Tema 8. Introducció al metabolisme PDF

# Tema 8. Introducció al metabolisme ## Cicle de la matèria i flux d'energia a la biosfera. Catabolisme i anabolisme. - Cicle de la matèria i flux d'energia a la biosfera. - Catabolisme i anabolisme. - Rutes metabòliques interconnectades. - Metabolisme i bioenergètica. - Reaccions acoblades. - ATP...

# Tema 8. Introducció al metabolisme ## Cicle de la matèria i flux d'energia a la biosfera. Catabolisme i anabolisme. - Cicle de la matèria i flux d'energia a la biosfera. - Catabolisme i anabolisme. - Rutes metabòliques interconnectades. - Metabolisme i bioenergètica. - Reaccions acoblades. - ATP. - Molècules transportadores d'electrons. - Control del metabolisme. ## Energia de les Molècules - Els organismes vius han aconseguit acoblar una sèrie de reaccions químiques que permeten recuperar l'energia dels enllaços químics i emmagatzemar-la en altres molècules amb gran contingut energètic (ATP). - **Metabolisme:** Una sèrie de reaccions coordinades en la que molts sistemes multi enzimàtics cooperen per: - Obtenir Energia Química - Convertir els nutrients en molècules pròpies de la cèl·lula. - Sintetitzar macromolècules a partir dels precursors assimilats: proteïnes, AANN, AAGG i Polisacàrids - Sintetitzar i degradar molècules necessàries en funcions especialitzades com lípids de membrana, missatgers intracel·lulars i pigments ## Cicle o flux de la matèria viva a la biosfera - **Els éssers vius depenent de la font d'energia química que utilitzen són:** - **Fotòtrofs** →Llum solar (Plantes) - **Quimiòtrofs** → Compostos químics (oxidació) - **Els éssers vius segons la font de C que utilitzen** - **Autòtrofs** →CO₂ - **Heterotrofs** → Matèria Orgànica - El flux d'energia es transmet dels organismes autòtrofs als heteròtrofs i la matèria orgànica dels heteròtrof és reutilitzada de nou pels Autòtrofs ## Metabolisme - **Metabolisme:** Conjunt de totes les reaccions químiques que s'esdevenen en la cèl·lula catalitzades per Enzims. - S'organitzen formant les rutes metabòliques. Cada pas de la ruta metabòlica produeix un petit canvi químic. - El Producte d'una de les reaccions és el substrat de la següent. Aquestes substàncies s'anomenen **Metabòlits**. - **Metabolisme Intermediari:** Fa referència a l'activitat combinada de totes les rutes metabòliques que comparteixen metabòlits. - Aquestes reaccions estan regulades sovint al·lostèricament per tal de no malgastar energia. ## Rutes metabòliques - Les Rutes metabòliques poden ser: - **Lineals** - **Ramificades:** Convergents o divergents - **Cícliques** ## Catabolisme i Anabolisme - El metabolisme es divideix en **Catabolisme i Anabolisme** - **1. Catabolisme** - Constitueixen la fase de degradació del Metabolisme. - Glúcids, greixos i Proteïnes es transformen en compostos més senzills, CO2, H2O i NH3 alliberant energia (Reaccions exergòniques) - Generació d'ATP - Reducció dels transportadors d'electrons NADH, NADPH i FADH2 - Generació de Calor que es perd de la reacció - **2. Anabolisme** - Constitueixen la fase de biosíntesi del Metabolisme. - Transformen molècules petites en biomolècules complexes: Polisacàrids, greixos, AANN, Proteïnes . - Gasten Energia (Reaccions endergòniques) en forma ATP. - Utilització del poder reductor del NADH, NADPH i FADH2 - Les vies anabòliques i catabòliques es troben Interconnectades ## Interconnexió entre vies anabòliques i catabòliques - Anabolisme i Catabolisme utilitzen la majoritàriament els mateixos enzims. - Existeix un o més enzims diferents que permet la regulació diferencial de les dues rutes. Aquests solen ser els Enzims que catalitzen les reaccions Irreversibles que són diferents per a cada via i que permeten la regulació diferencial ## Fases del Catabolisme - Fases del Catabolisme (Reaccions exergòniques): - **Fase 1:** Digestió. Pas de molècules polimèriques a les seves unitats bàsiques - **Fase 2:** Pas de les unitats bàsiques a metabòlits intermediaris. Principalment AcetilCoA - **Fase 3:** Oxidació complerta de l'AcetilCoA a CO2 i H₂O i producció d'ATP. ## Fases de l'Anabolisme - Fases de l'Anabolisme (Reaccions endergòniques): - **Fase 3:** Biosíntesi de macromolècules, proteïnes, glucogen, lípids, àcids nucleics. - **Fase 2:** Pas d' AcetilCoA a unitats bàsiques: AA, monosacàrids, AAGG i nucleòtids. - **Fase 1:** Reducció de metabòlits intermedis molt senzills en AcetilCoA. ## Resum - **CATABOLISME** - Reaccions DEGRADATIVES - Reaccions OXIDATIVES - Reaccions EXERGÒNIQUES - Processos CONVERGENTS - **ANABOLISME** - Reaccions de SÍNTESI - Reaccions de REDUCCIÓ - Reaccions ENDERGÒNIQUES - Processos DIVERGENTS ## Control del metabolisme - El metabolisme i per tant les rutes metabòliques cal que estiguin REGULADES per tal de ser eficients: Cal que cobreixin les necessitat ATP i formin els components cel·lulars. - 4 nivells de regulació: - Quantitat de Substrat. - Quantitat d'Enzim. - Regulació al·lostèrica - Compartimentació Cel·lular. - Hormonal (Regulació externa). ## Regulació per Substrat i quantitat d'enzim - A la cèl·lula els substrats es troben a concentracions properes a la Km dels enzims. Per tant variacions de la concentració incrementen o disminueixen fàcilment la velocitat de les reaccions. - La quantitat d'enzim disponible també es pot regular. La presència de Triptòfan inhibeix la transcripció dels enzims de a ruta de síntesi del Triptòfan - Entrenament esportiu incrementa la quantitat d'enzims glicolítics i del catabolisme oxidatiu. ## Regulació al·lostèrica - Les rutes metabòliques tenen moltes reaccions catalitzades per diferents enzims. - Moltes rutes metabòliques es troben regulades al·lostèricament pel producte final de la via en aquells enzims que catalitzen reaccions irreversibles. - ATP o ADP activen o inhibeixen al·lostèricament la Glicòlisi. - El triptòfan inhibeix al·lostèricament el primer enzim de la seva via de síntesi. - Les altres reaccions són reversibles i van en una direcció o una altra depenent de la concentració de S ## Compartimentació - Compartimentació permet concentrar el substrat i també els enzims. - Glicòlisi es dóna al citoplasma - Oxidació del piruvat i dels AAGG a la mitocòndria ## Regulació Hormonal - Moltes hormones regulen el metabolisme depenent de les necessitats de l'organisme. - Al múscul la Epinefrina activa la Glicogen fosforilasa que permet la degradació del Glicogen ## Bioenergètica i Termodinàmica - Bioenergètica és l'estudi quantitatiu de les relacions energètiques i les transferències d'energia i les seves funcions que es donen en les cèl·lules vives. - Les transferències d'energia dels sistemes biològics segueixen les mateixes lleis físiques que governen tots els altres processos de la Natura. ## Un ésser viu és un sistema obert - **Sistema Reaccionant:** és el conjunt de matèria que està experimentant un procés químic o físic determinat. Pot ser un organisme, un cèl·lula o els dos compostos d'una reacció. - El sistema Reaccionant més l'entorn on es dóna formen l'Univers. - Els Sistemes poden ser: - **Tancats:** No Intercanvi d'energia ni matèria amb l'entorn. - **Oberts:** Intercanvien Energia i Matèria - Els éssers vius són sistemes oberts ja que intercanvia energia i matèria amb l'exterior. ## Entalpia - 1era llei de la termodinàmica. L'energia total d'un sistema i el seu voltant es manté constant, és a dir que l'energia ni es crea ni es destrueix sino que es transforma. - Entalpia H és el contingut de calor intern que té un sistema a P constant. - ΔΗ D'una reacció química és la Diferència d'energia entre el producte i el Substrat. Determina la quantitat d'energia absorbida o cedida. - Reaccions Endotèrmiques absorbeixen calor - Reaccions Exotèrmiques cedeixen calor - Les cèl·lules segueixen aquesta llei obtenint energia de les reaccions exotèrmiques i aportant energia a les endotèrmiques. (Catabolisme-Anabolisme) ## Entropia - 2a llei de la termodinàmica: Per tal que un procés es doni de manera espontània el desordre ENTROPIA del sistema ha d'augmentar. (el desordre de l'univers te tendència a augmentar) - Entropia S mesura el grau de desordre d'un sistema. - Les cèl·lules són sistemes complexos i ordenats (baixa Entropia) necessiten energia constantment per mantenir les seves estructures que tenen tendència a desordenar-se. - La cèl·lula tendeix a ordenar les molècules disminuint la S això es compensa obtenint energia de l'entorn i augmentant la S de l'entorn. - Aquest intercanvi és més gran que l'ordre intern fent que el sistema augmenti la S i es compleixi la segona llei de la termodinàmica. - Els éssers vius són capaços de mantenir un ordre en un univers que tendeix al desordre intercanviant energia i incrementant l'entropia externa ## Energia Lliure de Gibbs indica si una reacció és favorable Energèticament - AG Energia lliure de Gibbs expressa la quantitat d'energia capaç de realitzar un treball durant una reacció a Ti P constants (les cèl·lules són un sistema que estan a PiT constants). - ∆G relaciona Entalpia (H) (energia intercanviada) i Entropia (S). - AG = ΔΗ - T·AS determina l'espontaneïtat dels processos (a P i T ct) - Si ∆G<0➜ Espontani (exergònic, pot dur a terme un W) - Si AG=0➔ Equilibri - Si ∆G>0➔ NO Espontani (endergònic, necessita energia) - La ∆G es mesura en Kj/mol o Kcal/mol ## Energia Lliure estàndard - L'intercanvi d'energia es mesura amb la energia lliure de Gibbs. Aquesta energia depèn de la energia Iliure estàndard AG’° - la energia lliure estàndard AG’°és l'energia en que una reacció es desenvolupa en unes condicions estàndards (pH i T constants) i és característica de cada reacció. - L'intercanvi d'energia també depèn de la concentració de substrats i productes de la reacció. - Si la reacció es deixa arribar a l'equilibri, és a dir la Keq que no hi ha intercanvi d'energia i per tant AG=0 en equilibri, tenim que la energia lliure estàndard AG'de la reacció és igual a - la energia lliure estàndard AG’° és característica d'una reacció i es calcula experimentalment amb la Keq - R constant dels gasos (1.987 cal/mol·K) i T 25C ## Energia Real del Sistema - La AG és l'intercanvi d'energia d'una reacció i en dicta l'espontaneïtat. Les reaccions no afavorides s'acoblen a les afavorides mitjançant ATP ## Les AG' són additives - Les reaccions termodinàmicament desfavorables (endergòniques ∆G>0) s'acoblen en reaccions favorables (exergòniques ∆G<0) per tal que transcorrin. - En aquest cas els valors de la AG són additives, és a dir es sumen. ## ATP Moneda energètica - L’ATP és la molècula energètica que permet enllaçar processos endergònics amb exergònics - La reacció d'hidròlisi de l'ATP és altament exergònica (connecta processos productors (catabòlics) amb els que necessiten energia (anabòlics)). - ATP s'utilitza per a tres processos bàsics: - Síntesi de Macromolècules - Transport contra gradient - Moviment muscular ## ATP - ATP Adenosina trifosfat. És un nucleòtid que serveix com a moneda energètica recollint l'energia de l'oxidació - Els enllaços entre els grups fosfats són molt energètics - La seva hidròlisi amb una molècula d'aigua allibera molta és una reacció molt exergònica. - Les molècules d'ATP s'emmagatzemen en petites quantitats, per tant s'hidrolitzen i es sintetitzen contínuament dins la cèl·lula. - Hi ha altres nucleòtids 5' trifosfat (transportadors d'energia): UTP, GTP. CTP i dATP, dGTP, dCTP ## ATP aporta energia per transferència i no per Hidròlisi - l'ATP aporta energia a les molècules menys energètiques fent que les reaccions siguin termodinàmicament favorables. - La Hidròlisi de l'ATP (ATP➔ ADP + Pi) es dóna en dos fases: - Part de la molècula d'ATP es transfereix al Substrat d'una reacció elevant el seu contingut d'energia lliure. - Un dels productes d'hidròlisi de l'ATP és alliberat del substrat generant fòsfor inorgànic (Pi) i afavorint la reacció. ## PCr - El múscul conté una gran quantitat de un compost anomenat Fosfocreatina PCr. - Aquest compost es sintetitza quan hi ha nutrients i és una reserva energètica d'ATP al múscul. - Quan l'energia es requereix la PCr allibera el P₁ que serveix per regenerar l'AΤΡ - ATP i PCr permet realitzar moviments intensos de fins a 8 s. ## Síntesi d'ATP - La Síntesi d'ATP es pot realitzar per dos sistemes: - Fosforilació a Nivell de Substrat (transferència directa d'un grup P) - Fosforilació Oxidativa. Gradient de H+ generats per la transferència d'electrons ## ATP a nivell de Substrat - Durant la Glicòlisi la generació d’ATP es realitza a nivell de substrat - 1,3-difosfoglicerat transfereix un dels grups fosfat a l'ADP - PEP cedeix un grup fosfat a l'ADP - La PCr també transfereix el seu grup fosfat a l'ADP per generar ATP ## Fosforilació Oxidativa - Fosforilació Oxidativa. Els electrons transportats pels Coenzims NADH i FADH₂ són utilitzats per generar un gradient de H+ que generaran ATP mitjançant l'ATP-sintasa que utilitza el transport a favor de gradient. ## Fosforilació Oxidativa - La fosforilació Oxidativa Implica reaccions d'oxi-reducció redox - El procés d'oxidació d'una molècula requereix reaccions redox o d'oxi-reducció - En tota reacció redox hi haurà un element que s'oxida (perd 2e¯) i un altre que es redueix (guanya 2e¯). - En el metabolisme sovint les reaccions oxidatives transfereixen 2e¯ i 2 H+ (deshidrogenació) que són recollits pels transportadors d'electrons NAD, NADP I FAD. ## Transportadors d'electrons - Transportadors d'electrons - El flux d'e¯ dins dels éssers vius és un procés complex que genera energia d'igual manera que la electricitat fa moure un motor. - La diferencia d'afinitat d'e¯ entre molècules permet el flux d'energia. - Oxidació de les molècules es produeix en múltiples etapes en cada una de les quals s'alliberen e¯ - Els e¯ que s'alliberen en les reaccions, no queden lliures, ja que hi ha processos de reducció acoblats a les oxidacions que els recullen, i aquests són els anomenats: Transportadors d'electrons. - Transportadors d'electrons recullen els e¯ i els passen a molècules més oxidades per reduir-les o a les cadenes respiratòries per generar ATP ## NAD, NADP - Transportadors de poder reductor, son Coenzims (comuns a la majoria de vies). Són molècules solubles que permeten el moviment dels e¯, s'uneix de manera feble a l'Enzim. Difon fàcilment d'un E a un altre. - NAD+, oxidat: Dinucleòtid d'adenina i nicotinamida acceptor d'e - NADH+H+ reduït: ha guanyat e- i per tant és donador d'e - Més quantitat de NAD+ que de NADH+H+, més utilitzat en el catabolisme. - NADP+ (Dinucleòtid d'adenina i nicotinamida fosfat). acceptor d'e¯ - NADPH+H+ reduït: ha guanyat e- i per tant és donador d'e¯. - Més quantitat de NAD+ que de NADH+H+, més utilitzat en el anabolisme. - La reacció que segueixen aquests dos Coenzim per captar e¯ a partir de molècules que s'oxiden durant el catabolisme, és en forma d'ió hidrur (2e- + 2H+) ## FAD, FMN - Nucleòtids de Flavina són derivats de la vitamina Riboflavina. 2 tipus: - Mononucleòtid de flavina (FMN) - Flavina Adenina Dinucleòtid de (FAD) - Són coenzims però estan més fortament units als enzims. - En el procés de transport d'e-. Poden acceptar 1 e¯i un H⁺ o 2e- i 2 H+ - FAD+ (forma oxidada) + 2e¯ + 2H+ = FADH2 (forma reduïda) - FMN+ (forma oxidada) + 2e¯ + 2H+ = FMNH₂ (forma reduïda) ## Principals vies metabòliques - Principals vies metabòliques - **Catabòliques** - Glucòlisi - Fermentació - Respiració - Catabolisme Lípids - Cat. pèptids i Aminoàcids - **Amfibòliques** - Cicle de Krebs - **Anabòliques** - Fotosíntesis (plantes) - Síntesi Aminoàcids - Síntesi Glúcids - Síntesi Lípids - Síntesi Nucleòtids - Gluconeogènesis