METABOLISMO DEFINICIÓN :

Transcript

1 1 METABOLISMO DEFINICIÓN : É o conxunto de reaccións químicas que se producen no interior das células e que conducen á transformación dunhas moléculas noutras. As distintas reaccións químicas do metabolismo chámanse rutas metabólicas e as moléculas que interveñen metabolitos Os enzimas regulan as reaccións do metabolismo de maneira específica O metabolito inicial dunha ruta metabólica chámase substrato e as substancias finais produtos. FASES DO METABOLISMO : Catabolismo ou fase de degradación da materia orgánica : Consiste na transformación de moléculas orgánicas complexas noutras máis sinxelas. As reaccións catabólicas son exergónicas, é dicir, liberan enerxía que se almacena nos enlaces fosfato do ATP A enerxía liberada polo catabolismo utilízase para: o anabolismo a xeración de calor as actividades vitais como por exemplo o transporte activo Anabolismo ou fase de construción da materia orgánica : Consiste na síntese de materia orgánica complexa a partir de moléculas máis sinxelas As reaccións anabólicas son endergónicas, e dicir, consumen enerxía Esta enerxía procede en xeral do catabolismo TIPOS DE METABOLISMO : Para vivir e medrar tódolos organismos necesitan materia e enerxía, dependendo de onde procedan podemos distinguir dous tipos de metabolismo e polo tanto de organismos : Autótrofos : Utilizan materia inorgánica e pobre en enerxía (auga, CO2, sales minerais...) e enerxía : luminosa : procedente do sol en seres fotosintéticos química : procedente de reaccións químicas que se realizan no medio en seres quimiosintéticos transforman a enerxía luminosa en enerxía química e utilízana para sintetizar a súa propia materia orgánica coa materia inorgánica Heterótrofos : Utilizan a materia orgánica sintetizada polos autótrofos e a enerxía química acumulada nela e que transforman en ATP mediante as reaccións catabólicas (respiración ou fermentación)

2 2 ORIXE DA ENERXÍA Os autótrofos fotosintéticos captan a enerxía da luz do sol, e mediante o proceso de fotosíntese, almacénana na materia orgánica 6H2O + 6CO2 + Enerxía luminosa > C6H12O6 + 6O 2 Os seres heterótrofos utilizan a enerxía almacenada na materia orgánica, polos autótrofos e captada na súa nutrición. Mediante os procesos catabólicos transforman a enerxía acumulada na materia orgánica en ATP C6H12O6 + 6O > 6H2O + 6CO ATP PRODUCCIÓN DE ATP Os mecanismos para producir ATP son : Fosforilación a nivel substrato : reaccións exergónicas do metabolismo fosforilación oxidativa : cadea de transporte electrónico mediante unha serie de reaccións de oxido-redución acopladas a unha ATP-asa. Moléculas productoras de enerxía GLÍCIDOS LÍPIDOS PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS PROTEÍNAS LÍPIDOS ADP+P NAD+ NADP+ FAD ANABOLISMO CATABOLISMO ATP NADH NADPH FADH2 MONOSACÁRIDOS AMINOÁCIDOS ÁCIDOS GRAXOS CO2 H2O NH3

3 3 Ácidos graxos GLICOSA Aminoácidos Glicolise RUTAS CATABÓLICAS Ácido pirúvico b-oxidación Acetil-CoA CICLO DE KREBS RUTAS ANABÓLICAS Síntese de ácidos graxos Ácidos graxos Gliconeoxénese GLICOSA NADH FADH 2 Fosforilación oxidativa ATP Sintese de aminoácidos Aminoácidos CATABOLISMO : Consiste na degradación de moléculas orgánicas complexas (ricas en enerxía) noutras máis simples (pobres en enerxía) A-B --> A + B + enerxía A enerxía desprendida durante o proceso utilízana os organismos para a biosíntese, produción de calor, o movemento, etc... A degradación das moléculas orgánicas consiste nunha serie de transformacións químicas que na súa maior parte son reaccións de oxido-redución nas que uns compostos se oxidan (perden electróns) e outros se reducen (ganan electróns) de maneira simultánea. Cu+2 (oxidado) + e- --> Cu+1 (reducido) Reactivo de Fheling CuSO4 --> Cu+2 + (SO4)-2 sulfato cúprico de cor azul, despois da redución coa glicosa por exemplo da (Cu2O) óxido cuproso de cor vermella, o Cu+2 (oxidado) pasou a Cu+1 (reducido) pola ganancia de 1 e-

4 4 Os compostos orgánicos (glícidos, lípidos, prótidos) poden oxidarse tanto por ganancia de osíxeno como por pérdida de hidróxeno, xa que nos dous casos prodúcese a pérdida de electróns A-H + B --> A + e- + H+ + B --> A + B-H Os electróns desprendidos son recollidos polos transportadores de electróns (NAD+, NADP+ e FAD e os citocromos da cadea respiratoria) ata chegar á molécula aceptora, e neste proceso despréndese enerxía (ATP). Segundo o grado de oxidación das moléculas podemos distinguir dous tipos de catabolismo : Respiración : cando a oxidación é completa e as moléculas finais son compostos inorgánicos e pobres en enerxía (CO2 e H2O). Neste caso dependendo do aceptor final dos electróns podemos distinguir : Respiración aerobia : o aceptor final de electróns é o O2 que se reduce para formar auga Respiración anaerobia : o aceptor final de electróns non é o O 2. Poden ser ións nitrato (NO3-), ións sulfato (SO4=) ou CO2 que se reducirán a ión nitrito NO2-, ión sulfuro S= ou metano CH4. Fermentación : cando a oxidación é incompleta e as moléculas finais son compostos orgánicos aínda complexos. Neste caso tampouco é o osíxeno o aceptor final de electróns polo tanto tamén se pode considerar como unha especie de respiración anaerobia Segundo o tipo de moléculas que se degradan podemos considerar o catabolismo de : glícidos, lípidos ou prótidos Nos tres casos chégase a un punto común : o ciclo de Krebs As rutas metabólicas seguidas ata este punto común varían (ver debuxo): glicólise para a glicosa β oxidación para os ácidos graxos, etc CATABOLISMO DE GLÍCIDOS : RESPIRACIÓN CELULAR Despois unha hidrólise previa durante a dixestión as moléculas de glicosa pasa ó sangue e chegan ó interior das células A degradación ou oxidación total da glicosa aporta 38 moléculas de ATP e a súa reacción xeral podemos expresala como : C6H12O6 + 6O > 6H2O + 6CO ATP Este proceso realízase en tres fases : glicólise, ciclo de Krebs e a cadea respiratoria.

5 5 GLICÓLISE : A glicolise é o conxunto de reaccións polas que unha molécula de glicosa se escinde en dúas de piruvato formándose dúas moléculas de ATP e dúas de NADH Este proceso ten lugar no citosol Todo o proceso ten lugar en ausencia de osíxeno e a súa reacción global é : D-GLICOSA + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ ---> 2 PIRUVATO + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2 H2O C6H12O6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ ---> 2CH3 - CO - COOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O No proceso de glicólise podemos diferenciar dúas etapas : 1. Rotura da glicosa en dúas triosas : un gliceraldehido e unha dihidroxicetona. Neste proceso gástanse dúas moléculas de ATP para a fosforilación da glicosa. 2. A formación do ácido pirúvico O gliceraldehido-3-fosfato oxídase (por deshidroxenación) para dar lugar ó ácido pirúvico. Durante este proceso fórmanse dúas moléculas de ATP e unha de NADH + H + que recolle os 2H desprendidos na oxidación do gliceraldehido. A dihidroxicetona-fosfato, isomerízase a gliceraldehido e segue a mesma vía Ó remate do proceso temos dúas moléculas de ácido pirúvico, 4 de ATP e dúas de NADH + H+. O piruvato está situado nunha encrucillada metabólica e o seu destino depende da disposición de osíxeno por parte da célula :

6 6 Se a célula no dispón de osíxeno : o ácido pirúvico segue a vía da fermentación utilizando o NADH obtido na glicólise para reducir o ácido pirúvico a ácido láctico CH3 - CO - COOH + NADH + H+ --> CH3 - CHOH - COOH + NAD+ este proceso prodúcese nos nosos músculos cando non hai osíxeno suficiente dando lugar ás maniotas. a enerxía obtida na fermentación só é a da glicólise, 2 ATP Se a célula dispón de osíxeno : o ácido pirúvico entra na mitocondria para seguir coa respiración aerobia Como conclusión ó remate da glicólise por cada molécula de glicosa obtense : enerxía en forma de dúas moléculas de ATP 2(NADH + H+) que, se a célula dispón de osíxeno, pasan á cadea respiratoria para a obtención de enerxía en forma de ATP mediante a fosforilación oxidativa. ácido pirúvico que entra na mitocondria para a súa total degradación ou oxidación no ciclo de Krebs. PASO INTERMEDIO O ácido pirúvico entra na mitocondria Para incorporarse ó paso seguinte entrando no ciclo de Krebs o ácido pirúvico ten que sufrir : unha descarboxilación e unha oxidación (deshidroxenación) así como a incorporación do CoA que actúa como transportador de restos acilo ó remate deste paso fórmase : acetil - CoA que entra no ciclo de Krebs NADH + H+, que pasará á cadea respiratoria para a formación de ATP na fosforilación oxidativa CO2 que como é un gas sae da mitocondria e da célula Reacción global : CH3 - CO - COOH + HS-CoA + NAD+ ---> CH3 - CO-S-CoA + NADH + H+ + CO2

7 7 CICLO DE KREBS Tamén se lle pode chamar ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos O ciclo de Krebs ten lugar na matriz mitocondrial e consiste : nunha serie de reaccións polas que os átomos de carbono do acetil-coa se oxidan totalmente para formar CO2 xerándose tamén poder redutor en forma de NADH + H+ e FADH2 Este ciclo está considerado como o centro do metabolismo aerobio, xa que é a ruta oxidativa final no catabolismo non só dos glícidos senón tamén dos ácidos graxos e incluso dalgúns aminoácidos. O ciclo comeza cando o acetil-coa é transferido ó oxalacetato ou ácido oxalacético formándose o citrato ou ácido cítrico En reaccións posteriores os dous átomos de carbono son liberados en forma de CO2 os hidróxenos son recollidos por un NADP+, dous NAD+ e un FAD que se reducen para pasar á cadea de transporte electrónico para a fosforilación oxidativa fórmase un GTP que é equivalente a un ATP e polo tanto xa é unha molécula enerxética e rexenérase o ácido oxalacético cerrando o ciclo A rección global do ciclo de Krebs é a seguinte : CH3-CO-SCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2H2O ---> CoA-SH + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + 2CO2

8 8 CADEA RESPIRATORIA E FOSFORILACIÓN OXIDATIVA A cadea respiratoria e fosforilación oxidativa consiste : no transporte de electróns ata o osíxeno molecular a través de complexos enzimáticos (cadea respiratoria); este transporte está acoplado á síntese de ATP (fosforilación oxidativa); ambos procesos teñen lugar na membrana interna mitocondrial. A cadea respiratoria está formada por unha serie de enzimas, transportadores de electróns que se atopan agrupados en tres complexos enzimáticos : o complexo NADH deshidroxenasa que recibe os dos electróns desprendidos pola oxidación do NADH. Estes electróns son cedidos a o coenzima Q ou ubiquinona. o complexo dos citocromos b-c1 que recibe os electróns da ubiquinona e pásaos ó citocromo c e o complexo das citocromo-oxidasas que recibe os electróns do citocromo c e transpórtaos ata o osíxeno que é o aceptor final. O osíxeno reducido cos dous electróns, únese a dous protóns para formar auga. Segundo a hipótese quimioosmótica de Peter Mitchell (1960), a transferencia de electróns ó longo da cadea de transporte electrónico vai acompañada dun bombeo de protóns desde a matriz mitocondrial ata o espacio intermembrana. O fluxo de protóns, cara ó espacio intermembrana, ten lugar a través dos complexos enzimáticos O retorno dos protóns á matriz faise a través das ATP-asas, debido á impermeabilidade desta membrana, Cada vez que un H+ atravesa unha ATP-asa, produce a enerxía necesaria para sintetizar unha molécula de ATP producíndose unha fosforilación oxidativa Por cada NADH oxidado son bombeados tres H+ e polo tanto xenéranse tres moléculas de ATP Por cada FADH2 oxidado son bombeados dous H+ e polo tanto xenéranse dous moléculas de ATP

9 9 BALANCE ENERXÉTICO GLOBAL DO CATABOLISMO AEROBIO DA GLICOSA : GLICÓLISE PIRÚVICO - Acetil CoA Ciclo de Krebs 2 NADH = 2 3 = 6 2 NADH = 2 3 (3 NADH = 9 + 1FADH2 = 2)= 11 2 ATP GTP= 12 2 TOTAL 8 ATP 6 ATP 24 ATP 38 ATP CATABOLISMO DOS LÍPIDOS Nos animais superiores as graxas teñen un unha grande importancia como combustibles orgánicos debido ó seu alto valor enerxético. Despois da actuación das lipasas no proceso dixestivo obtéñense a glicerina e os ácidos graxos. A glicerina incorpórase á vía da glicólise (no ácido fosfoglicérico) e os ácidos graxos entran na mitocondria en forma de acil - CoA para seguir a vía da β -oxidación (hélice de Lynen) β -OXIDACIÓN DOS ÁCIDOS GRAXOS A beta-oxidación dos ácidos graxos consiste na degradación dos ácidos graxos para formar moléculas de acetil-coa. Este proceso realízase na matriz mitocondrial Para entrar na matriz os ácidos graxos deben ser transportados polo CoA que se une a eles formando acil CoA ( CH3 - (CH2) - CO- S- CoA ). Neste paso gástanse 2 ATP Unha vez dentro da matriz comeza o proceso da beta-oxidación tamén chamada hélice de Lynen : en sucesivas volta na hélice de Lynen os ácidos graxos vanse rompendo en moléculas de acetil-coa en cada volta da hélice obtéñense : un NADH + H+ e un FADH2 que pasarán á cadea respiratoria para a fosforilación oxidativa rendendo ó remate da mesma 5 ATP as moléculas de acetil-coa formadas entrarán no ciclo de Krebs para seguir a súa oxidación como no catabolismo dos glícidos Balance enerxético dun ácido de 6 carbonos, por exemplo : 5 2 = 10 Hélices de Lynen = 36 Ciclos de Krebs Total = = 46-2 = 44 ATP

10 10 ANABOLISMO. É a fase do metabolismo encargada da construción da materia orgánica complexa a partir de moléculas máis sinxelas. As reaccións anabólicas son endergónicas, e dicir, consumen enerxía (ATP). Trátase dunha vía inversa ó catabolismo, e polo tanto nas reaccións anabólicas prodúcense reducións e precisan de poder redutor (NADH, FADH2). ANABOLISMO DE GLÍCIDOS : Na obtención de polisacáridos, como o amidón, glicóxeno, celulosa, podemos considerar dúas fases : a) Obtención de glicosa : pódese conseguir mediante dous procesos : Gliconeoxénese : xeral para todo tipo de células, heterótrofas e autótrafas Ciclo de Calvin (fotosíntese), só nas células autótrofas b) Obtención de polímeros de glicosa, proceso que varía segundo o tipo de célula GLICONEOXÉNESE ou SÍNTESE DE GLICOSA : Consiste na síntese de glicosa a partir do ácido pirúvico O ácido pirúvico procede: do catabolismo da glicosa, de moitos aminoácidos, e tamén pode proceder do ácido láctico formado nos músculos como produto da fermentación. A partir do ácido pirúvico pódese obter glicosa-6-fosfato mediante unha serie de reaccións enzimáticas inversas ás da glicólise Algúns pasos da glicólise son irreversibles e polo tanto non existen na gliconeoxénese presentándose desvíos e novas rutas en determinados puntos A gliconeoxénese comeza na matriz mitocondrial e remata no citosol Na síntese dunha molécula de glicosa consúmense 6 ATP. GLICOXENOXÉNESE ou SÍNTESE DE GLICÓXENO Proceso de síntese de glicóxeno nos animais, a partir da glicosa-6-fosfato Este proceso realízase no fígado e no músculo Neste caso precisa do uridín-tri-fosfato (UTP) como activador e a enzima glicóxeno sintetasa Para a obtención de amidón nos vexetais séguese o mesmo proceso pero o activador é o ATP ANABOLISMO DOS LÍPIDOS A síntese dun triglicérido ou graxa neutra precisa de dúas fases : obtención dos compoñentes (ácidos graxos e glicerol) e formación dos triacilglicéridos por esterificación 1. OBTENCIÓN DOS ÁCIDOS GRAXOS : A síntese de ácidos graxos prodúcese no citosol A molécula inicial da síntese é o acetil-coa que se formou na mitocondria pola glicólise ou pola beta-oxidación dos ácidos graxos

11 11 A síntese dos ácidos graxos segue a vía da hélice de Lynen pero en sentido inverso. 2. OBTENCIÓN DA GLICERINA : A síntese da glicerina parte da dihidroxicetona - 3- fosfato procedente da glicólise A dihidroxicetona - 3- fosfato redúcese a glicerol fosfato (gracias a un NADH que se oxida a NAD+) Este proceso realízase no citosol 3. FORMACIÓN DE TRIACILGLICÉRIDOS Realízase no tecido adiposo e no fígado Consiste nunha reacción de esterificación entre a glicerina e tres ácidos graxos Para que se realice esta reacción os compoñentes teñen que estar activados en forma de : Glicerol -3 - fosfato Acil - CoA SÍNTESE DAS GRAXAS A PARTIR DOS AZÚCARES : A razón de que engorden os azúcares é que a partir deles pódense sintetizar graxas da seguinte maneira : GLICÓLISE Glicosa > GLICERINA GLICÓLISE DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA LIPOXÉNESE Glicosa > Ácido pirúvico > Acetil CoA > ÁCIDO GRAXO GLICERINA + ÁCIDO GRAXO > TRIACILGLICÉRIDO OU GRAXA ANABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS Non tódolos seres vivos son capaces de sintetizar os 20 aminoácidos necesarios para a síntese das súas proteínas Estes aminoácidos chámanse aminoácidos esenciais e na especie humana son : leucina (Leu), isoleucina (Ile), lisina (Lys), metionina (Met), treonina (Thr), fenilalanina (Phe), triptófano (Trp), arginina (Arg, histidina (His) e valina (Val) Cada aminoácido ten a súa vía de obtención e ademais pode variar segundo o tipo de célula que o sintetiza En xeral poden partir dos produtos da glicólise (ácido-3-fosfoglicérico e ácido pirúvico) ou dos do ciclo de Krebs (ácido α-cetoglutárico). Na síntese de aminoácidos son imprescindibles a glutamina e o ácido glutámico porque son os que, mediante unha transaminasa, proporcionan o grupo amino a tódolos demais aminoácidos