Introducción al metabolismo

Introducción al metabolismo

Metabolismo La suma de todas las transformaciones químicas que ocurren en una célula u organismo, las cuales se llevan cabo en una serie de reacciones consecutivas catalizadas por enzimas que constituyen las vías metabólicas. El proceso global a través del cual los sistemas vivos adquieren y utilizan la energía libre que se necesita para realizar sus funciones.

Estado estacionario Los organismos vivos no están en equilibrio. Sino que requieren de un influjo continuo de energía para mantener el orden en un universo inclinado al desorden máximo. Esto se realiza acoplando las reacciones exergónicas de la oxidación de los nutrimentos a los procesos endergónicos requeridos para mantener el estado vivo como la realización del trabajo mecánico, el transporte activo y la biosíntesis de moléculas complejas.

Cómo obtienen los organismos vivos la energía? Los fotótrofos (plantas y ciertas bacterias) adquieren la energía del sol a través de la fotosíntesis, en el cual la luz impulsa un proceso endergónico entre el CO2 y el H2O para formar carbohidratos. Los quimiótrofos obtienen su energía por la oxidación de compuestos orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas) obtenidos de otros organismos, en última instancia, fotótrofos.

Vías metabólicas Cada uno de los pasos en una vía metabólica produce un cambio químico específico y pequeño, generalmente es la remoción, transferencia o adición de un átomo específico, grupo funcional o molécula. En esta secuencia de pasos (la vía), un precursor es convertido en un producto a través de una serie de intermediarios metabólicos (metabolitos).

Etapas en la extracción de energía de los alimentos (degradación de nutrimentos) 1ª. Las grandes moléculas de alimentos se hidrolizan en unidas pequeñas o bloques constructores. Proteínas a aminoácidos, polisacáridos a glucosa. No se genera energía útil.

2ª. Estos bloques se degradan a una unidad simple que juega un papel central en el metabolismo (unidad acetilo en forma de acetil-coa). Se genera una pequeña cantidad de ATP en esta etapa comparado con el obtenido de la oxidación completa de la unidad acetilo de acetil-coa.

3ª. Consiste del ciclo del ácido cítrico y de la fosforilación oxidante que son las vías finales comunes de la oxidación de moléculas de combustible. La acetil-coa introduce las unidades de acetilo al ciclo del ácido cítrico, donde se oxidan a CO2. Se transfieren 4 pares de e- por cada grupo acetilo oxidado. El ATP se sintetiza cuando los electrones fluyen hasta el O2. Más del 90 % del ATP producido por la degradación de los nutrimentos se produce en esta etapa.

DIFERENCIAS ENTRE VIAS CATABOLICAS Y ANABOLICAS 1. La vía involucrada en la degradación de una biomolécula puede ser energéticamente imposible para su biosíntesis. 2. Las dos vías deben regularse independientemente. 3. En algunos casos las dos vías toman lugar en diferentes partes de la célula.

Regulación de vías metabólicas 1. Actividad enzimática a) Regulación alostérica b) Regulación covalente 2. Concentración de enzimas. 3. Regulación hormonal. 4. Disponibilidad de sustrato.

Características de las vías metabólicas Irreversibles. Tienen un paso comprometido. Están reguladas. Se llevan a cabo en sitios celulares específicos.

Reacciones limitadas por enzimas (lejos del equilibrio) Reacciones limitadas por sustratos (en o cerca del equilibrio)

La energía libre es la que puede hacer trabajo durante una reacción a presión y temperatura constantes. El DG o es el cambio de energía libre estándar (cuando la concentración de cada componente es 1 M, el ph es 7.0 y la temperatura 298 K).

Ejercicio 1. Cálculo de ΔG con una constante de equilibrio Calcule los cambios de energía libre estándar de las siguientes reacciones catalizadas por enzimas metabólicamente importantes a 25 C y ph 7.0, utilizando las constantes de equilibrio dadas.

Ejercicio 2. Cálculo de la constante de equilibrio del ΔG Calcule las constantes de equilibrio K eq para cada una de las siguientes reacciones a ph 7.0 y 25 C, usando los valores de ΔG de la tabla 13-4.

El DG es el cambio de energía libre en condiciones celulares. El DG o es un valor característico y constante de cada reacción, pero el DG de una reacción química dada es una función de la concentración y de la temperatura que prevalecen en la reacción y que no son necesariamente las estándar.

Ejercicio 3. Diferencia entre ΔG y ΔG Considere la siguiente ocurre en la glicólisis: Fructosa 6-fosfato interconversión, que glucosa 6-fosfato K eq=1.97 a) Cuál es el ΔG para la reacción (a 25 C)? b) Si la concentración de la fructosa 6-fosfato es ajustada a 1.5 M y la de la glucosa 6-fosfato a 0.50 M Cuál es el ΔG? c) Por qué ΔG y ΔG son diferentes?

Ejercicio 4. G para reacciones acopladas La glucosa 1-fosfato se convierte en fructosa 6fosfato en dos reacciones sucesivas: Glucosa 1-fosfato Glucosa 6-fosfato Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato Usando los valores de la tabla 13-4, calcule la K eq para la suma de las dos reacciones a 25 C. Glucosa 1-fosfato Fructosa 6-fosfato

(phosphoenolpyruvate)

Nucleósido difosfato cinasa (difosfocinasa) NTP+NDP NDP+NTP Nucleósido monofosfato cinasa ATP+NMP ADP+NDP Adenilato cinasa (miocinasa) ATP+AMP ADP+ADP

Oxidaciones Biológicas Transferencia de electrones: -Directamente como electrones. -Como átomos de hidrógeno. -Como iones hidruro. -A través de la combinación directa con el oxígeno.

Oxidación Ganancia de oxígeno: C + O2 CO2 (el carbono es oxidado a dióxido de carbono) Pérdida de electrones: Na Na+ + e- (el átomo de sodio es oxidado al ión sodio).o2 O2 + e- (el radical superóxido es oxidado a oxígeno)

Reducción Pérdida de oxígeno: CO2 + C 2CO (El CO2 es reducido a monóxido de carbono; el C es oxidado a CO). Ganancia de hidrógeno: C + 2H2 CH4 (el carbono es reducido a metano).

Reducción Ganancia de electrones: Cl + e- Cl- (El átomo de cloro es reducido al ión cloro). O2 + e- O2- (El oxígeno es reducido al radical superóxido).

Relación entre DG y E ΔG = - nf ΔE ΔG = - nf ΔE ΔG = energía libre n = número de electrones transferidos en la reacción F = constante de Faraday (96.48 kj/ V mol) ΔE = potencial de reducción

Ejercicio 5. Potencial estándar de reducción El potencial estándar de reducción, E, de cualquier par redox está definido por la reacción de semicelda: Agente oxidante + n electrones agente reductor Los valores de E para los pares conjugados de NAD+/NADH y piruvato/lactato son -0.32 V y -0.19 V, respectivamente. a) Cuál par conjugado tiene mayor tendencia a perder electrones? Explique. b) Cuál es el agente oxidante más fuerte? Explique.

Ejercicio 6. Potenciales estándar de reducción c) Iniciando con concentraciones 1.0 M de cada reactivo y producto a ph 7.0 En qué dirección procederá la siguiente reacción? Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+ E NAD+/NADH= -0.32 V E piruvato/lactato = -0.185 V d) Cuál el G a 25 C para la conversión de piruvato a lactato? e) Cuál es la K eq para esta reacción?

Ejercicio 7. Afinidad electrónica de los compuestos Ordena las siguientes sustancias (en orden decreciente) en cuanto a su tendencia a aceptar electrones. a) α-cetoglutarato + CO2 (formando isocitrato) b) oxaloacetato c) O2 d) NADP+

Ecuación de Nernst E0 = Potencial en condiciones estándar. R = Constante de los gases. T = Temperatura absoluta (escala Kelvin). n = Cantidad de moles de electrones que participan en la reacción. F = Constante de Faraday (aproximadamente 96500 C/mol). Q = Cociente de reacción: Así para la reacción a A + b B c C + d D, la expresión de Q es:

Anillo de isoaloxazina