metabolismo y bioenergÉtica energía que necesitan los organismos no fotosintéticos llega en forma...
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METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA
BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14
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METABOLISMO
Estudio de las reacciones bioquímicas
que se llevan a cabo, incluidas su
coordinación, regulación y
necesidades energéticas.
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La energía que necesitan los
organismos no fotosintéticos llega en
forma de nutrientes orgánicos: grasas y
carbohidratos.
En los organismos fotosintéticos la
fuente de energía es la luz
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Ambas clases de organismos
transforman una energía en otras formas
de energía que luego utilizan en la
biosítensis, transporte de nutrientes y
otros procesos dependientes de energía.
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• Los organismos autótrofos pueden utilizar
el CO2 como única fuente de carbono.
• Los organismos heterótrofos obtienen la
energía de complejos compuestos de
carbono como carbohidratos y grasas.
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METABOLISMO INTERMEDIARIO
Combinación de reacciones químicas que se
llevan a cabo en una célula implicando
procesos de degradación y síntesis y
generando productos (intermediarios) en
cada etapa de la reacción
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METABOLITOS
Compuestos formados como intermediarios
durante las reacciones en las rutas
metabólicas.
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RUTAS METABÓLICAS
Secuencia de reacciones bioquímicas que
tienen un proceso específico.
Por ejemplo, la ruta metabólica de la
glucólisis ( degradación de glucosa en
piruvato).
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FORMAS QUE PUEDEN SEGUIR
LAS RUTAS METABÓLICAS
• Lineal (glucólisis)
• Ramificada (síntesis de aminoácidos)
• Cíclica (ciclo del ácido cítrico)
• Espiral (degradación de ácidos grasos)
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LAS DOS GRANDES RUTAS DEL
METABOLISMO
• Catabolismo: Ruta de degradación del
metabolismo donde las moléculas
biológicas complejas se transforman en
moléculas más simples.
• Anabolismo: Ruta de biosíntesis, donde
se construyen biomoléculas a partir de
moléculas precursoras más simples
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CARACTERÍSTICAS DEL
CATABOLISMO
• El catabolismo tiene como características
utilizar reacciones de oxidación
• En este proceso se libera energía libre que
luego se captura en forma de ATP
• Producción de cofactores reducidos NADH,
NADPH, FADH2
• Convergencia de vías
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CARACTERÍSTICAS DEL
ANABOLISMO
• El anabolismo utiliza reacciones de
reducción.
• Necesita energía que es aportada por
moléculas de ATP, NADH y NADPH
• Producción de cofactores oxidados NAD+,
NADP+, FAD
• Divergencia de rutas
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ETAPAS DEL CATABOLISMO:
ETAPA 1
• Degradación de macromoléculas en sus
componentes
• Ruptura hidrolítica de enlaces químicos sin
liberación de energía útil.
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ETAPAS DEL CATABOLISMO
ETAPA 2
• Oxidación de componentes en un
metabolismo común: Acetil CoA
• El acetil CoA entra al ciclo del ácido cítrico.
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ETAPAS DEL CATABOLISMO
ETAPA 3
• Producción de ATP mediante fosforilación
oxidativa
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ASPECTOS QUÍMICOS
TIPOS DE REACCIONES
• Reacciones de oxidación reducción
• Reacciones de transferencia de grupo
• Reacciones de hidrólisis
• Reacciones de ruptura no hidrolítica
• Reacciones de isomerización y rearrreglo
• Reacciones de formación de enlaces dobles
donde se utiliza ATP
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REACCIONES DE OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
• Transferencia de electrones
• Tipo de enzima: Oxidorreductasas
(deshidrogenasas)
• Los procesos bioquímicos redox habitualmente se
verifican en los átomos de carbono de los sustratos.
• Cuando un centro de carbono u otro grupo funcional
o átomos se oxida, otras moléculas o átomos deben
aceptar los electrones cedidos y reducirse.
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REACCIONES DE OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
• Muchas de las reacciones bioquímicas de oxido-
reducción están acopladas a los pares redox de
coenzimas NAD+/NADH, NADP+/NADPH y
FAD/FADH2.
• Los iones metálicos, principalmente las parejas
redox de cobre y hierro, se asocian con
coenzimas y otras proteínas, que también
funcionan como agentes oxidantes y reductores.
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Reacción 6 de la glucólisis
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REACCIONES DE
TRANSFERENCIA DE GRUPO
• Transferencia de un grupo funcional de una molécula
a otra o dentro de una misma molécula.
• Tipo de enzima: Transferasas.
• El grupo fosforilo es uno de los grupos bioquímicos
transferidos más importantes y casi siempre se
origina del ATP.
• En las reacciones bioquímicas también se transfieren
otros grupos como acilo, glucocilo
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Grupo acilo
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Reacción 1 de la glucólisis
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Reacción 6 de la glucólisis
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Reacción 7 de la glucólisis
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RUPTURA HIDROLÍTICA
• Ruptura de enlaces por medio de agua
• Tipo de enzimas: hidrolasas
• En este tipo de reacciones se utiliza agua para
separar una molécula en otras dos distintas.
Estas reacciones abundan en el metabolismo y
las más comunes son las rupturas de ésteres,
amidas y enlaces glucosídicos.
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Enlace peptídico
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RUPTURA NO HIDROLÍTICA
• Ruptura de una molécula por procesos no hidrolíticos
• Tipo de enzima: liasas
• Las reacciones más frecuentes de este tipo es la
ruptura del enlace carbono-carbono.
• Las reacciones de ruptura no hidrólítica también
incluyen la adición de grupos funcionales en dobles
enlaces o la eliminación de grupos funcionales para la
formación de dobles enlaces.
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ISOMERIZACIÓN Y REARREGLO
• Redistribución de grupos funcionales para
formar isómeros
• Tipo de enzimas: isomerasas
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FORMACIÓN DE ENLACES
UTILIZANDO ENERGÍA DEL ATP
• Formación de enlaces carbono-carbono o de otro
tipo con energía del ATP.
• Tipo de enzimas: ligasas o sintetasas
• Categoría de reacciones donde se forman enlaces
bioquímicos con energía del ATP.
• Ejemplos: reacción de carboxilación del piruvato y
síntesis de citroil CoA en el ciclo del ácido cítrico
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CONCEPTOS DE BIOENERGÉTICA
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CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• El metabolismo es un proceso de
transformación de energía donde el
catabolismo proporciona energía para el
anabolismo.
• La forma de intercambio de energía es el
ATP, el transportador universal de energía
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CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• El proceso global del catabolismo libera
energía (es espontáneo).
• El proceso global del anabolismo necesita
del suministro de energía.
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CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
• Es una medida de la energía disponible para
hacer trabajo útil, tal como dirigir una reacción
desfavorable hasta completarla
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CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
ESTÁNDAR
• Cambio de energía que se verifica cuando una
reacción procede hacia el equilibrio en condiciones
estándar.
• Las condiciones estándar para las reacciones de
soluto se definen como:
– 1 atm de presión
– Temperatura de 25ºC
– Concentración inicial de reactivos y productos de 1 M.
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CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE
ESTÁNDAR MODIFICADO
• Define la diferencia entre el contenido de
energía de los productos y el contenido de
energía de los reactivos en condiciones
estándar más un pH de 7.
• Conociendo el signo y el valor del cambio de
energía libre estándar modificado se puede
predecir si una reacción es favorable.
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CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
Proceso por el cual se genera ATP en el
catabolismo y se utiliza en el anabolismo y
en otros procesos que requieren energía
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ESTRUCTURA QUÍMICA DEL ATP
• Enlaces fosfoanhidros: 2
• Grupos fosforilos: 3
• Enlaces fosfoéster: 1
• Enlaces N-glucosídico: 1
• Neutralización de cargas negativas: Mg2+
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CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• El reciclamiento de ATP se puede representar
apropiadamente con la reacción de transferencia
de un grupo fosforilo.
• En términos químicos, esta reacción implica la
transferencia de un grupo fosforilo del ATP al
agua.
• También puede definirse como la hidrólisis de
un enlace fosfoanhidrido.
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CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• Si el valor del cambio de energía libre estándar
modificado se calcula al mezclar reactivos y
productos en concentración de 1M en
condiciones estándar se encuentra que las
concentraciones en el equilibrio del ATP y H2O
son tan bajas que no es posible medirlas
experimentalmente, por lo cual es imposible
calcular la constante de equilibrio para estas
condiciones.
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CICLO DE ENERGÍA DEL ATP
• Para medir el cambio de energía libre estándar
modificado para la reacción de transferencia del
grupo fosforilo del ATP al agua se utiliza el
siguiente concepto termoquímico:
– Los valores de ΔGº’ para las reacciones que están
acopladas son aditivos.
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Glucosa 6-fosfato + H2O ↔ glucosa + Pi
ΔGº’ = -13.8 KJ/mol
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EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS
REACTIVAS
• Durante la reacción de transferencia de un
enlace fosfoanhidrido:
– Los enlaces anhídrido son relativamente
reactivos, es decir, liberan energía durante su
ruptura.
– Para la hidrólisis del ATP también se puede
decir que los productos (ADP y Pi) están en un
nivel de energía menor que los reactivos (ATP
y H2O).
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EL ATP Y OTRAS MOLÉCULAS
REACTIVAS
• Los productos ADP y Pi se vuelven menos
reactivos (más estables) debido a:
– Estabilización por resonancia
– Menor repulsión de carga
• El ATP y el ADP se definen a menudo como
moléculas reactivas o altas en energía, esto
quiere decir que tienen una gran tendencia a
transferir grupos fosforilos.
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Cofactores
• Componente de bajo peso molecular no proteico de
las enzimas, iones metálicos o coenzimas, que son
necesarias para la actividad de la enzima
determinada.
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Coenzima
• Componente no proteico de las enzimas que
durante la consecución de reacciones catalizas
enzimáticamente actúan directamente y sufren una
serie cíclica de reacciones durante el cambio de
cada molécula sustrato.
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Apoenzima
• El término apoenzima se utiliza para definir a la
holoenzima sin el cofactor. Es la parte proteica
de una enzima de la cual se ha separado el
cofactor
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Holoenzima
• Empacado molecular completo de proteína y
cofactor se le llama holoenzima.
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METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA
BIOQUÍMICA. CAPÍTULO 14