Clase 1s 1 - Introduccion Metabolismo

BIOQUIMICA

Tema 1 Concepto de Bioquímica. Historia y actualidad de la Bioquímica. Importancia en Medicina. Introducción al Metabolismo. Catabolismo y anabolismo. Reacciones exergónicas y endergónicas

La Bioquímica Ciencia que estudia los constituyentes químicos de los seres vivos, sus funciones y transformaciones, es decir, estudia las bases moleculares de la vida.

Importancia en Medicina Conforme se ha avanzado en el conocimiento científico, se ha reconocido que gran parte de las enfermedades son consecuencia de alteraciones moleculares y que se requieren sólidos fundamentos bioquímicos para entender su fisiopatología, al diagnóstico y desarrollar una terapéutica adecuada. Todo ello ha contribuido al papel trascendental de la Bioquímica en Medicina. El objetivo general de la asignatura es proporcionar al alumno de Medicina una formación adecuada en los aspectos básicos de la Bioquímica.

BIOQUIMICA Curso en el que se describen las estructuras de las principales biomoléculas, incidiendo en la relación estructura-función de las mismas. El alumno deberá dominar la estructura proteica, la enzimología, la estructura y función de glúcidos,lípidos y ácidos nucleicos, así como las rutas del flujo de la información genética Respecto al Metabolismo , se estudian las principales rutas metabólicas concernientes a la degradación y biosíntesis de biomoléculas, los aspectos bioenergéticos, su regulación y la . interrelación que existe entre ellas. Conocimientos de Nutrición, se incorporan en los respectivos capítulos de Bioquímica.

BIOQUIMICA OBJETIVOS: DESCRIBIR Y EXPLICAR A NIVEL MOLECULAR  LOS CONSTITUYENTES QUÍMICOS DE LOS SERES VIVOS  SUS FUNCIONES  TRANSFORMACIONES  PROCESOS QUE LOS CONTROLAN

BIOQUIMICA MEDICA Permite al médico:  Comprensión y conservación de la Salud  Apreciación y tratamiento eficaz de la Enfermedad  Esclarecimiento de los mecanismos en los procesos patológicos  (Patogénesis) ---------bases bioquímicas y genéticas de la enfermedad

INTERRELACION ENTRE BIOQUIMICA Y MEDICINA BIOQUIMICA ACIDOS NUCLEICOS PROTEINAS

LIPIDOS

ANEMIA ENFER. GENETICAS FALCIFORME

ARTERIOESCLEROSIS

MEDICINA

CARBOHIDRATOS

DIABETES MELLITUS

SUGERENCIAS

Es cierto que la Asignatura es amplia pero.....si la toman en serio (quiero decir, leyendo la clase que les corresponde y estudiando cada día lo que se ha avanzado), comprenderán que no es difícil y les va a ser útil a lo largo de toda su vida profesional.

La Bioquímica y Los estudios de Medicina El organismo sano El organismo enfermo Las enfermedades

El organismo sano Estructura: Embriología Anatomía Histología

Función: Bioquímica Fisiología

El Organismo Enfermo Estructura: Anatomía patológica

Función: Fisiopatología

Las Enfermedades Patología:

Clínica:

Etiología Patogenia An.Patológica Fisiopatología

Diagnóstico Pronóstico Tratamiento

Los estudios de Bioquímica  Introducción Biomoléculas Enzimología y Bioenergética Metabolismo Biología Molecular

Nutrición . En cada Capítulo se introducen Temas de Nutrición relacionados con el Capítulo

Historia de la Bioquímica, 1 Antigüedad clásica - Edad Media Elementos de Empédocles:

Agua Aire Fuego Tierra

Los humores de Galeno

Flema Bilis Sangre Bilis Negra

Los Temperamentos

Flemático Colérico Sanguíneo Melancólico

La enfermedad es δισκρασια (discrasia), esto es: una mezcla inadecuada de los humores

Historia de la Bioquímica, 2 El Renacimiento

Paracelso: Unión de Medicina y Alquimia

Van Helmont: la Yatroquímica

Historia de la Bioquímica, 3: La Ilustración - Scheele: los Productos Naturales: ácido úrico, ácido cítrico, ácido málico, etc. - Lavoisier: Equivalencia entre respiración y combustión - Spallanzani: La digestión como proceso químico

Historia de la Bioquímica, 4: El siglo XIX - Teoría atómica (Dalton) - Catálisis (Berzelius) - Las Fermentaciones: Liebig, Schwann, Pasteur

Historia de la Bioquímica, 5: Siglo XX, 1900-1950 - Büchner y la fermentación acelular - Harden y los sistemas acelulares - Enzimología: Northrop, Künitz, Sumner - Metabolismo: Embden, Meyerhof, Krebs, Warburg, Lipmann

CAMINO A LA BIOQUIMICA MODERNA Núcleo celular Teoría Celular Genética Descubrimiento del DNA

1830 1850

Descripcion Fermentación

Genética de Drosophila 1910

Función del DNA Rayos X (Cristales proteína) Enz. de Restricción RNA Catalítico Terapia Génica

Química para describir Biología

1870 1890

Microscopio electrónico

Síntesis Urea

1930 1950

Cristalización Ureasa Descripción Glicolisis Descripción Ciclo TCA DNA doble hélice Código Genético

1970

DNA Recombinante

1990

PCR

Historia de la Bioquímica, 6: El siglo XX, 1950-2000 La Biología Molecular: - Estructura tridimensional del DNA - Estructura tridimensional de las proteínas - Genómica - Proteómica

Historia de la Bioquímica

La importancia y avances quedan de manifiesto en las publicaciones que se aprecian a diario a nivel de Revistas Científicas y en el interés mundial por los nuevos descubrimientos PremioS Nobel a Bioquímicos ( Química, Medicina y Fisiología) Varios Premios Nobel relacionados con el ATP

ATP Y PREMIOS NOBEL Año

PREMIO NOBEL

1953

MEDICINA

Premiado

Campo de Estudio

H. A. Krebs

ATP era el portador universal de la energía química, a través de sus enlaces fosfato ricos en energía. (Por sus investigaciones sobre el Metabolismo compartido con Fritz A. Lipman )

Fritz A. Lipman

1957

QUÍMICA

Alexander Todd

Síntesis química del ATP.

1963

MEDICINA

Alan Hodgkin Andrew Huxley Sir John Eccles

Mecanismo de la bomba de sodio y funcionamiento neuronal

1978

QUIMICA

Peter Mitchell

1997

QUÍMICA

Paul d. Boyer John E. Walker Jens C. Skou

Hipótesis quimiosmótica, que explicaba como se formaba el ATP, mediante la enzima ATP sintasa, gracias a la existencia de un gradiente de protones a un lado y a otro de la membrana interna mitocondrial ATP sintasa y Síntesis del ATP ( compartido con John E. Walker y Jens C. Skou ) Estructura tridimensional cristalográfica de la ATP sintasa. Descubrimiento de la bomba sodio/potasio dependiente de ATP, y su misión es mantener un adecuado balance de iones sodio y potasio entre el interior y el exterior celular

METABOLISMO

METABOLISMO

TODOS LOS ORGANISMOS ESTAN FORMADOS POR LOS MISMOS TIPOS DE SUSTANCIAS, MAS O MENOS EN IDENTICAS PROPORCIONES, QUE REALIZAN LOS MISMOS TIPOS DE FUNCIONES GENERALES

El METABOLISMO es el conjunto de reacciones químicas con las que los seres vivos adquieren, producen y utilizan energía para sus diferentes funciones El metabolismo tiene cuatro FUNCIONES específicas: 1. Obtener energía química de la degradación de los nutrientes. 2. Convertir las moléculas nutrientes en precursores. 3. Sintetizar las macromoléculas biológicas necesarias para la célula. 4. Sintetizar o degradar biomoléculas, necesarias para ciertas funciones celulares.

METABOLISMO

Casi toda la energía que se utiliza para mantener la vida en la tierra proviene del sol. Sin embargo, ningún ser vivo puede realizar directamente sus funciones con la energía luminosa. Si bien la glucosa es el combustible por excelencia de los seres vivos, no es posible lograr que una fibra muscular se contraiga directamente agregando glucosa. Por lo tanto, fue necesario que los seres vivos desarrollaran procesos adecuados, para obtener moléculas combustibles que pudieran ser utilizadas por la célula.

METABOLISMO: SUMA DE LAS REACCIONES QUIMICAS DE UN ORGANISMO

REACCION QUIMICA: ES UN PROCESO POR EL CUAL UNO O MAS COMPUESTOS SON COMVERTIDOS O CAMBIADOS A UNO O MAS COMPUESTOS DIFERENTES

2H2 + O2

2H2O

REACCION QUIMICA: ATP + GLUCOSA

GLUCOSA-G-P + ADP

REACCIONES QUIMICAS  LAS REACCIONES QUIMICAS QUE CONSTITUYEN EL METABOLISMO DE UN ORGANISMO VIVO ESTAN ORGANIZADAS EN SECUENCIAS ESPECIFICAS LLAMADAS VIAS METABOLICAS  LOS INTERMEDIARIOS QUIMICOS DE ESTE PROCESO SE DENOMINAN METABOLITOS  ALGUNAS VIAS PARTICIPAN EN REACCIONES TANTO CATABOLICAS COMO ANABOLICAS LLAMANDOSE VIAS ANFIBOLICAS

VIAS METABOLICAS CATABOLICAS

ANFIBOLICAS

ANABOLICAS

Las transformaciones energéticas de los seres vivos involucran reacciones del tipo EXERGÓNICAS Y ENDERGÓNICAS EXERGÓNICAS: Son reacciones que al ocurrir liberan energía. ENDERGÓNICAS: Son reacciones que para que ocurran requieren un aporte de de energía.

Las enzimas actúan como catalizadores biológicos. El ATP es la “ moneda “ universal de energía en los seres vivos

Los organismos vivos deben mantener un alto nivel de orden, para cumplir funciones como alimentación, crecimiento y desarrollo Este orden se mantiene mediante la extracción de energía, a partir de la materia prima

Hay reacciones exergónicas que se utilizan para realizar las endergónicas. Esta energía será en forma de ATP.

Cómo obtienen las células la energía y el poder reductor a partir de su entorno? Cómo sintetizan las células los componentes fundamentales de sus macromoléculas?

NH N

N

=

=

=

O O O -O P O P O P O CH2 N o -O -O -O H H H H

2

N

HO OH

ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)

El metabolismo comprende: •

Catabolismo: conjunto de todas las reacciones de degradación, normalmente oxidación. Se formarán productos más simples y se generará ATP al degradar las moléculas. También se obtienen precursores que luego se usan para sintetizar componentes celulares.

b) Anabolismo: reacciones en las que se sintetizan todos los componentes celulares. Requiere gasto de energía, es impulsado por el ATP obtenido en el catabolismo. Sólo los fotosintéticos pueden sintetizar glucosa a partir de CO2. El catabolismo se caracteriza porque todas las rutas son convergentes, se va reduciendo el número de intermediarios y al final, si lo oxidamos todo obtenemos CO2. El anabolismo es divergente, a partir de unos pocos intermediarios se sintetizan todos los componentes de la célula.

Una vía metabólica es un conjunto de reacciones secuenciales consecutivas que tienen como finalidad formar determinado producto (Ej. la glicolisis).

Características de las vías metabólicas.

-Todas son irreversibles y globalmente exergónicas. -Las rutas en los dos sentidos nunca pueden ser iguales porque si lo fuesen uno de los dos nunca se podría realizar. Los pasos distintos permiten asegurar los procesos en los dos sentidos. Hay muchos pasos comunes. -Las rutas metabólicas están localizadas en unos compartimentos específicos lo que permite regular muy bien las rutas. -Todas las rutas tienen un paso que las compromete. Esto quiere decir que hay una reacción, que suele estar al principio de una ruta, que es irreversible y desprende mucha energía. - Todas las rutas están reguladas. Con regular el paso limitante es suficiente y no será necesario controlar todas las reacciones de la ruta.

COMBUSTIBLE REDUCIDO

COMBUSTIBLE OXIDADO

CATABOLISMO

NADP- OXIDADO

NADP- REDUCIDO REACCIONES BIOSINTETICAS REDUCTORAS

PRODUCTO BIOSINTETICO REDUCIDO

PRECURSOR OXIDADO

Nutrientes productores de energía

Macromoléculas celulares Proteínas Polisacáridos Lípidos Acidos nucléicos

Glúcidos Grasas Proteínas

Catabolismo

ADP +HPO4-2 NAD+ NADP+

ATP NADH NADPH

Productos finales poco energéticos CO2 H2O NH3

Energía química

Anabolismo

Moléculas precursoras Aminoácidos Azúcares Acidos Grasos Bases nitrogenadas

METABOLISMO CONJUNTO DE REACCIONES QUIMICAS QUE TIENEN LUGAR DENTRO DE LOS ORGANISMOS

Por el metabolismo se produce utilización de ENERGETICOS

CARBOHIDRATOS

PROTEINAS

LIPIDOS

PARA FINES

ESTRUCTURALES

INFORMACIONALES

• Catabolismo : – Degradación de moléculas orgánicas complejas a moléculas más simples, Ej. respiración

•Anabolismo – Síntesis de moléculas orgánicas complejas, a partir de moléculas simples Ej: fotosíntesis

Metabolismo Reacciones Metabólicas producen diferentes procesos vitales.. – Fotosíntesis – Respiración – Movimiento – Crecimiento – Reproducción

ANABOLISMO  SINTESIS ENZIMATICA DE COMPONENTES MOLECULARES GRANDES (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos) A PARTIR DE MOLECULAS PRECURSORAS SENCILLAS.  NECESITA ENERGIA (ATP) POR AUMENTO Y COMPLEJIDAD DE SU ESTRUCTURA.

DIFERENCIAS ENTRE CATABOLISMO Y ANABOLISMO CATABOLISMO

ANABOLISMO

 DEGRADATIVO

 SINTETICO

 NATURALEZA OXIDATIVA

 NATURALEZA REDUCTORA

 PRODUCE ENERGIA

 REQUIERE ENERGIA

 VARIEDAD DE COMPUESTOS INICIALES

 COMPUESTOS INICIALES BIEN CONOCIDOS

 CON PRODUCTOS FINALES DEFINIDOS

 CON VARIEDAD DE PRODUCTOS FINALES

BIOMOLECULAS INORGÁNICAS: H2O ORGANICAS: Proteínas, carbohidratos, ácidos nucléicos, lípidos. BIOELEMENTOS O C H

N P S

Conocer la estructura de las biomoléculas es importante, porque permite:

Predecir su modo de actuar en las células Entender aquellas moléculas que no tienen una correcta estructura y que generan enfermedades Diseñar medicamentos que actúen uniéndose a las biomoléculas de bacterias o virus para poder bloquearlas

Biomoléculas

Alimentos

Trabajo Anabolismo celular Catabolismo

Energía luminosa (Fotos.) Energía

Bloques de construcción

Desechos

GRASAS Acidos grasos y Glicerol

POLISACARIDOS Glucosa y otros azúcares

PROTEINAS Aminoácidos

ACETIL CoA

HSCoA ATP

ADP

Fosforilación oxidativa

e

-

Ciclo de Krebs

CO2

Nutrientes productores de energía

Macromoléculas celulares Proteínas Polisacáridos Lípidos Acidos nucléicos

Glúcidos Grasas Proteínas

Catabolismo

ADP +HPO4-2 NAD+ NADP+

ATP NADH NADPH

Productos finales poco energéticos CO2 H2O NH3

Energía química

Anabolismo

Moléculas precursoras Aminoácidos Azúcares Acidos Grasos Bases nitrogenadas

ANABOLISMO Y CATABOLISMO SON PROCESOS COMPLEMENTARIOS INTEGRADOS

(energía usada por la célula) Reacciones que consumen ATP PPi ATP

Pi Pi

ADP

Cinasa del adenilato

AMP

Pirofosfatasa

H2O Reacciones que generan ATP (energía producida por la célula)

Estrategia del metabolismo • La estrategia básica del metabolismo es sintetizar: ATP, poder reductor y precursores para la biosíntesis. Revisemos brevemente estos temas centrales: • El ATP es la unidad biológica universal de energía. El elevado potencial para transferir grupos fosforilos, capacita al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis.

El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. • El intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es el acetil-CoA. • La glucólisis es otro proceso generador de ATP, pero la cantidad que se forma es mucho menor. La glucólisis puede transcurrir durante un corto tiempo en condiciones anaeróbicas,

El NADPH es el principal dador de electrones en las biosíntesis reductoras.

• En la mayoría de la biosíntesis, los productos finales están más reducidos que sus precursores, y por ello requieren, además de ATP, un poder reductor, los cuales proceden normalmente del NADPH.

Las biomoléculas se construyen a partir de una serie relativamente pequeña de precursores.

Las vías biosintéticas y degradativas son diferentes. • Por ej. la vía de síntesis de ácidos grasos es diferente de la de su degradación. • Esta separación posibilita que las vías biosintéticas y degradativas sean termodinámicamente favorables en todo momento; • Esta separación contribuye, además, en gran manera a la efectividad del control metabólico

CONTROL DE LAS REACCIONES METABOLICAS  Las enzimas controlan la velocidad metabolismo: Niveles enzimáticos Modificación covalente Interacciones alostéricas  Compartimentación  Especializaciones de los órganos  Regulación hormonal

del

Control del metabolismo • Las Reacciones Metabolicas pueden ser controladas y aceleradas mediante enzimas. – Reacciones metabolicas serían bastante lentas, si ocurrieran en ausencia de enzimas

Modificación covalente: la enzima puede modificarse

-fosforilación

E

-adenilación

E

-ADP-ribosilación E

P AMP ADP-ribosa

Compartimentación Matriz mitocondrial:

Citosol:

Ciclo krebs Fosforilación oxid. β oxidación Formación c. cetónicos

Glicólisis Vía Pentosas- P Síntesis Ac. grasos

Interrelación: Gluconeogénesis Síntesis de la urea