Clases Teóricas: Metabolismo - ITBA

Clases Teóricas: Metabolismo Biología Molecular y Celular BIOINGENIERÍA ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 1  Objetivo de la clase Comprender las generalidades de cómo se produce el flujo energético que permite al organismo generar el trabajo necesario para...

Clases Teóricas: Metabolismo Biología Molecular y Celular BIOINGENIERÍA ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 1  Objetivo de la clase Comprender las generalidades de cómo se produce el flujo energético que permite al organismo generar el trabajo necesario para los procesos vitales. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 2  Agenda: Metabolismo Flujo de Energía en la Cadena Trófica de un Ecosistema Transporte de Glucosa – Activo vs pasivo Gradiente electro-químico. – Canales vs Transportadores Transportadores uniporte vs acoplado – Acoplado → simporte o antiporte Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo – Reacciones redox, la importancia de los transportadores de electrones (NAD, FAD) Metabolismo de la glucosa – Catabolismo: Glucólisis: de glucosa a piruvato Respiración mitocondrial vs Fermentación citosólica – Respiración aeróbica vs anaeróbica – Anabolismo: Gluconeogénesis, síntesis de carbohidratos. Organismos fotosintéticos – Fases de la fotosíntesis ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 3 Cadena trófica en un Ecosistema Presentación con elemento multimedia con relleno sólido Flujo Energético – TedEd 5 min Mycorrhizal network Wood Wide Web – BBC 2min ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 4  Flujo de energía Los animales son organismos quimioheterótrofos, esto es se alimentan de compuestos orgánicos reducidos que serán oxidados hasta CO2 gracias al uso del O2 como aceptor final de la cadena de respiración. Los organismos fotoautótrofos oxigénicos oxidan el H20 hasta O2 para reducir el CO2 en compuesto orgánicos en el Ciclo de Calvin. La fijación del CO2 también se da en los quimioautótrofos pero a partir de la energía que resulta de la oxidación de compuestos orgánicos. Además, también se encuentran los fotoautótrofos que no usan al H20 como agente reductor y por lo tanto no liberan O2 (son anoxigénicas). Por último, los fotoheterótrofos realizan la fotosíntesis pero carecen del ciclo de calvin y usan en cambio compuestos orgánicos reducidos del ambiente como fuente de carbono. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 5  ¡Somos lo que comemos! Nuestro cuerpo está hecho de compuestos orgánicos que vienen de otros organismos vivos. Un animal se desarrolla gracias a la fuente de carbono que consume. Si bien una fuente “universal” de carbono es la Glucosa, los nutrientes de un organismo puede ser clasificados en base a la cantidad relativa que se necesita de ellos en: Macronutrientes: Proteínas (Aminoácidos esenciales), Carbohidratos, Grasas (aceites esenciales). Micronutrientes: sodio, cloro, potasio, hierro, magnesio, selenio, etc. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 6 Alimentación Saludable: balanceada y personalizada Personalización de la nutrición por Profesionales de la Salud Alergias a ciertos alimentos o intolerancias alimenticias ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 7 Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo En el catabolismo se degradan los alimentos. La rotura de los enlaces covalentes es una reacción exergónica y la energía liberada es usada para fosforilar el ADP en ATP. Estas reacciones son de óxido reducción, los nutrientes se oxidan y ceden sus electrones de alta energía a los transportadores de electrones como el NAD+ (entre otros) el cual se reduce a NADH. Durante en anabolismo se genera la biosíntesis de macromoléculas por reducción de moléculas simples, la generación de nuevos enlaces covalentes es un proceso no espontáneo y que requiere del aporte de energía en forma de ATP. El NADH aporta entonces los electrones a las moléculas simples y se oxida a NAD+. El metabolismo se regula principalmente por el balance energético (ATP/ADP) y el poder reductor (NAD+/NADH). Componentes celulares Alimentos ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 8 Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo Aumenta la entropía, es espontáneo. La oxidación de compuestos orgánicos se da por reducción del NAD (entre otros) La energía liberada permite producir ATP Disminuye la entropía, no es espontáneo. Requiere de ATP. La reducción de precursores a macromoléculas se da por la oxidación del NADH. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 9 Por qué estás vivo - Vida, Energía y ATP Presentación con elemento multimedia con relleno sólido Video 10 minutos ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 10 Glucosa, carbohidrato fundamental Las células animales usan a la Glucosa como fuente principal de carbono y energía El metabolismo de la glucosa permite sintetizar otros compuestos a través del anabolismo y su catabolismo por oxidación permite producir ATP La glucosa proviene inicialmente a partir de los carbohidratos. Cuando las reservas de carbohidratos en el cuerpo (glucógeno) se agotan, se comienza con el catabolismo de las grasas. En condiciones de desnutrición se catabolizan proteínas (músculo). El aumento de especies reactivas del nitrógeno (amoníaco) intoxica al cuerpo y causa la muerte por falla sistémica orgánica. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 11  Glucosa: Fuente de Carbono y de Energía ANABOLISMO: La glucosa en animales se almacena en forma de ANABOLISMO glucógeno, permite la síntesis de polímeros estructurales y el azúcar de los ácidos nucleicos. CATABOLISMO La glucólisis es la oxidación de glucosa a piruvato para producir ATP. CATABOLISMO ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 12 ¿Cómo llega la glucosa a la célula? Para poder explicar el mecanismo que explica cómo una célula animal incorpora glucosa del espacio extracelular, se requiere primero definir algunas generalidades del transporte a través de membrana: Diferencia entre Difusión y Transporte Diferencia entre Transporte por Canales o Carriers Transporte Activo vs Pasivo Gradiente electro-químico y potencial de membrana Bomba de Sodio y Potasio Transporte ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 13 ¿Cómo llega la glucosa a la célula? Si bien compuestos pequeños hidrofóbicos puede atravesar la membrana plasmática por difusión simple, compuestos polares o con cargas lo hacen a través de canales o transportadores. (channel) (carriers) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 14  Difusión, Transporte Activo y Pasivo La membrana plasmática permite mantener un interior celular con concentraciones de soluto diferente al espacio extracelular. De esta manera, se genera un gradiente químico (un tipo de energía potencial) para cada partícula. La difusión simple de compuestos será siempre “a favor” de su gradiente, es decir movilizándose de un compartimento más concentrado a uno más diluido. Moléculas que no difunden pueden movilizarse a favor de su gradiente a través de canales o transportadores, es decir un transporte pasivo. El movimiento de partículas en contra de su gradiente requiere de proteínas transportadoras con gasto de energía, es decir un transporte activo. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 15  Potencial de Membrana La membrana plasmática es impermeable al movimiento A igual concentración en ambos compartimentos, no hay de cargas. potencial. El potencial de membrana se debe a la distribución asimétrica de cargas entre los compartimentos. Cara interna electronegativa: Cara externa electropositiva. Los factores que influyen en la generación del potencial de membrana: Fosfatidilserina (lípido con carga negativa). Proteínas intracelulares (aportan carga negativa) Diferencia de concentraciones de cationes y aniones entre el espacio extracelular e intracelular mantenido activamente. – Bomba de Sodio y Potasio ECF: fluido extracelular; ICF: fluido intracelular; A: aniones (proteínas) Prof. Fernando Baidanoff 16  Transportadores uniporte o acoplado. Cuando una única molécula es transportada gracias a la interacción con el Carrier, se habla de uniporte. En cambio, cuando se conjuga el gradiente de iones para co-transportar otra molécula, se trata del tipo acoplado. Si el sentido del transporte para el ión y la molécula es el mismo, se lama Simporte. En cambio, si ocurre en sentidos opuestos se trata del Antiporte. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 17  Gradiente electroquímico de Sodio y Potasio por antiporte activo asimétrico. La bomba de sodio y potasio es la forma que la célula genera el gradiente electroquímico para estos iones y requiere de la energía de la hidrólisis de ATP (activo) Antiporte y Asimétrico: saca 3 cationes de sodio hacia el espacio extracelular e importa 2 cationes de Potasio al interior citosólico. A nivel químico genera que la [Sodio] sea mayor afuera de la célula y que la [Potasio] sea mayor adentro. A nivel eléctrico deja una carga positiva extra afuera. Favoreciendo la diferencia de potencial. Prof. Fernando Baidanoff 18  Transporte de la glucosa Glucosa El transporte antiporte activo primario causado por la hidrólisis de ATP en la boma de sodio y potasio genera el gradiente de Na+. Esa energía potencial en forma de gradiente se usa en el transporte simporte activo secundario, donde la glucosa se moviliza junto con el sodio a favor del gradiente de este último. El sodio está más concentrado en el espacio extracelular. La glucosa está más concentrada en el citosol. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 19  Absorción de glucosa en el intestino humano El alimento comienza su digestión en la boca y la absorción de los nutrientes se realiza a lo largo de los intestinos. Una célula epitelial, es decir tiene una de sus caras en contacto con el lumen del intestino, proyecta su citoesqueleto de actina para generar la estructura llamada micovilli. Ese aumento de la superficie de contacto permite maximizar la absorción de por ejemplo la glucosa a través de la localización de Carriers tipo Simporte de Glucosa y Sodio. Es decir, la célula usa el movimiento del Na a favor de su gradiente cotransportando glucosa en contra de su gradiente: la concentración de glucosa es mayor en la célula que los espacios extracelulares. Una vez adentro de la célula, el excedente de Glucosa se moviliza hacia el resto del cuerpo vía torrente sanguíneo gracias a que sale de la célula epitelial al fluido extracelular por transporte pasivo con carriers en la membrana basal. En la misma cara basal se encuentra además posicionada la bomba de Na y K para exportar el sodio desde el interior celular al espacio extracelular. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 20 EJEMPLO: transporte de glucosa Dado su gradiente y difusión la glucosa tendería a salir de la célula: 1) ¿Cómo hace la célula para incorporar la glucosa en contra de su gradiente de concentración? RTA: Acoplándolo con Na+ 2) ¿Cómo hace para retenerla en su interior y que no se pierda por su difusión (mínima) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 21  2) Rta. Fosforilación de glucosa La glucosa es polar pero neutra, para evitar que difunda se la fosforila, transformándola en Glucosa-6-Fosfato con carga negativa por lo que no podrá difundir por membrana. La actividad de la enzima hexoquinasa es a su vez el primer paso del proceso de la Glucólisis. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 22  Glucólisis Degradación enzimática de 1 Glucosa a 2 Piruvato (1:2). Este proceso ocurre por la actividad consecutiva de 10 enzimas (10 reacciones/pasos) que se explican a través de dos fases: i) preparatoria y ii) de cobranza ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 23 1) Fase preparatoria o activación de la 2) Fase de cobro o cocecha de ATP y NADH glucosa (producto final es el Gliceraldehído 3 con producción de piruvato. fosfato) La primera reacción es la actividad de la hexoquinasa que fosforila La oxidación y fosforilación del G3P produce NADH en el carbono 6 y para ello gasto ATP. El paso 2 es un es un cambio (poder reductor) y 1,3 bifosfoglicerato, sustrato para la isomérico que no necesita energía. Sin embargo, el paso 3 requiere Primera Reacción de Formación de ATP por nuevamente de ATP para producir la fructosa 1,6 bisfosfato. Es fosforilación a nivel de sustrato. Del paso 8 al 9 lo que decir, en la fase preparatoria gastamos energía para llegar al ocurre son procesos de isomería y reacciones de intermediario final de esta fase que es generar 2 moléculas de deshidratación para finalmente la última enzima pueda Gliceraldehído 3 fosfato. realizar la segunda reacción de formación de ATP y piruvato (el producto final de la glucólisis) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 24  Ecuación glicólisis balanceada Si sumo las diez reacciones de la glucólisis daría lo siguiente: Cancelando, queda neto la producción de 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 25  La reacción de la glucólisis tiene un limitante importante que es el NAD+ Es decir, si un organismo tiene glucosa y quiere producir ATP requiere de tener NAD+, poder reductor que acepte los electrones. El NADH requiere oxidarse a NAD+, es decir se tiene que regenerar el poder reductor para que la glucólisis no se frene. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 26  Fermentación en anaerobiosis Los organismos más simples resolvieron la regeneración del NADH a través de la fermentación alcohólica (levaduras). Donde, el aceptor final de los electrones es el acetaldehído que se reduce a etanol. En los animales, cuando las condiciones de oxígeno son bajas se produce la fermentación láctica, donde el aceptor final es el piruvato y se produce lactato. En ambos casos, la regeneración del NAD evita que se frene la glucólisis por déficit de poder reductor. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 27 ¡Por cada glucosa que entra en glucólisis se producen solamente 2 moléculas de ATP! Existen organismos simples que les alcanza. Es decir que utilizan exclusivamente la glucólisis para la producción de ATP y fermetanción para regenerar el pode reductor. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 28 ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 29  CATABOLISMO DE GLUCOSA La glucólisis es el primer paso del catabolismo de la glucosa, produciendo 2 moléculas de piruvato. A partir de allí, organismos unicelulares eucariotas como las levaduras pueden fermentar el piruvato para regenerar el poder reductor (NAD+) excretando etanol. Los humanos realizarán la respiración aeróbica en las mitocondrias para producir más ATP (ciclo del ácido cítrico y fosforilación oxidativa) quemando el piruvato hasta CO2 y usando al O2 como aceptor final de los electrones para regenerar el NAD+. Solo bajo ciertas condiciones de anaerobiosis (déficit momentáneo de oxígeno) las células musculares realizarán la fermentación láctica para regenerar el poder reductor y seguir produciendo ATP para el músculo. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 30  Importación de piruvato a mitocondria por descarboxilación oxidativa La mitocondria acepta piruvatos para transformarlos en Acetil-CoA, liberando CO2. MATRIZ ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 31 Ciclo de Ácido Cítrico El oxalacetato (4C) se acompleja en Citrato (6C) gracias a la incorporación del acetil-coA (2C). La actividad en cadena de diferentes enzimas terminan liberando 2 CO2, la síntesis de GTP (equivalente al ATP) y la regeneración del oxalacetato por reducción de NAD+ y FAD+. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 32  Balance del ciclo de Krebs Como resultado del ciclo de Krebs se produce solamente 1 ATP más a expensas de gastar más poder reductor (NAD+ y FAD). ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 33  De la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico… Se obtiene ATP, pero poca cantidad Pero se obtienen electrones de alta energía almacenados en los transportadores de e- – NADH – FADH2 Estos e- serán usados en la cadena de transporte de electrones para generar un gradiente de protones (H+) que es empleado por la ATP sintasa para producir ATP a partir de la fosforilación oxidativa del ADP + Pi. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 34  Cadena de transporte de e- Son cuatro complejos alojados en la membrana interna mitocondrial. Los electrones del NADH del FADH2, son aceptados por centro redox en 4 2 4 las proteínas que producen conformacionales que permiten bombear protones de la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. El aceptor final de los electrones es el Oxígeno que se reduce a H20. Se regenera el poder reductor para que el catabolismo por respiración aeróbica mitocondrial no se frene. Cadena de Transporte Presentación con elemento multimedia con relleno sólido de electrones (7 min) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 35  Cadena de transporte de electrones y el complejo ATP sintasa (F1 y Fo) La ATP sintasa emplea la energía potencial del gradiente de protones para producir la unión reacción de fosforilación oxidativa del ADP + Pi para producir ATP. Presentación con elemento multimedia con relleno sólido ATP sintasa y el gradiente ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 36  El catabolismo aeróbico de la glucosa en humanos da entre 30 y 32 ATP El NADH de la glucólisis ocurre en el citosol y dependiendo qué mecanismos se emplea puede terminar dando un FADH2 o un NADH en la matriz mitoncondrial. – Lanzadera del Malato-Aspartato – resulta un FADH2 mitocondrial – Lanzadera del Gliceraldehído 3 fosfato - resulta en NADH mitocondial https://youtu.be/OXgOsy8yQuk ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 37  ATP sintasa en diferentes organismos Las mitocondrias producirá el ATP para los organismos eucariotas. En los organismos que tiene cloroplasto, este ATP se usa para la fijación del CO2 exclusivamente. En bacterias, la ATP sintasa se posiciona en la membrana plasmática. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 38 La respiración anaeróbica Existen microorganismos que no usan como aceptor final de la cadena de transporte de electrones al oxígeno y por lo tanto se habla de respiración anaeróbica. Ej: reducen sulfatos a sulfuro o Nitratos a N2. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 39 Integrando rutas Metabólicas en células animales En condiciones de hambreado y sin reservas de glucógeno y grasas, el organismo puede catabolizar protéinas con la consecuente disminución de masa muscular e intoxicación por aumento de amoníaco (urea en orina alto) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 40  ¿Y el metabolismo en organismos fotosintéticos? TedED Plantas carnívoras (5min) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. TedEd (4 min) 41 Euglena  Organismos fotosintético más simple Procariotas – Cianobacterias (alga azul) (RuBisCO) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 42  Cianobacteria Introducción – Tutorial (2 min) Estructura Celular – Tutorial (3min) Genoma – Tutorial (3 min) Reproducción – Tutorial (4 min) Carboxisomas – (2 min) Gran evento de oxigenación – TedEd (4 min) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 43  Metabolismo de las plantas Fotosíntesis y Respiración celular están ambas presentes. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 44 Fotosíntesis Podemos dividirla en dos partes: Fase lumínica – Reacciones dependiente de la luz. Fase de fijación de carbono. – Reacciones independientes de la luz. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 45 Complejo Antena Disposición de fotopigmentos que translocan la energía al centro de reacción. En plantas hay doy tipos de Fotosistemas diferentes (I y II) con complejos antenas diferentes que se excitan a longitudes de onda: Fotosistema II: 680nm Fotosistema I: 700nm ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 46 Cloroplasto: Fotofosforilación no cíclica Comienza por la fotólisis de agua en el centro de reacción del Fotosistema II. El agua se oxida a oxígeno y los electrones excitados se movilizan vía Quinona al complejo citocromo que bomberá protones a la matriz tilacoidal. El electrón continua hacia el fotosistema I por un Carrier donde nuevamente es excitado y finalmente cedido al NADP+ reduciéndolo a NADPH. El gradiente de protones es usado por la ATP sintasa para producir ATP Tanto el ATP como en NADPH permitirá generar la fijación del CO2 por Ciclo de Calvin. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 47  Fotofosforilación cíclica vs no-cíclica La fotofosforilación no-cíclica genera ATP y NADPH. Mientras que la re-utilización de los electrones (fotofosforilación cíclica) solo produce ATP. Su regulación permite balancear la relación ATP/NADPH. No- cíclica Cíclica ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 48  Ciclo de Calvin, rol de la Rubisco La Rubisco (ribulosa bisfosfato carboxilasa) es el primer paso del Ciclo del Calvin Ciclo de Calvin: 1. FIJACIÓN 2. REDUCCÍON 3. REGENERACIÓN ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 49  Las plantas realizan tanto la fotosíntesis en sus cloroplastos y la respiración celular en sus mitocondrias. La fábrica mas pequeña (5min) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 50  Anabolismo de carbohidratos: gluconeogénesis a partir de lactato, aminoácidos, triglicéridos o de la fijación de CO2 ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 51  Resumen Metabolismo Energía, permite realizar trabajo. Transformación energética – Ecosistema – cadena trófica – Organismo vivo – Metabolismo Catabolismo y Anabolismo – Producción y consumo ATP: ATP sintasa – gradiente de protones Poder reductor (NADH, NADPH y FADH2) ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 52  Resumen Metabolismo Glucólisis – Piruvato puede ser fermentado o respirado. Es descarboxilado en la incorporación a la mitocondria dando Acetyl-CoA. Ciclo de Krebs – Acetyl-CoA se transforma en CO2 y produce ATP y poder reductor Cadena de transporte de electrones – NADH y FADH2 ceden sus electrones durante la Respiración y producen ATP por acción de ATP sintaza. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 53  Resumen Metabolismo Organismos fotosintéticos – Procariontes – Eucariontes uni y multicelular Catabolismo y Anabolismo de Plantas – Complejo Antena – Fase lumínica vs oscura – Fotosíntesis: Fotosistema I y II Cadena de transporte de electrones y bombeo de protones Fotofosforilación – No cíclica – Cíclica – Fotorespiración. ITBA - Prof. Baidanoff, FM. 54