metabolismo y bioenergetica

Unidad de Post GradoUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE

SAN MARCOS

Introducción al Metabolismo y Bioenergética

BIOQUIMICA AVANZADA

Lic.T.M. Coronel Herrera Jorge Q.F. Ruiz Quiroz Julio Reynaldo

METABOLISMOINTRODUCCION• El metabolismo incluye todas las

reacciones que se llevan a cabo en los organismos vivos.(célula, tejidos, órgano u

organismo).

• Es una actividad muy coordinada por muchos sistemas enzimáticos los cuales interrelacionan para cumplir 4 funciones:

METABOLISMO

FUNCIONES:

• Obtener energía química a partir de la energía solar o por degradación de nutrientes del ambiente.

• Convertir moléculas características de la propia célula incluidos los precursores macromoleculares.

• Polimerizar precursores monoméricos a macromoléculas: Proteínas, Ac Nucleicos, lípidos, etc.

• Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas.

METABOLISMOLos organismos vivos se pueden dividir en 2 grandes grupos según la forma química por la que obtienen carbono del ambiente:

• AUTOTROFOS: Utilizan el dióxido de carbono de la atmósfera como fuente única de carbono a partir del cual construyen todas sus moléculas que contienen dicho elemento son autosufientes (bacterias fotosintéticas y plantas superiores ).

• HETEROTROFOS: No utilizan el CO2 atmosférico, lo obtienen de otras moléculas orgánicas mas complejas como la glucosa ( células de animales superiores y la mayoría de microorganismos)

METABOLISMO

RUTAS METABOLICASSon cada uno de los pasos consecutivos por los cuales se realiza un pequeño cambio químico específico donde:Precursor Producto

intermediario metabólico

CATABOLISMO:

Son las reacciones de degradación metabólica. Las rutas catabólicas liberan energía libre ( prod. de ATP-NADH-NADPH) Son convergentes (un mismo producto). Principales rutas: Hexosas a triosas, oxidación de triosas,aa y Ac. Grasos.

ANABOLISMO:

Son las reacciones de síntesis metabólica. Las reacciones anabólicas requieren energía. Son divergentes( un precursor simple produce diferentes moléculas). Principales rutas: uso de ATP para producir glúcidos, lípidos, aa y nucleótidos.

RUTAS METABOLICAS

Las Rutas Metabólicas pueden ser de diferentes tipos:1. Lineales2. Ramificadas3. No Lineales: las cuales a su

vez pueden ser:a. convergentes (catabólicas).b. divergentes (anabólicas).c. cíclicas: en la que uno de sus componentes de partida se regenera volviendo a entrar en la ruta.

PRINCIPALES RUTAS METABOLICAS

REGULACION DE LAS VIAS METABOLICAS

Las vías metabólicas están reguladas a tres niveles:

• Regulación Alostérica:Es la mas inmediata y dado especialmente por la acción de enzimas alostéricas (cambio x estimuladores o inhibidores).

• Regulación Hormonal: Estimulan o inhiben algunos procesos en los tejidos a una escala de tiempo más prolongada. Las hormonas regulan e integran las rutas metabólicas en los mamíferos superiores.

• Regulación Enzimática celular: Controla la velocidad de un paso metabólico por la regulación de la concentración de su enzima.

Compartimentalización de las Rutas metabólicas

• Las celulas eucariotas estan muy compartimentalizadas por su sistema interno de membranas.

• Cada compartimiento tiene una funcion metabólica particular y las enzimas que participan estan localizadas dentro de el, facilitando la regulación fina del metabolismo.

• La movilización de metabolitos a través de los compartimientos plantea problemas. Estos metabolitos pasan la barrera a través de mecanismos de lanzadera, que convierten transitoriamente al metabolito en una forma permeable para poder atravesarla.

Organela Vías metabólicas

Núcleo Replicación y transcripción del DNA

Mitocondria Ciclo de Krebs, Fosforilación oxidativa

Retículo endoplásmicoSíntesis de proteínas, de varios lípidos,Oxidación de numerosos xenobióticos

Lisosoma Reacciones degradativas por hidrolasas

GolgiDistribución intracelular de proteínasReacciones de glicosilaciónReacciones de sulfatación

PeroxisomasDegradación de ciertos ácidos grasosProducción y degradación de H2O2

CitosolGlucólisis Síntesis de ácidos grasos

METABOLISMOCARACTERISTICAS PRINCIPALES

1. Las vías metabólicas son irreversibles.

2. Las vías anabólicas y catabólicas deben ser diferentes.

3. Cada vía metabólica tiene un primer paso limitante.

4. Todas las vías metabólicas están reguladas finamente.

5. En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en localizaciones celulares específicas.

BIOENERGÉTICABIOENERGÉTICACAMPO DE LA BIOQUÍMICA RELACIONADO CON LA CAMPO DE LA BIOQUÍMICA RELACIONADO CON LA

TRANSFORMACIÓN Y EMPLEO DE LA ENERGÍA PORTRANSFORMACIÓN Y EMPLEO DE LA ENERGÍA POR LAS CÉLULAS VIVAS.LAS CÉLULAS VIVAS.

ESTUDIO CUANTITATIVO DE LAS TRANSDUCCIONESESTUDIO CUANTITATIVO DE LAS TRANSDUCCIONES DE ENERGÍA QUE TIENEN LUGAR EN LAS CÉLULAS.DE ENERGÍA QUE TIENEN LUGAR EN LAS CÉLULAS.

LAS TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS DE ENERGÍALAS TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS DE ENERGÍA

SIGUEN LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICASIGUEN LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICATERMODINÁMICA

• El estudioestudio de las transformaciones de las transformaciones de energía energía que occurren en una colección de materia es llamada es llamada Termodinámica.Termodinámica.

• La Termodinámica en los organismos La Termodinámica en los organismos vivientes es llamada vivientes es llamada BioenergéticaBioenergética..

• En otras palabras, BioenergéticaBioenergética es el estudio de energíaenergía en los sistemas vivienteslos sistemas vivientes

• Sistemas vivientesSistemas vivientes= = ½ Ambiente + Organismos Organismos

• SISTEMA: Conjunto de materia objeto de estudio.

• ALREDEDORES: Toda la materia existente mas allá de las fronteras del sistema

• UNIVERSO: Es el conjunto del sistema más sus alrededores

• SISTEMA AISLADO: No puede haber transferencia de materia ni de energía entre sistema y alrededores.

• SISTEMA CERRADO: No puede haber transferencia de materia pero si de energía entre sistema y alrededores.

• SISTEMA ABIERTO: Permite la transferencia de energía y de la materia con sus alrededores.

• Los sistemas biológicos son sistemas abiertos

EnergíaEnergía

• CapacidadCapacidad para realizarrealizar trabajo.

• Dos ejemplos:Dos ejemplos:

1.1. Energía cinéticaEnergía cinética

2.2. Energía potencialEnergía potencial

Energía CinéticaEnergía Cinética

• EnergíaEnergía en el proceso de hacer trabajo de hacer trabajo.

• EnergíaEnergía de de movimientomovimiento.

• Ejemplos:Ejemplos:

1.1. CalorCalor

2.2. Energía solarEnergía solar SOL

Energía PotencialEnergía Potencial

• EnergíaEnergía dada por el equivalente de trabajo que se pueda realizar. Relacionada a la localización, arreglo o posición.

• EnergíaEnergía de posición de posición.

• Ejemplos:Ejemplos:

1.1. Caída de agua Caída de agua

2.2. Energía química (gas)Energía química (gas)

LEYES DE LA TERMODINÁMICALEYES DE LA TERMODINÁMICA

• La energíaLa energía no se creacrea o o destruyedestruye, sólo se transformatransforma.

• Esto significa que la cantidad de energía en el universouniverso es es constanteconstante.

11rara Ley de la Termodinámica Ley de la Termodinámica

• Todas las transformaciones de energíalas transformaciones de energía son ineficientesineficientes porque cada reacción resulta en un incrementoincremento en entropiaentropia y la pérdidapérdida de energíaenergía útil como calorcalor..

• EntropiaEntropia: La cantidad de desorden en un sistema.

LEYES DE LA TERMODINÁMICALEYES DE LA TERMODINÁMICA

22dada Ley de la Termodinámica Ley de la Termodinámica

ENERGÍA LIBREENERGÍA LIBRE : CANTIDAD DE : CANTIDAD DE ENERGÍAENERGÍA CAPAZ DE REALIZAR CAPAZ DE REALIZAR TRABAJO EN UNA REACCIÓN A TEMPERATURA Y PRESIÓN TRABAJO EN UNA REACCIÓN A TEMPERATURA Y PRESIÓN CONSTANTECONSTANTE

Reacciones exergónicas o endergónicas.

ENTALPÍA ENTALPÍA : CANTIDAD DE : CANTIDAD DE CALORCALOR QUE EL SISTEMA REACCIONANTE QUE EL SISTEMA REACCIONANTELIBERA O ABSORBE DEL ENTORNO A TEMPERATURA Y PRESIÓN LIBERA O ABSORBE DEL ENTORNO A TEMPERATURA Y PRESIÓN CONSTANTECONSTANTE

Reacciones exotérmicas o endotérmicas.

ENTROPÍA ENTROPÍA : EXPRESIÓN CUANTITATIVA DEL DESORDEN DEL SISTEMA: EXPRESIÓN CUANTITATIVA DEL DESORDEN DEL SISTEMA

En los sistemas biológicos (temperatura y presión constantes) :En los sistemas biológicos (temperatura y presión constantes) :

ΔG = ΔH - TΔSΔG = ΔH - TΔS

MAGNITUDES TERMODINÁMICASMAGNITUDES TERMODINÁMICAS

• H = Entalpia= H = Entalpia= El calor total de un sistema• G = Energía libre= G = Energía libre= La cantidad de energía útil en un

sistema que puede ser usada para realizar un trabajo. • S =Entropia = S =Entropia = La cantidad desorden en un sistema. En la

mayoría de los casos pero no en todos es el calor.

∆G= GB-GA

∆H= HB-HA

∆S= SB-SA

HASA

GB

HB

SB

GA

A B

LOS LOS SERES VIVOSSERES VIVOS CONSERVAN SU ORDEN INTERNO TOMANDO DE SU CONSERVAN SU ORDEN INTERNO TOMANDO DE SUENTORNO ENTORNO E. LIBREE. LIBRE EN FORMA DE EN FORMA DE NUTRIENTES O LUZ SOLARNUTRIENTES O LUZ SOLAR Y Y DEVOLVIENDO AL ENTORNO UNA CANTIDAD IGUAL DE ENERGÍA DEVOLVIENDO AL ENTORNO UNA CANTIDAD IGUAL DE ENERGÍA EN FORMA DE CALOR Y ENTROPÍA.EN FORMA DE CALOR Y ENTROPÍA.LAS LAS CÉLULAS CÉLULAS SON SON SISTEMAS ISOTÉRMICOSSISTEMAS ISOTÉRMICOS QUE FUNCIONAN QUE FUNCIONAN A T Y P CTESA T Y P CTES

sol

+ H2O

CO2C6H12O6

O2CO2

H2O

Ecuación de GibbsEcuación de Gibbs• ∆G = ∆H - T∆S• Ecuación de Gibbs en organismos vivientesEcuación de Gibbs en organismos vivientes

• ∆G = ∆E - T∆S• La relación entre el valor ∆G y la espontaneidad de La relación entre el valor ∆G y la espontaneidad de

una reacción:una reacción:

• Reacciones Endergónicas tienen: Reacciones Endergónicas tienen: ∆G∆G ++• Reacciones Exergónicas tienen Reacciones Exergónicas tienen : :∆∆G -G -

• En el estado de equilibrio tienen: En el estado de equilibrio tienen: ∆G∆G = = 00

∆G O ∆Go O ∆Go’, Cuál de ellas es la Cuál de ellas es la

más importante?más importante? • ∆G = Diferencia de energía libre de un = Diferencia de energía libre de un

sistema en sistema en cualquier condicióncualquier condición..• ∆Go = Diferencia de energía libre de un = Diferencia de energía libre de un

sistema en sistema en condition estándarcondition estándar ( ( 25C25Co y y una una atmósferaatmósfera de presión). de presión).

• ∆Go’ = Diferencia de energía libre de un = Diferencia de energía libre de un sistema en condición estándar a sistema en condición estándar a pH = 7pH = 7..

• NUNCA OLVIDAR QUE :NUNCA OLVIDAR QUE :• ∆G determina la factibilidad de una reacción

no ∆Go o ∆Go’

ENERGIA LIBREENERGIA LIBRE

CANTIDAD MÁXIMA DE ENERGÍA DISPONIBLE EN UN PROCESO QUE

PUEDE TRANSFORMARSE EN TRABAJO ÚTIL

Energía libre de una ReacciónEnergía libre de una Reacción

La variación de energía libre (G) de una reacción determina su espontaneidad. Una reacción es espontánea si G es negativa (si la energía libre de los productos is menor que la de los reactantes).

Go' = Variación de la energía libre estándar (a pH 7, reactantes & productos 1M); R = gas constante; T =temp.

Para una reacción A + B C + D G = Go' + RT ln

[C] [D] [A] [B]

Go' de una reacción puede ser positiva, & G negativa, dependiendo de las concentraciones celulares de reactantes y productos.

Muchas reacciones para las cuales Go' es positiva son espontaneas porque otras reacciones causan depleción de productos o mantienen la concentración de sustrato alto.

Para una reacción A + B C + D G = Gº' + RT ln [A] [B]

[C] [D]

En equilibrio G = 0.

K'eq, [C][D]/[A][B] en

equilibrio, es la constante de equilibrio.

En equilibrio constante (K'eq) es muy grande

indica una reacción espontanea (G' negativa).

G = Gº' + RT ln = Gº' + RT ln Gº' = - RTln

definiendo K'eq = Gº' = - RT ln K'eq

[C] [D] [A] [B]

[C] [D] [A] [B]

[C] [D] [A] [B]

[C] [D] [A] [B]

K'eq G º' kJ/mol

Empezando con reactantes & productos 1M, la reacción:

104 - 23 Sigue para delante (espontánea)

102 - 11 Sigue para delante (espontánea)

100 = 1 0 Está en el equilibrio

10-2 + 11 Regresa a formar “reactantes”

10-4 + 23 Regresa a formar “reactantes”

Go' = RT ln K'eq

Variación de la constante de equilibrio con Go‘ (25 oC)

Ejemplo:

Calcular la energía libre del proceso de descomposición deléster Glucosa-6-fosfato a Glucosa y fosfato inorgánico en lascondiciones intracelulares, que son:

Temperatura: 37 ºC, equivalentes a 310 ºK[Glucosa-6-fosfato], 1 mM[Glucosa], 0.01 mM[fosfato], 10 mM

La reacción es:

G6P + H2O G + Pi

La Energía Libre Standard de la reacción es de -3250 cal/mol

La expresión que nos da la Energía Libre es:

G =G0 + RT ln[Glucosa] [Fosfato]

(No se tiene en cuenta el agua porque su concentración seconsidera constante)

Sustituyendo, obtenemos:

G = -3250 + 1.98*310*2.303* log 10-5*10-3

10-2 = -8900 cal/mol

Por lo tanto, en las condiciones intracelulares el proceso puede tener lugar espontáneamente.

[Glucosa-6-fosfato]

Relacionado con el anterior, tendríamos el siguiente problema:

¿Cuál sería la concentración mínima necesaria de glucosa para que, siendo el resto de las condiciones iguales a las del ejemplo anterior, en la célula tuviera lugar la formación de éster por reversión de la hidrólisis?

Esta concentración sería la que diera lugar a un valor de 0 paraG en el ejemplo anterior. Así, llamando X a la conc. de glucosa,

0 = -3250 + 1.98*310*2.303*logX*10-2

10-3

Despejando log X obtenemos log X = 1.3

X = antilog (1.3) = 20 M

Energía acopladaEnergía acoplada Una reacción espontánea podría llevar a una reacción no

espontánea. Las variaciones de la energía libre de las reacciones

acopladas son aditivas.

A. Algunas reacciones catalizadas por enzimas son interpretadas como reacciones semi-acopladas, una espontanea y la otra no espontanea. En el sitio activo de la enzima, la reacción acoplada es

cinéticamente facilitata, mientras que semi-reacciones individuales son prevenidas.

La variación de energía libre de las semi-reacciones puede ser sumada, dando la variación de energía libre de la reacción acoplada.

Por ejemplo, en la reacción catalizada por la enzima de la glicólisis Hexokinasa, las semi-reacciones son:

ATP + H2O ADP + Pi Go' = 31 kJ/mol

Pi + glucosa glucosa-6-P + H2O Go' = +14 kJ/mol

Reacción acoplada:ATP + glucosa ADP + glucosa-6-P Go' = 17 kJ/mol

La estructura del sitio activo de la enzima, en la que el H2O es excluida, previene las reacciones hidrolíticas individuales, mientras que favorece la reacción acoplada.

B. Dos reacciones separadas, ocurriendo en el mismo compartimiento celular, uno espontaneo y el otro no, pueden estar acoplados por un intermediario común (reactante o producto).

Un ejemplo hipotético, pero típico, involucrando PPi:

Enzima 1: A + ATP B + AMP + PPi Go' = + 15 kJ/molEnzima 2: PPi + H2O 2 Pi Go' = – 33 kJ/molReacciónm espontánea total: A + ATP + H2O B + AMP + 2 Pi Go' = – 18 kJ/mol

Pirofosfato (PPi) es frecuentemente el producto de una reacción que necesita una fuerza impulsora.

Su hidrólisis espontánea, catalizada por la enzima Pirofosfatasa, impulsa la reacción para la cual PPi es un producto.

Lo que ocurre en el metabolismo es que las reaccionesendergónicas (G > 0) se acoplan a reacciones exergónicas (G < 0) de manera que :

1. La energía desprendida en una de las reacciones es absorbidapor la otra.

2. La suma total de energías libres de una y otra reacción da unaG < 0, por lo que el proceso en conjunto tiene lugar espontánea-mente.

Así, la reacción

A + B A-B (G1 > 0)

Se acopla a

X-Y + H2O X + Y (G2 < 0)

Dando lugar a una reacción global

A + B + X-Y + H2O A-B + X + Y

Siendo |G2 | > |G1|

(G < 0)

El tipo de reacción

X-Y + H2O X + Y (G2 < 0)

Que tiene lugar en los seres vivos para acoplarse a procesos ender-gónicos es, en la mayoría de los casos, la hidrólisis de anhídridos de ácido, y particularmente, la hidrólisis de polifosfatos :

El polifosfato mayoritario en las reacciones de acoplamientoenergético es el ATP, 5’-Adenosina trifosfato:

OCH2 N

N

N

N

NH2

OHOH

OPOPOP-O

O O O

O-O-O-

De esta manera, los procesos catabólicos productores de energíageneran ATP, que se empleará en todas aquellas reacciones ender-gónicas en las que sea requerido.

En general, el ATP se produce de dos maneras:

1. Por fosforilación a nivel de substrato (procesos anaeróbicos, fermentativos) Por ejemplo: La Glicolisis

2. Por fosforilación oxidativa (procesos aeróbicos, oxidativos) Por ejemplo: Ciclo de Krebs, - oxidación, etc.

Los dos enlaces anhídrido del polifosfato del ATP son el ejemplode configuraciones de alta energía de hidrólisis:

OPOPOP-O

O O O

O-O-O-

R

Existen otras configuraciones de alta energía, por ejemplo:

Fosfoenolpiruvato

O-PO

O

O-

C

CH2

COO-

O-P

O

O-

NHC

NH

N

CH3

CH2C

O

-O

Fosfocreatina

O-P

O

O-

OC

O

H2N

Carbamilfosfato

R C

O

S CoA

Tioésteres de Coenzima A

Otras configuraciones de alta energía de hidrólisis

Consideremos ahora la reacción de degradación aeróbica de la glucosa:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O G0’ = -684 kcal/mol

Según lo hasta ahora expuesto, esta reacción es fuertemente exergónica, por lo que debería cursar espontáneamente.

Sin embargo, la glucosa en presencia de oxígeno es perfectamenteestable y no entra espontáneamente en combustión.

Ello es debido a que los reactivos han de superar una barreraenergética, la Energía de Activación:

Energía

Coordenadade reacción

Ea

G + O2

CO2 + H2OG0

TRANSFERENCIATRANSFERENCIA DE P ALTA ENERGÍA DE P ALTA ENERGÍA

Fosfor.Oxidativa

-Glicerol 3-P-Glucosa 6-P-Glucosa 1-6 Bif.-Otras fosforilaciones

C ~P

CREATINA

P~

P~

ATP

ADP

CICLOATP-ADP

Succinil CoA

Fosfoenol-Piruv.

1-3 BifosfoglENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR DE LA HIDRÓLISISDE ALGUNOS FOSFATOS ORGÁNICOS

Variación de Energía LibreCOMPUESTO KJ/mol Kcal/molFosfoenolpiruvato -61.9 -14.8Carbamilfosfato -51.4 -12.31,3 bifosfiglicerato -49.3 -11.8Fosfocreatina -43.1 -10.3ATP ADP + Pi -36.8 -8.8Glucosa 1-Fosfato -20.9 -5Fructosa 6-Fosfato -15.9 -3.8Glucosa 6-Fosfato -13.8 -3.3Glicerol 3-Fosfato -9.2 -2.2

CICLO DEL ATP - ADPCICLO DEL ATP - ADP

CATABOLISMO

ATPADP

O2COMB.

CO2

H2O

TRABAJOMECANICO

TRABAJO DE TRANSP.

TRABAJODE BIOSINT.

Pi

Pi

Pi

Reacciones EndergónicasReacciones Endergónicas

• Reación químicaReación química que requiere una entrada neta de energíaenergía.

• Ejemplo:Ejemplo:

1. Fotosíntesis1. Fotosíntesis

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

SOLfotonesfotones

Energíasolar

(glucosa)(glucosa)

Reacciones ExergónicasReacciones Exergónicas

• Reacciones químicasReacciones químicas que liberan energíaliberan energía..

• Ejemplo:Ejemplo:

1.1. Respiración CelularRespiración Celular

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O +ATP

(glucosa)(glucosa)

EnergíaEnergía

Metabolismo CelularMetabolismo Celular• La suma totalsuma total de las actividades químicas actividades químicas de

las células es llamada Metabolismo Celularcélulas es llamada Metabolismo Celular.

• Vías AnabólicasVías Anabólicas (Reacciones Endergónicas): (Reacciones Endergónicas):

Aquellas que consumen energíaconsumen energía para construirconstruir moléculas complejas a partir de compuestos simples tales como: sintesis de Proteínas, glicógeno y lípidos.

• Vías Catabólicas Vías Catabólicas (Reacciones Exergónicas):(Reacciones Exergónicas):

Aquellas que liberan energíaliberan energía por descomposicióndescomposición moléculas complejas en compuestos simples tal como en la glucólisis.