INTRODUCCIÓN A LOS METABOLISMOS

Universidad de ChileProgramas de Magíster en Nutrición y Alimentos

Dra. Catalina Carrasco

05 de abril de 2012

REGULACIÓN DE LA ABSORCIÓN Y METABOLISMO DE LOS NUTRIENTES

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INTRODUCCIÓN A LOS METABOLISMOS

Trabajo celularImpulso nervioso

Contracción muscularMovimiento organelos

MACRONUTRIENTES

MATERIA PRIMA COMBUSTIBLE

SÍNTESIS

RESPIRACIÓN CELULAR

ENERGÍA

ENERGÍA CAPACIDAD DE REALIZAR UN TRABAJO

Contenida en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas que

constituyen de los alimentos

CAPACIDAD PARA REALIZAR UNA ACCIÓN QUÍMICA

METABOLISMO

Es el proceso por el cual los sistemas vivosadquieren y usan la energía para llevaradelante las funciones vitales.

Comprende los procesos físicos y químicosinvolucrados en el mantenimiento yreproducción de la vida.

(del griego “metabole”, cambio)

El metabolismo es “el mapa de rutas” demiles de reacciones químicas que ocurren enla célula. Las enzimas dirigen dichas rutasmetabólicas, acelerando diferencialmentereacciones determinadas.

Formación y degradación de las macromoléculas, como:hormonas, neurotransmisores, proteínas, lípidos de membrana,etc.

OBJETIVOS DEL METABOLISMO

Obtención de energía útil (ATP) para la célula, a partir demoléculas orgánicas.

Convertir nutrientes exógenos en precursores demacromoléculas.

Construcción de macromoléculas propias a partir de dichosprecursores.

CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO

1. El producto de una reacción metabólica puede ser el sustrato de otra.Muchas reacciones se encadenan y forman una secuencia ordenada, quese denomina vía o ruta metabólica, como por ejemplo la glucólisis, -oxidación, ciclo de la ornitina, etc. A B C D


- Circulares, como el Ciclo deKrebs, el de la ornitina o el deCalvin, en las que se parte deun metabolito que sufre distintastransformaciones para originardistintos productos y regenerarel metabolito inicial.

-Lineales, en las que se partede un metabolito inicial que seva transformando y origina otrodistinto, (A B C D) comola glucólisis

Las rutas metabólicas puedenser:

2. Cada vía metabólica tiene una finalidad, por ejemplo, la glucólisis es laruta de degradación de la glucosa para obtener energía, el ciclo de Calvinsintetizar monosacáridos en la fase oscura de la fotosíntesis, etc.

Por ejemplo:Citoplasma: Glucólisis, gluconeogénesis,síntesis de triglicéridos y de proteínas(traducción).Mitocondria: Ciclo de krebs, -oxidación,fosforilación oxidativa.Retículo endoplasmático: síntesis delípidos y de proteínas.Núcleo: duplicación y transcripción.


3. Muchas reacciones (vías o rutas)tienen lugar simultáneamente, y paraevitar interferencias entre ellas cadauna ocurre en un compartimientocelular específico, las rutas estáncompartimentalizadas y con ello laeficacia enzimática aumenta.

4. El metabolismo está regulado porenzimas, que son específicas decada metabolito o sustrato yactúan sobre cada rutametabólica. A veces variasenzimas se asocian paraaumentar su eficacia yconstituyen complejosmultienzimáticos como el de lapiruvato deshidrogenasa, queactúa sobre el piruvato al entraren la mitocondria.


Piruvatodeshidrogenasa24 cadenas polipeptídicas,contiene TPP (pirofosfatode tiamina, vitamina B1).Decarboxilación.

Dihidrolipoamidatransacetilasa24 cadenas polipeptídicas,contiene 2 moléculas deácido lipoico. Acetilación.

Dihidrolipoamida deshidogenasa 12 cadenas polipeptídicas, contiene FAD (Flavinadenin dinucleótido). Oxido-reducción

OXIDACIÓN DEL PIRUVATOLa reacción es aparentemente sencilla,

Piruvato + NAD+ + CoA → acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 ΔG´º = - 33.5 KJ/mol

5. La energía desprendida en las reacciones exotérmicas oexergónicas (liberan energía) se utiliza en las endergónicas(consumen energía). Moléculas especializadas, como el ATP.


RESUMEN

2.- Finalidad

1.- Vía o Ruta metabólica


3.- Compartimentalizadas

4.- Regulado por enzimas

5.- Exergónicas o endergónicas

CATABOLISMO ANABOLISMO

METABOLISMO

• Los tres componentes solidos principales (98%) de los alimentos son loscarbohidratos, los lípidos y las proteínas responsables de proveer la casitotalidad de la energia requerida para todas las funciones celulares.

• Los carbohidratos representan cerca del 50-60% de los alimentos sólidosdel ser humano y químicamente se les identifica como polisacáridos.

• El 20% de los alimentos sólidos en el hombre son las proteínas.

• El 20-30% restante son los lípidos, componentes primordiales de losaceites y las grasas, cuyo representante más común son lostriacilglicéridos.


METABOLISMO

ANFIBOLISMO: Reacciones que permiten almacenar la energía.

Liberan energía por ruptura de enlaces químicos de moléculascomplejas a otra más simple. La energía liberada es almacenada en losenlaces fosfato de alta energía del ATP. Pasa de moléculas con altocontenido energético (muy reducidas) a otras con escaso contenido (muyoxidadas).

CATABOLISMO

•Reacciones de degradación o destrucción•Reacciones de oxidación•Desprenden energía•A partir de muchos sustratos distintos, se originan los mismos productos (rutas convergentes)

Consumen energía para construir moléculas de mayor tamaño a partir demoléculas más simples. Se crean nuevos enlaces, para ello es necesario unaporte de energía, el ATP. Las nuevas moléculas son almacenadas paraluego ser utilizadas o formar parte de la célula.

ANABOLISMO

•Reacciones de síntesis o construcción•Reacciones de reducción•Consumen energía•A partir de pocos sustratos distintos, se originan muchos productos distintos (rutas divergentes)


reacciones endergónicas

reacciones exergónicas

FASES DEL CATABOLISMO Y ANABOLISMO

FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandesmacromoléculas se degradan en susmonómeros con enzimas específicas. Ocurrefuera de la célula, como en la digestión. No selibera energia utilizable durante esta primeraetapa.

Fase I

CATABOLISMO

FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandesmacromoléculas se degradan en susmonómeros con enzimas específicas. Ocurrefuera de la célula, como en la digestión.


FASE II “fase intermedia”: Los monómeros sondegradados por procesos específicos hastaAcetil-CoA. Glucólisis, -oxidación,transaminación. Se genera una pequenacantidad de ATP

Fase I

Fase II

CATABOLISMO

FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandesmacromoléculas se degradan en susmonómeros con enzimas específicas. Ocurrefuera de la célula, como en la digestión.


FASE II “fase intermedia”: Los monómeros sondegradados por procesos específicos hastaAcetil-CoA. Glucólisis, b-oxidación,transaminación. Se genera una pequenacantidad de ATP

FASE III “fase final”: El Acetil-CoA es oxidadohasta CO2 y H2O, originando gran cantidad deNADH (poder reductor) y ATP. Ocurre en lamitocondria.

Fase I

Fase II

Fase III

CATABOLISMO

ANABOLISMO

El catabolismo y anabolismo son simultáneos yson interdependientes, pero NO SONexactamente las mismas reacciones en sentidocontrario:•Muchas reacciones catabólicas sonirreversibles.•Las rutas catabólicas y anabólicas puedenlocalizarse en distintos compartimentos•La regulación enzimática es distinta en casitodas los procesos.

ATPADENOSIN TRIFOSFATO

Adenina es una de lascinco basesnitrogenadas. derivadade las purinas, queforman parte del ADN yARN

Ribosa, es una pentosa

Trifosfato

•El ATP no se almacena.•Continuo consumo y producción.

•Se consumen 45 kg de ATP al día, pero la cantidad presente es menor de 1 g.

PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO

La célula puede realizar tres clases principales de trabajodonde se requiere energía:

Batido de cilias yflagelos, contraccióncélulas musculares,fluir del citoplasmadentro de la célula omovimientocromosomas en ladivisión celular.

Bombeo sustancias e iones através de la membrana en contrade la dirección del movimientoespontáneo.

Impulso de reaccionesendergónicas, que no ocurriríanespontáneamente

ATP

El ATP participa en la activación de unmetabolito para que pueda reaccionaren una vía metabólica, se hace con lafosforilación de dicha molécula.

PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO

En el paso de la glucosa a glucosa-6-fosfato para iniciar la glucólisis.

SÍNTESIS DE ATP

ADP Pi ATP+

Fosforilación del ADP

Acumula energíaformando enlaces de alta

energía.

Acoplado a reacciones exergónicas

(fosforilación oxidativa)

Proceso no espontáneo

SÍNTESIS DE ATP

Directa: fosforilación a nivel de sustrato:cuando un sustrato (X~p) dona su p alADP para hacer ATP

Glucólisis

Un sustrato rompe algúnenlace rico en energía,ésta se libera y seaprovecha para fosforilarel ADP.

SÍNTESIS DE ATP

Indirecta: fosforilación oxidativa:Acoplada al transporte electrónico en la membrana interna de la mitocondria.

REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN

OXIDACIÓN: pérdida de un electrón (o un átomo de H).

El átomo o molécula que pierde el electrón se ha oxidado.

En las reacciones químicas la energía se “conduce” a través de los enlaces

químicos, por medio de los electrones, pasando por distintos niveles de

energía. Reacciones de oxidación-reducción (REDOX).

REDUCCIÓN: ganancia de electrones (o un átomo de H).

El átomo o molécula que pierde el electrón se ha reducido.

La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que

pierde un átomo es aceptado por otro.

Cuanto mayor sea el contenido en H de uncompuesto (cuánto más reducido esté)mayor es su contenido energético y másenergía se puede sacar de él.

Los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más energía que la glucosa (C6H12O6) y ésta mucho másque el CO2 (sin hidrógenos, es la forma más oxidada del carbono).

Cuanto más oxidada esté unasustancia menos energía contiene.

Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+), Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+)

Flavina adenina dinucleótido (FAD).

Son nucleótidos que actúan como coenzimas de enzimas deshidrogenasas uoxidasas y participan en el metabolismo como moléculas transportadoras deelectrones en reacciones de oxido-reducción.

Forma oxidada:NAD+

NADP+

FAD

Forma reducida: NADH + H+

NADPH + H+

FADH2

Succinato es convertido a fumarato por la pérdidad de doselectrones y dos protones.Reacción de oxidación, ocurre en la mitocondria, en el ciclo delácido cítrico, acoplada a la reducción de FAD a FADH2

Electrones viajan acompañados de un H+: transferencias de H

EJEMPLO DE REACCIÓN DE OXIDACIÓN

GLUCOLISIS4 ATP

2ATP2 NADH

2 H2O

OXIDACIÓN DEL PIRUVATO 2 NADH

6 NADH

2 ATP

4 CO2

CICLO DE KREBS(Ciclo del citrato)2 H2O

2 CO2

2 FADH2

Glucosa

10 NADH

2 FADH2

4 ATP

¿Para qué sirve la generación de NADH en el metabolismo de la glucosa?

Membrana Interna

TERMODINÁMICA

ESTUDIO DE LA ENERGÍA

La energía puede convertirse deuna forma en otra, pero no se puedecrear ni destruir. Al variar la energíainterna en un sistema cerrado, seproduce calor y un trabajo. “Laenergía no se pierde, sino que setransforma”.

Primera Ley Segunda Ley

TERMODINÁMICA

ESTUDIO DE LA ENERGÍA

La Segunda Ley de la Termodinámica

energía potencial del estado final

energía potencial del estado inicial >

energía cinética

TRABAJO

ENTROPÍA (S) magnitudfísica energía que no puedeutilizarse para producir untrabajo.

grado de desorden de unsistema

En la naturaleza, el desorden es un estado más probable que el orden

ENERGÍA POTENCIALENLACE QUÍMICO

Energía disponible para el trabajo se denomina ENERGÍA LIBRE O ENTALPÍA (G)

G = H - TS

No toda la energía almacenada enun sistema (H) está disponiblepara el trabajo. Energía total delsist.

El desorden delsistema, se resta a laenergía total. Entropía

Capacidad delsistema pararealizar trabajo útil.Energía libre

REACCIÓN QUÍMICA

CALOR TRABAJO

Temperatura, en grados Kelvin

Entropía (S) tiende a crecer constantemente.

¿Puede un proceso puede ocurrir espontáneamente?

H -G = T S

ENERGÍA LIBRE (G)

El sistema debe ceder energía

Perder orden, ganar desorden

PROCESO ESPONTÁNEO

Valor negativo

Cuando los cambios en H o en S son grandes, G tiene un valor negativo

(1) Glucosa + Pi → glucosa 6-fosfato + H2O ΔG´º = 3 Kcal / mol

ATP + glucosa → ADP + glucosa 6-fosfato ΔG = - 4,3 Kcal / mol

(2) ATP + H2O → ADP + Pi ΔG´º = - 7,3 Kcal / mol

ENERGÍA LIBRE (G)

La energía desprendida en una reacción se utiliza en otra.

Si un proceso químico es exergónico en una dirección, entonces el

proceso inverso debe ser endergónico.

G negativo G positivo

- Almacenan más G en las moléculas- Los reactantes pierden G

- No son espontáneas - Espontáneas

- Reacción exergónica - Reacción endergónica

- Liberación neta de energía libre. - Toman energía de su entorno

ENERGÍA LIBRE (G)

Las enzimas acoplan la combustiónespontánea de los alimentos a reacciones

que producen

ATP

El ATP transfiere la energía liberada por la ruptura de las uniones químicas en

los procesos exergónicos hacia las reacciones endergónicas.

ACOPLAMIENTO ENERGÉTICO

Modelo mecánico que ilustra el principio de acoplamiento de reacciones

A) Oxidación directa deglucosa a CO2 y H2O, queproduce sólo calor

B) En la misma reacción está acopladaa una segunda reacción comoproducción de ATP (balde de agua),

C) El ATP producido puedeservir para otro procesocelular.

Los procesos metabólicos se organizan en:Vías Metabólicas

Transformación de un sustrato inicial en un producto final a través de reacciones intermediarias.

Cada una de las reacciones está catalizada por una enzima diferente

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter8/animations.html#

ENZIMAS

Todas las reacciones que se efectúan en los seres vivos son catalizadas por enzimas.

- Acelera el transcurso de unareacción química, sin interveniren ella ni como reactivo ni comoproducto.

- No provoca la reacción sóloafecta la velocidad con queocurre la misma.

- Los catalizadores disminuyen laenergía de activación

Perfil de una reacción exergónica

Con enzima

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS

(FAD+)

FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS¿Cómo se regula una vía metabólica?

1.- Suministro de Nutrientes (sustratos)

La velocidad de la reacción

Vía muy activa


La velocidad aumenta en formalineal (zona proporcional).

La velocidad aumenta en formano lineal (zona mixta).

Vmax es constante, independiente de la cantidad desustrato (zona de saturación).

Esto ocurre debido a que los sitiosactivos de las enzimas seencuentran todos interactuando conlas moléculas de sustrato, por lotanto hasta que no finalice lareacción la enzima no puede unirsea otro sustrato.

¿Qué ocurriría con la Vmax si se aumenta la concentración de enzima?

1.- Suministro de Nutrientes (sustratos)


2.- Regulación de la actividad enzimática2.1. Temperatura

CALOR

Energía cinética de las moléculas

Velocidad de las reacciones

Óptima

Desnaturalización


2.- Regulación de la actividad enzimática2.2. Inhibición por producto final

Retroalimentación negativa (feedback negativo) en una ruta metabólica.

Cuando el producto final Z se acumula, inhibe alguno de los

primeros pasos de la ruta.


2.- Regulación de la actividad enzimática2.3. Alostérica

capaz de reconocer efectores MODULAR LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS

Efectores positivos Efectores negativos

– Actividad enzimática controlada por el enlace depequeñas moléculas a la enzima en un sitio diferenteal sitio activo (Activador o Inhibidor)– No alteran químicamente a la enzima que regulan– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción


2.- Regulación de la actividad enzimática2.3. Alostérica

Inhibidor

Activador


2.- Regulación de la actividad enzimática2.4. Modificación covalente

Enzima(Inactiva)

Enzima(Activa)

P

ATP ADPKinasa

– Esta modificación puede ser reversible o irreversible

– Es siempre mediada por otra enzima

– Puede resultar en un incremento o disminución de la actividad de la enzima

– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción



Enzima(Inactiva)

Enzima(Activa)

P

ADPATPFosfatasa

– Esta modificación puede ser reversible o irreversible

– Es siempre mediada por otra enzima

– Puede resultar en un incremento o disminución de la actividad de la enzima

– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción



FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

¿Cómo se regula una vía metabólica?

3.- Regulación de la cantidad enzimática

Involucra el control a nivel del ADN.

El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de

proteínas de acuerdo al siguiente flujo de información:

-La actividad enzimática está regulada por la concentración de enzima en la célula

- Las enzimas pueden ser constitutivas o inducibles (su concentración incrementa

dependiendo de las necesidades metabólicas)

FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

¿Cómo se regula una vía metabólica?

4.- Carga energética

El contenido de la célula de compuestosadenilados como AMP, ADP sonconstantes.

La cantidad de energía presente en lacélula está en relación con ATP y ADP. ElATP es el doble de ADP.

La carga energética tiene efecto sobrealgunas enzimas y éste proviene de lafunción enzimática en el uso ogeneración del ATP.

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•Controla el flujo de carbono a través de la glucólisis

•Etapa esencialmente irreversible

GLUCÓLISIS

•Estimulada por ADP y AMP.

•Inhibida por ATP

Acetil CoA

•Etapa esencialmente irreversible

•Estimulada por ADP y AMP

•Es inhibida por acetil CoA, NADH y ATP

•Controla la rapidez con la que funciona el ciclo de Krebs

4.- Carga energética

RESUMEN

Regulación de las vías metabólicas

2.- Regulación de la actividad enzimática (rápido)2.1. Temperatura

2.2. Inhibición por producto final2.3. Alostérica

2.4. Modificación covalente (fosforilación ydesfosforilación)

1.- Suministro de nutrientes (sustratos)

3.- Regulación de la cantidad enzimática (lento)

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