Introducción al Metabolismo

Las células intercambian continuamente materia y energía con el entorno, introducen materia y la transforman con el objetivo de construir, renovar sus estructuras y conseguir la energía necesaria para sus funciones. Estas transformaciones que tienen lugar en la célula ocurren por medio de un conjunto de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, se denominan metabolismo.

Los objetivos del metabolismo son:

• 1. Obtención de energía útil (ATP) para la célula, a partir de la luz, de las sustancias inorgánicas (quimiosíntesis)o moléculas orgánicas.

• 2. Convertir nutrientes exógenos en precursores de macromoléculas.

• 3. Construcción de macromoléculas propias a partir de dichos precursores.

• 4. Formación y degradación de las macromoléculas de biomoléculas, como hormonas, neurotransmisores, proteínas y lípidos de membrana, etc.

Características del metabolismo

• Es muy frecuente que el producto de una reacción metabólica sea el sustrato de otra u otras, de tal manera que 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.

• 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.

• Cada una de las sustancias o moléculas que intervienen en las reacciones metabólicas se denomina metabolitos, como el ácido pirúvico, glucosa-6-fosfato, gliceraldehído, etc.

• 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. Por ejemplo:

• Citoplasma: Glucólisis, gluconeogénesis, glucogenogenesis, 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.

• El metabolismo está regulado por enzimas, que son específicas de cada metabolito o sustrato y actúan sobre cada reacción o etapa de cada ruta metabólica. Cada reacción o etapa tiene una enzima específica. A veces varias enzimas se asocian para aumentar su eficacia y constituyen complejos multienzimáticos como el de la piruvato deshidrogenasa, que actúa sobre el pirúvico al entrar en la mitocondria.

Si existe un mutación en el gen que codifica dicha enzima, esa ruta metabólica queda afectada, y provoca alteraciones metabólicas (enfermedades metabólicas). Garrod lo denominó "errores congénitos del metabolismo".

• La energía desprendida en las reacciones exotérmicas o exoergónicas se utiliza en las endoergónicas, transportándoles a moléculas especializadas, como el ATP.

• 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, hélice de Lynen, etc y 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.

Además unas rutas están relacionadas con otras (entrecruzadas) es decir, un metabolito puede intervenir en rutas distintas según las necesidades de la célula, como el ácido alfa cetoglutárico. Las conexiones entre distintas vías metabólicas constituyen el metabolismo intermediario.

• Casi todas las reacciones del metabolismo son reversibles, es decir, pueden transcurrir en ambos sentidos (reactivos ( productos).

Catabolismo y anabolismo

Hay dos tipos de reacciones en el metabolismo:

• Reacciones catabólicas o CATABOLISMO, en la que se transforman moléculas orgánicas complejas (polisacáridos, triglicéridos, proteínas, etc.) en otras más sencillas, orgánicas o inorgánicas, (pirúvico, láctico, amoníaco, CO2, etc.). En estas reacciones se libera energía contenida en los enlaces de estas macromoléculas, y es almacenada en los enlaces fosfato de alta energía del ATP. Es decir se pasa de moléculas con alto contenido energético (muy reducidas) a otras con escaso contenido (muy oxidadas). Catabolismo es sinónimo de destrucción o de degradación.

• Reacciones anabólicas o 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. Este ATP procede del catabolismo, de la fotosíntesis o de las quimiosíntesis.

Anabolismo es sinónimo de construcción o síntesis. Las nuevas moléculas son almacenadas para luego ser utilizadas o formar parte de la célula.

Hay rutas metabólicas anfibólicas, es decir, funcionan como anabólicas o catabólicas según las necesidades de la célula. El ejemplo típico es el TCA.

FASES DEL CATABOLISMO Y ANABOLISMO

Tanto el anabolismo como el catabolismo tienen lugar en tres fases:

CATABOLISMO

• FASE I: Las grandes macromoléculas se degradan en sus monómeros con enzimas específicos Ocurre fuera de la célula, como en la digestión.

• FASE II: Los monómeros son degradados por procesos específicos hasta Acetil-CoA. Se produce algo de ATP. Glucólisis, ?-oxidación, transaminación.

• FASE III: El Acetil-CoA es oxidado hasta CO2 y H2O,originando gran cantidad de NADH (PODER REDUCTOR) y ATP. Ocurre en la mitocondria . También se genera ATP en la fosforilación oxidativa.

Son rutas convergentes.

Las principales rutas catabólicas son:

• Anaeróbica (en el citoplasma): glucólisis, rotura de triglicéridos, desaminación y transaminación.

• Anaeróbica (en la mitocondria): transporte electrónica y ?-oxidación.

• Aeróbica (en la mitocondria): Fosforilación oxidativa.

ANABOLISMO

Comienza en la fase III por los pequeños compuestos originados en la fase III del catabolismo. En la fase II se forman los monómeros y en la fase I se forman los polímeros.

Por tanto son rutas divergentes.

Las principales rutas anabólicas son:

• De glúcidos: gluconeogenésis y glucogenogenesis.

• De lípidos: síntesis de ácidos grasos, glicerina y triglicéridos.

• De proteínas: traducción.

• De ácidos nucleicos: replicación y transcripción.

El catabolismo y anabolismo son simultáneos y son interdependientes, pero NO SON exactamente las mismas reacciones en sentido contrario, debido a varios motivos:

• Muchas reacciones catabólicas son irreversibles, es decir, no hay posibilidad de que ocurran en sentido contrario.

• Las rutas catabólicas y anabólicas pueden localizarse en distintos compartimentos

• La regulación enzimática es distinta en casi todas los procesos.

Ej: la síntesis de glucosa (gluconeogénesis) no es la inversa de la glucólisis.

TIPOS DE METABOLISMO

Todos los seres vivos necesitan materia para crecer y desarrollarse, requiriendo todo tipo de elementos. El elemento más importante es el carbono, ya que es el componente fundamental de todas las biomoléculas.

Si la fuente de carbono es el carbono inorgánico (CO2), que es la forma más oxidada del carbono, y lo convierten en materia orgánica, es decir, son capaces de convertir la MI en MO, el metabolismo de ese ser vivo es AUTÓTROFO o LITOTROFO. Si la fuente de carbono es materia orgánica (carbono más o menos reducido, como glucosas, grasa, etc), ya que no pueden transformar la MI en MO, el metabolismo es HETERÓTROFO u ORGANOTROFO.

Los seres vivos también necesitan energía. Si la fuente de energía es la luz (energía luminosa) el metabolismo es FOTÓTROFO (fotosintético) y el ser vivo hace fotosíntesis; si pueden utilizar la energía química, liberada en reacciones químicas de oxidación contenidas en moléculas que toman del exterior, el metabolismo es QUIMIOTROFO o quimiosintéticos. En los quimiotrofos la fuente de carbono y energía es la misma sustancia.

Combinando estos criterios, tenemos esta clasificación:

Papel de los nucleótidos de adenosina (ATP) y de piridina (NADH y NADPH) en el metabolismo

PAPEL DEL ATP

En el metabolismo hay reacciones que liberan energía y otras que la consumen. La liberación y el consumo no deben porqué ocurrir al mismo tiempo ni en el mismo lugar. En la célula existe un mecanismo que almacena y transporta la energía desde donde se produce hasta los que se consume. Este mecanismo consiste en la formación (almacena energía) y la ruptura de enlaces químicos (la libera). Dichos enlaces son los enlaces éster fosfóricos de alta energía (ricos en energía) del sistema ADP-ATP (o par ATP-ADP) entre el 2º y 3º y 1º-2º fosfatos.

Es decir, el ATP es un nucléotido que, aparte de su papel estructural como componente de los ácidos nucleicos, desempeña un papel crucial en el metabolismo, ya que es la manera más eficaz de almacenar y transportar energía. Por ello se le denomina moneda energética de la célula , aunque también se utilizan otros nucleótidos como el GTP, UTP, CTP. Este papel lo hace así:

• 1. Suministra energía para reacciones no espontáneas (biosíntesis, como la traducción, replicación) o funciones celulares como la contracción muscular, movimiento de cilios o el transporte activo.

Lo hace hidrolizando el primer fosfato (rompiendo el primer enlace éster-fosfórico), y por tanto perdiéndole, es decir, el ATP se desfosforila o se hidroliza. La energía liberada en esta hidrólisis es utilizada en las reacciones anteriores. Se dice que ambos procesos están acoplados.

Si lo necesita, de la misma manera el ADP también puede hidrolizar el segundo fosfato, y convertirse en AMP, liberando la misma cantidad de energía.

Al hidrolizarse cada fosfato del ATP libera mucha energía, unas 12 kcal/mol en las condiciones celulares, y en condiciones experimentales, unas 7,3 kcal/mol.

• Otra función del ATP es la activación de un metabolito para que pueda reaccionar en una vía metabólica, se hace con la fosforilación de dicha molécula, que consiste en la adición de un grupo fosfato a dicha molécula., como ocurre en el paso de la glucosa a glucosa-6.fosfato para iniciar la glucólisis.

• 2. Acumula energía, formando enlaces de alta energía. Se produce una síntesis de ATP por fosforilación del ADP, proceso no espontáneo que está acoplado a otros que sean muy exoergónicos, es decir, que liberan mucha energía, como la fosforilación oxidativa o fotofosforilación. Hay tres procesos en los que se sintetiza ATP a partir de ADP:

• 1. Fosforilación a nivel de sustrato. En este caso un sustrato rompe algún enlace rico en energía, esta se libera y se aprovecha para fosforilar el ADP. Interviene las quinasas. Esto ocurre en la glucólisis y en el ciclo de Krebs.

• 2. Fosforilación oxidativa, acoplada al transporte electrónico en la membrana interna de la mitocondria.

• 3. Fosforilación fotosintética o fotosfoforilación acoplada al transporte electrónico en los tilacoides de cloroplasto.

En los dos últimos casos intervienen una proteínas de membrana denominadas ATP-sintasa, o también partículas Fo (mitocondria) o CFO (cloroplasto). Fosfoforilan el ADP al aprovechar una corriente de protones que las atraviesa. Se explica con la hipótesis quimiosmótica de Mitchell.

PAPEL DEL NADH Y NADPH (NUCLEÓTIDOS DE PIRIDINA). PODER REDUCTOR

Muchas reacciones del metabolismo son procesos redox u oxidorreducción, es decir, una molécula se oxida y otra se reduce. Como un átomo de hidrógeno está formado por un electrón, perder un electrón equivale a perder un átomo de hidrógeno, y reducirse a ganarlo.

Hay una relación entre el contenido de hidrógenos de una molécula y la cantidad de energía que se puede obtener de ella. Cuanto mayor sea el contenido en hidrógeno 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. La energía de una molécula está en sus enlaces.

Así, los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más energía que la glucosa (C6H1206) y ésta mucho más que el CO2 (sin hidrógenos, es la forma más oxidada del carbono).

Los electrones arrancados a una molécula A debe ganarlos otra molécula B, y de una a otra son transportados por dos compuestos especializados en ello: NAD y FAD.

Estos dos nucleótidos actúan como coenzimas de enzimas deshidrogenasas u oxidasas y participan en el metabolismo como moléculas transportadoras de hidrógenos (electrones) en reacciones redox.

Cuando un sustrato se oxida, captan los electrones y se reducen, cuando un sustrato se reduce, se los ceden y se oxidan. Cuando estos coenzimas se reducen los ceden a otras moléculas aceptoras de hidrógenos ( o electrones). En el caso de la respiración aeróbica el aceptor final de electrones es el oxígeno, en el caso de la fermentación es el pirúvico.

Oxidación del sustrato

NAD : nicotin-adenin-dinucleótido

NADP nicotin-adenin-dinucleótido fosfato

FAD flavin-adenin-dinculeótido

Peden estar oxidados o reducidos. Se indican así:

Estado oxidado correctamente NAD+, NADP+, FAD, incorrectamente NAD, NADP.

Estado reducido correctamente NADH + H+, NADPH + H+ , FADH2, incorrectamente NADH2, NADPH2,

El NAD y FAD se utilizan en procesos respiratorios, y el NADP en la biosíntesis de moléculas orgánicas.

El catabolismo

Es la fase degradativa del metabolismo y su objetivo principal es la obtención de energía para la célula. En él las moléculas orgánicas son transformadas en otras más sencillas como CO2, agua, amoníaco, urea, ácido úrico, (residuos metabólicos) que son eliminados como productos de excreción.

En esta degradación, la energía contendida en los enlaces covalentes de estas moléculas es liberada y almacenado en los enlaces fosfato del ATP. Este ATP es utilizado posteriormente para el anabolismo o para realizar funciones celulares.

Las reacciones catabólicas son reacciones de oxidación, es decir, de pérdida de electrones. Las moléculas orgánicas (formadas sobre todo por C e H) se oxidan de dos formas: perdiendo hidrógenos (deshidrogenación) o incorporando oxígenos (oxigenación).

Tipos de catabolismo

• Según sea la molécula aceptora final de los electrones:

• Fermentación, si es una molécula orgánica, como el ácido pirúvico

• Respiración, si es inorgánico (si es el oxígeno y se convierte en agua se llama aeróbica o anaeróbica (si es el nitrato (se convierte en nitrito), el sulfato (se convierte en sulfito)

• Según el grado de oxidación de la molécula inicial

• Fermentación, si la oxidación es parcial o incompleta

• Respiración, si la oxidación es total o completa

En realidad estos dos criterios son equivalentes

Se puede degradar en el catabolismo los glúcidos, los lípidos y las proteínas

CATABOLISMO DE GLÚCIDOS

El glúcido más utilizado e importante para las células como fuente de energía es la glucosa. La glucosa tiene distintos procedencias(ver fotocopia):

BALANCE ENERGÉTICO DE LA FERMENTACIÓN

C6H12O6 —( 2 (CH3-CO-COOH) + 2 ATP+ 2 NADH+ + H+

BALANCE ENERGÉTICO FINAL DE LA RESPIRACIÓN

C6H12O6 + 6 O2 —( 6 CO2 + 6 H20 + 38 ATP

De los 38 ATP, 2 se forman en el citoplasma por glucólisis y 36 en la mitocondria por fosforilación.

De los 38 ATP, 4 se forman por fosforilación en el ámbito de sustrato y 34 por fosforilación OXIDATIVA

OTRO BALANCE:

Citoplasma ——glucólisis—— 2 ATP

Mitocondria (matriz)

Membrana interna

2 NADH 2 (de la glucólisis) ——–( 2 NADH2 = 6 ATP

2 ácido pirúvico (acetil CoA) …—-( 2 NADH2 = 6 ATP

Krebs 6 NADH2 = 18 ATP

2 FADH2 = 4 ATP

2 GTP = 2 ATP

TOTAL = 38 ATP

La respiración es similar a una combustión porque es la reacción entre una sustancia con el oxígeno, pero tiene dos diferencias:

La combustión es un proceso incontrolado, esto origina una enorme pérdida de energía útil. La respiración está controlada por enzimas, por lo que la energía se libera gradualmente y apenas se pierde.

En la combustión la energía se pierde en forma de calor y luz. En la respiración se pierde en forma de calor (poco) y nula en luz, casi toda se aprovecha y se almacena como energía química (ATP).

Enviado por:

Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

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Santiago de los Caballeros,

República Dominicana,

2015.

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