El documento habla sobre las rutas metabólicas y los ciclos de transferencia de energía. Explica que una ruta metabólica es una sucesión de reacciones químicas que convierten un sustrato inicial en productos finales a través de metabolitos intermedios. También describe los tipos de moléculas necesarias, la regulación y compartimentación de las rutas, y los principales tipos de rutas y procesos metabólicos como la glucólisis y fermentación.

2. ÍNDICE: I. Rutas metabólicas II. Ciclos de transferencia de energía Definición de una ruta metabólica Moléculas indispensables en una ruta metabólica Regulación de los procesos metabólicos Características de las vías metabólicas Compartimentación de las vías metabólicas a nivel subcelular Tipos de rutas metabólicas Tipos de procesos metabólicos Metabolismo Estrategias básicas del metabolismo a. Metabolismo intermedio b. Metabolismo energéticos c. Rutas centrales Ciclo del carbono Ciclo del oxígeno Ciclo del fósforo Ciclo del nitrógeno Ciclo del azufre Fuente de energía metabólica: la oxidación

3. ¿Qué es una RUTA METABÓLICA? Es una sucesión de reacciones químicas que conducen de un sustrato inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. Su conjunto da lugar al Metabolismo. A es el sustrato inicial D es el producto final B, C son los metabolitos intermediarios

4. Tipos de moléculas indispensables en el desarrollo de una Ruta Metabólica Metabolitos Nucleótidos Moléculas energéticas (ATP, GTP o Coenzima A) Moléculas ambientales (O 2 , H 2 O, CO 2 , etc.) A -> B -> C -> D -> E A -> B -> C -> // Disfunción de la enzima

5. Regulación de los procesos metabólicos 1. La cantidad o concentración de cada enzima. 2. La actividad catalítica de las enzimas. 3. La accesibilidad de los sustratos. 1. La cantidad o concentración de cada enzima. La cantidad de una enzima concreta depende tanto de su velocidad de síntesis como de la velocidad con que se degrada. En la mayoría de las enzimas su nivel es controlado, en primera instancia, mediante un cambio en la velocidad de transcripción del gen que las codifica. La velocidad de síntesis de algunas enzimas se acelera mucho en ciertas condiciones, de modo que la concentración real de la enzima aumenta substancialmente.

6. Regulación de los procesos metabólicos 2. La actividad catalítica de las enzimas. a. Control alostérico reversible. La primera enzima de la secuencia funciona como reguladora de la velocidad de todo el sistema y se denomina enzima reguladora o enzima alostérica. Habitualmente esta enzima es inhibida por el producto final de la secuencia, de tal modo que cuando se produce acumulación del producto final por sobre cierta concentración crítica, éste inhibe a la primera enzima de la secuencia (enzima reguladora), interrumpiendo o cerrando así ese segmento del metabolismo. Este tipo de inhibición se conoce como inhibición por producto final o retroinhibición (inhibición "feedback").

7. b. Modificación covalente reversible. Algunas enzimas tienen un mecanismo rápido de regulación que permite el pasaje de una forma activa a una forma inactiva. Un ejemplo de este tipo de regulación es la unión de un grupo fosfato a un – OH de un residuo de aminoácido de la molécula de enzima que permite la transformación de una forma en otra. Esta es una modificación covalente reversible. Regulación de los procesos metabólicos

8. 3. La accesibilidad de los sustratos. Tambien se puede regular el metabolismo mediante el control del flujo de sustratos. La transferencia de sustratos de un compartimiento de la celula a otro tambien puede servir como mecanismo de control. En los organismos susperiores el control metabolico se puede ejercer por regulacion hormonal. Regulación de los procesos metabólicos

9. Características principales de las Vías metabólicas Son 4 las características principales de las vías metabólicas, las cuales derivan de su función, que es la obtención de productos para ser utilizados por las células. Las vías metabólicas son irreversibles. Cada vía metabólica tiene una etapa obligada. 3. Todas las vías metabólicas son reguladas. 4. En las células eucariotas, las vías metabólicas se desarrollan en lugares específicos de las células. Las vías metabólicas son irreversibles. Son muy exergónicas de forma que sus reacciones son completas. Esta caracteristica confiere direccion a la via metabolica.

10. Características principales de las Vías metabólicas 2. Cada vía metabólica tiene una etapa obligada. Aunque las vias metabolicas son irreversibles, la mayoria de las reacciones que las componen funcionan proximas al equilibrio. Sin embargo, al principio de cada via, existe, generalmente, una reaccion irreversible (exergonica) que obliga al intermediario que produce a continuar a lo largo de la via. 3. Todas las vías metabólicas son reguladas. Es necesario regular el paso limitante de la velocidad, con objeto de ejercer un control sobre el flujo de metabolitos a traves de una via metabolica. 4. En las células eucariotas, las vías metabólicas se desarrollan en lugares específicos de las células. La sintesis de metabolitos en organulos subcelulares especificos hace que su transporte entre estos compartimientos sea una parte fundamental del metabolismo eucariotico.

11. Compartimentación de las vías metabólicas a nivel subcelular En el metabolismo tienen lugar muchas reacciones (muchas vías o rutas), que tienen lugar de forma simultánea, y para evitar interferencias entre ellas cada una ocurre en un compartimento celular (en un orgánulo), es decir, las rutas están compartimentalizadas , y con ello la eficacia enzimática es más eficaz. Citoplasma: Glucólisis, vía de las pentosas fosfato, síntesis de triglicéridos. Mitocondria: Ciclo de krebs, fosforilación oxidativa, b-oxidación de ácidos grasos, formación de cuerpos citónicos.

12. Tipos de las rutas metabólicas 1. Lineales: Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial) es diferente al producto final de la ultima reacción. 2. Ramificadas: Vías más complejas, que incluyen puntos de ramificación. Lineales Ramificadas Cíclicas Escalonada

13. 3. Cíclica: Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial. 4. Escalonado: se trata de reacciones de activación enzimática.

14. Tipos de Procesos metabólicos Rutas dependiendo de la finalidad Catabolismo Anabolismo Anfibólicas CATABOLISMO En la que se transforman moléculas orgánicas complejas (polisacáridos, triglicéridos, proteínas, etc.) en otras más sencillas, orgánicas o inorgánicas, (pirúvico, láctico, amoníaco, CO 2 , etc.), con liberación de energía. ANABOLISMO Es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras más sencillas, es decir, se crean nuevos enlaces, para ello es necesario un aporte de energía, el ATP.

16. Fases de los procesos metabólicos Fase I: en esta fase las grandes moléculas de los elementos nutritivos se degradan hasta los principales componentes. - Fase II: los numerosos productos distintos de la Fase I son recogidos y convertidos en un número pequeño de moléculas más sencillas. Así, las hexosas, las pentosas y la glicerina se degradan en el azúcar fosforilado de tres átomos de carbono, el gliceraldehído-3- fosfato y después hasta un compuesto sencillo de dos átomos de carbono, la acetilcoenzima A. Los aminoácidos diferentes son también degradados a acetil-coenzima A, alfa-cetoglutarato succinato, fumatato y oxalacetato. - Fase III: Los productos formados en la fase II pasan a la fase III que es el camino común final en el cual se oxidan a CO 2 + H 2 O.

17. FASE I Los polisacáridos son degradados a pentosas o hexosas, los lípidos a ácidos grasos, glicerina y otros componentes, y las proteínas a sus veinte aminoácidos constitutivos. FASE II Las hexosas, las pentosas y la glicerina se degradan en el azúcar fosforilado de tres átomos de carbono, el gliceraldehído-3- fosfato y después hasta un compuesto sencillo de dos átomos de carbono, la acetilcoenzima A. Los aminoácidos diferentes son también degradados a acetil-coenzima A, alfa-cetoglutarato succinato, fumatato y oxalacetato. FASE III Se oxidan a CO 2 + H 2 O.

18. Son rutas mixtas: catabólicas y anabólicas. Por ejemplo el Ciclo de Krebs que genera energía y poder reductor y precursores para la biosíntesis. La fase III, constituye un punto central o de ruta para ambos, es por eso que se le denomina Ruta Anfibólica por la doble función: Catabólicamente para producir la degradación completa de las pequeñas moléculas. Anabólicamente para suministrar moléculas pequeñas .

19. Características de los procesos catabólicos Características de los procesos anabólicos Reacciones degradativas Reacciones de síntesis Reacciones oxidativas Reacciones de reducción Reacciones exergónicas Reacciones endergónicas Procesos convergentes Procesos divergentes

20. Principales vías metabólicas CATABOLISMO Glucólisis Fermentación Respiración Catabolismo de lípidos Catabolismo de los prótidos Catabolismo de los aminoácidos ANABOLISMO Fotosíntesis (plantas) Quimiosíntesis Síntesis de aminoácidos Síntesis de glúcidos Síntesis de lípidos Síntesis de nucleótidos Gluconeogénesis ANFIBOLISMO Ciclo de Krebs

21. Metabolismo de carbohidratos

23. Metabolismo de lípidos

24. Metabolismo de aminoácidos

25. Conjunto de reacciones químicas que se dan en un organismo, catalizadas por un sistema enzimático cuya finalidad es el intercambio de materia y energía entre la célula y el entorno. Las finalidades del metabolismo son cuatro: Obtención de energía química de moléculas combustibles o de la luz solar absorbida (esto último en organismos fotosintéticos).

26. Ensamblaje de estos materiales para formar proteínas, ácidos nucleicos y otros componentes celulares. Formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones especializadas de la célula. Conversión de principios nutritivos exógenos en precursores de los componentes macromoleculares.

27. Existen dos principios importantes en el matabolismo: El metabolismo puede dividirse en dos categorías principales Catabolismo: procesos relacionados con la degradación de las sustancias complejas. Anabolismo: procesos relativos fundamentalmente a la síntesis de moléculas orgánicas complejas.

28. Nutrientes Productores de energía Glúcidos Grasa Proteínas Productos poco energéticos CO2, H2O, NH3 Degradativo, oxidativo Genera energía, produce ATP Los productos finales e intermedios son materias primas del anabolismo Genera desechos que se excretan al entorno.

29. Macromoléculas Celulares Proteínas ;Lípidos Polisacáridos ;ac nucleicos Moléculas Precursora Aminoácidos, azúcares, ácido grasos bases nitrogenadas . Sintético, reductivo Utiliza energía, consume ATP Los productos finales son materias primas del catabolismo Utiliza nutrientes del entorno.

30. 2 . Ambas categorías contemplan tres niveles de complejidad : Nivel 1 : Interconversión de polímeros y lípidos complejos con los intermediarios monoméricos Nivel 2 : Interconversión de los azúcares monoméricos, los aminoácidos y los lípidos con los compuestos organismos más simples Nivel 3 : Degradación final hasta compuestos inorgánicos como CO2, H2O y NH3, o la síntesis a partir de ellos mismo.

31. Dentro del metabolismo se utilizan tres términos importantes: 1.- Metabolismo Intermedio 2.- Metabolismo Energético 3.- Rutas Centrales.

32. Comprende todas las reacciones relacionadas con el almacenamiento y la generación de energía metabólica y con el empleo de esa energía en la biosíntesis de compuestos de bajo peso molecular y compuestos de almacenamiento de energía. Las reacciones que ocurren en este tipo de metabolismo no necesariamente están codificadas genéticamente, ya que la información necesaria para cada reacción está incluida en la estructura de la enzima que cataliza esa reacción.

33. Nivel 1: Interconvesión de polímeros y lípidos complejos con los intermediarios monoméricos Nivel 2: Interconversión de los azúcares monoméricos, los aminoácidos y los lípidos con los compuestos organismos más simples Nivel 3: Degradación final hasta compuestos inorgánicos como CO2, H2O y NH3, o la síntesis a partir de ellos mismo .

34. NIVEL 1 : Interconversión de Polímeros y Lípidos complejos en Intermediarios Monoméricos. POLISACÁRIDOS PROTEÍNA S LÍPIDOS AC. NUCLEICOS MONOSACÁRIDOS AC. GRASOS GLICEROL NUCLEÓTIDOS AMINOÁCIDOS

35. NIVEL 2 : Interconversión unidades monoméricas en moléculas más sencillas. NIVEL 3: Degradación final hasta compuestos inorgánicos como CO 2 , H 2 O, NH 3 M ONOSACÁRIDOS AC. GRASOS AMINOÁCIDOS AC. PIRÚVICO ACETIL CoA CETOÁCIDOS Ciclo de Krebs Fosforilación Oxidativa NH 3 Ciclo de la Urea NIVEL 2 NIVEL 3

37. Parte del metabolismo intermedio formado por rutas que almacenan o generan energía metabólica.

38. Comprende la oxidación de moléculas combustibles y síntesis de moléculas pequeñas a partir de los fragmentos resultantes. Están presentes en todos los organismos vivos. Dependiendo del origen de las moléculas combustible, los organismos se dividen: * Autótrofos * Heterótrofos.

39. I)ORGANISMO AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS(plantas) Polisacaridos,Lipidos,Proteinas AC.Nucleicos II)ORGANISMO HETERÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOS(animales) CO 2 Agua Dióxido de Carbono Otros nutrientes

40. Aerobios: Estos organismos tienen al oxígeno molecular como último aceptor de electrones de sus dadores electrónicos orgánicos

41. Aceptor  prod. reducido Procariotas (Ejemplos) NO 3 -  NO 2 -  N 2 Pseudomonas, Bacillus NO 3 -  NO 2 - Enterobacterias SO 4 2-  S 0  SH 2 Sulfatorreductoras ( Desulfovibrio, Desulfotomaculum ) fumarato  succinato Enterobacterias CO 2  CH 4 Arqueas metanogénicas Fe 3+  Fe 2+ Shewanella, Geobacter

42. Anaerobios: Los organismos anaerobios utilizan la respracion anaerobia, más comúnmente llamada fermentación . Existen diferentes tipos de fermentación en función de la ruta metabólica utilizada por los organismos anaerobios. se dividen en

43. Crecen en ausencia total de oxígeno porque necesitan un medio muy reductor. Utilizan respiración anaerobia donde los aceptores finales de electrones pueden ser generalmente SO 4 2- , Fumarato 2- o CO 3 2- .

44. Pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno. Utilizan al oxígeno como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria cuando está disponible, y en ausencia de oxígeno la energía la obtienen por fermentación o respiración anaerobia (generalmente el NO 3- es un aceptor final de electrones en las entero bacterias).

45. Que pueden vivir en presencia de oxígeno pero no hacen uso de él en forma alguna.

46. Si la energía procede de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de onda de la luz visible. Fototrofas fotolitotrofas : captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas. fotoorganotrofas : captan energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas

47. Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas de óxido-reducción . Quimiolitotrofas : captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas Quimiorganotrofas : captación de energía química a partir de sustancias orgánicas.

48. BACTERIAS DEL AZUFRE(Desulfovibrio) REACCIONES DE OXIDACIÓN S o H 2 S S 2 O 3 2- (tiosulfato) H 2 SO 4 H 2 S + 2 O 2  SO 4 2- + 2 H + S 2 O 3 2- + H 2 O  SO 4 2- + 2 H + Puede desalcalinizar suelos (Desulfovibrio)

49. BACTERIAS DEL NITRÓGENO REACCIONES DE OXIDACIÓN NH 3 a nitritos ( Nitrosomonas ) Nitritos a nitratos ( Nitrobacter ) 2 NH 4 + + 3 O 2  2 NO 2 - + 4H + + 2 H 2 O 2 NO 2 - + O 2  2 NO 3 - Puede ser absorbido por las plantas Nitrosomonas y Nitrobacter comparten el mismo habitat. Imprescindibles en el ciclo del nitrógeno. (Nitrosomonas)

50. OTRAS BACTERIAS DEL HIERRO ( Thiobacillus ferrooxidans) Fe 2+  Fe 3+ 4 Fe 2+ 4 H + + O 2  4 Fe 3+ + 2 H 2 O DEL HIDRÓGENO oxidan H 2 utilizan COMPUESTOS ORGÁNICOS (como fuente de C en vez de CO 2 ) tb. Son AUTÓTROFOS FACULTATIVOS

52. SUB CICLOS DEL CARBONO Ciclo biológico: Se refiere a un ciclo básico: - anabolismo -catabolismo CO2 Planta Herbívoro Carnívoro Ciclo biogeoquímico: Este ciclo Regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera.

57. Componente elemental de las proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas. Aunque el nitrógeno se halla en gran cantidad en la atmósfera, el nitrógeno atmosférico no puede ser utilizado por la mayor parte de las células vivas. Ciclo del nitrógeno

58. La fijación natural de nitrógeno se realiza a través de la refinada especialidad de ciertas enzimas que se encuentran en las bacterias Estas bacterias viven en las raíces de las plantas o a través de la fuerza bruta de las tormentas eléctricas. El 13% de toda la fijación de nitrógeno, se realiza industrialmente. Fijación natural del nitrógeno Los heterótrofos las utilizan como elementos nutritivos y devuelven el nitrógeno al suelo por medio de la excreción o por putrefacción después de su muerte. Los vegetales obtienen nitratos y lo transforman en amoniaco, aminoácidos y otros productos reducidos.

60. Los vehículos e industrias generan contaminantes como sulfato en los procesos de combustión La lluvia ácida cae y corroe los edificios y monumentos y le quita productividad al suelo. La contaminación cae de nuevo a la tierra en las precipitaciones pero como lluvia ácida. los principales contaminantes son dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno, que al reaccionar con el agua se convierten en trióxido de azufre y luego en Ácido sulfúrico. Estas partículas se van a la atmósfera donde reaccionan con el agua.

61. La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con el óxido de nitrógeno NO2 y el dióxido de azufre SO2 emitidos por fábricas, centrales eléctricas y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo, formando una solución diluida de ácido sulfúrico H2SO4 y ácido nítrico HN03. La radiación solar aumenta la velocidad de esta reacción. SO3+H2O --> H2SO4 2NO2 + H20 --> HNO3 + HNO2 FORMACIÓN DE LA LLUVIA ÁCIDA SO2;NO2 H2SO4;HNO3

62. Aporte enérgico que entra en la biosfera en forma, principalmente de energía luminosa la cual proviene del sol. Los organismos fotosintéticos capturan la energía solar convirtiéndola en energía química. Los heterótrofos utilizan estos productos como precursores de sus moléculas estructurales y como combustible.

64. FLEXIBILIDAD METABÓLICA Los organismos pueden ajustarse al tipo y cantidad de diversos elementos nutritivos asequibles en el entorno. Fuentes de C y Ni son convertidas por los enzimas en componentes que pueden ser aceptados en las rutas metabólicas. E. coli Esta flexibilidad es posible porque todas estas fuentes carbonadas son convertidas por las enzimas del organismo en componentes que pueden ser aceptados como combustibles en las rutas metabólicas centrales.

65. Glicólisis Ruta de nivel 2 para la degradación de los hidratos de carbono Ciclo del Ácido Cítrico Ruta de nivel 3 acepta compuestos de carbono sencillos para oxidarlos a CO2 Metabolismo de Lípidos Metabolismo de Aminoácidos Metabolismo de Ácidos Nucleicos Rutas de nivel 2 que aportan combustible al ciclo del ácido cítrico.

66. Existen rutas diferenciadas para biosíntesis y degradación: Ambas rutas rara vez son simples inversiones una de la otra, a pesar que empiezan y terminan con los mismos metabolitos. Pueden poseer intermediarios o reacciones enzimáticas comunes, pero se trata de secuencias de reacciones reguladas por mecanismo diferentes y enzimas diferentes. Además pueden ocurrir en compartimientos celulares independientes.

67. La existencia de rutas diferentes es importante por dos motivos: 1.- Para que una ruta se produzca en una determinada reacción debe ser exergónica en esa dirección. Su ruta inversa será endergónica. 2.- Existe la necesidad de controlar el flujo de metabolitos en relación con el estado bioenergético de una célula.

68. La regulación se da a través de: 1.- Actividad Enzimática : Regulando la concentración del sustrato y el control alostérico, capaz de cambiar la actividad catalítica en respuesta a moduladores inhibitorios o activatorios. 2.- Regulación hormonal: Establecida por los mensajes procedentes de otros órganos o tejidos. 3.-Compartimentación : Esto crea una división del trabajo en el interior de una célula. Lo cual aumenta la eficacia de la función celular. Además permite una regulación importante de los procesos.

69. Sistemas vivos Oxidaciones de sustratos orgánicos El oxígeno, que es el aceptor último de electrones para los organismo aerobios, es un oxidante potente y tiene una fuerte tendencia a atraer electrones quedando reducido en el proceso.

70. Nutrientes del entorno…….quimiotrófics Luz solar…………………….fotosintéticos TRABAJO Y ENERGÍA BIOLÓGICOS Transformaciones químicas en el interior de las células Trabajo Biológico * Biosíntesis (anabolismo) * Trabajo mecánico (contracción muscular) Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente) * Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso) etc . Productos Finales del Matabolismo (moléculas simples, CO2, H20) ENERGÍA AUMENTO DE LA ENTROPÍA TRANSDUCCIONES DE ENERGÍA

71. 1 ° M É TODO: ORGANISMO INTACTO

72. La perfusión del sistema vascular de órganos aislados tales como el hígado o el riñón con sangre o disolución salina tamponada que contenga un precursor metabólico, seguida del análisis químico del fluido obtenido en la perfusión , proporciona información valiosa sobre las rutas metabólicas. 2 °M É TODO: PERFUSI Ó N DEL SISTEMA VASCULAR DE Ó RGANOS AISLADOS

73. La disminución de la presión parcial del oxígeno sobre una suspensión de cortes de tejido se mide con un dispositivo manométrico: Warburg – Barcroft . 3°MÉTODO: DE LOS CORTES DE TEJIDOS SUPERVIVIENTES Y METODOS MANOMETRICOS Los tejidos se seccionan en finas lonjas, las células permanecen intactas. Los cortes se incuban en un medio tamponado con un metabolito determinado.

74. 4° METODO: DEFECTOS GENÉTICOS EN EL METABOLISMO-MUTANTES AUXÓTROFOS Existe un defecto en la biosíntesis de una enzima determinada. Tales deficiencias genéticas, si no son letales provocan la acumulación y excreción del sustrato de la enzima de defecto. Inducir las mutaciones con la radiación. En un organismo normal que no ha sufrido mutación, el intermediario no se acumulara, ya que experimentara su ulterior conversión metabólica. Auxótrofo. Organismo mutante (bacteria) que no crece en un medio mínimo pues necesita de la presencia de algún factor de desarrollo.

75. 5° MÉTODO: DE MARCAJE ISOTÓPICO Se emplea un metabolito marcado de modo que puedan seguirse sus transformaciones metabólicas. Se emplean isótopos estable s o radiactivos para marcar átomos de un metabolito determinado. Se emplea para determinar cual es la velocidad de los procesos metabólicos en los organismos intactos. Colesterol : acetato Glicina es precursor en síntesis de purinas y porfirinas.

76. 6°METODO: SISTEMA EXENTO DE CÉLULAS El método consiste en estudiar las dispersiones de células o de tejidos en las que la membrana se ha roto y el contenido celular se ha liberado. Si la membrana celular se rompe con homogenización suave en disolución isotónica de sacarosa, los órganos subcelulares, tales como los núcleos, las mitocondrias y los lisosomas, y las estructuras supramoleculares tales como las ribosas, permanecen intactas y pueden aislarse por centrifugación directa del homogenado. Estas funciones pueden ensayarse “in vitro” para determinar su capacidad de catalizar una secuencia metabólica determinada .