QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas BOLILLA 3: -. Metabolismo. Principales nutrientes de autótrofos y heterótrofos. Catabolismo. Anabolismo. Metabolismo de Carbohidratos en los distintos organismos: Animales y Vegetales. Digestión y absorción. Sistema digestivo en individuos heterótrofos. Digestión en rumiantes: celulasa. Estructuras especializadas. Distribución de glucosa en una célula animal y una célula vegetal. Degradación de glucosa: glicólisis. Localización celular. Etapas. Producción de energía. Regulación. Balance energético en condiciones de anaerobiosis. Destino del piruvato. Fermentaciones. Efecto Pasteur. Degradación de otras hexosas. BOLILLA 4: Destino del piruvato en condiciones aeróbicas. Complejo de la piruvato deshidrogenasa Ciclo de Krebs. Localización celular. Balance energético del ciclo. Regulación. Reacciones anapleróticas según el tipo de célula o tejido. Naturaleza anfibólica del ciclo. Sistemas de lanzaderas: lanzadera del glicerofosfato y lanzadera del malato-aspartato. Balance energético de la degradación de glucosa en condiciones de aerobiosis. Ciclo del glioxilato. Localización. Importancia. Vía de las pentosas. Localización. Importancia metabólica. BOLILLA 5: Biosíntesis de carbohidratos. Gluconeogénesis. Etapas. Regulación. Costo energético. Ciclos fútiles. Biosíntesis del glucógeno. Regulación coordinada entre la degradación y la síntesis del glucógeno. Costo energético. Biosíntesis de almidón. Síntesis fotosintética de glúcidos. Reacciones de fijación y reducción fotosintética del carbono, ciclo de Calvin. Regulación. Fotorrespiración y ruta C4. Biosíntesis de almidón, sacarosa y celulosa en vegetales.

M E T A B O L I S M O Energía para la vida ¿Cómo? ¿Cómo? Heterótrofos Autótrofos Fotosintéticos ¿Cómo? ¿Cómo? M E T A B O L I S M O H2O H2O

METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar los compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento. Nutrientes Autótrofos CO2 H2O Iones de nitrógeno Elementos Minerales Heterótrofos Nutrientes Carbohidratos Lípidos Proteínas Vitaminas Minerales

Nutrición y Metabolismo en Vegetales Almidón

Reservas de almidón en vegetales Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Extraída de: www. botanica.cnba.uba.ar Extraida de: elprofedebiolo.blogspot.com/.../organelas.html

Utilización del Almidón en los Vegetales ALMIDON Hojas, tallos y raices Endospermo CRECIMIENTO GERMINACION

Germinación en cereales Cubierta seminal Capa de aleurona Activación del embrión. Liberación de giberelinas 1 4 2 Inducción de genes por las giberelinas en la capa de aleurona. Endospermo 3 3 Producción y liberación de enzimas hidrolíticos. Enzimas Acción de las enzimas sobre los materiales de reserva del endospermo. 4 5 Nutrientes 2 5 Liberación de nutrientes (monosacáridos) 6 Absorción de nutrientes por el embrión. Giberelinas Cotiledón 6 Coleoptilo Ápice caulinar Embrión 1 Eje hipocótilo/ radícula Ápice radical

Almidón Amilosa Amilopectina

α-1,6 Amilopectina α-1,6 α-1,6 α-1,4 α-1,4

Síntesis de sustancias Utilización del Almidón en los Vegetales CO2 + H2O ATP ALMIDON Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Glucosa Sacarosa (escutelo) Raíz Tallo Sacarosa Glucosa + Fructosa CO2 + H2O ATP Síntesis de sustancias

Enzimas desramificantes Enzimas desramificantes β-amilasa Enzimas desramificantes Extremo no reductor H HO 4 1 G G G H HO Almidón fosforilasa G H HO 1 α-amilasa Principales enzimas que catalizan la degradación de almidón a glucosa: α-amilasa β-amilasa Almidón fosforilasa Enzimas desramificantes β-amilasa G H HO 4 Extremo no reductor Almidón fosforilasa Enzimas desramificantes

Hidrólisis del Almidón en vegetales Amilosa n α-Maltosas α-Amilasa β-amilasa n H2O Amilopectina y n β-maltosas Dextrinas límite

Fosforólisis del Almidón Amilosa Almidón fosforilasa n H2PO4- n Glu-1-P Amilopectina

Maltosa Glucosa Glucosa Dextrinas límite Maltasa + H2O + restos de amilosa H2O Enzima desramificante Dextrinas límite

Síntesis de sustancias Utilización del Almidón en los Vegetales CO2 + H2O ATP ALMIDON Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ Glucosa Sacarosa (escutelo) Raíz Tallo Sacarosa Glucosa + Fructosa CO2 + H2O ATP Síntesis de sustancias

Vacuolas y pared celular Sacarosa Invertasa Glucosa + Fructosa H2O Invertasa alcalina Invertasa ácida pH 7,5 pH 5 Citosol Vacuolas y pared celular

Nutrición y Metabolismo en Animales Heterótrofos Nutrientes Carbohidratos Lípidos Proteínas Vitaminas Minerales Digestión. Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento mecánico (ej. masticación) y químico (ej. enzimático) de los alimentos, en moléculas absorbibles. Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

Heterótrofos Nutrientes Carbohidratos Lípidos Proteínas Vitaminas Minerales Carbohidratos Carbohidratos de la dieta Polisacáridos Disacáridos Monosacáridos - Almidón granos, harinas, tubérculos, legumbres - Glucógeno carnes - Sacarosa frutas, azúcar de mesa, remolacha - Lactosa Leche y derivados - Glucosa - Fructosa frutas, miel, golosinas, etc. - Galactosa

Sistema Digestivo en distintos individuos heterótrofos Boca Faringe Buche Esófago Intestino Ano Mandíbula Esófago Buche Intestino Ano Recto Boca Esófago Intestino Estómago Ano Recto

Digestión y absorción de carbohidratos Ptialina o Amilasa salival pH ácido, inactiva la enzima Amilasa pancreática Isomaltasa maltasa-glucoamilasa sacarasa lactasa

Digestión del Almidón y/o del Glucógeno Amilosa Amilasa salival n H2O n Maltosas Amilopectina o Glucógeno n Maltotriosas n Oligosacáridos

Digestión del Almidón (cont.) Oligosacáridos Amilasa pancreática Maltosas Maltotriosas

Disacaridasas + + Maltosa Glucosa Sacarosa Glucosa Fructosa Lactosa Maltasa 2 Glucosa H2O Sacarosa Sacarasa Glucosa + Fructosa H2O Lactosa Lactasa Glucosa + Galactosa H2O

Proceso digestivo en los rumiantes herbívoros Microorganismos fermentadores de celulosa Retículum Idem retículum. El bolo alimenticio es regurgitado a la boca. Esófago Rumen El alimento fermentado y los microorganismos son concentrados por reabsorción de agua. Omasum Abomasum HCl y proteasas

Celulosa Celulasa n H2O n Celobiosa

Nutrición y Metabolismo en Animales Digestión. Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento, mecánico y químico de los alimentos, en moléculas absorbibles. Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

Estructuras especializadas en absorción Lombriz Tiburón Humano

¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados?

¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados? SGLUT Glucosa Extraída y modificada del Lehninger, 4a. Ed, Fructosa GLUT5 Galactosa Galactosa

Nutrición y Metabolismo en Animales Digestión. Conversión de los alimentos en sustancias absorbibles en el tracto intestinal. Implica el desdoblamiento, mecánico y químico de los alimentos, en moléculas absorbibles. Absorción de nutrientes. Pasaje del producto de la digestión desde la luz intestinal a la circulación. Metabolización. Utilización de los nutrientes para obtención de energía y/o para la síntesis de compuestos celulares.

Sentido biológico del metabolismo 1- Obtener energía y poder reductor a partir de los nutrientes. 2- Degradar compuestos ingeridos con los alimentos, o los de reserva, en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de órganos y tejidos y otras sustancias necesarias para su funcionamiento. DEGRADACION SINTESIS

DG Metabolismo Estructuras complejas Estructuras simples Catabolismo SINTESIS Estructuras complejas Estructuras simples DG DEGRADACION Catabolismo Anabolismo

(Degradación oxidativa) Nutrientes Contenedores de Energía Carbohidratos Lípidos Proteínas VIAS CATABOLICAS (Degradación oxidativa) Productos finales carentes de Energía CO2 H2O NH3 NADH NADPH FADH2 ATP Energía Química NAD+ NADP+ FAD ADP+HPO42- VIAS ANABOLICAS (Síntesis reductora) Macromoléculas Celulares Polisacáridos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos Moléculas Precursoras Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Bases nitrogenadas

Esquemas de distintos tipos de secuencias metabólicas Vías B a C b D E c d A P Q p A B C D E a b c d S e f Ciclos D c d P A B C b a S Cascadas A B a M N Y X

Vías catabólicas convergentes Vías anabólicas divergentes

Equilibrio dinámico Catabolismo Anabolismo

Crecimiento Catabolismo Anabolismo

Envejecimiento Anabolismo Catabolismo

¿Cómo llegan las unidades de monosacáridos a los tejidos donde serán metabolizados? SGLUT Glucosa Extraída y modificada del Lehninger, 4a. Ed, Fructosa GLUT5 Galactosa Galactosa

Transportadores de Glucosa (uniporters) 1- La Glu se une a un sitio del transportador abierto. 2- La proteína transportadora cambia su conformación. 3- La Glu es liberada al interior celular y la proteína transportadora retorna a su conformación original. Transportador Localización GLUT1 En todos los tejidos del feto. En adultos: en GR, fibroblastos y células endoteliales GLUT2 En membrana basolateral del epitelio intestinal, túbulos renales, hepatocitos y células β pancreáticas GLUT3 PPal. Transportador en cerebro y nervios periféricos. GLUT4 Tej. Adiposo y músculo esquelético y cardiaco. Es sensible a Insulina GLUT5 Transportador de Fru en enterocitos. GLUT7 Membranas del RE

¿En qué difieren estos transportadores? - En la afinidad por la GLU. GLUT4> GLUT3> GLUT1> GLUT2 - La alta afinidad por Glu de GLUT4 y GLUT3 asegura la provisión de Glu a corazón y tej. nervioso. - Cuando los niveles de Glu en sangre aumentan (periodo postprandial) se activa la incorporación de Glu al hígado, por un lado, y a las células beta del páncreas, a través de los GLUT2 y se estimula la liberación de Insulina. - Esta, a su vez, promueve la movilización de los GLUT4 desde las vesículas intracelulares del tej. adiposo y músculo esquelético hacia la membrana plasmática para incorporar Glu a estos tejidos.

¿Cómo funcionan lo transportadores GLUT4?

Esquema general del metabolismo de carbohidratos Otros tejidos como por ej. tej. nervioso Ciclo de Cori O2 O2

Fosforilación de la glucosa La fosforilación es el paso inicial de todas las vías de utilización de monosacáridos, en animales y vegetales. Impide la difusión de la Glu hacia el exterior celular y asegura su utilización en alguna de las vías metabólicas celulares según el requerimiento celular. * La glucosa es fosforilada en el carbono 6 En distintas proporciones según el tejido. Son inespecificas. Km Glu = 0.01-0.1 mM Isoenzimas I, II, III Hexoquinasas En hígado y células beta del páncreas. Es muy especifica, solo D-Glucosa. Km Glu = >10 mM. Isoenzima IV o Glucoquinasa

Destinos metabólicos de la glucosa en una célula hepática Glucógeno-génesis Glucógeno Glucosa Glucosa-6-fosfatasa Via de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Piruvato Via Glicolitica

Destinos metabólicos de la glucosa en una célula vegetal Almidón Sacarosa Via de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Piruvato Via Glicolitica

Vía Glicolítica Citosol celular FASE I. (Reacciones 1-5). Fase preparatoria en que la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs. FASE II (Reacciones 6-10). Las dos moléculas anteriormente formadas se convierten a dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH. Universal. Todos los intermediarios fosforilados. No requiere O2 Citosol celular

Bibliografía Bibliografía Complementaria 1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007). 2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008). 3- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010). Bibliografía Complementaria 1- CAMPBELL Y FARREL, “Bioquimica”, Thomson Eds., 4ta. Ed., (2005). 2- DONALD NICHOLSON, International Union of Biochemistry & Molecular Biology (IUBMB), IUBMB-Nicholson Metabolic Maps, Minimaps & Animaps. Department of Biochemistry and Microbiology, The University, Leeds, England. (http://www.iubmb-nicholson.org). 3- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994). 4- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España.