Tema 9: Introducció al metabolisme (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2015
Páginas 10
Fecha de subida 20/03/2015
Descargas 7
Subido por

Vista previa del texto

Tema 9: Introducció al metabolisme Concepte de metabolisme i ruta metabòlica Un ocell petit, com un colibrí, es capaç de volar desenes de km (20 hores seguides) sense menjar. Es capaç d’acumular molta energia per fer-la servir alhora de fer un treball molt llarg i costos. Això ho va veure Antoine Lavoisier (1743- 1794), que es va adonar de que molts animals son capaços de transformar els aliments en calor i aquest procés de respiració és essencial per viure. A partir d’aquí es va començar a estudiar el metabolisme.
El metabolisme és una activitat cel·lular altament coordinada on complexes multienzimàtics (vies metabòliques) cooperen per: - Obtenir energia química capturant l’energia solar o degradant nutrients rics en energia de l’entorn Convertint molècules de nutrients en molècules pròpies de la cèl·lula.
Polimeritzant precursors monomèrics en macromolècules.
Sintetitzant o degradant biomolècules necessàries per funcions cel·lulars específiques.
Totes aquestes activitats són possibles gràcies a les vies metabòliques. Els nutrients de l'ambient, en forma de molècules complexes com sucres i greixos, i la llum del Sol aporten energia. Aquesta energia pot patir transformacions per poder fer un treball cel·lular basat en més transformacions químiques a dintre de les cèl·lules que permetrà sintetitzar noves molècules, fer treball mecànic, crear gradients elèctrics i osmòtics, produir llum, transferir una informació genètica... Aquest intercanvi d'energia també serveix per mantenir la temperatura mitjançant l'alliberació d'energia en forma de calor Les cèl·lules fan un munt de reaccions químiques: són màquines químiques que treballen a pressió i temperatura constant. Els éssers vius depenen d’una aportació constant d’energia per poder mantindre's amb vida; per oposar-se a la tendència de la natura cap a un estat de major desordre i menor energia.
- Tot tendeix a la màxima entropia. Les cèl·lules, gracies a la matèria orgànica poden disminuir la seua entropia i augmentar la de fora.
L'energia ni es crea ni es destrueix. Hi ha una transformació de l'energia.
Els organismes vius, ingereixen nutrients a partir de les quals, la cèl·lula va degradant les macromolècules. Alliberarà petites molècules desordenades (CO2, NH3, H20, PO4 2- ) i augmentarà la entropia de l'entorn. Però el cos amb eixes petites molècules, crearà noves macromolècules pròpies de la cèl·lula (DNA, RNA, proteïnes) i disminuirà l’entropia.
Un dels primers esdeveniments en l’evolució de la vida va ser la formació de la bicapa lipídica, que permet aïllar el contingut interior.
Les reaccions que intervenen en rutes metabòliques diferents o oposades solen tindre lloc en compartiments cel·lulars diferents. A més, el gradient de concentracions entre el medi intern i l’extern es manté gràcies a una despesa energètica.
Producció i consum d’energia metabòlica Els organismes es classifiquen segons la font de C que utilitzen:  Autòtrofs: -  Obtenen l’energia per absorció de l’energia solar.
Utilitzen el CO2 com a font de carboni Heteròtrofs: - No poden obtenir energia de l’atmosfera.
Obtenen l’energia a partir de la degradació de macromolècules produïdes pels organismes autòtrofs.
Els éssers vius són sistemes oberts. L’energia que obtenen de l’entorn la utilitzen per realitzar treball químic, osmòtic o mecànic. Hi ha una relació estreta entre organismes autòtrofs i heteròtrofs → C, O2 i H2O es reciclen constantment mitjançant organismes autòtrofs i heteròtrofs. S’intercanvien ≈ 2-4·1011 tones anuals de carboni a la biosfera.
Autòtrofs → O2 i productes orgànics → heteròtrofs → CO2 i material inorgànic → Autòtrofs Cicle del nitrogen Els animals no poden fixar nitrogen, sinó que la fixació de nitrogen depèn de cianobacteris, azotobacter i rhizobium.
- El N2 pot convertir-se a NH3 o a nitrit directament mitjançant la producció d'abonaments artificials.
- Els bacteris nitrificants poden converteixen el NH3 en nitrit, i després el nitrit a nitrat.
- Aquest nitrat pot passat una altra vegada a N2 per desnitrificació gràcies a plantes i bacteris.
Sinó també pot passar a formar part de la síntesi d'aminoàcids per part de plantes de bacteris i plantes.
- Els aminoàcids acaben sent degradats fins NH3 per animals i microorganismes.
Hi ha un intercanvi de N a N2 gas, que es captat per organismes fixadors del nitrogen (cianobactèries, azotobacter, rhizobium etc) i el fixen en forma de NH3, amoníac. Els bacteris nitrificats el transformen en nitrit i nitrat, i altres bactèries i les plantes el transformaran en aminoàcids. En aquest punt es quan podem aprofitar el nitrogen de l’atmosfera. Al degradar els aminoàcids per animals i microorganismes, aquest passarà de nou a amoníac. A més, el nitrat pot passar a nitrogen atmosfèric a través de la desnitrificació.
El metabolisme estudia el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc a les cèl·lules.
- Rutes catabòliques: converteixen les molècules orgàniques complexes en productes senzills.
S’allibera energia, que es conserva en molècules transportadores d’energia química (ATP, NADH, NADPH i FADH2). Aquestes recullen el poder reductor i després aniran a la cadena de transport d'electrons, s'oxidaran i donarà ATP. Com a macromolècules o nutrient que contenen energia trobem carbohidrats, greixos i proteïnes. Com a productes finals i desproveïts d'energia trobem CO2, H2O i NH3.
- Rutes anabòliques: es sintetitzen molècules complexes a partir de precursors senzills.
Aquestes reaccions requereixen una aportació energètica, que prové normalment de les molècules transportadores d’energia química (ATP, NADH, NADPH i FADH2). Com a precursors trobem ens aminoàcids, sucres, àcids grassos i bases nitrogenades. Com a macromolècules cel·lulars trobem proteïnes, polisacàrids, lípids i àcids nucleics.
Les vies catabòliques son convergents ja que moltes petites reaccions acaben en un sol compost. En canvi, les vies anabòliques són divergents ja que a partir d'una molècula, partiran moltes petites reaccions per acabar amb moltes molècules de menor mida que la inicial.
- Vies amfibòliques: sovint són cicles, com el cicle de Krebs. Una via d'aquest tipus pot anar en una direcció o altra segons si la cèl·lula necessita energia o necessita els precursors. Sovint el que passa es que vies contraposades, es troben en compartiments cel·lulars diferents. Poden ser anabòliques o catabòliques segons elsrequeriments de l’organisme (poden ser cícliques), però mai es donen al mateix temps.
El metabolisme presenta unes fases. Si ens fixem en catabolisme per exemple trobem: 1. Grans molècules: polímers, proteïnes, àcids nucleics, polisacàrids i lípids.
2. Molècules més petites: monòmers, aminoàcids, nucleòtids, sucres, àcids grassos i glicerol.
3. Intermediaris catabòlics: piruvat, acetil-CoA, àcid cítric, intermediaris cíclics...
4. Obtenció d'energia i degradació completa de les molècules en CO2, H20 i NH3.
En canvi, si ens fixarem en l'anabolisme, les fases anirien en ordre contrari Reaccions bioquímiques i termodinàmiques: energia lliure als processos biològics Les rutes metabòliques estan formades per una sèrie de reaccions catalitzades per enzims. Cadascuna de les petites reaccions que formen una ruta metabòlica està catalitzada per un enzim. Hi ha molts passos molt senzills que fan que les transformacions i els canvis d'energia son molt petits. Cada reacció representa un canvi químic molt petit que genera un canvi molt petit d'energia. L'energia, d'aquesta manera, es podrà aprofitar millor. Si s’alliberarà molta energia de cop, no tota es podria aprofitar.
La majoria de les reaccions estan molt properes al equilibri: poden anar en un sentit i el l'altre. Però sempre hi ha un pas irreversible que fa que la ruta metabòlica sigui també irreversible en conjunt: les rutes metabòliques són exergòniques i tenen direccionalitat. Perquè siguin favorables, han de ser reaccions exergòniques, és a dir, que alliberen energia. En realitat, les anabòliques necessiten aportació d'energia.
Les etapes limitants estan lluny de l'equilibri, són irreversibles i catalitzades per un enzim que controla la via.
Les vies estan totes molt regulades. A més, hi ha vies metabòliques i anabòliques que comparteixen, molts enzims i que produeixen productes intermediaris. Per això, en aquests cassos, les reaccions han de estar molt ben regulades per que si no seria una despesa d’energia inútil per la cèl·lula. Hi ha una regulació gracies en part, a la compartimentalització cel·lular.
El pas amb una sola direcció serà el pas que regula la via metabòlica. Aquesta reacció està molt afavorida termodinàmicament i pràcticament és irreversible. A més està limitada per l'enzim regulador de la via. Com sols presenta una direcció no està en equilibri, i moltes vegades podem trobar gran quantitat de substrat perquè l'enzim està saturat.
Les reaccions que es donen en les dues direccions es troben molt prop de l'equilibri i limitades per la concentració de substrat.
Energia lliure de Gibbs La força que dirigeix una reacció és ΔG, el canvi d’energia lliure → canvi o increment d'energia lliure de Gibbs.
- ΔGº = 0 → reacció reversible que està quasi en equilibri.
- ΔGº << 0 → reacció irreversible i favorable que es dona de substrat a producte. L'energia lliure del producte serà més petita que la del substrat.
Totes les reaccions segueixen les lleis de la termodinàmica: es tendeix a la màxima entropia, màxim desordre.
- Entalpia: contingut de l'energia de la reacció. Quan ΔH<0 la entalpia dels productes es menor a la dels reactius, que tenien més energia. Reacció favorable que tira endavant.
- Entropia: expressió quantitativa del desordre. Perquè una reacció sigui favorable necessitem que els productes siguin menys ordenats i més senzills.
Termodinàmicament: - Procés favorable: ΔH<0, ΔS>0  ΔG<0  R. Exergònica - Procés favorable: ΔH 0 → ΔG0 → R. Endergònica Segons la llei de la termodinàmica, productes més complexes estaran més desordenats i per tant hi haurà un guany en l’entropia. El canvi d’energia lliure actual, ΔG, és una variable que depèn de l’energia lliure estàndard, ΔGº’, i de la concentració de reactius i productes: ΔG = ΔGº’ + RT ln [P]/[R] ΔGº’ és característica de cada reacció i es pot calcular a partir de la constant d’equilibri de la reacció.
L’increment d'energia lliure estàndard es calcula en condicions químiques estàndards → [ ]=1M, 25ºC i 1 atm i pH=7 (apòstrof). També depèn de les concentracions de producte i reactius.
ΔGº’ = - RT lnK’eq Es pot calcular en condicions d'equilibri, quan la [S]=[P] → [P]/[R]=Keq; ΔGº’=0. Quan la reacció és favorable, les constants d’equilibri son més grans i serà una relació exponencial: petits canvis en ΔGº’ provoquen grans canvis en K’eq.
La Keq varia de 10 en 10, exponencialment. Però l’ΔG varia linealment. Açò es degut al logaritme neperià.
- Keq més grans, reaccions més favorables - Keq més petites, reaccions menys favorables. Necessitarà aportació energètica Reaccions acoblades Aquesta reacció es la primera reacció de la glicòlisi. Com fem perquè questa reacció tiri endavant? S’acobla aquesta reacció endergònica a una altre exergònic i que la suma de les dues reaccions es al final favorable: Tot ixo es perquè ΔG d’una reacció és independent de la via per la qual la reacció té lloc. Es poden acoblar dues o més reaccions en les que el producte d’una passa a ser el substrat de l’altra. Els canvis de ΔG són additius.
Compostos rics en energia L’ATP actua com una moneda de canvi en una cèl·lula. Si fa falta energia s’hidrolitza i aporta energia a les reaccions endergòniques. A mes a mes es pot fer servir per altres casos: – Realitzar contracció muscular – Transport de molècules contra gradient – Síntesi de la informació genètica L’energia que es desprèn en aquesta reacció es pot aprofitar per sintetitzar una nova molècula de ATP.
La reaccio es favorable quan el resultat e negatiu. Exemple: -31,4 de la diapositiva.
L’ATP es formara a les reaccions cataboliques. I es una transportador d’energia.
- Compostos fosforilats: els enllaços fosfats son rics en energia. Hi ha dos tpus de enllaços fosfats (fosfanhidre i fosfoester). Els fosfoanhidre son mes energètics que no pas els fosfoester. Per això s’allibera mes energia de ATP a ADP.
L’ATP s'ha de reciclar una altra vegada per recuperar l'energia gastada abans. La hidròlisi del fosfoenolpiruvat és encara mes energètic que la del ATP. Doncs es poden acoblar perquè ambdues juntes siguin favorables.
- Fosfoenolpiruvat: quan s’hidrolitza el seu fosfat dona lloc al piruvat que pot estar en forma de enol. Però espontàniament (sense enzim) el piruvat es transforma de forma enol a forma ceto  reacció desplaçada cap a al dreta. Per això te una energia d’hidròlisi tan elevada.
- El mateix passa amb la fosfocreatina que permet emmagatzemar molta energia en les cèl·lules del múscul i que en repòs la transmet al ATP. Es una font d’energia in situ: en períodes de repòs s’utilitza la fosfocreatina per regenerar l’ATP. L’ATP s’utilitzarà durant la contracció muscular. La fosfocreatina s’hidrolitza per passar a creatina. La creatina, amb el grup amino i el doble enllaç, el reparteix amb els altres grups amino i també reparteix les càrregues. La molècula és més estable i la reacció està desplaçada cap a l’esquerra Paper de l’ATP i dels compostos fosforilats Totes aquetes molècules que tenen una energia d’hidròlisis tan gran (∆G petita) es perquè els seus productes son mes estables que no el reactiu ja que son estabilitzats per ressonància o automerització.
Podem separar aquests compostos en alta i baixa energia. L’ATP el tenim al mig de la gràfica, de manera que permetrà recuperar l’energia de hidròlisis dels compostos mes energètics i passar-los a menys energètics.
L’ATP serveix també per emetre llum a certs organismes com la cuca de llum o algunes algues. Aquesta llum prove de la luciferina.
El coenzim A té tres grups fosfats. A més, té una energia lliure semblant a la de l’ATP. És un mediador que es troba en moltes rutes metabòliques. El grup funcional del coenzim A s’unirà a diferents molècules, com l’acetilCoA.
L'àcid acètic pot estar en ressonància (imatge).
Un tioèster està compost per l’enllaç entre un àcid carboxílic i el grup tiol (tio → sofre). Tenen un ΔG molt negatiu. Un exemple de tioèster seria el tiol del coenzim A (R → coenzim A).
Els tioèsters tenen una major energia d’hidròlisi que els esters d'oxigen, encara que el d'oxigen també s'estabilitza amb ressonància. Per tant, serà més favorable la hidròlisi del tioèster.
Si els reactius son mes estables la seva energia de hidròlisi serà mes petita.
Oxido-reduccions en els processos metabòlics Em vist que hi ha molècules que recullen l’energia de les reaccions exergòniques a endergòniques, però també hi ha altres molècules en les reaccions metabòliques i que transporten electrons. Aquestes participen recollint el poder reductor de les reaccions catabòliques per donar-les a les anabòliques i a mes podran convertir en energia a traves de la cadena de transports d’electrons i al fosforilació oxidativa. Son importants perquè hi ha moltes reaccions metabòliques que son oxidacions-reduccions.
•  La transferència d’electrons en reaccions d’oxido-reducció és una característica del metabolisme.
•  És responsable de tot el treball realitzat pels organismes vius.
OXIDACIÓ: pèrdua d’e-; l’acceptor d’e- és l’OXIDANT REDUCCIÓ: guany d’e-; el donador d’e- és el REDUCTOR Els processos d’oxidació en els sistemes biològics tenen lloc en diverses etapes i requereixen transportadors específics d’electrons: NAD/NADH, FAD /FADH2, etc.
Es poden dividir en dos semireaccions: una d’oxidaio i l’altre de reducció.
Família d’enzims que catalitzen les transferències d’electrons a les cèl·lules: OXIDOREDUCTASES 1.
Directament com electrons (OXIDASES, REDUCTASES): 2.
En forma d’àtoms de hidr gen (DESHIDROGENASES): 3.
En forma d’ió hidrur (:H–) (DESHIDROGENASES): 4.
Per combinació amb l’oxigen (OXIGENASES, HIDROXILASES): Mesura de la tendència a donar electrons Com qualsevol reacció tindrà un A. També podem calcular la tendència que tenen les molècules a donar electrons (capacitat reductora o oxidant). Els que ens indica aquesta tendència es el potencial de reducció.
- •  Ve donat pel potencial de reducció, E (en Volts).
•  Els electrons tendeixen a anar de les semireaccions amb menor E a les de més E.
•  L’energia lliure (ΔG) d’una reacció és proporcional a la diferència de potencials d’oxidoreducció (ΔE).
Les semireaccions amb potencial de reducció mes alt tendeixen a captar mes electrons. Hi ha una relació entre AG de una reacció i els eu potencial de reducció, que depèn del nº de electrons que es transfereixen (constant de faraday) i el increment de les dif de pot de reducció dels seus reactius.
Els electrons tendeixen a anar de les semireaccions amb menor E a les de més E. A la cadena de transport electrònic primer va el NADH i després el FADH2. Els electrons tindran tendència a anar del NADH al FADH2 , per la diferència de potencials. També dels del NADH al piruvat Aquí tenim la formula empírica del NAD (es un nucleòtid de adenina i nicotinamida). Estan units per un enllaç fosfoanhidre. La nicotinamida es molt semblant a una base nitrogenada. La nicotinamida deriva de la vitamina Aniacina, la manca d’aquesta pot causar Palagra que nomes es troba en zones on es passa molta gana. E NAD es utilitzat com a coenzim per la majoria de les deshidrogenases. El NADP+ també (te un grup fosfat en el C2). El NAD generalment funciona en oxidacions (CATABOLISME) mentre que el NADP sol actuar en educcions (ANABOLISME). Com que el NAD conte estructures heterocícliques es capaç d’absorbir llum ultraviolada. Es el que es mesura en aquesta gràfica on es mesura l’absorbància del NAD: les diferencies d’absorbància del dos pics es fan per mesurar l’avenç de la reacció bioquímica. S’ha vist que a les cèl·lules hi ha mes NAD (oxidat) que no pas NADH (reduït); i que hi ha mes NADPH (reduït) a les cèl·lules que no pas NADP (oxidat). El NADP participa aportant el poder reductor en les reaccions anabòliques i el que no veurem es que el NADPH (reduït) reculli el poder reductor que s’obté a les reaccions catabòliques ja que qui ho fa es el NAD.
L’altre transportador d’e- és el FAD. Es un dinucleotid d’adenina i flavina. El FAD, ha diferencia del NAD i el NADP, es un grup prostetic (s’uneix covalentment a un apoenzim). El grup funcional de FAD o de la FMN es l’anell isoaloxacina: pot unir dos e i dos protons; a més els poden unir as a pas es a dir primer pot unir un electró i un proto i despres un altres proto i un altre electró. De manera que tindrem una forma completament reduïda però també una forma parcialment reduïda que naomenenm forma semiquinona. Tambe podem monitoritzar l’avenç de la reacció perquè es capaç d’absorvir llum de 570 nm en ka forma oxidada i de 450 nm en la forma reduïda. Per ultim, la FMN (flavina) deriva de la vitamina riboflavina.
Control de les reaccions 1)  Activitat enzimàtica: a)  Interacció reversible •  Concentració de substrat •  Efectors al·lostèrics b)  Modificació covalent (activacions/inactivacions): Fosforilació , adenilació...
c)  Concentració d’enzim 2)  Compartimentació cel·lular : hi ha vies que es realitzen en uns orgànuls i d’altres en altres orgànuls.
3)  Regulació Hormonal: la hormona interacciona amb un receptor situat a la mbr o a dins de la cel però que en qualsevol cas la interacció activa una sèrie de mecanismes dins de la cèl·lula que modificaran les reaccions bioquímica de la cèl·lula en resposta a aquesta hormona.
...