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METABOLISMO Catabolismo y anabolismo

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METABOLISMO

Catabolismo y anabolismo

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• Una propiedad de los sistemas biológicos

es que crean y mantienen el orden, en un

universo que siempre tiende a aumentar el

desorden.

A. Cápside de un virus

B. Microtúbulo

C. Grano de polen

D. Ala de mariposa

E. Semillas en un girasol

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• Para lograr esto, realizan series de reacciones

químicas catalizadas por enzimas.

• Así se forman las rutas metabólicas: series de

reacciones catalizadas por enzimas.

Enzima: catalizador biológico

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• Metabolismo: es la suma de las

transformaciones químicas que

ocurren en una célula o en un

organismo.

• Las rutas metabólicas están

interconectadas, formando un

laberinto que permite a la célula

sobrevivir, crecer y

reproducirse.

• El término metabolismo

intermediario se aplica a las

actividades combinadas de

todas las vías metabólicas. Son

reacciones enzimáticas que

extraen energía química de las

moléculas de nutrientes y la usan

para sintetizar y ensamblar

componentes celulares.

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• Cada uno de los pasos consecutivos en una vía

brinda un cambio químico específico,

normalmente la remoción, transferencia o

adición de un átomo específico, grupo funcional

o molécula.

• En esta secuencia de pasos, un precursor se

convierte en producto a través de series de

intermediarios metabólicos o metabolitos.

• Así, el producto de una reacción es el precursor

de la siguiente.

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• Catabolismo: es la fase degradadora del metabolismo, en la que las moléculas orgánicas (carbohidratos, grasas y proteínas) son convertidas a productos más simples y pequeños (ácido láctico, CO2, NH3). Las vías catabólicas producen energía libre que se conserva en la formación de ATP y acarreadores de poder reductor.

• Anabolismo: (biosíntesis) a partir de precursores simples y pequeños se construyen moléculas complejas incluyendo lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Las reacciones anabólicas requieren energía, generalmente la energía libre producida por la hidrólisis del ATP y el poder reductor del NADH y NADPH.

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• Las vías metabólicas pueden ser lineales, cíclicas o ramificadas

(convergentes o divergentes).

• Convergentes: convierten varios materiales iniciales en un solo producto.

• Divergentes: dan como resultado varios productos finales a partir de un

solo precursor.

• En términos generales, las vías catabólicas son convergentes y las

anabólicas divergentes.

• Algunas vías son cíclicas, en ellas un componente inicial de la vía es

regenerado para reentrar en ella.

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• Las rutas metabólicas se regulan en tres niveles:

– Alostérico. A través de la acción de moduladores estimulantes o inhibitorios que actúan sobre las enzimas cambiando su actividad catalítica en respuesta a ellos. Su efecto es inmediato.

– Hormonal. Las hormonas son mensajeros químicos liberados por un tejido que estimulan o inhiben algún proceso en otro tejido. Sirven para coordinar las actividades metabólicas en diferentes tejidos y sus acciones y efectos se observan a mediano plazo.

– Transcripcional. Se controla la velocidad de un paso metabólico regulando la concentración de la enzima que lo lleva a cabo. La concentración de una enzima en un tiempo dado, es el resultado del balance entre su síntesis y su degradación, ambas controladas en el transcurso de minutos u horas.

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Ciclo del carbono y del oxígeno

Según la forma en que obtienen el

carbono y la energía, los

organismos se dividen en:

• Autótrofos: utilizan el CO2 de la

atmósfera como fuente de

carbono y la energía del sol o de

compuestos inorgánicos.

– Fotoautótrofos: obtienen la

energía del sol.

– Quimioautótrofos: obtienen la

energía oxidando compuestos

inorgánicos.

• Heterótrofos: obtienen el

carbono y la energía de

sustancias orgánicas

sintetizadas por otros

organismos.

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Ciclo del nitrógenoNitrógeno atmosférico: N2

Amoniaco (ammonia): NH3

Nitratos: NO3-

Nitritos: NO2- Los organismos vivos

requieren una fuente de nitrógeno, necesaria para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y otros compuestos.

• Bacterias fijadoras de nitrógeno: las cianobacterias y las bacterias que viven simbióticamente en las raíces de las leguminosas.

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• Estos ciclos están dirigidos por un constante flujo de energía a

través de la biosfera:

Energía solar -----------------→ nutrientes orgánicos.

Nutrientes orgánicos ---------------→ energía para funciones vitales.

fotosíntesis

respiración

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• Siempre se pierde parte de la energía como calor y

entropía.

• En contraste con los ciclos de la materia, la energía

fluye en un solo sentido en la biosfera

– En los organismos vivos, la energía útil no puede ser

regenerada a partir de la energía disipada como calor o

entropía.

– El carbono, el oxígeno y el nitrógeno se reciclan

constantemente.

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Cambio de energía libre en

reacciones químicas

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• Constante de equilibrio,

K para la reacción Y → X

• ΔG° = -1.42 log K

• Reacción

energéticamente

favorable: ΔG° < 0

• Reacción

energéticamente

desfavorable: ΔG° > 0

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Reacción espontánea, exergónica: K > 0 ΔG° < 0

Reacción no espontánea, endergónica: K < 0 ΔG° > 0

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En reacciones secuenciales la ΔG°

es aditiva.

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Las moléculas acarreadoras de energía son

esenciales para la biosíntesis

• La energía liberada por la oxidación de moléculas de nutrientes

se almacena temporalmente para luego ser utilizada en la

construcción de las moléculas que la célula necesita.

• Los acarreadores de energía más importantes son el ATP,

NADH y NADPH.

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Generalidades sobre el ATP

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• La forma más importante de molécula acarreadora de energía en las células es el ATP (trifosfato de adenosina).

• Por acoplamiento energético, la hidrólisis del ATP se puede utilizar en procesos dependientes de energía.

• La ruta más importante para la síntesis de ATP en condiciones aeróbicas es la fosforilaciónoxidativa.

• En condiciones anaeróbicas, los organismos satisfacen sus necesidades con el ATP formado en la glicólisis.

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• La cadena de los tres residuos de fosfato están unidos al grupo

hidroxilo 5’ de la adenosina.

• Los fosfatos se designan como , y .

• A pH fisiológico, el ATP tiene cuatro cargas negativas.

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• El ATP es inestable por lo que fácilmente reacciona produciendo ADP + P- y liberando energía.

• Una razón de la inestabilidad de los enlaces fosfóricos anhidros es la repulsión entre los oxígenos (carga -), y se equilibra parcialmente al removerse un fosfato, por lo que esta reacción es altamente exergónica.

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Una gran cantidad de procesos

biológicos requieren energía en

forma de ATP, tales como síntesis

de DNA, de proteínas y de

polisacáridos.

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• Algunos hongos, microorganismos

marinos, medusas, crustáceos y

luciérnagas pueden generar

bioluminisencia, que requiere grandes

cantidades de energía.

• Se utiliza ATP en una serie de

reacciones que convierten energía

química en energía luminosa.

Ejemplo de

uso de ATP: