TEMA 12 METABOLISMO CELULAR

REACCIONES ANABÓLICAS METABOLISMO REACCIONES CATABÓLICAS REACCIONES ANABÓLICAS Son reacciones de degradación de materia orgánica Desprenden energía Son reacciones de oxidación A partir de sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos (CO2, etanol, ácido láctico y pocos más) Son reacciones de síntesis de materia orgánica Precisan energía Son reacciones de reducción A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes Glucolisis Respiración celular Fermentaciones Síntesis de polisacáridos, de proteínas, ácidos nucleicos Fotosíntesis Quimiosíntesis

REACCIÓN REDOX COMPUESTO COMPUESTO OXIDADO REDUCIDO A + B A+ + B- A+ B- AH + B A + BH A BH R-COH R-COOH R-COOH R-COH

La oxidación se caracteriza por: La reducción se caracteriza por: Pérdida de electrones Ganancia de electrones Pérdida de hidrógeno (a veces) Ganancia de hidrógeno (a veces) Incorporación de oxígeno (a veces) Pérdida de oxígeno (a veces)

Formas oxidadas Formas reducidas NAD+ + 2 e- + H+ NADH NADP+ + 2 e- + H+ NADPH FAD + 2 e- + 2 H+ FADH2

TIPOS DE ORGANISMOS SEGÚN SU METABOLISMO Fuente de carbono para la síntesis de materia orgánica Fuente de energía para la síntesis de materia orgánica Organismos Autótrofos Fotosintéticos CO2 Luz solar Plantas Algas Bacterias fotosintéticas Quimiosintéticos Reacciones de oxidación de moléculas inorgánicas sencillas Bacterias quimiosintéticas Heterótrofos Materia orgánica sintetizada por otros seres vivos Reacciones de oxidación de materia orgánica sintetizada por otros seres vivos Animales Hongos Protozoos Bacterias heterótrofas

CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES METABÓLICAS. Cada reacción metabólica tiene su catalizador o enzima Las reacciones metabólicas tienen lugar en un medio acuoso Las reacciones metabólicas son reacciones de oxidorreducción En el metabolismo las reacciones químicas están encadenadas. Vía o ruta metabólica. Las reacciones metabólicas tienen lugar en el hialoplasma o en compartimentos especializados de las células

ENZIMAS Simples, formadas únicamente por proteínas Conjugadas Parte proteica (apoenzima) Parte no proteica (cofactor) Iones metálicos como Zn2+, Fe2+ o Mg2 Moléculas orgánicas o Coenzimas

Propiedades de las enzimas Las enzimas son proteínas globulares Son muy específicas Las enzimas aceleran las reacciones químicas, pero no cambian el balance energético final de la misma No se consumen en la reacción Son muy eficientes Al ser proteínas, las enzimas se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH y a aumentos de temperatura

Mecanismo de acción enzimática Las enzimas actúan como un catalizador: Disminuyen la energía de activación. Energía de activación sin la enzima No cambian el signo ni la cuantía de la variación de energía libre. Energía Energía de activación con la enzima Aceleran la reacción Energía de los reactivos Variación de la energía Al finalizar la reacción quedan libres y pueden reutilizarse. Energía de los productos Progreso de la reacción

Modelo comparativo de la disminución de la energía de activación por la acción de la enzima. 1) La reacción no se produce pues hace falta una energía de activación para que transcurra espontáneamente. 2) La enzima disminuye o elimina la energía de activación necesaria y la reacción transcurre espontáneamente. Enzima Substrato Producto

Glucosa-6-P + H2O ----------> Glucosa + Pi Reacción de desfosforilación de la glucosa Es exergónica (se liberan 305,14 kJ/mol), Se necesitan 292,6 kJ/mol para romper el enlace entre la glucosa y el fosfato (energía de activación)   Glucosa-6-P + H2O ----------> Glucosa + Pi La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación de los reactivos (sustrato) para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo.

E + S Complejo ES E + P

Mecanismo de acción enzimática MODELO DE LLAVE-CERRADURA Sustrato Enzima Complejo enzima- sustrato

Mecanismo de acción enzimática Centro activo del enzima Complejo enzima-sustrato (ES) Sustratos (S) Productos (P) Enzima (E) Enzima (E) (no se modifica) E + S  ES  E + P

Inhibición enzimática Irreversible Reversible Competitiva No competitiva

Inhibición irreversible sustrato envenenador Enzima Los envenenadores son sustancias que se unen al centro activo mediante enlaces fuertes en un proceso irreversible, con lo que impiden de manera definitiva la catálisis.

INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA COMPLEJO ENZIMA-INHIBIDOR El inhibidor ocupa el centro activo del enzima, por lo que el sustrato no puede unirse Sustrato Cuando el inhibidor desaparece, el enzima recupera su función normal Inhibidor Los sustratos no pueden unirse al centro activo Inhibidor unido a la enzima Enzima COMPLEJO ENZIMA-INHIBIDOR

INHIBICIÓN REVERSIBLE NO COMPETITIVA (INHIBICIÓN ALOSTÉRICA) Sustrato Enzima inactiva Enzima activa Centros activos modificados Sitio alostérico Inhibidor unido al sitio alostérico Los sustratos no pueden unirse al centro activo Inhibidor alostérico Sustrato

OXIDORREDUCTASAS TRANSFERASAS HIDROLASAS LIASAS ISOMERASAS LIGASAS

LAS VITAMINAS Tienen función coenzimática. Son moléculas muy lábiles Los animales no son capaces de sintetizarlas Clasificación: Liposolubles: A, D, E y K Hidrosolubles: B y C

CONCEPTO Y TIPOS DE METABOLISMO Metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en una célula ANABOLISMO CATABOLISMO Permiten la obtención de sustancias complejas a partir de otras más sencillas consumiendo energía. Son procesos endotérmicos Permiten la obtención de sustancias sencillas a partir de otras más complejas liberando energía. Son procesos exotérmicos. SUSTANCIAS SENCILLAS + ATP ANABOLISMO CATABOLISMO SUSTANCIAS COMPLEJAS El metabolismo se organiza en rutas metabólicas Son series de reacciones en las que el producto de una de ellas es sustrato de la siguiente. Cada una de ellas está catalizada por una enzima diferente. Al final de la ruta metabólica se obtiene un producto final

Cinética de la reacción enzimática La velocidad de una reacción enzimática aumenta de forma lineal a medida que aumenta la concentración de sustrato en el medio. Cuando se alcanza una determinada velocidad de reacción (Vmax), ésta ya no aumenta aunque sigua incrementándose la concentración de sustrato. Se dice, entonces que la enzima está saturada. La concentración de sustrato a la que la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima es la constante de Michaelis (Km). Vmáx El valor de Km también indica la afinidad de la enzima por el sustrato. 1 2 Vmáx Afinidad y saturación son inversamente proporcionales. Una enzima con alta afinidad tiene una Km baja Una enzima con poca afinidad tiene una Km alta Km

LAS ENZIMAS Son proteínas Las enzimas actúan como un catalizadores biológicos Todas las reacciones celulares están catalizadas por enzimas. Se las denomina de la siguiente manera Se indica el nombre del sustrato sobre el que actúa. Se añade el cambio que le produce. Terminación –asa. Así, por ejemplo, la enzima que polimeriza el ADN a partir de sus monómeros es la ADN polimerasa.

Clasificación de las enzimas (I) HIDROLASAS Glucosa-6-fosfatasa Catalizan reacciones de hidrólisis con intervención del agua D-GLUCOSA-6-FOSFATO D-GLUCOSA + FOSFATO LIASAS Privato- descarboxilasa Catalizan la adición de grupos funcionales diversos ÁCIDO PIRÚVICO ACETALDEHÍDO TRANSFERASAS Aspartato- aminotransferasa Catalizan la transferencia de grupos funcionales o radicales entre moléculas ÁCIDO ASPÁRTICO ÁCIDO CETOGLUTÁRICO ÁCIDO GLUTÁMICO ÁCIDO OXALACÉTICO

Clasificación de las enzimas (II) ISOMERASAS Triosafosfato- isomerasa Catalizan reacciones de transformación de moléculas en sus isómeros. DIHIDROXIACETONA-3-FOSFATO GLICERALDEHÍDO-3-FOSFATO OXIDORREDUCTASAS Malato- deshidrogenasa Catalizan reacciones de oxidorreducción. ÁCIDO OXALACÉTICO ÁCIDO MÁLICO SINTETASAS O LIGASAS Catalizan la síntesis de moléculas con hidrólisis de ATP. AcetilCoA carboxilasa ACETIL COENZIMA A MALONIL COENZIMA A

Regulación de la actividad enzimática Inhibidores INHIBICIÓN IRREVERSIBLE El inhibidor se une al centro activo del enzima de manera permanente Inhibidor Enzima Citocromo oxidasa KCN (cianuro potásico) Se detiene la respiración celular Muerte por asfixia inmediata (Enzima respiratoria) (Veneno) Muchos venenos actúan como inhibidores irreversibles

Reacciones redox Concepto de reacciones redox COMPUESTO OXIDADO COMPUESTO REDUCIDO Concepto de reacciones redox A BO + AO B + AO B AH B + A BH + A BH e- A B + A+ B- + A+ B- HIDRÓGENO ELECTRONES ENERGÍA Características de las reacciones redox OXIDACIÓN REDUCCIÓN ELIMINACIÓN ELIMINACIÓN LIBERACIÓN ADICIÓN ADICIÓN ALMACENAMIENTO COMPUESTO REDUCIDO NAD+ NAD+ Reacciones redox en Biología NADH + H+ NADH + H+ COMPUESTO OXIDADO

El ácido acético como ejemplo de convergencia metabólica Aminoácidos grasas hidrólisis CO2 Ácido pirúvico Glicerina β-oxidación Ácidos grasos Cadena respiratoria CO2, H2O y ATP