METABOLISMO

DEFINICIÓN :

• É o conxunto de reaccións químicas que se producen no interior das células e que conducen á transformación dunhas moléculas noutras.

• As distintas reaccións químicas do metabolismo chámanse rutas metabólicas e as moléculas que interveñen metabolitos

• Os enzimas regulan as reaccións do metabolismo de maneira específica• O metabolito inicial dunha ruta metabólica chámase substrato e as substancias finais

produtos.

FASES DO METABOLISMO :

• Catabolismo ou fase de degradación da materia orgánica :• Consiste na transformación de moléculas orgánicas complexas noutras máis

sinxelas. • As reaccións catabólicas son exergónicas, é dicir, liberan enerxía que se

almacena nos enlaces fosfato do ATP• A enerxía liberada polo catabolismo utilízase para:

• o anabolismo• a xeración de calor• as actividades vitais como por exemplo o transporte activo

• Anabolismo ou fase de construción da materia orgánica :• Consiste na síntese de materia orgánica complexa a partir de moléculas máis

sinxelas• As reaccións anabólicas son endergónicas, e dicir, consumen enerxía• Esta enerxía procede en xeral do catabolismo

TIPOS DE METABOLISMO :

• Para vivir e medrar tódolos organismos necesitan materia e enerxía, dependendo de onde procedan podemos distinguir dous tipos de metabolismo e polo tanto de organismos :

• Autótrofos : • Utilizan materia inorgánica e pobre en enerxía (auga, CO2, sales minerais...) e• enerxía :

• luminosa : procedente do sol en seres fotosintéticos• química : procedente de reaccións químicas que se realizan no medio en

seres quimiosintéticos• transforman a enerxía luminosa en enerxía química e utilízana para sintetizar a

súa propia materia orgánica coa materia inorgánica • Heterótrofos :

• Utilizan a materia orgánica sintetizada polos autótrofos e a enerxía química acumulada nela e que transforman en ATP mediante as reaccións catabólicas (respiración ou fermentación)

1

ORIXE DA ENERXÍA

• Os autótrofos fotosintéticos captan a enerxía da luz do sol, e mediante o proceso de fotosíntese, almacénana na materia orgánica

6H2O + 6CO2 + Enerxía luminosa ----------------> C6H12O6 + 6O2

• Os seres heterótrofos utilizan a enerxía almacenada na materia orgánica, polos autótrofos e captada na súa nutrición. Mediante os procesos catabólicos transforman a enerxía acumulada na materia orgánica en ATP

C6H12O6 + 6O2--------------------> 6H2O + 6CO2 + 38 ATP

PRODUCCIÓN DE ATP

Os mecanismos para producir ATP son :• Fosforilación a nivel substrato : reaccións exergónicas do metabolismo• fosforilación oxidativa : cadea de transporte electrónico mediante unha serie de

reaccións de oxido-redución acopladas a unha ATP-asa.

2

Moléculas productoras de

enerxíaGLÍCIDOSLÍPIDOS

PROTEÍNAS

CATABOLISMO

CO2

H2ONH3

ADP+PNAD+

NADP+FAD

ATPNADH

NADPHFADH2

ANABOLISMO

MONOSACÁRIDOSAMINOÁCIDOS

ÁCIDOS GRAXOS

POLISACÁRIDOSPROTEÍNAS

LÍPIDOS

CATABOLISMO :

• Consiste na degradación de moléculas orgánicas complexas (ricas en enerxía) noutras máis simples (pobres en enerxía)

A-B --> A + B + enerxía• A enerxía desprendida durante o proceso utilízana os organismos para a biosíntese, produción

de calor, o movemento, etc...• A degradación das moléculas orgánicas consiste nunha serie de transformacións químicas que

na súa maior parte son reaccións de oxido-redución nas que uns compostos se oxidan (perden electróns) e outros se reducen (ganan electróns) de maneira simultánea.

Cu+2 (oxidado) + e- --> Cu+1 (reducido)Reactivo de FhelingCuSO4 --> Cu+2 + (SO4)-2 sulfato cúprico de cor azul, despois da redución coa glicosa por exemplo da (Cu2O) óxido cuproso de cor vermella, o Cu+2 (oxidado) pasou a Cu+1 (reducido) pola ganancia de 1 e-

3

Glicolise

CICLO DE KREBS

Ácido pirúvico

Acetil-CoA

Ácidos graxos

b-oxidación

Fosforilación oxidativa

NADHFADH 2

ATP

GLICOSA Aminoácidos

Ácidos graxosGLICOSA Aminoácidos

Sintese de aminoácidos

GliconeoxéneseSíntese deácidos graxos

RUTASANABÓLICAS

RUTAS CATABÓLICAS

• Os compostos orgánicos (glícidos, lípidos, prótidos) poden oxidarse tanto por ganancia de osíxeno como por pérdida de hidróxeno, xa que nos dous casos prodúcese a pérdida de electróns

A-H + B --> A + e- + H+ + B --> A + B-H

• Os electróns desprendidos son recollidos polos transportadores de electróns (NAD+, NADP+ e FAD e os citocromos da cadea respiratoria) ata chegar á molécula aceptora, e neste proceso despréndese enerxía (ATP).

• Segundo o grado de oxidación das moléculas podemos distinguir dous tipos de catabolismo :• Respiración : cando a oxidación é completa e as moléculas finais

son compostos inorgánicos e pobres en enerxía (CO2 e H2O). Neste caso dependendo do aceptor final dos electróns podemos distinguir :

• Respiración aerobia : o aceptor final de electróns é o O2 que se reduce para formar auga

• Respiración anaerobia : o aceptor final de electróns non é o O2. Poden ser ións nitrato (NO3

-), ións sulfato (SO4=) ou CO2 que se

reducirán a ión nitrito NO2-, ión sulfuro S= ou

metano CH4.• Fermentación : cando a oxidación é incompleta e as moléculas

finais son compostos orgánicos aínda complexos. Neste caso tampouco é o osíxeno o aceptor final de electróns polo tanto tamén se pode considerar como unha especie de respiración anaerobia

• Segundo o tipo de moléculas que se degradan podemos considerar o catabolismo de :• glícidos, lípidos ou prótidos• Nos tres casos chégase a un punto común : o ciclo de Krebs• As rutas metabólicas seguidas ata este punto común varían (ver debuxo):• glicólise para a glicosa• β−oxidación para os ácidos graxos, etc

CATABOLISMO DE GLÍCIDOS : RESPIRACIÓN CELULAR

• Despois unha hidrólise previa durante a dixestión as moléculas de glicosa pasa ó sangue e chegan ó interior das células

• A degradación ou oxidación total da glicosa aporta 38 moléculas de ATP e a súa reacción xeral podemos expresala como :

C6H12O6 + 6O2--------------------> 6H2O + 6CO2 + 38 ATP

• Este proceso realízase en tres fases : glicólise, ciclo de Krebs e a cadea respiratoria.

4

GLICÓLISE :

• A glicolise é o conxunto de reaccións polas que unha molécula de glicosa se escinde en dúas de piruvato formándose dúas moléculas de ATP e dúas de NADH

• Este proceso ten lugar no citosol• Todo o proceso ten lugar en ausencia de osíxeno e a súa reacción global é :

D-GLICOSA + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ ---> 2 PIRUVATO + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2 H2O

C6H12O6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ ---> 2CH3 - CO - COOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

•

No proceso de glicólise podemos diferenciar dúas etapas :

1. Rotura da glicosa en dúas triosas :

• un gliceraldehido e unha dihidroxicetona. • Neste proceso gástanse dúas moléculas de ATP para a fosforilación da glicosa.

2. A formación do ácido pirúvico

• O gliceraldehido-3-fosfato oxídase (por deshidroxenación) para dar lugar ó ácido pirúvico.

• Durante este proceso fórmanse dúas moléculas de ATP e unha de NADH + H+

que recolle os 2H desprendidos na oxidación do gliceraldehido. • A dihidroxicetona-fosfato, isomerízase a gliceraldehido e segue a mesma vía• Ó remate do proceso temos dúas moléculas de ácido pirúvico, 4 de ATP e dúas

de NADH + H+.

• O piruvato está situado nunha encrucillada metabólica e o seu destino depende da disposición de osíxeno por parte da célula :

5

• Se a célula no dispón de osíxeno :• o ácido pirúvico segue a vía da fermentación utilizando o NADH obtido na

glicólise para reducir o ácido pirúvico a ácido láctico

CH3 - CO - COOH + NADH + H+ --> CH3 - CHOH - COOH + NAD+

• este proceso prodúcese nos nosos músculos cando non hai osíxeno suficiente dando lugar ás maniotas.

• a enerxía obtida na fermentación só é a da glicólise, 2 ATP

• Se a célula dispón de osíxeno :

• o ácido pirúvico entra na mitocondria para seguir coa respiración aerobia

• Como conclusión ó remate da glicólise por cada molécula de glicosa obtense :• enerxía en forma de dúas moléculas de ATP• 2(NADH + H+) que, se a célula dispón de osíxeno, pasan á cadea respiratoria para a obtención

de enerxía en forma de ATP mediante a fosforilación oxidativa.• ácido pirúvico que entra na mitocondria para a súa total degradación ou oxidación no ciclo de

Krebs.

PASO INTERMEDIO

• O ácido pirúvico entra na mitocondria• Para incorporarse ó paso seguinte entrando no ciclo de Krebs o ácido pirúvico ten que sufrir :• unha descarboxilación e unha oxidación (deshidroxenación)• así como a incorporación do CoA que actúa como transportador de restos acilo • ó remate deste paso fórmase : • acetil - CoA que entra no ciclo de Krebs• NADH + H+, que pasará á cadea respiratoria para a formación de ATP na fosforilación

oxidativa• CO2 que como é un gas sae da mitocondria e da célula

• Reacción global :

CH3 - CO - COOH + HS-CoA + NAD+ ---> CH3 - CO-S-CoA + NADH + H+ + CO2

6

CICLO DE KREBS

• Tamén se lle pode chamar ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos• O ciclo de Krebs ten lugar na matriz mitocondrial e consiste : • nunha serie de reaccións polas que os átomos de carbono do acetil-CoA se oxidan totalmente

para formar CO2 xerándose tamén poder redutor en forma de NADH + H+ e FADH2

• Este ciclo está considerado como o centro do metabolismo aerobio, xa que é a ruta oxidativa final no catabolismo non só dos glícidos senón tamén dos ácidos graxos e incluso dalgúns aminoácidos.

• O ciclo comeza cando o acetil-CoA é transferido ó oxalacetato ou ácido oxalacético formándose o citrato ou ácido cítrico

• En reaccións posteriores • os dous átomos de carbono son liberados en forma de CO2

• os hidróxenos son recollidos por un NADP+, dous NAD+ e un FAD que se reducen para pasar á cadea de transporte electrónico para a fosforilación oxidativa

• fórmase un GTP que é equivalente a un ATP e polo tanto xa é unha molécula enerxética• e rexenérase o ácido oxalacético cerrando o ciclo• A rección global do ciclo de Krebs é a seguinte :

CH3-CO-SCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2H2O ---> CoA-SH + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + 2CO2

7

CADEA RESPIRATORIA E FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

• A cadea respiratoria e fosforilación oxidativa consiste :• no transporte de electróns ata o osíxeno molecular a través de complexos enzimáticos (cadea

respiratoria); • este transporte está acoplado á síntese de ATP (fosforilación oxidativa); • ambos procesos teñen lugar na membrana interna mitocondrial.

• A cadea respiratoria está formada por unha serie de enzimas, transportadores de electróns que se atopan agrupados en tres complexos enzimáticos :

• o complexo NADH deshidroxenasa que recibe os dos electróns desprendidos pola oxidación do NADH. Estes electróns son cedidos a o coenzima Q ou ubiquinona.

• o complexo dos citocromos b-c1 que recibe os electróns da ubiquinona e pásaos ó citocromo c• e o complexo das citocromo-oxidasas que recibe os electróns do citocromo c e transpórtaos

ata o osíxeno que é o aceptor final.• O osíxeno reducido cos dous electróns, únese a dous protóns para formar auga.• Segundo a hipótese quimioosmótica de Peter Mitchell (1960),

• a transferencia de electróns ó longo da cadea de transporte electrónico vai acompañada dun bombeo de protóns desde a matriz mitocondrial ata o espacio intermembrana.

• O fluxo de protóns, cara ó espacio intermembrana, ten lugar a través dos complexos enzimáticos

• O retorno dos protóns á matriz faise a través das ATP-asas, debido á impermeabilidade desta membrana,

• Cada vez que un H+ atravesa unha ATP-asa, produce a enerxía necesaria para sintetizar unha molécula de ATP producíndose unha fosforilación oxidativa

• Por cada NADH oxidado son bombeados tres H+ e polo tanto xenéranse tres moléculas de ATP

• Por cada FADH2 oxidado son bombeados dous H+ e polo tanto xenéranse dous moléculas de ATP

8

BALANCE ENERXÉTICO GLOBAL DO CATABOLISMO AEROBIO DA GLICOSA :

GLICÓLISE 2 NADH = 2 · 3 = 6 2 ATP + 6 8 ATPPIRÚVICO - Acetil CoA 2 NADH = 2· 3 6 ATPCiclo de Krebs (3 NADH = 9 + 1FADH2 = 2)= 11 11 + 1 GTP= 12 · 2 24 ATP

TOTAL 38 ATP

CATABOLISMO DOS LÍPIDOS

• Nos animais superiores as graxas teñen un unha grande importancia como combustibles orgánicos debido ó seu alto valor enerxético.

• Despois da actuación das lipasas no proceso dixestivo obtéñense a glicerina e os ácidos graxos.• A glicerina incorpórase á vía da glicólise (no ácido fosfoglicérico) e• os ácidos graxos entran na mitocondria en forma de acil - CoA para seguir a vía da β-oxidación

(hélice de Lynen)

β-OXIDACIÓN DOS ÁCIDOS GRAXOS

• A beta-oxidación dos ácidos graxos consiste na degradación dos ácidos graxos para formar moléculas de acetil-CoA.

• Este proceso realízase na matriz mitocondrial

• Para entrar na matriz os ácidos graxos deben ser transportados polo CoA que se une a eles formando acil - CoA ( CH3 - (CH2) - CO- S- CoA ). Neste paso gástanse 2 ATP

• Unha vez dentro da matriz comeza o proceso da beta-oxidación tamén chamada hélice de Lynen :

• en sucesivas volta na hélice de Lynen os ácidos graxos vanse rompendo en moléculas de acetil-CoA

• en cada volta da hélice obtéñense :• un NADH + H+

• e un FADH2

• que pasarán á cadea respiratoria para a fosforilación oxidativa rendendo ó remate da mesma 5 ATP

• as moléculas de acetil-CoA formadas entrarán no ciclo de Krebs para seguir a súa oxidación como no catabolismo dos glícidos

• Balance enerxético dun ácido de 6 carbonos, por exemplo :

5 · 2 = 10 Hélices de Lynen + 12 · 3 = 36 Ciclos de Krebs

Total = 10 + 36 = 46 - 2 = 44 ATP

9

ANABOLISMO.

• É a fase do metabolismo encargada da construción da materia orgánica complexa a partir de moléculas máis sinxelas.

• As reaccións anabólicas son endergónicas, e dicir, consumen enerxía (ATP).• Trátase dunha vía inversa ó catabolismo, e polo tanto nas reaccións anabólicas prodúcense

reducións e precisan de poder redutor (NADH, FADH2).

ANABOLISMO DE GLÍCIDOS :

• Na obtención de polisacáridos, como o amidón, glicóxeno, celulosa, podemos considerar dúas fases :

a) Obtención de glicosa : pódese conseguir mediante dous procesos :• Gliconeoxénese : xeral para todo tipo de células, heterótrofas e autótrafas• Ciclo de Calvin (fotosíntese), só nas células autótrofas

b) Obtención de polímeros de glicosa, proceso que varía segundo o tipo de célula

GLICONEOXÉNESE ou SÍNTESE DE GLICOSA :

• Consiste na síntese de glicosa a partir do ácido pirúvico• O ácido pirúvico procede:

• do catabolismo da glicosa, • de moitos aminoácidos, • e tamén pode proceder do ácido láctico formado nos músculos como produto da

fermentación.• A partir do ácido pirúvico pódese obter glicosa-6-fosfato mediante unha serie de reaccións

enzimáticas inversas ás da glicólise• Algúns pasos da glicólise son irreversibles e polo tanto non existen na gliconeoxénese

presentándose desvíos e novas rutas en determinados puntos• A gliconeoxénese comeza na matriz mitocondrial e remata no citosol• Na síntese dunha molécula de glicosa consúmense 6 ATP.

GLICOXENOXÉNESE ou SÍNTESE DE GLICÓXENO

• Proceso de síntese de glicóxeno nos animais, a partir da glicosa-6-fosfato• Este proceso realízase no fígado e no músculo• Neste caso precisa do uridín-tri-fosfato (UTP) como activador e a enzima glicóxeno sintetasa• Para a obtención de amidón nos vexetais séguese o mesmo proceso pero o activador é o ATP

ANABOLISMO DOS LÍPIDOS

• A síntese dun triglicérido ou graxa neutra precisa de dúas fases :

• obtención dos compoñentes (ácidos graxos e glicerol) e• formación dos triacilglicéridos por esterificación

1. OBTENCIÓN DOS ÁCIDOS GRAXOS :• A síntese de ácidos graxos prodúcese no citosol• A molécula inicial da síntese é o acetil-CoA que se formou na mitocondria pola glicólise ou pola

beta-oxidación dos ácidos graxos

10

• A síntese dos ácidos graxos segue a vía da hélice de Lynen pero en sentido inverso.

2. OBTENCIÓN DA GLICERINA :• A síntese da glicerina parte da dihidroxicetona - 3- fosfato procedente da glicólise• A dihidroxicetona - 3- fosfato redúcese a glicerol - 3 - fosfato (gracias a un NADH que se

oxida a NAD+)• Este proceso realízase no citosol

3. FORMACIÓN DE TRIACILGLICÉRIDOS• Realízase no tecido adiposo e no fígado• Consiste nunha reacción de esterificación entre a glicerina e tres ácidos graxos• Para que se realice esta reacción os compoñentes teñen que estar activados en forma de :• Glicerol -3 - fosfato• Acil - CoA

• SÍNTESE DAS GRAXAS A PARTIR DOS AZÚCARES : • A razón de que engorden os azúcares é que a partir deles pódense sintetizar graxas da

seguinte maneira : GLICÓLISEGlicosa -------------> GLICERINA

GLICÓLISE DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA LIPOXÉNESE Glicosa ---------> Ácido pirúvico ---------------------------> Acetil CoA---------------> ÁCIDO GRAXO GLICERINA + ÁCIDO GRAXO ---------------------------> TRIACILGLICÉRIDO OU GRAXA

ANABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS

• Non tódolos seres vivos son capaces de sintetizar os 20 aminoácidos necesarios para a síntese das súas proteínas

• Estes aminoácidos chámanse aminoácidos esenciais e na especie humana son : • leucina (Leu), isoleucina (Ile), lisina (Lys), metionina (Met), treonina (Thr), fenilalanina (Phe),

triptófano (Trp), arginina (Arg, histidina (His) e valina (Val)• Cada aminoácido ten a súa vía de obtención e ademais pode variar segundo o tipo de célula que

o sintetiza• En xeral poden partir dos produtos da glicólise (ácido-3-fosfoglicérico e ácido pirúvico) ou dos

do ciclo de Krebs (ácido α-cetoglutárico).• Na síntese de aminoácidos son imprescindibles a glutamina e o ácido glutámico porque son os

que, mediante unha transaminasa, proporcionan o grupo amino a tódolos demais aminoácidos

11