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.

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