T 08 Introducción al metabolismo 2.pdf
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Biologia Grau en Química Curs 2013 – 2014 Universitat de les Illes Balears
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Biologia Grau en Química Curs 2013 – 2014 Universitat de les Illes Balears
Resumen La energía de la vida
La célula viva es una fábrica de productos químicos en miniatura, donde se producen miles de reacciones
La célula extrae energía y utiliza la energía para realizar el trabajo de anabolismo y catabolismo
Algunos organismos incluso convierten la energía en energía luminosa, como en la bioluminiscencia
Concepto 1 El metabolismo de un organismo transforma la materia y
la energía, de acuerdo a las leyes de la termodinámica
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas de un organismo Anabolismo: biosíntesis, síntesis o bioformación de moléculas orgánicas
(biomoléculas) complejas a partir de más sencillas o de los nutrientes, con requerimiento de energía siendo reacciones endotérmicas o endergónicas
Catabolismo: transformación de biomoléculas complejas en moléculas sencillas y almacenamiento de la energía química producida en forma de enlaces fosfato y de moléculas de ATP, por destrucción de moléculas con gran cantidad de enlaces covalentes siendo reacciones químicas exotérmicas o exergónicas
El metabolismo es una propiedad inherente de la vida que surge de las
interacciones entre las moléculas que se producen dentro de la célula
Organización de la química de la vida en vías metabólicas
Una vía metabólica comienza con una molécula específica y termina con un producto
Cada paso está catalizado por una enzima específica
Enzima 1
A B
Reacción 1
Enzima 2
C
Reacción 2
Enzima 3
D
Reacción 3
Productos Reactivos
Las vías catabólicas liberan energía, rompiendo moléculas complejas y obteniendo moléculas más simples
Las vías anabólicas consumen energía, esta es utilizada para construir moléculas complejas a partir de otras más simples
La bioenergética es el estudio de la forma como los organismos gestionan sus recursos energéticos
Rutas de degradación para obtener energía
Rutas de síntesis de nuevos compuestos
Formas de Energía La energía es la capacidad de producir cambios
La energía existe en diversas formas, algunas de las cuales pueden realizar un trabajo
La energía cinética es la energía asociada con el movimiento
El calor (energía térmica) es la energía cinética asociada con el movimiento al azar de los átomos o moléculas que pasa al ambiente
La energía potencial es la energía que la materia posee por su ubicación en el espacio o bien por su estructura
La energía química es la energía potencial disponible para la realización de una reacción química
La energía puede ser transformada de una forma a otra
Sobre la plataforma el nadador presenta más energía potencial
El nadador convierte la energía potencial en energía cinética
Al subir se convierte la energía cinética (del movimiento muscular) en energía potencial.
En el agua el nadador presenta menos energía potencial.
Las Leyes de la transformación de la Energía
La termodinámica es el estudio de las transformaciones de la energía
Un sistema cerrado, al que se aproxima un líquido en un termo, está aislado de su entorno
En un sistema abierto, la energía y la materia pueden ser transferidos entre el sistema y su entorno
Los organismos son sistemas abiertos
La Primera Ley de la Termodinámica Según la primera ley de la termodinámica, la energía del universo es constante
La energía puede ser transferida y transformada
La energía ni se crea ni se destruye
La primera ley también se llama el principio de conservación de la energía
La Segunda Ley de la Termodinámica Durante la transferencia de energía o su transformación, existe una parte de
energía que no es utilizable y a menudo se pierde en forma de calor
Según la segunda ley de la termodinámica, cada transferencia de energía o su transformación aumenta la entropía (el desorden) del universo. Poner orden cuesta energía
Leyes de la Termodinámica
Energia
química
Calor CO2
Primera ley de la
termodinamica
Segunda ley de la termodinamica
H2O
Las células vivas inevitablemente convierten formas organizadas de energía para calentar
Los procesos espontáneos se producen sin ningún aporte de energía, y pueden producirse rápidamente o lentamente
Para que un proceso se produzca sin una fuente de energía, tiene como consecuencia que debe aumentar la entropía del universo
Las células crean estructuras ordenadas a partir de materiales menos ordenados
Los organismos también sustituyen las formas ordenadas de materia y energía con formas menos ordenadas
La evolución de organismos más complejos no viola la segunda ley de la termodinámica
La entropía (desorden) puede disminuir en un organismo (organización), pero aumenta la entropía total del universo
Orden y desorden biológico
Concepto 2 El cambio de energía libre de una reacción nos dice
si la reacción ocurre de manera espontánea
Los biólogos quieren saber qué reacciones se producen de forma espontánea y cuales necesitan aporte de energía
Para ello, es necesario determinar los cambios de energía que se producen en las reacciones químicas
La energía libre de un sistema vivo es la energía que puede realizar un trabajo cuando la temperatura y la presión son uniformes (constantes), como ocurre en una célula viva
El cambio de Energía libre (∆G ) durante un proceso se relaciona con el cambio de Entalpía, o el cambio en la energía total (∆H), y el cambio de entropía (T∆S):
∆G = ∆H - T∆S
Sólo los procesos con una ∆G negativa son espontáneos
Los procesos espontáneos pueden aprovecharse para realizar un trabajo
Energía libre, estabilidad y equilibrio La energía libre es una medida de la inestabilidad de un sistema, su tendencia a cambiar a un
estado más estable
Durante un cambio espontáneo, disminuye la energía libre por lo que aumenta la estabilidad del sistema
El equilibrio es un estado de máxima estabilidad
Un proceso es espontáneo y puede realizar trabajo sólo cuando se está dirigiendo hacia el equilibrio
Movimiento gravitacional Difusión Reacción química
Energía libre y Metabolismo Cambios de energía libre <0
Reacciones endergónicas se pueden acoplar a exergónicas con lo que la variación total de energía libre es negativa
Exergónica
Endergónica
Cambios de energía libre >0
Reacción endergónicas
ΔG > 0
Requieren energía
Reacción endergónica
ΔG < 0
Liberan energía
Espontáneas
Energía libre y Metabolismo
Reactivos o Reactantes
Energía
Productos
Progreso de la reacción
Cantidad de
energía
liberada
(G < 0)
En
erg
ía L
ibre
Reacción exergónica: liberación de energía
Energía libre y Metabolismo
Reactantes
Energía
Productos
Progreso de la reacción
Cantidad de
Energía
necesaria
(G > 0)
En
erg
ía l
ibre
Reacción endergónica: necesidad de energía
Equilibrio y Metabolismo Las reacciones en un sistema cerrado alcanzan finalmente el equilibrio y luego no
hacen ningún trabajo
Las células no están en equilibrio, sino que son sistemas abiertos que experimentan un flujo constante de materiales
Una vía catabólica en una célula libera energía libre en una serie de reacciones
Los sistemas hidroeléctricos cerrados y abiertos pueden servir como ejemplos o analogías
G = 0
Sistema hidroeléctrico cerrado
G < 0
Sistema hidroeléctrico abierto
G < 0
Sistema hidroeléctrico multietapas abierto
G < 0
G < 0
G < 0
Concepto 3 El ATP permite el trabajo celular mediante el acoplamiento de reacciones exergónicas con
reacciones endergónicas Una célula realiza tres tipos principales
de trabajo:
Mecánico
Transporte
Químico
Para hacer el trabajo, las células deben administrar sus recursos energéticos mediante el acoplamiento energético, utilizando un proceso de exergónico para realizar uno endergónico
La estructura y la hidrólisis de ATP
ATP (trifosfato de adenosina) es el transportista químico de energía celular
ATP proporciona energía para las funciones celulares
Grupos fosfato
Ribosa
Adenina
Los enlaces entre los grupos fosfato de la cola de ATP pueden romperse por mediante hidrólisis
La energía se libera desde el ATP cuando se hidroliza y rompe el enlace fosfato terminal
Esta liberación de energía proviene del cambio químico de la molécula a un estado de menor energía libre, no de la energía del enlace de fosfato por si mismo
Adenosina trifosfato (ATP)
Energía
P P P
P P P i
Adenosina difosfato (ADP) Fosfato inorgánico
H2O
+ +
La estructura y la hidrólisis de ATP
En la célula, la energía de la reacción exergónica de la hidrólisis del ATP se puede utilizar para realizar una reacción endergónica
En general, las reacciones acopladas a una reacción endergónica son exergónicas
Reacción endergónica: G es positiva, la reacción es NO espontánea
Reacción exergónica: G es negativa, la reacción es espontánea
G = +3.4 kcal/mol
G = –7.3 kcal/mol
G = –3.9 kcal/mol
NH2
NH3 Glu Glu
Acido Glutámico
Las reacciones acopladas: La suma G es negativa; así pues, el conjunto de las dos reacciones es espontáneo
Amoníaco Glutamina
ATP H2O ADP Pi
+
+ +
El ATP
NH2
Glu
P i
P i
P i
P i
Glu NH3
P
P
P
ATP
ADP
Proteina motora
Trabajo mecánico: ATP fosforila las proteinas motoras
Protein trasladada
Proteina de
membrana
Soluto
Trabajo de transporte: ATP fosforila las proteinas de transporte
Soluto transportado
Trabajo químico: ATP fosforila los reactivos clave
Reactivos: ácido glutamicco y amoniaco
Productos (glutamina) sintetizada
+ +
+
El ATP La energía de la reacción exergónica de la hidrólisis del ATP se puede utilizar para realizar una reacción endergónica La molécula receptora queda fosforilada Los tres tipos de trabajo celular (mecánico, transporte y químico) son impulsados por la hidrólisis de ATP
La regeneración del ATP El ATP es un recurso renovable que se regenera por adición de un grupo fosfato al
ADP
La energía para fosforilar el ADP proviene de las reacciones catabólicas en la célula
La energía potencial química, almacenada temporalmente en unidades de ATP, conduce y posibilita la mayoría del trabajo celular
P i ADP
Energía para el trabajo celular
(endergónico, procesos
consumidores de energía)
Energía del catabolismo
(exergónica, procesos
productores de energía)
ATP
+
Concepto 4 Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas
reduciendo las barreras energéticas Un catalizador es una sustancia química que acelera una reacción sin consumirse
durante la reacción
Una enzima es una proteína catalizadora
La hidrólisis de la sacarosa por la enzima sacarasa es un ejemplo de una reacción catalizada por una enzima
Sucrosa
C12H22O11
Glucosa
C6H12O6
Fructosa
C6H12O6
La barrera de la energía libre de activación
Cada reacción química entre moléculas, implica la rotura de enlaces y la formación de nuevos enlaces
La energía inicial necesaria para iniciar una reacción química se llama energía libre de activación, o energía de activación (EA)
La energía de activación normalmente suele suministrarse en forma de calor del medio donde se realiza la reacción
Estado de transición
C D
A B
EA
Productos
C D
A B
G < O
Progreso de la reaccion
Reactantes
C D
A B
En
erg
ia l
ibre
Cómo los enzimas reducen la barrera de la EA
Las enzimas catalizan las reacciones mediante la reducción de la barrera de la EA
Las enzimas no afectan a la variación de energía libre (∆G), sino que aceleran las reacciones que se producirían, sí o sí, espontáneamente al cabo de cierto tiempo
Curso de
la reacción
sin
enzima
EA
sin
enzima
G no es afectada
por el enzima
Progreso de la reación
En
erg
ía lib
re
EA con
enzima
es más baja
Curso de la
reacción
con enzima
Reactivos
Productos
Especificidad de las enzimas por el sustrato El reactivo sobre el que actúa una enzima se llama sustrato enzimático
La enzima se une a su sustrato, formando un complejo enzima-sustrato
El centro activo es la región de la enzima donde se une el sustrato ya que es específica para
éste
El ajuste inducido de un sustrato sitúa a los grupos químicos del sitio activo en posiciones que mejoran su capacidad para catalizar la reacción
Sustrato
Centro activo
Enzima Complejo enzima-sustrato
Catálisis en el sitio o centro activo del enzima
En una reacción enzimática, el sustrato se une al sitio o centro activo
El centro activo permite reducir la barrera de la EA mediante
1. Orientando correctamente el sustrato
2. Debilitando los enlaces del sustrato
3. Proporcionar un microambiente favorable
4. Uniéndose covalentemente al sustrato
Complejo enzima-sustrato
Sustratos
Enzima
Productos
Los sustratos entran al centro activo: el enzima
modifica su forma de forma que permite la posición
de los dos sustratos (ajuste inducido)
Los sutratos se mantienen en el
centro activo mediante interacciones
ligeras como son por ejemplo
puentes de hidrógeno o
enlaces iónicos
Centro activo (y grupos R de
sus aminoácidos) pueden
disminuir la EA e incrementar la
velocidad de reacción mediante:
• actuando como molde para
orientar el sustrato
• debilitando los enlaces del sustrato
y estabilizando el estado de transición
• originando un microambiente
favorable
• participando directamente en la
reacción catalítica
Sustratos son
convertidos
en productos
Los productos
Son liberados.
El centro
activo está
disponible para
dos nuevas
moléculas
de sustrato.
Efectos de las condiciones locales en la actividad enzimática
La actividad enzimática pueden afectarse por:
Factores ambientales generales, tales como:
Temperatura
Fuerza iónica
pH
Productos o sustancias químicas que influyen específicamente en el enzima
Efectos de la temperatura, la
fuerza iónica y el pH
Cada enzima tiene una temperatura óptima en la que puede funcionar
Cada enzima tiene una fuerza iónica óptima en el que puede funcionar
Cada enzima tiene un pH óptimo en el que puede funcionar
Temperatura óptima para un enzima normal humano
Temperatura óptima para un enzima termofílico (bacterias tolerantes a la temperatura)
Temperatura (°C)
Temperatura óptima para dos enzimas
0 20 40 60 80 100
pH óptimo para pepsina
(enzima del estómago)
pH óptimo
para
tripsina
(enzima
intestinal)
pH
pH óptimo para dos enzimas
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Los cofactores pueden estar:
• Estrechamente unidos a la molécula de enzima (enlaces covalentes)
Grupos prostéticos
• Unidos débilmente al enzima (fuerzas débiles)
Cosustratos
Tipos de cofactores:
• Iones metálicos
Cu2+, Fe3+, Zn2+
• Moléculas orgánicas
Coenzimas
Cofactores Los cofactores son ayudantes enzimáticos no proteicos
Sustrato
Centro activo
Enzima
Inhibidor competitivo
Unión normal
Inhibición competitiva
Inhibidor no competitivo
Inhibición no competitiva
Un substrato puede
unirse normalmente
al centro activo
de un enzima
Un inhibidor competitivo
mimetiza el sustrato,
compitiendo por
el sitio activo
Un inhibidor no competitivo,
se une al enzima
en un centro o zona alejada
del centro activo,
modificando la conformación
del enzima, de modo que
el centro activo queda con
una conformación no funcional
Inhibidores enzimáticos
Sustancias que se unen al enzima y disminuyen su actividad
Inhibidores competitivos: el inhibidor se une al sitio activo de una enzima, compitiendo con el sustrato
Inhibidores no competitivos: el inhibidor se une a otra parte de una enzima, provocando que la enzima cambie de conformación tridimensional y haciendo que el sitio o centro activo sea menos eficaz o totalmente ineficaz
Concepto 5 La regulación de la actividad enzimática
ayuda a controlar el metabolismo El caos químico se produciría en una célula si las vías metabólicas no estuvieran
reguladas de forma estricta
Para regular las rutas o vías metabólicas, la célula “enciende” o “apaga” los genes que codifican las enzimas específicas de la vía
Regulación alostérica de las enzimas
Regulación alostérica es el término utilizado para describir los casos en que la función de una proteína en un lugar (centro activo) se ve afectada por la unión de una molécula reguladora en otro lugar (centro alostérico)
La regulación alostérica puede inhibir o estimular la actividad enzimática
Activación e inhibición alostérica
La mayoría de las enzimas reguladas alostéricamente están hechas por subunidades polipeptídicas
Cada enzima presenta formas activas e inactivas
La unión de un activador estabiliza la forma activa de la enzima
La unión de un inhibidor estabiliza la forma inactiva de la enzima
Enzima alostérico
con 4 subunidades
Centro
regulador
(uno de cuatro) Forma
activa
Activador
Forma activa
estabilizada
Centro activo
(uno de cuatro)
Activador alostérico
estabiliza la forma activa
Centro activo
no funcional Forma
inactiva
Inhibidor Forma inactiva
estabilizada
Inhibidor alostérico
estabiliza la forma inactiva
Oscilación
Activadores e inhibidores alostéricos
La cooperatividad es una forma de regulación alostérica que puede amplificar la actividad enzimática
En la cooperatividad, la unión de un sustrato a un sitio activo produce y estabiliza cambios conformacionales favorables en todas las otras subunidades
Sustrato
La unión de una molécula de sustrato
al centro activo sitúa todas las
subunidades en una conformación activa
Cooperatividad, otro tipo de activación alostérica
Forma activa estabilizada Forma inactiva
Cooperatividad
La inhibición por retroacción o
retroalimentación (Feedback Inhibition)
En la inhibición por retroali-mentación, el producto final de una vía metabólica cierra la actividad de la vía cuando se alcanza una determinada concentración
La inhibición por retroalimentación impide a una célula el derroche de recursos mediante la síntesis química de más producto que el necesario
Centro activo disponible
Sustrato inicial (treonina)
Sitio o centro activo de treonina
Enzima 1 (treonina deaminasa)
Enzima 2
Intermedio A
Isoleucina utilizada por la célula
Inhibición por retroacción
Centro activo de enzima 1 que no puede unirse a la treonina VIA CERRADA
Isoleucina unida al sitio alosterico
Enzima 3
Intermedio B
Enzima 4
Intermedio C
Enzima 5
Intermedio D
Producto final (isoleucina)
Localización específica de las enzimas dentro de la célula
Las estructuras del interior de la célula ayudan a poner en orden a las vías metabólicas
Algunas enzimas actúan como componentes estructurales de las membranas
Algunas enzimas residen en orgánulos específicos, como las enzimas para la respiración celular que se encuentran en las mitocondrias
Mitocondria, Lugar de la respiración celular
1 µm
