DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA ESFUNO EUTM INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Y GLUCÓLISIS

DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA ESFUNO EUTM INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Y GLUCÓLISIS

Metabolismo Conjunto de reacciones químicas que permiten la obtención de energía de moléculas combustibles (nutrientes) y su utilización en diferentes procesos celulares Obtención de energía necesaria para: 1- trabajo mecánico (movimiento) 2- Transporte activo de moléculas e iones (en contra a un gradiente) 3- Síntesis de macromoléculas a partir de sus precursores (Biosíntesis)

Vías Metabólicas Conjunto de reacciones químicas interconectadas Transforman una determinada molécula (sustrato de la vía) en otra(s) molécula(s) de forma controlada La actividad de las diferentes vías metabólicas se encuentran coordinadas y reguladas Las vías son flexibles adaptándose a los cambios del entorno

Vías Metabólicas - tipos Lineal Cíclica Espiral Secuencia de reacciones donde el producto de una reacción es sustrato de la siguiente Secuencia de reacciones donde uno de los metabolitos se regenera al completarse la ruta El mismo sustrato es utilizado por el mismo juego de enzima repetidas veces

Bloques Metabólicos

Vías Metabólicas CLASIFICACION 1- CATABÓLICAS: Aquellas que convierten energía en formas biológicamente utilizables Nutrientes (carbohidratos-grasas) CO 2 + H 2 O + Energía útil 2- ANABÓLICAS: Aquellas que requieren de energía para producirse Energía útil + moléculas pequeñas Macromoléculas 3- ANFIBÓLICAS: Pueden ser tanto catabólicas como anabólicas

Vías Metabólicas- Convergentes y Divergentes CATABOLISMO Acetil-Coa ANFIBÓLICA ANABOLISMO Convergentes Divergentes

Vías Metabólicas Una vía metabólica debe satisfacer dos criterios: 1- Las reacciones individuales de la vía deben ser específicas 2- La totalidad de las reacciones que constituyen la vía deben ser termodinámicamente favorables Las vías metabólicas se constituyen de reacciones acopladas de tal manera que el cambio de energía libre (ΔG) global de la vía es negativa

Intermediarios Activados

Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP CICLO ATP-ADP Principal forma de intercambio de energía en sistemas celulares El ATP se sintetiza a partir de ADP y Pi cuando los nutrientes son oxidados mientras que la energía liberada en su hidrólisis es utilizada para diferentes procesos celulares

Intermediarios Metabólicos Activados 1- ATP: Síntesis a- Fosforilación a nivel de sustrato El ATP se forma por la transferencia de un grupo fosforilo de un sustrato al ADP. Ejemplo

Intermediarios Metabólicos Activados-ATP 1- ATP: Síntesis b- Fosforilación oxidativa Los electrones extraídos en la oxidación de nutrientes son transportados en moléculas especializados y la energía liberada en el transporte utilizada para la generación de gradientes de iones La energía almacenada en el gradiente se utiliza para la síntesis de ATP

Etapas en la oxidación de nutrientes 1- Degradación de macromoléculas a grupo acetilo (2 carbonos) transportados en la Acetil-Coenzima A Acetil-CoA 2- Oxidación del grupo acetilo del Acetil-Co A a CO 2. Los electrones extraídos en la oxidación son transportados en moléculas especializadas: NADH+H + y FADH 2 3- Oxidación NADH+H + y FADH 2 en la cadena de transporte de electrones mitocondrial y generación de ATP (fosforilación oxidativa)

Intermediarios Metabólicos Activados-NAD(P)H Dinucleotido de Adenina y Nicotinamida: NAD + o NADP + Anillo de nicotinamida NAD + + 2e - + 2H + NADH + H + NADP + + 2e - + 2H + NADPH + H +

Intermediarios Metabólicos Activados-FADH 2 Dinucleótido de adenina y flavina: FAD + /FADH 2 Anillo de Isoaloxacina FAD + + 2e - + 2H + FADH 2 Transportador electrónico unido a proteínas (cofactor)

Funciones metabólicas especializadas NADH/NADPH: Transportadores de electrones solubles A nivel celular: NAD + /NADH es alta (niveles de NADH bajos) (se favorece la oxidación de los sustratos y la reducción a NADH) NADP + /NADPH es baja (niveles de NADPH altos) (se favorece la oxidación de NADPH y la reducción de sustratos) NADH NADPH Participa en reacciones de oxidación Participa en reacciones de reducción (biosíntesis)

Intermediarios Metabólicos Activados-FADH 2 Oxidación Transporte de electrones en NADH y FADH 2

Regulación del Metabolismo La activación de una vía catabólica debe acompañarse de la inhibición de la vía anabólica correspondiente y viceversa de manera de evitar ciclos fútiles (gasto neto de ATP) Formas principales de regulación: 1- Niveles de enzimas (expresión génica y degradación) 2- Actividad enzimática (regulación alostérica y covalente) 3- Compartimentalización de las vías (organelos)

Niveles y actividad de las enzimas Asociación con Proteínas Reguladoras Secuestro en Organelos Compartimentalización Transcripción Traducción Degradación ENZIMA Degradación Regulación Alostérica Modificación Covalente

Actividad enzimática Todas las vías metabólicas se encuentran reguladas enzimáticamente Control Alostérico reversible: lleva a la inmediata activación o inhibición de la actividad enzimatica. Existen moduladores positivos (activan) y negativos (inhiben) En muchas vías metabólicas la primera reacción se inhibe de forma alostérica por el producto de la vía E1 E2 E3 E4 E5 E6 S a b c d e P Retroalimentación Negativa

Actividad enzimática Modulación covalente Ej: fosforilación/desfosforilación por kinasas La adición de un grupo fosfato generalmente en residuos de serina y treonina llevan a la ganacia o pérdida de actividad enzimática

Regulación por carga energética celular [ATP] + ½ [ADP] Carga energética celular = [ATP] + [ADP] + [AMP] Las vías productoras de ATP (Catabólicas) se inhiben por una carga energética alta mientras que las vías que requieren de ATP (Anabólicas) se activan

Compartimentalización de vías metabólicas Ejemplo: Síntesis y Degradación de ácidos grasos Oxidación de nutrientes (NADH) Matriz mitocondrial -Biosíntesis (NADPH)

Compartimentalización de vías metabólicas Secuestro de enzimas Ejemplo: Hexoquinasa IV, en presencia del producto de la enzima (glucosa-6-fosfato) la Hexoquinasa se recluta a nivel nuclear

Carácterísticas principales de Metabolismo Las vías metabólica son irreversibles Las vías Anabólicas y Catabólicas deben ser diferentes Todas las vía metabólicas tiene un paso limitante Están reguladas finamente (enzimas reguladoras) En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en localizaciones celulares específicas (organelos)

Vía Metabólica: GLUCÓLISIS Secuencia de reacciones enzimáticas que catalizan la conversión de una molécula de Glucosa (6 carbonos) en 2 moléculas de Piruvato (3 carbonos) con la generación de 2 moléculas de ATP y dos de NADH Vía central del metabolismo energético de los organismos Lugar: citosol celular 2 NADH Vía metabólica anaeróbica (no requiere de oxígeno) Única fuente de energía para los globulos rojos y fuente principal para el cerebro

Glucólisis PRIMERA FASE PREPARATIVA Mayoría de reacciones ENDERGÓNICAS Utilizan energía del ATP 5 reacciones SEGUNDA FASE: Producción de ATP Mayoría de reacciones EXERGÓNICAS Síntesis de ATP y NADH 5 reacciones La glucólisis tiene un total de 10 reacciones

Glucólisis Importancia de los intermediarios fosforilados Ausencia de transportadores para azúcares fosforilados a nivel de la membrana plasmática celular Intermediarios fosforilados no pueden salir de la célula

Fosforilación de la glucosa Primera reacción de la vía: HEXOQUINASA La conversión de glucosa en glucosa-6-p favorece la entrada de más glucosa desde el exterior a favor de un gradiente de concentración

Glucólisis- Primera fase Principales puntos de regulación de la fase: Hexoquinasa- paso 1 Fosfofructoquinasa- Paso 3

Glucólisis- Segunda fase Conversión de gliceraldehído-3p en Piruvato con la generación de ATP y NADH 5 reacciones x2 (ya que la oxidación de la glucosa En la primera fase de la glucólisis Da dos moléculas de gliceraldehído-3p)

Glucólisis- Segunda fase Reacción 6: Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Sustratos: Gliceraldehído-3-P, Pi, NAD + Productos: NADH, 1,3 bifosfo glicerato

Glucólisis- Segunda fase, obtención de ATP

Balance energético de la glucólisis Glucosa + 2 ATP + 2 NAD + + 4 ADP + 2 P i 2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2H + + 4 ATP + 2 H 2 O Glucosa + 2NAD + + 2 ADP + 2P i 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H 2 O Glucosa 2 Piruvato ΔG o = - 586 kj/mol Glucosa + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O ΔG o = - 2840 kj/mol 2 NAD + 2 NADH ΔG o = + 440 kj/mol 2 ADP + Pi 2 ATP ΔG o = + 61 kj/mol Del 100% de la energía contenida la glucosa: el 79,4% está aún en los 2 piruvatos

1 Regulación de la vía glucolítica 2 La velocidad de conversión de Glucosa en Piruvato se regula de manera de satisfacer dos requerimientos celulares: ATP e intermediarios biosintéticos (ej: sintesis de ácidos grasos) 3 Principales enzimas reguladoras: 1- Hexoquinasa 2- FosfoFructoquinasa (PFK) 3- Piruvato Qinasa

Regulación de la vía glucolítica 1-Hexoquinasa Glucosa + ATP HK Glucosa-6-P + ADP Existen dos isoformas de la misma enzima: Inhibición por producto 1- Hexoquinasa (músculo y tejidos) Inhibidor alostérico: G-6-P Presenta un bajo KM para la glucosa 2- Gluoquinasa (hígado) Inhibidor alostérico: F-6-P V = [glucosa] KM alto para la glucosa 10-20 mm

Regulación de la vía glucolítica 2-FosfoFructoquinasa (PFK) Regulación por carga energética Modulador negativo: ATP Modulador positivo: AMP La PFK se regula de forma alostérica por citrato (modulador negativo) Indicador de alta carga energética La PFK-1 se inhibe de forma alostérica por altas concentraciones de ATP mientras que se activa por altas concentraciones de AMP

Regulación de la vía glucolítica El contenido de NAD + del citosol celular es limitado Para que la glucólisis pueda continuar se debe re-oxidar al NADH generado en la reacción de la Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa regenerando al NAD + sustrato de la vía

Principales destinos del Piruvato Reoxidación del NADH Dependiendo de la presencia o no de oxígeno el PIRUVATO producido en la glucólisis tiene diferentes destinos

Principales destinos del Piruvato FERMENTACIÓN Anaeróbica RESPIRACION Aeróbica

Principales destinos del Piruvato 1- Condiciones aeróbicas Oxidación del NADH citosólico generado en la glucólisis (reacción 6) a nivel mitocondrial El piruvato es oxidado completamente a CO 2 en la mitocondria llevando a la generación de 36-38 moléculas de ATP

Principales destinos del Piruvato 2- Condiciones anaeróbicas En mamíferos se da la fermentación láctica Ej: actividad muscular intensa Globulos rojos (no tienen mitocondrias) En levaduras y otros microorganismos se da la fermentación alcohólica -Pizza -Cerveza

Producción de lactato Producción diaria de lactato por diferentes tejidos

Destinos del lactato El lactato liberado es captado por otros tejidos (hígado, corazón, músculo) que lo oxidan a pirvuato El hígado puede usar el lactato para sintetizar glucosa nueva, que vuelve a la sangre

Fermentación Láctica