Tema N° N° 7 Introducción al Metabolismo Intermediario
Objetivo: comprender la manera en a que las células llevan a cabo y regulan las complejas secuencias de reacciones químicas.
Rutas metabólicas Flujo metabólico
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Metabolismo intermediario ◦ Almacenamiento y generación de energía metabólica. ◦ Utilización de energía metabólica para generación de compuestos (no implican información molde de ADN).
Metabolismo energético ◦ Parte del metabolismo intermediario que almacena o genera energía metabólica.
Todos los seres vivos reciben materia y energía del medio que los rodea y desprenden materia y energía. La materia es recibida en forma de moléculas (o iones), útiles para generar los constituyentes celulares, por medio del proceso de la nutrición. Un ser vivo adulto, en situación de reposo, reintegra al medio ambiente, en 24 horas, una cantidad de materia igual a la que recibe.
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La materia que reintegra al medio es la que no incorpora a sus propias moléculas, o bien la que no es capaz de proporcionarles energía para sus funciones celulares. La química celular esta basada en los compuestos del carbono. Si se incluye el agua, el carbono y hidrógeno representan el 28% del peso del cuerpo humano; excluida el agua, el carbono constituye el 50% y el hidrógeno el 10% del peso corporal.
De acuerdo con la capacidad de los organismos para sintetizar o no sus propias moléculas a partir de materiales inorgánicos, estos se han clasificado en: autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos emplean dióxido de carbono (CO2) como la fuente de carbono para construir los esqueletos de todas sus moléculas. Algunos ejemplos son las células fotosintéticas y algunas bacterias.
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Los heterótrofos deben obtener el carbono en forma de moléculas orgánicas complejas como la glucosa, tal como sucede con los animales superiores y la mayoría de los microorganismos.
Los autótrofos tienden a ser autosuficientes, mientras que los heterótrofos dependen para su subsistencia de las moléculas sintetizadas por los autótrofos.
ENERGÍA SOLAR
NECESIDAD DE AGUA Y CO2
FOTOSÍNTESIS
LIBERACIÓN DE AGUA Y CO2
RESPIRACIÓN CELULAR
PRODUCCIÓN DE OXÍGENO Y CARBOHIDRATOS
NECESIDAD DE OXÍGENO Y CARBOHIDRATOS
ENERGÍA DISPONIBLE PARA LAS FUNCIONES CELULARES
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La energía la obtienen de los alimentos y la emplean para realizar todas sus funciones, aunque parte de ella se disipa como calor en el medio. Experimentalmente la cantidad de energía recibida (en forma de luz o molécula que al oxidarse liberan esta energía) es igual a la cantidad de energía usada por la célula para sus funciones, más la cantidad de energía disipada.
De acuerdo con las leyes de la termodinámica, la “calidad” de la energía recibida es diferente de la disipada; la que se recibe es útil para efectuar un trabajo, pero no así la que se disipa en forma de calor. Sin embargo, si se cumple la segunda ley de la termodinámica: el conjunto ser vivo y medio que lo rodea (incluye el sol) tiende a la mayor estabilidad, a almacenar el mínimo de energía útil para realizar trabajo.
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El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas en las células.
Una idea más completa del metabolismo es la de una actividad celular altamente coordinada, con intencionalidad, con orientación (vectorial), en la que intervienen multitudes de sistemas enzimáticos y en la cual se intercambia materia y energía con el medio ambiente.
Al metabolismo se le han asignado cuatro funciones especificas: o Obtener energía química, ya sea de la luz solar o de los alimentos. o Convertir nutrientes en componentes celulares. o Ensamblar esos componentes en macromoléculas propias de la célula. o Formar y degradar moléculas requeridas para funciones celulares especializadas.
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El anabolismo es la fase de síntesis, en el se forman precursores y se unen para generar los componentes de la célula; es una fase que requiere energía química. Son reacciones no espontáneas y endotérmicas.
El catabolismo es la fase de degradación. Las grandes moléculas de los alimentos se fragmentan, se oxidan y liberan energía. Son reacciones espontáneas y exotérmicas.
La molécula por excelencia, que transfiere la energía química liberada en el catabolismo hacia las reacciones propias del anabolismo, se conoce como adenosintrifosfato o ATP.
El ATP sirve de “puente” energético entre el catabolismo, donde se produce y el anabolismo, donde se consume.
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Los tres componentes sólidos principales de los alimentos son los glúcidos, los lípidos y las proteínas, responsables de proveer la casi totalidad de la energía requerida para todas las funciones celulares. Los carbohidratos representan cerca del 50-60% de los alimentos sólidos del ser humano y químicamente se los incorpora como polisacáridos. El 20% de los alimentos sólidos en el hombre son las proteínas, abundantes en la leche, los huevos y las carnes. El 20-30% restante son los lípidos, componentes primordiales de los aceites y las grasas.
La degradación de los polisacáridos, las proteínas y los lípidos se realizan a través de una serie de reacciones que se organizan en tres etapas. En la primera, las grandes moléculas se degradan en sus monómeros. Los polisacáridos dan monosacáridos; los lípidos dan glicerol, ácidos grasos y otras moléculas; y las proteínas dan lugar a los aminoácidos. No se libera energía utilizable durante esta primera etapa.
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En la segunda etapa, todo ese gran número de pequeñas moléculas formadas en la primera son degradadas a unas cuantas moléculas más sencillas que juegan un papel central en el metabolismo.
La tendencia es converger hacia la molécula llamada Acetil-Coenzima A (Acetil CoA). Durante esta segunda etapa se genera una pequeña cantidad de ATP.
En la tercera etapa se oxida la molécula de Acetil CoA y se convierte en agua y dióxido de carbono. La mayor producción de ATP obtenida de los alimentos se genera en esta tercera etapa.
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La conversión de las hexosas en Acetil CoA se efectúa en la glucolisis y en el complejo piruvato deshidrogenasa.
La transformación de los ácidos grasos en Acetil CoA se lleva a cabo en la β-oxidación.
A partir de los aminoácidos, varias rutas distintas generan Acetil CoA e intermediarios del ciclo de Krebs, comprendiendo reacciones de transaminación y desaminación.
Finalmente, la vía metabólica conocida como fosforilación oxidativa es la principal responsable de generar el ATP a partir del ADP y el fosfato (Pi), con la participación de la cadena de electrones donde los equivalentes de reducción (NADH y FADH2) aportan los electrones e hidrógenos necesarios para la generación de ATP, y junto con el oxígeno, además forman agua.
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El anabolismo también puede estudiarse en tres etapas. En la tercera de estas, se generan pequeñas moléculas precursoras, las cuales se convierten, a lo largo de la segunda etapa, en los bloques de construcción (los monómeros) de las macromoléculas propias de la célula. Finalmente, en la primera etapa se ensamblan estos monómeros para generar las macromoléculas.
En las tres etapas anabólicas, especialmente en la primera, se requiere de energía en forma de ATP. La generación de polisacáridos ocurre con el acoplamiento de la gluconeogénesis y glucogenogénesis. La producción de ácidos grasos se conoce como lipogénesis. La formación de proteínas a partir de aminoácidos se identifica como ureogénesis.
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Tres niveles de complejidad
Las vías o caminos catabólicos no son el reverso de los anabólicos y viceversa.
Ello permite una regulación independiente de cada vía.
Con frecuencia también los caminos anabólicos y catabólicos suceden en lugares diferentes de las células, las mitocondrias y el citoplasma celular.
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Representa el control de todas y cada una de las vías metabólicas. Cada vía metabólica es una unidad funcional que parte de un sustrato y termina con la formación del producto final de la vía. Incluye la conversión química sucesiva de una molécula en otra, hasta la formación de dicho producto final. Cada vía metabólica tiene por lo menos una enzima clave de cuyo funcionamiento depende el flujo de moléculas a través de la vía metabólica completa.
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En las células eucariotas la respiración se realiza en la mitocondria y se da en tres etapas: Etapa 1: generación de un fragmento activado de dos átomos de carbono, el grupo acetilo de la Acetil-CoA (PDH para glúcidos, β-oxidación para lípidos y desaminaciones y transaminaciones para aminoácidos). Etapa 2: oxidación total de estos dos átomos de carbono en el ciclo de Krebs. Etapa 3: transporte electrónico, en dónde los equivalentes de reducción vuelven a oxidarse, y fosforilación oxidativa encargada de la síntesis de ATP.
Primera Etapa
Segunda Etapa
Tercera Etapa
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En condiciones anaerobias, las células animales reducen el piruvato a lactato (1), en las levaduras a etanol (2).
En condiciones aerobias, el piruvato ingresa a la matriz mitocondrial y es convertido a acetilCoenzima A (3) para llevar estos carbonos a su estado de oxidación total en el ciclo de Krebs.
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La conversión del piruvato a Acetil-CoA por la acción de la Piruvato Deshidrogenasa es un punto crítico del metabolismo, particularmente en el hígado, puesto que disminuye la posibilidad de que el piruvato se reconvierta en glucosa o en ácido láctico.
La conversión a Acetil-CoA compromete al piruvato a entrar al Ciclo de Krebs, donde puede ser utilizado como sustrato para la fosforilación oxidativa, o puede ser convertido a citrato para ser exportado al citosol y servir como sustrato para la biosíntesis de ácidos grasos e isoprenoides.
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Es un sistema complejo formado por 60 unidades en los procariotas, 102 en los eucariotas, organizadas en 3 unidades enzimáticas funcionales. En eucariotas además contiene pequeñas cantidades de una quinasa y de una fosfatasa que regulan la actividad de E1. El complejo está formado por tres enzimas, cada una de las cuales requiere un conjunto de coenzimas específicas: o Piruvato deshidrogenasa (TPP, grupo prostético). o Dihidrolipoil Transacetilasa (Ác. Lipoico, grupo prostético y CoA). o Dihidrolipoil Deshidrogenasa (FAD, grupo prostético y NAD+).
En las células eucariotas la descarboxilación del piruvato para producir Acetil-CoA, se realiza dentro de las mitocondrias. Esto requiere que el piruvato formado en el citosol sea transportado a través de la membrana mitocondrial. Una vez dentro de la mitocondria el piruvato es rápidamente descarboxilado y convertido en Acetil-CoA. Esta reacción es irreversible y atrapa la Acetil-CoA en el interior de la mitocondria ya que este compuesto no puede atravesar la membrana mitocondrial. En los procariotas, que no tienen mitocondrias, esta descarboxilación se realiza en el citosol.
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Rendimiento Energético
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Regulación Covalente
Regulación Alostérica
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También llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, es una serie de reacciones químicas de gran importancia, que forman parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir que utilizan oxígeno.
Es la ruta oxidativa central de la respiración, el proceso mediante el cual se catabolizan todos los combustibles metabólicos (hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos) hasta producir CO2 y liberando energía en forma utilizable (equivalentes de reducción y ATP).
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Es considerado el embudo del metabolismo, y consiste ocho reacciones enzimáticas, todas ellas mitocondriales en los eucariontes (tiene lugar en la matriz mitocondrial) y citoplasmáticas en células procariotas.
El ciclo de Krebs siempre es seguido por la cadena de electrones y la fosforilación oxidativa.
Al ser la vía central del catabolismo aerobio, y además una fuente importante de intermediarios de vías biosintéticas, se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.
Las reacciones que forman intermediarios del ciclo se conocen como reacciones anapleróticas.
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Segunda Etapa
Primera Etapa
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Rendimiento Energético
Regulación Alostérica
Regulación Alostérica
Regulación Alostérica
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Este ciclo permite la conversión de fragmentos de dos carbonos (acetil-CoA) en hidratos de carbono. Es una variación del ciclo de Krebs y tiene lugar en plantas y en microorganismos.
Mediante su funcionamiento estos organismos pueden convertir los fragmentos dicarbonados del acetil-CoA en intermediarios de cuatro carbonos (succinato), útiles para incorporarse a la gluconeogénesis (biosíntesis de glucosa) o a otras rutas biosintéticas.
La principal diferencia con el ciclo de Krebs es que a partir de isocitrato se obtiene succinato, evitando así las dos descarboxilaciones y la formación del GTP.
El glioxisoma es la organela en dónde sucede la primera parte del ciclo y lleva a cabo también la β-oxidación. Una vez formado el succinato se transporta hasta la mitocondria para producir finalmente el oxalacetato (segunda parte del ciclo) que se utilizará para generar glúcidos.
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Una célula eucariota típica contiene aproximadamente 2000 mitocondrias, cada una del tamaño aproximado de una bacteria.
La membrana mitocondrial interna está muy invaginada y contiene un sistema complejo de enzimas y cofactores que producen ATP, la molécula-moneda de energía celular usada por todas las formas de vida.
Dado que las células procariotas carecen de mitocondrias, todos los transportadores electrónicos y las enzimas de la fosforilación oxidativa están unidas a la membrana interna de la superficie celular.
Los transportadores utilizados son diferentes a los vistos.
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Contiene unas 40 proteínas, de las que unas 15 están implicadas en el transporte de electrones. Hay tres complejos proteicos transmembrana (I, III y IV), otro periférico (II) y dos transportadores móviles (Coenzima Q, Citocromo c) formando parte de la cadena de transporte electrónico mitocondrial. Al mismo tiempo en que se transportan los e- se traslocan H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. Sin este gradiente de H+, no podría sintetizarse ATP en el Complejo V.
El Complejo I tiene proteínas, un mononucleotido de flavina (FMN) y centros Fe-S. El NADH transfiere 2 e- al FMN para formar FMNH2 reducido y NAD+. FMNH2 pasa sus e- a una serie de 6 ó 7 clusters Fe-S y éstos los pasan al transportador móvil ubiquinona o Coenzima Q, reoxidando al FMN. Cuando la transferencia de e- es completa, CoQH2, molécula no polar, difunde dentro de la membrana. Durante la transferencia de e-, el complejo I bombea H+ al espacio intermembranoso.
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El Complejo II también posee centros Fe-S que reciben los e- del FADH2 y éstos los pasan al transportador móvil ubiquinona o Coenzima Q, reoxidando al FAD. Ya que el potencial estándar de reducción del FADH2 es solo ligeramente menor que el de la CoQ, el complejo II no bombea ningún H+ fuera de la matriz. Por esto se genera un ATP menos cuando la cadena comienza por el FADH2 respecto a cuando comienza por el NADH.
Los e-, que entraron en la cadena por el Complejo I y por el Complejo II, y que lleva la CoQH2 son transportados hasta el Complejo III y depositados en los citocromos b y c1 que se encuentran en el complejo, junto con los centros Fe-S. Así se reoxida la CoQ y los e- serán llevados hasta el Complejo IV, a través del Citocromo c. Durante la transferencia de e-, el Complejo III bombea H+ al espacio intermembranoso.
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El Citocromo c reducido pasa sus e- a los citocromos a y a3 (que contienen Fe y Cu) del Complejo IV.
Finalmente se transfieren los e- al O2 molecular, para reducirlo a moléculas de H2O.
Durante la transferencia de e-, el Complejo IV bombea H+ al espacio intermembranoso.
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Los e- son transportados a través de la cadena, mientras que los H+ se transfieren desde la matriz al espacio intermembranoso. La energía libre liberada por las reacciones redox se almacena en el gradiente de H+ acumulado en el espacio intermembranoso. Los H+ serán de nuevo transferidos hacia la matriz a través de una proteína ATP Sintasa, lo que conduce a la síntesis de moléculas de ATP.
Es un complejo proteíco formado por muchas subunidades organizadas en dos estructuras con forma diferenciada: posee una zona esférica, llamada fracción F1 dirigida hacia la matriz mitocondrial, y otra parte canal, la fracción F0, integrado en la membrana interna mitocondrial.
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La fracción F0 corresponde al canal protónico. Es la encargada del bombeo de H+ hacia la matriz mitocondrial.
La fracción F1 contiene las unidades catalíticas de la ATPasa, que permite sintetizar el ATP a partir del ADP y Pi.
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Las 3 unidades β de la ATP Sintasa no son equivalentes. Según va girando el complejo F0 por el paso de H+ las unidades β cambian de conformación: L, T y O. o o o
L: une ADP y Pi y es catalíticamente inactiva. T: sintetiza ATP, es catalíticamente activa. O: libera ATP.
Por cada fosfato que se une al ADP para dar ATP se requiere energía que liberan los electrones, que son aceptados finalmente por el ½ O 2 con la consecuente formación de H2O.
De esta forma se puede establecer una relación entre el fósforo y el oxígeno P/O, que se refiere a cuantas moléculas de fosfato son fijadas en relación a la cantidad de oxígeno consumido.
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Los electrones desde el NAD al O2 liberan energía suficiente para generar 3 ATP y consumen ½O 2 para formar H2O. En esta condición la relación P/O = 3/1. Los electrones desde el FAD al O2 liberan energía suficiente para generar 2 ATP y consumen ½O 2 (1 O) para formar H2O. En esta condición la relación P/O = 2/1. El resultado neto es que por cada NADH es posible generar 3 ATP, mientras que por cada FADH2 es posible generar 2 ATP.
Fosforilación Oxidativa
Cadena de Electrones
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BLANCO, A. Química biológica. Séptima edición. Editorial El Ateneo. RIGALLI, A. Química Biológica. Fundamentos y concepto. Editorial Corpus. DEVLIN, T. Bioquímica, libro de texto con aplicaciones clínicas. 3ª Edición. Editorial Reverté. MATHEWS C., VAN HOLDE K. Bioquímica. Interamericana Mc Graw- Hill. MURRAY R., GRANNER D., MAYES P., RODWELL V. Bioquímica de Harper. Ed. El Manual Moderno.
Las presentaciones en Power Point son simplemente orientativas acerca de los contenidos desarrollados. Las mismas deben ampliarse con la bibliografía sugerida por los docentes.
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