Tema 1. Introducció al metabolisme (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2015
Páginas 6
Fecha de subida 03/02/2015
Descargas 15
Subido por

Vista previa del texto

Tema 1. Introducció al metabolisme El metabolisme és el conjunt de reaccions enzimàtiques que es donen dins la cèl·lula per tal d’obtenir energia, convertir nutrients en precursors biosintètics i biosintetitzar i degradar macromolècules.
En funció del seu metabolisme podem dividir els organismes en fotoautòtrofs i heteròtrofs. Els organismes fotoautòtrofs realitzen la fotosíntesi i utilitzen l’energia solar per fixar el diòxid de carboni, que es la seva font de carboni. Els organismes heteròtrofs, en canvi, obtenen l’energia a partir de l’oxidació de compostos orgànics 1. VIES METABÒLIQUES . CATABOLISME I ANABOLISME Les vies metabòliques són un conjunt de reaccions enzimàtiques relacionades en què sovint el producte una reacció s’utilitza com a substrat de la reacció següent. Les diferents vies metabòliques estan interconnectades dins la cèl·lula i és la combinació del conjunt de les vies el que permet el correcte metabolisme d’una cèl·lula i amb ell la seva supervivència. Així doncs, tot i que es parla del metabolisme de carbohidrats, lípids i proteïnes per separat, les vies estan íntimament connectades i integrades de manera que l’alteració d’una d’elles tindrà conseqüències en les altres.
Classificació de les vies metabòliques Les vies metabòliques poden dividir-se en generals i específiques en funció de si es produeixen en totes les cèl·lules o si es donen únicament en determinats tipus cel·lulars.
En funció de la seva organització podem classificar les vies metabòliques en lineals (glucòlisi), cícliques (cicle de Krebs) i espirals (síntesi i degradació dels àcids grassos – s’utilitza cada vegada un precursor diferent però la reacció és la mateixa, s’afegeixen 2 àtoms de carboni).
Catabolisme i anabolisme En funció de la seva finalitat les reaccions metabòliques poden classificar-se en reaccions anabòliques o catabòliques: les vies catabòliques s’utilitzen per a la degradació de compostos mentre que les vies anabòliques s’utilitzen per a la seva síntesi.
Les reaccions catabòliques són reaccions oxidatives (perden electrons), exergòniques i convergents. S’allibera calor, s’obtenen molècules precursores i s’aconsegueix energia química en forma d’ATP i NADPH. Els compostos complexes es transformen a compostos més simples que es transformen a Acetyl CoA, que entrarà al cicle de Krebs i d’aquí s’obtindrà l’ATP que representa un 90% de l’energia que obté la cèl·lula.
Les vies anabòliques tenen un caràcter divergent, s’encarreguen de la síntesi de compostos complexos a partir de compostos senzills, generant així compostos molt complexos a partir de pocs compostos simples inicials. Per exemple, a partir de 20 aminoàcids es sintetitzen proteïnes molt complexes. Aquestes vies són de caràcter reductor (guanyen electrons) i requereixen energia i poder reductor (electrons).
2. CONNEXIONS ENTRE LES VIES CATABÒLIQUES I LES VIES ANABÒLIQUES Els processos catabòlics i anabòlics no tenen perquè donar-se ni al mateix lloc ni al mateix moment, per tant cal que hi hagi molècules capaces de transportar energia i electrons des dels processos que n’alliberen fins als processos que en consumeixen.
Les principals molècules encarregades de realitzar aquesta funció són l’ATP pel transport d’energia i el NAD+/NADH i el NADP+/NADPH pel transport d’electrons.
NAD i NADP com a transportadors d’electrons Les principals molècules utilitzades pel transport d’electrons són la nicotinamida adenina dinucleòtid (NAD+) i la seva forma fosfatada NADP+, que conté un grup fosfat a l’hidroxil 2’.
Aquestes dues molècules poden trobar-se en estat oxidat (NAD+ i NADP+) o reduït (NADH i NADPH). Un altre transportador important d’electrons és el FADH, que es redueix a FADH 2.
Un exemple de reacció que utilitza el NAD+ com a coenzim transportador d’electrons és el pas d’etanol a acetaldehid.
L’ATP com a reservori d’energia L’ATP és un nucleòtid d’adenina trifosfat amb la capacitat de trobar-se també en altres estats de fosforilació (bifosfat o monofosfat). És utilitzat com a reservori d’energia per a transportar l’energia alliberada en una reacció catabòlica cap a una reacció anabòlica, que necessita energia per poder-se produir. Mentre que un enllaç fosfòric típic allibera entre 1 i 3 Kcal per mol amb la seva destrucció, l’ATP allibera 7,3 Kcal/mol.
3. REGULACIÓ DEL METABOLISME Les reaccions catabòliques i anabòliques no es donen simultàniament sinó que la seva activitat depèn de la càrrega energètica que tingui la cèl·lula. Quan la cèl·lula té una càrrega energètica molt baixa les vies anabòliques, vies de síntesi que requereixen ATP estan inactives mentre que estan altament activades les vies catabòliques, vies de degradació que sintetitzen ATP. A mida que la càrrega energètica augmenta (pugen els nivells d’ATP) les vies catabòliques es van fent menys actives donant pas a l’activació de les vies anabòliques. La càrrega energètica normal d’una cèl·lula oscil·la entre 0,7 i 0,8.
*El valor de CE oscil·la sempre entre 0 i 1.
De manera basal el nostre organisme té un consum energètic que varia més o menys en funció de l’activitat. L’obtenció d’energia, no obstant, només es dóna amb l’alimentació, per tant cal regular l’activitat de les vies metabòliques per poder tenir energia quan la requerim.
Imaginem una via on per cada reacció utilitzem un enzim diferent: Per controlar la velocitat de les reaccions poden utilitzar-se diferents mètodes. Una manera seria controlar la quantitat de determinats enzims mitjançant l’alteració de la transcripció d’un gen o alterant la síntesi o la degradació de l’enzim en qüestió. També pot controlar-se l’activitat catalítica dels enzims mitjançant un control al·lostèric o aplicant una modificació covalent reversible, com una fosforilació o una adenilació, i finalment podria modificar-se la disponibilitat del substrat.
La modulació de la transcripció d’un gen, la modificació covalent reversible i la disponibilitat dels substrats poden ser regulats per control hormonal o neuronal.
Flux d’una via metabòlica i la seva regulació L’energia de Gibbs (ΔG) és un indicador de la direcció en que una reacció es donarà espontàniament. ΔG haurà de ser negatiu perquè una reacció es doni mentre que mai es produirà en sentit contrari. Si ΔG ≈ 0 la reacció es trobarà en equilibri.
La primera reacció que es dóna en el metabolisme de la glucosa consisteix en la transformació de la glucosa en glucosa-6-P segons la reacció següent: glucosa + P glucosa-6-P + H2O ΔG = 4 Donat que ΔG = 4 (valor positiu) la reacció no podrà donar-se espontàniament i serà necessari acoblar-ho a la hidròlisi de l’ATP perquè sigui possible aquesta transformació.
L’energia de Gibbs per una reacció en unes condicions determinades serà sempre la mateixa, però no té perquè coincidir amb l’energia de Gibbs estàndard (ΔGo). ΔGo és el valor de ΔG per una reacció en unes condicions de 25oC, 1 atmosfera i una concentració 1 M. El valor de ΔG s’expressa en Kcal/mol o KJ/mol.
La segona reacció en el metabolisme de la glucosa consisteix en la transformació de la glucosa6-P a fructosa-6-P. Aquesta transformació només podrà produir-se a determinades concentracions: a) Glucosa 6P 1M // Fructosa6P 1M  Condicions estàndard  Reacció en sentit contrari b) Glucosa 6P 0,66M // Fructosa6P 0,33M  Condicions d’equilibri c) Glucosa6P 0,9M // Fructosa6P 0,09M  Es dóna la recció És cert, per tant, que una reacció amb ΔG pot donar-se de manera espontània dins la cèl·lula depenent de les concentracions de substrats i productes.
Les reaccions properes a l’equilibri solen ser reaccions reversibles que es donen a velocitats altes i on els canvis de concentració alteren el flux. Les reaccions allunyades de l’equilibri, per contra, tenen una activitat baixa i són irreversibles. La modificació de les concentracions no alteraran el flux ja que tenen una KM molt inferior a la concentració habitual en la cèl·lula.
En el gràfic de barres anterior les reaccions allunyades de l’equilibri són les 3 amb una diferència d’energia de Gibbs més accentuada.
Per afectar una via metabòlica no és necessari controlar tots els enzims, però això no vol dir que sigui el primer enzim el que cal controlar.
4. ORGANITZACIÓ I REGULACIÓ DEL METABOLISME Organització subcel·lular Dins la cèl·lula els enzims solen trobar-se en llocs específics formant complexos que realitzen la transformació d’un substrat inicial a un substrat final. D’aquesta manera s’optimitza el procés permetent-se una major eficiència, ja que no cal transportar els compostos intermediaris. Sovint determinats orgànuls realitzen determinades reaccions, afavorint-se així una millor regulació, ja que al regular el pas d’un element d’un lloc a un altre s’estarà regulant també la seva reacció.
Metabolisme específic per cada tipus cel·lular Les cèl·lules d’un organisme són idèntiques a nivell genètic, però podem identificar diferencies en les seves característiques. Els organismes unicel·lulars són cèl·lules que han de ser capaces de realitzar el metabolisme complet per a poder sobreviure, mentre que en organismes pluricel·lulars podem trobar cèl·lules especialitzades que realitzen majoritàriament un tipus de metabolisme en funció de les seves característiques i necessitats.
Observem per exemple que les fibres musculars de contracció lenta i les fibres musculars de contracció ràpida realitzen un metabolisme diferent donada la seva funció. Les primeres estan capacitades per realitzar exercicis de llarga durada i tenen un alt contingut de mioglobina i de capil·lars, alhora que una alta activitat de l’enzima mitocondrial, un alt contingut de triacilglicèrids i una elevada activitat lipoproteica lipasa. Les fibres ràpides, en canvi, estan preparades per exercicis breus i intensos amb una elevada activitat ATPasa miofibril·lar i una alta activitat enzimàtica glucogenolítica. El genoma de l’individu determina el número de fibres lentes i de fibres ràpides, per tant la persona estarà predisposada a realitzar un tipus d’activitat física.
Metabolisme específic per cada òrgan Igual que succeeix amb les cèl·lules, els òrgans del nostre organisme s’han especialitzat per realitzar un tipus de metabolisme en funció de les seves característiques, funcions i necessitats.
5. INTERÈS DE L ’ESTUDI DEL METABOLISME I LA SEVA REGULACIÓ Estudiar el metabolisme cel·lular ha de permetre conèixer les condicions tant normals com anormals de les reaccions enzimàtiques que el possibiliten i permetre identificar alteracions degudes a mutacions, malalties o alteracions degudes a condicions externes. D’aquesta manera es podrà conèixer l’acció de les diferents hormones, drogues o altres agents químics sobre el metabolisme.
En el camp de la indústria farmacològica es busca identificar noves drogues-medicaments que afectin determinades dianes importants a ser afectades, com per exemple el colesterol.
Pel que fa al camp de la biotecnologia es pretén aconseguir modificar les característiques de l’organisme productor per aconseguir la producció d’un metabòlit concret, minimitzant els metabòlits secundaris. Per exemple, si tenim un aminoàcid 1 que reacciona transformant-se en aminoàcid 2 i en aminoàcid 3 en dues reaccions independents podem bloquejar l’enzim 2 per tal que es sintetitzi únicament l’aminoàcid 3.
...