METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14
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- Xavier Hernández Torres
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1 METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14
2 METABOLISMO Estudio de las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo, incluidas su coordinación, regulación y necesidades energéticas.
3 La energía que necesitan los organismos no fotosintéticos llega en forma de nutrientes orgánicos: grasas y carbohidratos. En los organismos fotosintéticos la fuente de energía es la luz
4 Ambas clases de organismos transforman una energía en otras formas de energía que luego utilizan en la biosítensis, transporte de nutrientes y otros procesos dependientes de energía.
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7 Los organismos autótrofos pueden utilizar el CO2 como única fuente de carbono. Los organismos heterótrofos obtienen la energía de complejos compuestos de carbono como carbohidratos y grasas.
8 METABOLISMO INTERMEDIARIO Combinación de reacciones químicas que se llevan a cabo en una célula implicando procesos de degradación y síntesis y generando productos (intermediarios) en cada etapa de la reacción
9 METABOLITOS Compuestos formados como intermediarios durante las reacciones en las rutas metabólicas.
10 RUTAS METABÓLICAS Secuencia de reacciones bioquímicas que tienen un proceso específico. Por ejemplo, la ruta metabólica de la glucólisis ( degradación de glucosa en piruvato).
11 FORMAS QUE PUEDEN SEGUIR LAS RUTAS METABÓLICAS Lineal (glucólisis) Ramificada (síntesis de aminoácidos) Cíclica (ciclo del ácido cítrico) Espiral (degradación de ácidos grasos)
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17 LAS DOS GRANDES RUTAS DEL METABOLISMO Catabolismo: Ruta de degradación del metabolismo donde las moléculas biológicas complejas se transforman en moléculas más simples. Anabolismo: Ruta de biosíntesis, donde se construyen biomoléculas a partir de moléculas precursoras más simples
18 CARACTERÍSTICAS DEL CATABOLISMO El catabolismo tiene como características utilizar reacciones de oxidación En este proceso se libera energía libre que luego se captura en forma de ATP Producción de cofactores reducidos NADH, NADPH, FADH2 Convergencia de vías
19 CARACTERÍSTICAS DEL ANABOLISMO El anabolismo utiliza reacciones de reducción. Necesita energía que es aportada por moléculas de ATP, NADH y NADPH Producción de cofactores oxidados NAD+, NADP+, FAD Divergencia de rutas
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21 ETAPAS DEL CATABOLISMO: ETAPA 1 Degradación de macromoléculas en sus componentes Ruptura hidrolítica de enlaces químicos sin liberación de energía útil.
22 ETAPAS DEL CATABOLISMO ETAPA 2 Oxidación de componentes en un metabolismo común: Acetil CoA El acetil CoA entra al ciclo del ácido cítrico.
23 ETAPAS DEL CATABOLISMO ETAPA 3 Producción de ATP mediante fosforilación oxidativa
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25 ASPECTOS QUÍMICOS TIPOS DE REACCIONES Reacciones de oxidación reducción Reacciones de transferencia de grupo Reacciones de hidrólisis Reacciones de ruptura no hidrolítica Reacciones de isomerización y rearrreglo Reacciones de formación de enlaces dobles donde se utiliza ATP
26 REACCIONES DE OXIDACIÓN REDUCCIÓN Transferencia de electrones Tipo de enzima: Oxidorreductasas (deshidrogenasas) Los procesos bioquímicos redox habitualmente se verifican en los átomos de carbono de los sustratos. Cuando un centro de carbono u otro grupo funcional o átomos se oxida, otras moléculas o átomos deben aceptar los electrones cedidos y reducirse.
27 REACCIONES DE OXIDACIÓN REDUCCIÓN Muchas de las reacciones bioquímicas de oxidoreducción están acopladas a los pares redox de coenzimas NAD+/NADH, NADP+/NADPH y FAD/FADH2. Los iones metálicos, principalmente las parejas redox de cobre y hierro, se asocian con coenzimas y otras proteínas, que también funcionan como agentes oxidantes y reductores.
28 Reacción 6 de la glucólisis
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31 REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE GRUPO Transferencia de un grupo funcional de una molécula a otra o dentro de una misma molécula. Tipo de enzima: Transferasas. El grupo fosforilo es uno de los grupos bioquímicos transferidos más importantes y casi siempre se origina del ATP. En las reacciones bioquímicas también se transfieren otros grupos como acilo, glucocilo
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33 Grupo acilo
34 Reacción 1 de la glucólisis
35 Reacción 6 de la glucólisis
36 Reacción 7 de la glucólisis
37 RUPTURA HIDROLÍTICA Ruptura de enlaces por medio de agua Tipo de enzimas: hidrolasas En este tipo de reacciones se utiliza agua para separar una molécula en otras dos distintas. Estas reacciones abundan en el metabolismo y las más comunes son las rupturas de ésteres, amidas y enlaces glucosídicos.
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39 Enlace peptídico
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41 RUPTURA NO HIDROLÍTICA Ruptura de una molécula por procesos no hidrolíticos Tipo de enzima: liasas Las reacciones más frecuentes de este tipo es la ruptura del enlace carbono-carbono. Las reacciones de ruptura no hidrólítica también incluyen la adición de grupos funcionales en dobles enlaces o la eliminación de grupos funcionales para la formación de dobles enlaces.
42 ISOMERIZACIÓN Y REARREGLO Redistribución de grupos funcionales para formar isómeros Tipo de enzimas: isomerasas
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44 FORMACIÓN DE ENLACES UTILIZANDO ENERGÍA DEL ATP Formación de enlaces carbono-carbono o de otro tipo con energía del ATP. Tipo de enzimas: ligasas o sintetasas Categoría de reacciones donde se forman enlaces bioquímicos con energía del ATP. Ejemplos: reacción de carboxilación del piruvato y síntesis de citroil CoA en el ciclo del ácido cítrico
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46 CONCEPTOS DE BIOENERGÉTICA
47 CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE El metabolismo es un proceso de transformación de energía donde el catabolismo proporciona energía para el anabolismo. La forma de intercambio de energía es el ATP, el transportador universal de energía
48 CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE El proceso global del catabolismo libera energía (es espontáneo). El proceso global del anabolismo necesita del suministro de energía.
49 CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE Es una medida de la energía disponible para hacer trabajo útil, tal como dirigir una reacción desfavorable hasta completarla
50 CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR Cambio de energía que se verifica cuando una reacción procede hacia el equilibrio en condiciones estándar. Las condiciones estándar para las reacciones de soluto se definen como: 1 atm de presión Temperatura de 25ºC Concentración inicial de reactivos y productos de 1 M.
51 CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR MODIFICADO Define la diferencia entre el contenido de energía de los productos y el contenido de energía de los reactivos en condiciones estándar más un ph de 7. Conociendo el signo y el valor del cambio de energía libre estándar modificado se puede predecir si una reacción es favorable.
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57 CICLO DE ENERGÍA DEL ATP Proceso por el cual se genera ATP en el catabolismo y se utiliza en el anabolismo y en otros procesos que requieren energía
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62 ESTRUCTURA QUÍMICA DEL ATP Enlaces fosfoanhidros: 2 Grupos fosforilos: 3 Enlaces fosfoéster: 1 Enlaces N-glucosídico: 1 Neutralización de cargas negativas: Mg2+
63 CICLO DE ENERGÍA DEL ATP El reciclamiento de ATP se puede representar apropiadamente con la reacción de transferencia de un grupo fosforilo. En términos químicos, esta reacción implica la transferencia de un grupo fosforilo del ATP al agua. También puede definirse como la hidrólisis de un enlace fosfoanhidrido.
64 CICLO DE ENERGÍA DEL ATP Si el valor del cambio de energía libre estándar modificado se calcula al mezclar reactivos y productos en concentración de 1M en condiciones estándar se encuentra que las concentraciones en el equilibrio del ATP y H2O son tan bajas que no es posible medirlas experimentalmente, por lo cual es imposible calcular la constante de equilibrio para estas condiciones.
65 CICLO DE ENERGÍA DEL ATP Para medir el cambio de energía libre estándar modificado para la reacción de transferencia del grupo fosforilo del ATP al agua se utiliza el siguiente concepto termoquímico: Los valores de ΔGº para las reacciones que están acopladas son aditivos.
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68 Glucosa 6-fosfato + H2O glucosa + Pi ΔGº = KJ/mol
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72 EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS REACTIVAS Durante la reacción de transferencia de un enlace fosfoanhidrido: Los enlaces anhídrido son relativamente reactivos, es decir, liberan energía durante su ruptura. Para la hidrólisis del ATP también se puede decir que los productos (ADP y Pi) están en un nivel de energía menor que los reactivos (ATP y H2O).
73 EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS REACTIVAS Los productos ADP y Pi se vuelven menos reactivos (más estables) debido a: Estabilización por resonancia Menor repulsión de carga El ATP y el ADP se definen a menudo como moléculas reactivas o altas en energía, esto quiere decir que tienen una gran tendencia a transferir grupos fosforilos.
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79 Cofactores Componente de bajo peso molecular no proteico de las enzimas, iones metálicos o coenzimas, que son necesarias para la actividad de la enzima determinada.
80 Coenzima Componente no proteico de las enzimas que durante la consecución de reacciones catalizas enzimáticamente actúan directamente y sufren una serie cíclica de reacciones durante el cambio de cada molécula sustrato.
81 Apoenzima El término apoenzima se utiliza para definir a la holoenzima sin el cofactor. Es la parte proteica de una enzima de la cual se ha separado el cofactor
82 Holoenzima Empacado molecular completo de proteína y cofactor se le llama holoenzima.
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86 METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14
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