Reinaldo Rodrigu ez Guerrero
Firmado digitalmente por Reinaldo Rodriguez Guerrero Nombre de reconocimiento (DN): cn=Reinaldo Rodriguez Guerrero, o=Particular, ou=Docencia, email=reinaldorg@gmail. com, c=CL Fecha: 2010.10.27
Reinaldo Rodríguez Guerrero
Introducción
Alimentos
Oxidación celular
Procesos fisiológicos; músculos, glándulas, etc. Conjunto de reacciones acopladas
Nutrientes
Carbohidratos, Lípidos y proteínas, minerales, vitaminas y Agua
Nutrientes Sustancias químicas que proporcionan energía, forman nuevos componentes, o ayudan al funcionamiento de diversos procesos corporales
Recordemos que a la célula lula lle llegan, gan, mo molé léccula ulas en esta estado do simp simple le
Monosacáridos Amino ácidos Ácidos grasos Glicerol Monoglicéridos
Se uti utiliz lizan an pa para ra fo form rmar ar nue nuevvas es estr truct uctur uras as ce celul lular ares es,, en síntesis síntes is de moléculas reguladoras (hormonas (hormonas y enzimas). La mayor parte se usa como fuente de energía para el sostenimiento de las funciones vitales.
Principales procesos vitales:
Transporte activo •Replicación del ADN •Síntesis de proteínas y otras macromoléculas •Contracción muscular •Impulso nervioso •Etc. •
Algunos minerales y la mayor parte de las vitaminas forman parte de los sistemas enzimáticos que catalizan las reac reacci cion ones es que que tran transf sfor orma man n a los los carb carboh ohid idrrat atos os lípid lípidos os y proteínas. El agua tiene 5 funciones importantes: Solvente y medio de suspensión Participa en reacciones hidrolíticas Enfriador y Lubricante, permite mantener la temperatura constante
METABOLISMO Proviene de metabole metabole= = cambio Se refiere a todas las reacciones químicas del cuerpo. Debido a que todas las reacciones químicas liberan o requieren energía, el metabolismo implica un balance de energía entre las reacciones anabólicas (de síntesis) y las catabólicas (degradantes) Anabolismo: reac reacci cion ones es quím químic icas as que que comb combin inan an sust sustan anci cias as simp simple less para para form formar ar molé molécu cula lass comp comple leja jass . Es frec frecu uente ente que que abarquen a los procesos de síntesis por deshidratación (reacciones que liberan agua) y requieren energía para formar nuevos enlaces químicos. Ej. Enlace Enlace peptídicos de los aminoácidos.
Catabolismo: reacciones químicas que desdoblan compuestos tos orgánico icos complej lejos en compuestos más simp imples les . Por lo gen general son reaccion iones de hidr idrólis lisis, is, reac reacccione ioness que que util utiliz izaan el agua agua par para romp romper er los los enla enlace cess químicos. Ej. Digestión D igestión química quí mica y la respiración celular. celular.
Anabolismo
Requieren energía
Acoplamiento de la reacciones liberan energía
Catabolismo
Se logra mediante la molécula ATP
ATP
Almacena Energía en los enlaces fosfatos de su molécula en las reacciones catabólicas y la libera poste posterio riorme rment ntee para para las reac reaccion ciones es anaból anabólica icas. s.
En la hidrólisis del ATP se está hidrolizando uno de esos enlaces anhídrido ido de ácido. Esto libe ibera gran energía, concretamente 7,7kcal/mol. Es decir: = -7,7 Kcal/mol Es una reacción muy exergónica. Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía.
ΛG
Compuestos simples
ANABOLISMO ATP
Compuestos complejos ADP+P
CATABOLISMO CALOR
Energía
Debido a que no se pueden realizar transferencias eficientes, gran parte de la energía se pierde como calor es por eso que se requiere de una fuente constante de energía externa para que la célula pueda construir el ATP para sus funciones.
Metabolismo y enzimas
Para que que ocurran ocu rran las
Solución de la células vivas es la ENZIMA CATALIZADORES
Reacciones Químicas
La velocidad con que choc chocaan las molé olécul culas debe ser alta. Esto nos se da en los organismos vivos (presión y temperatura es demasia demasiado do baja) baja) Acel Aceler eraan las las reac reacci cione oness quím químic icas as,, disminuyendo el requerimiento de la energía de activación. Sin alterarse a si mismas.
Característica de la acción Enzimática La característica más sobresaliente de los enzimas es su elevada especificidad especificidad.. Esta es doble y explica que no se formen subproductos: Especi Esp ciffici cida dad d de sus ustr tra ato to.. El sustrato (S) es la molécula sobre la que el enzima ejerce su acción catalítica. Especificidad de acción. Cada reacción está catalizada por un enzima específico.
La acci ció ón enzimática se caracteriza por la formación de un complejo que representa el estado de transición. E+S ES E+P El o los sustratos se une a la enzima a través de numerosas inte interracci accion ones es débil débiles es como como son: son: puen puente tess de hidr hidróg ógen eno o, electrostáticas, hidrófobas, etc., en un lugar específico, el siti si tio o ac acti tivo vo.. Este centro es una pequeña porción de la enzima, constituido por una serie de aminoácidos. que interaccionan con el sustrato. sust rato.
Pueden catalizar reacciones unas 10 billones de veces. El número de cambio que es la cantidad de moléculas del sustrato convertidas en producto por molécula de enzima por segundo es generalmente de 10.000 pero puede llegar a ser hasta 500.000. Las enzimas están sujetas a diversos controles: Velocidad de síntesis y su concentración están bajo el control de genes celulares y son influenciados por otras moléculas de la célula.
Componentes de la Enzimas
Mecanismo de acción enzimática
Sitio activo
Fisiología de la producción de Energía Reacciones de oxido-reducción Toda molécula contiene almacenada energía en sus enlaces e nlaces de los átomos. La célula cuenta con un conjunto de reacciones y procesos (Vía Catabólica) que acumulan la energía liberada de los enlaces de los nutrientes en los enlaces del ATP. La oxidación es la eliminación de los electrones o iones de H+ en una molécula que origina una disminución en el contenido de energía de la molécula. Como la mayor parte de las oxidaciones biológicas incluyen la perd erdida ida de át átom omos os de Hidr Hidrog ogen eno o, se llam llamaan reac reacci cion ones es de deshidrogenación.
La reducción es opuesto a la oxidación Siempre acopladas La reducción es la adición de electrones o iones de Hidrógeno (átomos de Hidrógeno) a una molécula y origina un aumento del contenido de la energía de la molécula.
Como dentro de la célula las reacciones están acopladas, la energía se transfiere inmediatamente por medio de coenzimas a otros compuestos. NAD= Adenin dinucleótido de Nicotinamida
Transportadores de Hidrogeno
NADP+= Adenin fosfato dinucleótido de Nicotinamida
NAD+
+2H
(2H+ + 2e-)
NADH +
Oxidado
NADP+
H+
Reducido -2H
(2H+ + 2e-)
+2H
(2H+ + 2e-)
Oxidado
NADPH + H+ Reducido
-2H
(2H+ + 2e-)
Involucrado en reacciones catabólicas Implicado principalmente en vías anabólicas.
Generación de Adenosin Trifosfato
La energía en el ATP se guarda en los enlaces energéticos del fosfato, fosfato, que se rompen con facilidad. La adición de un grupo fosfato a un compuesto químico se llama Fosforilación Fosforilación,, reac reaccción ión que aumenta la energía de la molécula.
ATP TRES MECANISMOS
FOSFORILACION
Fosforilación a nivel de Sustrato: Ocurre en el citoplasma y consiste en un fosfato de alta energía se entrega directamente a partir de un compuesto metabólico fosforilado inte in term rmed edio io ha hast staa el ADP
Fosforilación oxidativa: oc ocur urre re en las membranas mitocondriales inte in tern rnas as y con onsi sist stee en la transferencia de electrones en una cadena trasportadora de electrones, en la que el ultimo aceptor de es el Ox Oxig igen enoo.
Fotofosforilación: ocurre solamente en las células que realizan realiz an fot fotosínt osíntesis. esis. Como las las veg vegetale etales. s.
Fisiología del metabolismo de los carbohidratos Glucosa (80%), fructosa y galactosa
Se absorben en el Epitelio Intestinal
Parte de la fructosa se transforma en glucosa
Vena Vena porta hepática hepá tica
HIGADO Aquí toda la fructosa y galactosa se transforman en glucosa
Por lo tanto la historia del meta me tab bol olis ism mo de los car carboh bohid idrat ratos os en realidad es la historia de la glucosa
Destino de los Carbohidratos La glucosa es la principal fuente energética del cuerpo humano, el destino depende de las necesidades celulares. Si las células requi requiere ere de energ energía ía inme inmedi diat ata, a, la glucosa se oxida en las células. 1 gramo de Carbohidratos
Produce
4 kilocalorías (Kcal)
Calorías liberadas por un compuesto es la determinación del calor que libera el compuesto durante la oxidación
Glucosa no utilizada inmediatamente
Hígado: Exceso en transformado en Glucógeno (glucogénesis) y luego lo almacena. na. Las Las fib fibras muscul culares también pueden pueden almacena almacenarlo rlo
Hígado: Si las aéreas de almac almacena enamie mient ntoo están están completas: los hepatocitos hepatocitos y adipocitos la pueden pueden trans transfor formar mar en grasa del tejido adiposo
Excreción: Exceso es excretado por la orina. Normalmente ocurr ocurree cuando cuando alimen alimento to en su totalidad es carbohidratos y no se consume grasas. Una rápida digestión y absorción elevan los carbohidratos sanguíneos y el hígado es incapaz de procesarlos al mimo tiempo y por eso se excreta.
Movimiento de la glucosa hacia las células La glucosa se absorbe en el epitelio intestinal por un cotransporte (activo) asociado a Na+
La velocidad del transporte hacia las células aumenta con la Insulina
Hacia las células ingresa por un mecanismo de proteína facilitadora
Una vez ingresa al interior de la célula la molécu écula de gluc lucosa debe ebe fosforilar larse (energía dada por el ATP) y catalizada la reacción por una enzima.
Esta reacción ocurre en las células corpora corporales les y permite permite captu capturar rar la glucos glucosaa impidiendo que vuelva a salir
En el Hígad ígado o, célu célula lass tub tubulare laress renales y epitelio intestinal poseen Fosfatasa que invierte el proceso y le permite salir
Fosforilación de la Glucosa
Conversión Conversión de los carbohidratos en glucosa en el hígado
Catabolismo de la Glucosa Oxidación de la glucosa es conocida como la respiración celular ocurre en todas las células corporales excepto en los eritrocitos ya que carecen de mitocondrias. Es el mayor aporte de energía al metabolismo. La oxidación de la glucosa hasta CO2 y Agua libera grandes cantidades de energía. Se presenta en tres etapas sucesivas: 1. Glucolisis 2. Ciclo de Krebs Krebs 3. Cadena transportadora transportadora de electrones
Glucólisis Proviene de glyco= glyco= azúcar y lisis=desdoblamiento lisis=desdoblamiento Reacciones químicas en el citoplasma de la célula que trasforman la molécula de glucosa de átomos de carbono en dos moléculas de tres átomos de carbono, llamados Ácidos Pirúvicos o Piruvatos La glucólisis o vía de Embdem-Meyerhof La glucólisis es utilizada por casi todas las células como medio para obtener energía (a través de los azucares). Cualquiera que sea la fuente de glucosa utilizada, el resultado final será la obtención de Ácido Pirúvico, ATP y NADH + H+.
Etapas de la Glucólisis Etapa de activación. La gluc lucosa, osa, tras tras su activ ctivaación ción y tran transf sfor orma maci ción ón en otra otrass hexo hexosa sas, s, se desc descom ompo pon ne en dos dos molé molécu cula lass de gliceraldehído-3-fosfato, gliceraldehído-3-fosfato, es decir, en dos moléculas de tres átomos de carbono. Para ello se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. Glucosa + 2 ATP
▬►
2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP
Etapa de degr egradación. Las dos moléculas de gliceraldehído3-fosfato se oxidan después, a través de una serie de reacciones, hasta rendir dos moléculas de Ácido Pirúvico. En esta esta oxid oxidac ació ión n se neces ecesit itaa como como coen coenzi zima ma el NAD NAD que que se reduce a NADH. La energía liberada en el proceso es utilizada para fabricar cuatro moléculas de ATP. 2 Gliceraldehído Gliceraldehído 3 P + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi ▬► 2 Ácido Pirúvico Pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP
Secuencias de reacciones responsables de las glucolisis
Activación
Degradación
La formulación de la reacción global (balance) de la glucólisis. Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
Por cada molécula de glucosa que que ingresa en esta vía se obtiene: 2 moléculas de Ácido Pirúvico. 2 moléculas de NADH+ 2H + 2 moléculas de ATP. Como hemos visto, en la glucólisis se forman coenzimas reducidas (NADH) que es preciso oxidar a NAD+ para que dicha ruta metabólica no se detenga. ▪ ▪ ▪
En cond condicione icioness anae anaerobia robiass (ausenc encia de oxigen igeno o) lo hace por fermentación,, como puede ocurrir en los músculos, el NADH se oxida fermentación a NAD+ medi median ante te la redu reducc cció ión n del del Ácid Ácido o Pirú Pirúvi vico co,, ocur ocurre re en el hialoplasma.
Las reacciones anaerobias de la Glucolisis
En condiciones aerobias, aerobias, lo hace mediante la respiración celular que tiene lugar en las mitocondrias. En un mismo organismo pluricelular pueden darse rutas aeróbicas o anaeróbicas, según las condiciones ambientales de la célula. célula . Por ejemplo, la célula muscular puede funcionar con oxígeno hasta que que éste éste lleg llegaa con con difi dificu cult ltad ad al te teji jido do.. Trabaj abajaa ento enton nces ces en condiciones anaerobias produciendo ácido láctico. láctico.
Respiración Celular Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía de la respiración celular, celular, que supone la oxi oxidac dación ión del Áci Ácido do Pir Pirúv úvico ico hasta formar CO2 y H 2O. Para que la oxidación llegue hasta este extremo, se requiere oxígeno, oxígeno, moléculas fundamentales, que actúa como último aceptor de electrones de una serie de reacciones de oxidación-reducción, en las que intervienen las moléculas orgánicas que constituyen la llamada cadena respiratoria.
La respiración celular, que, como ya se ha dicho, se realiza en matriz de las mitocondrias de las células y es un proceso complejo que comprende cuatro etapas distintas: 1. Transformación Transformación del ácido pirúvico en acetil CoA. 2. El acet etiil CoA ing ingresa esa en el ciclo iclo de Krebs ebs (o de los los ácido idos tricarboxílicos), donde se oxida a CO2 y H2O. Como resultado de un ciclo complejo se reduce cuatro moléculas de coenzimas, tres de NAD y una de FAD. 3. Transporte de electrones a través de una serie de moléculas, que constituyen la cadena respiratoria. respiratoria. En estas reacciones de oxidaciónredu reducc cció ión n se lib libera era ener energí gíaa que que la célu élula utili tilizza par para bombe ombear ar protones al interior del espacio intermembranal. 4. Fosforilación oxidativa, la salida de H + hacia la matriz mitocondrial se hace a través de las ATPasas, produciéndose la fosforilación de ADP + Pi → ATP.
Etapas de la respiración celular Primera etapa: obtención del acetil CoA La primera etapa de la respiración oxidativa (o celular) tiene como finalidad la transformación de los diferentes compuestos orgánicos en acetil-CoA, compuesto utilizado como sustrato de las oxidaciones respiratorias. Este acetil CoA se obtiene fundamentalmente por dos caminos diferentes: A partir del ácido pirúvico (formado en la glucólisis en el citoplasma pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas) sufre una descarboxilación oxidativa, en presencia del Coenzima A (CoA), se oxida hasta Acetil-CoA (CH 3CO-S-CoA), liberándose CO 2 y reduciéndose una molécula de NAD + a NADH + H+. A CoA CH 3-CO-COOH
Ác. pi pirúvico
CO
2
▬▬▬▬▬▬▬▬►
NAD+
Acetil-CoA
NADH + H+
CH 3-CO-S-CoA
A partir de ácidos grasos procedentes de las grasas: los ácidos grasos penetran en la matriz mitocondrial después de ser activados con CoA. Los ácidos grasos activados son transformados en acetilCoA en una ruta metabólica llamada β-oxidación.
Segunda etapa: Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs, también llamado del ácido ácido cítric cítrico o o del ácido tricarboxílico, se desarrolla en la matriz mitocondrial, y tiene como objetivo la oxidación del grupo acético del acet acetil-CoA il-CoA y la obtención de coen enzzimas red edu ucidos (FADH 2 y NADH) para la cadena respiratoria.. respiratoria
El ciclo empieza con la unión del acetil-CoA con una molécula de 4 C (el ácido oxalacético), oxalacético), para formar una de 6 C (ácido (ácido cítrico), cítrico), que da nomb ombre al cicl ciclo o (que es el que realmente inicia el ciclo de Krebs). Después, a través de una secuencia de 7 reacciones, se eliminan 2 C en forma de CO 2 y se regenera el ácido oxalacético (que puede reanudar el ciclo). En el transcurso de las reacciones que tienen lugar en cada vuelta del ciclo, es decir, por cada molécula de acetil CoA que entra, se producen:
Ciclo de Krebs
Dos Dos rea reacci cciones ones de desc descaarbo rboxilac ilaciión oxidat idatiiva en las las que se desprenden dos CO2. Una reacción de fosforilación que produce un GTP transformable en ATP. Dos moléculas de CoA-SH, de las que una vuelve a utilizarse en el ciclo. Tres moléculas de NADH/H+ y una de FADH2, que pasarán a la cadena de transporte electrónico, donde serán oxidados. ▪
▪
▪
▪
Tercera etapa: cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones. Las Las molé molécu cula lass que que form orman esta esta caden adenaa está están n situ ituadas adas en la membrana interna de la mitocondria. mitocondria . La cadena se inicia cuando el NADH (y el FADH2) libera H+ y e- para oxidarse y regenerar el NAD+. Los protones quedan en la matriz y los electrones son transferidos al primero de los transportadores que forman la cadena respiratoria. En esta fase los e- tienen una alta energía que va disminuyendo conforme van pasando a través de los más de 15 transportadores. Finalmente los e- llegan al O2 (último aceptor de los e- ), que se reduce a H 2O.
Cuarta etapa: fosforilación oxidativa Según la hipótesis quimiosmótica, quimiosmótica, hay paso pasoss en el tran transp spor ortte de electrones en los que se libera suficiente energía para bombear los + ) protones (H desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranas, donde se acumulan. acumulan. De este modo se produce un gradiente electroquímico que hace que los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor de gradiente. Sin embargo, dada la impermeabilidad de la membrana interna, los H+ sólo pueden atravesarla a través de los complejos enzimáticos (las ATP Sintetasas) Sintetasas) insertos en ella. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H + para, a partir de ADP + Pi obtener ATP.
BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
El balance energético supone simplemente un recuento de las moléculas de ATP que se forman en el proceso de degradación de la glucosa a CO2 y H2O. Deberemos tener en cuenta, no sólo las moléculas de ATP que se forman directamente en las reacciones de este proceso, sino también las moléculas de NADH y FADH2, que al ser oxidadas en la cadena respiratoria dan lugar a 3 y a 2 moléculas de ATP, respectivamente.
Rendimiento de 1 molécula de glucosa en el catabolismo aerobio:
1. Gluc Glucólis ólisis is (De 1 C6 a 2 C3) 1 Glucosa + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi
▬▬▬▬►
2 Ác. pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
2. Del ácido pirúvico al acetil CoA (De 2 C 3 a 2 C2) 2 Ác. pirúvico + 2 HS-C S-CoA+ 2 NAD+
▬▬▬►
2 CO2 + 2 N A D H + 2 H+ + 2 Acet Acetil il-C -Co oA
3. Ciclo de Krebs. 2(Acetil-CoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi) ▬►4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2ATP 2ATP+2SH-CoA +2SH-CoA
+FAD+4ADP+4Pi ▬► 6 CO2 + 10 NADH +10H++ 2 FADH2 + 4 ATP Glucosa+6H2O+10NAD++FAD+4ADP+4Pi (x 3 ATP) (x 2 ATP)
4. Cadena respiratoria:
30 ATP 12 H2O
10 H2O
+ +
4 ATP =
34 ATP
2 H2O
TOT OTAL AL = 38 ATP
Las Las molé molécu cula lass de ATP una una vez form formad adas as se expor xporta tan n a tra travé véss de las las membr embran anas as de las las mitocondrias para que sean utilizadas en toda la célula.