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al metabolismo Vamos a ver mecanismos generales de de las que mas adelante se van a ver en detalle. Relacionar las rutas con la o sea entender que las rutas ocurren dentro de nuestras responden a las leyes de la es metabolismo? Es una actividad celular coordinada donde participan muchos sistemas mul...

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Introducción al metabolismo Vamos a ver mecanismos generales de regulación de las vías metabólicas que mas adelante se van a ver en detalle.

Relacionar las rutas metabólicas con la bioenergética o sea entender que las rutas metabólicas ocurren dentro de nuestras células responden a las leyes de la termodinámica

¿Que es metabolismo? Es una actividad celular coordinada donde participan muchos sistemas multienzimaticos. Una ruta metabólica es un conjunto de enzimas o sistemas multienzimaticos que van a generar un producto determinado a partir de un sustrato.

El metabolismo se utiliza para -

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obtener energía química desde la energía solar por ejemplo la fotosíntesis u obtener energía degradando nutrientes ricos en energía desde el medio ambiente. Convertir moléculas nutrientes en moléculas características de la célula, por ejemplo algunas celular producen neurotransmisores que son específicos de un tipo no los produce otra célula, esta igual es una particularidad y es parte del metabolismo típico de una célula Y también algunas células sintetizan macromoléculas y biomoléculas para funciones especializadas, por ejemplo el glicógeno que sintetiza los hepatocitos es característico de la célula muscular y nadie mas sintetiza una macromolécula como el glicógeno.

Diagrama general de metabolismo En esta figura tenemos un componente esencial que son los nutrientes que son compuestos ricos en energía, evolutivamente nuestras células han desarrollado mecanismos para poder extraer energía a partir de nutrientes de carbohidratos, lípidos y proteínas y esos sistemas multienzimaticos que desarrollaron y generaron las vías metabólicas que se conocen como rutas metabólicas. Entonces la utilización de estos nutrientes carbohidratos, lípidos y proteínas, la degradación para extraer energía se llama catabolismo

(flecha roja) y los productos del catabolismo son productos de desecho generalmente como CO2 agua y amonio. Fíjense de compuestos relativamente complejos el catabolismo libera compuestos simples de un carbono de un nitrógeno o agua. En esta ruta metabólica lo que es súper importante es que el sistema conserva la energía, hay una molécula central que es el ATP esta es una molécula que conserva la energía extraída de la oxidación de estos sustratos. Pero no solo existe el ATP que se genera directamente de una ruta metabólica el que conserva energía sino que también hay otro componente súper importante que es la captación de electrones y conservación de electrones por moléculas que son especializadas para eso y aquí esta NAD oxidado NAD fosfato oxidado y el FAD. ¿Cómo funciona por ejemplo una luz que esta encendida en la sala? Es un sistema donde hay un flujo de electrones y este flujo produce energía, el solo hecho que los electrones fluyan producen energía y si colocamos un traductor (ampolleta) este se va a prender es decir va a traducir la energía. En nuestras células exactamente lo mismo, los carbohidratos, lípidos y proteínas contienen electrones que forman su estructura y el catabolismo extrae esos electrones y los conserva en moléculas que son capaces de conservar los electrones, pero estas moléculas después la transfieren a un sistemas transportador de electrones que simulan como los cables donde circula la electricidad, y a ese sistema transportador le ponen un traductor y ese traductor va hacer que sintetice o genere muchas mas moléculas ricas en energía que el ATP que se genera directamente del catabolismo. Al contrario la ruta que se llama anabolismo (catabolismo->degradación , anabolismo->síntesis) para sintetizar una molécula compleja como por ejemplo una proteína, un polisacárido, lípidos o ácidos nucleicos, imagínense un acido nucleico tiene muchos nucleótidos y estos no están colocados al azar es una secuencia por lo tanto son procesos complejos, lo mismo que las proteínas son hartos aminoácidos que no están a la azar por lo tanto la vía anabólica además de necesitar los precursores que son los aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos y bases nitrogenadas necesitan que el sistema invierta energía en este proceso tan complejo para generar una proteína con una secuencia particular o un acido nucleico con una secuencia en particular, y ahí ¿Quiénes son los dadores de energía? Los mismos que antes habían capturado la energía osea que conservan la energía que son el ATP y los compuestos que contienen electrones, osea es un ciclo que se esta consumiendo se están regenerando estas moléculas y a la ves que se están gastando van a generar procesos complejos y hay un sistema adicional que además los produce que lo veremos mas adelante. En términos generales las vías catabólicas que se muestran en flecha roja son vías convergentes en donde moléculas complejas como los fosfolípidos, triacilgliceroles, almidón, glicógeno, sacarosa y otras más se van catabolizando o degradando y convergen en una molécula central que se llaman metabolitos y que tienen bajo peso molecular como por ejemplo la acetil-CoA y a partir de este metabolito se pude generar una ruta catabólica que sintetiza otra cosa por ejemplo acetil- CoA que venía de la glucosa que se oxido hasta piruvato y después se oxido hasta acetil-CoA después este acetil CoA que antes era parte de la glucosa, esos carbonos se van a la síntesis de una hormona esteroidal o colesterol o sea otra molécula absolutamente distinta por otra ruta que se llama anabólica que está

en azul, a partir de moléculas sencillas sintetizan una moléculas complejas. También existen rutas que son cíclicas como el ciclo de Krebs. Primero que nada un mecanismo general de regulación de ruta metabólica es la disponibilidad de sustratos y complejos enzimáticos, acuérdense que aquí están los dos componentes de una ruta metabólica un sustrato y las enzimas que van a transformas el sustrato a un producto y las enzimas en la ruta metaboliza son varias osino se llamaría una reacción enzimática. Aquí hay un ejemplo: esta es una célula vegetal porque tiene glioxisoma(la célula animal no tiene glioxisoma) que es un organelo que esta rodeado por una bicapa lipídica que lo delimita dentro de esta célula también hay citoplasma en color blanco , cuerpos lipídicos en amarillo y esta la mitocondria que también tiene una membrana que lo separa del citoplasma, entonces fíjense lo que hace la célula con los lípidos que están almacenados en los cuerpos lipídicos, los almacena como triacilgliceroles y estos se pueden degradar a acidos grasos libres y este ac. Graso libre no puede ser utilizado en el cuerpo lipídico tiene que ir a donde este la ruta metabólica que lo utiliza entonces viaja del cuerpo lipídico hasta el glioxisoma, en el glioxisoma es oxidado hasta acetil- CoA que es un metabolito producto de degradación este acido graso tiene 16 carbonos suponiendo el ejemplo de los mas comunes y genero un producto de 2 carbonos, 8 productos de 2 carbonos y después el producto de dos carbonos se metaboliza en el glioxisoma para generar succinato que es un compuesto de 4 carbonos y este succinato ya no puede ser metabolizado mas en ese compartimento sino que tiene que viajar entonces sale del glioxisoma pasa por el citosol y sale a la mitocondria y en la mitocondria mediante el ciclo del ac. Cítrico es transformado a ac. Malico o malato y después tiene que salir nuevamente al citosol y en el citosol se transforma en una hexosa, en realidad esta es una glucosa que después se condensa con otra molecula y forma sacarosa, osea partimos de un lípido que lo degradamos, lo transformamos y después sintetizamos una azúcar, este es el mejor ejemplo que demuestra compartimentalización, el sustrato tiene que estar disponible donde se encuentra la ruta metabólica que lo va a utilizar. Este mecanismo es regulado primero que nada el paso de la degradación del triacilglicerol a ac. Graso libre es regulado después el flujo de este ácido graso al glioxisoma también es regulado, todo es regulado nada ocurre a la azar. Otro tipo de mecanismo de regulación de la ruta metabólica es la canalización de sustratos y esto se refiere a la eficiencia catalítica de una ruta metabólica. Aquí se muestra un ejemplo en donde hay solo dos enzimas de una ruta metabólica (siempre hay mas ahora es solo un ejemplo) esta la enzima azul y la amarilla entonces si hacemos

el ejercicio colocamos la enzima azul y la amarilla en un tubo de ensayo y le agregamos el sustrato que en este caso es gliceraldehido 3 fosfato debería ocurrir la coalición probabilística del sustrato con la enzima 1 y una vez que eso ocurra se va a generar el coproducto que es el intermediario y después ese coproducto tiene que salir soltarse de la enzima 1 ser liberada al medio y después nuevamente lo mismo probabilísticamente debe coalicionar el intermediario con el sitio activo de la enzima 2 y después es transformado a la enzima 2 y tiene que ser liberado al medio. Si funcionara así el sistema seria lento porque estamos hablando de coaliciones probabilísticas con sitios activos y a veces cuesta que la enzima libere el producto o sea sería muy ineficiente, en cambio lo que ocurre dentro de nuestras células: existen los complejos multienzimaticos en donde la enzima 1 esta asociada con la enzima 2 entonces el sustrato gliceraldehido 3 fosfato coaliciona con la enzima 1 pero después no sale mas del sistema y se canaliza a través de los sitios activos de la enzima 1 y enzima 2 y puede haber enzima 3,4. El nombre canalización de sustratos viene de que verdaderamente forman un canal por donde fluyen los intermediarios que se van transformando, esto es mucho mas eficiente que la situación de la izq. Existe otro tipo de mecanismo de regulación de la ruta metabólica es la regulación alostérica de enzimas, aquí se muestra un caso de la PFK-1 y un regulador alostérico que es el ATP y el sustrato es fructosa 6 fosfato. ¿El ATP en este caso es un regulador o inhibidor alosterico de a cuerdo al dibujo? Un inhibidos alostérico, porque la enzima a bajas concentraciones de ATP y una cierta concentración de sustrato la velocidad de la enzima esta por arriba en cambio cuanto esta alto el ATP y la misma concentración de sustrato la actividad enzimática esta por abajo, la presencia de enzimas alostericas reguladas favorece o controla que la ruta metabólica ocurra rápido o lento o también que ocurra o no ocurra. Entonces tenemos estos 3 mecanismos generales de regulación que tienen que ver con la actividad en una ruta metabólica, si ocurre o no ocurre o si es lenta o rápida.

Aquí hay un ejemplo que resume todo, primero que nada esta ruta metabólica que esta esquematizada hacia abajo con la flecha roja pertenecen a la ruta metabólica que se llama glicolisis, esta ruta metabólica ocurre en todas nuestras células oxida glucosa hasta piruvato en 10 etapas todas ocurren en el citosol y la ruta metabólica que ocurre por ejemplo en los hepatocitos en el hígado además de la glicolisis que es la oxidación de glucosa a piruvato existe otra ruta que a partir de piruvato genera glucosa o sea lo contrario incluso algunas reacciones son las mismas son reversibles para arriba ocurre gluconeogénesis y para abajo glicolisis, entonces

estas dos rutas la gluconeogénesis que genera glucosa a partir de piruvato y la glicolisis que oxida la glucosa a piruvato tienen que ser súper reguladas. ¿Cuándo se necesita cada una? Tiene que ser súper bien establecido. Entonces un mecanismo de regulación es la compatimentalizacion, fíjense que el piruvato en la glicolisis ocurre todo en el citosol en cambio en la gluconeogénesis para que comience el piruvato tiene que entrar a la mitocondria porque ahí están las primeras enzimas que lo convierten a ciertos intermediarios de la gluconeogénesis y después sale de la mitocondria y ahí puede seguir la ruta hacia arriba a la síntesis de glucosa, compartimentalizacion el primer sitio de regulación. Lo otro son las enzimas alostéricas que ocurre por dos enzimas una hace las reacción de la glicolisis y la otra hace la reacción de la gluconeogénesis y ambas son enzimas alostericas reguladas que responden a un regulador alosterico por ejemplo se muestra la fructosa 2,6 bifosfato es un regulador alosterico y es un activador de la enzima de la glicolisis y es un inhibidor alosterico de la enzima de la gluconeogénesis que va hacia arriba, entonces ambas enzimas se regulan recíprocamente. Y lo otro que no esta esquematizado acá son complejos multienzimaticos y el sustrato de canaliza para que sea mas eficiente la ruta metabólica.

Ahora veremos algo de bioenergética para demostrar que las rutas metabólicas responden a principios de la termodinámica en nuestras células.

En el fondo es poder calcular cuanta energía o por ejemplo cuantos ATP puedo generar a partir de una molécula de glucosa. O cuantas moléculas de NAD reducido puedo generar a partir de una molécula de glucosa, o cuanta energía de transfirió de la molécula de glucosa a la molécula de NAD. Entonces los principios de la termodinámica son 3, y en base a esos principios existe una formulita para todas las reacciones químicas que es la energía libre o delta G que es la energía que se genera de una reacción química que es igual al delta de entalpia menos temperatura por delta(diferencia) de entropía.

Entonces con esta energía de una reacción química o de una ruta metabólica completa.

formulita ya podemos tener la

Este dibujo es para esquematizarles que las reacciones o rutas metabólicas que ocurren en nuestra célula tienen que cumplir con los principios de la termodinámica. El mejor ejemplo es este : una molécula de glucosa en nuestra célula se oxida completamente hasta agua y CO2, entonces una molécula que tiene 6 C,12 H y 6 O mas oxigeno porque es una reacción de oxidación si dibujamos esto el sustrato son 7 moléculas en total rojo de oxigeno y una de glucosa y se van a generar 12 moléculas totales donde 6 son de CO2 y 6 de agua, por lo tanto el sistema por lo menos con la entropía o el desorden es fácil de verlo, a partir de 7 moléculas generamos 12. Esto que esta aquí es una formulita en donde uno puede calcular la energía de una reacción química pero aplicado a las reacciones que ocurren dentro de nuestra célula, se adapto y por eso que se le puso una coma y un cero que significa en condiciones estándar es decir a 298K pH=7 y a 1atm. Y además considera una variable que es la constante de equilibrio y esta para cualquier reacción química se puede calcular, esta se calcula colocando en un tubo de ensayo 1 mol de A, 1 mol de B, 1 mol de C y 1 mol de D y este tubo lo dejo en condiciones estándar y lo dejo parado en el mesón del laboratorio y me voy y vuelvo a los 5 años y a los 5 años mido cuanto hay de A, B,C y D y con lo que quedo quiere decir que la reacción llego a termino no mas A y B se transformaron a C y D o al revés no mas C y D se transformaron a A y B, con esas concentraciones remplazo en la formula y calculo la constante de equilibrio, y esta constante de equilibrio es característica para cada reacción . Si dejo esto 5 años mas no va a pasar nada porque esto ya llego a termino, entonces esta constante es característica de la reacción y esa es la que se coloca en la formulita y se puede calcular deltaG que es la energía liberada donde R es la constante de gases y T la temperatura. En ves de a ver esperado 5 años se podría haber hecho de otra forma, al tubo de ensayo agregarle una enzima y al otro día ya ir a medir las concentraciones que quedaron de A,B, C y D, ¿que pasaba en este caso? La enzima es un catalizador va hacer que la reacción que demoraba 5 años ocurra en un par de minutos u horas in vitro porque in vivo son un par de segundos, pero la enzima no cambia la constante de equilibrio.

Aquí tenemos un ejemplo como calcular la energía libre que se genera a partir de la reacción química, este es el paso de glucosa 1 fosfato a glucosa 6 fosfatos, en nuestras células esto es catalizado enzimáticamente.

Entonces ¿como se calcula la cte. De equilibrio? Se deja 1 mol de glucosa 1 fosfato y 1 mol de glucosa 6 fosfato en un tubo de ensayo hasta que ya no haya cambios unos 5 años o menos y después se mire cuanto quedo de eso y se aplica en la formula producto dividido por sustrato y da 19 esta es la cte. De equilibrio característico para esta reacción y si le agrego una enzima la cte. Va a seguir siendo 19, luego remplazo en la formula de energía libre y da -7,3 kJ/mol el deltaG en condiciones estándares ¿ que significa esto? Cuando el deltaG es negativo quiere decir que la reacción es forward y la cte. De equilibrio es mayor que 19 y si la reacción procede hacia el otro lado la constante de equilibrio hubiera sido menor que 1 y el deltaG hubiera sido positivo, y si no hubiera reacción si no reaccionaron las dos moléculas la cte. De equilibrio es 1 y el deltaG es 0 osea esta en equilibrio. Por regla general se tiende a escribir la reacción en sentido forward o sea hacia donde reacciona hacia donde se desplaza la reacción. Esta tablita muestra varias de las reacciones que ocurren dentro de nuestras células y si se fijan por ejemplo la formación de glucosa la oxidación completa de glucosa hasta CO2 y agua fíjense el deltaG= -2840 kJ/mol o -686 kcal/mol, osea libera mucha energía (libera porque tiene signo negativo), y esta energía que se libera y la oxidación completa de la glucosa nuestras células deberían tener algún sistema que permita conservarlas para utilizar la energía y realizar trabajo ¿ que trabajo? Por ejemplos síntesis te una macromolecula, desplazarse, dividirse, sintetizar ac. Nucleicos, etc. Y aquí hay varias reacciones todas las reacciones que utilizan sustrato en nuestra célula obviamente están relacionadas con la liberación de energía y nuestras células tienen los sistemas que la conservan.

Pero cuidado, fíjense en esta relación si coloco 1 mol de dihidroxiacetona fosfato y 1 mol de gliceraldehido 3 fosfato en un tubo de ensayo lo dejo 5 años y después miro cuanto tengo cuanto me quedo de cada uno y lo remplazo en la formulita la cte de equilibrio es 0,0475, ¿Qué pasaba cuando era 0? Nos iba a dar un deltaG estándar positivo por lo tanto la reacción termodinámicamente es favorable para la izq y las células no deberían ir contra el principio de la termodinámica, sin embargo en nuestras células esa reacción ocurre para allá, entonces ¿Qué pasa? ¿Cómo lo

hace? ¿Como sobre lleva esa barrera termodinámica la célula? Hay mecanismos que lo utilizan y generalmente son dos, que son súper importantes.

Uno es el efecto de masa in vivo este se refiere a que cuando calculamos para el tubo de ensayo la cte de equilibrio estándar nosotros colocamos los tubos de ensayo 1 mol de dihidroxiacetona fosfato 1 mol de gliceraldehido 3 fosfato y esperamos a que la reacción ocurra, y en la celula ¿hay un mol de concentración? No necesariamente puede haber mucho más de uno o mucho mas de otro y a eso se refiere el efecto de masa in vivo, entonces para corregir esa situación existe una formulita que determina el deltaG in vivo. El deltaG estándar por convención lo vamos a usar con el cero arribita o con la coma o las dos cosas y el deltaG sin nada es el in vivo. Entonces deltaG in vivo se puede calcular utilizando la formula de la imagen.

Entonces para la misma reacción que habíamos visto antes el deltaG in vivo(que lleva una comita arriba pero para no confundir lo usaremos sin nada) es igual al deltaG estándar mas el factor que corrige las concentraciones que ocurren dentro de la célula, fíjense las concentraciones del sustrato 2*10-4 y del producto 3*10-6 hay una diferencia de dos ordenes de magnitud es decir bastante diferencia y al corregir todo esto el deltaG in vivo es -71,5 (kJ/mol) osea es favorable termodinámicamente tiene el deltaG negativo y asi ocurre en nuestra célula. Y este efecto de masa es necesario corregirlo para medir deltaG de una reacción in vivo porque como es en el caso de las rutas metabólicas el producto o los intermediarios por ejemplo entra un sustrato la primera enzima, el sustrato coaliciona con la primera enzima y se genera un producto que es un intermediario de la ruta luego ese producto inmediatamente es utilizado por la segunda enzima, por lo tanto ¿el sistema cuanto ve del producto de la primera enzima? Nada por...