METABOLISMO DEFINICIN: Significa cambio, es la suma de todas las reacciones qumicas que se realizan en un organismo vivo. Se divide en: CATABOLISMO y ANABOLIMO ANABOLIMO. CATABOLISMO: griego kata (abajo), se refiere a la secuencia de reacciones de degradacin que sufre una sustancia. ANABOLISMO: griego an (arriba), se refiere a las reacciones de sntesis.
CATABOLISMO Degradante De ndole oxidante Generador de energa Variedad de materiales iniciales, pero productos finales bien definidos
ANABOLISMO Sinttico De ndole reductor Consumidor de energa Materiales iniciales bien definidos, pero variedad en los productos finales
Catabolismo Anabolismo El ATP liga los procesos celulares que liberan energa y los que la requieren. El catabolismo y el anabolismo son procesos complementarios integrados. FUNCIONES ESPECFICAS DEL METABOLISMO: 1. Obtencin de energa 2. Conversin de nutrientes 3. Ensamblaje
El ATP como energtico
moneda
de
intercambio
Las clulas capturan la energa liberada en el catabolismo, en gran parte en forma de ATP. La energa qumica almacenada en los enlaces anhidro del ATP, puede convertirse en otras formas de energa. Las enzimas se unen preferentemente al ATP y utilizan su energa libre de hidrlisis para impulsar las reacciones endergnicas. Conc. intracelular ATP: 2 y 5 mM.
Estructura y propiedades del ATP ATP: La base adenina y el azcar ribosa estn ligados por un enlace glucosdico para formar el nuclesido de adenosina. La adenosina est unida por un enlace ester al trifosfato para formar el nucletido ATP. Los grupos fosfatos estn unidos por enlaces fosfoanhidro que liberan energa cuando se rompen.
Requermiento de energa: fosforilacion de la glucosa, el cambio de energa libre negativo, negativo global es indicando que una reaccin exergnica total.
Nucletidos de nicotinamida en el catabolismo y biosntesis
El catabolismo y el anabolismo son procesos complementarios integrados. VA O RUTA METABLICA: Serie de METABLICA: reacciones consecutivas que efectan una conversin global especfica para obtener un producto til. TIPOS DE VAS METABLICAS: Lineales: serie de reacciones catalizadas enzimticamente donde el producto de una reaccin (metabolito) sirve como sustrato de la siguiente reaccin. Por ejemplo biosntesis de la prolina.
Cclicas: Secuencia de etapas catalizadas enzimticamente, un metabolito se regenera cada vez que se completa un ciclo. Ej, ciclo de Krebs. En espiral: Una misma molcula se emplea repetidamente con las mismas enzimas para alargar degradar una molcula dada. Ej: Biosntesis de cidos grasos.
Rutas Metablicas Centrales Rutas Catablicas Rutas Anablicas (Secuencia consecutiva de Intermediarios A B C metablicos: D E F Son las G, los sustancias que intermediarios se producen en metablicos la va son B, C, D, E, F) Flujo de Electrones
Rutas Metablicas Centrales Rutas Catablicas Rutas Anablicas
Complejo Multienzimatico soluble
Sistema Multienzimatico soluble
Flujo de Electrones
Sist. Enzimat unido a membrana
El metabolismo como una red tridimensional. Una clula eucariota tpica tiene la capacidad para hacer cerca de 30,000 protenas, las cuales catalizan miles de diferente reacciones involucrando muchos cientos de metabolitos, La imagen e la rutas metablicas pertenece a la base de datos en linea KEGG PATHWAY (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes). www.genome.ad.jp/kegg /pathway/map/map0110 0.html.
Digestin, absorcin, y reparto de carbohidratos Digestion: Proceso de degradacin mecnica y qumica (ENZIMATICA) de los alimentos para liberar nutrientes que son absorbidos por el organismo. Degradacin de polmeros (protenas, lpidos y carbohidratos). Alimentos fuente de carbohidratos Frutas (fructosa) Leche (lactosa) Dulce (sacarosa) Tubrculos (almidn) Polmeros Cereales.
P Aparato digestivorocesos fsicos:
Boca: Molienda y ensalivado Bolo alimenticio, consistencia adecuada para la deglucin, pasa por la faringe al esfago. Procesos qumicos: Amilasa salival (ptialina): Enzima de glndulas sublinguales., digiere almidn y otros glucanos. Acta sobre el almidn, rompiendo enlaces glucosdicos E-1,4 Se inhibe en el estmago por la acidez. pH ptimo de 6.9
Digestin pancretica e intestinal de los CH Dieta: Almidones Sacarosa Lactosa Amilasa Sacarasa Dextrinas Maltosa Maltasa Lactasa Dextrinasas Maltosa Isomaltosa Maltasa Glucosa Fructosa Galactosa
ABSORCIN (Transporte activo secundario) Epitelio intestinal (b550 m2 ): pliegues, vellos, microvellos. Sangre (Difusin facilitada) Monosacridos + Sist. Portador (GLUT5) GLUCO SA Sistema porta heptico Hgado (80% Glu, 10% Galactosa, 10% Fructosa):
Transportadores de glucosa en el genoma humano
Rutas principales de la utilizacin de la glucosa En animales y plantas vasculares Almidn, sacarosa Glucgeno Degradacin Glucognolisis Almacenamiento Glucognesis GLUCOSA Oxidacin Ruta de las pentosas Ribosa 5-fosfato Sntesis Gluconeogenesis Piruvato Oxidacin Gluclisis
Hans von EulerChelpin, 18731964
Gustav Embden 18741933
Otto Meyerhof, 18841951
Glucolisis (Embden, Meyerhof, Parnas) Fase inicial del catabolismo de los carbohidratos. Tejidos: ruta casi universal de catabolismo de la glucosa. En algunos tipos celulares y tejidos de mamferos es la principal fuente de energa metablica (eritrocitos, medula renal, cerebro, esperma.) Localizacin celular: Citoplasma
El Piruvato entra en el Metabolismo Oxidativo Fermentacin es un termino general para la degradacin anaerbica de la glucosa u otros nutrientes orgnicos para obtener energa conservada como ATP
El Piruvato es reducido en las reacciones de Fermentacin
Fase preparatoria (gasto) fosforilacin de la glucosa y su conversin a gliceraldhedo 3fosfato
Arthur Harden, 18651940 William Young, 18781942
Fase ganancia (pago) Conversin oxidativa del gliceraldhedo 3-fosfato a piruvato y la formacin acoplada de ATP y NADH
ATP
Mg2+ ADP
Hexocinasa Todas las clulas Glucosa Glucosa 6-fosfato (G'r = -16.7 kJ/mol Hepatocitos hexocinasa IV glucocinasa
Mg2+
Fosfohexosa isomerasa (fosfoglucosa isomerasa) Glucosa 6-fosfato Fructosa 6-fosfato
(G'r = 1.7 kJ/mol
ATP Mg2+ ADP Fosfofructocinasa -1 Fructosa 6-fosfato fructosa 1,6-difosfato Punto principal de regulacin de la gluclisis ATP, Citrato -, ADP + (G'r = -14.2 kJ/mol Fructosa 6-fosfato + PPi + fructosa 1,6difosfato + Pi Algunas bacterias y protistas y quiz todas las plantas tienen una fosfofructocinasa que usa pirofosfato (PPi), y no ATP (G'r = -14 kJ/mol
Aldolasa Dihidroxiacetona Fructosa 1,6-difosfato fosfato Gliceraldehdo 3-fosfato
(G'r = 23.8 kJ/mol
Derivado de los carbones de glucosa 1 2 3 Aldolasa Fructosa 1,6-difosfato
Derivado de los carbones de glucosa 4 5 6
Triosa fosfato isomerasa
Triosa fosfato isomerasa Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehdo 3-fosfato Derivado de los carbones de glucosa 43 52 61
(G'r = 7.5 kJ/mol
Acil Fosfato 2NAD+ 2 2 2 2 NADH + H+ Gliceraldhedo 3-fosfato deshidrogenasa 1,3-difosfoglicerato
Gliceraldehdo 3-fosfato
Fosfato inorgnico (G'r = 6.3 kJ/mol
Fosforilacin a nivel de sustrato
Mg2+ 2 2 2 2
Fosfoglicerato cinasa 2 [1,3-difosfoglicerato + ADP p 3-fosfoglicerato + ATP ] (G'r = -18.5 kJ/mol
2 Mg2+ 2 Fosfoglicerato mutasa 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato
(G'r = 4.4 kJ/mol
2 H2O Enolasa 2-fosfoglicerato
2
Fosfoenolpiruvato (G'r = 7.5 kJ/mol
Mg2+, K+ 2 2
2 Piruvato
2
Piruvato cinasa Fosfoenolpiruvato ADP ATP (G'r = -31.4 kJ/mol
Piruvato Piruvato (Forma enolica) (Forma ceto)3-fosfoglicerato
2,-fosfoglicerato
Relaciones energticas de la va Glucosa + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi 2 piruvato + 2 ADP + 2NADH +2H+ + 4ATP + 2H2O Glucosa + 2NAD+ + 2ADP +2Pi 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 2 piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H2O (G'r = -146 kJ/mol (G'r = 2(30.5 kJ/mol) = 61.0 kJ/mol (Gs'r = (G1'r + (G2'r = -146 kJ/mol + 61.0 kJ/mol = -85 kJ/molCuando la glucosa se oxida a CO2 y H2O el cambio en la energa libre estndar es de 2,840 kJ/mol, (146/2,840)100 = 5.2 %
Glucosa + 2NAD+ 2H + 2ADP +2Pi
Hexocinasa Glucosa 6-fosfato Fosfofructocinasa -1 Fructosa 1,6-Difosfato
Glucos a
Fosfoenolpiruvato Piruvato cinasa
Glucosa Gluclisis, (10 reacciones consecutivas) Condiciones Condiciones 2 piruvato anaerbicas Condiciones anaerbicas aerobias 2 Lactato 2 Etanol + 2CO2 2CO2 Fermentacin 2 acetil-CoA Fermentacin en a alcohol la contraccin vigorosa del en levaduras Ciclo del acido ctrico 4CO2 + 4H2O Animales , plantas y microbios en condiciones aerobiasmsculo, eritrocitos, Algunos microorganismos
Piruvato
Fermentacin cido lctica NADH + H+
Lactato NAD+ deshidrogenasa (G'r = -25.1 kJ/mol Lactato Fermentacin etanolica TPP Mg2+ CO2 NADH + H+ NAD+
Alcohol Piruvato deshidrogenasa descarboxilasa Piruvato Acetaldehdo Etanol
Warburg purifico y cristalizo 7 enzimas de la gluclisis, Manmetro Warburg, que mide directamente el consumo de oxigeno por monitoreo en el cambio del volumen del gas, y permiti cuantificar algunas enzimas con actividad oxidasa. Tumores tienen una alta proporcin de su metabolismo dependiente de la glucosa mas que otros tejidos. Factor de transcripcin inducible-hipoxia (HIF-1) es una protena que acta a nivel de sntesis del mRNA para estimular la sntesis de al menos 8 de la enzimas glucoliticas. Discpulo de Emil Fischer Premio Nobel en fisiologa medicina en 1931 Otro premios Nobel: Otto Meyerhof in 1922, Hans Krebs and Fritz Lipmann in 1953, y Hugo Theorell in 1955. Laboratorio de Meyerhof: Severo Ochoa 1959, Andre Lwoff 1965, and George Wald 1967.
Otto Warburg 18831970
TIPO Fermentacin alcohlica Fermentacin homolactica Fermentacin heterolactica Fermentacin propionica
ORGANISMOS Yeast Zimomonas Hexosas acido lctico Streptococcus Algunos Lactobacillus Hexosas lctico Etanol Leuconostoc Algunos + CO2 Lactobacillus Lactato propionato Propionibacterium Acetato + CO2 Clostridium propionicum Acido mixta Hexosas Etanol, Enterobacterias 2,3 butanodiol E. Coli succinato Salmonella Lctico Shigella Acetato Klebsiella formato H2 + CO2 Acido butrico Hexosas Butirato Clostridium butiricum Acetato H2 + CO2
REACCION Hexosas etanol + CO2
Butanol
Caproato Homoacetica
Hexosas Butirato Acetato Etanol Acetona H2 + CO2 Etanol + Acetato +CO2 Caproato + butirato + H2 H2 + CO2 Acetato CH4 + CO2
Clostridium butiricum
C. Kluyveri C. Aceticum Acetobacterium Methanotrix Methanosarcina Propionigenium
Metanogenica Acetato Succinato Oxalato
Succinato propionato + CO2
Oxalato + H+ Formato + CO2 Oxalobacter
Productos, reacciones y grupos microbianos responsables de los procesos fermentativos mas importantes Lctico+ etanol + CO2 Lactobacilos. Streptococcus Leuconostoc Zimomonas levaduras
Clostridium propionicum y Propioniobacterium
Clostridium butiricumenterobacterias
Los grupos que mas interesan desde el punto de vista alimentario son: enterobacterias y clostridium (Sanitario) y bacterias lcticas , propionibacterias y levaduras (Productivo)
VIA DE ENTNER-DOUDOROFF ySolo procariontes poseen esta va (con pocas excepciones) ySe encuentra preferentemente en bacterias aerbicas gram negativas yPermite utilizar cidos aldnicos (ej gluconato) o glucosa yElimina glucosa (y en algunos casos gluconato) del medio sin necesidad de fosforilar
Bacteria Arthrobacter sp. Azotobacter chrococcum Alcaligenenes euthropus Bacillus sp E.coli y otras enterobacterias Pseudomonas sp. Rhizobium sp. Thiobacillus sp Xanthomonas sp.
EMP ED + + + + + + + + + +
ATP ADP Glucosa
NADP+
NADPH + H+ 6-fosfogluconato N Piruvato
Glucosa-6-P
H2O O
N Glucosa 6 fostato deshidrogenasa O 6-fosfogluconato deshidratasa P KDPG aldosa
Piruvato ATP ADP Fosfoenolpiruvato 2-P-glicerato
2-ceto-3-desoxi-6fosfogluconato Gliceraldehdo-3-P NADH+ Pi P NADH + H+ 1,3-difosfoglicerato ADP ATP 3-P-glicerato
La Va de ED puede tener variaciones en relacin a los intermediarios fosforilados que pueden formarse. 1- Pseudomonas: primero oxidacin de glucosa y luego fosforilacin del gluconato 2- Archaebacteria (genero Halobacterium); Clostridium, Alcaligenes, Rhodopseudomonas: se : fosforila el 2 ceto 3 desoxy gluconato y se emplea NAD+ 3Archaebacteria (gneros Sulfolobus, Thermoplasma y Pyrococcus). Va totalmente des- fosforilada. Ej. En esta via no hay generacin de ATP y procede en forma totalmente irreversible.
Derivacin Rapaport-Luebering (Importancia del 2,3-difosfoglicerato) Fosfoglicerato mutasa Difosfosfoglicerato mutasa
2,3-difosfoglicerato (2,3-BPG) 3-fosfoglicerato 1,3-difosfoglicerato
2,3-BPG BPG. 2,3-difosfoglicerato reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxigeno. Desarrollo fetal: extrae oxigeno de la sangre de la madre, la hemoglobina fetal debe tener alta afinidad que la hemoglobina maternas por O2. El feto sintetiza subunidad K ms que la subunidad F formando la hemoglobina E2 K2 . Este tetrmero tiene muy baja afinidad por el BPG que por la hemoglobina normal de los adultos
TrehalosaTrehalasa
Lactosa Interconversin de hexosasLactasa
Fosfoglucosa mutasa
Tejido Adiposo y Muscular fructosa [ ]
Fructocinasa Fructosa 1fosfato aldolasa
Fosfomanosa isomerasa
triosa cinasa
Triosa fosfato isomerasa
UDP-glucosa galactosa 1-fosfato uridiltrandferasa
GalactocinasaGalactosa 1-fosfato D-Galactosa Defectos en alguna de las tres enzimas en esta va causa Galactosemia en humanos. Deficiencia de Galactocinasa: Altas [ ] galactosa en sangre y orina. Infantes desarrollan cataratas, por depsitos de galactitol Deficiencia de Transferasa galactosemia es ms seria; pobre crecimiento en nios, anormalidad del habla, deficiencia mental, dao heptico que puede ser fatal. Deficiencia de Epimerasa; los sntomas son similares, pero menos severos cuando la galactosa de la dieta es cuidadosamente controlada
UDP-galactosa
UDP-glucosa 4-epimerasa
UDP-glucosa 4-epimerasaUDP-glucosa
Otros Gluconeognesis Glucosa Glucoprotenas monosacridos sangunea (formacin de Sacarosa nueva azcar) Glucgeno Disacridos Almidn Animales: mamferos; Hgado, Corteza renal: Citoplasma y mitocondria Hongos Microorganismos Plantas Animales Plantas
Glicerol Lactato Piruvato Aminocidos glucognicos Fijacin CO2
(G' y (G de las reacciones glucoliticas en eritrocitos Etapa de la reaccin glucolitica (G' (kJ/m ol) -16.7 1.7 -14.2 (G (kJ/mol ) -33.4 0 a 25 -22.2
M Glucosa + ATP glucosa + ADP N Glucosa 6-fosfato fructosa 6-fosfato O Fructosa 6-fosfato + ATP fructosa 1,6-difosfato + ADP P Fructosa 1,6-difosfato dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehdo 3-fosfato Q Dihidroxiacetona fosfato gliceraldehdo 3-fosfato R 2 (gliceraldehdo 3-fosfato) 2 (1,3-difosfoglicerato) S 2 (1.3-difosfoglicerato) 2 (3-difosfoglicerato) T 2 (3-difosfoglicerato) 2 (2-fosfoglicerato) U 2 (2-fosfoglicerato) 2 (fosfoenolpiruvato V 2 (Fosfoenolpiruvato) 2 (piruvato)
23.8 0 a -6 7.5 6.3 -18.8 4.4 7.5 -31.4 0a4 -2 a 2 0a2 0 a 0.8 0 a 3.3 -16.7
(2) ATP (2) Piruvato Piruvato carboxilasa (2) ATP (2) ADP Piruvato cinasa (2) Oxalacetato (2) GTP (2) ADP Fosfoenolpiruvato carbocinasa (2) Fosfoenolpiruvato (2) GDP (2) 2-fosfoglicerato
(2) 2-fosfoglicerato
(2) 3-fosfoglicerato (2) ATP (2) ADP (2) ATP (2) ADP
(2) 1,3-difosfoglicerato
1,3-difosfoglicerato (2) NADH + 2H+ (2) NAD+ (2) NADH + 2H+
(2) NAD+ (2) Pi (2) Pi (2) Gliceraldehdo 3-fosfato Dihidroxiacetona fosfato Dihidroxiacetona fosfato
Fructosa 1,6-Difosfato
ATP
Fructosa 1,6-Difosfato Fructosa 1,6difosfatasa
H2O
Fosfofructocinasa 1 ADP
Fructosa 6-fosfato Glucosa 6-fosfato
Pi H2O Pi
ATP
Hexocinasa ADP
Glucosa 6-fosfatasa Glucosa
Bicarbonato
Piruvato
Oxalacetato
Piruvato carboxilasa
Biotina PEP carboxinasa
Oxalacetato
Piruvato carboxilasa es la primer enzima regulatoria en la va gluconeogenica, Fosfoenolpiruvato acetil-CoA efector positivo. (Acetil-CoA es producido por la oxidacin de cidos grasos). (G= -0.9 kJ/mol2 Piruvato + 2 HCO3- + 2 ATP + 2 GTP 2 Fosfoenolpiruvato + 2 CO2 + 2 ADP + 2 GDP + 2 Pi
Citoplsmica Fosfoenolpiruvato Fosfoenol carboxicinasa CO2 Oxalacetato Malato NADH +H+ deshidrogenasa Malato NAD+ Malato NAD+ Oxalacetato NADH Piruvato CO2 Carboxilasa Piruvato Mitocondrial fosfoenol carboxicinasa +H+ Fosfoenolpiruvato
Oxalacetato
Piruvato Carboxilasa CO2 Piruvato Mitocondria Citoplasma Piruvato NADH +H+ Lactato NAD+ Eritrocitos, msculo esqueltico
Piruvato alanina el precursor glucognico
Fructosa 1,6-difosfato + H2O
Fructosa 6-fosfato + PI
(G= -16.3 kJ/mol Fructosa 1,6-difosfatasa (FBPasa-1) Mg2+ Fructosa 2,6-difosfato, (AMP) Glucosa 6-fosfato + H2O glucosa + PI (G= -13.8 kJ/mol
glucosa 6-fosfatasa Mg2+ Tejido Muscular y cerebral no contienen esta enzima y no pueden llevar cabo gluconeogenesis 2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2NADH + 2H+ + 4H2O Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+ Glucosa + 2NAD+ + 2ADP +2Pi 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
CICLO DE CORI Ciclo metablico mediante el cual el lactato producido por los tejidos que realizan la gluclisis anaerobia, como el msculo en ejercicio, se regenera a glucosa en el hgado y vuelve a los tejidos por medio del torrente sanguneo.REDUCCIN REOXIDACIN Lactato Lactato Piruvato Lactato deshidrogenasa deshidrogenasa Abund. msc Sangre, Hgado
GLUCONEOGNESISHgado
Piruvato
Glucosa
La ruta es esencialmente activa en la recuperacin posterior a un ejercicio muscular intenso, quien capta la glucosa para regenerar las reservas de GLUCGENO, mediante la GLUCONEOGNESIS. GLUCONEOGNESIS. Carl F. Cori y Gerty T. Cori. Alrededor de 1947 mantiene constante la concentracin de glucosa en sangre
Puntos de control en la gluclisis Hexocinasas I y II msculoG6P
Puntos de control en la gluconeogenesis Principales mecanismos de G6P control que afectan a la gluclisis y a la gluconeognesisF2,6DP AMP Control hormona de la sintesis Control hormona de la sintesis Acetil-CoA
Hexocinasa
Glucosa 6-fosfatasa
F2,6DP AMP ATP Citrato
PFK1
Fructosa 1,6difosfatasa
F1,6DP Acetil-CoA ATP, alanina Fosforilacion Dependiente de AMPc
Piruvato cinasa
PEP carboxicinasa Piruvato carboxilasa