TEMA 1. conceptos básicos del metabolismo (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura Bioseñalización y metabolismo
Año del apunte 2014
Páginas 16
Fecha de subida 17/11/2014
Descargas 26
Subido por

Descripción

Apuntes realizadas con el soporte de clase y con las explicaciones del docente.

Vista previa del texto

BIOSENYALITZACIÓ I METABOLISME 2º CURS BIOLOGIA Tania Mesa González UAB TEMA 1: CONCEPTES BÁSICS DEL METABOLISME Metabolisme  Estudia el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc a les cèl·lules o en els organismes. Gràcies a aquestes reaccions químiques, els éssers vius adquireixen i utilitzen la energia lliure que necessiten per exercir les seves funcions.
- Els organismes fotòtrofs (com les plantes i alguns bacteris) adquireixen la energia lliure del sol i l’aigua (a través de la fotosíntesi), mentre que els organismes quimiòtrofs, obtenim la energia lliure mitjançant la oxidació de compostos (majoritàriament orgànics: carbohidrats, lípids i proteïnes).
 En el cas dels autòtrofs, l’energia s’obté de diferents processos depenent de la font de carboni.
Els éssers vius són sistemes oberts. L’energia que obtenen de l’entorn la utilitzen per realitzar treball químic, osmòtic o mecànic.
 Autòtrofs  Obtenen l’energia per absorció de l’energia solar. Utilitzen el CO2 com a font de carboni.
 Heteròtrofs  Obtenen l’energia a partir de combustibles químics (principalment orgàniques).
Utilitzen molècules orgàniques com a font de carboni.
Els organismes vius mai estan en equilibri amb el medi i necessiten constantment energia per a oposar-se al desordre i la menor variació d’energia per així trobar l’equilibri. Només amb aquest equilibri podem viure. I aquest ordre s’obté mitjançant els processos metabòlics.
Això es fa unint reaccions exergòniques, que produeixen energia com a resultat de l’oxidació dels nutrients. Així podrem realitzar les altres reaccions de síntesis que són les endergòniques.
 Un dels primers aconteixements en l’evolució de la vida, va ser la formació de la bicapa lipídica, que permet aïllar el contingut interior.
- El gradient de concentració, entre el medi intern i l’extern, es manté gracies a una gran despesa energètica.
Els compostos dels essers vius es mantenen en un estat estacionari dinámic, per tal de mantenir la diferencia d’energia entre l’organisme i l’entorn.
- Els organismes han de mantenir un flux constant de massa i energia.
Els sistemes vius son organismes oberts  obtenim energia de l’entorn per a fer les transformacions químiques en els organismes = treball biològic.
- L’energia potencial es va perdent i disminueix l’entropia de l’organisme però alhora augmenta la de l’entorn. L’ increment de l’ordre serveix per expulsar moltes molècules CO2, H2O etc.
Que fan augmentant el desordre extern.
- L’increment de complexitat en l’organisme (disminució local d’entropia) es tradueix en un increment del desordre total de l’univers.
- Les cèl·lules són màquines químiques que treballen a pressió i temperatura constant.
Potencial energètic Nurients de l’ambient Transformacions energètiques Reaccions químiques  Treball cel·lular Calor Increment ΔG Formació: CO2, H2O, etc.
Disminució ΔG Formació: DNA, RNA i proteïnes FASES DEL METABOLISME: Metabolisme  ve del grec “metabole”, que significa “canvi”. Els metabòlits seran tots els precursors, intermediaris i productes que participen en les vies metabòliques.
1. Biomolècules complexes  polímers, proteïnes, àcids nucleics, polisacàrids i lípids.
2. Compostos més petits  monòmers, amino-àcids, nucleòtids, sucres, àcids grassos, glicerol.
3. Intermediaris més petits  metabòlits intermediaris més petits, piruvat, acetil-CoA, cicle de l’àcid citric.
4.
 Transportadors d’energia que s’oxiden o s’anabolitzen en H2O, CO2, NH3 etc.
La ruta central acostuma a ser la de la glucosa, i les altres rutes acaben convergint en ella en el cicle de Krebs.
RUTES METABÒLIQUES Rutes catabòliques  converteixen molècules orgàniques complexes en altres més senzilles per produir energia. Utilitza la oxidació per a sintetitzar i produir energia en forma d’ATP i altres transportadors d’electrons.
Rutes anabòliques  sintetitzen molècules complexes a partir de precursors petits. Requereixen una aportació energètica, que prové principalment de les molècules transportadores d’energia química.
Rutes metabòliques  són series de reaccions enzimàtiques consecutives que produeixen productes específics.
 En l’eix central estaria el metabolisme dels sucres.
Metabòlits  Són els precursors, intermediaris i productes d’aquestes vies metabòliques.
Metaboloma  conjunt de tots els metabòlits de la cèl·lula.
 8000 en humans.
 50000 en plantes.
 200000 en microorganismes i fongs.
-OMICS  Relacions entre genoma, transcriptoma, proteoma i metaboloma.
 Les vies catabòliques són convergent i generen energia  vies degradatives.
 Les vies anabòliques necessiten energia i són divergent, a partir de pocs compostos sintetitza molts altres diferents  vies sintètiques.
 Hi ha unes rutes amfibòliques que poden ser tant anabòliques com catabòliques, com el cas del cicle de Krebs.
 Les rutes metabòliques poden ser més llargues o més curtes i sempre estan catalitzades per enzims, ja que sense ells es trigarien molt en produir-se.
 Cada reacció presenta un canvi químic molt petit que genera un canvi molt petit d’energia.
 La majoria de les reaccions estan properes a l’equilibri, però la ruta metabòlica és irreversible en conjunt: són exergòniques i tenen direccionalitat.
 Amb freqüència les rutes biosintètiques i degradatives comparteixen algunes reaccions.
 Les etapes limitant estan lluny de l’equilibri, són irreversibles i estan catalitzades per un enzim que controla tota la via.
Principals vies catabòliques  Mitjançant metabolisme oxidatiu.
- GLICOLISI - METABOLISME DEGRADATIU - MET. LÍPIDS - MET. COMPOS. NITROGENATS - FOTOSÍNTESI Principals vies anabòliques - GLUCONEOGÈNESI I SÍNTESI DE GLÚCIDS ENERGIA LLIURE DE GIBBS ΔG  Quantitat d’energia disponible per a poder realitzar el treball d’un reacció a temperatures i pressió biològiques contant.
 Prové de cada component i de les propietats dels enllaços químics de les molècules.
 ΔG ens indica: a) Lo lluny que esta de l’equilibri.
b) La direcció en la que es donarà la reacció química.
c) El seu punt d’equilibri.
d) La quantitat de treball que podrà realitzar.
 ΔG és independent de la ruta de la reacció i no dóna informació sobre la velocitat de la reacció. La facilitació de les reaccions les donen els enzims, per a que pugui superar la barrera d’activació. Els enzims no varien les constants d’equilibri de les reaccions ni les propietats simplement afecte a la velocitat.
TERMODINÀMICA D’UNA REACCIÓ:  Si el procés es exergònic la reacció es donarà espontàniament. Els sistemes sense cap modificació externa acostuma anar cap a la direcció on es pugui produir de la forma més espontània.
a) Favorable  ΔG < 0  Exergònic b) Desfavorable  ΔG > 0  Endergònic  El sistema està en l’equilibri quan ΔG = 0, no hi ha canvi net entre productes i reactants.
ΔG º  variació d’energia lliure en condicions estàndards ([A],[B],[C] i [D] = 1M; T = 293K; P= 1 atm). És una constant d’una reacció determinada.
ΔG’º  variació d’energia lliure en condicions estàndards i fisiològiques en aigua a pH 7 (neutre).
ΔG  quantitat d’energia associada a una reacció en condicions cel·lulars. No és una contant .
 ΔG°’ per a una reacció pot ser positiva i la ΔG negativa, segons les concentracions inicials de reactants i productes. El criteri d’espontaneitat depent de ΔG, i no de ΔG°’. Aquest principi és la base de l’acoblament de reaccions en les rutes metabòliques.
 Les reaccions en equilibri poden anar en una reacció o en una altre. Les termodinàmicament molt afavorides, ja no es troben en equilibri i acostumen a ser irreversibles i acostumen a estar controlades per els enzims.
a) ΔG = 0  b) En les rutes metabòliques: REACCIONS ACOBLADES: Les reaccions consecutives es simplifiquen escrivint la reacció total que s’obté de fent la suma algebraica de les energies lliures de les reaccions per separades. S’utilitza per acoblant reaccions endergòniques amb exergòniques per veure com és la naturalesa del procés global. Molt cops al fer l’acoblament es quan veiem possible que dugui a terme la reacció.
La ΔG d’una reacció és independent de la via per la qual té lloc la reacció. Els canvis de ΔG són additius  Acoblant dues reaccions podem obtenir una reacció global exergònica.
COMPOSTOS RICS EN ENERGIA: Les reaccions catabòliques alliberen energia que és utilitzada per a sintetitzar compostos rics en energia. Aquests compostos rics en energia són utilitzats en reaccions anabòliques acoblades que són energèticament desfavorables.
 Els compostos amb fosfats són considerats els més rics en energia.
 Els compostos rics amb energia son aquells en que la seva hidròlisis es molt exergòniques.
ATP  És la moneda de canvi energètica (principal transportador d’energia química) de totes les cèl·lules, però no és un reservori d’energia, està constantment sintetitzant-se i hidrolitzant-se.
 La hidròlisi d’ATP o la transferència de grups fosfat s’acobla a reaccions endergòniques perquè siguin favorables, degut també al seu alt potencial de transferència.
 L’energia s’utilitza per: - Realitzar contracció muscular.
- Transport de molècules contra gradient.
- Síntesi de la informació genètica.
La hidròlisis de l’ATP produeix tanta energia per varis raons:  Enllaços “rics en energia”  Els enllaços fosfoanhidres tenen una ΔG d’hidròlisi molt negativa.
- La disminució de la repulsió electrostàtica en el producte a l’eliminar el fosfat terminal en comparació a l’ATP.
- Els productes de la reacció d'hidròlisi (ADP i Pi) tenen un grau de solvatació major a l’ATP.
- L’ADP alliberat es ionitza ràpidament a pH neutre, alliberant un protó, afavorint la reacció cap a la dreta.
- El grup fosfat alliberat (Pi) es troba estabilitzat per vàries formes en ressonància, al tenir els 4 enllaços P-O el mateix grau de doble enllaç.
Malgrat que els valors de les energies lliures d’hidròlisi comentats abans es refereixen a condicions standard (ΔG’º), aquests s’han de re-calcular tenint en compte les concentracions existents dintre de la cèl·lula (taula). Els valors finals resultants per ΔG són encara més negatius.
 De totes formes els càlculs són més complexes perquè ATP i ADP estan associats amb Mg2+ a la cèl·lula.
Hi ha certes reaccions químiques que generen ATP quan provenen d’altres compostos més energètics que l’ATP  fosforilació a nivell de substrat.
Altres compostos fosforilats amb energia d’hidròlisis elevada: -  Fosfoenolpiruvat: - Fosfocreatina: Tautomerització  Quan dos isòmers són idèntics excepte en la posició d’un dels grups funcionals.
 La fosfocreatina és un important reservori d’energia en les cèl·lules musculars, que es pot acoblar a l’ATP. S’utilitza per regenerar l’ATP durant el repòs. Ja que l’ATP s’utilitza per a la contracció muscular.
L’ATP gràcies a la seva posició intermèdia en l’escala de potencial de transferència del grup fosfat permet transportar energia des de compostos d’elevada energia a compostos de poca energia.
ATP en les proteïnes: - Paper central en la transferència de grups fosfats.
- En la posició intermitja de l’ATP allibera un potencial que permet transportar compostos d’elevada energia.
- La posició intermitja és la que permet l’¡alliberament d’energia.
TIOÉSTERS  compostos rics en energia  Coenzim A  L’energia de l’enllaç entre un tiol i un àcid carboxílic és molt superior  no pot estabilitzar i trobar un equilibri entre les dues formes, cosa que l’enllaç ester si fa per les presencies de O.
Per aquest motiu al trencar l’enllaç s’allibera més energia, ja que l’equilibri es veu més desplaçat que en un enllaç ester normal.
- El coenzim A inclou la β-mercaptoetilamina, unida per un enllaç amida al grup carboxílic del pantotenat (vitamina B).
- El grup hidroxil del pantotenat està esterificat amb un fosfat de l’ADP-3’-fosfat.
- El grup funcional és el grup tiol (SH) de la β-mercaptoetilamina.
- El coenzim A, CoA-SH, és un transportador de grups acil (acetat), essencial pel metabolisme.
- El grup que s’enllaça amb l’acetat es el grup CH (tiol).
REACCIONS OXIDO-REDUCCIÓ en processos bioquímics: En les molècules combustible (Font de carboni  glucosa, greixos) el carboni s’oxida a CO2 i l’energia alliberada s’utilitza per generar ATP a partir de ADP i Pi.
 La transferència d’electrons en reaccions redox és una característica central del metabolisme.
 OXIDACIÓ  pèrdua d’e-  l’acceptor d’e- és l’OXIDANT  REDUCCIÓ  guany d’e-  el donador d’e- és el REDUCTOR  Com més reduït està el carboni inicial, més energia és genera durant la seva oxidació.
 L’oxidació genera energia i aquesta energia sintetitza ATP a partir d’acetil fosfat.
Mesura de la tendència a donar electrons  Ve donat pel potencial de reducció (E0), en volts.
Es fa servir per exemple una pila.
 Els electrons tendeixen a anar de les semireaccions amb menor E0 a les de major E0.
X- + H+  X + ½ H2  Es mesura en relació al parell H+/H 2 que té E0=0.
 L’energia lliure (ΔG) d’una reacció és proporcional a la diferència de potencials d’oxido-reducció (ΔE).
ΔG = -nFΔE  n= nombre d’electrons transferits  F=Ctte de Faraday (96,48 KJ mol‐1V‐1)  ΔE= E acceptor d’e- - E donador d’e ΔE > 0 R. Exergònica  ΔE < 0 R. Endergònica  En condicions estàndard (concentracions 1M)  ΔGo = ‐nF ΔEo  En les reaccions bioquímiques [H+]=10-7 M (pH 7)  ΔGo’ = ‐nF ΔEo’ TRANSPORTADORS D’ELECTRIONS IMPORTANTS NAD+/NADH  És el que dona els electrons per a la cadena d’electrons i catalitza l’energia dels processos. És un dinucleòtid d’adenina i de nicotinamida.
 NADH  forma reduïda del NAD+  Utilitzats com coenzim per deshidrogenases  Grup funcional  l’anell nicotinamida (derivat de la vitamina Niacina), accepta un ió hidrur (2 e- i 1 H+) quan es redueix a NADH.
 NAD generalment funciona en oxidacions (CATABOLISME)  NADP sol actuar en reduccions (ANABOLISME)  L’espectre d’absorbància de la forma reduïda i oxidant no són molt diferents.
 Si al NAD+ li canviem un OH per un P obtenim el NADP+ que l’anabolisme.
 És un cofactor, perquè interacciona amb un enzim i facilita la seva acció.
 Si ΔG es positiva és molt poc favorable, per tant segons el resultat podem saber en quina direcció es dona la reacció.
acostuma a actuar a FAD/FADH2  Flavin-Adenina Dinucleòtid.
 Grup prostètic unit permanenment a l’apoenzim  Grup funcional  grup que capta els electrons  anell isoaloxacina (derivat de la vitamina Riboflavina), accepta per parts 2 e- i 2 H+ quan es redueix a FADH2.
 La forma oxidada té una absorvància a 570 nm i la reduïda a 450 nm.
FMN  Flavin Mono Nucleòtid  FMNH2  El FMN és una versió més reduïda, d’un sol nucleòtid, que funciona igual que el FAD.
 És un grup protètic que està permanentment unit a l’enzim, a diferencia del FAD que podria entrar i sortir de l’enzim.
 Molts cops les vitamines actuen com a precursors dels coenzims, per això són tant importants.
VIES ANABOLIQUES ...