Bioquímica Metabólica: Metabolismo Energético Celular - Unidad 1 - Prof. Michelle Minyard, Schemes and Mind Maps of Biology

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Tercer semestre

Bioquímica metabólica Unidad (^1) Programa desarrollado

Metabolismo

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U

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Figura de metabolismo celular

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U Presentación En esta primera unidad de bioquímica metabólica, revisarás ampliamente el concepto de metabolismo energético desde el punto de vista celular, identificarás las fases en las que éste se divide, así como los puntos de regulación y de control. Además estudiarás las principales rutas metabólicas de los sustratos más importantes en la nutrición humana. Esta unidad es la base para comprender los procesos bioquímicos de las macromoléculas y está organizada de la siguiente manera: Figura 1. Organización de la Unidad 1. Metabolismo 1.1 Introducción al metabolismo energético 1.1.1 Sistema de producción ADP/ATP 1.2 Metabolismo 1.2 1 Catabolismo 1.2.2 Anabolismo 1.2.3 Anfibólicas 1.3 Rutas metabólicas en la célula 1.3.1 Puntos de regulación de las rutas metabólicas 1.3.1.1 Mecanismos de control 1.3.1.2 Provisión de sustratos 1.3.1.3 Control alostérico 1.3.1.4 Control hormonal 1.4 Función central de la Acetil- CoA. 1.4.1 Estructura y formación. 1.5 Visión global del ciclo de Krebs. Ruta anfibólica. 1.5.1 Funciones e importancia 1.5.2 Puntos o zonas de regulación 1.6 Visión global de la cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa 1.6.1 Funciones e importancia 1.6.2 Puntos o zonas de regulación

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Competencia específica Reconoce las rutas metabólicas en la célula, identificando los puntos de regulación y los sustratos para determinar las vías que se activan en ciertas situaciones en el organismo. Logros Explica el metabolismo y sus fases Distingue las distintas rutas metabólicas e identifica los sustratos de cada una. Identifica los puntos de regulación del metabolismo y describe la importancia del ciclo de Krebs en la nutrición humana.

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U comúnmente conocida por ser la molécula trasportadora de electrones por excelencia de una célula a otra. Es importante resaltar que, los procesos de intercambio de energía se realizan en la mitocondria , que es un organelo celular propio de los organismos eucariotas y es en donde se lleva a cabo la respiración celular. Para conocer el sistema de producción de energía, se iniciará con el estudio de la estructura del ATP que está formada por un nucleótido (adenina), una molécula de ribosa y tres moléculas de fosfato. Como anteriormente se menciona, la energía proveniente del exterior en forma de macronutrimentos (proteínas, lípidos e hidratos de carbono) pasa por una serie de transformaciones y liberación de energía hasta llegar a su molécula final aminoácidos, ácidos grasos y glucosa respectivamente. Esta liberación de energía (en forma de CO 2 y H 2 O) es aprovechada por las células, dando lugar a la síntesis de ATP a partir de una molécula de ADP y fosfato. (Peña, Arroyo, Gómez, Tapia y Gómez, 2012) Así mismo, dentro de la célula se utiliza esa energía que ha transportado la molécula de ATP para llevar a cabo diferentes funciones para la vida, y para liberar esa energía se lleva a cabo el proceso de hidrólisis en la molécula de ATP para finalmente liberar ADP, fosfato y energía. El ATP se hidroliza en un proceso exergónico, es decir, que se libera energía calorífica. La reacción se resume en el siguiente esquema: (Peña, et. al., 2012) Hidrólisis del ATP ATP + H 2 O àADP + Pi + 7500 Calorías por cada mol La producción de ATP y la hidrólisis de esta molécula para formar ADP, es un sistema de producción o síntesis y de ruptura de moléculas complejo en donde intervienen cofactores que realizan reacciones de oxidación y reducción de acuerdo a la pérdida o ganancia de electrones. Síntesis de una molécula de ATP ADP + Pi + energía àATP

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U De manera usual el ATP se transforma ADP y libera energía, y de manera viceversa almacenando energía. Sin embargo, existen condiciones inusuales en donde el ADP se transforma en una molécula denominada AMP (Adenosina Mono Fosfato) en donde se libera un excedente de energía al romper el segundo enlace fosfato. En el siguiente esquema, se explica de manera resumida el sistema ATP/ADP: Glucosa, aminoácidos y ácidos grasos

Energía

ATP Energía ADP + Pi

Se utiliza para las diferentes funciones de la célula y del

organismo

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U hidratos de carbono, proteínas y lípidos se catabolizan o se rompen en moléculas más pequeñas, las cuales pueden ingresar a otras vías para generar energía. Dentro de las moléculas pequeñas que se generan a partir de los macronutrimentos ya mencionados son: glucosa, aminoácidos, ácidos grasos, así como amoniaco, urea, ácido láctico, ácido acético o dióxido de carbono. Cuando se realiza el catabolismo se libera energía que la cual es transformada como se vio anteriormente en moléculas de ATP. En las células siempre se está llevando a cabo el catabolismo, sin embargo, durante periodos de ayuno que es cuando el organismo no recibe calorías y la célula debe de utilizar las reservas energéticas para mantener la homeostasis en sus funciones esta vía está más activa. Se comprenderá la relación de esta vía, el ayuno y de ciertas hormonas más adelante. El catabolismo consta de tres fases, los cuales se resumen y explican en los siguientes esquemas: Fase 1. El rompimiento de los macronutrientes genera una gran cantidad de energía en forma de ATP. En esta primera fase del catabolismo participan diversas enzimas y cofactores que aceleran y potencian al máximo la ruta de degradación de las macromoléculas según sea el caso; así se tienen algunas rutas como la glucólisis, proteólisis y lipólisis. Una vez que se haya liberado la energía de cada molécula, continúa el proceso de catabolismo, a partir de estos sustratos: glicerol y ácidos grasos, monosacáridos y aminoácidos. Fase 1 Lípidos Glicerol Ácidos Grasos Hidratos de carbono (polisacáridos) Monosacáridos Proteinas Aminoácidos Figura 3. Fase 1 del catabolismo

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U Fase 2. Esta fase comienza con los sustratos de las macromoléculas que se degradaron en la primera fase. Así el glicerol y los ácidos grasos, los monosacáridos y las proteínas pasan por otra serie de reacciones hasta que llegan a producir la molécula de Acetil-Co-A, la cual pasará a la fase tres en donde actuará como sustrato para iniciar el ciclo de Krebs. Fase 3. Esta es la última fase del catabolismo, que tiene como sustrato al Acetil Co-A y es el inicio del ciclo de Krebs, el cual se explicará más adelante.

1.2.2 Anabolismo

El anabolismo se define como la serie de reacciones de síntesis que ocurren en la célula, mediante las cuales se originan compuestos a partir de sustratos o moléculas más pequeñas; es decir, se construyen bloques más grandes a partir de moléculas pequeñas llamados precursores, los cuales son: aminoácidos, glucosa, ácidos grasos. Fase 3 Acetil Co-A Ciclo de Krebs CO 2 Fase 2 Glicerol Ácidos Grasos Monosacáridos Aminoácidos Acetil Co-A Figura 4. Fase 2 del catabolismo Figura 5. Fase 3 del catabolismo

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U Fase 2. En esta fase, el Acetil Co-A funciona como sustrato para la generación o síntesis de aminoácidos, monosacáridos, glicerol y ácidos grasos. Además, aparte del Acetil Co-A el oxalacetato también participa como sustrato para sintetizar únicamente monosacáridos. Fase 3. Con esta fase se concluye la síntesis de macromoléculas. Terminando así el objetivo de la vía anabólica.

1.2.3 Anfibólicas

La etapa III del catabolismo es la misma que la etapa I del anabolismo y se denomina anfibólica. (Garrido, Villaverde, Blanco, Teijón, Mendoza & Ramírez, 2011). Como ya se mencionó antes, el metabolismo está integrado por el catabolismo y anabolismo. Estas vías o rutas metabólicas se encargan de degradar y sintetizar Fase 2 Acetil Co-A Aminoácidos Glicerol y ácidos grasos Acetil Co-A y Oxalacetato Monosacáridos Fase 3 Aminoácidos Proteinas Glicerol y ácidos grasos Lípidos Monosacáridos Polisacáridos Figura 7. Fase 2 del anabolismo Figura 8. Fase 3 del anabolismo

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U macronutrimentos respectivamente. Sin embargo, hay ciertas vías o rutas metabólicas que pueden realizar tanto catabolismo como anabolismo, a estas se les denomina anfibólicas. El ejemplo más preciso y claro de una ruta anfibólica es el denominado Ciclo de Krebs, el cual se detallará más adelante. Para comprender mejor este tema puedes consultar el siguiente video de anabolismo y catabolismo: https://www.youtube.com/watch?v=1NkoFZhroGI 1.3 Rutas metabólicas en la célula Una ruta o vía metabólica es definida como una serie de reacciones que se llevan a cabo en la célula. En estas reacciones participan enzimas que actúan como cofactores, controlando la reacción, así como algunas hormonas. Como ya se hizo mención anteriormente, entre las rutas metabólicas existen rutas catabólicas, anabólicas y anfibólicas. Dentro de las rutas catabólicas de acuerdo a cada macronutrimento se encuentran: la glucólisis, la glucólisis anaeróbica y la glucogenólisis para los carbohidratos, la proteólisis para las proteínas y lipólisis o beta oxidación para los lípidos. En las rutas anabólicas se encuentran: para los carbohidratos la gluconeogénesis y la glucogenogénesis, y la síntesis de aminoácidos y de triacilglicerol para proteínas y lípidos respectivamente. Figura 9. Rutas metabólicas

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U Figura 11. Glucólisis. Ver imagen a detalle en: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2c/Gluc%C3%B3lisis.png Para su estudio, la glucólisis se divide en dos etapas. A continuación se ejemplifican de manera sintetizada.

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U División de la glucólisis por etapas: Etapa 1 En la etapa 1 de la glucólisis es en donde suceden las reacciones de fosforilización y se genera una gran cantidad de ATP. En la reacción uno tiene como sustrato a la glucosa, y el sustrato resultante es la glucosa 6 fosfato, es una reacción irreversible, en ella participa la hexoquinasa como catalizador, esta enzima participa también cuando la molécula es maltosa o fructosa. En este paso el magnesio ayuda como cofactor. En la reacción número dos el sustrato es la glucosa 6 fosfato y el sustrato resultante es la fructosa 6 fosfato, en esta reacción reversible participa la enzima fosfoglucosa isomerasa. En la reacción tres el sustrato es la fructosa 6 fosfato, al igual que la primera reacción, ésta es irreversible, exergónica y es catalizada por la enzima fosfofructoquinasa. Aquí también el magnesio funciona como coenzima. El sustrato resultante de esta reacción es la fructosa 1,6 bifosfato. En la reacción cuatro, la molécula de fructosa 1, 6 bifosfato es catabolizada por la fructosa bifosfato aldolasa, y que genera a dos moléculas la dihidroxiacetona fostato y el gliceraldehído 3 fosfato. Esta última continúa la ruta. Mientras que la dihidroxiacetona fostato debe ser catalizada por otra enzima llamada triosafosfato isomerasa para convertirse en gliceraldehído 3 fosfato y poder continuar en la ruta. dihidroxiacetona fosfato gliceraldehído 3-fosfato 4.-fructosa 1, 6 bifosfato 3.-fructosa - 6 fosfato

2. glucosa 6-fosfato 1. glucosa

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U La ecuación general de la glucólisis aeróbica (de glucosa a piruvato) es la siguiente: La ecuación general para la glucólisis anaeróbica (de glucosa a lactato) es la siguiente: (Murray,Bender, Kennelly, Rodwell & Weil., 2010) Además de la glucólisis, la molécula de glucosa así como sus metabolitos participan en otras rutas, como las que a continuación se describen. Puedes consultar el video de glucólisis para comprender mejor este tema: https://www.youtube.com/watch?v=15zcABaR-Aw Glucogenólisis Esta es la vía catabólica de la molécula de glucógeno. En el organismo, la glucosa es almacenada en forma de glucógeno, existiendo dos lugares de almacenamiento: hígado y músculo esquelético. Esta vía se activa cuando la demanda de glucosa a nivel sanguíneo es superior a lo disponible. Por ejemplo, cuando se realiza ejercicio vigoroso, la glucosa de la dieta y que se encuentra disponible en sangre se termina ya que hay demanda de glucosa por el mismo ejercicio, así que para mantener la homeostasis del organismo y más específicamente de la glucosa, se activa la ruta de la glucogenólisis que se define como la degradación de glucógeno. Para la activación de esta ruta, participan las hormonas glucoreguladoras que más adelante con mayor detalle se explicarán. Otro ejemplo de activación de esta ruta es cuando el organismo se encuentra en estado de ayuno, y para poder continuar con las funciones vitales, el organismo debe activar esta ruta para liberar moléculas de glucosa y así mantener la homeostasis. 1 molécula de glucosa + 2PO 4 + 2 ADP 2 moléculas de piruvato+2 ATP+ H 2 O Producto inicial Producto final Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 Lactato + 2 ATP + 2 H 2 O

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U Esta vía permanece en casos extremos hasta que el glucógeno se termina, pasando a otra vía catabólica o bien, se inactiva cuando comienza ya la ingestión o administración de glucosa de manera externa, es decir a través de la dieta. Al igual que en la glucólisis, en la glucogenólisis participan enzimas y cofactores. Gluconeogénesis Esta ruta es anabólica, y se encarga de sintetizar moléculas de glucosa a partir de otros sustratos que no son carbohidratos. A los sustratos que participan en esta vía se les denomina sustratos gluconeogénicos, entre los que se encuentran aminoácidos como la alanina, ácido láctico y glicerol. Figura 12. Gluconeogénesis