Tema 1. Características del metabolismo PDF

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Apuntes con los que obtuve una calificación de 9.1 con el profesor Francisco J.Bedoya Bergua....

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Tema 1: Características del metabolismo Introducción Ideas: -

Catabolismo Anabolismo Transformaciones Materia y energía

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Metabolismo

 Catálisis A↔B  Equilibrio químico: Concentraciones adecuadas de A y B.  AG0: Kcal/mol  Exergónica:  Endergónica: +

Catalizadores: enzimas o proteínas

 Reacciones anabólicas (Sencillo →Complejo): – B más complejo que A – Son reacciones de síntesis. – Uno o más sustratos – Condensación: los sustratos se unen

 Reacciones catabólicas (Complejo →Sencillo): – A más complejo que B – Son reacciones de descomposición. – Separación de los componentes

Metabolismo -

El metabolismo es el conjunto de transformaciones de la energía y de la materia en el interior del organismo

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Todos los seres vivos dependen de un aporte de energía y de materia que procede del entorno

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Ingredientes básicos de las reacciones químicas en las células: – Energía, materia y sistema que de las transformaciones (sustratos, productos, catalizadores y termodinámica)

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Temas a discurrir •

¿Por qué la vida necesita del aporte de materia y energía?

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¿Por qué los organismos metabolizan la materia y la energía?

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¿Cuáles son los ingredientes básicos de las reacciones químicas en las células?

•

¿Cuál es el diseño común del metabolismo celular?

1. Fundamento Físico del Metabolismo “Los organismos son sistemas auto organizados que intercambian materia y energía con el entorno” –

Sistema auto-organizado: implica complejidad

 Intercambio de energía:

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Fosforilación oxidativa: ADP + Pi → ATP (Fosforilación directa del ADP, se le añade un P, es una reacción Endergónica, requiere energía)

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Fosforilación a nivel de sustrato: ADP + X−P →ATP (Glucolisis) X−P: Compuesto intermedio fosforilado de gran energía

2. Las Reacciones Químicas dentro de la Célula están Conectadas 

La secuencia de reacciones conectadas entre sé recibe el nombre de ruta metabólica

Pueden ser reversibles o no reversibles, dependiendo de la constante de equilibrio de la reacción

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Las rutas pueden ser lineales, ramificadas o circulares –

Lineal:

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Ramificada:

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Circular:

Las reacciones están catalizadas por enzimas Algunas enzimas actúan además como reguladoras de la vía Cualquier sustancia que forme parte de una reacción metabólica se llama metabolito

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Primera Regla de la Regulación del Metabolismo: Evitar los Atascos

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Reacciones Coordinadas: Producto → Sustrato de otra reacción, se consigue mediante regulación de actividad de enzimas reguladoras

Una elevada concentración de H, inhibe alostéricamente a la enzima a (enzima reguladora de la ruta), a es una inhibición reversible.

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a: enzima alostérica tiene más sitios de unión. Tiene un sitio alostérico para H. H se une y cambia la conformación de la enzima, la inhibe reversiblemente

Ej: regulación por producto final (retroinhibición)

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Muchas reacciones que tienen lugar en la célula están coordinadas, de modo que el producto de una puede ser el sustrato de una o más reacciones subsecuentes

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Esta coordinación se ejerce mediante la regulación de la actividad de ciertas enzimas que por ello se denominan reguladoras

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interacción alostérica: consiste en el cambio estructural de una proteína, es decir, sus receptores cambian. Las enzimas alostéricas poseen dos sitios activos, en el primero se unirá un sustrato determinado, mientras en el segundo o también conocido como sitio alostérico se unirá un efector el cual producirá un cambio en la proteína, llevándonos a una regulación de la actividad de esta

3. Regulación enzimática del metabolismo La actividad de una enzima puede ser regulada por: a) Modificación del número de moléculas en la célula b) Localización en compartimentos subcelulares c) Modulación de su actividad enzimática. Se puede regular tanto la actividad catalítica, como el número de enzimas que haya. La actividad de una enzima en concreto puede estar regulada por más de un mecanismo, no son mecanismos excluyentes, se puede regular por distintos mecanismos.

La temperatura y el pH no son reguladores enzimáticos del metabolismo La actividad de una enzima se puede regular por: – –

Temperatura pH

El proceso catalítico depende de estos factores. Estos son características generales, pero no es un proceso de regulación metabólica. En los organismos hay bastante igualdad de temperatura y pH, no hay variaciones bruscas. Estas dos no son formas de regulación enzimática del metabolismo. Los sistemas biológicos son tremendamente diversos, hay exclusiones de organismos que sí regulan con la temperatura, pero no en esta asignatura, vamos a ver principios de regulación del metabolismo, de los cuales quedan excluidos la temperatura y el pH. Examen “La temperatura y el pH NO son formas de regulación de la actividad enzimática en el metabolismo”

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Regulación de la actividad enzimática Factores extracelulares que no son sustrato de la enzima: por ejemplo factores de crecimiento u hormonas. Este provoca la activación de un gen específico que dará lugar a un ARNm. Esta es una condición indispensable, pero no suficiente. El ARNm se debe madurar, traducir en el ribosoma, etc. Esto daría lugar a un incremento en el número de moléculas de proteínas. Este número de moléculas se puede regular por: – –

Expresión del gen Degradación de la proteína en cuestión

La enzima cuando es sintetizada puede tener actividad o no. Hay enzimas que requieren de otros factores para regularse: 1. Interacción proteína-proteína: puede ser interacción activadora o inhibidora. 2. Cambios en ciertos aas (modificaciones covalentes), introducción de grupos químicos en aas: son cambios estables que conducen a modificaciones de la activación enzimática. No podemos saber si llevan a activación o inhibición.

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Modificación covalente por: – Fosforilación de Ser, Thr o Tyr – Metilación – Nucleotidilación – Acetilación – Etc,(¡se han descrito hasta 200 tipos de modificación covalente)

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Ej: Fosforilación y Desfosforilación

La introducción del grupo fosforillo está catalizada por las quinasas, se consume ATP. Es un proceso reversible, pero solo si tenemos fosfatasas

No son iguales ni las enzimas ni las reacciones.

Determinadas enzimas cambian su conformación por modificación covalente del grupo R de determinados aminoácidos Este cambio conformacional provoca cambios en su capacidad catalítica (activación/ inactivación).

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3. Regulador Alostérico: Puede conducir a la activación o a la regulación, por ejemplo la retroalimentación. Solo depende de la concentración de la molécula que interactúa. – Es reversible, ya que el efector (molécula reguladora) actúa a una concentración determinada, por debajo de la cual deja de ejercer su efecto regulador – No está mediada por ninguna enzima – Provoca un cambio conformacional de la proteína enzimática – Puede ser activadora o inhibidora – El efector es un metabolito (ligando alostérico) de la ruta en la que actúa la enzima alostérica, de otra ruta asociada o moléculas generadas a lo largo del metabolismo energético Efector = ligando = regulador alostérico = metabolito de la ruta Ejemplos de moléculas que pueden actuar como reguladoras: ATP, ADP, AMP, NADH, etc. “Tanto la modificación covalente como la alostérica son modificaciones rápidas, se hacen en fracciones de segundos, las otras requieren de horas

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Ej: Mecanismos Alostérico  PFK-1: enzima La raya negra indica que a una concentración baja de ATP, la velocidad de la reacción se incrementa con la concentración de sustrato, llega un punto que se alcanza la saturación, velocidad máxima y demás. La raya roja, resulta sorprendente, cuando hay una alta concentración de ATP, la reacción va más lenta, varía la afinidad por el sustrato. Cuando la [ATP] es baja, es más rápido que cuando la [ATP] es alta.

Lo lógico sería pensar que cuanto más sustrato más rápido sería la reacción, pero esta enzima tiene 2 sitios de unión con el ATP, uno que es la zona catalítica y otra reguladora. Página 8 de 14 Luis Pedro Gª-San Segundo Jiménez. Facultad de Ciencias Experimentales, Universidad Pablo de Olavide. [email protected]

La lectura metabólica de este resultado, es que el ATP es un regulador alostérico negativo de la fosfofructokinasa-1. Cuando hay mucho ATP, la enzima funciona mal, a pesar de que el ATP es un cosustrato de le enzima. El ATP actúa como cosustrato de la reacción

4. Situación de las enzimas: las enzimas pueden estar secuestradas en orgánulos o liberadas, para regular de esta forma su actividad. 5. Falta de sustrato: es necesario para la reacción, no es todo o nada, depende de la afinidad de la enzima por el sustrato. Se establece un principio de competencia por el sustrato.

4. Reversibilidad de las reacciones en el Metabolismo -

Irreversibles:  Ej: Primera etapa del proceso de formación de la glucosa Es una reacción irreversible en un sistema biológico, la reversibilidad depende de: – Concentraciones de los dos sustratos “En algunos sistemas celulares si es posible el paso de inverso, esto – Otras condiciones intracelulares se consigue por una vía alternativa, hidrólisis del enlace éster, pero es una vía alternativa, no es el paso inverso” “Esta reacción no es reversible, pero algunos organismos se buscan un paso alternativo, la hidrólisis del fosfato”

Desde el punto de vista termodinámico, una reacción puede ser considerada irreversible si: a. La constante de equilibrio está muy desplazada hacia la formación de productos b. La concentración intracelular de los reactantes dentro de la célula hace la reacción irreversible

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Reversibles: Depende únicamente de la concentración de Lactato o piruvato

La reversibilidad, como ya hemos visto, depende de: –

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Constante de equilibrio (concentración de sustratos y productos) Condición del medio, las condiciones estándar son las que se dan en el laboratorio, que siempre son distintas de las intracelulares.

5. Las 5 reacciones más frecuentes del metabolismo 5.1. Oxidorreducciones  Ej: Ocurre una deshidrogenación

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5.2. Rotura o formación de enlaces C-C.  Ej: Ocurre una condensación.

 Ej: Ocurre una descarboxilación de un acido orgánico, el grupo carboxilo se rompe, ocurren por ejemplo en el Ciclo de Krebs.

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5.3. Isomerizaciones Reordenación de los átomos en las estructuras  Ej: La glucosa 6-fosfato se transforma en fructosa 6-fosfato. Es una reacción totalmente reversible en condiciones intracelulares. Vemos que la variación de la energía libre bioquímica estándar, está próxima a cero, por tanto es una reacción que esta condiciones de equilibrio. Cuanto más alejado este de cero, esta mas separado del equilibrio de la reacción

5.4. Eliminaciones De determinados átomos  Ej: Eliminación de agua, o reversiblemente introducción de agua.

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5.5. Transferencia de Grupos

 Ej: transferencia de grupo fosforilo

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Grupo fosfato: Un P y cuatro Oxígenos, el grado de protonación de los oxígenos depende del pH, en este caso están totalmente desprotonizados.

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Grupo Fosforilo: Un P y tres de los cuatro Oxígenos.

Se forma un éster fosfórico, falta un oxigeno, que se libera en forma de agua con los protones que estaban por el medio. Siempre que hay esta reacción hay liberación de agua. Son reacciones de Fosforilación, no de fosfatación, las enzimas catalizan introducciones del grupo fosforilo, no de fosfatos. No es fosfatación, es fosforilación

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Resumen: – – – –

El fundamento físico del metabolismo Los distintos tipos de rutas: se constituye una red, que no implica que todo esté funcionando a la vez, hay regulación de estas. Los tipos de regulación enzimática: permiten la regulación de la ruta. Las 5 clases de reacciones más frecuentes en el metabolismo

“Los dos últimos son los más importantes”

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