Metabolismo y bioenergética Reacciones qcas se llevan a cabo en varias etapas (todas tienen un mecanismo de reacción) La célula es un sistema termodinámico Entalpía: Entropía: Energía Libre de Gibbs: Mediante este valor yo puedo saber si un proceso es o no es espontáneo. Cinética Qca: estudia la velocidad de las rxns, estudia los factores que intervienen en esta velocidad, y estudia el mecanismo con el cual ocurre una rxn qca. Catálisis: rxns metabólicas están catalizadas por enzimas y en algunas ocasiones también interviene también una fuente de energía externa (ej: luz solar). Las células y los organismos necesitan energía para funcionar transformar un tipo de energía en alguna otra forma. La energía que necesita los seres humanos es por medio de las grasas y carbohidratos. Las plantas son organismos fotosintéticos que necesitan la luz solar como fuente de energía. Metabolismo: 1. ¿Cómo transforman los organismos la energía potencial de los alimentos en energía útil para la biosíntesis, el transporte en la membrana o la contracción muscular? 2. ¿Cómo las células adquieren, transforman, almacenan y utilizan la energía? 3. ¿Cuál es el gasto energético? ¿Qué es el ATP? 4. ¿Cómo regulan las células los procesos Metabolismo es la suma final de todas las reacciones qcas que suceden en el organismo, es el estudio de las rxns bqcas que se llevan a cabo en el organismo, incluidas su regulación, coordinación y necesidades energéticas. El metabolismo depende del tipo de célula. La mayoría de los organismos utilizan las mismas rutas generales para extraer y utilizar la energía, ej: rxns de degradación de la glucosa (glucólisis) son similares en los seres humanos, bacterias y plantas superiores. Fuentes de materia y energía para el metabolismo: o Fuente de energía: Luminosa: Fotótrofos Oxidación de compuestos qcos: Quimiótrofos 1. Células autótrofas: Obtienen el Carbono en forma de CO2 y otros elementos como N y S en forma de sales minerales (nitratos y sulfatos), toman la materia de su entorno en forma de materia inorgánica y son capaces de después transformarlas en materia orgánica. Las que tienen nutrición autótrofa fabrican la materia orgánica a partir de materia inorgánica sencillas (toman la luz). Tipos de autótrofos: Líquenes, Gimnospermas y Angiospermas, 2. Células Heterótrofas: Llamadas también organótrofas. No pueden utilizar el CO2 ni las sales minerales a. Aeróbicos: Organismos que utilizan el O2 para las rxns metabólicas. b. Anaeróbicos: No necesitan el O2 para sobrevivir. Metabolismo intermediario: Es cuando cada rxn origina un producto estable o intermediario. Una célula humana puede contener más de 3000 tipos de enzimas y cada una catalizar una rxn distinta. Los intermediarios metabólicos (metabolitos) son intermediarios de una rxn bqca. Ruta metabólica: Es la secuencia de rxns que tienen un propósito particular (ej: degradación de glucosa en piruvato, glucólisis). Puede ser en línea (glucólisis), ramificada (síntesis de AA), cíclica (ciclo del ácido cítrico) o en espiral (degradación de ácidos grasos). Rutas metabólicas: o Catabolismo: Ruta donde se degradan las moléculas, rompiendo los enlaces de las macromoléculas a moléculas más sencillas; casi siempre se libera energía y hay producción de ATP (Ej: Glucólisis). Parten de muchas rutas pero llegan a una en común (convergencia de vías). Son procesos de oxidación y producción de cofactores reducidos. o Anabolismo: es la síntesis de macromoléculas a partir de moléculas sencillas; necesitando energía para poder hacerlas requiriendo ATP (Ej: Gluconeogénesis). Parte de una ruta y termina en varias (divergencia de rutas). Son procesos de reducción y producción de cofactores oxidados. ATP: Ciclo Energético del ATP: Se parte del ADP y un gpo fosfato (puede ser en condiciones aerobias y anaerobias), si la condición es aerobia como producto hay CO2 Y H2O Y Energía, en anaerobio: hay Lactato y Energía. Nucleócido: Formado por una base nitrogenada y una pentosa (azúcar de 5 carbonos) ATP: ”Adenosin trifosfato o fosfato de adenosina” Es un nucleótido formado por base nitrogenada (Adenina), pentosa (Ribosa) y tres gpo fosfato (tiene 3 gpos fosfatos y se llama “nucleótido trifosfato”). Es un transportador universal de energía. Es muy soluble en H2O (por hidrólisis) y estable en rangos de pH de 6.8 y 7.4. En las intervenciones de las rutas metabólicas, el enlace es…. Fosfoanhidro… Hidrólisis del ATP: Los productos ADP y Pi están en un nivel de energía menor que el de los reactivos (ATP Y H2O) se dice que la rxn libera energía (rxn exo). Gpos fosfatos están cargados negativamente y los tres generan repulsión de energía por eso es muy fácil que el tercer enlace fosfoanhidro de rompa y se libere energía. Se hidroliza en la siguiente rxn: ATP + H2O ADP + Pi (1 gpo fosfato) + Energía; el deltaG tiene valor de -30.5 kj/mol, esta rxn es reversible: Energía + ADP + Pi ATP +H2O (consumiendo los -30.5 kj/mol) Acoplamiento de rxns: Muchas rxns metabólicas requieren la energía del ATP para que se de el cambio, pero también hay algunas que en las que se puede producir ATP. El ATP en el metabolismo actúa como intermediario común para enlazar energéticamente dos rxns. Mecanismos para acoplar el desprendimiento de energía durante el catabolismo en síntesis de ATP: o Fosforilación a nivel de sustrato: o Fosforilación en la cadena de transporte de electrones: Aspectos qcos del metabolismo: 1. Rxns. Oxido-Reducción: Enzima oxidorreductasas (deshidrogenasas). Muchas están acopladas a los pares redox de coenzimas como NAD+/NADH, NADP+/NADPH y FAD/FADH 2. Rxns. Transferencia de gpo: Transferencia de gpo funcional a otra (transferencia intermolecular) o se puede transferir un gpo adentro de la misma molécula (transferencia intramolecular) 3. Rxns. Hidrólisis: Se utiliza el H2O para separar una molécula en dos distintas, abundan en el metabolismo y las mas comunes son la ruptura de ésteres, amidas y enlaces glucosídicos (para el triacilglicerol se ocupa la enzima lipasa) 4. Rxns. Ruptura no hidrolítica: No hay presencia de agua y se fragmentan por presencia de enzimas de tipo Liasas (ej: Fructosa 1,6-bifosfato con la aldolasa se rompe en Dihidroxiacetona fosfato + Gliceraldehído 3-fosfato) 5. Rxns. Isomerización y rearreglo: incluyen dos tipos de transformaciones qcas: a. Desplazamiento de átomo de H intramolecular que cambia la posición de un doble enlace. b. Rearreglos intramoleculares de gpos funcionales (glucosa 6 fosfato glucosa 1-fosfato) 6. Rxns de formación de enlaces usando ATP: utiliza ATP para formar nuevos enlaces de dos moléculas, se utilizan las enzimas de tipo Ligasas o sintetasas. Bioenergética: Es el estudio del flujo de energía y las transformaciones en las células y organismos vivos; síntesis del ATP por ox-red y otros procesos relacionados. El metabolismo es un proceso de transformación de energía donde el catabolismo proporciona energía para el anabolismo. Energía es la capacidad de generar o experimentar… Metabolismo la forma de intercambio de energía es el ATP, se usa el deltaG (cambio de energía libre para un proceso qco), el deltaG° se relaciona con su cste de eq y se establece Keq: conc productos/ conc reactivos; deltaG°: -2.303R(cste de gases es 8.315 J/mol)TlogKeq . https://www.youtube.com/watch?v=rcmFwDVbOUA&t=108s https://www.youtube.com/watch?v=15zcABaR-Aw Metabolismo de los Carbohidratos Todos los organismos obtienen energía de la degradación oxidativa de la glucosa y otros carbohidratos. Algunas celular y organismos (como el cerebro), los eritrocitos y muchas bacterias ésta es la principal o única fuente de energía. Glucólisis es la ruta más importante, se transforma la glucosa a piruvato en condiciones anaerobias junto con una pequeña producción de energía en forma de ATP y NADH. El piruvato tiene mucha energía potencial que solo se puede extraer por metabolismo aeróbico. Glucosa excedente (que no se requiere en el catabolismo) se almacena en forma de almidón (en plantas) y de glucógeno (en animales) y en algunos organismos en forma de grasas. Glucosa almacenada en esos depósitos se puede liberar cuando hay demanda… Metabolismo energético de la glucosa: “Glucólisis” (ruptura de sustancia) es el proceso más importante del metabolismo de carbohidratos, es la ruta universal… Es la degradación de glucosa hasta ácido pirúvico. Es un proceso catabólico. Este proceso se lleva a cabo en el citosol (en todos los tejidos). Hay 2 fases: 1. Se requiere energía (primeras 5 rxns) rxn endotérmica y 2. Se libera energía (últimas 5 rxns) rxn exotérmica. Se dan en total 10 rxns catalizadas por enzimas que comienzan con un sustrato de glucosa que se divide en dos moléculas de piruvato. 1. Reacción de fosforilación de la glucosa. Es un proceso activo que ocupa enzimas transmembranas y es irreversible. Un gpo Fosfato se transfiere del ATP a la Glucosa y la transforma en Glucosa-6-fosfato (ésta es más reactiva que la glucosa y la add del gpo fosfato retiene la glucosa dentro de la célula porque la glucosa con un fosfato es 2. Glucosa 6 fosfato se convierte en su isómero (fructosa 6 fosfato) y la enzima que cataliza la rxn es la fosfoglucosa isomerasa. 3. Un gpo fosfato del ATP se transfiere a la fructosa-6-fosfato y se produce fructosa-1,6bifosfato. Es irreversible y es clave ya que la enzima que actúa es la fosfofructocinasa que es enzima alostérica (tiene otro sitio de unión en la que se puede unir el ATP y dependiendo de la concentración de éste debe ser el necesario). 4. Fructosa-1,6-bifosfato de rompe a la mitad y se forman dos compuestos: deshidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato (mediada por triosa fosfato isomerasa), del cual solo el gliceraldehído-3-fosfato continúa directamente con los siguientes pasos de la glucólisis. 5. La dihiroxiactetona fosfato se convierte en gliceraldehído-3-fosfato. Éstas existen en equilibrio pero se ve desplazado hacia la formación de gliceraldehído-3 fosfato y al final toda dihidroxiacteona fosfato (DHAP) se convierte en gliceraldehído-3-fosfato. 6. Ocurren dos semirxns: a) oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (uno de los azúcares de tres carbones que se forma en la fase inicial). B) Reducción del NAD+ (“dinucleótido de nocotinamida y adenina”) en NADH 7. 1,3-bifosfoglicerato dona uno de sus gpos fosfatos al ADP y lo transforma en una molécula de ATP y en el proceso se convierte en 3-fosfoglicerato (PRIMERA RXN DONDE SE PRODUCE ATP) 8. 3-fosfoglicerato se convierte en su isómero el 2-fosfoglicerato (enzima es la fosfoglicerato mutasa). Rxn de gpo fosfato de Carbono 3 al 2. 9. 2-fosfoglicerato pierde una molécula de agua y se transforma en fosfoenolpiruvato (PEP) y es una molécula inestable lista para perder su gpo fosfato en el paso final de la glucólisis. 10. El PEP (“Fosfoenolpiruvato”) de inmediato dona un gpo fosfato al ADP y se forma la segunda molécula del ADP. Al perder su fosfato, PEP se convierte en Piruvato, el producto final de la glucólisis. (Enzima es piruvatocinasa y es irreversible) (En las primeras 5 reacciones en total hubo un gasto de 2 ATP, y en las últimas 5 hubo una producción de 4 ATP y 2 NADH). (Rxn 3 determina la velocidad de la ruta, IMPORTANTE) (Hay 7 rxns reversibles y 3 irreversibles: la 1, 3 y 10) Ya que al final se forma el Piruvato, uno de los destinos es la fermentación homoláctica… Gluconeogénesis: Es la formación de moléculas nuevas de glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos, ocurre principalmente en el hígado; los precursores son el lactato, el piruvato, el glicerol y determinados alfa-cetoácidos (moléculas que derivan de los ácidos). Es un proceso anabólico (síntesis de la glucosa), todas las rxns que son reversibles en la glucólisis son iguales en la gluconeogénesis, las únicas que cambian son las irreversibles (1,3,10) La glucosa se sintetiza en los animales en el hígado. Reacciones de la gluconeogénesis (inversa de la glucólisis solo que 3 de las reacciones de la glucólisis son irreversibles y las que son reversibles son comunes para las dos rutas) En las 3 reacciones irreversibles se utilizan otras enzimas para que todo se lleva a cabo. 1. Síntesis de PEP (“Fosfoenolpiruvato”) esta es la 10: Síntesis de PEP a partir de piruvato y se requieren dos enzimas que son la piruvato carboxilasa y la PEP carboxicinasa. La piruvato carboxilasa (se encuentra adentro de las mitocondrias) convierte el piruvato en oxaloacetato “OAA”. El OAA se DESCARBOXILA y se fosforila por medio de la PEP carboxicinasa… 2. Conversión de fructosa-1,6-difosfato en fuctosa-6-fosfato, esta es la 3: esta rxn es irreversible en la glucolisis y aquí es catalizada por la PKF-1 se evita por la fructosa-1,6difosfatasa (enxima alostérica y pueden haber sustancias afectoras que pueden cambiar su acción) 3. Formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato, esta es la 1: Glucosa-6-fosfatasa (enzima que solo se encuentra en el hígado y el riñón) cataliza la hidrolisis irreversible de la glucosa-6-fosfato El GTP la base nitrogenada es la GUANINA y este es otro nucleótido que interviene a diferencia de la glucólisis que es el ATP y es la Adenina.
