Metabolismo Bioquímica

TERMODINAMICA Y TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICABIOENERGÉTICA

La La bioenergéticabioenergética es el estudio de es el estudio de las transformaciones de las transformaciones de energíaenergía que tienen lugar en la que tienen lugar en la célulacélula, y de , y de la naturaleza y función de los la naturaleza y función de los procesos químicos en los que se procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la cuales siguen las leyes de la termodinámicatermodinámica

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICAPRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

PRIMER PRINCIPIOPRIMER PRINCIPIO::““ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO PERMANECE CONSTANTE”PERMANECE CONSTANTE”

Equivale a decir: la energía del universo no se crea ni Equivale a decir: la energía del universo no se crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.transforma.

SEGUNDO PRINCIPIOSEGUNDO PRINCIPIO::““ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO AUMENTA”LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO AUMENTA”

Equivale a decir que el grado de desorden en el Equivale a decir que el grado de desorden en el universo aumentauniverso aumenta..

Organismos AutótrofosOrganismos Autótrofos: Son : Son aquellos que pueden utilizar el aquellos que pueden utilizar el COCO22 como fuente de como fuente de carbonocarbono

(bacterias, vegetales)(bacterias, vegetales)

Organismos HeterótrofosOrganismos Heterótrofos: obtienen : obtienen carbonocarbono de de moléculas orgánicasmoléculas orgánicas complejas .complejas .

(animales, microorganismos)(animales, microorganismos)

Las células necesitan de energía Las células necesitan de energía para poder realizar sus actividades para poder realizar sus actividades de desarrollo, crecimiento, de desarrollo, crecimiento, renovación de sus estructuras, renovación de sus estructuras, síntesis de moléculas, etc.síntesis de moléculas, etc.

La energía química que utiliza una La energía química que utiliza una célula animal para realizar trabajo célula animal para realizar trabajo proviene principalmente de la proviene principalmente de la oxidaciónoxidación de sustancias de sustancias incorporadas como alimentos. incorporadas como alimentos. (carbohidratos, grasas)(carbohidratos, grasas)

Las Las oxidacionesoxidaciones se efectúan por adición de se efectúan por adición de OO, , por pérdida de por pérdida de HH o por otra reacción que resulte o por otra reacción que resulte en la en la pérdida de electronespérdida de electrones. .

La La reducciónreducción, por el contrario, implica , por el contrario, implica ganancia ganancia de electrones.de electrones.

NADHNADH yy FADH2FADH2 son los principales son los principales transportadores de electrones, ya que sufren transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles. oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservación de Sus reducciones, permiten la conservación de la la Energía LibreEnergía Libre que se produce en la oxidación que se produce en la oxidación de los sustratosde los sustratos

CATEDRA DE BIOQUIMICA CATEDRA DE BIOQUIMICA Brom. Maria del Pilar CornejoBrom. Maria del Pilar Cornejo

DEFINICIONESDEFINICIONES

ENERGÍA: ENERGÍA: Es la Es la “capacidad para producir un “capacidad para producir un trabajo”.trabajo”.

SISTEMASISTEMA: “ toda porción del universo que se : “ toda porción del universo que se somete a estudio”somete a estudio”

MEDIOMEDIO: “es lo que rodea al sistema”: “es lo que rodea al sistema”

UNIVERSOUNIVERSO = SISTEMA + MEDIO = SISTEMA + MEDIO

PROCESO EXOTÉRMICOPROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que : es aquel que transcurre con liberación de calor al transcurre con liberación de calor al medio.medio.

PROCESO ENDOTÉRMICOPROCESO ENDOTÉRMICO: el que : el que transcurre tomando calor del medio.transcurre tomando calor del medio.

PROCESO EXERGÓNICOPROCESO EXERGÓNICO: libera : libera energía. (ESPONTANEO)energía. (ESPONTANEO)

PROCESO ENDERGÓNICOPROCESO ENDERGÓNICO: absorbe : absorbe energía. (NO ESPONTANEO)energía. (NO ESPONTANEO)

COMPUESTOS DE COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍAALTA ENERGÍA

ATPATP Es el compuesto de alta energía de Es el compuesto de alta energía de

mayor importancia en la célula.mayor importancia en la célula.

Fisiología y FisiopatologíaFisiología y FisiopatologíaGuyton, Hall, McGraw-Hill,1998Guyton, Hall, McGraw-Hill,1998

Funciones celulares y ATPFunciones celulares y ATP

Además el ATP se utiliza para:Además el ATP se utiliza para: Transporte a través de las membranas de:Transporte a través de las membranas de:

• Iones de potasio, calcio, magnesio, fosfato, Iones de potasio, calcio, magnesio, fosfato, cloruro, urato, hidrógeno.cloruro, urato, hidrógeno.

Síntesis de:Síntesis de:• Fosfolípidos, Fosfolípidos, • ColesterolColesterol• Purinas (adenina, guanina)Purinas (adenina, guanina)• Pirimidinas (timina y citosina)Pirimidinas (timina y citosina)

Fisiología y FisiopatologíaFisiología y FisiopatologíaGuyton, Hall, McGraw-Hill,1998Guyton, Hall, McGraw-Hill,1998

Funciones celulares y ATPFunciones celulares y ATP

El ATP se utiliza para:El ATP se utiliza para: Transporte a través de las membranasTransporte a través de las membranas

• Bomba de sodio-potasioBomba de sodio-potasio Síntesis de compuestos químicosSíntesis de compuestos químicos

• Síntesis protéicaSíntesis protéica Trabajo mecánicoTrabajo mecánico

• Contracción muscularContracción muscular

Procesos químicos en la formación del Procesos químicos en la formación del ATP: Papel de la mitocondriaATP: Papel de la mitocondria

Al entrar la glucosa a la célula:Al entrar la glucosa a la célula: Glucólisis:Glucólisis:

• Glucosa >>> Ac. Pirúvico Glucosa >>> Ac. Pirúvico ADP>>>ATPADP>>>ATP 5% del metabolismo energético celular total5% del metabolismo energético celular total

La mayor parte del ATP celular se forma La mayor parte del ATP celular se forma en la mitocondriaen la mitocondria

Características funcionales del Características funcionales del adenosintrifosfato (ATP)adenosintrifosfato (ATP)

Para liberar su energía:Para liberar su energía: Pierde un radical de ácido Pierde un radical de ácido

fosfóricofosfórico Se forma ADPSe forma ADP

Después se une Después se une nuevamente el ácido nuevamente el ácido fosfóricofosfórico

Se forma nuevo ATPSe forma nuevo ATP El ciclo se repite El ciclo se repite

indefinidamenteindefinidamente

Características funcionales del Características funcionales del adenosintrifosfato (ATP)adenosintrifosfato (ATP)

NucleótidoNucleótido Base nitrogenada:Base nitrogenada:

• AdeninaAdenina Pentosa:Pentosa:

• RibosaRibosa Tres radicales fosfatoTres radicales fosfato Dos uniones fosfato Dos uniones fosfato

de alta energíade alta energía• 12000 calorías12000 calorías

REACCIONES ENERGÉTICAMENTE REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADASACOPLADAS

nombrenombre Gº’(kcal/mol)Gº’(kcal/mol)

ATP ADP + PATP ADP + P -7,3-7,3

ADP AMP + PADP AMP + P -7,7-7,7

AMP AMP adenosina adenosina + P+ P -3,4-3,4

Una reacción altamente exergónica puede hacer Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan.acoplan.

CATEDRA DE BIOQUIMICA CATEDRA DE BIOQUIMICA Brom. Maria del Pilar CornejoBrom. Maria del Pilar Cornejo 2020

METABOLISMOMETABOLISMO

El metabolismo es la suma de todas las El metabolismo es la suma de todas las reacciones que ocurren en un organismoreacciones que ocurren en un organismo

La actividad metabólica está muy La actividad metabólica está muy relacionada a la temperatura corporal (la relacionada a la temperatura corporal (la

tasa de reacciones químicas se tasa de reacciones químicas se incrementa con la temperatura)incrementa con la temperatura)

DEFINICIÓNDEFINICIÓN

MetabolismoMetabolismo:: es la suma de todas las es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en la reacciones químicas que ocurren en la célula. Tiene lugar en una serie de célula. Tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas, llamadas “rutas reacciones catalizadas, llamadas “rutas metabólicas”.metabólicas”.

Catabolismo:Catabolismo: es la fase degradadora. Las es la fase degradadora. Las moléculas nutrientes se convierten en moléculas nutrientes se convierten en otras mas pequeñas y simples.otras mas pequeñas y simples.

Anabolismo:Anabolismo: moléculas pequeñas moléculas pequeñas reaccionan para convertirse en otras mas reaccionan para convertirse en otras mas grandes y complejas.grandes y complejas.

ESQUEMA GENERAL DEL ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISMOMETABOLISMO

RUTAS METABOLICAS SE DESARROLLAN RUTAS METABOLICAS SE DESARROLLAN EN LUGARES ESPECIFICOS DE LAS EN LUGARES ESPECIFICOS DE LAS

CELULASCELULAS

TIPOS DE REACCIONES BIOQUIMICASTIPOS DE REACCIONES BIOQUIMICAS

ATPATP

REACCIONES REDOX REACCIONES REDOX BIOLOGICASBIOLOGICAS

La membrana externa es permeable a pequeñas moléculas (PM < 5000 Da) e iones. Presencia de canales transmembrana

La membrana interna es impermeable a la mayoría de moléculas e iones (H+, O2

-, etc). Las únicas moléculas que cruzan la membrana interna son aquellas para las que hay proteínas transportadoras específicas de metabolitos esenciales (ADP, ATP, ácidos carboxílicos, Ca2+, aminoácidos, etc.)

La membrana interna aloja a las proteínas pertenecientes de los componentes de la cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP (ATP sintasa)

MitocondriaSitio subcelular donde ocurre la fosforilación oxidativa en células eucariotas (1948)

FUNCIONES DE LAS MITOCONDRIAS:

• GENERACION DE ATP: EN PRESENCIA DE O2 MEDIANTE LA DESCARBOXILACION OXIDA- TIVA , EL CICLO DE KREBS, LA FOSFORILA- CION OXIDATIVA, SE FORMA EL ATP.

• LA DESCARBOXILACION OXIDATIVA SE PRODUCE EN LA MATRIZ MITOCONDRIAL. EL PIRUVATO INGRESA Y SE CONVIERTE EN ACETIL CoA POR LA ENZIMA PIRUVATO DESHIDROGENASA, SE LOGRA NADH.

Es el proceso mediante el cuál se genera ATP como Es el proceso mediante el cuál se genera ATP como resultado de la transferencia de electrones desde el resultado de la transferencia de electrones desde el NADH o el FADHNADH o el FADH22 al O al O22, a través de una serie de , a través de una serie de transportadores de electrones.transportadores de electrones.

Transporte de electronesTransporte de electrones

Serie de reacciones de oxidación Serie de reacciones de oxidación reducción a través de las cuales los reducción a través de las cuales los electrones derivados de la oxidación de electrones derivados de la oxidación de nutrientes son transportados al oxígenonutrientes son transportados al oxígeno

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA se refiere a la síntesis química de ATP impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones desde el NADH al O2

RESUMEN

• Ocurre en la mitocondria

• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria

• Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluídos en la membrana interna mitocondrial. Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajo hacia los de Eo’ más elevado

• Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

• La transferencia mitocondrial de e- es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP

• El transporte de e- está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el EIM (fuerza proto-motriz)

• El flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP, por acción de la ATP sintasa (rotor molecular)

Transportadores de Transportadores de electroneselectrones

- NADH- FADH2

Transportadores de electronesTransportadores de electrones

Citocromos (b, c1, c, a y Citocromos (b, c1, c, a y a3)a3)

Proteínas Proteínas Ferrosulfuradas (FeS)Ferrosulfuradas (FeS)

Transportadores de electronesTransportadores de electrones

CoQCoQ

Complejo I: (NADH Deshidrogenasa o NADH-Q Reductasa): de la NADH deshidrogenasa a la Ubiquinona. 1a bomba de protones.

Complejo II:Complejo II: (Succinato Deshidrogenasa): de Succinato (Succinato Deshidrogenasa): de Succinato deshidrogenasa a la Ubiquinona. No es bomba.deshidrogenasa a la Ubiquinona. No es bomba.

Puede presentar tres estados de oxidaciónPuede presentar tres estados de oxidación Sus reacciones de transferencia de Sus reacciones de transferencia de

electrones estan acopladas a la unión o electrones estan acopladas a la unión o liberación de protones: propiedad clave a liberación de protones: propiedad clave a la hora de transportar protones a través de la hora de transportar protones a través de la membrana ya que al ser al mismo la membrana ya que al ser al mismo tiempo pequeña e hidrofóbica puede tiempo pequeña e hidrofóbica puede difundir libremente a través de la difundir libremente a través de la membrana interna mitocondrial.membrana interna mitocondrial.

Ubiquinona Ubiquinona

Complejo III:Complejo III: (Citocromo Reductasa): de la (Citocromo Reductasa): de la Ubiquinona al Citocromo c. 2a bomba de protones.Ubiquinona al Citocromo c. 2a bomba de protones.

Complejo IV:Complejo IV: (Citocromo Oxidasa):(Citocromo Oxidasa): Del Del Citocromo c al oxígeno. 3a bomba de protones.Citocromo c al oxígeno. 3a bomba de protones.

ATP ATP sintasasintasa

Componentes de la cadena respiratoria

Transportadores de electrones-Coenzimas hidrosolubles:

NAD+ coenzimas de las deshidrogenasasNADP+

FMN se unen covalentemente a flavoproteínas FAD (grupo prostético), transportan 2 e- y 2 H+

-Quinonas: Coenzima Q – Ubiquinona, transportadores en medio no acuoso (membrana), transporta 1 e- y libera 2 H+ a la matriz

-Citocromos b, c, c1, a y a3 : proteínas con grupo prostético hemo, transportan 1 e-

-Proteínas ferro-sulfuradas: proteínas con Fe asociado a átomos de S, transfieren 1 e- por oxidación o reducción del Fe

La Cadena de Transporte de Electrones comprende dos procesos:

1.- Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportadoras a otro.

2. Los protones son translocados a través de la membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana de la mitocondria.

Esto constituye un gradiente de protones

El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e

iones H+ para producir agua.

Catabolismo de biomoléculasCatabolismo de biomoléculas

ruta catabólica inicial de los

a) glúcidos Glucólisis

b) Aácidos desaminación

c) Grasas b oxidación

el metabolito intermediario de todas las rutas es el Ácido pirúvico

El catabolismo aerobio está formado por varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP

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