Intro Met 2014

Panorámica del Metabolismo
Dr. Marcelo Rodríguez Piñón (DMTV-MSc)
Prof. Adj. de Bioquímica
Area Bioquímica
Departamento de Biología Molecular y Celular
Facultad de Veterinaria
Objetivos:
Comprender las principales características de
las vías metabólicas.
Visualizar la importancia del metabolismo en
la producción y utilización de energía.
1) Introducción
- Características y clasificación de los seres vivos
2) Vías metabólicas
- Catabólicas
- Anabólicas
- Características principales del funcionamiento
de las vías
Tabla periódica de los elementos
en naranja componentes mayoritarios (g/día en la dieta)
en amarillo los oligoelementos (mg/día en la dieta)
Lehninger, Nelson , Cox. Principios de
Bioquímica, Ed. Omega, 4a de 2009.
1) Introducción
- Características de los seres vivos:
Son muy organizados y estructuralmente
complejos.
Extraen, transforman y utilizan energía de su
entorno (nutrientes químicos o energía solar)
Para que?
para construir y mantener sus propias
estructuras complejas y realizar trabajo
mecánico, químico, osmótico etc.
- Clasificación de los seres vivos
de acuerdo al origen de la fuente de energía:
Fototróficos:
utilizan la energía solar.
Quimiotróficos:
utilizan la energía obtenida por la oxidación de
compuestos orgánicos.
-Clasificación de los seres vivos
de acuerdo al origen de las moléculas combustible:
Autótrofos (del griego autoalimentados):
sintetizan sus compuestos orgánicos a partir fuentes
de carbono y nitrógeno muy sencillas (ejemplo CO2).
Heterótrofos (alimentados a partir de otros):
sintetizan sus compuestos orgánicos a partir de
moléculas complejas (ejemplo glucosa).
Los organismos vivos: - no están en equilibrio
- requieren aporte de energía
libre para realizar trabajo
(diferentes funciones)
Para extraer, transformar y utilizar la energía de los
nutrientes, estos deben ser metabolizados.
Metabolismo: suma de transformaciones químicas que
se producen en una célula u organismo, tiene lugar en
una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente,
constituyen la vías (rutas) metabólicas.
En cada reacción de la vía se produce un pequeño
cambio químico específico (eliminación, transferencia,
adición de un átomo o grupo).
Metabolito: intermediario químico en las reacciones del
metabolismo catalizadas por enzimas.
Mapa de las principales vías metabólicas en una
célula típica
> 5000 enzimas conocidas hasta el momento !
Fig. 15-1 Voet & Voet
2) Vías metabólicas
El metabolismo puede subdividirse en dos categorías
principales: Catabolismo y Anabolismo
Catabolismo: fase de degradación del metabolismo
CH OH
6 2
H
H 5
4 OH H 1
OH 3 2 OH
H
(proceso oxidativo) las moléculas de
nutrientes y constituyentes celulares
se convierten en productos mas
pequeños y sencillos.
CO2 , H2O
OH
Glucosa
ATP
Las reacciones catabólicas producen energía.
En general las rutas catabólicas son convergentes.
Panorámica del metabolismo
Carbohidratos
Proteínas
Monosacáridos
Lípidos
Glicerol
Aminoácidos
Ácidos grasos
Glucosa
Gliceraldehido3-fosfato
Piruvato
Acetil-CoA
Ciclo
de Krebs
e-
CO2
eNADH, FADH2
NH3
catabolismo
ADP
ATP
O2
H2O
clave
catabólica
anabólica
Flujo electrónico
NAD+, FAD
(oxidados)
Anabolismo: fase del metabolismo que se ocupa de la
biosíntesis (proceso reductivo) de
moléculas complejas a partir de
precursores pequeños y sencillos.
CH OH
6 2
H
H 5
4 OH H 1
OH 3 2 OH
H
OH
Pir, Lac, OA (3, 3, 4 C)
ATP
Glucosa
En general las rutas anabólicas son divergentes
Las reacciones anabólicas requieren energía (ATP y
poder reductor, NADH, NADPH, FADH2).
Panorámica del metabolismo
Carbohidratos
Proteínas
Monosacáridos
Lípidos
Glicerol
Aminoácidos
Ácidos grasos
Glucosa
Gliceraldehido3-fosfato
Piruvato
Acetil-CoA
Ciclo
de Krebs
e-
CO2
eNADH, FADH2
NH3
catabolismo
anabolismo
ADP
ATP
O2
H2O
clave
catabólica
anabólica
Flujo electrónico
NAD+, FAD
(oxidados)
Macromoléculas Celulares
Proteínas, Polisacáridos,
Lípidos, Ácidos nucleicos
Nutrientes (energía)
Glúcidos. Grasas
Proteínas
ADP+HPO42_
NAD+
NADP+
FAD
Catabolismo
Anabolismo
ATP
NADH
NADPH
FADH2
Energía química
Moléculas
Precursoras
Aminoácidos, Azucares
Ácidos grasos
Bases nitrogenadas
Productos
finales
CO2, H2O
NH3
Modificado Fig. 3 de Lehninger 2005
Existen patrones dentro de la química de
la vida
La mayoría de las reacciones en las células se encuadran en
cinco categorías generales
1) Ruptura o formación de enlaces C-C
2) Reordenamientos internos, isomerizaciones y
eliminaciones
3) Transferencias de grupo
4) Oxidoreducciones
5) Reacciones de radicales libres
Existen patrones dentro de la química de
la vida
Dos principios químicos básicos
1) enlace covalente consiste en un par de electrones
compartidos (Regla del octeto).
En general el enlace covalente se pude partir de dos
formas:
Rotura homolítica, c/átomo abandona el enlace como
radical llevando un electrón.
Rotura heterolítica, la más frecuente, un átomo retiene
los dos electrones de enlace.
Especies generadas más frecuentemente al romper
enlaces C-C y C-H
Rotura
Radical de Átomo de
homolítica
hidrógeno
carbono
Radicales de carbono
Rotura
heterolítica
Los carbaniones,
carbacationes e
iones hidruro son
muy inestables
+
+
Hidruro
+
Existen patrones dentro de la química de
la vida
Dos principios químicos básicos
1) enlace covalente consiste en un par de electrones
compartidos.
2) En muchas reacciones bioquímicas intervienen
interacciones entre:
nucleófilos (grupos funcionales ricos en electrones, con
capacidad para cederlos)
y electrófilos (grupos funcionales con carencia de
electrones, ávidos de los mismos)
nucleófilos
comunes en reacciones bioquímicas
electrófilos
R
O
C
oxígeno, carga (-) (hidroxilo sin
protonar o carboxilo ionizado)
O
S
sulfihidrilo cargado negativamente
átomo de C de grupo carbonilo; el oxigeno, más (-),
tira de los electrones alejándolos del C
R
+
C N
C
carbanión
H
grupo imino protonado (activado para ataque
nucleofílico en el C por protonización de la imina)
N
grupo amino sin carga
HN
N
O
O P
O
fosforo de grupo fosfato
imidazol
H O
ión hidroxilo
R
O
R
H+
protón
Existen patrones dentro de la química de
la vida
cinco categorías generales
1) Ruptura o formación de enlaces C-C ( catalizadas por
hidrolasas, liasas, ligasas)
2) Reordenamientos internos: isomerizaciones y
eliminaciones (isomerasas y mutasas)
3) Transferencias de grupo (transferasas e hidrolasas)
4) Oxidoreducciones (oxidoreductasas)
5) Reacciones de radicales libres
Ruptura o formación de enlaces C-C
Condensación
Condensación aldólica
aldólica(enlace
(enlaceC-C):
C-C):Aldolasa,
Aldolasa, glucólisis
glucólisis
Condensación de esteres de Claisen: Citrato sintasa, Ciclo
de Krebs
En ambas reacciones un carbanión actúa como nucleófilo y el
carbono de un carbonilo actúa como electrófilo. El carbanión
esta estabilizado por el carbonilo en el carbono adyacente
Descarboxilación de ceto acido: Isocitrato deshidrogenasa,
Ciclo de Krebs
Condensación de esteres de Claisen: Citrato sintasa, Ciclo
de Krebs
Descarboxilación de ceto acido: Isocitrato deshidrogenasa,
Ciclo de Krebs
Se forma un carbanión en el carbono sombreado en azul, al tiempo
que se sale el CO2..
La reacción no transcurriría a velocidad apreciable sin el efecto
estabilizador del carbonilo adyacente del carbono del carbanión.
Reordenamientos internos (isomerizaciones y eliminaciones)
C1 se reduce (aldehído a alcohol), C2 se oxida (alcohol a cetona)
se desplaza un
B1 sustrae un
par de e- del
protón
enlace C C
formación de
para formar un
doble enlace
enlace C H
C C
con el protón
cedido por B1
los e- del
B2 sustrae un
carbonilo
protón , permite
forman enlace
formar enlace
O H con el H
C O
cedido por B2
Intermediario enediol
(b) Flechas=movimiento de e-, Rosado=grupos nucleofílicos,
azul=electrofílicos, B1y B2 grupos ionizables de E (da o acepta protones)
Transferencias de grupo
Transferencia de un grupo
fosforilo (_ PO32- ) a la Glucosa
OH del C6 (nucleófilo) ataca
al ATP y desplaza ADP
Glucosa 6-fostato
un éster fosfato
Enzima: hexokinasa (gr. “kinein”, mover).
Oxidoreducciones
2e- y 2 iones hidrógeno (2 átomos de H) se eliminan del
C2 del lactato (alcohol) para dar piruvato (cetona)
Oxidoreducciones
Oxidoreducciones
Reducido
Etano
(alcano)
Etanol
(alcohol)
7 e-
5 e-
Acetaldheído
(aldehído)
3e-
Acetona
(cetona)
2 e-
Ácido acético
(ácido carboxílico)
1 e-
Dióxido de carbono
0e-
Oxidado
Adaptado de
Lenhinger, 5 ed,
2009.
Características principales del
funcionamiento de las vías metabólicas
1) Son irreversibles :
Altamente exergónicas, tienen una dirección.
2) Las vías anabólicas y catabólicas deben diferir:
Al menos en uno de sus pasos de reacción
A
2
1
Y
X
Control independiente de los dos procesos
Características principales del
funcionamiento de las vías metabólicas
3) Uno de los primeros pasos está comprometido:
Una de las primeras reacciones de la vía tiene
un ∆G negativo, controlando el intermediario
que es sustrato de la siguiente reacción.
Obliga al intermediario que produce a
continuarla.
Características principales del
funcionamiento de las vías metabólicas
4) Están reguladas:
Control del flujo de metabolitos por regulación de las
enzimas que catalizan las “reacciones claves”.
Reacción exergónica (irreversible) lenta para permitir
que sus sustratos y productos se equilibren
En general la “reacción clave” es uno de los primeros
pasos
Control eficiente que previene síntesis innecesaria de
metabolitos
Regulación específica:
alostérica (sustratos, productos)
covalente (hormonas)
Características principales del
funcionamiento de las vías metabólicas
4) Están reguladas:
Enzima 1
Adaptado de Lehninger, Nelson , Cox.
Principios de Bioquímica, Ed. Omega, 4a de
2009.
Características principales del
funcionamiento de las vías metabólicas
5) En la célula eucariota localizaciones especificas:
La compartimentación permite que diferentes vías
ocurran en diferentes compartimientos
Mitocondria: Ciclo de Krebs,
transporte electrónico
y fosforilación oxidativa,
oxidación de ácidos grasos,
ruptura de amino ácidos.
Procesos que producen ATP
5) En la célula eucariota localizaciones especificas:
Citosol :
glucólisis,
vía de las pentosas fosfato,
síntesis de ácidos grasos
Procesos que consumen ATP
Las membranas biológicas tienen permeabilidad
selectiva (proteínas transportadoras, control por
compartimentación)
Síntesis
El metabolismo puede subdividirse en dos categorías
principales:
 Catabolismo: degradación, procesos oxidativos
 Anabolismo: síntesis, procesos reductivos
La energía (ATP, NADH) generada en la degradación
de compuestos complejos es utilizada para la síntesis
de los compuestos que la célula necesita
 ACOPLAMIENTO DE PROCESOS EXERGÓNICOS Y
ENDERGÓNICOS!!!!!
Vías metabólicas:
S
A
B
C
D
P
 Son secuencia de reacciones, en las que un
sustrato (S) se transforma en un producto (P),
pasando por diferentes intermediarios (A, B, C).
 Son irreversibles, en las condiciones celulares el
ΔG real global es negativo y por lo tanto, se
producen en una sola dirección.
 Están reguladas por enzimas claves, ubicadas en
puntos unidireccionales y estratégicos de la vía
(¤). Esto permite ahorrar sustratos y energía.
 Están localizadas en compartimentos celulares
específicos, dependiendo de las funciones que
cumplen.
Bibliografía
•Voet & Voet. Biochemistry, Ed. John Willey & Sons,
1995, Ed. Médica Panamericana 3a de 2006.
•Lehninger, Nelson , Cox. Principios de Bioquímica,
Ed. Omega, 2a de 1995 – 3a de 2000 - 4a de 2009.
•Matheus, van Holde. Bioquímica, Ed. McGraw Hill,
1998.
•Stryer, Bioquímica Vols I y II, Ed. Reverté 4ª Edición,
1995.