Tema 11. Enzimas y Catabolismo PDF

TEMA 11. ENZIMAS Y CATABOLISMO  ÍNDICE 1. ENZIMAS 1.1. CARACTERÍSTICAS 1.2. CENTRO ACTIVO 1.3. CLASIFICACIÓN 1.4. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 1.5. CINÉTICA ENZIMÁTICA 1.6. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 1.7....

TEMA 11. ENZIMAS Y CATABOLISMO  ÍNDICE 1. ENZIMAS 1.1. CARACTERÍSTICAS 1.2. CENTRO ACTIVO 1.3. CLASIFICACIÓN 1.4. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 1.5. CINÉTICA ENZIMÁTICA 1.6. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 1.7. ENZIMAS ALOSTÉRICAS 1.8. MECANISMOS QUE AUMENTAN LA EFICACIA ENZIMÁTICA 2. VITAMINAS 2.1. CLASIFICACIÓN  ÍNDICE 3. METABOLISMO 3.1. REACCIONES REDOX 3.2. ATP 3.3. TRANSPORTADORES DE PROTONES Y ELECTRONES 3.4. OTRAS MOLÉCULAS 3.5. RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES 3.6. RUTAS METABÓLICAS Y ESTILOS DE VIDA SALUDABLES 4. CATABOLISMO  ÍNDICE 5. CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS 5.1. GLUCÓLISIS 5.2. RESPIRACIÓN CELULAR 5.3. FERMENTACIONES 6. CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 6.1. DEGRADACIÓN DEL GLICEROL 6.2. ß-OXIDACIÓN 7. CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS 8. CATABOLISMO DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS  Enzimas ENZIMAS Son biocatalizadores que disminuyen la energía de activación y aumentan la velocidad de las reacciones metabólicas. La enzima (E) se une al sustrato (S), a través del centro activo, formando el complejo enzima-sustrato (ES), el cual se transformará en el producto (P) correspondiente.  ENZIMAS CARACTERÍSTICAS No se alteran ni se consumen durante la reacción, pudiendo actuar muchas veces. Aumentan la velocidad de la reacción. Elevada especificad por la reacción que cataliza y las moléculas sobre las que actúa. Se requieren en pequeñas concentraciones. Son proteínas globulares de elevado Pm. Actúan óptimamente a la Tª de los seres vivos. Formada por tres tipos de aminoácidos: Aa estructurales, responsables de la conformación espacial de la E. Aa de fijación, son los que fijan el S mediante enlaces débiles. Aa catalizadores, constituyen el centro catalítico de la enzima. Provocan la rotura o formación de nuevos enlaces en el S para dar lugar al P.  ENZIMAS CENTRO ACTIVO Región de la enzima que se une al sustrato, y donde se produce la catálisis. Características: Parte pequeña respecto el volumen total de la enzima. Estructura tridimensional en forma de hueco en el que encaja el sustrato. Presenta 2 zonas: o Zona de unión: formada por aa de fijación, que permiten la unión del sustrato. o Zona catalítica: formada por aa catalizadores, encargados de la transformación del sustrato en productos.  ENZIMAS CLASIFICACIÓN 1. SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA Holoproteinas: formadas únicamente por proteínas. Holoenzimas: formadas por una parte proteica (apoenzima), que se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los S una parte no proteica (cofactor). El cofactor puede ser inorgánico como son los iones metálicos (Mg, Fe, Zn, etc.) u orgánico, como las coenzimas donde la unión es débil (NAD+, ATP, vitaminas…), o grupos prostéticos en el caso en que su unión sea covalente (grupo hemo).  ENZIMAS CLASIFICACIÓN Los enzimas. nombres y funciones 2. SEGÚN EL TIPO DE REACCIÓN QUE CATALIZAN Oxidorreductasas: catalizan reacciones redox cuya finalidad es obtener energía (transferencia de cargas, e- o H+). Ejemplo: deshidrogenasas (Ciclo Krebs). Ligasas: catalizan la unión de moléculas o grupos, formando enlaces entre ellos, con la energía proporcionada por el ATP. Ej. carboxilasas. Transferasas: transfieren radicales o grupos funcionales de una molécula a otra. Ej. transaminasas Hidrolasas: rompen enlaces por adición de una molécula de agua. Ej. amilasa, lipasa...  ENZIMAS CLASIFICACIÓN 2. SEGÚN EL TIPO DE REACCIÓN QUE CATALIZAN Liasas: catalizan reacciones de adición y separación de grupos funcionales mediante la eliminación y la formación de dobles enlaces. Ejemplo: sintasa. Isomerasas: catalizan reacciones de isomerización (cambios en la posición de los átomos), es decir, de transformación de moléculas en sus isómeros. Ejemplo: Glucosafosfato-isomerasa. Nomenclatura: nombre acabado en –asa.  ENZIMAS MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 1. LAS ENZIMAS DISMINUYEN LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Energía de activación: energía mínima necesaria para que se produzca una reacción. Tipos de reacciones: Reacciones no catalizadas: se producen sin la presencia de enzimas. Reacciones catalizadas: requieren la acción de enzimas. Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones, por lo que no hace falta tanta energía para transformar los S en P (disminuye la energía de activación). Si disminuye la energía de activación, habrá más cantidad de moléculas que reaccionarán en un momento dado y, por tanto, aumenta la velocidad de reacción.  ENZIMAS MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 1. LAS ENZIMAS DISMINUYEN LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Solo aumentan la velocidad. No hacen que los procesos sean termodinámicamente más favorables.  ENZIMAS MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 2. LAS ENZIMAS FORMAN EL COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO (ES) La enzima (E) se une al sustrato (S) para formar el complejo enzima-sustrato (ES), que después de la transformación, se separa de los productos (P) obtenidos y la enzima queda libre para volver a actuar. El complejo ES es el causante de que la energía de activación quede reducida.  ENZIMAS MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 3. LAS ENZIMAS TIENEN ESPECIFICIDAD Puede presentar dos niveles: Especificidad de acción: una enzima solo puede realizar un determinado tipo de reacción: hidrólisis, óxido-reducción, etc. Especificidad de sustrato: cada enzima actúa sobre un sustrato o un pequeño número de sustratos. Puede ser de tres tipos: Absoluta: la enzima actúa sobre un único sustrato. Ej. ureasa actúa sobre la urea. De grupo: la enzima actúa sobre un grupo sustratos que presentan un determinado tipo de enlace. Ej las descarboxilasas eliminan un grupo CO2 de los aa. Estereoquímica: la enzima actúa sobre uno de los estereoisómeros, pero no sobre el otro. Ej. la aspartasa actúa sobre el L-aspártico y no sobre la forma D.  ENZIMAS MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA 3. LAS ENZIMAS TIENEN ESPECIFICIDAD Hay dos modelos que explican la especificidad E-S: Modelo de la llave-cerradura (más antiguo): cada enzima (cerradura) solo puede abrirse con su correspondiente sustrato (llave). Modelo del acoplamiento inducido (más moderno): la unión del sustrato induce un cambio conformacional en el sitio activo de la enzima, que provoca el perfecto acoplamiento entre esta y el sustrato. MODOS DE ACCIÓN ENZIMÁTICA. Llave -Cerradura y Ajuste Inducido.  ENZIMAS CINÉTICA ENZIMÁTICA Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. 1. Concentraciones bajas de sustrato: parte de la E se encuentra libre y parte formando el complejo ES. 2. Al aumentar la concentración de S, la cantidad de E que se encuentra formando el complejo ES es mayor, por lo que la velocidad de la reacción también lo es. 3. Concentraciones muy elevadas de S: todas las E están unidas a S, por lo que, al aumentar el S, no aumenta la velocidad.  ENZIMAS CINÉTICA ENZIMÁTICA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN Se define km como la [S] a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima. Hace referencia a la afinidad de la enzima por el sustrato: Si km es pequeña, se necesita una [S] baja para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. En este caso la E tiene gran afinidad por el S. Si km es elevada, se necesita una [S] elevada para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. La enzima tiene poca afinidad por el S. Cinética enzimática: Michaelis menten el Km y la Vmax, la mejor explicación.  ENZIMAS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 1. pH Las enzimas (E) presentan 2 valores limites (máximos y mínimos) entre los cuales son eficaces (pueden desarrollar su actividad). Entre estos valores hay un pH óptimo (máxima eficacia), normalmente, se acerca al neutro, aunque depende del tipo de E y de S. Pasados estos valores, las enzimas se desnaturalizan y pierden su actividad. FACTORES QUE AFECTAN A LA ACCIÓN ENZIMÁTICA. Concentración Temperatura pH  ENZIMAS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 2. Temperatura El aumento de la temperatura incrementa la movilidad de las moléculas, lo que aumenta el número de encuentros y, en consecuencia, propicia una mayor velocidad de reacción. Existe una Tª óptima para cada enzima, para la cual la actividad enzimática es máxima. A partir de cierta temperatura (40ºC), se empiezan a desnaturalizar por el calor, y la actividad enzimática disminuye hasta anularse.  ENZIMAS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 3. Concentración de sustrato Para una misma concentración de enzima, al aumentar la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de la reacción hasta que no quedan centros activos libres, momento en el que la velocidad de la reacción se estabiliza, ya que se produce una saturación del enzima por el sustrato. Cinética Enzimática  ENZIMAS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 4. Inhibidores Inhibidor: sustancia que disminuye o bloque la actividad de una enzima. 1. Inhibición reversible: el inhibidor se une temporalmente a la enzima. Competitiva: el inhibidor es similar al S y compite con este por el centro activo. Cuando se une el inhibidor, la enzima queda bloqueada y el sustrato no se puede unir al centro activo hasta que el inhibidor no se vaya. No competitiva: el inhibidor se une al enzima en un sitio diferente al centro activo, provocando un cambio conformacional en la estructura del enzima, que impide la unión del sustrato al centro activo. 2. Inhibición irreversible: el inhibidor se une permanentemente al centro activo de la enzima.  sin inhibidor con comp. con no comp. 6,5 6 5,5 5 Velocidad de la reacción 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1 3 4 6 9 10 2 5 7 8 Concentración de sustrato  ENZIMAS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CINÉTICA ENZIMÁTICA 5. Activadores Los activadores hacen que las enzimas inactivas se activen. La unión del activador, en un sitio diferente del centro activo del enzima, hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato Activadores enzimáticos: cationes como Mg2+ o Ca2+ , moléculas orgánicas e incluso el propio sustrato (la E está inactiva hasta que aparece el S).  ENZIMAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS Las células sintetizan productos en las cantidades y a la velocidad que requiere. La regulación mediante enzimas alostéricas va a evitar el gasto energético innecesario. Son aquellas que presentan un centro activo de unión al sustrato y un centro alostérico de unión a la molécula efectora o moduladora. La interacción del modulador con el centro alostérico es específica y basada en la complementariedad estructural. Son proteínas con estructura cuaternaria.  ENZIMAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS Los moduladores alostéricos pueden ser: Positivos o activadores: estimulan la actividad del enzima al unirse al centro alostérico. Negativos o inhibidores: inhiben la actividad de la enzima. Los inhibidores alostéricos no responden a los modelos de inhibición enzimática.  ENZIMAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS Dos conformaciones diferentes: Enzima activa o forma R, cuando el centro alostérico tiene activadores unidos. La afinidad por el sustrato es alta. Enzima inactiva o forma T, cuando el centro alostérico tiene inhibidores unidos. La afinidad por el sustrato es baja.  ENZIMAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS Existe un efecto cooperativo entre las subunidades, de modo que la activación o la inhibición de una de ellas provoca el mismo efecto en todas las demás. Su cinética es diferente a la del resto de enzimas.  ENZIMAS MECANISMOS QUE AUMENTAN LA EFICACIA ENZIMÁTICA Los procesos metabólicos son reacciones encadenadas que forman rutas metabólicas largas, en las que el P final de una reacción es el S de la siguiente. Para que la reacciones sean óptimas existen mecanismo que aumentan la eficacia de la acción enzimática: Compartimentación celular: algunas enzimas se encuentran dentro de orgánulos donde su concentración es mayor que si estuvieran dispersas por el citoplasma. Reacciones en cascada: el P de una reacción actúa como E de la siguiente reacción, cuyo producto, a su vez, es la E de una nueva reacción, y así sucesivamente. Complejos multienzimáticos: agrupación de enzimas que llevan a cabo reacciones consecutivas en un complejo. Existencia de isozimas: E que realizan la misma función, pero presentan distinta velocidad de reacción.  VITAMINAS Son compuestos orgánicos que se encuentran de forma natural en los alimentos, bien como tales (vitaminas) o bien como precursores (provitaminas). Son esenciales (no pueden ser sintetizadas por el organismo) y necesarias en pequeñas cantidades. Sensibles a agentes deteriorantes. Función: participan como coenzimas en los procesos metabólicos. Su exceso o déficit (enfermedades carenciales) puede ocasionar problemas: Avitaminosis: ausencia total de una o varias vitaminas. Hipovitaminosis: presencia insuficiente de una determinada vitamina en la dieta. Hipervitaminosis: se debe a la acumulación de una o varias vitaminas.  VITAMINAS CLASIFICACIÓN Atendiendo a su solubilidad en el agua. 2 grupos: Hidrosolubles: Son solubles en agua y generalmente actúan como coenzimas o precursores de coenzimas. A este grupo pertenecen las vitaminas del complejo B y la vitamina C. Liposolubles: Son insolubles en agua y solubles en disolventes no polares. Son lípidos insaponificables y generalmente no son cofactores o precursores. En este grupo se encuentras las vitaminas A, D, E y K. Vitaminas: Historia, Estructura y Clasificación  METABOLISMO Conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de la célula. Tipos: anabolismo y catabolismo. Ruta metabólica: secuencia de reacciones sucesivas, cada una de ellas catalizada por una enzima específica. Características: Las reacciones son secuenciales, es decir, el producto final de una reacción es el sustrato de la siguiente. Las rutas metabólicas están conectadas unas con otras. Existen rutas convergentes, se obtiene el mismo producto final a partir de distintas moléculas de partida, y divergentes, en las que una molécula da lugar a distintos productos.  METABOLISMO Según el grado de oxidación del sustrato y del aceptor final de los e-, se diferencian dos tipos de procesos catabólicos: Respiración: El sustrato, compuesto orgánico, se oxida completamente, convirtiéndose en compuestos inorgánicos (CO2, H2O, etc.) y liberando energía en forma de ATP. El ATP se obtiene por fosforilación a nivel de sustrato o mediante la ATP-sintasa de la cadena de transporte de e- (fosforilación oxidativa). En presencia de O2. Diferenciamos: o Respiración aerobia: el aceptor de e- es el O2 que se reduce a H2O. o Respiración anaeróbica: el aceptor de e- no es el O2 (NO3-, SO4=). Solo en algunos microorganismos.  METABOLISMO Fermentación: Oxidación del sustrato (compuestos orgánicos) incompleta. El producto final es un compuesto orgánico (aceptor final de los e-). Produce menos energía que la respiración. Puede ser: láctica, alcohólica, etc. No es necesaria la presenciade O2.  METABOLISMO REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX) Implican transferencia de e-, por lo que están acopladas. Oxidación (Catabolismo): un compuesto se oxida liberando e- y H+ que son captados por coenzimas oxidadas (NAD+, FAD o NADP+) que se reducen (NADH, FADH2 o NADPH) (poder reductor que se usa en los procesos anabólicos). La sustancia que se oxida se llama agente reductor o dador de electrones, ya que reduce a la otra sustancia cediéndole electrones. Degradación: de moléculas complejas a sencillas. Se libera energía, electrones y protones para formar poder reductor. Balance energético positivo: reacciones exergónicas (se libera energía que se almacena en forma de ATP). Catabolismo AB A + B + Energía Forman rutas metabólicas convergentes. A + B + Energía Anabolismo AB  METABOLISMO REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX) Reducción (Anabolismo): las moléculas se reducen captando e- y H+ que ceden a coenzimas reducidas, como NADH. La sustancia que se reduce se llama agente oxidante o dador de electrones, ya que oxida a la otra sustancia aceptando electrones. Biosíntesis: de moléculas sencillas a complejas. Necesitan energía, electrones y protones. Balance energético negativo: reacciones endergónicas (requieren energía que procede de la hidrólisis del ATP). Forman rutas metabólicas divergentes.  METABOLISMO Según sea la fuente de carbono que utilizan para construir sus biomoléculas en el anabolismo, las células pueden ser: Autótrofas: su fuente de carbono es el CO2 atmosférico, y según de dónde obtengan la energía, pueden ser: Fotoautótrofas: obtienen la energía de la luz solar para sintetizar compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos. Quimioautótrofas: obtienen la energía de los enlaces de moléculas inorgánicas. Heterótrofas: incorporan el carbono a través de moléculas orgánicas. Obtienen la energía al romper los enlaces de las moléculas orgánicas. Todas las reacciones metabólicas están reguladas por enzimas específicas.  METABOLISMO La combinación de materia y energía da lugar a diferentes tipos de metabolismo. METABOLISMO  METABOLISMO ATP (ADENOSÍN TRIFOSFATO) Acumula o libera energía en sus enlaces fosfato. La energía se utiliza para: Síntesis de biomoléculas (anabolismo). Trabajo mecánico: contracción muscular, movimiento celular… Transporte activo: bombas. Crear potencial de membrana: transmisión del impulso nervioso. Producir calor. Otros: bioluminiscencia.  METABOLISMO ATP (ADENOSÍN TRIFOSFATO) Hidrólisis del ATP: ATP ADP + Pi + energía ADP AMP + Pi + energía Síntesis del ATP: puede ocurrir por varios mecanismos Fosforilación a nivel de sustrato: una molécula fosforilada, cede el grupo fosfato al ADP para formar ATP. Fosforilación acoplada al transporte de electrones: consiste en utilizar la cadena de transporte de electrones de la cadena respiratoria (mitocondria) o la cadena fotosintética o fotofosforilación (cloroplasto) para sintetizar grandes cantidades de ATP.  METABOLISMO ATP (ADENOSÍN TRIFOSFATO)  METABOLISMO TRANSPORTADORES DE PROTONES Y ELECTRONES Coenzima NAD+ : participa en reacciones redox, oxidación de la glucosa y ß-oxidación de los ácidos grasos. El NADH interviene en la síntesis de ATP de la cadena respiratoria. Coenzima NADPH: interviene en el anabolismo, en procesos como el ciclo de Calvin o la síntesis de ácidos grasos. NADP+ Coenzimas de flavina: FAD participa en el ciclo de Krebs y en la ß-oxidación de los ácidos grasos. La FADH2 participa en la síntesis de ATP de la cadena respiratoria. Coenzima Q (ubiquinona).  METABOLISMO OTRAS MOLÉCULAS QUE INTERVIENEN EN EL METABOLISMO Metabolito: molécula utilizada o producida durante el metabolismo. El primer metabolito es el sustrato, y el metabolito final, el producto. Las moléculas producidas entre ambos son los metabolitos intermediarios. Moléculas con enlaces ricos en energía: también se utiliza el GTP. Moléculas ambientales: moléculas como el oxígeno, el agua, el dióxido de carbono, el alcohol etílico o el ácido láctico, se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico, permitiendo que el sistema sea abierto.  METABOLISMO RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES METABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS Los glúcidos son la principal fuente de energía del organismo. La glucosa es el principal combustible de las células. Glucogénesis: el glucógeno almacenado se transforma en glucosa. La glucosa, pasa a la sangre y es transportada para ser utilizada por las células como fuente de energía. Glucólisis: una molécula de glucosa se divide en dos moléculas de piruvato y se obtiene ATP y NADH que podrá ser utilizado en la cadena de transporte electrónico para obtener más ATP.  METABOLISMO RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES METABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS Principal fuente de energía del organismo. Alimentos ricos en glúcidos: cereales, frutas, verduras y legumbres. Digestión: descompone glúcidos complejos en glucosa. Glucogénesis: el glucógeno almacenado se transforma en glucosa. La glucosa, pasa a la sangre y es transportada para ser utilizada por las células como fuente de energía. Glucólisis: una molécula de glucosa se divide en dos moléculas de piruvato y se obtiene ATP y NADH que podrá ser utilizado en la cadena de transporte electrónico para obtener más ATP.  METABOLISMO RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES METABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS Ingesta excesiva de glucosa La glucosa se almacena en forma de triglicéridos. Durante la glucólisis, la glucosa se descompone en piruvato. Este piruvato entra en la mitocondria y es convertido en acetil- CoA. El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs y se combina con oxalacetato para formar citrato. Aunque el ciclo de Krebs es conocido por su papel en la producción de energía, también interviene en la síntesis de ácidos grasos. Cuando hay exceso de glucosa, y por tanto de acetil-CoA, el citrato generado en el ciclo de Krebs es transportado al citosol. En el citosol, el citrato es convertido de nuevo en acetil- CoA y oxaloacetato. Este acetil-CoA citosólico es utilizado como sustrato para la lipogénesis, el proceso de síntesis de ácidos grasos.  METABOLISMO RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS Fuente de energía del organismo. Digestión: descompone lípidos complejos en ácidos grasos y glicerol. Lipólisis: degradación de triglicéridos en ácidos grasos libres y glicerol. Ácidos grasos entran en las células y se oxidan en la β-oxidación para producir acetil- CoA, que entra en el ciclo de Krebs para producir energía. El glicerol puede ser utilizado para sintetizar glucosa. Ácidos grasos menos eficientes que la glucosa para la síntesis de ATP. También se usan para producir cuerpos cetónicos, que utiliza el cerebro como fuente de energía en ausencia de glucosa. Alimentos ricos lípidos: aceites, frutos secos, semillas y aguacates.  METABOLISMO RUTAS METABÓLICAS Y NECESIDADES NUTRICIONALES METABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Necesarias para la formación y reparación de tejidos y la producción de enzimas y hormonas. Digestión: descompone proteínas complejas en aminoácidos. Los aminoácidos son utilizados por las células para sintetizar nuevas proteínas o para obtener energía. Los aminoácidos pueden ser utilizados para la producción de ATP, pero son menos eficientes que los glúcidos o los lípidos. Los aminoácidos también pueden ser utilizados para la producción de urea, un producto de desecho que se excreta a través de la orina. Alimentos ricos en proteínas: carne, pescado, huevos, lácteos y legumbres.  METABOLISMO LAS RUTAS METABÓLICAS Y LOS ESTILOS DE VIDA SALUDABLES Una dieta completa y equilibrada es esencial para mantener un metabolismo saludable y prevenir enfermedades. Una dieta adecuada debe incluir una variedad de alimentos de todos los grupos de alimentos, en las proporciones adecuadas. Estos nutrientes incluyen: Glúcidos: principal fuente de energía del organismo. Proteínas: formación y reparación de tejidos y la producción de enzimas y hormonas. Lípidos: necesarias para la absorción de vitaminas liposolubles, producción de hormonas y protección de los órganos (tejido adiposo). Vitaminas: necesarias para el metabolismo, crecimiento y la reparación de los tejidos. Sales minerales: necesarias para formar huesos y dientes, la regulación de los fluidos corporales y la producción de energía.  METABOLISMO LAS RUTAS METABÓLICAS Y LOS ESTILOS DE VIDA SALUDABLES Las dietas cetogénicas son dietas bajas en glúcidos y altas en lípidos. Estas dietas pueden ser efectivas para perder peso a corto plazo, pero a largo plazo pueden tener efectos negativos para la salud, como el aumento del riesgo de enfermedades cardíacas, accidentes cerebrovasculares y algunos tipos de cáncer. Otras dietas peligrosas para la salud incluyen las dietas que son muy bajas en calorías, las dietas que eliminan grupos enteros de alimentos y las dietas que prometen resultados rápidos y milagrosos.  CATABOLISMO Reacciones oxidativas (moléculas pierden electrones) que aceptan otras moléculas que se reducen (aceptoras de electrones). Según quien acepta los electrones: Células aerobias: la mayoría utilizan O2. Células anaerobias: viven en ausencia de O2, el aceptor es una molécula orgánica. Células facultativas: pueden utilizar el O2, pero cuando no hay utilizan vías anaerobias. CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS  1. GLUCÓLISIS Glucólisis 1 O vía de Embdem-Meyerhof. Ruta lineal. 1 molécula de glucosa (6C) da lugar a 2 moléculas de ácido pirúvico (3C), 2 ATP y 2 NADH. 2 fases, 10 reacciones catalizadas por enzimas. Tiene lugar en el citoplasma. No necesita oxígeno. La ecuación global de la glucólisis es: Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi → 2 ácido pirúvico + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O  1. GLUCÓLISIS 1ª FASE O FASE DE GASTO ENERGÉTICO Transformación una molécula de glucosa (6C) en dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (3C). La glucosa (6C) es fosforilada 2 veces (activación), lo Isomerización que requiere el gasto de 2 moléculas de ATP (una por cada fosforilación). La molécula fosforilada resultante se escinde en dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (3C).  1. GLUCÓLISIS 2ª FASE O FASE DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA Transformación de 2 dos moléculas de gliceraldehído 3- fosfato en dos moléculas de piruvato. Se producen 2 ATP/ gliceraldehído 3-fosfato Total = 4 ATP (4 producidos - 2 consumidos en la fase anterior = Balance final 2 ATP) Se genera poder reductor: 2 NADH+. Etapas de la glucólisis  1. GLUCÓLISIS ETAPA 1. Fosforilación de la glucosa en una reacción endergónica que consume una molécula de ATP. ETAPA 2. Isomerización de la glucosa 6-fosfato, que consiste en una reorganización de la molécula para formar el anillo pentagonal de fructosa.  1. GLUCÓLISIS ETAPA 3. Fosforilación de fructosa 6-fosfato con gasto de una molécula de ATP. ETAPA 4. Escisión de la fructosa 1,6-bifosfato en dos triosas. Se puede considerar que se obtienen dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. Triosa fosfato Gliceraldehí isomerasa do 3-fosfato  1. GLUCÓLISIS ETAPA 5. Oxidación y fosforilación del gliceraldehído 3-fosfato. Como hay dos, se utilizan dos fosfatos inorgánicos (Pi) y se reducen dos moléculas de NAD+. NOTA: Esta etapa es clave. Si el NADH extramitocondrial no vuelve a oxidarse, la ruta se detiene.  1. GLUCÓLISIS ETAPA 6. Fosforilación a nivel de sustrato. Desfosforilación del ácido 1,3-bifosfoglicérico, y se forma una molécula de ATP por cada molécula de ácido 1,3-bifosfoglicérico. ETAPA 7. Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico, en el que el grupo fosfato cambia su posición del C3 al C2.  1. GLUCÓLISIS ETAPA 8. Formación de un doble enlace como consecuencia de la pérdida de un átomo de hidrógeno y un grupo -OH en el ácido 2-fosfoglicérico. ETAPA 9. Desfosforilación del ácido fosfoenolpirúvico, por lo que se obtiene ácido pirúvico y ATP (una molécula por cada molécula de ácido fosfoenolpirúvico.  1. GLUCÓLISIS Destino del ácido pirúvico y del NADH Ácido pirúvico: puede seguir la vía de la respiración celular (con O2) o la vía de las fermentaciones (sin O2). NADH: vuelve a oxidarse a NAD+ cediendo sus e- a la cadena de transporte de electrones (con O2) o a compuestos orgánicos en las fermentaciones (sin O2).  2. RESPIRACIÓN CELULAR Oxidación del ácido pirúvico, en presencia de O2, hasta CO2 y H2O. NOTA: La oxidación completa de cualquier compuesto orgánico da CO2 como producto final, que es la forma más oxidada del carbono y no puede constituir una fuente de energía. Tiene lugar en la mitocondria. Se distinguen varias etapas: 1ª Etapa: Formación de acetil-CoA 2ª Etapa: Ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT) (matriz mitocondrial). 3ª Etapa: Cadena respiratoria (crestas mitocondriales) y fosforilación oxidativa.  2. RESPIRACIÓN CELULAR 1ª ETAPA: OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO A ACETIL-CoA (en presencia de O2) Matriz mitocondrial. El ácido pirúvico formado en la glucólisis atraviesa la membrana mitocondrial y penetra en la matriz mitocondrial. El complejo piruvato-deshidrogenasa produce la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico en acetil-CoA (2C). La reaccion global de esta etapa es: 2 Ác.Pirúvico (3C)+ 2NAD+ + CoA-SH→ 2 acetil-CoA (2C) + 2NADH + 2H+ + 2 CO2  2. RESPIRACIÓN CELULAR 1ª ETAPA: OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO A ACETIL-CoA (en presencia de O2) Descarboxilación: pérdida de un CO2. Oxidativa: oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo. La energía que se libera permite la unión entre el acetilo y la coenzima A originando acetil-CoA. Además, se produce una molécula de NADH que irá a la cadena de transporte de electrones.  2. RESPIRACIÓN CELULAR 1ª ETAPA: OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO A ACETIL-CoA (en presencia de O2)  2. RESPIRACIÓN CELULAR CICLO DE KREBS paso a 2ª ETAPA: CICLO DE KREBS (en presencia de O2) paso #Bioquímica Ruta cíclica. Células eucariotas: matriz mitocondrial y células procariotas: citoplasma. Oxidación del acetil-CoA hasta CO2. Los electrones que se liberan son aceptados por las coenzimas NAD+ y FAD, que quedan reducidas en forma de NADH y FADH2. Procedencia del acetil-CoA: β-oxidación y glucólisis. Inicio del ciclo: unión del acetil-CoA (2C) con una molécula de al oxalacetato o ácido oxalacético (producto final del ciclo de 4C), para formar ácido cítrico (6C).  2. RESPIRACIÓN CELULAR 2ª ETAPA: CICLO DE KREBS (en presencia de O2) Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo, se producen: 2 reacciones de descarboxilación oxidativa en las que se desprenden 2 CO2. 1 reacción de fosforilación que produce un GTP que se transformará en ATP. 2 moléculas de CoA-SH, de las que una vuelve a utilizarse en el ciclo. 3 moléculas de NADH + H+ y una de FADH2, que pasarán a la cadena de transporte electrónico, donde serán oxidadas. Balance neto: Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA NOTA: de una glucosa se obtienen dos moléculas de acetil-CoA (una por cada ácido pirúvico), por lo que son necesarias dos vueltas del ciclo. Estos datos hay que duplicarlos.  2. RESPIRACIÓN CELULAR 2ª ETAPA: CICLO DE KREBS (en presencia de O2)  2. RESPIRACIÓN CELULAR 3ª ETAPA: CADENA RESPIRATORIA O DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (en presencia de O2) Membrana mitocondrial interna: crestas mitocondriales. Aunque la de glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se ha oxidado y ha producido energía en forma de ATP, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que aceptaron el NAD+ y el FAD, que se redujeron a NADH y FADH2. NADH y FADH2 transfieren e- al O2 a través de la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. En el transporte de estos e- se libera gran cantidad de energía que se utiliza para formar ATP (fosforilación oxidativa).  2. RESPIRACIÓN CELULAR CADENA RESPIRATORIA Consiste en el transporte de e- desde las coenzimas reducidas, NADH+H+ y FADH2, hasta el O2. Este transporte se realiza en la membrana de las crestas mitocondriales. Está constituida por moléculas transportadores de protones (H+) y de e-.  2. RESPIRACIÓN CELULAR CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y CADENA RESPIRATORIA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  2. RESPIRACIÓN CELULAR CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y CADENA RESPIRATORIA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ▪ NADH cede e- al complejo I. ▪ El complejo I transfiere los e- a la ubiquinona o coenzima Q, que se reduce a ubiquinol (QH2). FADH2 cede e- directamente al complejo II. ▪ El complejo II transfiere e- a la ubiquinona, que se reduce a ubiquinol (QH2). ▪ La ubiquinona transfiere los e- procedentes del complejo I y II al complejo III. ▪ El complejo III cataliza la transferencia de e- desde el ubiquinol hasta el citocromo c. ▪ Del citocromo c los e- pasan al complejo IV, y éste los transfiere hasta el O2, que es el aceptor final de e-, reduciéndose a H2O. ▪ El paso de e- por los complejos I, III y IV hace que se bombeen H+ de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso.  2. RESPIRACIÓN CELULAR FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Membrana mitocondrial interna: crestas mitocondriales. Síntesis de ATP utilizando la energía liberada por los e- en la cadena respiratoria. Teoría quimiosmótica: el bombeo de H+ al espacio intermembrana, crea un gradiente electroquímico a ambos lados de la membrana interna, que genera una fuerza protón- motriz. Esta fuerza proporciona energía suficiente para que, si existe un canal, puedan pasar los H+ a favor de gradiente ya que la membrana mitocondrial interna es impermeable a los H+. Las partículas F forman esos canales. Cada partícula F es un complejo ATP-sintetasa, con una porción F0 anclada a la membrana de las crestas y otra F1 que sobresale a la matriz. Cuando los protones pasan a través de esta estructura hacia la matriz, se produce la rotación de la partícula F y cataliza la síntesis de ATP, en el lado de la matriz, a partir de ADP y Pi.  2. RESPIRACIÓN CELULAR Reacción global de la respiración celular: Glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP  2. RESPIRACIÓN CELULAR 3ª ETAPA: CADENA RESPIRATORIA O DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (en presencia de O2)  2. RESPIRACIÓN CELULAR Balance energético de la respiración celular: Glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP cadena Rendimiento Matriz transportador Citoplasma energético mitocondrial a de electrones 2 ATP 2 ATP Glucólisis 6 ATP (o 4 2 NADH 2 x 3 ATP ATP) De ácido pirúvico a 2 x 1 NADH 2 x 3 ATP 6 ATP acetil-CoA 2 x 1 ATP 2 ATP Respiración celular Ciclo de 2 x 3 NADH 6 x 3 ATP 18 ATP Krebs 2 x 1 FADH2 2 x 2 ATP 4 ATP Balance energético global (ATP) obtenido por cada molécula de 38 ATP glucosa  3. FERMENTACIONES Obtención de energía a partir de la glucosa en condiciones anaerobias. Citosol. El aceptor final de e- es un compuesto orgánico. Produce NAD+ para que pueda reducirse (NADH) y ser utilizado en la glucólisis. Microorganismos: bacterias y levaduras. Anaerobios estrictos, sólo crecen en ausencia de oxígeno (su presencia es letal). Anaerobios facultativos, adaptados a vivir con o sin oxígeno, pueden realizar respiración aerobia o fermentación. También en el tejido muscular estriado de vertebrados cuando no llega suficiente oxígeno (fermentación láctica).  3. FERMENTACIONES Balance energético: Libera menos energía que la respiración, pues la oxidación es incompleta. Los 2 ATP proceden de la glucólisis. Lo único que se consigue es regenerar coenzimas oxidados (NAD+).  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Reducción del ácido pirúvico (glucólisis) para formar alcohol etílico (etanol) y CO2. Etapas: 1ª etapa: descarboxilación del ácido pirúvico, originándose CO2 y acetaldehído. 2ª etapa: el acetaldehído se reduce con NADH+H+ por la alcohol-deshidrogenasa y se obtiene etanol, recuperándose el NAD +.  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Levaduras: Saccharomyces cerevisiae (anaerobio facultativo). Producción de: Cerveza: se germina la cebada para que el almidón se transforme en maltosa, que se tuesta para dar la malta. La malta es el sustrato sobre el que actúa la levadura. Vino (glucosa de la uva). Pan: la fermentación del almidón hace que el pan sea más esponjoso por las burbujas de CO2.  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN LÁCTICA Reducción del ácido pirúvico (glucólisis) para formar ácido láctico. 1 Etapa: El pirúvico acepta electrones del NADH+H+ y se transforma en ácido láctico, regenerándose NAD+, en una reacción catalizada por la lactato-deshidrogenasa.  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN LÁCTICA Bacterias: Lactobacillus casei, L.acidophilus, L. gasseri o Streptococcus casei (anaerobios facultativos) se utilizan para producir queso, yogurt o cuajada. Usan la lactosa de la leche, que hidrolizan en glucosa y galactosa. La galactosa a su vez se isomeriza dando glucosa. Estas 2 glucosas entrarán en la vía de la glucólisis (generando 2 ATP cada una) y posterior fermentación láctica.  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN LÁCTICA EN CÉLULAS MUSCULARES  3. FERMENTACIONES FERMENTACIÓN LÁCTICA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA  CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS Función de los lípidos: suministrar energía metabólica. Hidrólisis o lipólisis en el citoplasma por las lipasas que descomponen: Fosfolípidos en glicerol, ácidos grasos y ácido fosfórico (se incorpora a las células donde se usará en procesos de intercambio energético). Triglicéridos en glicerol y ácidos grasos. A partir de aquí: Degradación del glicerol. Degradación de los ácidos grasos o ß- oxidación.  1. DEGRADACIÓN DEL GLICEROL Fosforilación del glicerol, gracias al ATP, convirtiéndose en glicerol-fosfato. El glicerol-fosfato cede sus electrones al NAD+ y se transforma en dihidroxiacetona-fosfato, que es un intermediario de la glucólisis y se degrada por esta vía.  2. ß-OXIDACIÓN BETA OXIDACIÓN ÁCIDOS GRASOS Tiene lugar en la matriz mitocondrial y en los peroxisomas. 1º Etapa: Activación de los ácidos grasos y entrada en la mitocondria. Activación: Unión de los ácidos grasos, que están en el citosol, a la coenzima A (CoA) en la membrana mitocondrial externa, gracias a la acil-CoA-sintasa, con consumo de ATP. El resultado es el ácido graso activado en forma de acil- CoA.  2. ß-OXIDACIÓN 1º Etapa: Activación de los ácidos grasos y entrada en la mitocondria. Entrada: del acil-CoA gracias a la carnitina (espacio intermembrana) que actúa como sistema lanzadera mediante una acil-transferasa que forma acil- carnitina y libera el CoA. En la matriz mitocondrial, el complejo acil-carnitina transfiere el grupo acilo al CoA y forma de nuevo acil-CoA, mientras que la carnitina vuelve al espacio intermembrana.  2. ß-OXIDACIÓN 2º Etapa: ß-oxidación. En la matriz mitocondrial. El acil-CoA es degradado y “cortado” en fragmentos de 2C, que se desprenden en forma de acetil-CoA y que constituyen la hélice de Lynen o ß-oxidación. Está acoplada al ciclo de Krebs (incorporación del acetil-CoA) y a la cadena respiratoria (reoxidación de coenzimas). La nueva molécula de acil-CoA comienza otra ß-oxidación, perdiendo nuevamente 2C, proceso que se repite hasta se degradado por completo. El nº de ß-oxidaciones o vueltas de hélice será:  2. ß-OXIDACIÓN El nº de moléculas de acetil-CoA formadas es: Ejemplo: ácido palmítico (16C) nº vueltas = (16/2)-1 = 7 nº acetil-CoA= (16/2) = 8 En cada ß-oxidación se obtiene: 1 acil-CoA con 2C menos. 1 acetil-CoA que se incorpora al ciclo de Krebs. 1 FADH2 y 1 NADH que se oxidan en la cadena de transporte de electrones. Productos finales del catabolismo de los ácidos grasos: CO2, H2O y ATP. 2. ß-OXIDACIÓN  2. ß-OXIDACIÓN 2º Etapa: ß-Oxidación  CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas se degradan y se utilizan los aminoácidos para formar nuevas proteínas. Solo se usan como fuente de energía en ausencia de lípidos y glúcidos. 1ª Etapa: hidrólisis de enlaces peptídicos por las proteasas, en los lisosomas, para liberar los aminoácidos.  CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS 2ª Etapa: degradación de los aminoácidos. Eliminación del grupo amino: el grupo amino se transfiere a otra molécula formando amoníaco (muy tóxico). El amoníaco es transformado en urea o ácido úrico para ser excretado. Oxidación de la cadena carbonatada: forma intermediarios metabólicos que se incorporan al ciclo de Krebs. o Aa cetogénicos: originan acetil-CoA que puede degradarse en el ciclo de Krebs o usarse para sintetizar ácidos grasos. o Aa glucogénicos: forman ácido pirúvico o algún intermediario del ciclo de Krebs, y, por tanto, pueden generar glucosa (gluconeogénesis). o Aa mixtos: generan tanto compuesto cetogénicos como glucogénicos.  CATABOLISMO DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Comienza con la hidrólisis de los enlaces. Los nucleótidos se rompen en sus componentes: pentosa, fosfato y B.N. La B.N se degrada a ácido úrico si es púrica o a CO2 y NH3 si es pirimidínica.