bq introducion al metabolismo (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 13
Fecha de subida 06/11/2014
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1 Introducción al metabolismo El colibrí puede almacenar grandes cantidades de energía que después puede utilizar. Alrededor de 1700 Lavoisier se dio cuenta de que los animales eran capaces de transformar los alimentos en calor y trabajo, y que esto era un proceso esencial para la vida. Es el principio del estudio del metabolismo. El metabolismo es una actividad celular muy coordinada en el cual una serie de complejos multi enzimáticos (vías metabólicas) actúan de forma cooperada para:      obtener energía química capturando energía solar o degradando nutrientes ricos en energía del entorno.
convertir moléculas de nutrientes en moléculas que la celula pueda aprovechar sintetizar biomoléculas necesarias para funciones celulares especificas Polimerizar precursores monoméricos en macromoléculas.
Sintetizar o degradar biomoléculas necesarias para funciones celulares específicas.
Los nutrientes ingeridos en el alimento son los que contienen la energía necesaria para realizar un trabajo, es decir, para realizar reacciones químicas. Permite sintetizar nuevas moléculas químicas, el desplazamiento, mantener el gradiente osmótico, producir luz (organismos fluorescentes, como las luciérnagas). También se necesita energía para mantener la temperatura.
Las células son máquinas químicas que trabajan a presión y temperatura constante. Los seres vivos dependen de una aportación constante de energía para oponerse a la tendencia de la naturaleza hacia un estado mayor de desorden (entropía) y menor energía. Para ello se tiene que disminuir la entropía de las moléculas de la celula (estar más ordenadas) lo que requiere una degradación y posterior liberación de moléculas pequeñas que aumentaran la entropía del entorno. Disminuye su entropía creando macromoléculas a partir de otras más pequeñas que ingieren.
Esto es posible porque han desarrollado una bicapa lipídica que les permite aumentar la entropía del ambiente y disminuir la suya porque crea un entorno cerrado. El gradiente de concentraciones entre el medio interno y el externo se mantiene gracias a un gasto energético. Podemos clasificar los organismos en   Autótrofos: hacen servir el CO2 como fuente de carbono y la luz como fuente de energía.
Heterótrofos: no pueden obtener energía de la atmosfera, sino que lo hacen a partir de la degradación de macromoléculas producidas por los organismos autótrofos.
La energía capaz de impulsar la relación entre autótrofos y heterótrofos es el sol. La relación entre unos y otros permite que se intercambien macromoléculas. Uno de los ciclos que demuestra el intercambio es el ciclo de nitrógeno. Los animales no son capaces de fijar N2, su fijación depende de las cianobacterias, azotobacterias y rhizobium.
Una vez estos organismos fijan el N2 el resto de organismos pueden incorporar el N. Las bacterias nitrificantes lo integran en forma de nitrito o de nitrato y después las plantas y bacterias crean aminoácidos a partir de este sustrato. Los humanos podemos sintetizar aminoácidos pero 2 no todos, por eso lo necesitamos ingerir de las plantas.
Los humanos degradamos los aminoácidos en amonio, y otras bacterias lo transformarían de nuevo en nitrógeno atmosférico.
Rutas metabólicas Dentro del metabolismo encontramos catabolismo y anabolismo. Las rutas catabólicas convierten las moléculas complejas en sencillas liberando energía que se aprovecha gracias a moléculas transportadoras de esta energía química (ATP, NADH, NADPH, FADH2) y recogen el poder reductor (electrones) que se ha liberado en las reacciones de oxidación-reducción para unirlas a la cadena de transporte de electrones.
Las rutas anabólicas sintetizan macromoléculas a través de precursores sencillos, por lo que se necesita un aporte energético proveniente de las reacciones catabólicas. Es por ello que están relacionadas. A partir de hidratos de carbono obtendremos moléculas sencillas como CO2 y moléculas energéticas que podrán ser usadas para las rutas anabólicas.
Por convenio las vías catabólicas (desprenden energía) son rojas y las anabólicas (requieren energía) se representan en azul. Las vías catabólicas son convergentes: a partir de muchos sustratos llegamos a un único producto, ya que se van convirtiendo en moléculas más sencillas. La molécula central del metabolismo es el Acetil coA. Las rutas anabólicas son divergentes: a partir del Acetil CoA se sintetizan todo un abanico de macromoléculas. Las vías anfibolicas, como el ciclo de Krebs pueden ser catabólicas o anabólicas, todo depende de las necesidades de la celula. Hay una regulación fina y específica para que estas rutas vayan en una dirección u otra. Las vías que son opuestas se sitúan en compartimentos distintos intracelulares.
3 Las rutas metabólicas (cada reacción de la ruta) están catalizadas por enzimas. Hay muchos pasos intermedios donde intervienen muchas enzimas que hacen que los pasos entre moléculas desprendan energía poco a poco. Si fuesen pasos muy grandes se desprenderían grandes cantidades de energía que no seriamos capaces de aprovechar. La mayoría de las reacciones están cerca del equilibrio, pero la ruta metabólica en conjunto es irreversible (hay un paso regulador de la vía que hace que no se pueda volver a atrás y vaya en una dirección). Están reguladas por enzimas que regulan la vía y que hacen que esa reacción en concreto vaya siempre en esa dirección. Las flechas verdes indican reacciones equilibradas, pero la flecha negra es la que regula el paso y provoca que no sea reversible. Limita la velocidad de la reacción. Si reacciona poco a poco hace que se acumule al comienzo de la ruta.
Para que una reacción sea favorable y viable tiene que ser exergonica, es decir, tienen que liberar energía. El incremento de energía libre puede ser 0 y diremos que la reacción es reversible. Si va de sustrato a producto el incremento de energía libre de Gibbs es negativa (la energía libre de los productos es más pequeña que la del sustrato) y por eso libera energía, es exotérmica y es favorable.
Energía libre de Gibbs La energía libre depende de la entalpia y la entropía según la siguiente fórmula: La entalpia es el contenido de energía del sistema. Su incremento será la entalpia de los productos menos la de los sustratos. Si es negativa, la energía de los productos es más pequeña que los reactivos. Se libera energía, por lo tanto es una reacción favorable.
La entropía es la expresión cuantitativa del desorden. El incremento de entropía depende también de los reactivos y producto. En una reacción catabólica los productos son más pequeños y tienen más entropía, están más desordenados, por eso la entropía será siempre positiva. Va a favor de la Ley del Universo que afirma que la entropía tiende a aumentar, por eso también es favorable.
4 La energía libre estándar bioquímica se mide a 25 grados, 1 atm y a pH 7. También depende de la concentración de productos de la reacción. La energía libre es una característica de cada reacción y se calcula en condiciones de equilibrio. En una reacción en equilibro el incremento de energía es 0, por eso pasamos de una formula a otra y podemos calcular la energía libre estándar para cada reacción.
El cambio de energía libre actual es una variable que depende de la energía libre estándar y de la concentración de reactivos y productos.
Reacción endergonica: necesita energía Reacción exergonica: libera energía Keq varía exponencialmente (de diez en diez) y la energía libre varia linealmente (de uno en uno). Si Keq disminuye, G aumenta y por eso la reacción transcurre favoreciendo la formación de reactivo (reacción inversa). Si Keq aumenta, G se hace más negativo. Pequeños cambios en el incremento de energía estándar causan grandes cambios en la Keq.
Hay reacciones que son desfavorables. La reacción de la fosforilación de la glucosa, el incremento de energía libre estándar es positivo. Para que reaccione se necesita energía externa. La desfosforilación de ATP libera mucha más energía que la necesaria para la fosforilación de la glucosa, por lo que la reacción acoplada es favorable.
Se pueden acoplar dos o más reacciones donde el producto de uno pasa a ser el sustrato de otra, como vemos en la siguiente tabla. Los cambios de energía libre son adictivos, por lo que acoplando las diferentes reacciones conseguiremos una reacción global favorable y exergónica.
5 Compuestos ricos en energía El ATP es “la moneda de cambio” de la célula viva. La hidrolisis del ATP o la transferencia de grupos fosfatos se acopla a reacciones endergónicas para que sean favorables. La energía también se utiliza para realizar la contracción muscular, transportar moléculas en contra de gradiente y sintetizar la información genética. El fosfoenolpiruvato tiene un grupo fosfato, su hidrolisis es más energética que la hidrolisis de ATP, tiene un incremento de energía libre estándar más negativo, por lo que se puede acoplar esta hidrolisis con la fosforilación de ADP a ATP. No usamos el fosfoenolpiruvato como “moneda de cambio” porque libera mucha más energía que la fosforilación de glucosa y supondría un gasto de energía innecesario, la energía restante no se puede aprovechar.
Recordemos que las rutas metabólicas suponen pequeños cambios para no desaprovechar la energía.
Hay otras moléculas ricas en energía y la mayoría tienen enlaces con el fosfato. El ATP es un nucleótido con tres fosfatos. El primero se une por un enlace éster al carbono 5 de la ribosa (se llama fosfato alfa). Los otros se unen a este por enlaces fosfoanhidra, los cuales son más energético que el éster. Esto se debe a que tenemos cargas negativas muy juntas entre los oxígenos que crean repulsión entre los átomos, hace falta mucha energía para mantener estas moléculas juntas. Hace falta mucha energía para formarlo por eso también liberara mucha energía cuando se rompe.
Los enlaces fosfatos de la glucosa son enlaces fosfoester, no fosfoanhidra, al igual que el AMP. Solo se establecen fosfoanhidra entre fósforos. Cuando se hidroliza el fosfoanhidra y se libera el fosfato tendríamos una molécula de fosfato (cuatro oxígenos) con un enlace con carácter parcial de doble enlace y esto facilita que esta molécula de fosfato sea estable. El fosfoenolpiruvato (PEP) tiene dos átomos de oxigeno muy juntos, hace falta mucha energía para mantenerlos juntos, por eso su hidrolisis esta favorecida. El piruvato que se obtiene tiene tendencia a pasar a la forma cetona y la posición del doble enlace cambia. La forma cetona es más estable que la enol (aldehído), por eso la reacción tiene tendencia a transcurrir en esta dirección.
La fosfocreatina tiene un fosfato que cuando se hidroliza se transforma en creatina con un doble enlace repartido entre los dos amonios (está estabilizado por resonancia, se reparte la carga y hay dos cargas parciales entre los amonios que hace que sea más estable). El caso del fosfoenolpiruvato se estabiliza por tautomerizacion y la fosfocreatina por resonancia. Tautómeros se denominan dos isómeros que se diferencian sólo en la posición de 6 un grupo funcional. Entre las dos formas existe un equilibrio químico. En un equilibrio tautomérico hay migración de un grupo o átomo.
El 1,3 bisfosfoglicertato se hidroliza y se estabiliza por resonancia del carbono carboxílico en posición 1, de manera que la molécula obtenida es más estable y por eso la reacción transcurre en esta dirección. Moléculas que inicialmente necesitan mucha energía para mantener la interacción de carga, cuando reaccionan tienen formas que les permite mantener su estabilidad.
Papel central de ATP El ATP está situado en el medio, por encima encontramos compuestos muy ricos en energía y mediante la hidrolisis de estos compuestos obtenemos energía para sintetizar ATP. El ATP por tanto es la moneda de cambio de todas las reacciones metabólicas. En diferentes tejidos además la concentración de ATP es mayor que de ADP u otros compuestos derivados, por eso su hidrolisis y perdida del grupo fosfato está favorecida (Ley de Chatelier).
𝐴𝑇𝑃 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃 7 El ATP gracias a su composición intermediaria en la escala de potencial de transferencia del grupo fosfato permite transportar energía desde compuestos de elevada energía a compuestos de poca energía, los cuales serán activados para convertirse en especies más reactivas.
El acetil coenzima A está activado por el coenzima A. En la imagen podemos ver que se trata de un ADP con una modificación adicional en posición 3’ fosfato (hay dos enlaces fosfoéster y uno fosfonahidra). La coenzima A contiene un pantotenato unido a un β-mercatoetanolamina por enlace péptido. Se dice mercato porque tiene un grupo sulfato. El mercatoetanol se usa en electroforesis porque reduce las proteínas. La coenzima tiene tres partes (ADP, pantothenato y mercatoetalamina). El grupo sulfidril es el grupo funcional de la coenzima. El acetil se une a este grupo para formar Acetil-CoA antes de entrar en el ciclo de Krebs. En el ciclo de Krebs se produce la hidrolisis y obtenemos ácido acético. El ácido acético puede estar en resonancia, el doble enlace puede estar repartido para distribuir la carga y estabilizar el producto de la reacción. Puesto que el producto de la hidrolisis se estabiliza por resonancia, la ruta es favorable.
8 Además si en lugar de un éster de oxígeno tenemos un éster de sulfuro (tioéster), el compuesto será mucho más energético, puesto que el enlace éster se puede estabilizar por resonancia, la energía de hidrolisis será menor que la del tioéster. El tioéster es un enlace entre dos metilo y un azufre. La energía esta almacenada por la cantidad de energía que hace falta para mantener su estructura. Como el enlace oxigeno éster es muy estable, hace falta poca energía para mantenerla junta y por lo tanto también liberara poca energía.
Oxidación- reducción en los procesos bioquímicos La trasferencia de electrones en reacciones de oxidación reducción es una característica del metabolismo.
Se hace desde una molécula dadora de electrones (oxidación) a una molécula que gana electrones (se reduce). El que da electrones es el agente reductor (induce la reducción) y el que las recibe es el agente oxidante (induce la 9 oxidación). Los procesos de oxidación en los sistemas biológicos tienen lugar en diversas etapas y requieren transportadores específicos de electrones: NAD/NADH, FAD/FADH2 etc.
El hierro se ha oxidado, ha perdido un electrón, mientras que el cobre ha ganado electrones, se ha reducido. Podemos separar la reacción en dos semi-reacciones. Hay casos en que se transfiere también el hidrogeno, proceso llevado a cabo por deshidrogenasas. Si separamos esta reacción, A habrá perdido dos electrones y dos protones, por lo que se ha oxidado, mientras que B ha ganado dos electrones y dos protones, se ha reducido. El caso de reducción del NAD+ lo que se transfiere es un ion hidruro, es decir, se liberan dos electrones y dos protones pero el solo capta dos electrones y un protón. El H+ sobrante se libera al medio. El oxígeno puede ser el oxidante de la reacción, quedara reducido.
El incremento de energía libre también se cumple en estos casos, y sigue la fórmula: 10 La capacidad de ceder o captar electrones viene dado por el potencial de reducción, E, el cual se puede calcular de manera empírica. Los electrones tienden a ir de semireacciones con menor potencial de reducción a más potencial de reducción, de manera que hay un incremento de potencial de reducción. En las reacciones favorables será siempre un valor positivo. La energía libre de una reacción es proporcional a la diferencia de potenciales oxidación reducción (AE). El incremento de energía libre (AG) será negativo porque las reacciones favorables tienen un AG negativo.
Transportadores de electrones especializados Reacción entre NAD/ NADH y piruvato/lactato: 11 NAD es un dinucleotido de Adenina y nicotinamina (otro nucleótido con base nitrogenada nicotinamida).
La nicotinamida es precisamente el grupo funcional, aquel que unirá los electrones y actuara de agente reductor. El NAD puede unir un hidruro (recordemos, dos electrones y un protón). Los dos electrones se sitúan en el anillo de la base nitrogenada al igual que el protón. Se puede situar por delante o por detrás (forman isómeros). El NAD forma parte de coenzima de las enzimas deshidrogenasas. Podemos medir la concentración de NAD gracias a que contiene bases nitrogenadas que tienen anillos que pueden absorber la luz ultravioleta. Hay diferencia entre el pico de absorbencia entre la forma reducida y la oxidada. El reducido lo hace a 340 y el oxidado a 260. De esta manera podemos saber el transcurso de una reacción. A medida que va pasando el tiempo aumenta la absorbancia a 360 (forma reducida NADH).
La diferencia entre NAD (funciona en reacciones catabólicas) y NADP (reacciones anabólicas) es que NAD funciona en oxidaciones y NADP en reducciones. Las reacciones en donde interviene NAD, la relación NAD/NADH es muy elevado quiere decir que hay más NAD que NADH y por lo tanto la reacción tiende a ir hacia la derecha.
En las reacciones anabólicas tenemos que NADP/NADPH es menor, ya que hay mucho NADPH y por eso se aporta poder reductor, la reacción va hacia la izquierda, favoreciéndose la aparición de NADP y la reducción de los productos. Así es como aportamos poder reductor.
  NAD funciona en las reacciones catabólicas (hay más NAD oxidado) NADP funciona en las reacciones anabólicas (hay más NADP reducido) FAD/ FADH2 Es un dinucleotido de adenina y flavina. La flavina está unida al fosfato. La flavina tiene un grupo funcional, el anillo llamado iso-aloxazina, que es el capaz de captar electrones y protones en forma de H+. A diferencia de NAD capta los electrones de uno en uno (un electrón y un protón, el NAD recordemos captaba de dos en dos electrones). FAD los capta de uno en uno o de dos en dos y los cede siempre de uno en uno.
FMN (flavin mononucleotido) tiene solo flavina, no tiene adenina. Los dos absorben una longitud de onda determinada (570 nm cuando están oxidados y 450 nm en estado reducido). No son capaces de absorber luz Ultravioleta, solo absorben luz visible. El NAD era capaz de absorber luz ultravioleta. Cuando esta semirreducido (semiquinona, solo un H) capta luz a 450 como si estuviese reducido del todo.
Derivan de la vitamina riboflavina, el NAD de la vitamina D.
12 Control y compartimentación Todas las vías metabólicas tienen que estar reguladas para no malgastar energía. Solo avanza cuando realmente se necesita el producto. A control a tres niveles:    Control de actividad: por ejemplo, mediante la concentración de enzima, aunque este es un proceso muy lento porque hay que sintetizar la enzima de la ruta. Cuando comemos tiene que degradarse la glucosa muy rápidamente, las enzimas tienen que estar ya presentes.
o Interacción reversible (concentración del sustrato y efectores alostéricos). También hay interacciones reversibles para que una enzima sea más o menos eficiente, son el caso de los reguladores alostéricos. En muchos casos es el propio producto el que inhibe la ruta para que no se cree en exceso.
o Concentracion de la enzima (sintetizarla de novo, es lento) o Modificación covalente: mediante la fosforilación podemos activarlos o desactivarlos.
Compartimentación celular. Vías metabólicas contrarias tienen lugar en compartimentos celulares diferentes. A veces la compartimentación no es a nivel orgánulo sino a nivel órgano.
Regulación hormonal. Permite amplificar la señal dentro de las células. Las hormonas interaccionan con un receptor y desencadenan una cascada de activación, poco a poco para activar al final una vía metabólica completa.
Las flechas amarillas indican pasos en los que las enzimas son reguladoras. El enzima regulador principal en este caso es el que cataliza el paso de E a F porque es donde se acumula más sustrato, es la Keq más pequeña, va más lenta.
Las líneas discontinuas inhiben en la imagen de la derecha. Por ejemplo, en el caso de G6 P actúa inhibiendo el paso de glucosa a G6P cuando ya hay mucha. Hay un intermediario del ciclo de Krebs que inhibe el paso de G6P al siguiente compuesto. Hay tres pasos regulados, por diferentes enzimas que pueden ser regulados por sustrato, por producto o por un producto lejano de la ruta.
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