Panorámica del Metabolismo Dr. Marcelo Rodríguez Piñón (DMTV-MSc) Prof. Adj. de Bioquímica Area Bioquímica Departamento de Biología Molecular y Celular Facultad de Veterinaria Objetivos: Comprender las principales características de las vías metabólicas. Visualizar la importancia del metabolismo en la producción y utilización de energía. 1) Introducción - Características y clasificación de los seres vivos 2) Vías metabólicas - Catabólicas - Anabólicas - Características principales del funcionamiento de las vías Tabla periódica de los elementos en naranja componentes mayoritarios (g/día en la dieta) en amarillo los oligoelementos (mg/día en la dieta) Lehninger, Nelson , Cox. Principios de Bioquímica, Ed. Omega, 4a de 2009. 1) Introducción - Características de los seres vivos: Son muy organizados y estructuralmente complejos. Extraen, transforman y utilizan energía de su entorno (nutrientes químicos o energía solar) Para que? para construir y mantener sus propias estructuras complejas y realizar trabajo mecánico, químico, osmótico etc. - Clasificación de los seres vivos de acuerdo al origen de la fuente de energía: Fototróficos: utilizan la energía solar. Quimiotróficos: utilizan la energía obtenida por la oxidación de compuestos orgánicos. -Clasificación de los seres vivos de acuerdo al origen de las moléculas combustible: Autótrofos (del griego autoalimentados): sintetizan sus compuestos orgánicos a partir fuentes de carbono y nitrógeno muy sencillas (ejemplo CO2). Heterótrofos (alimentados a partir de otros): sintetizan sus compuestos orgánicos a partir de moléculas complejas (ejemplo glucosa). Los organismos vivos: - no están en equilibrio - requieren aporte de energía libre para realizar trabajo (diferentes funciones) Para extraer, transformar y utilizar la energía de los nutrientes, estos deben ser metabolizados. Metabolismo: suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo, tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente, constituyen la vías (rutas) metabólicas. En cada reacción de la vía se produce un pequeño cambio químico específico (eliminación, transferencia, adición de un átomo o grupo). Metabolito: intermediario químico en las reacciones del metabolismo catalizadas por enzimas. Mapa de las principales vías metabólicas en una célula típica > 5000 enzimas conocidas hasta el momento ! Fig. 15-1 Voet & Voet 2) Vías metabólicas El metabolismo puede subdividirse en dos categorías principales: Catabolismo y Anabolismo Catabolismo: fase de degradación del metabolismo CH OH 6 2 H H 5 4 OH H 1 OH 3 2 OH H (proceso oxidativo) las moléculas de nutrientes y constituyentes celulares se convierten en productos mas pequeños y sencillos. CO2 , H2O OH Glucosa ATP Las reacciones catabólicas producen energía. En general las rutas catabólicas son convergentes. Panorámica del metabolismo Carbohidratos Proteínas Monosacáridos Lípidos Glicerol Aminoácidos Ácidos grasos Glucosa Gliceraldehido3-fosfato Piruvato Acetil-CoA Ciclo de Krebs e- CO2 eNADH, FADH2 NH3 catabolismo ADP ATP O2 H2O clave catabólica anabólica Flujo electrónico NAD+, FAD (oxidados) Anabolismo: fase del metabolismo que se ocupa de la biosíntesis (proceso reductivo) de moléculas complejas a partir de precursores pequeños y sencillos. CH OH 6 2 H H 5 4 OH H 1 OH 3 2 OH H OH Pir, Lac, OA (3, 3, 4 C) ATP Glucosa En general las rutas anabólicas son divergentes Las reacciones anabólicas requieren energía (ATP y poder reductor, NADH, NADPH, FADH2). Panorámica del metabolismo Carbohidratos Proteínas Monosacáridos Lípidos Glicerol Aminoácidos Ácidos grasos Glucosa Gliceraldehido3-fosfato Piruvato Acetil-CoA Ciclo de Krebs e- CO2 eNADH, FADH2 NH3 catabolismo anabolismo ADP ATP O2 H2O clave catabólica anabólica Flujo electrónico NAD+, FAD (oxidados) Macromoléculas Celulares Proteínas, Polisacáridos, Lípidos, Ácidos nucleicos Nutrientes (energía) Glúcidos. Grasas Proteínas ADP+HPO42_ NAD+ NADP+ FAD Catabolismo Anabolismo ATP NADH NADPH FADH2 Energía química Moléculas Precursoras Aminoácidos, Azucares Ácidos grasos Bases nitrogenadas Productos finales CO2, H2O NH3 Modificado Fig. 3 de Lehninger 2005 Existen patrones dentro de la química de la vida La mayoría de las reacciones en las células se encuadran en cinco categorías generales 1) Ruptura o formación de enlaces C-C 2) Reordenamientos internos, isomerizaciones y eliminaciones 3) Transferencias de grupo 4) Oxidoreducciones 5) Reacciones de radicales libres Existen patrones dentro de la química de la vida Dos principios químicos básicos 1) enlace covalente consiste en un par de electrones compartidos (Regla del octeto). En general el enlace covalente se pude partir de dos formas: Rotura homolítica, c/átomo abandona el enlace como radical llevando un electrón. Rotura heterolítica, la más frecuente, un átomo retiene los dos electrones de enlace. Especies generadas más frecuentemente al romper enlaces C-C y C-H Rotura Radical de Átomo de homolítica hidrógeno carbono Radicales de carbono Rotura heterolítica Los carbaniones, carbacationes e iones hidruro son muy inestables + + Hidruro + Existen patrones dentro de la química de la vida Dos principios químicos básicos 1) enlace covalente consiste en un par de electrones compartidos. 2) En muchas reacciones bioquímicas intervienen interacciones entre: nucleófilos (grupos funcionales ricos en electrones, con capacidad para cederlos) y electrófilos (grupos funcionales con carencia de electrones, ávidos de los mismos) nucleófilos comunes en reacciones bioquímicas electrófilos R O C oxígeno, carga (-) (hidroxilo sin protonar o carboxilo ionizado) O S sulfihidrilo cargado negativamente átomo de C de grupo carbonilo; el oxigeno, más (-), tira de los electrones alejándolos del C R + C N C carbanión H grupo imino protonado (activado para ataque nucleofílico en el C por protonización de la imina) N grupo amino sin carga HN N O O P O fosforo de grupo fosfato imidazol H O ión hidroxilo R O R H+ protón Existen patrones dentro de la química de la vida cinco categorías generales 1) Ruptura o formación de enlaces C-C ( catalizadas por hidrolasas, liasas, ligasas) 2) Reordenamientos internos: isomerizaciones y eliminaciones (isomerasas y mutasas) 3) Transferencias de grupo (transferasas e hidrolasas) 4) Oxidoreducciones (oxidoreductasas) 5) Reacciones de radicales libres Ruptura o formación de enlaces C-C Condensación Condensación aldólica aldólica(enlace (enlaceC-C): C-C):Aldolasa, Aldolasa, glucólisis glucólisis Condensación de esteres de Claisen: Citrato sintasa, Ciclo de Krebs En ambas reacciones un carbanión actúa como nucleófilo y el carbono de un carbonilo actúa como electrófilo. El carbanión esta estabilizado por el carbonilo en el carbono adyacente Descarboxilación de ceto acido: Isocitrato deshidrogenasa, Ciclo de Krebs Condensación de esteres de Claisen: Citrato sintasa, Ciclo de Krebs Descarboxilación de ceto acido: Isocitrato deshidrogenasa, Ciclo de Krebs Se forma un carbanión en el carbono sombreado en azul, al tiempo que se sale el CO2.. La reacción no transcurriría a velocidad apreciable sin el efecto estabilizador del carbonilo adyacente del carbono del carbanión. Reordenamientos internos (isomerizaciones y eliminaciones) C1 se reduce (aldehído a alcohol), C2 se oxida (alcohol a cetona) se desplaza un B1 sustrae un par de e- del protón enlace C C formación de para formar un doble enlace enlace C H C C con el protón cedido por B1 los e- del B2 sustrae un carbonilo protón , permite forman enlace formar enlace O H con el H C O cedido por B2 Intermediario enediol (b) Flechas=movimiento de e-, Rosado=grupos nucleofílicos, azul=electrofílicos, B1y B2 grupos ionizables de E (da o acepta protones) Transferencias de grupo Transferencia de un grupo fosforilo (_ PO32- ) a la Glucosa OH del C6 (nucleófilo) ataca al ATP y desplaza ADP Glucosa 6-fostato un éster fosfato Enzima: hexokinasa (gr. “kinein”, mover). Oxidoreducciones 2e- y 2 iones hidrógeno (2 átomos de H) se eliminan del C2 del lactato (alcohol) para dar piruvato (cetona) Oxidoreducciones Oxidoreducciones Reducido Etano (alcano) Etanol (alcohol) 7 e- 5 e- Acetaldheído (aldehído) 3e- Acetona (cetona) 2 e- Ácido acético (ácido carboxílico) 1 e- Dióxido de carbono 0e- Oxidado Adaptado de Lenhinger, 5 ed, 2009. Características principales del funcionamiento de las vías metabólicas 1) Son irreversibles : Altamente exergónicas, tienen una dirección. 2) Las vías anabólicas y catabólicas deben diferir: Al menos en uno de sus pasos de reacción A 2 1 Y X Control independiente de los dos procesos Características principales del funcionamiento de las vías metabólicas 3) Uno de los primeros pasos está comprometido: Una de las primeras reacciones de la vía tiene un ∆G negativo, controlando el intermediario que es sustrato de la siguiente reacción. Obliga al intermediario que produce a continuarla. Características principales del funcionamiento de las vías metabólicas 4) Están reguladas: Control del flujo de metabolitos por regulación de las enzimas que catalizan las “reacciones claves”. Reacción exergónica (irreversible) lenta para permitir que sus sustratos y productos se equilibren En general la “reacción clave” es uno de los primeros pasos Control eficiente que previene síntesis innecesaria de metabolitos Regulación específica: alostérica (sustratos, productos) covalente (hormonas) Características principales del funcionamiento de las vías metabólicas 4) Están reguladas: Enzima 1 Adaptado de Lehninger, Nelson , Cox. Principios de Bioquímica, Ed. Omega, 4a de 2009. Características principales del funcionamiento de las vías metabólicas 5) En la célula eucariota localizaciones especificas: La compartimentación permite que diferentes vías ocurran en diferentes compartimientos Mitocondria: Ciclo de Krebs, transporte electrónico y fosforilación oxidativa, oxidación de ácidos grasos, ruptura de amino ácidos. Procesos que producen ATP 5) En la célula eucariota localizaciones especificas: Citosol : glucólisis, vía de las pentosas fosfato, síntesis de ácidos grasos Procesos que consumen ATP Las membranas biológicas tienen permeabilidad selectiva (proteínas transportadoras, control por compartimentación) Síntesis El metabolismo puede subdividirse en dos categorías principales: Catabolismo: degradación, procesos oxidativos Anabolismo: síntesis, procesos reductivos La energía (ATP, NADH) generada en la degradación de compuestos complejos es utilizada para la síntesis de los compuestos que la célula necesita ACOPLAMIENTO DE PROCESOS EXERGÓNICOS Y ENDERGÓNICOS!!!!! Vías metabólicas: S A B C D P Son secuencia de reacciones, en las que un sustrato (S) se transforma en un producto (P), pasando por diferentes intermediarios (A, B, C). Son irreversibles, en las condiciones celulares el ΔG real global es negativo y por lo tanto, se producen en una sola dirección. Están reguladas por enzimas claves, ubicadas en puntos unidireccionales y estratégicos de la vía (¤). Esto permite ahorrar sustratos y energía. Están localizadas en compartimentos celulares específicos, dependiendo de las funciones que cumplen. Bibliografía •Voet & Voet. Biochemistry, Ed. John Willey & Sons, 1995, Ed. Médica Panamericana 3a de 2006. •Lehninger, Nelson , Cox. Principios de Bioquímica, Ed. Omega, 2a de 1995 – 3a de 2000 - 4a de 2009. •Matheus, van Holde. Bioquímica, Ed. McGraw Hill, 1998. •Stryer, Bioquímica Vols I y II, Ed. Reverté 4ª Edición, 1995.