Metabolismo I. CATABOLISMO

• Son el conjunto de reacciones bioquímicas que se dan en la célula con el fin de obtener las biomoléculas y la energía necesarias para los procesos vitales y la utilizan para mantener sus concentraciones iónicas y regenerar continuamente las moléculas y estructuras que degradan.

• Las reacciones metabólicas forman rutas metabólicas ramificada, con intermediarios metabólicos y productos finales:

AB C D E

F G

• Las reacciones metabólicas están reguladas mediante enzimas: proteínas que, en cantidades pequeñas, sin intervenir en la reacción, facilitan la reacción que, de otro modo, no se daría a las temperaturas del cuerpo.

• Los productos obtenidos se ajustan a las necesidades del organismo

Principios de bioenergética • La bioenergética o termodinámica bioquímica, es el estudio de los cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas. • Proporciona los principios que explican por qué algunas reacciones pueden producirse en tanto que otras no. Los sistemas no biológicos pueden utilizar la energía calorífica para realizar trabajo, pero los sistemas biológicos son isotérmicos y emplean la energía química para impulsar los procesos vitales. • La energía química de un compuesto está representada por el movimiento y posición relativa de los átomos y partículas componentes; por los enlaces y atracciones y a menudo el contenido energético de las moléculas involucradas disminuye o aumenta. El curso de cualquier reacción química es determinado por el contenido de energía del sistema en consideración y por el intercambio de energía libre entre el y su entorno.

Una reacción endergónica (también llamada reacción desfavorable o no espontánea) es una reacción química en donde el incremento de energía libre es positivo, o sea los productos son más energéticos que los reactivos. ANABOLISMO

Una reacción exergónica discurre de forma espontanea . Se libera energía porque los productos son menos energéticos que los reactivos. Son procesos de degradación. CATABOLISMO

ENERGÍA EN EL METABOLISMO

En las rutas metabólicas se necesitan numerosas y específicas enzimas que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas. Pero, además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables para su desarrollo final: • metabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas), • nucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los metabolitos), • moléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía), • moléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico).

LA OXIDACIÓN REDUCCIÓN EN EL METABOLISMO Muchas reacciones del metabolismo son procesos redox u

oxidorreducción, es decir, una molécula se oxida y otra se reduce. Como un átomo de hidrógeno está formado por un electrón, perder un electrón equivale a perder un átomo de hidrógeno, y reducirse a ganarlo.

Hay una relación entre el contenido de hidrógenos de una molécula y

la cantidad de energía que se puede obtener de ella. Cuanto mayor sea el contenido en hidrógeno de un compuesto (cuánto más reducido esté) mayor es su contenido energético y más energía se puede sacar de él. Cuanto más oxidada esté una sustancia menos energía contiene. La energía de una molécula está en sus enlaces.

Así, los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más

energía que la glucosa (C6H1206) y ésta mucho más que el CO2 (sin hidrógenos, es la forma más oxidada del carbono).

En otras palabras…. • Las reacciones de oxido-reduccioón (Redox) estan asociada con la transferencia de energía en la célula. • El oxígeno raramente interviene directamente. • Las reacciones de oxidacíon siempre están acopladas con reacciones de reducción.

Definiciónes: Pérdida de electrón = Oxidación. Ganancia de electrón =Reducción

Ejemplo:

Fe++ ---> Fe+++ + e- (ocurre en los citocromos de la cadena respiratoria) La pérdida de hidrógeno también es una oxidación, ejemplo:

ácido succínico ----> ácido fumárico + [2H] Las reacciones Redox siempre ocurren en pares ; cuando una sustancia se oxida, otra se reduce.

Anabolismo Catabolismo

Fabrica biomoléculas Degrada biomoléculas

Consume energía (ATP) Produce energía (ATP)

Es un proceso

energéticamente “cuesta

arriba”

Es un proceso

energéticamente “cuesta

abajo”

Supone procesos de

reducción

Supone procesos de

oxidación

Supone rutas divergentes Implica rutas convergentes

Ejemplos: síntesis de

proteínas, fotosíntesis

Ejemplos: glucólisis, ciclo

de Krebs, cadena

respiratoria

Catabolismo CATABOLISMO •FASE I: Las grandes macromoléculas se degradan en sus monómeros con enzimas específicos Ocurre fuera de la célula, como en la digestión.

•FASE II: Los monómeros son degradados por procesos específicos hasta Acetil-CoA. Se produce algo de ATP. Glucólisis, b-oxidación, transaminación.

•FASE III: El Acetil-CoA es oxidado hasta CO2 y H2O,originando gran cantidad de NADH (PODER REDUCTOR) y ATP. Ocurre en la mitocondria . También se genera ATP en la fosforilación oxidativa. Son rutas convergentes.

Anabolismo

ANABOLISMO Comienza en la fase III por los pequeños compuestos originados en la fase III del catabolismo. En la fase II se forman los monómeros y en la fase I se forman los polímeros. Por tanto son rutas divergentes. Las principales rutas anabólicas son: •De glúcidos: gluconeogenésis y glucogenogenesis. •De lípidos: síntesis de ácidos grasos, glicerina y triglicéridos. •De proteínas: traducción. •De ácidos nucleicos: replicación y transcripción.

Ambos

El catabolismo y anabolismo son simultáneos y son interdependientes, pero NO SON exactamente las mismas reacciones en sentido contrario, debido a varios motivos: •Muchas reacciones catabólicas son irreversibles, es decir, no hay posibilidad de que ocurran en sentido contrario. •Las rutas catabólicas y anabólicas pueden localizarse en distintos compartimentos •La regulación enzimática es distinta en casi todas los procesos.

Nucleótidos coenzimáticos

• Un coenzima es una molécula no proteica que interviene en reacciones enzimáticas.

• No son especificas de un tipo de sustrato • Los más importantes son:

Nucleótidos de flavina • FAD y FMN

Nucleótidos de piridina • NAD y NADP

Coenzima A

En las células se utilizan dos mecanismos básicamente distintos, para sintetizar ATP: · Fosforilación a nivel de sustrato. Se realiza en dos etapas. En la primera se forma un compuesto intermedio “rico en energía” y en la segunda se utiliza la energía liberada por la hidrólisis de este compuesto para la fosforilación de ADP a ATP. Veremos ejemplos de fosforilación a nivel de sustrato al estudiar el ciclo de Krebs y la glucolisis. · Fosforilación en el transporte de electrones. En este caso las células utilizan un mecanismo muy especial para sintetizar ATP: el transporte de electrones, a través de proteínas ubicadas en la membrana de las mitocondrias o de los cloroplastos, libera energía que es utilizada por una enzima, la ATP–sintetasa, para acoplar la fosforilación del ADP a ATP. Se denomina fosforilación fotosintética si se produce en el cloroplasto y fosforilación oxidativa si tiene lugar en la mitocondria. NADH+= 3 ATP; FADH+= 2 ATP

1. GLUCOLISIS 2. FORMACIÓN DE ACETIL - COENZIMA A 3. CICLO DEL ACIDO CITRICO O CICLO DE KREBS 4. CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

CATABOLISMO DE AZÚCARES

Es la primera fase del Catabolismo de los azúcares, tiene lugar en el citoplasma de la célula y no necesita la presencia de Oxígeno = Es un proceso Anaerobio. Lo realizan todas las células vivas , PROCARIONTES Y EUCARIONTES

Ciclo de Krebs

El producto más importante de la degradación de los carburantes metabólicos es el acetil-CoA, (ácido acético activado con el coenzima A), que continúa su proceso de oxidación hasta convertirse en CO2 y H2O, mediante un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs punto central donde confluyen todas las rutas catabólicas de la respiración aerobia. Este ciclo se realiza en la matriz de la mitocondria

El ciclo de krebs

Ciclo de Krebs

Reacción 1

Reacción 2

Reacción 3

Reacción 4

Reacción 5

Reacción 6

Reacción 7

Reacción 8

Naturaleza anfibólica del Ciclo de Krebs: Intermediarios

de la vía sirven de precursores para la biosíntesis de

otros compuestos

La cadena transportadora de electrones: fosforilación oxidativa.

LA CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES

Las enzimas de la cresta mitocondrial transportan los H hasta el Oxigeno formándose agua.

Hipótesis quimiosmótica

1. La ATP sintetasa es un gran complejo

proteico con canales para protones que

permiten la re-entrada de los mismos.

2. Los protones son transferidos a través de

la membrana, desde la matriz al espacio

intermembrana, como resultado del

transporte de electrones que se originan

cuando el NADH cede un hidrogeno. (Ver

la animación transporte de electrones.) La

continuada producción de esos protones

crea un gradiente de protones.

3. La síntesis de ATP se produce como

resultado de la corriente de protones

fluyendo a través de la membrana:

ADP + Pi ---> ATP

Fermentación: características

• No requieren O2 como último aceptor de e-.

• El aceptor final es una molécula orgánica.

• Es un catabolismo parcial.

• Rendimiento energético escaso

Fermentación vs Respiración

Oxidación total

Respiración Mucha energía

(36-38 ATP)

Con oxígeno

En la

mitocondria

Oxidación parcial

Fermentación Poca energía

(2 ATP)

Sin oxígeno

En el citoplasma

Fermentaciones

Fermentaciones

Fermentaciones

Fermentaciones

Fermentación. Ejemplos

lactosa

Glucosa Galactosa

2 ác. pirúvico

2 ATP

2 NADH2

2 ác. láctico

2 NAD

Glucosa

2 ATP

2 NADH2

2 ác. pirúvico

Piruvato descarboxilasa

2 acetaldehido

2 CO2

2 etanol

2 NAD

Fermentación láctica:

Lactobacillus bulgaricus

Streptococcus lactis

Fermentación alcohólica:

Saccharomyces

Otras fermentaciones: butírica, propiónica,... Fermentación pútrida o putrefacción: con proteínas; producen sustancias de mal olor como cadaverina, escatol, etc.

Fermentación acética: oxidación de etanol a ác. Acético. Acetobacter.

61

GLUCOGENOLISIS

CATABOLISMO DE LOS ACIDOS GRASOS

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OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS b - OXIDACIÓN

• Las grasas son unos importantes depósitos energéticos. – Más eficaces que los azúcares: lípidos 9 kcal/g y

azúcares 4 kcal/g.

– No necesitan acumularse con agua (el glucógeno sí). Si almacenásemos todo en forma de glucógeno nuestro peso > 30 kg.

– Las plantas acumulan en azúcares. (ppal/)

• Se acumulan en los adipocitos

CATABOLISMO DE LÍPIDOS En el citoplasma los triglicéridos son hidrolizados por las lipasas en Glicerina+ Ácidos Grasos.

La glicerina se transforma en Gliceraldehido 3P y se incorpora a la Glucolisis.

Los Ácidos Grasos van liberando fragmentos de 2 carbonos en la matriz mitocondrial en forma de Acetil CoA en un proceso llamado:

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VISIÓN GENERAL

• Fase I : obtención de poder reductor y AcCoA.

• Fase II: AcCoA va al ciclo de Krebs.

• Fase III :Cadena respiratoria. Recepción de electrones de moléculas reducidas de fase I y II.

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FASE I b – OXIDACIÓN DEL ÁCIDO GRASO ACTIVADO

Ac. CoA

FASE II CICLO DE KREBS o CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

NADH + H+ , FADH2

FASE III CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL

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DESTINO DEL GLICEROL

• Paso 1: fosforilación a glicerol-3-P

• Paso 2: reducción a dihidroxiacetona fosfato.

• A la glucólisis.

• Tb. gluconeogénesis.

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DESTINO ÁCIDOS GRASOS

• Activación antes de entrar en la mitocondria: se forma un AcilCoA. Enzima: acilCoA sintetasa Esto sucede en la membrana mitocondrial externa.

• Transporte en la membrana mitocondrial interna:

– Unión a la CARNITINA

– Transportador de ACIL CARNITINA

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b - OXIDACIÓN

Las siete vueltas del palmitoilCoA

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

No se utilizan normalmente como fuente de energía. 1.Hidrólisis de la proteína produciendo aminoácidos libres. 2.Desaminación : el NH2 se elimina de diversas formas. 3.Esqueleto carbonado: Acetil CoA

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

Las proteínas se degradan a lo largo del tubo digestivo dando lugar a aminoácidos que normalmente sirven como monómeros para los procesos anabólicos de la célula, pero en casos excepcionales, como una ingesta abusiva de proteínas, los aa se incorporan a rutas catabólicas para producir energía. El grupo amino de los aa tras una serie de transformaciones va a dar lugar a la urea u otras sustancias que contienen el ión amonio y que son excretadas como producto de desecho. • Organismos amoniotélicos: excretan directamente el amoniaco • O. ureotélicos: lo transforman en urea y lo excretan por la orina • O. uricotélicos: transforman el amoniaco en ácido úrico, que se puede almacenar hasta ser excretado. El resto de la cadena carbonada de los aa se transforma en unos casos en ac. pirúvico y en otros en productos intermedios del ciclo de Krebs y son degradados a través de estas vías.

Los ácidos nucleicos se destruyen en el tubo digestivo y la hidrólisis total produce moléculas de pentosas, que son degradadas a través del catabolismo normal de los glúcidos, y bases nitrogenadas. El catabolismo de las bases púricas y pirimidínicas es distinto, pero en ambos casos lleva a la formación de urea o amoniaco que serán excretados.

CATABOLISMO DE A. NUCLEICOS

76

¿ Como se produce la transferencia de energía desde la Cadena Transportadora de Electrones ( Complejos I, II, III y IV ) hasta el Complejo V ( F0F1 ATPasa )?.

Como ya hemos señalado anteriormente, la Cadena Transportadora de Electrones se comporta como un gran sistema de bombeo de protones, de tal forma que tres de los cuatro complejos ( I, III y IV ) se comportan como Bombas de protones.

II

III IV

I

cit C

Q

Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

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cit C

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Por cada 2 electrones transportados desde el NADH hasta el O2, se bombean 10 H+

Lado P

Lado N

Cuatro de ellos son bombeados por el Complejo I

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

El Complejo III bombea 2 protones

H+ H+ H+ H+

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El Complejo IV bombea 2 protones

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

II

III

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H+ Q e-

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¿ Como son bombeados los otros dos protones ?

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CICLO Q, sitios Q0 y Qi

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo I : Rotenona, Amital

ROTENONA , AMITAL

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo II : Carboxina

CARBOXINA

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo III : Antimicina

ANTIMICINA e-

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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo IV : CN- , azida, CO

CN- , AZIDA, CO

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http://www.terravivida.com/vivida/diygly/

http://www.terravivida.com/vivida/