INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Y GLUCÓLISIS · 2- Transporte activo de moléculas e iones (en contra...
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INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Y GLUCÓLISIS
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA ESFUNO EUTM
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Metabolismo
Conjunto de reacciones químicas que permiten la obtención de energía de moléculas combustibles (nutrientes) y su utilización
en diferentes procesos celulares
Obtención de energía necesaria para: 1- trabajo mecánico (movimiento) 2- Transporte activo de moléculas e iones (en contra a un gradiente) 3- Síntesis de macromoléculas a partir de sus precursores (Biosíntesis)
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Vías Metabólicas Conjunto de reacciones químicas interconectadas
Transforman una determinada molécula (sustrato de la vía) en otra(s) molécula(s) de forma controlada
La actividad de las diferentes vías metabólicas se encuentran coordinadas y reguladas
Las vías son flexibles adaptándose a los cambios del entorno
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Vías Metabólicas - tipos Lineal Cíclica Espiral
Secuencia de reacciones donde el producto de una reacción es sustrato de la siguiente
Secuencia de reacciones donde uno de los metabolitos se regenera al completarse la ruta
El mismo sustrato es utilizado por el mismo juego de enzima repetidas veces
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Bloques Metabólicos
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CLASIFICACION 1- CATABÓLICAS: Aquellas que convierten energía en formas biológicamente utilizables
Nutrientes (carbohidratos-grasas) CO2+ H2O + Energía útil
2- ANABÓLICAS: Aquellas que requieren de energía para producirse
Energía útil + moléculas pequeñas Macromoléculas
3- ANFIBÓLICAS: Pueden ser tanto catabólicas como anabólicas
Vías Metabólicas
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Vías Metabólicas- Convergentes y Divergentes
CATABOLISMO
ANABOLISMO
ANFIBÓLICA
Divergentes Convergentes
Acetil-Coa
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Vías Metabólicas
Una vía metabólica debe satisfacer dos criterios: 1- Las reacciones individuales de la vía deben ser específicas 2- La totalidad de las reacciones que constituyen la vía deben ser termodinámicamente favorables
Las vías metabólicas se constituyen de reacciones acopladas de tal manera que el
cambio de energía libre (ΔG) global de la vía es negativa
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Intermediarios Activados
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Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP
El ATP se sintetiza a partir de ADP y Pi cuando los nutrientes son oxidados mientras que la energía liberada en su hidrólisis es utilizada para diferentes procesos celulares
CICLO ATP-ADP
Principal forma de intercambio de energía en
sistemas celulares
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Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP: Síntesis
a- Fosforilación a nivel de sustrato
El ATP se forma por la transferencia de un grupo fosforilo de un sustrato al ADP.
Ejemplo
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Los electrones extraídos en la oxidación de nutrientes son transportados en moléculas especializados y la energía liberada en el transporte utilizada para la generación de gradientes de iones
Intermediarios Metabólicos Activados-ATP
1- ATP: Síntesis b- Fosforilación oxidativa
La energía almacenada en el gradiente se utiliza para la síntesis de ATP
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Etapas en la oxidación de nutrientes
1- Degradación de macromoléculas a grupo acetilo
(2 carbonos) transportados en la Acetil-Coenzima A
Acetil-CoA
2- Oxidación del grupo acetilo del Acetil-Co A a
CO2. Los electrones extraídos en la oxidación son
transportados en moléculas especializadas:
NADH+H+ y FADH2
3- Oxidación NADH+H+ y FADH2 en la cadena de
transporte de electrones mitocondrial y generación
de ATP (fosforilación oxidativa)
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Dinucleotido de Adenina y Nicotinamida: NAD+ o NADP+
Anillo de nicotinamida
Intermediarios Metabólicos Activados-NAD(P)H
NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+
NADP+ + 2e- + 2H+ NADPH + H+
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Dinucleótido de adenina y flavina: FAD+/FADH2
FAD+ + 2e- + 2H+ FADH2
Transportador electrónico unido a proteínas (cofactor)
Anillo de Isoaloxacina
Intermediarios Metabólicos Activados-FADH2
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NADH/NADPH: Transportadores de electrones solubles A nivel celular: NAD+/NADH es alta (niveles de NADH bajos) (se favorece la oxidación de los sustratos y la reducción a NADH) NADP+/NADPH es baja (niveles de NADPH altos) (se favorece la oxidación de NADPH y la reducción de sustratos)
NADH Participa en reacciones de oxidación NADPH Participa en reacciones de reducción (biosíntesis)
Funciones metabólicas especializadas
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Oxi
daci
ón
Transporte de electrones en NADH y FADH2
Intermediarios Metabólicos Activados-FADH2
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Regulación del Metabolismo
La activación de una vía catabólica debe acompañarse de
la inhibición de la vía anabólica correspondiente y viceversa
de manera de evitar ciclos fútiles (gasto neto de ATP)
Formas principales de regulación:
1- Niveles de enzimas (expresión génica y degradación)
2- Actividad enzimática (regulación alostérica y covalente)
3- Compartimentalización de las vías (organelos)
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Niveles y actividad de las enzimas
Transcripción Traducción Degradación ENZIMA
Modificación Covalente
Regulación Alostérica
Asociación con Proteínas
Reguladoras
Secuestro en Organelos
Compartimentalización
Degradación
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Actividad enzimática
Todas las vías metabólicas se encuentran reguladas enzimáticamente
Control Alostérico reversible: lleva a la inmediata activación o inhibición de la actividad enzimatica. Existen moduladores positivos (activan) y negativos (inhiben)
En muchas vías metabólicas la primera reacción se inhibe de forma alostérica por el producto de la vía
S a b c d e P
Retroalimentación Negativa
E1 E2 E3 E4 E5 E6
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Actividad enzimática Modulación covalente Ej: fosforilación/desfosforilación por kinasas La adición de un grupo fosfato generalmente en residuos de serina y treonina llevan a la ganacia o pérdida de actividad enzimática
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Regulación por carga energética celular
Las vías productoras de ATP
(Catabólicas) se inhiben por una
carga energética alta mientras
que las vías que requieren de ATP
(Anabólicas) se activan
Carga energética celular = [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]
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Compartimentalización de vías metabólicas
-Biosíntesis (NADPH)
Oxidación de nutrientes (NADH) Matriz mitocondrial
Ejemplo: Síntesis y Degradación de ácidos grasos
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Secuestro de enzimas Ejemplo: Hexoquinasa IV, en presencia del producto de la enzima (glucosa-6-fosfato) la Hexoquinasa se recluta a nivel nuclear
Compartimentalización de vías metabólicas
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Las vías metabólica son irreversibles
Las vías Anabólicas y Catabólicas deben ser diferentes
Todas las vía metabólicas tiene un paso limitante
Están reguladas finamente (enzimas reguladoras)
En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en
localizaciones celulares específicas (organelos)
Carácterísticas principales de Metabolismo
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Secuencia de reacciones enzimáticas que catalizan la conversión de una molécula de Glucosa (6 carbonos) en 2 moléculas de Piruvato (3 carbonos) con la generación de 2 moléculas de ATP y dos de NADH
2 NADH
Vía central del metabolismo energético de los organismos Lugar: citosol celular Vía metabólica anaeróbica (no requiere de oxígeno) Única fuente de energía para los globulos rojos y fuente principal para el cerebro
Vía Metabólica: GLUCÓLISIS
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Mayoría de reacciones ENDERGÓNICAS Utilizan energía del ATP 5 reacciones
Mayoría de reacciones EXERGÓNICAS Síntesis de ATP y NADH 5 reacciones
PRIMERA FASE PREPARATIVA
SEGUNDA FASE: Producción de ATP
Glucólisis
La glucólisis tiene un total de 10 reacciones
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Glucólisis
Importancia de los intermediarios fosforilados
Ausencia de transportadores para azúcares fosforilados a nivel de la membrana plasmática celular Intermediarios fosforilados no pueden salir de la célula
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Fosforilación de la glucosa
Primera reacción de la vía: HEXOQUINASA
• La conversión de glucosa en glucosa-6-P favorece la entrada de más glucosa desde el exterior a favor de un gradiente de concentración
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Glucólisis- Primera fase
Principales puntos de regulación de la fase: Hexoquinasa- paso 1 Fosfofructoquinasa- Paso 3
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Glucólisis- Segunda fase
Conversión de gliceraldehído-3P en Piruvato con la generación de ATP y NADH
5 reacciones x2 (ya que la oxidación de la glucosa En la primera fase de la glucólisis Da dos moléculas de gliceraldehído-3P)
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Glucólisis- Segunda fase
Reacción 6: Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa
Sustratos: Gliceraldehído-3-P, Pi, NAD+
Productos: NADH, 1,3 bifosfo glicerato
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Glucólisis- Segunda fase, obtención de ATP
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Glucosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2H+ + 4 ATP + 2 H2O
Glucosa + 2NAD+ + 2 ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O
Del 100% de la energía
contenida la glucosa: el 79,4%
está aún en los 2 piruvatos
Glucosa 2 Piruvato ΔGo’ = - 586 kJ/mol
Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ΔGo’ = - 2840 kJ/mol
2 NAD+ 2 NADH ΔGo’ = + 440 kJ/mol
2 ADP + Pi 2 ATP ΔGo’ = + 61 kJ/mol
Balance energético de la glucólisis
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Regulación de la vía glucolítica
Principales enzimas reguladoras: 1- Hexoquinasa 2- FosfoFructoquinasa (PFK) 3- Piruvato Qinasa
1
2
3
La velocidad de conversión de Glucosa en Piruvato se regula de manera de satisfacer dos requerimientos celulares: ATP e intermediarios biosintéticos (ej: sintesis de ácidos grasos)
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Regulación de la vía glucolítica
1-Hexoquinasa
Existen dos isoformas de la misma enzima: 1- Hexoquinasa (músculo y tejidos) Inhibidor alostérico: G-6-P Presenta un bajo KM para la glucosa
Glucosa + ATP Glucosa-6-P + ADP
2- Gluoquinasa (hígado) Inhibidor alostérico: F-6-P V = [glucosa] KM alto para la glucosa 10-20 mM
Inhibición por producto
HK
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La PFK-1 se inhibe de forma alostérica por altas concentraciones de ATP mientras que se activa por altas concentraciones de AMP
Regulación por carga energética
Modulador negativo: ATP Modulador positivo: AMP La PFK se regula de forma alostérica por citrato (modulador negativo) Indicador de alta carga energética
Regulación de la vía glucolítica
2-FosfoFructoquinasa (PFK)
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El contenido de NAD+ del citosol celular es limitado
Para que la glucólisis pueda continuar se debe re-oxidar al NADH generado en la reacción de la Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa regenerando al NAD+ sustrato de la vía
Regulación de la vía glucolítica
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Principales destinos del Piruvato Reoxidación del NADH
Dependiendo de la presencia o no de oxígeno el PIRUVATO producido en la glucólisis tiene diferentes destinos
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FERMENTACIÓN Anaeróbica
RESPIRACION Aeróbica
Principales destinos del Piruvato
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Principales destinos del Piruvato
Oxidación del NADH citosólico generado en la glucólisis (reacción 6) a nivel mitocondrial El piruvato es oxidado completamente a CO2 en la mitocondria llevando a la generación de 36-38 moléculas de ATP
1- Condiciones aeróbicas
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Principales destinos del Piruvato
2- Condiciones anaeróbicas En mamíferos se da la fermentación láctica Ej: actividad muscular intensa Globulos rojos (no tienen mitocondrias) En levaduras y otros micro- organismos se da la fermentación alcohólica -Pizza -Cerveza
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Producción de lactato
Producción diaria de lactato por diferentes tejidos
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Destinos del lactato
El lactato liberado es captado por otros tejidos (hígado, corazón, músculo) que lo oxidan a pirvuato El hígado puede usar el lactato para sintetizar glucosa nueva, que vuelve a la sangre
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Fermentación Láctica