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Universidad de Chile
Programas de Magíster en Nutrición y Alimentos
REGULACIÓN DE LA ABSORCIÓN
Y METABOLISMO DE LOS NUTRIENTES
INTRODUCCIÓN A LOS
METABOLISMOS
Dra. Catalina Carrasco
05 de abril de 2012
50
MACRONUTRIENTES
MATERIA PRIMA
COMBUSTIBLE
RESPIRACIÓN
CELULAR
SÍNTESIS
ENERGÍA
Trabajo celular
Impulso nervioso
Contracción muscular
Movimiento organelos
ENERGÍA CAPACIDAD DE REALIZAR UN TRABAJO
Contenida en los enlaces químicos entre los
átomos que forman las moléculas que
constituyen de los alimentos
CAPACIDAD PARA REALIZAR UNA ACCIÓN QUÍMICA
METABOLISMO
(del griego “metabole”, cambio)
El metabolismo es “el mapa de rutas” de
miles de reacciones químicas que ocurren en
la célula. Las enzimas dirigen dichas rutas
metabólicas, acelerando diferencialmente
reacciones determinadas.
Es el proceso por el cual los sistemas vivos
adquieren y usan la energía para llevar
adelante las funciones vitales.
Comprende los procesos físicos y químicos
involucrados
en
el
mantenimiento
y
reproducción de la vida.
OBJETIVOS DEL METABOLISMO
Obtención de energía útil (ATP) para la célula, a partir de
moléculas orgánicas.
Convertir
nutrientes
macromoléculas.
exógenos
en
precursores
de
Construcción de macromoléculas propias a partir de dichos
precursores.
Formación y degradación de las macromoléculas, como:
hormonas, neurotransmisores, proteínas, lípidos de membrana,
etc.
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
1. El producto de una reacción metabólica puede ser el sustrato de otra.
Muchas reacciones se encadenan y forman una secuencia ordenada, que
se denomina vía o ruta metabólica, como por ejemplo la glucólisis, oxidación, ciclo de la ornitina, etc.
A  B  C  D
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
2. Cada vía metabólica tiene una finalidad, por ejemplo, la glucólisis es la
ruta de degradación de la glucosa para obtener energía, el ciclo de Calvin
sintetizar monosacáridos en la fase oscura de la fotosíntesis, etc.
Las rutas metabólicas pueden
ser:
-Lineales, en las que se parte
de un metabolito inicial que se
va transformando y origina otro
distinto, (A  B  C  D) como
la glucólisis
- Circulares, como el Ciclo de
Krebs, el de la ornitina o el de
Calvin, en las que se parte de
un metabolito que sufre distintas
transformaciones para originar
distintos productos y regenerar
el metabolito inicial.
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
3. Muchas reacciones (vías o rutas)
tienen lugar simultáneamente, y para
evitar interferencias entre ellas cada
una ocurre en un compartimiento
celular específico, las rutas están
compartimentalizadas y con ello la
eficacia enzimática aumenta.
Por ejemplo:
Citoplasma: Glucólisis,
gluconeogénesis,
síntesis de triglicéridos y de proteínas
(traducción).
Mitocondria: Ciclo de krebs, -oxidación,
fosforilación oxidativa.
Retículo endoplasmático: síntesis de
lípidos y de proteínas.
Núcleo: duplicación y transcripción.
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
Piruvato
deshidrogenasa
24 cadenas polipeptídicas,
contiene TPP (pirofosfato
de tiamina, vitamina B1).
Decarboxilación.
Dihidrolipoamida
transacetilasa
24 cadenas polipeptídicas,
contiene 2 moléculas de
ácido lipoico. Acetilación.
Dihidrolipoamida
deshidogenasa
12 cadenas
polipeptídicas, contiene
FAD (Flavin
adenin dinucleótido).
Oxido-reducción
4. El metabolismo está regulado por
enzimas, que son específicas de
cada metabolito o sustrato y
actúan
sobre
cada
ruta
metabólica. A veces varias
enzimas
se
asocian
para
aumentar
su
eficacia
y
constituyen
complejos
multienzimáticos como el de la
piruvato deshidrogenasa, que
actúa sobre el piruvato al entrar
en la mitocondria.
OXIDACIÓN DEL PIRUVATO
La reacción es aparentemente sencilla,
Piruvato + NAD+ + CoA → acetil-CoA + NADH + H+ + CO2
ΔG´º = - 33.5 KJ/mol
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
5. La energía desprendida en las reacciones exotérmicas o
exergónicas (liberan energía) se utiliza en las endergónicas
(consumen energía). Moléculas especializadas, como el ATP.
RESUMEN
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
1.- Vía o Ruta metabólica
2.- Finalidad
3.- Compartimentalizadas
4.- Regulado por enzimas
5.- Exergónicas o endergónicas
METABOLISMO
CATABOLISMO
•
ANABOLISMO
Los tres componentes solidos principales (98%) de los alimentos son los
carbohidratos, los lípidos y las proteínas responsables de proveer la casi
totalidad de la energia requerida para todas las funciones celulares.
•
Los carbohidratos representan cerca del 50-60% de los alimentos sólidos
del ser humano y químicamente se les identifica como polisacáridos.
•
El 20% de los alimentos sólidos en el hombre son las proteínas.
•
El 20-30% restante son los lípidos, componentes primordiales de los
aceites y las grasas, cuyo representante más común son los
triacilglicéridos.
METABOLISMO
CATABOLISMO
ANABOLISMO
ANFIBOLISMO:
Reacciones que permiten almacenar la energía.
CATABOLISMO
Liberan energía por ruptura de enlaces químicos de moléculas
complejas a otra más simple. La energía liberada es almacenada en los
enlaces fosfato de alta energía del ATP. Pasa de moléculas con alto
contenido energético (muy reducidas) a otras con escaso contenido (muy
oxidadas).
•Reacciones de degradación o destrucción
•Reacciones de oxidación
•Desprenden energía
•A partir de muchos sustratos distintos, se originan los
mismos productos (rutas convergentes)
ANABOLISMO
Consumen energía para construir moléculas de mayor tamaño a partir de
moléculas más simples. Se crean nuevos enlaces, para ello es necesario un
aporte de energía, el ATP. Las nuevas moléculas son almacenadas para
luego ser utilizadas o formar parte de la célula.
•Reacciones de síntesis o construcción
•Reacciones de reducción
•Consumen energía
•A partir de pocos sustratos distintos, se
originan muchos productos distintos (rutas
divergentes)
CATABOLISMO
reacciones
exergónicas
ANABOLISMO
reacciones
endergónicas
FASES DEL CATABOLISMO Y ANABOLISMO
FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandes
macromoléculas
se
degradan
en
sus
monómeros con enzimas específicas. Ocurre
fuera de la célula, como en la digestión. No se
libera energia utilizable durante esta primera
etapa.
Fase I
C
A
T
A
B
O
L
I
S
M
O
FASES DEL CATABOLISMO Y ANABOLISMO
FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandes
macromoléculas
se
degradan
en
sus
monómeros con enzimas específicas. Ocurre
fuera de la célula, como en la digestión.
FASE II “fase intermedia”: Los monómeros son
degradados por procesos específicos hasta
Acetil-CoA.
Glucólisis,
-oxidación,
transaminación. Se genera una pequena
cantidad de ATP
Fase I
C
A
T
A
B
O
L
I
S
M
O
Fase II
FASES DEL CATABOLISMO Y ANABOLISMO
FASE I “fase inicial o preparatoria” Las grandes
macromoléculas
se
degradan
en
sus
monómeros con enzimas específicas. Ocurre
fuera de la célula, como en la digestión.
FASE II “fase intermedia”: Los monómeros son
degradados por procesos específicos hasta
Acetil-CoA.
Glucólisis,
b-oxidación,
transaminación. Se genera una pequena
cantidad de ATP
FASE III “fase final”: El Acetil-CoA es oxidado
hasta CO2 y H2O, originando gran cantidad de
NADH (poder reductor) y ATP. Ocurre en la
mitocondria.
El catabolismo y anabolismo son simultáneos y
son interdependientes, pero NO SON
exactamente las mismas reacciones en sentido
contrario:
•Muchas
reacciones
catabólicas
son
irreversibles.
•Las rutas catabólicas y anabólicas pueden
localizarse en distintos compartimentos
•La regulación enzimática es distinta en casi
todas los procesos.
Fase I
C
A
T
A
B
O
L
I
S
M
O
Fase II
Fase III
A
N
A
B
O
L
I
S
M
O
ATP
ADENOSIN TRIFOSFATO
•El ATP no se almacena.
•Continuo consumo y producción.
•Se consumen 45 kg de ATP al día, pero la cantidad presente es menor de 1 g.
Adenina es una de las
cinco
bases
nitrogenadas. derivada
de las purinas, que
forman parte del ADN y
ARN
Ribosa, es una pentosa
Trifosfato
PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO
La célula puede realizar tres clases principales de trabajo
donde se requiere energía:
Bombeo sustancias e iones a
través de la membrana en contra
de la dirección del movimiento
espontáneo.
ATP
Batido de cilias y
flagelos, contracción
células
musculares,
fluir del citoplasma
dentro de la célula o
movimiento
cromosomas en la
división celular.
Impulso
de
reacciones
endergónicas, que no ocurrirían
espontáneamente
PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO
El ATP participa en la activación de un
metabolito para que pueda reaccionar
en una vía metabólica, se hace con la
fosforilación de dicha molécula.
En el paso de la glucosa a glucosa-6fosfato para iniciar la glucólisis.
SÍNTESIS DE ATP
ADP
+
Pi
ATP
Fosforilación del
ADP
Acumula energía
formando enlaces de alta
energía.
Acoplado a reacciones
exergónicas
(fosforilación oxidativa)
Proceso no espontáneo
Glucólisis
SÍNTESIS DE ATP
Directa: fosforilación a nivel de sustrato:
cuando un sustrato (X~p) dona su p al
ADP para hacer ATP
Un sustrato rompe algún
enlace rico en energía,
ésta se
libera
y se
aprovecha para fosforilar
el ADP.
SÍNTESIS DE ATP
Indirecta: fosforilación oxidativa:
Acoplada al transporte electrónico en la membrana interna de la mitocondria.
REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN
En las reacciones químicas la energía se “conduce” a través de los enlaces
químicos, por medio de los electrones, pasando por distintos niveles de
energía. Reacciones de oxidación-reducción (REDOX).
OXIDACIÓN: pérdida de un electrón (o un átomo de H).
El átomo o molécula que pierde el electrón se ha oxidado.
REDUCCIÓN: ganancia de electrones (o un átomo de H).
El átomo o molécula que pierde el electrón se ha reducido.
La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que
pierde un átomo es aceptado por otro.
Cuanto mayor sea el contenido en H de un
compuesto (cuánto más reducido esté)
mayor es su contenido energético y más
energía se puede sacar de él.
Cuanto más oxidada esté una
sustancia menos energía contiene.
Los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más energía que la glucosa (C6H12O6) y ésta mucho más
que el CO2 (sin hidrógenos, es la forma más oxidada del carbono).
Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+),
Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+)
Flavina adenina dinucleótido (FAD).
Son nucleótidos que actúan como coenzimas de enzimas deshidrogenasas u
oxidasas y participan en el metabolismo como moléculas transportadoras de
electrones en reacciones de oxido-reducción.
Forma oxidada:
Forma reducida:
NAD+
NADH + H+
NADPH + H+
FADH2
NADP+
FAD
EJEMPLO DE REACCIÓN DE OXIDACIÓN
Succinato es convertido a fumarato por la pérdidad de dos
electrones y dos protones.
Reacción de oxidación, ocurre en la mitocondria, en el ciclo del
ácido cítrico, acoplada a la reducción de FAD a FADH2
Electrones viajan acompañados de un H+: transferencias de H
Glucosa
2ATP
4 ATP
GLUCOLISIS
2 H2O
2 NADH
OXIDACIÓN DEL PIRUVATO
2 NADH
2 CO2
4 ATP
10 NADH
2 FADH2
2 FADH2
2 H2O
CICLO DE KREBS
(Ciclo del citrato)
6 NADH
4 CO2
2 ATP
¿Para qué sirve la generación de NADH en el metabolismo de la glucosa?
Membrana
Interna
TERMODINÁMICA
ESTUDIO DE LA ENERGÍA
Primera Ley
La energía puede convertirse de
una forma en otra, pero no se puede
crear ni destruir. Al variar la energía
interna en un sistema cerrado, se
produce calor y un trabajo. “La
energía no se pierde, sino que se
transforma”.
Segunda Ley
TERMODINÁMICA
ESTUDIO DE LA ENERGÍA
La Segunda Ley de la Termodinámica
energía potencial
del estado inicial
>
ENTROPÍA
(S)
magnitud
física energía que no puede
utilizarse para producir un
trabajo.
energía potencial
del estado final
energía cinética
grado de desorden de un
sistema
TRABAJO
En la naturaleza, el desorden es un estado más probable que el orden
Entropía (S) tiende a crecer constantemente.
ENLACE QUÍMICO
ENERGÍA POTENCIAL
REACCIÓN QUÍMICA
CALOR
Capacidad
del
sistema
para
realizar trabajo útil.
Energía libre
TRABAJO
Energía disponible para
el trabajo se denomina
ENERGÍA LIBRE O
ENTALPÍA (G)
No toda la energía almacenada en
un sistema (H) está disponible
para el trabajo. Energía total del
sist.
El
desorden
del
sistema, se resta a la
energía total. Entropía
G = H - TS
Temperatura,
en grados Kelvin
ENERGÍA LIBRE (G)
¿Puede un proceso puede ocurrir espontáneamente?
El sistema debe ceder energía
Perder orden, ganar desorden
PROCESO ESPONTÁNEO
G = H - T S
Valor
negativo
Cuando los cambios en H o en S son grandes, G tiene un valor negativo
ENERGÍA LIBRE (G)
La energía desprendida en una reacción se
utiliza en otra.
(1) Glucosa + Pi → glucosa 6-fosfato + H2O
ΔG´º =
3 Kcal / mol
(2) ATP + H2O → ADP + Pi
ΔG´º = - 7,3 Kcal / mol
ATP + glucosa → ADP + glucosa 6-fosfato
ΔG = - 4,3 Kcal / mol
ENERGÍA LIBRE (G)
G negativo
G positivo
- Reacción exergónica
- Reacción endergónica
- Liberación neta de energía libre.
- Los reactantes pierden G
- Espontáneas
- Toman energía de su entorno
- Almacenan más G en las moléculas
- No son espontáneas
Si un proceso químico es exergónico en una dirección, entonces el
proceso inverso debe ser endergónico.
ACOPLAMIENTO ENERGÉTICO
Las enzimas acoplan la combustión
espontánea de los alimentos a reacciones
que producen
ATP
El ATP transfiere la energía liberada por la ruptura de las uniones químicas en
los procesos exergónicos hacia las reacciones endergónicas.
Modelo mecánico que ilustra el principio de
acoplamiento de reacciones
A) Oxidación directa de
glucosa a CO2 y H2O, que
produce sólo calor
B) En la misma reacción está acoplada
a una segunda reacción como
producción de ATP (balde de agua),
C) El ATP producido puede
servir para otro proceso
celular.
Los procesos metabólicos se organizan en:
Vías Metabólicas
Transformación de un sustrato inicial en un producto final a
través de reacciones intermediarias.
Cada una de las reacciones está catalizada por una enzima
diferente
http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter8/animations.html#
ENZIMAS
Todas las reacciones que se efectúan en los seres vivos son catalizadas por
enzimas.
Perfil de una reacción exergónica
- Acelera el transcurso de una
reacción química, sin intervenir
en ella ni como reactivo ni como
producto.
- No provoca la reacción sólo
afecta la velocidad con que
ocurre la misma.
- Los catalizadores disminuyen la
energía de activación
Con enzima
CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
(FAD+)
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
1.- Suministro de Nutrientes (sustratos)
La velocidad
de la reacción
Vía muy activa
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
1.- Suministro de Nutrientes (sustratos)
Vmax es constante, independiente de la cantidad de
sustrato (zona de saturación).
La velocidad aumenta en forma
no lineal (zona mixta).
La velocidad aumenta en forma
lineal (zona proporcional).
Esto ocurre debido a que los sitios
activos
de
las
enzimas
se
encuentran todos interactuando con
las moléculas de sustrato, por lo
tanto hasta que no finalice la
reacción la enzima no puede unirse
a otro sustrato.
¿Qué ocurriría con la Vmax si se aumenta la concentración de enzima?
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.1. Temperatura
Óptima
CALOR
Desnaturalización
Energía cinética de las moléculas
Velocidad de las reacciones
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.2. Inhibición por producto final
Cuando el producto final Z se
acumula, inhibe alguno de los
primeros pasos de la ruta.
Retroalimentación negativa (feedback negativo) en una ruta metabólica.
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.3. Alostérica
capaz de reconocer efectores
MODULAR LA ACTIVIDAD
DE LAS ENZIMAS
Efectores positivos
– Actividad enzimática controlada por el enlace de
pequeñas moléculas a la enzima en un sitio diferente
al sitio activo (Activador o Inhibidor)
– No alteran químicamente a la enzima que regulan
– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción
Efectores negativos
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.3. Alostérica
Inhibidor
Activador
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.4. Modificación covalente
– Esta modificación puede ser reversible o irreversible
– Es siempre mediada por otra enzima
– Puede resultar en un incremento o disminución de la actividad de la enzima
– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción
ATP
Enzima
(Inactiva)
ADP
Kinasa
Enzima
(Activa)
P
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.4. Modificación covalente
– Esta modificación puede ser reversible o irreversible
– Es siempre mediada por otra enzima
– Puede resultar en un incremento o disminución de la actividad de la enzima
– Pueden modificar el km o la Vmax de la reacción
Enzima
Enzima
(Inactiva)
(Activa)
Fosfatasa
ATP
ADP
P
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
2.- Regulación de la actividad enzimática
2.4. Modificación covalente
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
3.- Regulación de la cantidad enzimática
-La actividad enzimática está regulada por la concentración de enzima en la célula
- Las enzimas pueden ser constitutivas o inducibles (su concentración incrementa
dependiendo de las necesidades metabólicas)
Involucra el control a nivel del ADN.
El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de
proteínas de acuerdo al siguiente flujo de información:
FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
¿Cómo se regula una vía metabólica?
4.- Carga energética
El contenido de la célula de compuestos
adenilados como AMP, ADP son
constantes.
La cantidad de energía presente en la
célula está en relación con ATP y ADP. El
ATP es el doble de ADP.
La carga energética tiene efecto sobre
algunas enzimas y éste proviene de la
función enzimática en el uso o
generación del ATP.
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GLUCÓLISIS
•Etapa esencialmente irreversible
•Estimulada por ADP y AMP.
•Inhibida por ATP
•Controla el flujo de carbono a través de la glucólisis
•Etapa esencialmente irreversible
•Estimulada por ADP y AMP
•Es inhibida por acetil CoA, NADH y ATP
•Controla la rapidez con la que funciona el ciclo de Krebs
Acetil CoA
RESUMEN
Regulación de las vías metabólicas
1.- Suministro de nutrientes (sustratos)
2.- Regulación de la actividad enzimática (rápido)
2.1. Temperatura
2.2. Inhibición por producto final
2.3. Alostérica
2.4. Modificación covalente (fosforilación y
desfosforilación)
3.- Regulación de la cantidad enzimática (lento)
4.- Carga energética