INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Y GLUCÓLISIS

DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA ESFUNO EUTM

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas que permiten la obtención de energía de moléculas combustibles (nutrientes) y su utilización

en diferentes procesos celulares

Obtención de energía necesaria para: 1- trabajo mecánico (movimiento) 2- Transporte activo de moléculas e iones (en contra a un gradiente) 3- Síntesis de macromoléculas a partir de sus precursores (Biosíntesis)

Vías Metabólicas Conjunto de reacciones químicas interconectadas

Transforman una determinada molécula (sustrato de la vía) en otra(s) molécula(s) de forma controlada

La actividad de las diferentes vías metabólicas se encuentran coordinadas y reguladas

Las vías son flexibles adaptándose a los cambios del entorno

Vías Metabólicas - tipos Lineal Cíclica Espiral

Secuencia de reacciones donde el producto de una reacción es sustrato de la siguiente

Secuencia de reacciones donde uno de los metabolitos se regenera al completarse la ruta

El mismo sustrato es utilizado por el mismo juego de enzima repetidas veces

Bloques Metabólicos

CLASIFICACION 1- CATABÓLICAS: Aquellas que convierten energía en formas biológicamente utilizables

Nutrientes (carbohidratos-grasas) CO2+ H2O + Energía útil

2- ANABÓLICAS: Aquellas que requieren de energía para producirse

Energía útil + moléculas pequeñas Macromoléculas

3- ANFIBÓLICAS: Pueden ser tanto catabólicas como anabólicas

Vías Metabólicas

Vías Metabólicas- Convergentes y Divergentes

CATABOLISMO

ANABOLISMO

ANFIBÓLICA

Divergentes Convergentes

Acetil-Coa

Vías Metabólicas

Una vía metabólica debe satisfacer dos criterios: 1- Las reacciones individuales de la vía deben ser específicas 2- La totalidad de las reacciones que constituyen la vía deben ser termodinámicamente favorables

Las vías metabólicas se constituyen de reacciones acopladas de tal manera que el

cambio de energía libre (ΔG) global de la vía es negativa

Intermediarios Activados

Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP

El ATP se sintetiza a partir de ADP y Pi cuando los nutrientes son oxidados mientras que la energía liberada en su hidrólisis es utilizada para diferentes procesos celulares

CICLO ATP-ADP

Principal forma de intercambio de energía en

sistemas celulares

Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP: Síntesis

a- Fosforilación a nivel de sustrato

El ATP se forma por la transferencia de un grupo fosforilo de un sustrato al ADP.

Ejemplo

Los electrones extraídos en la oxidación de nutrientes son transportados en moléculas especializados y la energía liberada en el transporte utilizada para la generación de gradientes de iones

Intermediarios Metabólicos Activados-ATP

1- ATP: Síntesis b- Fosforilación oxidativa

La energía almacenada en el gradiente se utiliza para la síntesis de ATP

Etapas en la oxidación de nutrientes

1- Degradación de macromoléculas a grupo acetilo

(2 carbonos) transportados en la Acetil-Coenzima A

Acetil-CoA

2- Oxidación del grupo acetilo del Acetil-Co A a

CO2. Los electrones extraídos en la oxidación son

transportados en moléculas especializadas:

NADH+H+ y FADH2

3- Oxidación NADH+H+ y FADH2 en la cadena de

transporte de electrones mitocondrial y generación

de ATP (fosforilación oxidativa)

Dinucleotido de Adenina y Nicotinamida: NAD+ o NADP+

Anillo de nicotinamida

Intermediarios Metabólicos Activados-NAD(P)H

NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+

NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+

Dinucleótido de adenina y flavina: FAD+/FADH2

FAD+ + 2e- + 2H+ FADH2

Transportador electrónico unido a proteínas (cofactor)

Anillo de Isoaloxacina

Intermediarios Metabólicos Activados-FADH2

NADH/NADPH: Transportadores de electrones solubles A nivel celular: NAD+/NADH es alta (niveles de NADH bajos) (se favorece la oxidación de los sustratos y la reducción a NADH) NADP+/NADPH es baja (niveles de NADPH altos) (se favorece la oxidación de NADPH y la reducción de sustratos)

NADH Participa en reacciones de oxidación NADPH Participa en reacciones de reducción (biosíntesis)

Funciones metabólicas especializadas

Oxi

daci

ón

Transporte de electrones en NADH y FADH2

Intermediarios Metabólicos Activados-FADH2

Regulación del Metabolismo

La activación de una vía catabólica debe acompañarse de

la inhibición de la vía anabólica correspondiente y viceversa

de manera de evitar ciclos fútiles (gasto neto de ATP)

Formas principales de regulación:

1- Niveles de enzimas (expresión génica y degradación)

2- Actividad enzimática (regulación alostérica y covalente)

3- Compartimentalización de las vías (organelos)

Niveles y actividad de las enzimas

Transcripción Traducción Degradación ENZIMA

Modificación Covalente

Regulación Alostérica

Asociación con Proteínas

Reguladoras

Secuestro en Organelos

Compartimentalización

Degradación

Actividad enzimática

Todas las vías metabólicas se encuentran reguladas enzimáticamente

Control Alostérico reversible: lleva a la inmediata activación o inhibición de la actividad enzimatica. Existen moduladores positivos (activan) y negativos (inhiben)

En muchas vías metabólicas la primera reacción se inhibe de forma alostérica por el producto de la vía

S a b c d e P

Retroalimentación Negativa

E1 E2 E3 E4 E5 E6

Actividad enzimática Modulación covalente Ej: fosforilación/desfosforilación por kinasas La adición de un grupo fosfato generalmente en residuos de serina y treonina llevan a la ganacia o pérdida de actividad enzimática

Regulación por carga energética celular

Las vías productoras de ATP

(Catabólicas) se inhiben por una

carga energética alta mientras

que las vías que requieren de ATP

(Anabólicas) se activan

Carga energética celular = [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]

Compartimentalización de vías metabólicas

-Biosíntesis (NADPH)

Oxidación de nutrientes (NADH) Matriz mitocondrial

Ejemplo: Síntesis y Degradación de ácidos grasos

Secuestro de enzimas Ejemplo: Hexoquinasa IV, en presencia del producto de la enzima (glucosa-6-fosfato) la Hexoquinasa se recluta a nivel nuclear

Compartimentalización de vías metabólicas

Las vías metabólica son irreversibles

Las vías Anabólicas y Catabólicas deben ser diferentes

Todas las vía metabólicas tiene un paso limitante

Están reguladas finamente (enzimas reguladoras)

En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en

localizaciones celulares específicas (organelos)

Carácterísticas principales de Metabolismo

Secuencia de reacciones enzimáticas que catalizan la conversión de una molécula de Glucosa (6 carbonos) en 2 moléculas de Piruvato (3 carbonos) con la generación de 2 moléculas de ATP y dos de NADH

2 NADH

Vía central del metabolismo energético de los organismos Lugar: citosol celular Vía metabólica anaeróbica (no requiere de oxígeno) Única fuente de energía para los globulos rojos y fuente principal para el cerebro

Vía Metabólica: GLUCÓLISIS

Mayoría de reacciones ENDERGÓNICAS Utilizan energía del ATP 5 reacciones

Mayoría de reacciones EXERGÓNICAS Síntesis de ATP y NADH 5 reacciones

PRIMERA FASE PREPARATIVA

SEGUNDA FASE: Producción de ATP

Glucólisis

La glucólisis tiene un total de 10 reacciones

Glucólisis

Importancia de los intermediarios fosforilados

Ausencia de transportadores para azúcares fosforilados a nivel de la membrana plasmática celular Intermediarios fosforilados no pueden salir de la célula

Fosforilación de la glucosa

Primera reacción de la vía: HEXOQUINASA

• La conversión de glucosa en glucosa-6-P favorece la entrada de más glucosa desde el exterior a favor de un gradiente de concentración

Glucólisis- Primera fase

Principales puntos de regulación de la fase: Hexoquinasa- paso 1 Fosfofructoquinasa- Paso 3

Glucólisis- Segunda fase

Conversión de gliceraldehído-3P en Piruvato con la generación de ATP y NADH

5 reacciones x2 (ya que la oxidación de la glucosa En la primera fase de la glucólisis Da dos moléculas de gliceraldehído-3P)

Glucólisis- Segunda fase

Reacción 6: Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa

Sustratos: Gliceraldehído-3-P, Pi, NAD+

Productos: NADH, 1,3 bifosfo glicerato

Glucólisis- Segunda fase, obtención de ATP

Glucosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2H+ + 4 ATP + 2 H2O

Glucosa + 2NAD+ + 2 ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O

Del 100% de la energía

contenida la glucosa: el 79,4%

está aún en los 2 piruvatos

Glucosa 2 Piruvato ΔGo’ = - 586 kJ/mol

Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ΔGo’ = - 2840 kJ/mol

2 NAD+ 2 NADH ΔGo’ = + 440 kJ/mol

2 ADP + Pi 2 ATP ΔGo’ = + 61 kJ/mol

Balance energético de la glucólisis

Regulación de la vía glucolítica

Principales enzimas reguladoras: 1- Hexoquinasa 2- FosfoFructoquinasa (PFK) 3- Piruvato Qinasa

1

2

3

La velocidad de conversión de Glucosa en Piruvato se regula de manera de satisfacer dos requerimientos celulares: ATP e intermediarios biosintéticos (ej: sintesis de ácidos grasos)

Regulación de la vía glucolítica

1-Hexoquinasa

Existen dos isoformas de la misma enzima: 1- Hexoquinasa (músculo y tejidos) Inhibidor alostérico: G-6-P Presenta un bajo KM para la glucosa

Glucosa + ATP Glucosa-6-P + ADP

2- Gluoquinasa (hígado) Inhibidor alostérico: F-6-P V = [glucosa] KM alto para la glucosa 10-20 mM

Inhibición por producto

HK

La PFK-1 se inhibe de forma alostérica por altas concentraciones de ATP mientras que se activa por altas concentraciones de AMP

Regulación por carga energética

Modulador negativo: ATP Modulador positivo: AMP La PFK se regula de forma alostérica por citrato (modulador negativo) Indicador de alta carga energética

Regulación de la vía glucolítica

2-FosfoFructoquinasa (PFK)

El contenido de NAD+ del citosol celular es limitado

Para que la glucólisis pueda continuar se debe re-oxidar al NADH generado en la reacción de la Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa regenerando al NAD+ sustrato de la vía

Regulación de la vía glucolítica

Principales destinos del Piruvato Reoxidación del NADH

Dependiendo de la presencia o no de oxígeno el PIRUVATO producido en la glucólisis tiene diferentes destinos

FERMENTACIÓN Anaeróbica

RESPIRACION Aeróbica

Principales destinos del Piruvato

Principales destinos del Piruvato

Oxidación del NADH citosólico generado en la glucólisis (reacción 6) a nivel mitocondrial El piruvato es oxidado completamente a CO2 en la mitocondria llevando a la generación de 36-38 moléculas de ATP

1- Condiciones aeróbicas

Principales destinos del Piruvato

2- Condiciones anaeróbicas En mamíferos se da la fermentación láctica Ej: actividad muscular intensa Globulos rojos (no tienen mitocondrias) En levaduras y otros micro- organismos se da la fermentación alcohólica -Pizza -Cerveza

Producción de lactato

Producción diaria de lactato por diferentes tejidos

Destinos del lactato

El lactato liberado es captado por otros tejidos (hígado, corazón, músculo) que lo oxidan a pirvuato El hígado puede usar el lactato para sintetizar glucosa nueva, que vuelve a la sangre

Fermentación Láctica