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5. Principales vías metabólicas y su regulación

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Ester Cancho

on 19 November 2015

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Transcript of 5. Principales vías metabólicas y su regulación

5. Principales vías metabólicas y su regulación
1. Introducción al metabolismo
El metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones químicas enzimáticamente catalizadas que suceden en la célula.

Es una actividad química altamente ordenada y regulada cuyo objetivo es la correcta manipulación de la materia y la energía por parte de la célula para así mantener el estado vital

Sus funciones son:

La obtención de energía química del entorno.

La conversión de los nutrientes exógenos en precursores de las macromoléculas celulares.

La construcción de dichas macromoléculas propias a partir de los precursores.

La formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones celulares especializadas.
Concepto de metabolismo
Fuentes de materia y energía para el metabolismo
La maquinaria de transformación energética de todas las células está formada por las biomoléculas orgánicas.

Sin embargo, existen grandes diferencias entre distintos tipos de células en lo que se refiere a la
forma en que obtienen de su entorno el carbono y la energía que necesitan para construir los esqueletos de sus biomoléculas , así como otros elementos, como el nitrógeno y el azufre, que
necesitan incorporar a algunas de ellas.
Rutas metabólicas
La mayoría de las reacciones químicas que constituyen el metabolismo están ligadas en secuencias llamadas
rutas metabólicas
, de forma que el producto de una de ellas constituye el sustrato de otra.
Estas reacciones están regidas por las leyes de la termodinámica que gobiernan a todas las reacciones químicas. Tienen lugar en un determinado orden, que está controlado mediante:

El acoplamiento de las reacciones, de forma que la energía necesaria en las reacciones endergónicas procede de la desprendida en las exergónicas.

La síntesis de transportadores energéticos que capturan la energía de las reacciones exergónicas y la transportan a las endergónicas (consumen energía)

La regulación de cada reacción por enzimas.
Tipos de rutas metabólicas
1. Lineales 2. Ramificadas 3. Cíclicas 4. Escalonada
1. Lineales:
Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial) es diferente al producto final de la ultima reacción.



2. Ramificadas:
Vías más complejas que incluyen puntos de ramificación.
4. Escalonadas:
en estas reacciones normalmente alguno de los productos actúa como regulador enzimático de una reacción subsecuente.
3. Ciclicas:
Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial.
Características de las vías metabólicas
Las principales vías metabólicas comparten 4 características principales, las cuales derivan de su función, que es la obtención de productos para ser utilizados por las células.
Las rutas metabólicas a su vez están organizadas en un complejo entramado en el que unas están conectadas con otras a través de e
ncrucijadas metabólicas,
en las cuales hay un metabolito común a dos o más rutas.
1. Las vías metabólicas son globalmente exergónicas.

Una vía metabólica está formada por una serie de reacciones en una secuencia específica que en su conjunto es termodinámicamente favorable.
3. Todas las vías metabólicas son reguladas.
Es necesario regular el paso limitante de la velocidad, con objeto de ejercer un control sobre el flujo de metabolitos a través de una vía metabólica.
No todas las reacciones dentro de la vía pueden regularse.
4. En las células eucariotas, las vías metabólicas se desarrollan en lugares específicos de las células.
La síntesis de metabolitos en orgánulos subcelulares específicos hace que su transporte entre estos compartimientos sea una parte fundamental del metabolismo eucariótico.
Características del metabolismo
las reacciones bioquímicas son muchas, pero aquellas importantes son relativamente pocas
Las rutas centrales del metabolismo son pocoas y similares entre todas las formas de vida
las moléculas importantes del metabolismo no superan las 100
todas las rutas metabólicas están reguladas de forma similar
2. Cada vía metabólica tiene una etapa obligada.
En su conjunto, las vías metabólicas son reversibles, la mayoría de las reacciones que las componen funcionan próximas al equilibrio.
Sin embargo, en cada vía existe, generalmente, una reacción irreversible (Paso limitante-exergónica) que obliga al intermediario que se produce a continuar a lo largo de la vía.
Características de las vías metabólicas
Regulación de las rutas metabólicas
Objetivos:

Que la velocidad de la vía se encuentre adaptada a las necesidades de la célula.
Que las vías de síntesis y degradación no estén activas al mismo tiempo.
Mecanismos:

Mediante enzimas alostéricos (segundos o menos).
Capaces de cambiar la actividad catalítica en respuesta a moduladores estimuladores o inhibidores
Regulación hormonal (segundos a minutos)

Regulación genética (horas)

Principalmente a través de la regulación de la concentración de una enzima en la
célula
Regulación de las rutas metabólicas
Generalidades:

Las primeras reacciones de la ruta metabólica suelen estar reguladas.
Las enzimas reguladoras catalizan reacciones irreversibles.
Las enzimas reguladoras catalizan etapas limitantes de la ruta.
Las isoenzimas específicas de tejido permiten la regulación diferencial en los distintos órganos.
Muchas de las rutas están reguladas mediante retroalimentación (inhibición por producto final)
La regulación hormonal integra las rutas en los distintos tejidos
Las hormonas regulan el metabolismo mediante:
-Cambios en el estado de fosforilación de las enzimas
-cambios en la regualación genética (inducción o represión genética)

http://www.lourdes-luengo.org/actividades/8-1huecos.htm
La ventaja de la
compartimentación celular
la constituye el hecho de que separa reacciones químicamente incompatibles.
El tipo de regulación más sencilla implica los parámetros que afectan a las velocidades de las reacciones enzimáticas (pH, concentración de enzima, concentración de cada intermediario, concentración de iones metálicos y coenzimas esenciales, etc.).
Fases del metabolismo
El metabolismo se divide en dos fases principales: el
catabolismo
y el
anabolismo
.
El catabolismo es la fase
degradativa
del metabolismo, en la cual moléculas orgánicas complejas y relativamente grandes como los polisacáridos o las proteínas se degradan para dar lugar a moléculas de estructura más simple y menor tamaño tales como el ácido láctico, CO2, agua, amoníaco o urea.

Este proceso degradativo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas que se degradan; es por lo tanto un proceso exergónico.

Muchas reacciones del catabolismo suponen una oxidación, es decir, una pérdida de electrones, de los sustratos orgánicos que se degradan.


En resumen, el catabolismo es un proceso
degradativo
,
oxidante
y
exergónico
Catabolismo
Anabolismo
El anabolismo es la fase
constructiva
del metabolismo, en la cual tiene lugar la síntesis de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucleicos, las proteínas, los polisacáridos y los lípidos a partir de moléculas precursoras de estructura más sencilla y menor tamaño.

Este proceso biosintético requiere energía química para poder ser llevado a cabo, es decir, es un proceso endergónico.

La construcción de biomoléculas orgánicas altamente hidrogenadas requiere electrones para reducir a sus precursores relativamente oxidados.



En resumen, el anabolismo es un proceso
constructivo
,
reductor
y
endergónico
.
Las rutas metabólicas que forman parte del catabolismo se denominan
rutas catabólicas
, mientras que las que forman parte del anabolismo se denominan
rutas anabólicas.

Existen también algunas rutas que, en todo o en parte, son comunes al catabolismo y al anabolismo; reciben el nombre de
rutas anfibólicas
.
Los tres tipos de ruta tienen lugar de forma simultanea en el citoplasma celular.
(las células están constantemente renovando sus componentes celulares)
Principales características del catabolism y el anabolismo
Transformaciones catabólicas, anabólicas y anfibólicas
La degradación enzimática de cada uno de los principales elementos nutritivos (hidratos de carbono, lípidos y proteínas) tiene lugar a través de cierto número de reacciones enzimáticas consecutivas que se desarrollan en
tres fases
:
Cada uno de los dos procesos abarca la secuencia de reacciones enzimáticas mediante las cuales se degrada o se sintetiza el esqueleto covalente de una determinada biomolécula.

Los intermediarios químicos de este proceso se denominan metabolitos, y este proceso metabólico:
metabolismo intermedio.


Acompañando a cada una de las reacciones químicas del metabolismo intermediario; tiene efecto un cambio de energía característico.
En algunas de las etapas de las secuencias catabólicas puede conservarse la energía química, habitualmente en forma de energía del enlace fosfato y en ciertas etapas de las secuencias anabólicas puede utilizarse esa energía del enlace fosfato. Esta fase del metabolismo se denomina
acoplamiento energético
.

El metabolismo intermedio y el acoplamiento de energía están obligatoriamente interconectados y son interdependientes.
El
catabolismo
se sucede en tres fases:

Fase I,
donde las macromoléculas se transforma en monómeros correspondiente.

Fase II,
los monómeros se transforma en acetilo del acetilCoA, y se desprenden energía en ATP y NADH

Fase III
, donde tiene lugar la oxidación del grupo acetilo a H2O y CO2, produciéndose gran cantidad de NADH.

El
anabolismo
también sucede en estas tres fases:

Fase III
, por los pequeños compuestos originados en la tercera fase del catabolismo

Fase II
, donde se forman los monómeros

Fase I
se forman las moléculas complejas.
la
fase III es una ruta anfibólica
, donde desempeña una doble función, es decir son reversibles.
Fase I:
En esta fase las grandes moléculas de los elementos nutritivos se degradan hasta los principales componentes. Los polisacáridos son degradados a pentosas o hexosas, los lípidos a ácidos grasos, glicerina y otros componentes, y las proteínas a sus veinte aminoácidos constitutivos.

Fase II:
Los numerosos productos distintos de la Fase I son recogidos y convertidos en un número pequeño de moléculas más sencillas. Así, las hexosas, las pentosas y la glicerina se degradan en el azúcar fosforilado de tres átomos de carbono, el gliceraldehído-3-fosfato y después hasta un compuesto sencillo de dos átomos de carbono, la acetil-coenzima A. Los aminoácidos diferentes son también degradados a: acetil-coenzima A, alfacetoglutarato, succinato, fumarato y oxalacetato.

Fase III:
Los productos formados en la fase II pasan a la fase III que es el camino común final en el cual se oxidan a CO2
La ruta anfibólica puede utilizarse catabólicamente para lograr la degradación completa de pequeñas moléculas producidas en la Fase II del catabolismo o puede utilizarse anabólicamente como precursora de moléculas para la Fase II del anabolismo.
Esquema general del metabolismo
Distribución celular de los enzimas-Sistemas multienzimáticos
La célula usa la energía liberada en las reacciones exergónicas para impulsar las endergónicas.

ACOPLAMIENTO ENERGÉTICO.
Por lo general no se realizan acoplamientos directos entre procesos exergónicos y endergónicos.

La célula emplea normalmente un intermediario energético ATP (adenosin-tri-fosfato).

El ATP no es un reservorio o depósito de energía, sino que actúa como un
transportador de energía
, desde las reacciones en que ésta se libera hacia los procesos que la consumen.
Tipos de reacciones químicas en el metabolismo
Las variaciones de energía libre estándar son aditivas
Este principio explica por qué una reacción termodinámica desfavorable (endergónica) puede ser impulsada mediante la acoplación a una reacción exorgónica a través de un intermediario comú.
Flujo de grupos fosfato
ATP
: nexo entre procesos biológicso dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía
La hidrólisis del ATP proporciona energía libre para impulsar reacciones endergónicas, energeticamente desfavorables.
Hidrólisis del ATP
Los otros nucleósidos trifosfato: GTP, UTP y CTP y los deoxinucleósidos
trifosfato: dATP, dGTP, dTTP, dCTP son energéticamente equivalentes al ATP
-Compuestos de alta energía= altos potenciales de transferencia de fosforilo ( tendencia a ceder el P)
- ATP= valor energético intermedio
-Compuestos de "alta energía" , transfieren su grupo fosfato al ADP para formar el ATP

- ATP, trasfiere el grupo fosfato a compuestos de baja energía y los "activa"
ej:
Procesos celulares donde se forma o se consume ATP
Formación de ATP:
Fosforilación a nivel de sustrato (1):
transferencia de grupo fosfato desde compuesto de alta energía al ATP
Fosforilación oxidativa (2):
transferencia de electrones al O2 acoplado a la biosíntesis de ATP en la membrana mitocondrial
Consumo de ATP:
Primeras etapas de la glucólisis
Reacciones de biosíntesis (4)
Transporte activo (5)
Contracción muscular (6)
otros procesos varios
Moléculas clave en el metabolismo celular
ATP
Además de los
enzimas
son necesarias las siguientes moléculas:
Metabolitos:
glucosa, ácidos grasos, acetil CoA, etc.
Moléculas ricas en energía
: generalmente vinculadas al grupo fosfato (ATP)
Moléculas ambientales como el oxígeno, agua, CO2, alcohol etílico, et.
Nucleótidos:
permiten una reducción u oxidación de los metabolitos, actuando como transportadores de electrones.
Moléculas fundamentales en el metabolismo
Coenzimas transportadoras de electrones
1. Cofactores principales:
hidrosolubles, intervienen en muchas reacciones
redox del metabolismo

NAD+
y
NADP+
: Cofactores móviles, se trasladan de un enzima a otro

FAD
y
FMN
: grupo prostético de las flavoproteínas, a las que están fuertemente unidas.

2. Otros cofactores:
algunos solubles, otros proteínas de membrana
quinonas liposolubles
,
proteínas ferrosulfuradas
,
citocromos
Reacciones redox
El ADP es capaz de usar reacciones exergónica para fosforilarse y formar ATP, almacenando en sus enlaces la energía absorbida.

Otra manera de transferir energía es
transferir electrones
. Las reacciones en las que hay transferencia de uno o dos electrones se denominan reacciones redox.
Oxidación = pérdida de e-

Reducción = ganancia de e-

- Oxidación y reducción se producen simultáneamente: el e- que pierde la molécula oxidada se capta por otra que se reduce.

- En los sistemas biológicos frecuentemente la transferencia de un e- se produce unida a la transferencia de un protón (átomo de H) H+ + e-

Oxidación = pérdida de átomos de H (deshidrogenación)
Reducción = ganancia de átomos de H
Hay tres clases principales de enzimas que participan de la corriente del transporte electrónico desde los sustratos orgánicos hasta el oxígeno molecular.
Enzimas de óxido-reducción:
Un e- transferido en cualquiera de esas formas se denomina
equivalente de reducción
1. Desshidrogenasas ligadas a la piridina que requieren NAD o NADP como coenzima.
2. Deshidrogenasas ligadas a la flavina que tienen como grupo prostético al FAD o al FMN.
3. Los citocromos que contienen un sistema nuclear ferroporfirínico.
Deshidrogenasas ligadas a piridina
Se conocen alrededor de 150 y catalizan la siguiente reacción:

Sustrato reducido + NAD+ Sustrato oxidado + NADH + H+

Las deshidrogenases ligadas a la piridina transfieren reversiblemente dos equivalentes de reducción desde el sustrato a la forma oxidada del nucleótido piridínico:
Uno de ellos aparece en el nucleótido reducido como un átomo de hidrógeno.
El otro átomo de hidrógeno separado del sustrato aparece en forma de H libre en el medio.
Deshidrogenases ligadas a la flavina:

Esta clase de enzimas contienen flavín-adenín-dinucleótido (FAD) o bien flavínmononucleótido (FMN) como grupos prostéticos.

En la mayor parte de las flavíndeshidrogenasas el nucleótido flavínico se halla firmemente unido y no se separa de la enzima durante el ciclo catalítico.
Citocromos:
Los citocromos son un grupo de ferroproteínas transferidoras de electrones en las células aerobias, que actúan secuencialmente transfiriendo electrones desde las flavoproteínas al oxígeno molecular .

Tienen una función vital tanto en la respiración aeróbica como en la fotosíntesis.

Se trata de metaloporfirinas (proteínas que tienen un anillo compuesto de 4 pirroles, llamado porfirina, que encierra un átomo metálico por enlaces coordinados), del tipo hemo, es decir, es el hierro.

Los citocromos experimentan cambios de valencia reversibles, Fe (II) - Fe (III), durante el ciclo catalítico.
El citocromo terminal de la cadena, que puede reaccionar con el oxígeno, es la
citocromo-oxidasa
.
Las formas reducidas de los demás citocromos no pueden reoxidarse directamente por el oxígeno molecular.
3 etapas del catabolismo:

1. La fuente de e- son compuestos reducidos
(ej: glucosa, ac.grasos)

2. Reacciones de oxidación: los e- pasan de distintos intermediarios metabólicos a transportadores electrónicos con
liberación de energía

3. Transporte de e- al O2 (aceptor final) acoplado a síntesis de ATP

(
fosforilación oxidativa
)
Reacciones redox y catabolismo
NAD+ y NADP+
FAD y FMN
Citocromos
Vitaminas y coenzimas
Beriberi

Dermatitis

Pelagra

Hipertensión

Depresión


Anemia
Anemia

Enf. carencial
Características generales de las vías metabólicas de carbohidratos, lípidos y aminoácidos.
Principales Rutas metabólicas de los carbohidratos :
Degradación oxidativa a CO 2
Degradación vía de las pentosas
Conversión a grasas y colesterol
Conversión a glucógeno

Principales Rutas metabólicas de los lípidos
Oxidación a CO 2
formación de cuerpos cetónicos
Biosíntesis de colesterol y sales biliares

Principales Rutas metabólicas de los aminoácidos
Degradación a CO 2 y Formación de úrea
Síntesis de Proteínas
Síntesis de nucleótidos y otros productos
Vías metabólicas de carbohidratos
regualacion -esquema insulina
En el metabolismo de los carbohidratos existen tres fases en las que se produce energía:
glucólisis
,
ciclo del ácido cítrico
y
fosforilación oxidativa.


Las tres fases están coordinadas entre sí de modo que funcionan conjuntamente de manera económica y autorregulada para producir
ATP
(producto final del catabolismo productor de energía) y los
intermediarios específicos
(piruvato, citrato, etc.) que se necesitan como precursores en la biosíntesis de otros componentes celulares (anabolismo).
A nivel energético
Glicólisis:
Secuencia de reacciones que convierte una mólecula de glucosa en dos moléculas de piruvato con producción de energía.
Glucogenogénesis:
Ruta metabólica en dónde se transforma la glucosa en glucógeno.
Tiene lugar en el tejido hepático y muscular cuando los niveles de glucosa en sangre son altos.

El glucógeno (o glicógeno) es un polisacárido de reserva energética formado por cadenas ramificadas de glucosa que se acumula en el citoplasma de la célula formando gránulos.

Cuando el organismo o la célula requieren de un aporte energético de emergencia, como en los casos de tensión o alerta, el glucógeno se degrada nuevamente a glucosa, que queda disponible para el metabolismo energético (Gluconeogénesis).
Glucogenólisis:

Ruta metabólica donde ocurre la hidrólisis del glucógeno para obtener glucosa.
Ocurre en principalmente entre periodos de ingesta alimentaria o cuando hay un requerimiento energético particular por parte de la célula.
Gluconeogénesis
Síntesis de glucosa a partir de otros precursores distintos a los carbohidratos.
Glucogenólisis
Degradación de glucógeno en glucosa
Glucogenogénesis
Conversión de glucosa en glucógeno
La estructura ramificada del glucógeno, permite la obtención de moléculas de glucosa en el momento que se necesita.
La enzima
glucógeno fosforilasa
va quitando glucosas de una rama del glucógeno hasta dejar 4 moléculas de glucosa en la rama, la
glucantransferasa
toma tres de estas glucosas y las transfiere a la rama principal y por último, la
enzima desramificante (o Amilo-a-(1,6)-glucosidasa)
quita la molécula de glucosa sobrante en la reacción.
Esquema simplificado de la conversión de glucosa a glucógeno y de glucógeno a glucosa.
Gluconeogénesis
Síntesis de glucosa a partir de otros precursores distintos a los carbohidratos.
Regulación del metabolismo del glucógeno
No es la reversión de la glicólisis: Tres reacciones irreversibles son diferentes.
Ocurre principalmente en Hígado.
Precursores: lactato, piruvato, glicerol y α-cetoácidos(a.a)
Está activada durante ayuno prolongado, ejercicio vigoroso.
Consume energía (hidrólisis 6 enlaces ~P)
•Derivación de las hexosas monofosfato
•Oxidación de la glucosa
•No se genera ATP
•Principales productos: NADPH + H+ y Ribosa 5-P
•Ocurre en el citoplasma:
2 fases: Oxidativa y No oxidativa
•Se activa en tejidos que sintetizan grandes cantidades de lípidos (adiposo, glandula mamaria, corteza suprarrenal e hígado)
Ruta de las Pentosas-Fosfato
Vias metabólicas de lípidos
Regulación de la glucemia
Glucemia: Concentración de la glucosa en la sangre
Hiperglicemia
Hipoglicemia

Acción de dos hormonas pancreáticas.
Insulina:
Acción frente a Hiperglicemia
Glucagón:
Acción frente a Hipoglicemia
Destinos de la glucosa en los distintos tejidos
Glicólisis
También denominada ruta de Emdben- Meyerhof

Proceso en el que una secuencia de reacciones catalizada por enzimas específicos, degrada una molécula de glucosa hasta convertirla en dos de ácido pirúvico o piruvato.

Ocurre en le citosol de todos los tejidos

Función principa energética
Única forma de obtener energía para:
• Eritrocitos • Médula adrenal • Cerebro • Espermatozoides

No necesita oxígeno

Consta de diez (10) reacciones, catalizadas por diez enzimas distintas

Intermediarios: moléculas de 6 carbonos (glucosa y fructosa) 3 carbonos ( Dihidroxiacetona, gliceraldehído. Piruvato)

Todos los intermediarios: FOSFORILADOS Fosfato unido (éster o anhidrido)

Dos etapas principales en la glucólisis:

-
Etapa de consumo de energía:
glucosa a gliceraldehído-3-fosfato (G3P)
Consumo de 2 ATP
-
Etapa de producción de energía
Gliceraldehído-3-P a piruvato
Obtención de dos ATPs
(Toda esta etapa ocurre doble y se producen 2 moléculas de piruvato)

Reacción global

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+  2 piruvato+2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Etapa 1:
Fosforilación de la glucosa con consumo de una molécula de ATP
Etapa 2:
Isomerización de la glucosa 6-P en fructosa 6-P
Etapa 3:
Fosforilación de la fructosa 6-P con gasto de una molécula de ATP, formándose fructosa 1-6 bifosfato.
Etapa 4:
Rotura de la fructosa 1-6 bifosfato en dos triosas en equilibrio; la 3-fosfogliceraldehído
(G3P)
y la 3-dihidroxiacetona
(DAP)
.
(A partir de este punto seguimos la ruta de una de estas moléculas y posteriormente multiplicamos por dos los resultados energéticos conseguidos)
Etapa 5:
El DAP se reorganiza para formar su isómero
Etapa 6:
Oxidación y fosforilación del 3-fosfogliceraldehído (G3P), empleando un Pi y reduciendo dos moléculas de NAD+
Etapa 7:
Desfosforilación del ácido 1,3-bifosfoglicerladehído, formándose una molécula de ATP por cada una de las moléculas implicadas.
Etapa 8:
Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico, cambiando su grupo fosfato del C3 al C2.
Etapa 9:
Formación de un doble enclace como consecuencia de la pérdida de un átomo de hidrógeno y un grupo –OH en el ácido 2-fosfoglicérico.
Etapa 10:
Desfosforilación del ácido fosfoenol pirúvico (PEP), dando ácido pirúvico y ATP
Balance energético de la glucólisis

• Regulación para mantener la [ATP] constante en las células
• Regulación:
– Endocrina
• Hormonas
– Alostérica
• Activadores e inhibidores alostéricos de enzimas clave
– Diferentes isoenzimas según el tejido
• Diferentes funciones o necesidades
Regulación de la glicólisis
Diferentes isoenzimas:

• Hexoquinasa:
– Todas las células
–  afinidad (Km 0,1mM)
–  actividad inc en ayunas (4mM)

• Glucoquinasa:
– Hígado
–  afinidad (Km 10mM)
– Sólo tiene  actividad cuando [glucosa] 
– Su síntesis se aumenta por insulina
Regulación de la glucólis
Regulación alostérica de la glucólisis
Después de la glucólisis:
Destino del piruvato y el NADH:


• Descarboxilación oxidativa y

O2
ciclo de Krebs:
+ energía


• Fermentación:

O2
– Alcohólica
– Láctica
Fermentación:
• En condiciones anaeróbicas
• Permite recuperación del NAD+
 Se puede seguir obteniendo ATP
•Fermentación etílica: 

Ocurre en:
– Levaduras
– Otros microorganismos
– Algunas plantas
NO en animales superiores
•Fermentación láctica:

Ocurre en:
– Eritrocitos
– Músculo esquelético

– Lactobacilos
– Estreptococos
• [ácido láctico]  pH
• Cortan la leche =
desnaturalizan la caseína
 yogur, quesos
Destino del lactato:
• Ciclo de Cori
Descarboxilación oxidativa
• En la matriz mitocondrial
• Irreversible
-Estimulada por Insulina, Ca++ intracelular
- Inhibida por NADH, acetil CoA

• Complejo
Piruvato DH
5 coenzimas
balance energético final de la glucólisis
El rendimiento puede variar de 38 a 36 ATPs
¿Por qué?

Equivalentes reductores (NADH++H y FADH2 que se producen en la glicólisis (citosol) ↓

Son transportados a la mitocondria: Al transporte de e- y F.O (mmi) ↓

Mecanismos de lanzadera:
Malato vs Glicerol 3-P
Lanzadera Glicerol-3-P

• intercambia NADH por FADH2
 2x1,5 = sólo 3 ATP más
• Esla lanzadera principal
en la mayoría de los tejidos
• Lanzadera Malato-Aspartato

– Queda en forma de NADH  2x2,5 = 5 ATP más
– En muchos tejidos

• 2 ATP
• 2 NADH + H+
– En la cadena respiratoria serán:
• 5 ATP más si se utiliza la lanzadera malato-aspartato
• 3 ATP más si se utiliza la lanzadera de glicerol-3-P
TOTAL:
• 2 en condiciones anaeróbias
• 5 - 7 ATP en condiciones aerobias
(…más los que se obtengan en el ciclo de Krebs)
Balance energético de la glicólisis
Introducción al metabolismo lipídico
En la célula encontramos una amplia variedad de lípidos
(Ácidos grasos, triacilglicéridos (TAG), colesterol, fosfolípdos)
Funciones principales:
fluidez de membranas
reserva energética
conservación del calor (reservas de grasas)

Las grasas atraviesan la membrana celular bajo la forma de glicerol y ácidos grasos.

El glicerol sólo contribuye con un 5% del total de la energía biológicamente disponible a partir de las grasas, transformándose fácilmente en
3-fosfogliceraldehído, que se incorpora a la ruta metabólica de los glúcídos.

Los ácidos grasos representan el 95% de dicha energía, sufriendo una oxidación junto con la de los carbohidratos: el ciclo de Krebs.
Digestión y absorción de lípidos
Ingesta alimentos (lípidos)
Almacen de grasas
Energía
La digestión de los TAG se lleva a cabo mediante una fragmentación hidrolítica gradual a ddiferentes niveles del tubo digestivo, que empieza en la boca y sigue en el estómago con movimientos peristálticos.
Intervienen tanto métodos químicos como mecánicos.
Muy importantes en la alimentación
1.FUNCIÓN DE RESERVA. Son la principal reserva energética del organismo. Un gramo de grasa produce por oxidación 9,4 kcal/g, mientras que los glúcidos sólo producen 4,1 kcal/g.
2.FUNCIÓN ESTRUCTURAL. Forman las bicapas lipídicas de las membranas biológicas. Recubren órganos y le dan consistencia, o los protegen mecánicamente, como el tejido adiposo de riñón, pies y manos.
PANCREAS Secreción de Enzimas
BOCA : Lipasa salival (poca actividad)

ESTÓMAGO: Lipasa Gástrica (importante en niños)

INTESTINO DELGADO:
Lipasa Pancreática
Sales biliares
Enzimas digestivas de lípidos
Triacilglicéridos glicerol + ácidos grasos
alfa- lipasa :
Ataca uniones éster de posición 1 y 3 de los TG dejando monoglicéridos esterificados en 2.

Esterasa
: Hidroliza la unión 2 del monoglicérido.

Fosfolipasa A 2
: Actúa sobre el C 2 de lecitina.

Fosfatasa:
Hidroliza unión fosfato de lisolecitina.

Colesterol esterasa:
Actúa sobre ésteres de colesterol.
1. Disponibilidad de sustratos
Concentración de ácidos grasos en sangre, regulada por la velocidad de hidrólisis de TG en el tejido adiposo (LSH)

2. Regulación alostérica
El malonil-CoA es un inhibidor de la carnitina aciltransferasa , regulando la entrada de acil-CoAs a la mitocondria


3. Un balance energético positivo también inhibe la βbeta-oxidación:

β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa se inhibe por NADH elevada - Tiolasa se inhibe por acetil-CoA elevada
Regulación de la Oxidación de Acidos Grasos
Hidrólisis de triacilglicéridos- Lipasa
Esterasa
Digestión de lípidos- Inicio
Lipasa lingual
Lipasa gástrica
Hidrólisis de TAG: á. grass de cadenas cortas, medianas o largas
Atacan enclaces éster del C3
Productos: á.grasos + 1,2 diacilgliceroles
pH óptimo 3-6
Activas después de la ingesta
Muy importane en neonatos:
Poca actividad de la enzima pancreática
Alto contenido de grasa en la leche
Digestión de lípidos-Continuación
Contenido gástrico
Duodéno (pH alcalino ~8.0)
Secreción de bilis (sales biliares)
Secreciones pancreáticas
Emulsifican las grasas
Favorecen el ataque hidrolítico de enzimas pancreáticas
Favorecen absorción de los productos de digestión
Lipoproteínas
Los lípidos no son solubles en agua, se transportan en complejos (lipoproteínas) formados por proteínas (apoproteínas) y lípidos (fosfolípidos y colesterol en exterior; triacilgliceroles y ésteres de colesterol en interior)
Oxidación de los ácidos grasos
Degradación de los Acidos Grasos

Los ácidos grasos se activan en el citosol de la célula, transformándose en acil-CoA (consumo ATP)

Pasan al interior de la mitocondria donde se lleva cabo su degradación oxidativa.

El transporte a través de membrana se efectúa mediante la carnitina

En la mitocondria los acil-CoA se oxidan mediante la ruta que se conoce como βbeta-oxidación (carbono β CH2  C=O)
Etapa 1
betaβ-oxidación produce unidades activadas de dos carbonos, acetil-CoA

Etapa 2
Cada molécula de acetil-CoA se oxida en el ciclo del ácido cítrico produciéndose NADH, FADH2, y algunas moléculas de GTP (o ATP)

Etapa 3
Los coenzimas reducidos se reoxidan en la cadena respiratoria produciendo gran cantidad de ATP
Etapas en la Oxidación de Acidos Grasos
En mamíferos el acetil-CoA no puede contribuir a la formación de hidratos de carbono.

En condiciones de ayuno el hígado forma cuerpos cetónicos (matriz mitocondrial) a partir del acetil-CoA formado en oxidación de ácidos grasos

Permite la liberación de CoA-SH para que continúe la β-oxidación
Los cuerpos cetónicos se transportan por la sangre a otros tejidos que los oxidarán para producir energía

Un exceso de cuerpos cetónicos en sangre causa acidosis (diabetes)
Cetogénesis
Oxidación Transcurre en la mitocondria Biosíntesis Transcurre en el citoplasma

Síntesis de los Acidos Grasos
Las proteínas llegan a la célula al estado de aminoácidos previa digestión por el sistema digestivo.

El papel primordial consiste en actuar como bases para la biosíntesis de las proteínas

En determinadas circunstancias (ingestión de un exceso de proteínas, ayuno prolongado, diabetes, etc.), pueden experimentar degradación oxidativa para producir energía metabólica.

En este proceso, los aminoácidos pierden su grupo amino y los cetoácidos que se forman experimentan la oxidación a CO2 y H2O (con liberación de ATP), parcialmente por la ruta metabólica del ciclo de Krebs.
Metabolismo de las proteínas
Las proteínas de un organismo provienen de distintos orígenes:
-
Proteínas exógenas
, vía ingestión
-
Proteínas endógenas
, de reserva o recambio metabólico.

El proceso mediante el cual se degradan las proteínas se conoce como
proteólisis

(catabolismo)
.
Síntesis de proteinas (anabolismo).

La digestibilidad de las proteínas varía según la configuración y composición de los aminoácidos que la componen.

Las proteinas no tienen una función energética per se, pero en en determinadas condiciones pueden ser usadas para proveer de energía.
Introducción
Digestión proteinas
Las enzimas que digieren (hidrolizan ) las proteínas se denominan PROTEASAS


Proteasas :

ENDOPEPTIDASAS –
hidrolizan enlaces peptídicos internos en la proteina
(tripsina, Quimotripsina, elastasa)

EXOPEPTIDASAS-
hidrolizan enlaces peptídicos en los extremos de la proteina
(carboxipeptidasas : A y B )
1. Digestión gástrica:
Las proteínas de la dieta inician su degradación en el estómago (pH ácido, HCl)

Enzima:
Pepsina:
endopeptidasa que hidroliza enlaces peptídicos adyacentes a aa aromáticos y leucina.

Productos: péptidos tamaño variable
2. Digestión intestinal:
Continúa degradación en el duodeno y yeyuno (pH alcalino)

Enzimas:
proteasas
pancreáticas e intestinales: Tripsina, quimotripsina , carboxipeptidasas A (aa neutros) y B (aa básicos) y elastasa.
Dipeptidasas : atacan los dipéptidos hasta liberar a los aa.

Productos: Péptidos pequeños (dipéptidos) y aminoácidos libres

Absorción al torrente circulatorio →

Proceso de desnaturalización de la estructura (terciaria,secundaria,primaria) de las proteinas hasta la obtención de aminoácidos.
Etapas digestión proteinas
Destino de los aminoácidos
Los aa absorbidos se dirigen al hígado a través de la sangre.

El hígado es la glándula centro de distribución de aa a los demás tejidos. Degrada la mayoría de los aa. Algunos son convertidos a úrea, o cedidos a la circulación general.

Los tejidos toman un cierto tipo de aa para fines anabólicos (biosíntesis) o catabólico (degradación).
Metabolismo de los aminoácidos
Son compuestos cetogénicos el AcetilCoa y AcetoacetilCoA que dan acetona y beta-hidroxibutirato
La degradación o catabolismo de los aminoácidos ocurre dependiendo de su estructura, en dos fases:
a) Remoción del grupo amino (para ser excretado)
Transaminación (formación de nuevos aminoácidos)
Desaminación oxidativa ( formación de ión amonio)
b) Rompimiento del esqueleto carbonado (para formar intermediarios energéticos).
Destino de los esqueletos carbonados.
Los esqueletos de carbono liberados durante la transaminación y desaminación de los aminoácidos ↓ se transforman en siete metabolitos:
(alfaα-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato, oxalacetato, piruvato, acetil CoA y acetoacetil) ↓
Se oxidan: → Ciclo de Krebs hasta CO2 y agua produciendo ATP ↓

Dependiendo la condición energética del organismo ↓ algunos → sustratos en la síntesis de glucosa y cuerpos cetónicos,
Anabolismo de aminoácidos
Para la biosíntesis de aminoácidos, los precursores provienen de:
-Glicolisis (3-fosfoglicerato, fosfoenolpiruvato, piruvato)
- Ciclo de Krebs (oxalacetato, α-cetoglutarato)
- Ruta de pentosas fosfato(ribosa-5-fosfato)

El nitrógeno se obtiene a partir de glutamato o glutamina

Bacterias y plantas pueden sintetizar los 20 aminoácidos
Mamíferos sólo los aa no esenciales (rutas metabólica sencillas)
Los esenciales (rutas más complejas) deben ser incorporados a partir de la dieta
La ruta anfibólica puede utilizarse catabólicamente para lograr la degradación completa de pequeñas moléculas producidas en la Fase II del catabolismo o puede utilizarse anabólicamente como precursora de moléculas para la Fase II del anabolismo.
Respiración: ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO
Antes de comenzar el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico (piruvato) sufre una oxidación.
El carbono y los oxígenos del grupo funcional se separan de la molécula, rinden un CO2
y se forma un grupo acilo CH3-CO.
Esta reacción está catalizada por el enzima
piruvato-deshidrogenasa.

Acoplada a esta reacción se forma un NADH a partir de la reducción de un NAD+
Cada grupo acilo se une a un nucleótido llamado coenzima A; así se forma el acetilcoenzima A que se incorpora al ciclo de Krebs en la mitocondria.
Ciclo de Krebs
La auténtica respiración celular tiene lugar en tres fases:

1)movilización del acetilcoenzima A procedente de la glucosa, de los ácidos grasos y de algunos aminoácidos
2) ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs
3) transporte electrónico y fosforilación oxidativa.

Cada par de átomos de H que se incorporan a la cadena de transporte electrónico en forma de NADH origina tres moléculas de ATP.
En condiciones aeróbicas, el acetil-CoA que se encuentra en lamitocondria es oxidado completamente hasta CO2 mediante una ruta conocida como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos(TCA), ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs.

Esta ruta es la parte final de la degradación de todas lasmoléculas que funcionan como combustible: los aminoácidos,los ácidos grasos y los carbohidratos.

Generalmente, las entradas al ciclo inician con acetil-CoA,aunque otros intermediarios pueden continuar con el proceso.
El ciclo de Krebs ocupa un lugar central en el metabolismo celular, por lo que es regulado por otras rutas y recibe entrada de sustratos de varias rutas.

Los pasos que lo integran incluyen reacciones catabólicas y anabólicas, por lo tanto, que el ciclo de Krebs es una ruta anfibólicafinamente regulada por otras rutas.

Proteínas, triglicéridos y polisacáridos pueden proveer deacetil-CoA a la ruta.

El ciclo del ácido cítrico se complementa con la cadena respiratoria de transporte de electrones, de modo que losproductos de NADH y FADH2 que produce el ciclo pueden volverse a oxidar en dicha cadena.
Produce la mayor parte del dióxido de carbono en los tejidos animales.

Es la mayor fuente de coenzimas que impulsan la producción de ATP en la cadena respiratoria.

Dirige el exceso de energía hacia la biosíntesis de ácidos grasos, por lo cual permite el almacenamiento energético.

Proporciona precursores para la biosíntesis de proteínas y ácidos nucleicos.

Sus componentes regulan directamente (producto-precursor) o indirectamente (alostéricamente) otras rutas metabólicas.
Funciones del ciclo de Krebs
– El ciclo de Krebs se compone de ocho reacciones en dónde intervienen ocho enzimas que seencuentran en la matriz mitocondrial.
De estas ocho enzimas, cuatro son oxidorreductasas.

- Provee intermediarios que son sustratos para otras rutas anabólicas.

– El ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs se inicia con la formación de ácido cítrico al reaccionar el acetil-CoA con una molécula de ácido oxalacético (liberándose la CoA), y tiene lugar en las mitocondrias.

- La cadena de reacciones en la que unos ácidos orgánicos se van transformando en otros se cierra con la regeneración de ácido oxalacético, que puede combinarse después con acetil- CoA, con lo que se inicia un nuevo ciclo.

Esquema del Ciclo de Krebs
Regulación del ciclo de Krebs
Papel del ciclo de Krebs en el anabolismo
- Suministro de cofactores oxidados (NAD+)

- Disponibilidad de ADP

- Velocidad de utilización de ATP

- Disponibilidad de sustratos

- Inhibición por producto de reacción
Citrato sintasa
A mayor producción de energía → incrementa el consumo de O2 y dismunuye ↓[NADH] mitocondrial
↑incremento de [oxalacetato] →activa⊕ citrato sintasa.↑
incremetno de [citrato] y [NADH], inhibe∅ esta enzima. Succinil-CoA compite por alenzima y la inhibe.

Isocitarto deshidrogenasa∅
Inhibida por ATP y NADH
El Ca2+ es un activadorα

alfa- cetoglutarato deshidrogenasa
Inhibida por NADH, ATP y sucinil-CoA.También en este caso Ca2+ es un activador.
Rendimiento energético ciclo de Krebs
El transporte electrónico y la fosforilación oxidativa constituyen los acontecimientos culminantes de la respiración celular.

La cadena de transporte electrónico está formada por enzimas oxidorreductoras que van recogiendo los electrones liberados en las dos fases anteriores de la respiración y los van pasando de una a otra enzima hasta incorporarlos al oxígeno, que de este modo forma agua con los hidrogeniones expulsados por la mitocondria que respira.

La fosforilación oxidativa, estrechamente relacionada con el transporte electrónico, es la incorporación de ácido fosfórico a una molécula de ADP para formar ATP.
Cadena respiratoria
Ambos procesos ocurren en la membrana interna de las mitocondrias (orgánulos de las células).
• Localizada en la membrana mitocondrial interna

• Serie de cuatro (I-II-III-IV) complejos proteicos que transportan electrones desde los equivalentes reductores (NADH + H+ y FADH2) hasta el aceptor final : el O2.

• Es de fundamental importancia pues el efectivo transporte de electrones garantizará la síntesis de ATP en el complejo V mediante fosforilación oxidativa.
Cadena de transporte de electrones
Fosforilación oxidativa
Proceso mediante el cuál se sintetiza ATP a partir de ADP +PiPor el complejo ATP sintetasa (complejo V) localizado en la membrana Mitocondrial interna
Teoría Quimiosmótica de Mitchell:
Establece que a medida que ocurre el transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna, se bombean protones al espacio intermembrana y se genera un gradiente electroquímico de protones , que es la fuerza impulsora para que en el complejo V el ADP se fosforile y se sintetice el ATP .

Balance energético de la Fosforilación oxidativa

Cada NADH+H que ingresa a la cadena de transporte de electrones( desde el complejo I), bombea 3 protones al espacio intermembrana.
Por cada NADH transportado se generan entonces 3 ATP mediantefosforilación oxidativa.
Cada FADH2 que ingresa a la cadena de transporte de electrones ( desde el complejo I I), bombea 2 protones al espacio intermembrana. Por cada FADH2 transportado se generan entonces 2 ATP mediante fosforilación oxidativa.
http://www.lourdes-luengo.org/actividades/9-4procesos.htm
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