridos porque tienen un alto potencial de transferencia de grupo y son fácilmente hidrolizables, proceso que se dá de manera espontánea. 14. Qué condiciones afectan la hidrólisis del ATP. Las razones químicas de esa tendencia son tres: 1. Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa. Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos. La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis. 2. Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP. Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis. 3. Solvatación: la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.

15. Qué es el intermediario común en una reacción química.

Es el producto de una reacción que puede ser ocupado como sustrato de otra reacción. 16. … (5) Con los siguientes datos

Calcule la energía libre real de hidrólisis de ATP, en cada caso.

46 Calcula el porcentaje de energía libre conservada como ATP a partir de fosfoarginina. R= 47 Qué son los fosfágenos. R= Los fosfatos que desempeñan el papel de depósito o almacenadores de energía del enlace fosfato se· designan, frecuentemente, como fosfágenos.

48 Para qué se transfiere el grupo fosfato desde el ATP a diferentes moléculas. R= el A TP puede ceder su grupo fosfato terminal a una gran variedad de moléculas capaces de aceptar el fosfato en reacciones catalizadas por enzimas específicos. Entre estos aceptores se hallan la D~glucosa y la D~glicerina. El enzima hexoquinasa cataliza la reacción ATP + D~glucosa ↔ ADP + D~glucosa~6~fosfato ∆G0= -4,00 kcal mol-1 Obsérvese que el ∆G0 de esta reacción es fuertemente negativo, indicando con ello que los grupos fosfato tenderán a transferirse a la glucosa si se parte de concentraciones 1 M de todos los reaccionantes y de todos los productos. Por tanto, en esta reacción la dirección de la transferencia

de los grupos fosfato se realiza hacia fuera del A TP. .mientras que en las reacciones y se efectuaba hacia dentro del AD P, para formar A TP. La diferencia es que el producto fosforilado resultante de la transferencia del grupo fosfato desde el ATP a la glucosa, es decir, la glucosa~6~fosfato, posee una energía libre estándar de hidrólisis inferior (menos negativa) que la del ATP mientras que el 3~fosfo~ gliceril~fosfato y el fosfoenolpiruvato poseen valores de ∆G0 mayores (más negativos) que el A TP. 49 Qué aplicación tienen las rutas enzimáticas que transfieren fosfato. R= Los grupos fosfato se transfieren, en primer lugar, por acción de fosfotransferasas específicas desde compuestos de contenido energético elevado hasta el ADP. El A TP así formado se convierte después en el dador de fosfato en una segunda reacción enzimática para formar un fosfato con bajo contenido de energía. El resultado neto es la transferencia de un grupo fosfato desde el dador de elevada energía al aceptor de baja energía, a través del sistema· ATP~ADP como mediador.

50 Cómo se determina la reversibilidad biológica de las reacciones enzimáticas su variación de energía libre. R= 51 Cuál es la diferencia entre una escisión pirofosfatolítica y ortofosfatolítica. R= Tenemos como ejemplo la activación enzimática de un ácido graso para formar su éster con el coenzima A, importante intermediario en la biosíntesis de triacilglicéridos y de fosfoglicéridos: ATP+ RCOOH + CoA-SH ↔ AMP + PP1 + RCO-S-CoA ciclo gras

ester acilo graso-CoA

Esta reacción se verifica a través de lo que se ha denominado escisión pirofosfatolítica del A TP, en contraposición con la escisión ortofosfatolítica habitual, en la que el ATP pierde un simple grupo ortofosfato. Ambos tipos de escisión pueden representarse del modo siguiente: Escisión ortofosfatolítica: A – R – P ~P ~ P ↔ A – R – P ~ P + Pi Escisión pirofosfatolítica: A – R – P – P – P ↔ A – R – P + P~P.

52 En cuál escisión del grupo fosfato que produce más variación de la energía libre. R= La disminución de energía libre cuando el A TP experimenta la escisión pirofosfatolítica es sustancialmente mayor que el que se produce en la ortofosfatolítica. La variación de energía libre estándar ∆G0 para la reacción ATP +H2O ↔ AMP + PPi es de -100 kcal mol-1. La escisión pirofosfatolítica del ATP produce de este modo un «impulso» termodinámico adicional en algunas reacciones enzimáticas.

53 Qué es un sistema cerrado y un sistema abierto. R= Los principios de la termodinámica clásica o de equilibrio que hemos empleado para el análisis de las variaciones de energía en las reacciones químicas aisladas, los sistemas cerrados son aquellos que no intercambian materia con su entorno. El análisis de los sistemas cerrados es relativamente sencillo, ya que solamente se precisa considerar los estados inicial y final de un sistema determinado, o conjunto de materia, después de alcanzar el equilibrio. Mediante el empleo de tales métodos, se ha llegado a disponer de mucha información importante sobre la energética de las reacciones enzimáticas individuales. Pero cuando intentamos aplicar esta información al análisis de los intercambios energéticos en las células intactas, nos enfrentamos con grandes dificultades ya que las células vivas son sistemas abiertos.

54 Porqué las células vivas son sistemas abiertos. R= Una célula determinada, en un momento dado, se encuentra en un estado estacionario en el que la velocidad de entrada de materia es igual a la velocidad de salida de la misma. En este estado estacionario, la concentración de todos los componentes de la célula, entre ellos la del ATP; permanece constante: en estas condiciones, la velocidad de formación de cada uno de los componentes es exactamente igual a su velocidad de utilización.