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III. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
1. Generalidades2. Termodinámica de los compuestos fosforilados3. Termodinámica de los sistemas vivos
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¿CÓMO OBTIENEN LAS CÉLULAS LA ENERGÍA Y EL PODER REDUCTOR A PARTIR DE SU ENTORNO?
¿CÓMO SINTETIZAN LAS CÉLULAS LOS COMPUESTOS FUNDAMENTALES DE SUS MACROMOLÉCULAS Y CÓMO SE SINTETIZAN POSTERIORMENTE LAS PROPIAS MACROMOLÉCULAS?
Stryer et al. 2003
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¿QUÉ ES EL METABOLISMO?METABOLISMO?
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MetabolismoMetabolismo
Es una actividad celular muy coordinada en la que muchos sistemas multienzimáticos cooperan para: (1) Obtener energía química a partir de la captación de la
energía solar o degradando nutrientes ricos en energía
Proceso mediante el cual los seres vivos adquieren y utilizan la energía libre que requieren para realizar sus funciones
energía solar o degradando nutrientes ricos en energía obtenidos del ambiente
(2) Convertir moléculas nutrientes en las moléculas características de la propia célula
(3) Polimerizar los precursores monoméricos en macromoléculas
(4) Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funcionescelulares especializadas
proteínas, ác. nucleicos, lípidos, carbohidratos
Nelson y Cox, 2005
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LOS ORGANISMOS VIVOS SE DIVIDEN EN DOS GRUPOS SEGÚN LA FORMA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA QUE OBTIENEN CARBONO DEL MEDIO
Fotótrofos (autótrofos)Quimiótrofos (heterótrofos)
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Obtienen
Obtienen su energía de la degradación de
nutrientes
EL CARBONO, OXÍGENO Y AGUA SE CICLAN CONSTANTEMENTE ENTRELOS MUNDOS HETEROTRÓFICOS Y AUTOTRÓFICO, CON LA ENERGÍASOLAR COMO FUERZA MOTRIZ DE ESTE PROCESO GLOBAL
Autotrófosfotosintéticos Heterótrofos
Nelson y Cox, 2005
Obtienen su energía de la luz solar
nutrientes orgánicos
producidos por los autótrofos
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MetabolismoMetabolismoEs la suma de todas las transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo, a través de una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente que constituyen lasrutas metabólicas
CADA PASO = CAMBIO QUÍMICO ESPECÍFICO
CARACTERÍSTICAS
(Eliminación, transferencia o adición de un átomo o grupo funcional)
CADA PASO = CAMBIO QUÍMICO ESPECÍFICO
PRECURSOR PRODUCTOINTERMEDIARIOS(METABOLITOS)
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Donde la serie de reacciones químicas se encuentran interrelacionadas y acopladas y que tienen por objeto producir compuestos necesarios para la vida celular
Stryer et al. 2003
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METABOLISMO
CATABOLISMO.- Conjunto de reacciones que convierten moléculas (como si fueran combustibles) en energía utilizable (producen energía)
ANABOLISMO.-Conjunto de reacciones que requieren energía para producir moléculas complejas
Vías catabólicas: son de tipo degradativo. Químicamente son procesos oxidativos. Suelen producir energía
energía para producir moléculas complejas
Vías anabólicas: son rutas de biosíntesis. Químicamente son procesos reductores. Requieren un aporte de energía externo.
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METABOL
ANABOLI
CATABOLIL
ISMO
ISMO
ISMO
ENERGÍA
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ANABOLISMO
REGULACION
CATABOLISMO
ENERGÍA
REGULACIONMETABÓLICA
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REGULACIÓN REGULACIÓN REGULACIÓN REGULACIÓN
DEL DEL DEL DEL
METABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMOMETABOLISMO
CANTIDAD
DISPONIBILIDAD(RECAMBIO, LOCALIZACIÓN)
ACTIVIDADCATALÍTICA
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•Una vía metabólica está formada por una serie de reacciones en una
secuencia específica que en su conjunto es termodinámicamente
favorable
•Sin embargo, algunas de estas reacciones de la vía pueden requerir
energía y otras liberarla
•Las vías pueden estar compartamentalizadas celularmente (organelos,
citosol, membranales)
•Las reacciones van a estar mediadas por enzimas, por eso, van a ser
específicas
Características de las vías metabólicas
específicas
•Las vías metabólicas pueden ser regulables. No todas las reacciones
de la vía pueden regularse.
•Esta regulación puede darse por disponibilidad del sustrato, por
mecanismos de regulación enzimática (alosterismo, fosforilación,
retroalimentación, síntesis de la enzima misma, etc.), por factores
termodinámicos
•En su conjunto, las vías metabólicas son reversibles PERO TIENEN
POR LO MENOS UN PASO IRREVERSIBLE (PASO LIMITANTE)
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LAS REACCIONES DE UNA VÍA METABÓLICA SE PUEDENVER SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS.
Las reacciones termodinámicamente pueden ser:
∆G GRANDE Y NEGATIVA La reacción transcurre en el sentido (EXERGÓNICAS)
∆G=0 EL SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO
∆G GRANDE Y POSITIVA La reacción transcurre en el sentido opuesto (ENDERGÓNICAS)
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LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO
∆G CERCANO A 0
- SON REVERSIBLES- Las enzimas que las catalizan tienen una actividad muy alta y por tanto la actividad de la enzima no es un factor limitante de la vía.- Son reacciones fácilmente reversibles y su actividad depende de la relación de [sustrato] y [producto].depende de la relación de [sustrato] y [producto].La direccionalidad va a depender de cambios de [sustrato] y [producto].
- LAS REACCIONES CERCANAS AL EQUILIBRIO, POCASVECES REGULAN EL FLUJO DE LA VÍA METABÓLICA
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LAS REACCIONES ALEJADAS DEL EQUILIBRIO
∆G GRANDES Y NEGATIVOS
- SON IRREVERSIBLES - Son poco sensibles a la variación de [sustrato] y [producto] - Las enzimas suelen ser alostéricas
- LAS REACCIONES ALEJANAS DEL EQUILIBRIO SON LAS - LAS REACCIONES ALEJANAS DEL EQUILIBRIO SON LAS QUE MAYORMENTE REGULAN UNA VÍA METABÓLICA
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TIPO DE REACCIÓN DESCRIPCIÓN
Oxidación-reducción Transferencia de electrones
Formación de enlaces con requerimiento de hidrólisis de ATP
Formación de enlaces covalentes (ej. C-C)
Isomerización Reorganización de átomos para formar
TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS DEL METABOLISMO
Isomerización Reorganización de átomos para formar isómeros
Transferencia de grupos Transferencia de un grupo funcional de una molécula a otra
Hidrólisis Rompimiento de enlaces con intervención del agua
Adición o eliminación de grupos funcionales
Poner grupos funcionales a dobles enlaces o eliminación para formar dobles enlaces
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MOLÉCULAS FUNDAMENTALES EN LAS REACCIONES METABÓLICAS
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Cuatro moléculas fundamentalesen las reacciones metabólicas
“Donador de energía”
“Almacenador dePoder reductor”
“Acarreador degrupos acilo”
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La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reaccióncomún para obtener energía.
LA VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE EN LA HIDRÓLISIS DEL ATP ES GRANDE YNEGATIVA
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FUNDAMENTO QUÍMICO DE LA ELEVADA VARIACIÓN DE ENRGÍA LIBREASOCIADA A LA HIDRÓLISIS DE ATP
1) La hidrólisis disminuyela repulsión de carga
2) El producto (Pi)está estabilizado por la formación de unhíbrido de resonanciahíbrido de resonancia
3) El producto se ionizainmediatamente
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Otros compuestos fosforilados que transfieren su fosfato en reacciones celulares que celulares que requieren energía
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Otros compuestos fosforilados que transfieren su fosfato en reacciones celulares que celulares que requieren energía
TIOESTER
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ESTABILIDAD PORTAUTOMERIZACIÓN
ESTABILIDAD PORRESONANCIA
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ESTABILIDAD PORRESONANCIA
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EN LAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS CON VARIACIONES DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR GRANDES Y NEGATIVASlosPRODUCTOS SON MÁS ESTABLES QUE LOS REACTIVOS
1) La tensión de enlace en los reactivos debida a repulsión electrostática queda liberada por la separación de carga (ATP)(ATP)
2) Los productos se estabilizan por ionización
3) Los productos se estabilizan por isomerización
4) Estabilidad por resonancia
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ENERGÍAS LIBRES ESTÁNDAR DE HIDRÓLISIS DE ALGUNOSCOMPUESTOS FOSFORILADOS Y DEL ACETIL-CoA (un tioéster)
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La hidrólisis de ATP o de un compuesto fosforilado es una reaccióncomún para obtener energía. Esta reacción se acopla energéticamente a otra reacción que la requiera
A B Reacción exergónica
C D Reacción endergónica
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LAS VARIACIONES DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR SON ADITIVAS
Este principio explica por qué una reacción termodinámicamente desfavorable (endergónica) puede ser impulsada en el sentido directo
acoplándola a una reacción muy exergónica a través de un intermediario común.
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FLUJO DE GRUPOS FOSFORILO
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REGULACIÓN DE UNA VÍA METABÓLICA
ENFOQUE TRADICIONAL VS. TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO
Una vía tiene uno o muy pocos pasos regulación, que se llaman pasos limitantes o
No hay una enzima que sea la responsable de regular el flujo de la vía
El flujo de una vía está controlado por varias enzimas de las reacciones que integran la vía
ENFOQUE TRADICIONAL TEORÍA DEL CONTROL METABÓLICO
que integran la vía
Cada una tiene una contribución que depende de la concentración de intermediarios
Las enzimas “limitantes o reguladoras” se han propuesto con base en mediciones in vitro, muy alejadas de las condiciones fisiológicas como [intermediarios], efectores alostéricos,etc.
Se basa en la medición exptl. de una vía“perturbando” una enzima específica y viendo como se comporta el flujo de la vía (concentraciones de los otros metabolitos)todos estos datos se tratan matemática-mente y por eso es cuantitativa