III. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

1. Generalidades2. Termodinámica de los compuestos fosforilados3. Termodinámica de los sistemas vivos

¿CÓMO OBTIENEN LAS CÉLULAS LA ENERGÍA Y EL PODER REDUCTOR A PARTIR DE SU ENTORNO?

¿CÓMO SINTETIZAN LAS CÉLULAS LOS COMPUESTOS FUNDAMENTALES DE SUS MACROMOLÉCULAS Y CÓMO SE SINTETIZAN POSTERIORMENTE LAS PROPIAS MACROMOLÉCULAS?

Stryer et al. 2003

¿QUÉ ES EL METABOLISMO?

MetabolismoMetabolismo

Es una actividad celular muy coordinada en la que muchos sistemas multienzimáticos cooperan para: (1) Obtener energía química a partir de la captación de la

energía solar o degradando nutrientes ricos en energía obtenidos del ambiente

(2) Convertir moléculas nutrientes en las moléculas características de la propia célula

(3) Polimerizar los precursores monoméricos en macromoléculas

(4) Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funcionescelulares especializadas

Proceso mediante el cual los seres vivos adquieren y utilizan la energía libre que requieren para realizar sus funciones

proteínas, ác. nucleicos, lípidos, carbohidratos

Nelson y Cox, 2005

Fotótrofos (autótrofos)Quimiótrofos (heterótrofos)

LOS ORGANISMOS VIVOS SE DIVIDEN EN DOS GRUPOS SEGÚN LA FORMA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA QUE OBTIENEN CARBONO DEL MEDIO

Autotrófosfotosintéticos Heterótrofos

Nelson y Cox, 2005

Obtienen su energía de la luz

solar

Obtienen su energía de la

degradación de nutrientes orgánicos

producidos por los autótrofos

EL CARBONO, OXÍGENO Y AGUA SE CICLAN CONSTANTEMENTE ENTRELOS MUNDOS HETEROTRÓFICOS Y AUTOTRÓFICO, CON LA ENERGÍASOLAR COMO FUERZA MOTRIZ DE ESTE PROCESO GLOBAL

MetabolismoMetabolismoEs la suma de todas las transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo, a través de una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente que constituyen lasrutas metabólicas

(Eliminación, transferencia o adición de un átomo o grupo funcional)

CADA PASO = CAMBIO QUÍMICO ESPECÍFICO

PRECURSOR PRODUCTOINTERMEDIARIOS(METABOLITOS)

CARACTERÍSTICAS

Donde la serie de reacciones químicas se encuentran interrelacionadas y acopladas y que tienen por objeto producir compuestos necesarios para la vida celular

Stryer et al. 2003

METABOLISMO

CATABOLISMO.- Conjunto de reacciones que convierten moléculas (como si fueran combustibles) en energía utilizable (producen energía)

ANABOLISMO.-Conjunto de reacciones que requieren energía para producir moléculas complejas

Vías anabólicas: son rutas de biosíntesis. Químicamente son procesos reductores. Requieren un aporte de energía externo.

Vías catabólicas: son de tipo degradativo. Químicamente son procesos oxidativos. Suelen producir energía

METABOLISMO

ANABOLISMO

CATABOLISMO

ENERGÍA

CATABOLISMO

ENERGÍA

ANABOLISMO

REGULACIONMETABÓLICA

REGULACIÓN

DEL

METABOLISMO

CANTIDAD

DISPONIBILIDAD(RECAMBIO, LOCALIZACIÓN)

ACTIVIDADCATALÍTICA

•Una vía metabólica está formada por una serie de reacciones en una

secuencia específica que en su conjunto es termodinámicamente

favorable

•Sin embargo, algunas de estas reacciones de la vía pueden requerir

energía y otras liberarla

•Las vías pueden estar compartamentalizadas celularmente (organelos,

citosol, membranales)

•Las reacciones van a estar mediadas por enzimas, por eso, van a ser

específicas

•Las vías metabólicas pueden ser regulables. No todas las reacciones

de la vía pueden regularse.

•Esta regulación puede darse por disponibilidad del sustrato, por

mecanismos de regulación enzimática (alosterismo, fosforilación,

retroalimentación, síntesis de la enzima misma, etc.), por factores

termodinámicos

•En su conjunto, las vías metabólicas son reversibles PERO TIENEN

POR LO MENOS UN PASO IRREVERSIBLE (PASO LIMITANTE)

Características de las vías metabólicas

LAS REACCIONES DE UNA VÍA METABÓLICA SE PUEDENVER SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS.

Las reacciones termodinámicamente pueden ser:

∆G GRANDE Y NEGATIVA La reacción transcurre en el sentido (EXERGÓNICAS)

∆G=0 EL SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO

∆G GRANDE Y POSITIVA La reacción transcurre en el sentido opuesto

(ENDERGÓNICAS)

LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO

∆G CERCANO A 0

- SON REVERSIBLES- Las enzimas que las catalizan tienen una actividad muy alta y por tanto la actividad de la enzima no es un factor limitante de la vía.

- Son reacciones fácilmente reversibles y su actividad depende de la relación de [sustrato] y [producto].La direccionalidad va a depender de cambios de [sustrato] y [producto].

- LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO, POCASVECES REGULAN EL FLUJO DE LA VÍA METABÓLICA

LAS REACCIONES ALEJADAS DEL EQUILIBRIO

∆G GRANDES Y NEGATIVOS

- SON IRREVERSIBLES - Son poco sensibles a la variación de [sustrato] y [producto] - Las enzimas suelen ser alostéricas

- LAS REACCIONES ALEJANAS DEL EQUILIBRIO SON LAS QUE MAYORMENTE REGULAN UNA VÍA METABÓLICA

Poner grupos funcionales a dobles enlaces o eliminación para formar dobles enlaces

Adición o eliminación de grupos funcionales

Rompimiento de enlaces con intervención del agua

Hidrólisis

Transferencia de un grupo funcional de una molécula a otra

Transferencia de grupos

Reorganización de átomos para formar isómeros

Isomerización

Formación de enlaces covalentes (ej. C-C)Formación de enlaces con requerimiento de hidrólisis de ATP

Transferencia de electronesOxidación-reducción

DESCRIPCIÓNTIPO DE REACCIÓN

TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS DEL METABOLISMO

MOLÉCULAS FUNDAMENTALES EN LAS REACCIONES METABÓLICAS

Cuatro moléculas fundamentalesen las reacciones metabólicas

“Donador de energía”

“Almacenador dePoder reductor”

“Acarreador degrupos acilo”

La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reaccióncomún para obtener energía.

LA VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE EN LA HIDRÓLISIS DEL ATP ES GRANDE YNEGATIVA

FUNDAMENTO QUÍMICO DE LA ELEVADA VARIACIÓN DE ENRGÍA LIBREASOCIADA A LA HIDRÓLISIS DE ATP

1) La hidrólisis disminuyela repulsión de carga

2) El producto (Pi)está estabilizado por la formación de unhíbrido de resonancia

3) El producto se ionizainmediatamente

Otros compuestos fosforilados que transfieren su fosfato en reacciones celulares que requieren energía

Otros compuestos fosforilados que transfieren su fosfato en reacciones celulares que requieren energía

TIOESTER

ESTABILIDAD PORTAUTOMERIZACIÓN

ESTABILIDAD PORRESONANCIA

ESTABILIDAD PORRESONANCIA

EN LAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS CON VARIACIONES DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR GRANDES Y NEGATIVASlosPRODUCTOS SON MÁS ESTABLES QUE LOS REACTIVOS

1) La tensión de enlace en los reactivos debida a repulsión electrostática queda liberada por la separación de carga

(ATP)

2) Los productos se estabilizan por ionización

3) Los productos se estabilizan por isomerización

4) Estabilidad por resonancia

ENERGÍAS LIBRES ESTÁNDAR DE HIDRÓLISIS DE ALGUNOSCOMPUESTOS FOSFORILADOS Y DEL ACETIL-CoA (un tioéster)

La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reaccióncomún para obtener energía. Esta reacción se acopla energéticamente a otra reacción que la requiera

A B Reacción exergónica

C D Reacción exergónica

LAS VARIACIONES DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR SON ADITIVAS

Este principio explica por qué una reacción termodinámicamente desfavorable (endergónica) puede ser impulsada en el sentido directo

acoplándola a una reacción muy exergónica a través de un intermediario común.

FLUJO DE GRUPOS FOSFORILO

REGULACIÓN DE UNA VÍA METABÓLICA

ENFOQUE TRADICIONAL VS. TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO

Una vía tiene uno o muy pocos pasos regulación, que se llaman pasos limitantes o

No hay una enzima que sea la responsable de regular el flujo de la vía

El flujo de una vía está controlado por varias enzimas de las reacciones que integran la vía

Cada una tiene una contribución que depende de la concentración de intermediarios

ENFOQUE TRADICIONAL TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO

Las enzimas “limitantes o reguladoras”se han propuesto con base en mediciones in vitro, muy alejadas de las condiciones fisiológicas como [intermediarios], efectores alostéricos,etc.

Se basa en la medición exptl. de una vía“perturbando” una enzima específica y

viendo como se comporta el flujo de la vía (concentraciones de los otros metabolitos)todos estos datos se tratan matemática-mente y por eso es cuantitativa