Metabolismo y Bioenergética PDF

METABOLISMO Y BIOENERGETICA  La fuente primaria de energía en nuestro planeta es el sol.  La energía radiante es atrapada por los organismos fotosintéticos y utilizada para convertir CO2 en carbohidratos, proteínas y lípidos, y en menor cantidad, ácidos nucleicos, vitaminas,...

METABOLISMO Y BIOENERGETICA  La fuente primaria de energía en nuestro planeta es el sol.  La energía radiante es atrapada por los organismos fotosintéticos y utilizada para convertir CO2 en carbohidratos, proteínas y lípidos, y en menor cantidad, ácidos nucleicos, vitaminas, coenzimas y otros compuestos.  autótrofo : la fuente de carbono procede del anhídrido carbónico (CO2) y la energía de la luz solar. heterótrofo: la fuente de carbono procede de moléculas orgánicas y la energía procede de la oxidación de estas moléculas orgánicas. Productos de la fotosíntesis como carbohidratos y lípidos son utilizados por organismos no fotosintéticos, como los animales como fuente de energía para el crecimiento, desarrollo y reproducción.  Ciertos compuestos esenciales que no pueden sintetizar los animales (algunos aminoácidos, ácidos grasos y vitaminas) son también provistos por organismos fotosintéticos (los vegetales).  METABOLISMO  El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas común en todos los seres vivos, que ocurren en las células, para la obtención e intercambio de materia y energía con el medio ambiente y síntesis de macromoléculas a partir de compuestos sencillos con el objetivo de mantener los procesos vitales y la homeostasis.  METABOLISMO El metabolismo comprende la totalidad de las reacciones enzimáticas que le permiten a la célula obtener energía y sintetizar sus biomoléculas, en forma organizada y regulada (a través de rutas metabólicas).  VIAS METABOLICAS  Ruta o secuencia con una serie de reacciones bioquímicas con un propósito específico.  Convergentes.  Divergentes o ramificadas. Biosíntesis de aminoácidos.  Cíclica, Ciclo de Krebs  Lineales, en ambos sentidos, Glicólisis  Espiral, Beta oxidación acidos grasos. De acuerdo a la organización y finalidad de estas reacciones enzimáticas, las rutas metabólicas se pueden definir como rutas: - lineales, secuencia de reacciones en que el producto de la ruta es consecuencia de reacciones en las que el producto de la reacción anterior es el sustrato para la siguiente. Una forma especial en que se pueden organizar algunas rutas lineales es el caso de las rutas ramificadas o divergentes, las que son secuencias lineales de reacciones, pero el precursor puede ser convertido en dos o más productos. - cíclicas, secuencia de reacciones que se inicia con un metabolito el que es regenerado en la reacción final. - espirales, el o los productos de la ruta se originan de un grupo de reacciones repetitivas.  METABOLITOS  Cada una de las sustancias que se producen en este conjunto de reacciones metabólicas se denominan metabolitos.  METABOLITOS  Producto del catabolismo o anabolismo de una molécula.  Son los intermediarios de una vía metabólica.  El producto de una reacción es el reactante del siguiente A B C D E  PRECURSOR  Molécula que produce un metabolito o producto ya sea en proceso catabólico o anabólico. B C A D E El concepto de intermediario metabólico se aplica a todo metabolito que participa como sustrato o producto de una reacción metabólica, o a aquel metabolito que conecta o es compartido por rutas metabólicas diferentes. Metabolito, es toda molécula que sea sustrato o producto de las reacciones enzimáticas que conforman el metabolismo celular.  METABOLISMO  Catabolismo reacciones degradativas.  Anabolismo reacciones de biosíntesis. En las células los procesos de biosíntesis (anabólico) y degradativos (catabólico) ocurren en forma simultánea, de modo que la energía liberada producto de la degradación de algunos compuestos puede ser utilizada en la síntesis de otros componentes celulares. Catabolismo Anabolismo Características: Características: Oxidativo Reductivo Cuesta abajo Cuesta arriba Requiere de: Requiere: NAD+; ADP; Pi; NADPH+H+; ATP Exergónico Endergónico Convergente Divergente  OBTENCIÓN DE ENERGÍA PARA TRABAJO BIOLÓGICO Catabolismo Energía Energía disponible para (lumínica, química) la célula ATP Fotosíntesis Biosíntesis componentes celulares transporte metabolitos contracción muscular, movimientos flagelos amplificación de señales...... La termodinámica es el área de las ciencias que estudia los intercambios de energía en un sistema, en base a una descripción cuantitativa de las variaciones del contenido calórico y energético entre los estados inicial y final de tal sistema (equilibrio). La Bioenergética es una rama de la Bioquímica que estudia los procesos de transformación (transferencia y utilización) de la energía en los organismos vivos. La primera ley de la termodinámica establece que : “la energía de un sistema y su entorno es constante”, o en otras palabras, “que la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sólo puede ser transformada en calor y trabajo”. La energía calórica del sistema a presión constante se denomina entalpía (H) del sistema y es otra función de estado. La Segunda ley de la termodinámica establece que : “en todo proceso, el desorden total del universo aumenta”, o en otras palabras, “la entropía del universo tiende a un valor máximo en el equilibrio”. La combinación de la 1ª y 2ª leyes de la termodinámica, mediante el concepto de energía libre (G), permite predecir la dirección natural de cualquier proceso y, como resultado, pronosticar la situación de equilibrio.  GA  GB  G  0  reacción exergónica (espontánea)  GA  G B  G  0  reacción endergónica (no espontánea)  GA = G B  G  0  reacción en equilibrio Tercera Ley, Las reacciones químicas en un sistema cerrado suceden espontáneamente hasta que alcanzan el equilibrio. La variación de energía libre (G) corresponde al cambio de energía cuando el sistema se mueve hacia el equilibrio sin alteración de temperatura ni presión. Energía libre (G, Función de Gibbs), energía disponible para realizar un trabajo.  G = G’0 + RT ln Keq [C] [D] Keq = G’0 = - RT ln K’ eq [A] [B] Relación entre la K’eq, G’0, y la dirección de una Reacción Química bajo Condiciones Estándar (Componentes de la reacción a 1M ). K’eq es G’0 es La reacción > 1,0 Negativa Tiende hacia la derecha 1,0 Cero Está en equilibrio < 1,0 Positiva Tiende hacia la izquierda G’0: ( - ), Proceso espontáneo, exergónico ( + ), Proceso no espontáneo, endergónico. ( 0 ), El sistema está en equilibrio. Un sistema termodinámico Por ejemplo, una reacción, un organismo, etc es aquella parte del universo físico que se encuentra en estudio y está definido en el espacio por una frontera que lo separa del resto del universo o el medio exterior (el resto del universo).  Un sistema termodinámico  Un sistema cerrado es aquel que puede intercambiar energía con el exterior pero no intercambia materia.  Un sistema abierto es aquel en que existe transferencia de materia y energía entre el sistema y el medio externo.  Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar energía ni materia con el exterior. La energía libre de Gibbs es un concepto termodinámico que permite determinar cuantitativamente los cambios de la energía interna de un sistema, considerando en su ecuación G = H - TS o G = H - TS, las variables de estado entalpía y entropía. Los contenidos de energía libre (G) de las sustancias que participan en una reacción química (reactantes y productos) no pueden ser determinados experimentalmente, pero sí es posible determinar el cambio o variación de la energía libre (G) de la reacción. Esta variación corresponde a la cantidad máxima de energía disponible cuando A es convertido a B. Si el contenido de energía libre del producto B es GB y el contenido de energía libre del reactante A es GA , entonces, para toda reacción A  B , la variación de energía libre queda expresada como: G  GB - GA La variación de energía libre estándar de una reacción química, A  B , está directamente relacionada con la constante de equilibrio de la reacción, según la siguiente ecuación:  Si bajo condiciones estándares, el valor de Keq es mayor que 1, se puede concluir que el valor de Gº’ será negativo (disminución de la energía libre) y la reacción es espontánea.  Si la constante Keq tiene un valor inferior a 1, la reacción tenderá a producirse hacia la izquierda y el valor de Gº’ será positivo. “En una reacción catalizada por una enzima, la enzima no altera el equilibrio de la reacción y, en consecuencia, no altera el valor ni el signo de Gº’ y sólo acelera la reacción para que alcance el equilibrio (en ausencia de la enzima, la reacción demoraría más en alcanzar el equilibrio)”. “Que una reacción sea espontánea no significa esta se desarrollará con rapidez o por sí misma, sino que se desarrollará en la dirección en que la variación de energía libre estándar sea negativa.” La variación de energía libre estándar en Bioquímica corresponde al cambio de energía libre que ocurre cuando los reactantes y productos de una reacción están presentes en “condiciones estandares”; esto es, a una concentración 1 M, a 25º C y pH 7, y corresponderá a la pérdida o ganancia de energía libre, en calorías, cuando un mol de reactante se transforma en un mol de producto, bajo las condiciones estándares. En las condiciones intracelulares, los reactantes y productos de las reacciones no se encuentran bajo condiciones estándares de concentración, por lo que la variación de energía libre de una reacción química en condiciones distintas a las estándares (G) se puede calcular haciendo uso de la siguiente expresión: G = Gº’ + RT ln  B  A E’0 = E’o del agente oxidante - E’o del agente reductor La diferencia de potencial redox está relacionado con la variación de energía libre por medio de la ecuación: G’ = - n F E’0 n: número de electrones transferidos en la reacción de óxido reducción; F: constante de Faraday (23.063 cal / V equivalentes) E’0: diferencia en el potencial de reducción entre los agentes oxidantes y reductores. En toda reacción de óxido-reducción participa un agente reductor (dador de electrones y protones) y un agente oxidante (aceptor de electrones y protones). Por otra parte, dichas reacciones redox se pueden subdividir en dos semi-reacciones: la semireacción de reducción A + e -  A- la semireacción de oxidación B  B+ + e- La reacción redox neta es la suma de las dos semireacciones A + B  A - + B+ Si consideramos que un alto número de reacciones bioquímicas de la células son reacciones redox, es importante relacionar Eo’ con la variación de energía libre estándar de la reacción (Go’), y poder estimar si la reacción redox es exotérmica o endotérmica. La siguiente expresión permiten dicha relación: Go’ = - n F Eo’ n = Nº electrones transferidos en la reacción redox, F = cte. de Faraday (23 kcal V-1 mol-1) Eo’= diferencia de potencial estándar de reducción de las especies oxidadas y reducidas Go’= variación estándar de energía libre de la reacción redox, Un rol clave en estos ciclos de energía es la participación del sistema ATP-ADP, ADP es capaz de aceptar un grupo fosfato de otro compuesto producido durante el metabolismo, transformándose en ATP. El ATP a su vez, puede ser utilizado para manejar muchas reacciones biosintéticas y además sirve como una fuente primaria de energía para actividades fisiológicas específicas como movimiento, trabajo, secreción, absorción y conducción.  Los compuestos fosforilados son de suma importancia en la célula, tanto por su cantidad y variedad, como por su participación en un gran número de reacciones bioquímicas del metabolismo celular; por ejemplo, muchos compuestos fosforilados cumplen la función de intermediarios entre procesos catabólicos y anabólico, al participar como sustratos en reacciones enzimáticas de transferencia de grupos fosforilos.  Además, un gran número de eventos celulares son regulados por ciclos de fosforilación-defosforilación de biomoléculas claves, lo que se traduce en activación o inactivación de ellas. La carga energética es un término propuesto por Atkinson para describir el estado energético de la célula, y se expresa de la siguiente forma: carga energética = ATP + 1/2 ADP ATP + ADP + AMP  La carga energética de la célula varía entre 0 (sólo AMP está presente) y 1 (todo el AMP y el ADP se han transformado en ATP). Mediciones realizadas en una variedad de células y tejidos han demostrado que el valor de la carga energética normalmente fluctúa entre 0,75 y 0,90.  La carga energética de una célula juega un rol clave en la regulación del metabolismo celular, ya que ATP, ADP y/o AMP pueden actuar como efectores alostéricos sobre algunas enzimas regulatorias. CARGA ENERGETICA DE LA CELULA CE= (ATP)+1/2(ADP) (ATP)+(ADP)+(AMP) Carga energética: 1, concentraciones de ADP y AMP equivalen a cero y sólo existe ATP. Exceso de energía. Carga energética: 0, concentraciones de ATP y ADP iguales a cero, sólo existe AMP. Falta de energía!!!!. Razón ATP/AMP: carga energética. CARGA ENERGETICA DE LA CELULA  Razón ATP/AMP: carga energética.  El ATP y AMP actúan como activadores o inhibidores alostéricos.  Tienen efectos antagónicos.  ATP o carga energética alta inhibe vías catabólicas. MOLÉCULAS DE IMPORTANCIA EN EL METABOLISMO ENERGETICO Adenosin trifosfato (ATP) ATP ADP + Pi Gº=- 7,3 Kcal /mol (G: Energía Libre de Gibbs). exergonica (-7,3 kcal/mol)  La principal molécula de intercambio de energía (Lohmann 1929). Aprovechamiento de la energía química en los organismos vivos. La hidrólisis de ATP se acopla a otras reacciones desplazando el equilibrio y favoreciendo la reacción. A  B G°= 3,0 Kcal/mol A +ATP  B +ADP + Pi G°= - 4,3 kcal/mol Participa en reacciones de fosforilación que permiten transporte activo, contracción, activación de enzimas. Se produce en la fosforilación oxidativa, fosforilación a nivel de sustrato y en la fotosíntesis.  Producción de ATP a partir de potencial reductor (NADH, FADH2) FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. Ocurre en la Mitocondria en la cadena de transporte de electrones.  Nicotinamida dinucleótido (NAD+/NADH)  Participa en muchas reacciones de oxidación como coenzima. (lactato deshidrogenasa)  Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD  Su función es el transporte del grupo H.  Al reducirse toma electrones o hidrógeno de los compuestos que se oxidan.  Nicotinamida dinucleótido fosfato (NADPH/NADP)  Participa en reacciones de biosíntesis como dador de H.  A diferencia de NADH el -OH del C2 de ribosa posee un éster fosfato.  Se produce en la fotosíntesis y en la vía del fosfogluconato o vía de las pentosas.  Flavina Adenina Dinucleótido FADH2/FAD  Función transporte de electrones ó H.  Unida covalentemente a la enzima como grupo prostético.  ACETIL CoA  Vías interconectadas biosíntesis y degradación.  AcetilCoA molécula clave ( CH3CO) confluyen la degradación de proteínas, lípidos y carbohidratos Coenzima A (CoASH)  ESTRATEGIAS DEL METABOLISMO ENERGETICO  Potencial reductor NADH y FADH2 se producen por la oxidación de los combustibles en el metabolismo.  COMBUSTIBLES: Hidratos de carbono, lípidos y proteínas.  Hay tres etapas en la extracción de energía de los alimentos:  1ª Etapa: Degradación polímeros a monómeros.  2ª Etapa: Monómeros a metabolitos intermediarios.  3ª Etapa: Metabolitos hasta CO2 + NADH +FADH2 3ªEtapa Catabolismo: Mayor extracción de potencial reductor como NADH y FADH2