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30/09/2009
Clase 5. Energética celular: nutrición y
metabolismo
1. Los organismos vivos: Estructura y función.
2. Metabolismo
1. Oxidación –reducción.
2. Energía libre. Velocidad de reacción.
3. Las enzimas. Regulación de la actividad
enzimática.
4. Obtención de energía a partir de los alimentos
¿Qué permite a los seres vivos tener conductas?
La entropía del universo
tiende a aumentar.
Metabolismo
Los organismos vivos son capaces de generar y mantener
orden en un universo que tiende a generar un desorden
creciente. Para ello tienen han de generar una corriente sin fin
de reacciones químicas.
Estructura muy compleja y
organizada (consume
energía)
Estructura sencilla
(libera energía)
Para que las células sean capaces de
generar y mantener un orden interno en un
universo que tiende al caos se requiere la
unión directa de la “combustión” de
molécula de alimento con la generación de
orden biológico.
Catabolismo
Las células obtienen la energía que necesitan de la
contenida en los enlaces químicos de las molélulas
orgánicas ( se oxidan las moléculas orgánicas).
Al conjunto de reacciones químicas que ocurren en una célula se
le denomina METABOLISMO.
En el metabolismo se distinguen dos corriente opuestas de
reacciones químicas:
Reacciones en las que
se produce la rotura de
enlaces químicos
generándose energía
CATABOLISMO
Reacciones de formación de
moléculas en las que se
consume energía:
ANABOLISMO
Actividad 5.1
Oxidación-reducción
• Oxidación: pérdida de
electrones y/o protones.
• Reducción: ganancia de
electrones y/o protones.
Decir cuando se está produciendo una oxidación y cuando una reducción
Fe 2+
Fe 3+
Cl
Cl -
CH3CH2OH (etanol)
CH3CHO (acetaldehído)
CH2=CH2 (eteno)
CH3CHO (acetaldehído)
CH3COOH (acetaldehído)
CH3CH3 (etano)
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Oxidación en un solo paso
Cenizas + CO2 + Calor
Papel +O2
Reacción de oxidación: Son
reacciones enérgicamente favorables
S
P
Gs>Gs
Las células extraen la energía de las
biomoléculas mediante un proceso
gradual de oxidación o combustión
controlada.
∆G<0
Energía
libre
Las reacciones químicas sólo se dan
espontáneamente en la dirección que
permite la pérdida de energía. Se dice que
es una reacción enérgicamente favorable
(∆G<0)
Energía de activación
La mayoría de las reacciones bioquímicas son
tan lentas que no ocurrirían en condiciones de
temperatura y presión compatibles con la
vida.
Las enzimas (proteínas)son catalizadores
capaces de acelerar la velocidad de reacción
sin ser consumidas o alteradas
permanentemente por la reacción.
Para que pueda darse una reacción química que deje a una molécula en un
estado energético más estable, por lo general, esta molécula necesita de una
energía de activación.
Las enzimas se une a unas sustancias llamadas sustratos y las pone en tal
estado que disminuyen su energía de activación y pueden reaccionar dando
lugar a otra sustancia llamada producto.
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Coenzimas
Cada enzima tiene una forma característica que contiene un lugar activo:
lugar de la enzima que se acopla a un sustrato determinado.
Al final de la reacción la enzima está inalterada dispuesta a catalizar otra
reacción.
Grupos prostéticos: Además de unir a sus sustratos,
los lugares activos de muchas enzimas ligan otras pequeñas
moléculas que participan en la catálisis
Pequeñas moléculas: O2, Fe, etc.
Mecanismo de actuación
enzimática:
Pequeñas biomoléculas
llamadas coenzimas: NAD+,
vitaminas,etc.
Las enzimas son muy específicas o selectivas: sólo se unen a un tipo de sustrato.
1) Se forma un complejo: enzimasubstrato o substratos.
productos
2) Se une la coenzima a este
complejo.
3) Los restos de los aminoácidos
que configuran el centro activo
catalizan el proceso. Para ello
debilitan los enlaces
necesarios para que la
reacción química se lleve a
cabo a baja temperatura y no
se necesite una elevada
energía de activación.
sustrato
De esta manera en una célula se producirán en un momento determinado unas rutas
metabólicas u otras dependiendo del tipo de enzimas que estén activas en ese
momento
Enzima
Enzima inactiva
Centro activo
4) Los productos de la reacción
se separan del centro activo y
la enzima se recupera intacta
para nuevas catálisis.
Coenzima
5) Las coenzimas colaboran en el
proceso; bien aportando
energía (ATP), electrones
(NADH/NADPH) o en otras
funciones relacionadas con la
catálisis enzimática
Inhibición competitiva
Regulación de la actividad enzimática. Regulación
alostérica
sustrato
inhibidor
1. Inhibición por retroalimentación
S
E
-
P
2. Modificaciones covalentes: Fosforilación.
Enzimas que catalizan reacciones de
fosforilación son quinasas y de desfosforilación,
fosfatasas
Enzima
Sin inhibidor
Enzima
con inhibidor
Los inhibidores competitivos son sustancias, muchas veces similares químicamente a los
sustratos, que se unen al centro activo impidiendo con ello que se una el sustrato. El
proceso es reversible y depende de la cantidad de sustrato y de inhibidor, pues ambos
compiten por la enzima.
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Inhibición no competitiva
Inhibición alostérica.
sustrato
sustrato
No se produce la
catálisis
Enzima activa
Enzima
Enzima
Sin inhibidor
Con inhibidor
Sin inhibidor
Enzima inactiva
inhibidor
Los inhibidores no competitivos son sustancias que se unen a la enzima en lugares
diferentes al centro activo alterando la conformación de la molécula de tal manera que,
aunque se forme un complejo enzima-sustrato, no se produce la catálisis. Este tipo de
inhibición depende solamente de la concentración de inhibidor.
Los inhibidores alostéricos
se unen a una zona de la
enzima y cambian la
configuración del centro
activo de tal manera que
impiden que el sustrato
se pueda unir a él.
con inhibidor
inhibidor
activadores
envenenadores
productos
sustrato
sustrato
envenenador
Enzima inactiva
Enzima activa
Enzima
activador
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.
Los activadores se unen al centro regulador, cambian la configuración del centro activo,
que hasta ese momento estaba inactivo y desencadenan la catálisis enzimática.
En la célula existen enzimas que acoplan
directamente reacciones enérgicamente
favorables con reacciones enérgicamente
desfavorables.
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∆G= -7,3 kcal/mol
H2O
H2O
H2O
H2O
Obtención de energía a partir de los
alimentos
• El cerebro sólo obtiene su energía de la
glucosa.
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La formación de ATP a partir de glucosa, en la
célula, ocurre en dos etapas:
1ª en el citoplasma: Glicólisis (10 reacciones)
2ª en la mitocondria: Ciclo de Krebs y
fosforilación oxidativa.
Citoplasma:
Glicólisis
Matriz Mitocondrial: Ciclo de Krebs
Mitocondria: Respiración celular
Muchos de los intermediarios del ciclo de Krebs son
precursores de neurotransmisores y hormonas.
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Cresta mitocondriales (membrana interna): Fosforilación oxidativa
CH3-CO-COOH
2H
2H
2H
NADPH
2H
H+
e- Flav.
NADP+
CQ
e-
H+
Cb
Cc
e-
Ca
H+
2H+ + 1/2O2
La Cadena Respiratoria partiendo del NADH (animación)
H2 O
La Cadena Respiratoria partiendo del FADH2 (animación)
+
+
NAD+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
FAD
3ATP
3ADP
+
+
+
+
FADH2
2ATP
+
+
+
NADH
2ADP
+
+
+
+
+
+
e e
Comp.III
Comp. II
Comp. I
e e
e e
e e
Comp.III
Comp. II
e e
Comp. I
e e
e e
e e
Cit
C
+
+
+
+
e e
Cit
C
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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