METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA
BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14
METABOLISMO
Estudio de las reacciones bioquímicas
que se llevan a cabo, incluidas su
coordinación, regulación y
necesidades energéticas.
La energía que necesitan los
organismos no fotosintéticos llega en
forma de nutrientes orgánicos: grasas y
carbohidratos.
En los organismos fotosintéticos la
fuente de energía es la luz
Ambas clases de organismos
transforman una energía en otras formas
de energía que luego utilizan en la
biosítensis, transporte de nutrientes y
otros procesos dependientes de energía.
• Los organismos autótrofos pueden utilizar
el CO2 como única fuente de carbono.
• Los organismos heterótrofos obtienen la
energía de complejos compuestos de
carbono como carbohidratos y grasas.
METABOLISMO INTERMEDIARIO
Combinación de reacciones químicas que se
llevan a cabo en una célula implicando
procesos de degradación y síntesis y
generando productos (intermediarios) en
cada etapa de la reacción
METABOLITOS
Compuestos formados como intermediarios
durante las reacciones en las rutas
metabólicas.
RUTAS METABÓLICAS
Secuencia de reacciones bioquímicas que
tienen un proceso específico.
Por ejemplo, la ruta metabólica de la
glucólisis ( degradación de glucosa en
piruvato).
FORMAS QUE PUEDEN SEGUIR
LAS RUTAS METABÓLICAS
• Lineal (glucólisis)
• Ramificada (síntesis de aminoácidos)
• Cíclica (ciclo del ácido cítrico)
• Espiral (degradación de ácidos grasos)
LAS DOS GRANDES RUTAS DEL
METABOLISMO
• Catabolismo: Ruta de degradación del
metabolismo donde las moléculas
biológicas complejas se transforman en
moléculas más simples.
• Anabolismo: Ruta de biosíntesis, donde
se construyen biomoléculas a partir de
moléculas precursoras más simples
CARACTERÍSTICAS DEL
CATABOLISMO
• El catabolismo tiene como características
utilizar reacciones de oxidación
• En este proceso se libera energía libre que
luego se captura en forma de ATP
• Producción de cofactores reducidos NADH,
NADPH, FADH2
• Convergencia de vías
CARACTERÍSTICAS DEL
ANABOLISMO
• El anabolismo utiliza reacciones de
reducción.
• Necesita energía que es aportada por
moléculas de ATP, NADH y NADPH
• Producción de cofactores oxidados NAD+,
NADP+, FAD
• Divergencia de rutas
ETAPAS DEL CATABOLISMO:
ETAPA 1
• Degradación de macromoléculas en sus
componentes
• Ruptura hidrolítica de enlaces químicos sin
liberación de energía útil.
ETAPAS DEL CATABOLISMO
ETAPA 2
• Oxidación de componentes en un
metabolismo común: Acetil CoA
• El acetil CoA entra al ciclo del ácido cítrico.
ETAPAS DEL CATABOLISMO
ETAPA 3
• Producción de ATP mediante fosforilación
oxidativa
ASPECTOS QUÍMICOS
TIPOS DE REACCIONES
• Reacciones de oxidación reducción
• Reacciones de transferencia de grupo
• Reacciones de hidrólisis
• Reacciones de ruptura no hidrolítica
• Reacciones de isomerización y rearrreglo
• Reacciones de formación de enlaces dobles
donde se utiliza ATP
REACCIONES DE OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
• Transferencia de electrones
• Tipo de enzima: Oxidorreductasas
(deshidrogenasas)
• Los procesos bioquímicos redox habitualmente se
verifican en los átomos de carbono de los sustratos.
• Cuando un centro de carbono u otro grupo funcional
o átomos se oxida, otras moléculas o átomos deben
aceptar los electrones cedidos y reducirse.
REACCIONES DE OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
• Muchas de las reacciones bioquímicas de oxido-
reducción están acopladas a los pares redox de
coenzimas NAD+/NADH, NADP+/NADPH y
FAD/FADH2.
• Los iones metálicos, principalmente las parejas
redox de cobre y hierro, se asocian con
coenzimas y otras proteínas, que también
funcionan como agentes oxidantes y reductores.
Reacción 6 de la glucólisis
REACCIONES DE
TRANSFERENCIA DE GRUPO
• Transferencia de un grupo funcional de una molécula
a otra o dentro de una misma molécula.
• Tipo de enzima: Transferasas.
• El grupo fosforilo es uno de los grupos bioquímicos
transferidos más importantes y casi siempre se
origina del ATP.
• En las reacciones bioquímicas también se transfieren
otros grupos como acilo, glucocilo
Grupo acilo
Reacción 1 de la glucólisis
Reacción 6 de la glucólisis
Reacción 7 de la glucólisis
RUPTURA HIDROLÍTICA
• Ruptura de enlaces por medio de agua
• Tipo de enzimas: hidrolasas
• En este tipo de reacciones se utiliza agua para
separar una molécula en otras dos distintas.
Estas reacciones abundan en el metabolismo y
las más comunes son las rupturas de ésteres,
amidas y enlaces glucosídicos.
Enlace peptídico
RUPTURA NO HIDROLÍTICA
• Ruptura de una molécula por procesos no hidrolíticos
• Tipo de enzima: liasas
• Las reacciones más frecuentes de este tipo es la
ruptura del enlace carbono-carbono.
• Las reacciones de ruptura no hidrólítica también
incluyen la adición de grupos funcionales en dobles
enlaces o la eliminación de grupos funcionales para la
formación de dobles enlaces.
ISOMERIZACIÓN Y REARREGLO
• Redistribución de grupos funcionales para
formar isómeros
• Tipo de enzimas: isomerasas
FORMACIÓN DE ENLACES
UTILIZANDO ENERGÍA DEL ATP
• Formación de enlaces carbono-carbono o de otro
tipo con energía del ATP.
• Tipo de enzimas: ligasas o sintetasas
• Categoría de reacciones donde se forman enlaces
bioquímicos con energía del ATP.
• Ejemplos: reacción de carboxilación del piruvato y
síntesis de citroil CoA en el ciclo del ácido cítrico
CONCEPTOS DE BIOENERGÉTICA
CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• El metabolismo es un proceso de
transformación de energía donde el
catabolismo proporciona energía para el
anabolismo.
• La forma de intercambio de energía es el
ATP, el transportador universal de energía
CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• El proceso global del catabolismo libera
energía (es espontáneo).
• El proceso global del anabolismo necesita
del suministro de energía.
CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• Es una medida de la energía disponible para
hacer trabajo útil, tal como dirigir una reacción
desfavorable hasta completarla
CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
ESTÁNDAR
• Cambio de energía que se verifica cuando una
reacción procede hacia el equilibrio en condiciones
estándar.
• Las condiciones estándar para las reacciones de
soluto se definen como:
– 1 atm de presión
– Temperatura de 25ºC
– Concentración inicial de reactivos y productos de 1 M.
CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
ESTÁNDAR MODIFICADO
• Define la diferencia entre el contenido de
energía de los productos y el contenido de
energía de los reactivos en condiciones
estándar más un pH de 7.
• Conociendo el signo y el valor del cambio de
energía libre estándar modificado se puede
predecir si una reacción es favorable.
CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
Proceso por el cual se genera ATP en el
catabolismo y se utiliza en el anabolismo y
en otros procesos que requieren energía
ESTRUCTURA QUÍMICA DEL ATP
• Enlaces fosfoanhidros: 2
• Grupos fosforilos: 3
• Enlaces fosfoéster: 1
• Enlaces N-glucosídico: 1
• Neutralización de cargas negativas: Mg2+
CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• El reciclamiento de ATP se puede representar
apropiadamente con la reacción de transferencia
de un grupo fosforilo.
• En términos químicos, esta reacción implica la
transferencia de un grupo fosforilo del ATP al
agua.
• También puede definirse como la hidrólisis de
un enlace fosfoanhidrido.
CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• Si el valor del cambio de energía libre estándar
modificado se calcula al mezclar reactivos y
productos en concentración de 1M en
condiciones estándar se encuentra que las
concentraciones en el equilibrio del ATP y H2O
son tan bajas que no es posible medirlas
experimentalmente, por lo cual es imposible
calcular la constante de equilibrio para estas
condiciones.
CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• Para medir el cambio de energía libre estándar
modificado para la reacción de transferencia del
grupo fosforilo del ATP al agua se utiliza el
siguiente concepto termoquímico:
– Los valores de ΔGº’ para las reacciones que están
acopladas son aditivos.
Glucosa 6-fosfato + H2O ↔ glucosa + Pi
ΔGº’ = -13.8 KJ/mol
EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS
REACTIVAS
• Durante la reacción de transferencia de un
enlace fosfoanhidrido:
– Los enlaces anhídrido son relativamente
reactivos, es decir, liberan energía durante su
ruptura.
– Para la hidrólisis del ATP también se puede
decir que los productos (ADP y Pi) están en un
nivel de energía menor que los reactivos (ATP
y H2O).
EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS
REACTIVAS
• Los productos ADP y Pi se vuelven menos
reactivos (más estables) debido a:
– Estabilización por resonancia
– Menor repulsión de carga
• El ATP y el ADP se definen a menudo como
moléculas reactivas o altas en energía, esto
quiere decir que tienen una gran tendencia a
transferir grupos fosforilos.
Cofactores
• Componente de bajo peso molecular no proteico de
las enzimas, iones metálicos o coenzimas, que son
necesarias para la actividad de la enzima
determinada.
Coenzima
• Componente no proteico de las enzimas que
durante la consecución de reacciones catalizas
enzimáticamente actúan directamente y sufren una
serie cíclica de reacciones durante el cambio de
cada molécula sustrato.
Apoenzima
• El término apoenzima se utiliza para definir a la
holoenzima sin el cofactor. Es la parte proteica
de una enzima de la cual se ha separado el
cofactor
Holoenzima
• Empacado molecular completo de proteína y
cofactor se le llama holoenzima.
METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA
BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14