III. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

III. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
1. Generalidades
2. Termodinámica de los compuestos fosforilados
3. Termodinámica de los sistemas vivos
¿CÓMO OBTIENEN LAS CÉLULAS LA ENERGÍA Y EL PODER
REDUCTOR A PARTIR DE SU ENTORNO?
¿CÓMO SINTETIZAN LAS CÉLULAS LOS COMPUESTOS
FUNDAMENTALES DE SUS MACROMOLÉCULAS Y CÓMO SE
SINTETIZAN POSTERIORMENTE LAS PROPIAS MACROMOLÉCULAS?
Stryer et al. 2003
¿QUÉ ES EL
METABOLISMO?
Metabolismo
Proceso mediante el cual los seres vivos adquieren y utilizan
la energía libre que requieren para realizar sus funciones
Es una actividad celular muy coordinada en la que muchos
sistemas multienzimáticos cooperan para:
(1) Obtener energía química a partir de la captación de la
energía solar o degradando nutrientes ricos en energía
obtenidos del ambiente
(2) Convertir moléculas nutrientes en las moléculas
características de la propia célula
(3) Polimerizar los precursores monoméricos en
macromoléculas proteínas, ác. nucleicos, lípidos, carbohidratos
(4) Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones
celulares especializadas
Nelson y Cox, 2005
LOS ORGANISMOS VIVOS SE DIVIDEN EN DOS GRUPOS SEGÚN LA
FORMA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA QUE OBTIENEN CARBONO
DEL MEDIO
Quimiótrofos (heterótrofos)
Fotótrofos (autótrofos)
EL CARBONO, OXÍGENO Y AGUA SE CICLAN CONSTANTEMENTE ENTRE
LOS MUNDOS HETEROTRÓFICOS Y AUTOTRÓFICO, CON LA ENERGÍA
SOLAR COMO FUERZA MOTRIZ DE ESTE PROCESO GLOBAL
Obtienen su
energía de la
degradación de
nutrientes
orgánicos
producidos por los
autótrofos
Obtienen
su energía
de la luz
solar
Autotrófos
fotosintéticos
Heterótrofos
Nelson y Cox, 2005
Metabolismo
Es la suma de todas las transformaciones químicas que se
producen en una célula u organismo, a través de una serie de
reacciones catalizadas enzimáticamente que constituyen las
rutas metabólicas
CARACTERÍSTICAS
CADA PASO = CAMBIO QUÍMICO ESPECÍFICO
(Eliminación, transferencia o adición de un átomo o grupo funcional)
PRECURSOR
INTERMEDIARIOS
(METABOLITOS)
PRODUCTO
Donde la serie de reacciones químicas se encuentran interrelacionadas
y acopladas y que tienen por objeto producir compuestos necesarios
para la vida celular
Stryer et al. 2003
CATABOLISMO.- Conjunto de reacciones que
convierten moléculas (como si fueran
combustibles) en energía utilizable (producen
energía)
METABOLISMO
Vías catabólicas: son de tipo degradativo.
Químicamente son procesos oxidativos.
Suelen producir energía
ANABOLISMO.-Conjunto de reacciones que requieren
energía para producir moléculas complejas
Vías anabólicas: son rutas de biosíntesis.
Químicamente son procesos reductores.
Requieren un aporte de energía externo.
A
N
A
B
O
L
I
S
M
O
M
E
T
A
B
O
L
I
S
M
O
ENERGÍA
C
A
T
A
B
O
L
I
S
M
O
ANABOLISMO
REGULACION
METABÓLICA
ENERGÍA
CATABOLISMO
REGULACIÓN
DEL
METABOLISMO
CANTIDAD
ACTIVIDAD
CATALÍTICA
DISPONIBILIDAD
(RECAMBIO, LOCALIZACIÓN)
Características de las vías metabólicas
•Una vía metabólica está formada por una serie de reacciones en una
secuencia específica que en su conjunto es termodinámicamente
favorable
•Sin embargo, algunas de estas reacciones de la vía pueden requerir
energía y otras liberarla
•Las vías pueden estar compartamentalizadas celularmente (organelos,
citosol, membranales)
•Las reacciones van a estar mediadas por enzimas, por eso, van a ser
específicas
•Las vías metabólicas pueden ser regulables. No todas las reacciones
de la vía pueden regularse.
•Esta regulación puede darse por disponibilidad del sustrato, por
mecanismos de regulación enzimática (alosterismo, fosforilación,
retroalimentación, síntesis de la enzima misma, etc.), por factores
termodinámicos
•En su conjunto, las vías metabólicas son reversibles PERO TIENEN
POR LO MENOS UN PASO IRREVERSIBLE (PASO LIMITANTE)
LAS REACCIONES DE UNA VÍA METABÓLICA SE PUEDEN
VER SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS.
Las reacciones termodinámicamente pueden ser:
∆G GRANDE Y NEGATIVA La reacción transcurre en el
sentido (EXERGÓNICAS)
∆G=0
EL SISTEMA ESTA EN
EQUILIBRIO
∆G GRANDE Y POSITIVA La reacción transcurre en el
sentido opuesto
(ENDERGÓNICAS)
LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO
∆G CERCANO A 0
- SON REVERSIBLES
- Las enzimas que las catalizan tienen una actividad muy
alta y por tanto la actividad de la enzima no es un factor
limitante de la vía.
- Son reacciones fácilmente reversibles y su actividad
depende de la relación de [sustrato] y [producto].
La direccionalidad va a depender de cambios de
[sustrato] y [producto].
- LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO, POCAS
VECES REGULAN EL FLUJO DE LA VÍA METABÓLICA
LAS REACCIONES ALEJADAS DEL EQUILIBRIO
∆G GRANDES Y NEGATIVOS
- SON IRREVERSIBLES
- Son poco sensibles a la variación de [sustrato] y [producto]
- Las enzimas suelen ser alostéricas
- LAS REACCIONES ALEJANAS DEL EQUILIBRIO SON LAS
QUE MAYORMENTE REGULAN UNA VÍA METABÓLICA
TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS DEL METABOLISMO
TIPO DE REACCIÓN
DESCRIPCIÓN
Oxidación-reducción
Transferencia de electrones
Formación de enlaces con
requerimiento de hidrólisis de
ATP
Formación de enlaces covalentes (ej. C-C)
Isomerización
Reorganización de átomos para formar
isómeros
Transferencia de grupos
Transferencia de un grupo funcional de
una molécula a otra
Hidrólisis
Rompimiento de enlaces con intervención
del agua
Adición o eliminación de grupos
funcionales
Poner grupos funcionales a dobles enlaces
o eliminación para formar dobles enlaces
MOLÉCULAS FUNDAMENTALES
EN LAS REACCIONES METABÓLICAS
Cuatro moléculas fundamentales
en las reacciones metabólicas
“Donador de energía”
“Almacenador de
Poder reductor”
“Acarreador de
grupos acilo”
La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reacción
común para obtener energía.
LA VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE EN LA HIDRÓLISIS DEL ATP ES GRANDE Y
NEGATIVA
FUNDAMENTO QUÍMICO DE LA ELEVADA VARIACIÓN DE ENRGÍA LIBRE
ASOCIADA A LA HIDRÓLISIS DE ATP
1) La hidrólisis disminuye
la repulsión de carga
2) El producto (Pi)
está estabilizado por la
formación de un
híbrido de resonancia
3) El producto se ioniza
inmediatamente
Otros compuestos
fosforilados que
transfieren su
fosfato en
reacciones
celulares que
requieren energía
Otros compuestos
fosforilados que
transfieren su
fosfato en
reacciones
celulares que
requieren energía
TIOESTER
ESTABILIDAD POR
TAUTOMERIZACIÓN
ESTABILIDAD POR
RESONANCIA
ESTABILIDAD POR
RESONANCIA
EN LAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS CON VARIACIONES
DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR GRANDES Y NEGATIVAS
los
PRODUCTOS SON MÁS ESTABLES QUE LOS REACTIVOS
1) La tensión de enlace en los reactivos debida a repulsión
electrostática queda liberada por la separación de carga
(ATP)
2) Los productos se estabilizan por ionización
3) Los productos se estabilizan por isomerización
4) Estabilidad por resonancia
ENERGÍAS LIBRES ESTÁNDAR DE HIDRÓLISIS DE ALGUNOS
COMPUESTOS FOSFORILADOS Y DEL ACETIL-CoA (un tioéster)
La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reacción
común para obtener energía.
Esta reacción se acopla energéticamente a otra reacción que la requiera
A
B
Reacción exergónica
C
D
Reacción endergónica
LAS VARIACIONES DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR
SON ADITIVAS
Este principio explica por qué una reacción termodinámicamente
desfavorable (endergónica) puede ser impulsada en el sentido directo
acoplándola a una reacción muy exergónica a través de un
intermediario común.
FLUJO DE GRUPOS FOSFORILO
REGULACIÓN DE UNA VÍA METABÓLICA
ENFOQUE TRADICIONAL VS. TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO
ENFOQUE TRADICIONAL
Una vía tiene uno o muy pocos
pasos regulación, que se llaman
pasos limitantes o
TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO
No hay una enzima que sea la
responsable de regular el flujo de la vía
El flujo de una vía está controlado por
varias enzimas de las reacciones
que integran la vía
Las enzimas “limitantes o reguladoras” Cada una tiene una contribución que
depende de la concentración de
se han propuesto con base en
intermediarios
mediciones in vitro, muy alejadas de
las condiciones fisiológicas como
[intermediarios], efectores alostéricos, Se basa en la medición exptl. de una vía
etc.
“perturbando” una enzima específica y
viendo como se comporta el flujo de la vía
(concentraciones de los otros metabolitos)
todos estos datos se tratan matemáticamente y por eso es cuantitativa