Clase 14

Metabolismo

Las características de un ser vivo es que produce energía, y la va a intercambiar con el medio ambiente. Por otra parte un organismo vivo va a tener un proceso de autorregulación: autopoyesis. Significa que están compartimentalizados, existen compartimentos donde van a ocurrir los procesos, es decir que están autoorganizados.Esta energía que auto organiza los procesos, también esta autorregulada, en un momento se va a iniciar un proceso y en otro se va a detener. Porque respondemos a estímulos del medio ambiente, estoy en concordancia con él, esto se llama: Homeostasis.Por otro lado, nuestro objetivo es perpetuar la especie: auto replicarse.La autorreplicación, autoorganización y la autorregulación pasa por una molécula clave, las proteínas. Están involucradas, porque para todo esto debemos involucrar las proteínas, como eje central.

Nos vamos a centrar en el metabolismo, que consiste 2 procesos: anabolismo y catabolismo.El catabolismo: es el proceso de degradación, ej: cuando vamos al baño, degradamos los nutrientes que consumimos. (Producción de energía)El anabolismo: es la síntesis de nuevas moléculas.

MetabolismoEs la suma de todas las transformaciones químicas que se realizan en la célula o en el organismo, mediante reacciones catalizadas por enzimas en procesos llamados “VIAS METABÓLICAS” (cuando entra un sustrato, es transformado en producto final, y se hace a través de una vía metabólica, ejemplo: la glucólisis, se transforma glucosa en piruvato) Las vías metabólicas se inician a partir de precursores que producen intermediarios conocidos como METABOLITOS (todos los sustratos que se transforman entre la glucosa y el piruvato, se llaman metabolitos).El METABOLISMO INTERMEDIARIO constituye la actividad combinada de los metabolitos en sus respectivas vías metabólicas.El metabolismo consta de procesos catabólicos que son de degradación de compuestos y de procesos anabólicos que son síntesis de compuestos.

17

Entonces el catabolismo es la degradación de macromoléculas (carbohidratos, proteínas) y las vamos a transformar en moléculas simples (agua, CO2), en este proceso liberamos energía química como ATP, NADH, NADPH, FADH.Esta liberación de energía (ATP o poder reductor) va a servir para que moléculas pequeñas, como las adquiridas en la alimentación, puedan servir para transformar nuestras propias moléculas (Anabolismo). Por lo tanto la energía sintetizada en el catabolismo va a servir para realizar el anabolismo.Pero cuando consumimos carbohidratos no es para sintetizar carbohidratos, es para generar energía (ATP), no todas las moléculas entran a la célula, entonces esta energía dentro de la célula va a ser utilizada para sintetizar nuestros lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc (Anabolismo).A la célula le interesa producir proteínas: por ejemplo la proteína de la leche, la capacaserina, la consumimos para que ella produzca energía, y la célula pueda sintetizar sus propias proteínas, a lo más nos quedamos con algunos aminoácidos.La célula necesita proteínas como las transportadoras, de membrana, no solo las de la alimentación, debemos producir otras de acuerdo a nuestra información genética.

Hay una molécula que asocia el catabolismo y el anabolismo, que es el Acetil CoA, este es el pilar entre ambos procesos. Porque todo el metabolismo de degradación converge en la síntesis de Acetil CoA, y éste sirve para sintetizar moléculas (colesterol, ácidos biliares, azucares, etc) El Acetil CoA hace funcionar el ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxilicos o acido cítrico), el cual va ser nuestro eje para producir poder reductor y energía.

Para el ser humano, las principales moléculas para producir energía son: (y para todos los seres vivos)- CARBOHIDRATOS

18

- LIPIDOS- PROTEINASTodas éstas se obtienen de la dieta.Para obtener la energía deben ser oxidados a CO2, H20, y en el caso de las proteínas urea, por el 02molecular.

Por lo tanto: proveen de energía:- CARBOHIDRATOS 4 Kcal / g (son de consumo rápido, se consumen primero)- PROTEINAS 4 Kcal / g (produce energía después de 48 hrs de ayuno, ultimo recurso)- GRASAS 9 Kcal / g (es lo que se degrada después de las azucares)Por eso debemos comer cada 4 horas.

Entonces un ser humano de 70 kg de promedio tiene:TRIGLICERIDO 15 kgPROTEÍNA 6 kgGLICOGENO 0,2 kgLa energía metabólica se expresa en Kilocalorías: KILOCALORIA = 4,18 KILO JOULES

GASTO ENERGETICO DIARIO: cantidad de energia necesaria para realizar el metabolismo basal y la actividad fisica.

GRADO DEL METABOLISMO BASAL:Energía utilizada por una persona que tiene un ayuno de al menos 12 horas en reposo. Depende del peso corporal, y es de 24 Kcal /Kilo por DIA (energía que necesitamos en reposo para hacer un metabolismo basal)

ACTIVIDAD FISICA: Cantidad de energía que se agrega al requerimiento energético. (Depende de la actividad)

(Aumentamos de peso porque nada se crea, nada se pierde, solo se transforma. Entonces si como más de lo que gasto, se almacena la energía en ácidos grasos.Debemos consumir alimento en la medida de las actividades que realizaremos).

OTROS REQUERIMIENTOS DE LA DIETA:AMINO ACIDOS ESENCIALESACIDOS GRASOS ESENCIALESVITAMINASMINERALES

Pregunta: ¿Entonces la actividad física no acelera el metabolismo? No, lo que haces es gastar más calorías. El metabolismo no se acelera, el metabolismo va a funcionar en base a los requerimientos energéticos. Si tú tienes consumo de azúcar va a tender a gastarla para el movimiento muscular. Ahora si se te va a suelo el azúcar, vas a sacar

19

glucosa del hígado para mantener homeostasis. (Debo comer cada 4 horas, sino hipoglucemia)

ENFERMEDADES ASOCIADAS AL METABOLISMO ENERGÉTICO

Entonces no hay un concepto de “rapidez” en el metabolismo, el metabolismo ocurre. Para un ejercicio de exigencia muscular, lo que vas a gastar principalmente son los azucares y las grasas te van a nutrir sí y sólo sí tienes períodos de ayuna prolongados.

Respuesta pregunta x: imagínate que vas a ir a trotar y consumes un chocolate, que va a ocurrir: va a haber un alto nivel de azúcar en la sangre, entonces el hígado va a tratar de internalizarlo para mantener la homeostasis de glucosa, por lo tanto rápidamente el nivel va a quedar en estado basal y si tú te pones a hacer ejercicio cuando estás guardando azúcar, va a ocurrir un desmayo, producto que el metabolismo tiene que asegurar nutrición de azúcar al cerebro para que funcione el sistema neuronal. En un ejercicio prolongado, primero se consume el azúcar que está libre, el azúcar que está en el músculo, el azúcar que está en el hígado y recién después de un par de horas, comienza el consumo de grasas.

Pregunta: se dice que cuando uno come cada menos horas, 3 o 4 horas, o sea, cuando uno aumenta la cantidad de comidas al día, aumenta el metabolismo…

No, lo que pasa es que el organismo es sabio y si tu tienes un régimen en donde, por ejemplo, comes al medio día y luego llegas a la casa a comer a la noche, el organismo va a censar períodos de ayuno muy prolongados y cuando consumas alimentos, va a tomar parte de estos alimentos y los va almacenar en las células y eso te va a hacer aumentar las células adiposas. En cambio, si tu comes cada 3 o 4 horas, el organismo censa que está siempre nutrido y que no hace falta guardar, por lo tanto no almacena tanto. En ese caso, el organismo trabaja más hacia el gasto energético que hacia el almacenamiento.

Este entramado que está acá es lo que vamos a tratar de desentramar durante el curso, donde el eje centra es esto que está acá que es el ciclo de Krebs.

20

Metabolismo de los Hidratos de Carbono.

En general podríamos agrupar el metabolismo de los hidratos de carbono en 3 etapas. En la primera etapa o fase A, los carbohidratos, principalmente hexosas, las grasas y las proteínas van a producir solamente el 1% de la energía de metabolismo total. En la siguiente etapa, que es la etapa B, donde los hidratos de carbono son transformados a piruvato, las grasas son transformadas también a intermediarios como Acetil coA y los aminoácidos a intermediarios como Acetil coA, se produce el 33% de la energía y en la etapa final (C), done el Acetil coA, el Alpha cetoglutarato y el oxalacetato son tranformados en ATP, CO2 y agua usando oxígeno, es donde se produce el mayor aporte energético del metabolismo, es decir, el 66% de la síntesis de energía. Recuerden siempre eso… durante el ciclo de Krebs es donde se produce la mayor cantidad de energía y no solamente como ATP, sino que también como poder reductor, que lo veremos más adelante.

Hay dos procesos importantes que vamos a ver en el metabolismo. Uno es la hidrólisis, que es la ruptura de un enlace glicosídico con la participación de agua. El otro, si la ruptura del enlace entre las azucares es mediado, no por una molécula de agua, sino que por un ácido fosfórico o fosfato inorgánico estamos frente a una fosforólisis, como la producción de la glucosa-1-fosfato.

21

La reacción de fosforólisis en el caso de un polímero como el glicógeno es catalizada por una enzima llamada fosforilasa, que va a romper un enlace glucosídico usando al fosfato inorgánico como sustrato. Como va a romper enlaces del glicógeno, se llama glicógeno fosforilasa. Entonces usa 2 sustratos, el fosfato inorgánico y el glicógeno.

Estas enzimas están asociadas a lo que es la degradación del glicógeno. Éste es el principal almacenamiento de energía de degradación rápida. El glicógeno puede estar de forma lineal o ramificado. Cuando está ramificado, vamos a tener un problema porque la glicógeno fosforilasa no es capaz de degradarlo en este estado porque sólo rompe enlaces 1-4 y éstos son del tipo 1-6. Para solucionar este problema, hay una enzima que se llama desramificante que va a hacer lo siguiente: va a tomar los azucares que están en la ramificación y los va a adicionar en la parte posterior del polímero de glicógeno y va a dejar solamente el azúcar que está enlazado 1-6 liberándolo como glucosa y manteniendo un glicógeno solamente lineal. Por lo tanto, el glicógeno es degradado por dos enzimas, la glicógeno fosforilasa en las uniones 1-4 y la enzima desramificante en las uniones 1-6.

A la glicólisis van a ir una serie de azúcares, como la galactosa, la glucosa, la sacarosa, la fructosa, la malosa, etc. Todas ellas llegan como intermediarios a este proceso.

La glicólisis consiste en la degradación de glucosa en el citosol. Esta degradación, produce una pequeña cantidad de ATP. Acuérdense que produce el 1% de la energía. Y además de producir ATP, produce un compuesto de 3 átomos de carbono llamado ácido pirúvico que es vital para la producción de acetil CoA. Recuerden que la glicólisis no requiere oxígeno, por lo tanto es un proceso que se puede producir de manera anaeróbica. Ahora, en condiciones aeróbicas en el interior de la mitocondria, el ácido pirúvico es trasformado a CO2, agua, un poco de ATP y poder reductor. Este proceso se conoce como ciclo de Krebs.

Entonces la glicólisis es en ausencia de oxígeno. Si mantenemos la ausencia para que la glicólisis siga funcionando, va a ser un proceso que se llama fermentación.

22

Ahora vamos a analizar la glicólisis de manera enzimática. La glucosa a ácido pirúvico va a producir una pequeña cantidad de ATP. Ese piruvato va a ir a la fermentación o al ciclo de krebs y ahí se van a producir intermediarios para la síntesis de ATP.La glicólisis la podemos separar en 3 etapas. La primera que va desde la glucosa hasta la fructosa-1,6-bifosfato. En esta etapa vamos a gastar ATP para producir algunas transformaciones. En que consiste esto… una enzima llamada hexokinasa, que dependiendo el tejido también se puede llamar glucokinasa, va a tomar a la glucosa y ATP y la va a transformar en glucosa-6-fosfato, va a liberar ADP y va a producir protones. Este proceso es la fosforilación del carbono 6 en la glucosa. La glucosa-6-fosfato se va a isomerisar, vamos a pasar de una estructura cerrada a una abierta y vamos a transformar esta glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Esto ocurre porque una enzima que se llama isomerasa o fosfogluco isomerasa, toma el aldehído que está acá y lo va a transformar en una cetona y este otro grupo se reduce, por lo tanto vamos a oxidar este grupo y este lo vamos a reducir. Recuerden que el aumento de oxígeno o la disminución de protones significan oxidación y por otro lado, el aumento de protones o la disminución de oxígenos involucra un proceso de reducción. La cadena luego se va a ciclar en el carbono 5 y va a formar una hexósa llamada furanosa, que es la fructosa-6-fosfato, todo esto gracias a la isomerasa.

La fructosa-6-fosfato ahora se debe fosforilar en el carbono 1. Si voy a fosforilar, ¿Qué tipo de enzima debería usar?... una kinasa, ya que aquellas que usan ATP para fosforilar se llaman así. Entonces vamos a tomar una kinasa (fosfofructo kinasa), más ATP y va a transformar este sustrato en un producto que se llama fructosa-1,6-bifosfato.

Entonces en la primera etapa, la glucosa va a pasar a glucosa-6-fosfato gracias a la hexokinasa y ATP, luego va a pasar a fructosa-6-fosfato gracias a la fosfogluco isomerasa y finalmente va a pasar a fructosa-1,6-bifosfato gracias a otra kinasa llamada fosfofructo kinasa o PFK.

En la segunda etapa de la glicólisis, voy a tener una molécula de 6 carbonos y la voy a transformar a 2 moléculas de 3 carbonos. Que pasa acá… vamos a cortar la fructosa-1,6-bifosfato en este punto y vamos a generar 2 moléculas de 3 carbonos, una dihidroxicetona-fosfato y un gliceraldehído-3-fosfato. Ambas se parecen, pero no son iguales, por lo tanto vamos a transformar la dihidroxicetona-fosfato en gliceraldehído-3-fosfato haciendo oxidación y reducción con una isomerasa (triosa fosfato isomerasa).

Todas estas transformaciones, son para que finalmente se sintetice el piruvato en la etapa 3. Como ocurre esto… el gliceraldehído-3-fosfato lo vamos a ir modificando hasta formar fosfoenol piruvato y el fosfoenol piruvato lo vamos a transformar en piruvato. Acuérdense que ahora por cada 1 molécula de glucosa, vamos a tener 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato.

El gliceraldehído-3-fosfato, lo vamos a transformar en 1,3-bifosfoglicerato, es decir, lo vamos a fosforilar en esta posición. Aquí vamos a usar fosfato inorgánico, una enzima que se llama gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y NAD+. Todas las enzimas que usan al NAD+ se llaman deshidrogenasas, ya sea que transformen NAD+ en NADH o NADH en NAD+. En este caso, la deshidrogenada va a tomar el NAD+ y lo va a transformar en NADH y va a tomar fosfato y lo va a agregar a la posición 1 y vamos a tener este compuesto que se llama 1,3-bifosfoglicerato.

23

En el paso siguiente, el fosfato que está en la posición 1 se lo vamos a entregar a un ADP utilizando una enzima que se llama fosfoglicerato kinasa y vamos a transformar el 1,3-bifosfoglicerato en 3-fosfoglicerato y vamos a producir nuestra primera molécula de ATP. Ahora nos queda entregar el otro fosfato a otra molécula de ATP para producir más energía.

El 3-fosfoglicerato lo vamos a transformar en 2-fosfoglicerato por con una enzima que se llama fosfoglicerato mutasa, que va a hacer que este fosfato que está en la posición 3, pase a la posición 2. El 2-fosfoglicerato con una enzima que se llama enolasa va a pasar a fosfoenol piruvato, molécula que también se conoce como PEP.

Finalmente el PEP va a poder soltar el fosfato que falta y transformarse en piruvato. Al soltar el fosfato, gracias a la piruvato kinasa, lo recibirá un ADP y se formara nuestra segunda molécula de ATP. ¿Cuánto ATP hemos producido?... 2 por cada compuestos de 3 carbonos. ¿Y cuantos de estos se forman por glucosa?... 2… por lo tanto, ¿cuantas moléculas de ATP se sintetizan por glucosa?... 4. Como en la etapa 1 de la glicólisis se gastan 2 moléculas de ATP, la ganancia neta de energía es de 2 ATP.

Por lo tanto, la glucosa va a pasar a glucosa-6-fosfato gastando una molécula de ATP. La glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato y ésta después a fructosa-1,6-bifosfato, gastando otra molécula de ATP. La enzima que produce la primera trasformación se llama hexokinasa en músculo y glucokinasa en hígado. La glucosa-6-fosfato se va a transformar en fructosa-6-fosfato usando una enzima que se llama fosfogluco isomerasa y la enzima que transforma fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato se llama fosfofructo kinasa o PFK y esta enzima no es reversible por lo que se le llama encrucijada metabólica. Ahora, la aldolasa va a degradar la fructosa-1,6-bifosfato en dihidroxicetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato y luego la isomerasa va a transformar la dihidroxicetona fosfato en gliceraldehído-3-fosfato. Luego, éste se transforma en 1,3-bifosfoglicerato que luego se transforma, gracias a una fosfoglicerato kinasa, en 3-fosfoglicerato produciendo ATP. El 3-fosfoglicerato se transforma a 2-fosfoglicerato, e 2-fosfoglicerato a fosfoenol piruvato y el fosfoenol piruvato a piruvato, gracias a la piruvato kinasa, produciendo ATP nuevamente. Esta última enzima tampoco es reversible, al igual que la hexokinasa que tampoco lo es.

Estas 3 enzimas no reversibles, nos dan 3 pasos para mantener un control sobre la glicólisis.

Por lo tanto, en la glicólisis se producen 2 protones y 4 electrones que son transferidos a una molécula de NAD+, para formar una molécula de NADH. La molécula de NAD+, que es nicotinamida adenina dinucleótido, tiene un azúcar unido a una ribosa, unida a una nicotinamida. Esta nicotinamida en el ciclo o anillo, tiene un protón y este es el estado oxidado del NAD que se llama NAD+. Cuando la enzima deshidrogenada le entrega un protón o le entrega electrones, se colocan a nivel del ciclo de nicotinamida 2 protones, lo que hace que pase de un estado NAD+ a un estado NADH. Entonces, NAD+ es el estado oxidado y NADH el estado reducido. Esta molécula es crucial en e metabolismo, porque es la que nos va a entregar poder reductor a la cadena transportadora de electrones.

Por lo tanto, la glucosa más el fosfato inorgánico más el ADP más el NAD+ van a producir 2 moléculas de piruvato, 2 ATP, 2 NADH, 2 protones y 2 moléculas de agua.

24

Ya… llegamos a piruvato en a glicólisis y hay oxígeno en la célula, entonces se va a producir acetil CoA y esto va a ir a una oxidación a través del ciclo de Krebs, mecanismo que vamos a ver en la próxima clase. Pero lo importante es qué pasa en ausencia de oxígeno. En este caso, se produce un fenómeno que se conoce como fermentación. La pregunta es ¿por qué se produce fermentación? En levaduras la fermentación produce etanol y en bacterias y mamíferos produce lactato o ácido láctico.

El objetivo centra de a fermentación, ya sea llevada a cabo en una bacteria, en una levadura o en el músculo, es poder volver a regenerar el NAD+. El NAD+ era necesario para fosforilar el gliceraldehído-3-fosfato. Si en el citosol hay sólo NADH, se bloquea o se detiene la glicólisis, por lo tanto es necesario regenerar el NAD+ para que se pueda seguir produciendo ATP en el proceso glicolítico, por lo tanto, la fermentación en el músculo va a tomar el piruvato, va a producir ácido láctico y va a transformar el NADH en NAD+ utilizando una enzima que se llama lactato deshidrogenasa. En la levadura el proceso es un poco más complejo. Vamos a pasar de piruvato a acetaldehído y del acetaldehído a etanol y ahí vamos a regenerar el NAD+. Por lo tanto, la fermentación ocurre en condiciones anaeróbicas, en el cual la glucosa va a generar piruvato y el piruvato, en músculo, va a producir ácido láctico y en levadura va a producir etanol y CO2. La enzima encargada de la transformación de piruvato a ácido láctico es la lactato deshidrogenasa y en el caso de las levaduras, va a pasar a acetaldehído gracias a una piruvato descarboxilasa. Qué hace esta enzima… saca un CO2 y transformar una molécula de 3 átomos de carbono a una de 2 átomos de carbono y el acetaldehído lo vamos a transformar a etanol, reduciendo este aldehído a un alcohol a través de una alcohol deshidrogenada.

Por lo tanto, como último paso en la glicólisis en ausencia de oxígeno, el piruvato en una levadura es transformada a etanol y eso va a regenerar los NAD+ para re usarse en el proceso glicolítico. En el caso de un mamífero, de piruvato a lactato con una enzima que se llama lactato deshidrogenasa, pasando de NADH a NAD+.

25