Bioenergética y metabolismo intermedio. (1) teorico PDF

Preview

Summary

Bioenergetica y metabolismo intermedio, apuntes del Profesor Fernandez...

Description

Fundación H.A. Barceló – Facultad de Medicina

BIOQUIMICA, INMUNOLOGÍA Y NUTRICIÓN NORMAL Bioenergética, termodinámica y metabolismo intermedio.

1

Fundación H.A. Barceló - Facultad de Medicina

Principios de bioenergética y termodinámica Las diferentes actividades de los seres vivos como síntesis de compuestos celulares, transporte de sustancias a través de la membrana en contra de gradiente de concentración, la contracción muscular, el movimiento de flagelos, etc solo se pueden llevar a cabo si se aporta energía. Además, el funcionamiento del organismo humano depende de una variedad de procesos bioquímicos que en conjunto representan el metabolismo de las células corporales. Las reacciones químicas involucradas en el metabolismo proveen (y utilizan) compuestos de energía indispensables para mantener trabajando todas nuestras células del cuerpo.

1. Conceptos básicos de bioenergética y termodinámica La bioenergética es una ciencia que se encarga de estudiar las transformaciones energéticas que acompañan a los cambios físicos y químicos de la materia en los sistemas vivos. Además, incluye el estudio de la energía química almacenada en la biomasa (especies vegetales y animales utilizadas como nutrientes) y los métodos de recuperación bajo formas distintas; alimentos, calor y combustibles. La termodinámica representa el campo de las ciencias físicas que estudia los intercambios de energía entre conjuntos de materia (por ejemplo entre los seres vivos) como los cambios asociados con el paso de un sistema desde un estado inicial a otro final. Se define sistema como un conjunto de materia y energía que representa el foco de estudio. Para poder estudiar un sistema, este debe aislarse, imponer ciertas restricciones al flujo de materia o energía o ambas hacia o desde el sistema. 1.1 Energía Tradicionalmente, energía ha sido definido como la capacidad para realizar trabajo. La energía presente en el universo, particularmente en el planeta tierra, puede adoptar múltiples formas, por ejemplo, la energía química, la mecánica, la térmica, la luminosa (radiante, solar o electromagnética), la eléctrica y la nuclear. Estos estados de la energía pueden intercambiarse entre sí. La energía puede encontrarse en otras formas o estados: la energía potencial y cinética. La energía potencial es aquella almacenada dentro de un sistema que posee la capacidad para realizar trabajo. Por ejemplo, la energía química o aquella almacenada químicamente en una molécula como la glucosa que posee el potencial de generar trabajo si se cataboliza a través de la vía glucolítica. La activación de dicha energía química potencial se le llama energía cinética, la energía en proceso/acción de realización de trabajo. 1.2 El ciclo energético biológico La energía que requieren las actividades biológicas del organismo humano proviene en última instancia del sol (energía solar). La energía solar, a su vez, se origina de la energía nuclear. Esta energía que se deriva del sol la capturan las plantas verdes en forma de energía química a través de la fotosíntesis. Esto se debe a que las células de las plantas son transductoras de energía luminosa, la cual es absorbida por sus pigmentos clorofílicos y transformada en energía química

2

Fundación H.A. Barceló - Facultad de Medicina

(reacción sintética de fotosíntesis). Junto con la energía solar, la clorofila de las plantas, el agua y CO2, las células vegetales producen moléculas de alimentos (glúcidos, lípidos y proteínas) que poseen energía potencial química. Esta energía se almacena en un estado molecular fosforilado de alta energía, conocido como trifosfato de adenosina (ATP). Dicho compuesto se encuentra en todas las células de origen animal y en las plantas. El ATP posee la función importante de reservorio de energía. Al desdoblarse una molécula de ATP, se libera suficiente energía para los procesos bioquímicos del cuerpo. A nivel vegetal, la energía derivada de la hidrólisis del ATP se utilizará eventualmente para reducir el dióxido de carbono a glucosa, la cual se almacena en la forma de almidón (un polisacárido de reserva) y celulosa (un polisacárido estructural). Los animales (y seres humanos) dependen de las plantas y otros animales para poder producir su propia energía, la cual se forma mediante la degradación de los nutrimentos en la célula con la presencia de oxígeno y tiene el objetivo de proveer energía para el crecimiento, contracción del músculo, transporte de compuestos y líquidos, síntesis de biomoléculas y para otras funciones del organismo. Las células del cuerpo humano dependerán del consumo de los alimentos de origen vegetal o animal para poder sintetizar el ATP. En otras palabras, el ser humano necesita ingerir alimentos que posean nutrimentos energéticos para la producción de energía química (potencial) en la forma de ATP. Esto se lleva a cabo por procesos oxidativos o catabólicos. Como resultado de estas reacciones, el ATP se halla disponible para las células del cuerpo, de manera que se pueda suministrar la energía que se necesita para el trabajo biológico del individuo.

2. Transformaciones biológicas de la energía El constante flujo de energía que ocurre dentro de las células de los seres vivos se conoce como transformaciones biológicas de la energía. Los cambios entre las diferentes formas de energía se fundamentan en los principios (o leyes) de la termodinámica.

3

Fundación H.A. Barceló - Facultad de Medicina

La primera ley de termodinámica (ley de la conservación de energía) postula que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Esto quiere decir que la energía no se pierde, pero si se puede transformar de una estado a otro. La segunda ley de termodinámica nos indica que como resultado de las transformaciones de energía, el universo y sus componentes se encuentran en un alto estado de desorden llamado entropía. Esto implica que todos los procesos físicos y químicos solo se producen espontáneamente cuando aumenta el desorden. Los organismos vivos están formados por moléculas muchos más organizadas que las sustancias presentes en el universo circundan te, sin embargo a partir de estos se construyen, mantienen y producen orden. A pesar de este orden, los organismos vivos no violan la segunda ley dado que son sistemas abiertos que intercambian tanto materiales como energía con su entrono (se ordenan desordenando el entrono o el universo); en consecuencia los sistemas vivos no están nunca en equilibrio con su entorno. Los organismos vivos funcionan a temperaturas y presiones relativamente constantes. En tales condiciones, existe una relación simple entre los cambios de energía libre que ocurren, entalpía (contenido calórico) y entropía (grado de desorden), durante los procesos bioquímicos: G = H –TS donde G es el cambio de energía libre de Gibbs del sistema; H, es el cambio de entalpía; T, la temperatura absoluta a la cual se lleva a cabo la reacción y S, el cambio de entropía del universo. La energía libre de Gibbs designada a través de la letra G y expresa la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constante. Las variaciones de dicha energía ∆G indican el cambio de energía durante una reacción química. La energía libre (G): indica la espontaneidad de una reacción y predice la dirección de las reacciones bioquímicas y de la cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo. Las propiedades más importantes de G para los sistemas biológicos son: 1- La energía libre disminuye durante los procesos espontáneos que ocurren a presión y temperatura constantes, es decir, una reacción espontánea transcurre con un G negativo (la energía libre de los productos es menor que la energía libre de los reactivos). 2- La cantidad máxima de trabajo producida por un proceso bioquímico está dada por el cambio en la energía libre producido durante proceso (G).

4

La energía libre es la forma de energía que impulsa a la maquinaria bioquímica de todos los organismos. Los organismos vivos usan el calor generado durante las reacciones bioquímicas para mantener la temperatura corporal y para asegurar que las reacciones catalizadas por las enzimas procedan a velocidades adecuadas. La función o propósito de los procesos bioquímicos que se llevan a cabo en cada célula animal es la de transformar la energía de las sustancias nutricias a una forma biológicamente utilizable. Durante los procesos metabólicos (catabolismo de nutrientes) se libera energía para el trabajo biológico de las células corporales y se utiliza o absorbe energía para finalidades plásticas (de construcción). Podemos, entonces, clasificar las reacciones bioquímicas en dos tipos: ENDERGÓNICAS: Aquellas reacciones con G positivo (los productos de la reacción possen más energía que los reactivos), que se manifiestan durante los procesos anabólicos; se requieren que se les añada energía a los reactivos (sustratos o combustibles metabólicos) para su transformación en productos. EXERGÓNICAS: Aquellas reacciones con G negativo (los productos de la reacción poseen menos energía que los reactivos), ocurre en los procesos catabólicos, donde se libera energía como resultado de los procesos químicos. La energía libre se encuentra en un estado organizado, disponible para trabajo biológico útil. Estas reacciones presentan una característica que es la de ser espontáneas (se producen sin intervención de una intervención o estímulo exterior, la sola presencia del sustrato y la enzima da lugar a la formación del producto). La variación de energía libre de una reacción es independiente de la ruta por la que discurre la reacción; sólo depende de la naturaleza y concentración de los reactivos iniciales y de los productos finales.

Reacciones acopladas Los valores de G de reacciones secuenciales son aditivos. Es decir, en una vía metabólica dada, la espontaneidad del proceso será determinada por la variación en la energía libre entre el producto final y el reactivo inicial. Una reacción termodinámicamente desfavorable (endergónica) puede ser impulsada acoplándose a una reacción muy exergónica a través de un intermediario común. Por ejemplo, la síntesis de glucosa-6-fosfato es el primer paso en la utilización de glucosa por las células: 5

Glucosa + Pi  Glucosa-6P + H2O

G = 13,8 kJ/mol

El valor positivo de G predice que incondiciones estándares la reacción no tenderá a producirse espontáneamente en la dirección escrita. Otra reacción celular muy exergónica es la hidrólisis del ATP: ATP + H2O ADP + Pi

G = –30,5 kJ/mol

Estas dos reacciones comparten los intermediarios comunes Pi y H 2O, por lo tanto se pueden sumar y expresar como reacciones secuenciales: Glucosa + Pi 

Glucosa-6P + H2O

ATP + H2O ADP + Pi Suma: Glucosa + ATP

Glucosa-6P + ADP

G = +13,8 kJ/mol G = –30,5 kJ/mol G= –16,7 kJ/mol

La reacción global, al ser sumados los G resulta exergónica (G= –16,7 kJ/mol). En este caso la energía almacenada en los enlaces del ATP se utiliza para impulsar la síntesis de glucosa-6P (o reacción endergónica). Esta estrategia es empleada por las células en las síntesis de intermediarios metabólicos y componentes celulares.

4. Compuestos de alta energía Los compuestos de alta energía se caracterizan por tener uno o más enlaces químicos de alta energía que liberan un gran volumen de energía libre a través del catabolismo. Los enlaces de alta energía tienen este nombre porque almacenan mayor cantidad de energía que los enlaces químicos ordinarios. La energía libre (como resultado de una reacción exergónica) representa el trabajo útil máximo que puede ser obtenido de una reacción química. La energía liberada cuando se rompe el enlace de alta energía que compone una molécula de alta energía (por ejemplo, ATP) es transferida a otras moléculas que la utilizan directamente, o a otras moléculas que la almacenan como fosfato de creatina, un compuesto que se encuentra almacenado en el músculo esquelético. Otro grupo de compuestos de alta energía son los tioésteres, por ejemplo, los derivados de acilo de los mercaptanos. La coenzima A (CoA) es un mercaptano ampliamente distribuido que contiene adenina, ribosa, ácido pantoténico y tioetanolamina. La adenosina de trifosfato (ATP) es uno de los compuestos de alta energía más importantes, puesto que proporciona directamente energía a las reacciones que la requieren en todas las células del organismo. El ATP representa el almacén de energía del cuerpo. La energía potencial alta reside en los dos enlaces fosfoanhídrido terminales del nucleótido. Por hidrólisis, el ATP se descompone hasta adenosina de difosfato (ADP), liberando energía directamente para diferentes funciones vitales del cuerpo, tales como la contracción muscular, transporte activo, digestión, secreción glandular, síntesis de compuestos químicos, reparación de tejidos, circulación, transmisión nerviosa, entre otras.

6

Cuando el ATP es hidrolizado en una reacción catalizada por enzimas, la energía libre derivada (biológicamente útil) de esta reacción puede ser acoplada con reacciones que requieren energía: ATP + H2O  ADP + Pi + energía ATP + H2O  AMP + PPi + energía Las enzimas que catalizan esta reacción de descomposición se denominan ATPasas. Las enzimas que transfieren el grupo fosfato desde ATP a otro sustrato son las quinasas.

Introducción al metabolismo intermedio Las millones de células que componen al cuerpo humano poseen la vital tarea de mantener trabajando al organismo. Para esto, es necesario que se lleven a cabo un conjunto de reacciones químicas y enzimáticas en el organismo, dirigidas a la producción de compuestos energéticos y a la utilización de fuentes de energía, donde las células de nuestro cuerpo sirven de escenario. Estas transformaciones energéticas que liberan y emplean la energía para mantener funcionando nuestros órganos corporales se conoce como metabolismo. El metabolismo celular consume nutrientes (glúcidos, lípidos y proteínas) y oxígeno, generando desechos y CO2 que deben eliminarse. Dentro del metabolismo se realizan dos procesos químicos complementarios, el catabolismo, aquel por el cual se degradan las biomoléculas y el anabolismo aquel por el cual se sintetizan biomoléculas. La fase catabólica posee una importante tarea de hidrolizar moléculas complejas a moléculas simples, con la consecuente liberación de energía útil (es un proceso exergónico) dirigida para reacciones químicas que la necesitan. El catabolismo representa un proceso de descomposición o fragmentación de una molécula en partes más pequeñas que se acompaña de la liberación de energía en forma de calor y energía química. La energía derivada de reacciones catabólicas primero debe de transferirse a enlaces de alta energía (~) de las moléculas de adenosina trifosfato (ATP). Por otro lado, la fase anabólica utiliza energía libre (es un proceso endergónico) para elaborar moléculas grandes a partir de otras más pequeñas. Representa, entonces, una reacción química de síntesis o de formación que requiere energía (se acompaña de 7

utilización de la energía). Esta energía deriva de reacciones catabólicas. Por consiguiente, los procesos metabólicos de naturaleza anabólica involucran la unión de pequeñas moléculas para formar moléculas más grandes.

Revisión general del metabolismo En cualquier célula viviente ocurre un conjunto muy complejo de reacciones metabólicas. Sin embargo, los principios que gobiernan el metabolismo son los mismos en todas las células, un resultado de su origen evolutivo común y de las restricciones de las leyes de la naturaleza. De hecho, muchas de las reacciones específicas del metabolismo son comunes a todos los organismos, con ciertas variaciones debidas principalmente a diferencias en la fuente de energía libre que las sustenten. 1.2 Estrategias tróficas Los requerimientos nutricionales de un organismo reflejan su fuente de energía metabólica. Por ejemplo, algunos procariotas son autótrofos; pueden sintetizar todos, sus constituyentes celulares a partir de moléculas simples como H2O, CO2, NH3 y H2S. Existen diferentes organismos: Los quimolitótrofos (Griego: lithos, piedra) obtiene su energía a través de la oxidación de compuestos inorgánicos como NH3 o H2S. Los fotoautótrofos lo hacen a través de la fotosíntesis, un proceso en el cual la energía de la luz potencia la transferencia de electrones desde un donador inorgánico al CO2 para producir glúcidos (CH2O)n, que luego son oxidados para liberar energía libre. Los heterótrofos obtienen la energía libre a través de la oxidación de compuestos orgánicos (glúcidos, lípidos y proteínas) y por consiguiente, dependen en última instancia de los autótrofos para estas sustancias. 1.3 Vías metabólicas Las vías metabólicas son una serie de reacciones enzimáticas conectadas que producen sus productos específicos. Sus reactivos, intermediarios y productos se conocen como metabolitos. Los tipos de enzimas y metabolitos en una célula determinada varían con la identidad del organismo, el tipo celular, su estado nutricional y su etapa de desarrollo. En las vías catabólicas, los metabolitos complejos se degradan a productos más simples en forma exergónicas, en muchos casos, en unidades acetilo de dos carbonos unidos a la coenzima A para formar acetil-CoA. La energía libre que se libera en este proceso de

8

degradación se conserva mediante la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi.

Durante el metabolismo, las vías catabólicas (degradativas) de un gran número de sustancias diversas (glúcidos, lípidos y proteínas) convergen en unos pocos intermediarios comunes que posteriormente son metabolizados en una vía oxidativa central. Luego de la degradación de varias macromoléculas a sus monómeros y posteriormente a AcetilCoa, le sigue la oxidación (catabolismo) posterior de estos acetilos a CO2 a través del ciclo de Krebs. Cuando una sustancia se oxida (pierde electrones), otra debe reducirse (ganar electrones). Por consiguiente, durante el ciclo de Krebs se producen cofactores reducidos como el NADH y el FADH2 que luego de pasar sus electrones a la cadena respiratoria, favorecen la fosforilación oxidativa donde se forma el ATP a partir de ADP +, Pi.

Las vías biosintéticas presentan procesos opuestos. Unos pocos metabolitos sirven como materiales de inicio para una amplia variedad de productos. En los próximos capítulos estudiaremos muchas vías catabólicas y anabólicas en detalle.

El metabolismo para producirse necesita de enzimas que catalicen las reacciones y puede llevarse a cabo en distintos compartimentos celulares. Funciones metabólicas de los orgánulos de los eucariontes Orgánulo Mitocondria Citosol Lisosoma Núcleo Aparato de Golgi

Retículo rugoso 9

Principales funciones Ciclo de Krebs, fosforilación oxidativa, oxidación de ácidos grasos, degradación de aminoácidos Glucólisis, vía de las pentosas fosfato, biosíntesis de ácidos grasos, muchas reacciones de gluconeogénesis Digestión enzimática de los componentes celulares y de la materia ingerida Replicación y transcripción del ADN, procesamiento del ARN

Procesamiento de las proteínas de membrana y secretoras; formación de la membrana plasmática y vesículas secretoras endoplasmático Síntesis de proteínas unidas a la membrana y secretoras

Retículo endoplasmático Biosíntesis de lípidos y esteroides liso Peroxisomas Reacciones oxidativas catalizadas por aminoácido oxidasas (glioxisomas en plantas) y catalasa; reacciones del ciclo del glioxilato en plantas

¿Qué es una ruta o vía metabólica? Sucesión de reacciones químicas que conducen de un sustrato (donde actúa la enzima) inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. Su conjunto da lugar al metabolismo. Sustrato Aa→Metabolito Bb→Metabolito Cc→Producto Dd Una ruta o vía metabólica es una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente, en donde un precursor se convierte en un producto a través de una serie de intermediarios metabólic...