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bioquimica
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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.