Bioenergética y Metabolismo: Rutas y Regulación, Presentación USC Bioquímica

Bioquímica: Metabolismo y Bioenergética

USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Bloque II: Metabolismo

Tema 4. Bioenergética

Juan Jose Nieto FontarigoUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética: Contenidos

1. Concepto de metabolismo: rutas metabólicas
2. Catabolismo y anabolismo
3. Regulación del metabolismo intermediario
4. Energía libre y reacciones químicas
5. Moléculas ricas en energía: ATP y otras
6. Reacciones redox

Juan Jose Nieto FontarigoUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

1. Concepto de metabolismo: rutas metabólicas

• Metabolismo: suma todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula u organismo y que suponen la transformación de materia y energía

Funciones principales:

• Obtener energía química: capturar energía solar o degradar nutrientes ricos en energía
• Modificar nutrientes y transformarlos en biomoléculas propias: precursoras de macromoléculas
• Sintetizar macromoléculas: polimerización de precursores (aminoácidos proteínas)
• Sintetizar/degradar biomoléculas implicadas procesos especiales: mensajeros intracelulares (AMP cíclico)USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

1. Concepto de metabolismo: rutas metabólicas y secuencias enzimáticas

• Metabolismo: suma todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula u organismo y que suponen la transformación de materia y energía
• Se desarrolla a través de secuencias de reacciones enzimáticas.
• Ruta metabólica = secuencia de reacciones enzimáticas mediante las cuales un precursor se convierte en producto:
• Lineales (izquierda)
• Cíclicas (derecha)

Acetyl-CoA 0 1 Condensation CH3-C-S-CoA H2O CoA-SH citrate synthase CH2-COO- 0=(-coo- 8 CH2-COO" CH2-COO" Dehydration Oxaloacetate Citrate malate dehydrogenase Citric acid cycle aconitase coo- HO-CH CH 2-COO" Malate CH2 cis-Aconitate ČOo" C-coo" 7 Hydration fumarase NADH aconitase H20 Hydration COO" CH 2-COO Fumarate CH FADH2 HC HO-C-H - Coo isocitrate COO- dehydrogenase 3 Oxidative decarboxylation Dehydrogenation CH2-COO- CO2 I succinyl-CoA synthetase CH2-COO" Coo- C=0 a-Ketoglutarate Succinate CH2 COO" CoA-SH C-S-CoA CoA-SH GTP (ATP) CO2 4 5 GDP O (ADP) + P Succinyl-CoA Oxidative decarboxylation Substrate-level phosphorylation A V1 V2 V2 D Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3 HO-C-COO" I 2a Dehydrogenation + H20 C-COO- H - H20 2b H-C-coo" Isocitrate succinate dehydrogenase 0 CH 2 a-ketoglutarate CH2-COO" dehydrogenase | complex CH 2 B CUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

1. Concepto de metabolismo: metabolitos

• Cada paso/reacción dentro de una ruta metabólica produce un pequeño cambio químico específico, como eliminación, transferencia o adición de un átomo particular o un grupo funcional
• Los intermediarios metabólicos se llaman metabolitos

6 CH2-OPO3- CH2-OH -O ATP H H ADP Mg2+ H H 4 1 OH H hexokinase HO OH HÒ L OH 3 H OH H OH Glucose Glucose 6-phosphate AG'º = - 16.7 KJ/mol La primera reacción del glucolisis La G6P es un metabolito de la glucolisis. La Glucosa el precursor. 5 H H OH H 2USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

1. Concepto de metabolismo: secuencia de reacciones

• En una ruta metabólica, el producto de una de las reacciones se convierte en el sustrato de la siguiente reacción dentro de la secuencia.

enzyme 1 enzyme 2 enzyme 3 enzyme 4 enzyme 5 A B C D E F

• De esta forma, un precursor se convierte en uno o varios productos finales a través de una serie de intermediarios denominados metabolitos
• La mayoría de las reacciones estan cerca del equilibrioUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

1. Concepto de metabolismo: metabolismo intermediario

Metabolismo intermediario

• Actividad conjunta de todas las rutas metabólicas que interconvierten precursores, metabolitos y productos de baja masa molecular.

Dentro del metabolismo hay dos grandas procesos:

1. Catabolismo
2. Anabolismo

Energy- containing nutrients Energy- depleted end products Catabolism CO2 NH3 ADP+ HPO2 NAD+ NADP+ FAD ATP NADH NADPH FADH2 Chemical energy Cell macromolecules Precursor molecules Anabolism Proteins Polysaccharides Lipids Nucleic acids Amino acids Sugars Fatty acids Nitrogenous bases Relaciones energéticas entre rutas catabolicas y anabólicas Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquimica. @ Ed Omega, 2017 Carbohydrates Fats ProteinsUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Catabolismo

Catabolismo

• Incluye aquellas rutas de DEGRADACION o oxidación
• Nutrientes orgánicos más o menos complejos son convertidos en productos finales más pequeños y simples.

Energy- containing nutrients Energy- depleted end products Catabolism Carbohydrates Fats Proteins CO2 NH3 ADP+ HPO2 NAD+ NADP FAD ATP NADH NADPH FADH2 Chemical energy Cell macromolecules Precursor molecules Anabolism Proteins Polysaccharides Lipids Nucleic acids Amino acids Sugars Fatty acids Nitrogenous bases Relaciones energéticas entre rutas catabólicas y anabólicas Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquimica. @ Ed Omega, 2017USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Liberación de energía

Catabolismo

• Las rutas catabolicas LIBERAN energía química
• Parte se almacena en:
• ATP: Compuestos fosforilados de alta energía
• Transportadores de electrones (cofactores) reducidos (NADH, NADPH, FADH2) (Poder reductor)
• El resto se pierde en forma de CALOR
• Tiene 3 etapas

Cell macromolecules Energy- containing nutrients Proteins Polysaccharides Lipids Nucleic acids Carbohydrates Fats Proteins ADP + HPO2- NAD+ NADP+ FAD Anabolism Catabolism ATP NADH NADPH FADH2 Chemical energy Precursor molecules Energy- depleted end products Amino acids Sugars Fatty acids Nitrogenous bases CO2 H2O NH3 Relaciones energéticas entre rutas catabólicas y anabólicasUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Catabolismo - 1ª Etapa

Catabolismo-1ª Etapa

• Fragmentación de macromoléculas en unidades estructurales pequeñas. Apenas se almacena energía.

LIPIDOS POLISACARIDOS PROTEINAS ÁCIDOS NUCLEICOS Ácidos grasos Glicerol Glucosa Aminoácidos NucleótidosUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Catabolismo - 2ª Etapa

Catabolismo-2ª Etapa

• Degradación de unidades estructurales generando unas pocas moléculas que puedan ser oxidadas a CO2 y H2O en una ruta común. Se almacena alguna energía.

Ácidos grasos Glicerol Glucosa Aminoácidos Nucleótidos Acetil-CoA Cuerpos cetónicos Piruvato Acetil-CoA Amonio Purinas Pirimidinas Ácido úricoUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Catabolismo - 3ª Etapa

Catabolismo-3ª Etapa

• Etapa final común, donde todas esas moléculas son oxidadas a CO2 y H2O (urea). Se almacena gran parte de la energía liberada. Rutas centrales del metabolismo oxidativo: ciclo de Krebs, cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa

Piruvato Acetil CoA Amonio Purinas Pirimidinas Ciclo de Krebs Ciclo Urea CO2 1 NADH, FADH2 Urea I Ácido Úrico CO2 Fosforilación oxidativa ATPUSC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

2. Catabolismo y Anabolismo: Rutas diferentes

Ruta catabólica Glucosa Piruvato Ruta anabólica

• Las rutas catabolicas y anabolicas son diferentes, aunque empiecen y terminen con los mismos metabolitos.
• Esto es necesario:
• Para asegurar que ambas rutas sean energética-mente favorables (exergónicas)
• Para que sean reguladas de forma independiente y simultánea según las necesidades de la célula
• Mínimo una de las enzimas difiere -> sitios de regulación específica

A A E E1 Catabolic mode E2 Anabolic mode Eg 1 E3 + 0 E6 E3 2 + E6 E E4 E5 E, P P Una ruta catabólica y una ruta anabólica paralela Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquimica. @ Ed Omega, 2019USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

3. Regulación del metabolismo

• Las rutas catabólicas y anabólicas son diferentes, aunque empiecen y terminen con los mismos metabolitos.
• Las condiciones que activan una ruta inhiben generalmente la ruta opuesta y viceversa
• La célula tiene la capacidad de utilizar las dos rutas, aunque no están funcionando al mismo tiempo
• Consecuencia: las rutas deben ser reguladas de una forma conjunta, coordinada, y flexible (medio externo cambiante)

A A E1 E1 11 Catabolic mode E2 Anabolic mode E2 E3 + 0 E6 E3 + E6 E E4 Es E, J1 P P Una ruta catabólica y una ruta anabólica paralela Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquimica. @ Ed Omega, 2019USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Tema 4. Bioenergética

3. Regulación del metabolismo: Niveles de control

Los niveles de regulación del metabolismo:

• Primer nivel: Control cantidad/concentración de enzimas
• Segundo nivel: Control de la actividad enzimática
• Tercer nivel: Compartimentación
• Cuarto nivel: Regulación hormonal