Tema 9. Metabolismo Celular PDF

Tema 9. Metabolismo celular. Tema 9. Metabolismo celular 9.1. Principios de Bioenergética. 9.2. Metabolismo. Catabolismo y Anabolismo. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. 9.5. Regulación del metabolismo.  9.1 Principios de bioenergética La bi...

Tema 9. Metabolismo celular. Tema 9. Metabolismo celular 9.1. Principios de Bioenergética. 9.2. Metabolismo. Catabolismo y Anabolismo. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. 9.5. Regulación del metabolismo.  9.1 Principios de bioenergética La bioenergética  9.1 Principios de bioenergética La bioenergética Las transducciones de energía, cambios de una forma de energía en otra, que tienen lugar en las células vivas. La naturaleza y la función de los procesos químicos sobre los que se basan estas transducciones.  9.1 Principios de bioenergética La bioenergética Las transducciones de energía, cambios de una forma de energía en otra, que tienen lugar en las células vivas. La naturaleza y la función de los procesos químicos sobre los que se basan estas transducciones. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA  9.1 Principios de bioenergética Dos leyes fundamentales: 1. Principio de conservación de la energía: en cualquier cambio físico o químico, la cantidad de energía en el universo permanece constante; la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra, pero no puede ser creada o destruida.  9.1 Principios de bioenergética Dos leyes fundamentales: 1. Principio de conservación de la energía: en cualquier cambio físico o químico, la cantidad de energía en el universo permanece constante; la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra, pero no puede ser creada o destruida. 2. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: en todos los procesos naturales aumenta la entropía del universo.  9.1. Principios de Bioenergética. Dos leyes fundamentales: 1. Principio de conservación de la energía: en cualquier cambio físico Los organismos o químico, vivosenconsisten la cantidad de energía en moléculas el universo permanece constante; la energía más puede cambiar de forma oque organizadas puede los ser transportada materiales de una región a otra, pero no puede ser creada o destruida. circundantes a partir de los cuales están construidas, y mantienen 2. El universo tiende siempre y hacia el aumento producen del desorden: en orden todos los procesos naturales aumenta la entropía del universo. 9.1. Principios de Bioenergética. 2. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: Sistema de reacción: conjunto de materia que está + experimentando un proceso físico o químico específico. Entorno: lo que rodea al sistema = Universo  9.1. Principios de Bioenergética. Sistemas abiertos Nunca están en equilibrio con su entorno 9.1. Principios de Bioenergética. Variables termodinámicas que describen los cambios de energía que tienen lugar en una reacción química: 1. Energía libre de Gibbs (G): cantidad de energía necesaria para realizar un trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. 9.1. Principios de Bioenergética. 9.1. Principios de Bioenergética. Variables termodinámicas que describen los cambios de energía que tienen lugar en una reacción química: 2. Entalpía (H): contenido calórico del sistema de reacción. Refleja el número y clase de enlaces químicos en los reactivos y productos. 9.1. Principios de Bioenergética. PROCESO EXOTÉRMICO PROCESO ENDOTÉRMICO  9.1. Principios de Bioenergética. Variables termodinámicas que describen los cambios de energía que tienen lugar en una reacción química: 1. Entropía (S): expresión cuantitativa de la aleatoriedad o desorden de un sistema. Baja entropía Alta entropía Signo positivo cuando aumenta la entropía ∆ Signo negativo cuando disminuye la entropía  9.1. Principios de Bioenergética. Cantidades termodinámicas: Cambio en la energía libre de Gibbs (Δ ) Cambio en la entalpía (ΔH) Cambio en la entropía (ΔS) Δ =Δ − Δ Temperatura absoluta (T) Δ Signo positivo cuando aumenta la entropía Δ Signo negativo cuando libera calor Δ Signo negativo cuando libera energía 9.1. Principios de Bioenergética. 9.1. Principios de Bioenergética. 1. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: 9.1. Principios de Bioenergética. 1. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: a. No requiere que el aumento de la entropía tenga lugar en el sistema de reacción 9.1. Principios de Bioenergética. 1. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: a. No requiere que el aumento de la entropía tenga lugar en el sistema de reacción b. El orden producido en el interior de las células a medida que crecen y se dividen es compensado por el desorden que se crea en su entorno. 9.1. Principios de Bioenergética. 1. El universo tiende siempre hacia el aumento del desorden: a. No requiere que el aumento de la entropía tenga lugar en el sistema de reacción. b. El orden producido en el interior de las células a medida que crecen y se dividen es compensado por el desorden que se crea en su entorno. c. Los organismos vivos conservan su orden interno tomando de su entorno energía libre en forma de nutrientes o de luz solar, y devolviendo al entorno una cantidad igual de energía en forma de calor y entropía. 9.1. Principios de Bioenergética. 9.1. Principios de Bioenergética. 9.1. Principios de Bioenergética. 9.2. Anabolismo y Catabolismo Metabolismo Conjunto de reacciones que permiten cubrir las necesidades vitales de las células y el organismo. Obtención de energía necesaria para realizar las funciones del organismo a partir de los nutrientes Obtención de las moléculas precursoras necesarias para la obtención de macromoléculas endógenas, a partir de la degradación de moléculas exógenas. Formación o síntesis de las moléculas endógenas partiendo de los precursores. Síntesis y degradación de biomoléculas con funciones especializadas (Ej. vitaminas, hormonas). 9.2. Anabolismo y Catabolismo  9.2. Anabolismo y Catabolismo Catabolismo Fase degradativa. Se queman los nutrientes o moléculas propias para obtener energía en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP) o de moléculas con poder reductor (NADH, NADPH, FADH2). Origina productos de desecho (CO2, H2O y NH3). También se obtienen moléculas intermediarias.  9.2. Anabolismo y Catabolismo Anabolismo Fase creadora o biosintetizadora. A partir de moléculas sencillas (aminoácidos, ácidos grasos, azucares, monosacáridos, acetil CoA, piruvato) se sintetizan moléculas complejas (proteínas, lípidos, Polisacáridos, ácidos nucleicos). Requiere energía en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP) o de moléculas con poder reductor (NADH, NADPH, FADH2).  9.2. Anabolismo y Catabolismo En los seres vivos, la mayor parte de la energía necesaria para la biosíntesis procede de la oxidación de los alimentos.  9.2. Anabolismo y Catabolismo En los seres vivos, la mayor parte de la energía necesaria para la biosíntesis procede de la oxidación de los alimentos. Catabolismo = Oxidación de las biomoléculas de los alimentos  9.2. Anabolismo y Catabolismo Los procesos catabólicos se producen en 3 etapas: Degradación de los polímeros en sus monómeros. Degradación de los monómeros a compuestos intermediarios. Oxidación de los intermediarios y obtención de energía.  9.2. Anabolismo y Catabolismo ETAPAS Los procesos anabólicos se producen en 3 etapas: Síntesis de compuestos intermediarios a 3 partir de moléculas sencillas. 2 Transformación de los compuestos intermediarios en monómeros. Polimerización de los monómeros 1  9.2. Anabolismo y Catabolismo Anabolismo Catabolismo Consume energía (Nucleótidos trifosfato) Produce energía Se forman moléculas Se degradan moléculas Rutas divergentes Rutas convergentes Procesos de reducción Procesos de oxidación **Convergentes: confluyen hacia pocos productos *** Divergentes: a partir de unas pocas moléculas se producen una gran variedad de macromoléculas 9.2. Anabolismo y Catabolismo Catabolismo y Anabolismo están conectadas a través de moléculas transportadoras de energía (ciclo ATP), y moléculas encargadas de la transferencia de electrones. En las dos vías se producen reacciones de oxidación- reducción. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. ATP: molécula que utiliza la célula para transferir energía. Es la moneda energética de la célula que enlaza anabolismo y catabolismo por: Su alta capacidad para transferir su grupo fosfato. Inestabilidad por la gran repulsión de carga negativa que tiene. Libera gran cantidad de energía al hidrolizarse. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Procesos en el organismo que requieren ATP para llevarse a cabo: Síntesis de biomoléculas. Movilidad celular. Transporte activo (contra gradiente de concentración). Mantenimiento de la integridad de la membrana celular. Contracción muscular. Transmisión impulso nervioso. Transferencia de información genética (biosíntesis de proteínas). Y más. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Ruptura del ATP: La hidrólisis de un enlace fosfato transforma ATP en ADP. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Ruptura del ATP: La hidrólisis de un enlace fosfato transforma ATP en ADP. Enzima responsable  9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Ruptura del ATP: La hidrólisis de un enlace fosfato transforma ATP en ADP. Enzima responsable ATPasa La liberación energética que se produce en la ruptura de los enlaces fosfato de ATP, ADP y AMP es: ATP + H2O→ ADP + Pi = -30,5 KJ. ADP+H2O→AMP+Pi= -30,5KJ. AMP + H2O → Adenosina + Pi = -14,2 KJ. Un desprendimiento mayor de -25 KJ se considera un enlace rico en energía. 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. ¿Por qué el ATP tiene mayor interés energético que el ADP si energéticamente son similares? 9.3. Papel del ATP en el metabolismo. ¿Por qué el ATP tiene mayor interés energético que el ADP si energéticamente son similares? Al tener menos cargas negativas, el ADP es mucho más estable que el ATP y al organismo le cuesta más hidrolizarlo. Solo se utiliza como combustible en circunstancias de grave déficit energético.  9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Otros compuestos de alto contenido energético: Hay otros nucleótidos trifosfato con capacidad potencial para desempeñar el papel de moneda energética: UTP: uridina trifosfato. GTP: guanosina trifosfato. Principal función donar P en otras reacciones bioquímicas CTP: citosina trifosfato  9.3. Papel del ATP en el metabolismo. Otros compuestos de alto contenido energético: Hay otros nucleótidos trifosfato con capacidad potencial para desempeñar el papel de moneda energética: UTP: uridina trifosfato. GTP: guanosina trifosfato. Principal función donar P en otras reacciones bioquímicas CTP: citosina trifosfato Pero ATP es considerado moneda energética por: Su mayor abundancia. Especificidad de las enzimas hacia él. 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. Oxidación: proceso en el que se pierden electrones. El producto que pierde los electrones se oxida. Reducción: proceso en el que se ganan electrones. El producto se reduce.  9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. En las biomoléculas los procesos redox tienen lugar en los átomos de C: La forma más reducida del C es la saturada con 4 H (metano). La más oxidada es el CO2. La oxidación de las biomoléculas desprende energía sin que prácticamente se produzca pérdida en forma de calor. La mayor parte de la energía generada se almacena en forma de ATP. 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. Reacciones RED-OX Reacciones de transferencia de electrones. Perdida de electrones por una especie química, que es oxidada, y ganancia de electrones por otra que es reducida 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. Los electrones se transfieren de una molécula dadora de electrones a otra aceptora de electrones de 4 formas diferentes: Como electrones: En forma de átomos de hidrógeno: En forma de ión hidruro (H-) A través de una combinación directa con oxígeno  9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. Reacciones de oxidación se darán gracias a coenzimas o moléculas transportadoras de electrones. Captan electrones de las moléculas que se oxidan en las reacciones metabólicas. Principales transportadores de electrones: NAD+ y el NADP+ NAD+. Reacciones catabólicas (aceptando electrones de las moléculas que se oxidan) NADPH: Reacciones anabólicas (donando electrones) Actúan junto a las deshidrogenasas u oxidorreductasas NAD+: Nicotinamida adenina dinucleótido NADP+. Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato 9.4. Reacciones de oxidación-reducción biológicas. El catabolismo es un proceso de oxidación. El anabolismo es un proceso de reducción. 9.5. Regulación del metabolismo. El metabolismo persigue el principio de máxima eficiencia, sobre todo en minimizar el gasto energético. 9.5. Regulación del metabolismo. Por ello está regulado de forma precisa y constante. Velocidad catabolismo controlada por las necesidades de ATP de la célula. Velocidad anabolismo se ajusta a las necesidades inmediatas.  9.5. Regulación del metabolismo. La regulación ocurre a distintos niveles: Nivel 1. Control de la cantidad de enzima. Regulará la velocidad de reacción de cada uno de los pasos de las rutas enzimáticas. Dos mecanismos regulación: Velocidad síntesis de enzima. Velocidad de degradación enzima. Enzimas constitutivas: cantidades casi constantes en una determinada célula. Enzimas inducibles: se sintetizan en respuesta a ciertos sustratos.  9.5. Regulación del metabolismo. La regulación ocurre a distintos niveles: Nivel 2. Control de la actividad de la enzima. Mecanismos comunes: Mediante control de pH, temperatura, concentraciones intracelulares de sustratos y productos o cofactores. Mecanismos específicos: Inhibición por producto final, o estimulación o inhibición por algún metabolito o cofactor. Modificación covalente de la enzima como respuesta de otras proteínas reguladoras.  9.5. Regulación del metabolismo. La regulación ocurre a distintos niveles: Nivel 3. Compartimentalización celular. Control del metabolismo basado en las barreras físicas y distribución espacial. Especialización de orgánulos o tejidos. Ej: mitocondria producción de Energía.  9.5. Regulación del metabolismo. La regulación ocurre a distintos niveles: Nivel 4. Control hormonal. Hormonas son moléculas sintetizadas y secretadas por diferentes glándulas que actúan como mensajeros químicos. Se trasladan por la sangre hasta el órgano o tejido diana donde estimulan o inhiben ciertas rutas metabólicas.