modulo vi. metabolismo

MODULO VI. METABOLISMO
Al observar una célula al microscopio óptico es difícil imaginar que, en algo tan
pequeño y aparentemente sencillo, puedan ocurrir tan complejos e intrincados
procesos metabólicos como los que hoy conocemos. Muchas de esas reacciones
son además mutuamente incompatibles y para que las diferentes rutas metabólicas
operen en armonía, es imprescindible un control riguroso mediante diferentes
enzimas específicas, y que las distintas rutas ocurran, en muchos casos, en
compartimentos celulares separados (orgánulos celulares). Todos los procesos
metabólicos se pueden clasificar en dos tipos: procesos anabólicos, o de síntesis, y
procesos catabólicos, o de degradación. Se puede decir que el anabolismo se inicia
con la síntesis de los primeros compuestos orgánicos a partir de sustancias
inorgánicas, mediante la fotosíntesis o la quimiosíntesis. Esos primeros pasos
anabólicos sólo los pueden realizar los organismos autótrofos. Luego, a partir de
moléculas orgánicas simples, se formarán, mediante diferentes rutas anabólicas,
todos los componentes orgánicos de los seres vivos.
El catabolismo se puede iniciar con la descomposición de muy diferentes
sustancias orgánicas, pero, al final, la mayoría de las rutas catabólicas confluyen en
la respiración celular, a través de la cual los compuestos orgánicos se terminan por
degradar en sustancias inorgánicas.
Naturalmente, muchas de las reacciones químicas, tanto anabólicas como
catabólicas, implican transformaciones energéticas, y los procesos que liberan
energía (en general los catabólicos) se acoplan a los que la consumen (en general
los anabólicos)
Figura 1: Esquema simplificado de los principales procesos anabólicos y
catabólicos realizados por los organismos autótrofos y heterótrofos
A continuación se hace una análisis de la información básica de los procesos
metabólicos, la información para los apartados de energía y metabolismo,
fotosíntesis, glucólisis y respiración celular fue tomada de la siguiente fuente (1):
HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA
• Universidad Nacional del Nordeste •
Fac. de Agroindustrias, Saenz Peña, Chaco • Fac. Ciencias Agrarias, Corrientes
República Argentina • ©1998-2004. http://www.biologia.edu.ar
Consultas y sugerencias a los autores: Dr. Jorge Raisman y Dra. Ana Gonzalez
•
Reproducción autorizada únicamente con fines educativos citando su origen.
La información para el apartado de gluconeogénesis se obtuvo de (2):
INFORMACIÓN ACTUALIZADA EN ESPAÑOL PARA LA
ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE
DE ESTAS DISCIPLINAS CIENTÍFICAS.
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UNAM
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Última actualización: 15 de Octubre
de 2003
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Energía y metabolismo1
Energía
Es la capacidad de realizar un trabajo. A pesar que existen varias formas de
energía: química, luminosa, mecánica, etc. , solo hay dos tipos básicos:
Potencial: es la capacidad de realizar trabajo como resultado de su estado o
posición. Puede estar en los enlace químicos, en un gradiente de concentración, en
un potencial eléctrico, etc.
Cinética: es la energía del movimiento, puede existir en forma de calor, luz, etc.
En términos bioquímicos, representa la capacidad de cambio, ya que la vida
depende de de que la energía pueda ser transformada de una forma a otra, cuyo
estudio es la base de la termodinámica. Sus leyes son aplicables a los sistemas
cerrados o aislados, es decir aquellos que no intercambian energía con el medio
que los rodea; las células son sistemas abiertos, o sea pequeñas partes de un
sistema cerrado mayor. Las leyes de la termodinámica expresan:
1º Ley: en un sistema aislado la energía no se crea ni se destruye, puede ser
transformada de una forma en otra.
2º Ley: no toda la energía puede ser usada y el desorden tiende a aumentar, lo
que se conoce como entropía.
Metabolismo
Cada célula desarrolla miles de reacciones químicas que pueden ser exergónicas
(con liberación de energía) o endergónicas (con consumo de energía), que en su
conjunto constituyen el METABOLISMO CELULAR. Si las reacciones químicas
dentro de una célula están regidas por las mismas leyes termodinámicas ...
entonces cómo se desarrollan las vías metabólicas?
1. Las células asocian las reacciones: las reacciones endergónicas se llevan a cabo
con la energía liberada por las reacciones exergónicas.
2. Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de
capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones
endergónicas.
3. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores
biológicos: ENZIMAS.
ATP: Reacciones acopladas y transferencia de energía
Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para sus reacciones en
ciertas moléculas, la principal es el: ATP, trifosfato de adenosina. Las células lo
usan para capturar, transferir y almacenar energía libre necesaria para realizar el
trabajo químico. Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA.
La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta energía
puede usarse para:
obtener energía química: por ejemplo para la síntesis de macromoléculas;
transporte a través de las membranas
trabajo mecánico: por ejemplo la contracción muscular, movimiento de cilios y
flagelos, movimiento de los cromosomas, etc.
Estructura del ATP: es un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada),
un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato.
Imagen modificada de http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/atpstruc.html
Note que las cargas altamente ionizables de los grupos fosfatos hacen que se
repelan unos de otros; por lo tanto resulta fácil separar uno o dos Pi (fosfatos
inorgánicos, forma corta del HPO42-) del resto de la molécula.
La hidrólisis del ATP da:
1. ATP + H2O ---> ADP + Pi
El cambio de Energía libre. G o' = -7,3 Kcal/mol --> muy exergónica (el
G de una célula viva está en - 12 Kcal/mol)
2. La hidrólisis del adenosín difosfato da: ADP + H2O ---> AMP + Pi
G o' = -7,2 Kcal/mol --> muy exergónica
Para sintetizar ATP (adenosín-trifosfato) a partir de ADP (adenosín-difosfato) se
debe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal. Las reacciones que,
típicamente suministran dicha energía son la reacciones de oxidación.
ADP + Pi + energía libre --> ATP + H2O
Síntesis del ATP
Las células requieren energía para múltiples trabajos:
Sintetizar y degradar compuestos
Transporte a través de las membranas (activo, contra el gradiente de
concentración).
Endocitocis y exocitosis.
Movimientos celulares.
División celular
Transporte de señales entre el exterior e interior celular
Esta energía se encuentra en las moléculas de ATP, en las uniones químicas de alta
energía de los fosfatos. Las moléculas de ATP se ensamblan en las mitocondrias a
partir del ADP y los Pi con la energía tomada de la ruptura de moléculas complejas
como la glucosa, que a su vez deriva de los alimentos ingeridos.
La Glucosa (C6 H12 O6) es el combustible básico para la obtención de energía,
muchos otros compuestos sirven como alimento, pero casi todos son
transformados a glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones
graduales, reguladas enzimáticamente, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico
(ingresado por respiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las
citadas moléculas para formar H2O. En cada oxidación se liberan gradualmente
pequeñas porciones de energía que son capturadas para formar el ATP. Si las
oxidaciones son fueran graduales, la energía se liberaría de manera violenta y se
dispersaría como calor.
En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesos
metabólicos:
GLUCÓLISIS: ocurre en el citosol, donde cada molécula de glucosa, con sus 6
átomos de Carbono, da lugar a dos moléculas de piruvato (de 3 átomos de
Carbono). Se invierten dos ATP pero se generan cuatro.
RESPIRACIÓN CELULAR: ocurre cuando el ambiente es aerobio (contiene O2)
y el piruvato se transforma en dióxido de Carbono (CO2) liberando la energía
almacenada en los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP.
FERMENTACIÓN: cuando el O2 está ausente, ambiente anaerobio, en lugar de
producir CO2 se producen otras moléculas como el ác. láctico o el etanol.
REDOX
Cuando los grupos fosfatos se transfieren al ADP para formar ATP, se está
almacenando energía. Otra forma es transferir electrones (e-), las reacciones se
denominan de oxidorreducción o reacciones redox.
La ganancia de uno o más e- por un átomo, ión o molécula --> REDUCCIÓN
la pérdida de uno o más e- por un átomo, ión o molécula --> OXIDACIÓN
Hay que tener en cuanta que una molécula se oxida o se reduce no solamente
cuando intercambia e-, sino también cuando intercambia átomos de Hidrógeno
(no iones H), ya que involucra transferencia de electrones: H = H+ + e- .
Por ello una oxidación siempre ocurre simultáneamente con una reducción.
Cuando un material se oxida, los e- perdidos se transfieren a otro material,
reduciéndolo.
reacción redox animada.
Parte de la energía presente en el agente reductor (cuando dona e-), se asocia con el
producto reducido, por lo que las reacciones redox son otra forma de transferencia
de energía.
Cofactores Redox
Durante las principales reacciones redox del catabolismo de la glucosa intervienen
dos moléculas intermediarias: NAD y FAD. Se denominan cofactores Redox:
alternativamente se reducen y luego se oxidan.
NAD: nicotinamida adenina dinucleótido. NAD+ en su forma oxidada y NADH
+ H cuando está reducido.
La concentración de NAD+ en la célula es pequeña; por lo tanto debe reciclarse
continuamente de la forma oxidada a la reducida y viceversa.
NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+
Estructura del NAD, imagen tomada de http://www.rrz.unihamburg.de/biologie/b_online/kegg/kegg/db/ligand/cpdhtm/C00003.html
FAD: flavina adenina dinucleótido. Transporta 2H, por lo que es FAD en su
forma oxidada y FADH2 cuando está reducido.
Otros cofactores Redox:
Ubiquinona (Coenzima Q) -- transporta 2H
Grupo Hemo (en los citocromos) -- transporta un electrón
Anabolismo ¿versus? Catabolismo
La actividad vital se manifiesta a través del metabolismo, las reacciones pueden ser
de dos tipos:
Reacciones anabólicas: destinadas a formar moléculas propias, por lo general
son reacciones de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples.
Esta reacción requiere energía.
Reacciones catabólicas: implican la disgregación y oxidación de las
biomoléculas, con su consecuente destrucción, obteniéndose energía en forma de
ATP en el proceso. Esta energía es la usada en las reacciones anabólicas.
La mayor parte de los usos de la energía en las células vivas comprenden pares de
reacciones asociadas con enlaces ATP. En la primera reacción la energía liberada
por medio de una reacción exergónica produce la síntesis de ATP, en la segunda, la
hidrólisis del ATP produce una reacción endergónica que requiere energía.
Cada reacción acoplada es catalizada por una enzima específica que coloca a las
moléculas a los canales de energía de ATP de manera adecuada.
El ATP es usado como donante de energía en muchas reacciones anabólicas (de
síntesis) acoplándose a las mismas en manera tal que el
reacción se produzca espontáneamente.
G sea negativo y la
Respiración celular: Conceptos unificadores
Mientras que la FOTOSÍNTESIS provee los carbohidratos necesarios para las
plantas (y los organismos de las cadenas alimenticias siguientes), la GLICÓLISIS y
la RESPIRACIÖN CELULAR son los procesos por los cuales la energía contenida
en los carbohidratos es liberada de manera controlada. Durante la respiración la
energía libre que se libera es incorporada en la molécula de ATP, que puede ser
inmediatamente reutilizado en el mantenimiento y desarrollo del organismo.
Desde el punto de vista químico, la respiración se expresa como la oxidación de la
gucosa:
C6H12O6 + 6 O2 +6 H20 --> 6 CO2 + 12 H2O
El cambio de energía libre es de 686 kcal por mol (180 gr.) de glucosa. A fin de
evitar el daño celular (la incineración por la cantidad de calor generado), la energía
es liberada en varios pasos:
GLUCÓLISIS: ocurre en el citosol, donde cada molécula de glucosa, con sus 6
átomos de Carbono, se oxida parcialmente dando lugar a dos moléculas de
piruvato (de 3 átomos de Carbono). Se invierten dos ATP pero se generan cuatro.
RESPIRACIÓN CELULAR: cuando el ambiente es aerobio (contiene O2) y
el piruvato se oxida totalmente a dióxido de Carbono (CO2), liberando la energía
almacenada en los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP. Se subdivide en
etapas:
Ciclo de los ác. tricarboxílicos (o del ác. cítrico): ocurre en la matriz de la
mitocondria
Cadena respiratoria: se lleva a cabo en las membranas mitocondriales.
FERMENTACIÓN: cuando el O2 está ausente (ambiente anaerobio), el piruvato
no produce CO2, sinó que se forman otras moléculas como el ác. láctico o el etanol.
Fotosíntesis1
La naturaleza de la luz
La luz blanca se descompone en diferentes colores (color = longitud de onda)
cuando pasa por un prisma. La longitud de onda se define como la distancia de
pico a pico (o de valle a valle). La energía es inversamente proporcional a la
longitud de onda: longitudes de onda larga tienen menor energía que las cortas.
Modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
La distribución de los colores en el espectro esta determinado por la longitud de
onda de cada uno de ellos. La luz visible es una pequeña parte del espectro
electromagnético. Cuanto más larga la longitud de onda de la luz visible tanto más
rojo el color. Asimismo las longitudes de onda corta están en la zona violeta del
espectro. Las longitudes de onda mas largas que las del rojo se denominan
infrarrojas, y aquellas mas cortas que el violeta, ultravioletas.
Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
La luz tiene una naturaleza dual: se comporta como onda y partícula. Entre las
propiedades de la onda luminosa se incluyen la refracción de la onda cuando pasa
de un material a otro. El efecto fotoeléctrico demuestra el comportamiento de la luz
como partícula. El zinc se carga positivamente cuando es expuesto a luz
ultravioleta en razón de que la energía de las partículas luminosas eliminan
electrones del zinc. Estos electrones pueden crear una corriente eléctrica. El sodio,
potasio y selenio tienen longitudes de onda críticas en el rango de la luz visible. La
longitud de onda crítica es la mayor longitud de onda (visible o no) que puede
causar un efecto fotoeléctrico. Albert Einstein desarrolló en 1905 la teoría de que la
luz estaba compuesta de unas partículas denominadas fotones, cuya energía era
inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz. La Luz por lo tanto
tiene propiedades explicables tanto por el modelo ondulatorio como por el
corpuscular.
Clorofila y Pigmentos accesorios
Modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento esta
dado por la longitud de onda no absorbida (y por lo tanto reflejada). Los
pigmentos negros absorben todas las longitudes de onda que les llega. Los
pigmentos blancos reflejan prácticamente toda la energía que les llega. Los
pigmentos tienen un espectro de absorción característico de cada uno de ellos.
La clorofila, el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, absorbe
todas las longitudes de onda del espectro visible, excepto las de la percepción
global del verde, detectado por nuestros ojos.
Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Tal como se observa en la fórmula, la clorofila es una molécula compleja que posee
un átomo de magnesio en el centro, mantenido por un anillo de porfirinas.
Numerosas modificaciones de la clorofila se encuentran entre las plantas y otros
organismos fotosintéticos (plantas, algunos protistas, proclorobacteria y
cianobacterias).
Los pigmentos accesorios que incluyen a la clorofila b (también c, d, y e en algas y
protistas) y los carotenoides, como el beta caroteno y las xantofilas (carotenoide de
color amarillo), absorben la energía no absorbida por la clorofila.
La clorofila a (R = --CHO) absorbe sus energías de longitudes de onda
correspondientes a los colores que van del violeta azulado al anaranjado-rojizo y
rojo.
Obtenida de: http://www.nyu.edu:80/pages/mathmol/library/photo.
Obtenida de http://www.nyu.edu:80/pages/mathmol/library/photo.
Los carotenoides y la clorofila b absorben en la longitud de onda del verde. Ambas
clorofilas también absorben en la región final del espectro (anaranjado - rojo), o sea
a longitudes de onda larga y menor cantidad de energía. El origen de los
organismos fotosintéticos en el mar da cuenta de esto. Las ondas de luz mas cortas
(y de mayor energía) no penetran mas allá de los 5 metros de profundidad en el
mar. La habilidad para obtener energía de las ondas mas largas (y penetrantes en
este caso) pudo constituir una ventaja para las primeras algas fotosintéticas que no
podían permanecer en la zona superior del mar todo el tiempo.
Si un pigmento absorbe luz pueden ocurrir una de estas tres cosas:
la energía se disipa como calor
la energía se emite inmediatamente como una de longitud de onda más larga,
fenómeno conocido como fluorescencia.
la energía puede dar lugar a una reacción química como en la fotosíntesis. La
clorofila solo desencadena una reacción química cuando se asocia con una proteína
embebida en una membrana (como en el cloroplasto) o los repliegues de
membrana encontradas en ciertos procariotas fotosintéticos como las
cianobacterias y ploclorobacteria.
Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
El tilacoide
El tilacoide es la unidad estructural de la fotosíntesis. Procariotas y eucariotas
poseen estos sacos/vesículas aplanados en cuyo interior se encuentran los
productos químicos que intervienen en la fotosíntesis. Solo los eucariotas poseen
cloroplastos (ver el siguiente esquema) con una membrana que los
rodea.
Modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Los tilacoides se apilan como panqueques (bah...., como tapas para empanadas,
para un ejemplo más folclórico) y las pilas toman colectivamente el nombre de
grana. El área entre las granas se denomina estroma. Observe el esquema del
cloroplasto y compárelo con el de una mitocondria, notará que esta tiene dos
sistemas de membrana mientras que el cloroplasto tiene tres, formando por lo
tanto tres compartimentos.
Etapas de la fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso que se desarrolla en dos etapas:
Reacciones lumínicas: es un proceso dependiente de la luz (etapa clara),
requiere de energía de la luz para fabricar ATP y moléculas portadoras de energía
NADPH reducido, a usarse en la segunda etapa.
Ciclo de Calvin- Benson: es la etapa independiente de la luz (etapa oscura), los
productos de la primera etapa mas CO2 son utilizados para formar los enlaces C-C
de los carbohidratos. Las reacciones de la etapa oscura usualmente ocurren en la
oscuridad si los transportadores de energía provenientes de la etapa clara están
presentes. Evidencias recientes sugieren que la enzima más importante de la etapa
oscura esta estimulada indirectamente por la luz, de ser así el termino no sería
correcto denominarla "etapa oscura". La etapa clara ocurre en la grana y la oscura
en el estroma de los cloroplastos.
6 CO2 + 12 H2O -->> C6H12O6 + 6 O2
Modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Etapa clara
En la etapa clara la luz que "golpea" a la clorofila excita a un electrón a un nivel
energético superior. En una serie de reacciones la energía se convierte (a lo largo de
un proceso de transporte de electrones ) en ATP y NADPH. El agua se
descompone en el proceso liberando oxígeno como producto secundario de la
reacción. El ATP y el NADPH se utilizan para fabricar los enlaces C-C en la etapa
oscura.
Los fotosistemas son los conjuntos de moléculas de clorofila y otros pigmentos
empaquetados en los tilacoides. En el "corazón" del fotosistema se encuentra la
clorofila que absorbe la luz para convertirse en una forma "activada". La energía
contenida en esta clorofila activada se utiliza para hacer funcionar la maquinaria
química de la cual depende gran parte de la vida.
Muchos procariotas tienen un solo fotosistema: el fotosistema II (si bien fue el
primero en la evolución, fue el segundo en descubrirse, de allí el II ). Los
eucariotas usan el fotosistema II más el fotosistema I.
El fotosistema I usa la clorofila a en una forma denominada P700. El Fotosistema II
usa una forma de clorofila conocida como P680. Ambas formas "activas" de la
clorofila a funcionan en la fotosíntesis debido a su relación con las proteínas de la
membrana tilacoide.
Modificado de la página de la University of Minnesota:
http://genbiol.cbs.umn.edu/Multimedia/examples.html.
La fotofosforilación es el proceso de conversión de la energía del electrón excitado
por la luz, en un enlace pirofosfato de una molécula de ADP. Esto ocurre cuando
los electrones del agua son excitados por la luz en presencia de P680. La
transferencia de energía es similar al transporte quimiosmótico de electrones que
ocurre en la mitocondria.
La energía de la luz causa la eliminación de un electrón de una molécula de P680
que es parte del Fotosistema II, el electrón es transferido a una molécula aceptora
(aceptor primario), y pasa luego cuesta abajo al Fotosistema I a través de una
cadena transportadora de electrones. La P680 requiere un electrón que es tomado
del agua rompiéndola en iones H+ y iones O-2. Estos iones O-2 se combinan para
formar O2 que se libera a la atmósfera.
La luz actúa sobre la molécula de P700 del Fotosistema I, produciendo que un
electrón sea elevado a un potencial mas alto. Este electrón es aceptado por un
aceptor primario (diferente del asociado al Fotosistema II).
El electrón pasa nuevamente por una serie de reacciones redox, y finalmente se
combina con NADP+ e H+ para formar NADPH, un portador de H necesario en la
fase independiente de la luz.
Electrón del fotosistema II reemplaza al electrón excitado de la molécula P700.
Existe por lo tanto un continuo flujo de electrones (no cíclico) desde el agua al
NADPH, el cual es usado para la fijación del carbono.
El flujo cíclico de electrones ocurre en algunos eucariotas y en bacterias
fotosintéticas. No se produce NADPH, solo ATP. Esto también ocurre cuando la
célula requiere ATP adicional, o cuando no hay NADP+ para reducirlo a NADPH.
En el Fotosistema II, el "bombeo" de iones H hacia adentro de los tilacoides (desde
el estroma del cloroplasto) y la conversión de ADP + P en ATP es motorizado por
un gradiente de electrones establecido en la membrana tilacoidea.
Flujo acíclico de electrones en los dos fotosistemas
Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Los diagramas superiores muestran una representación de la fotofosforilación.
Hoy se conoce que dicho proceso ocurre en la membrana del tilacoide y esta
asociado a la síntesis quimiosmótica del ATP (similar al de la mitocondria)
Modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Las halobacterias, arqueobacterias que se desarrollan en concentraciones salinas
extremas, son aeróbios facultativos, y pueden desarrollarse cuando el oxígeno esta
ausente. Un pigmento púrpura, conocido como retinal (también se lo encuentra en
el ojo humano, ¿la vida inventó dos veces el pigmento?) actúa de manera similar a
la clorofila. El complejo de retinal y las proteínas de la membrana se conoce como
bacteriorodopsina. El mismo genera electrones que establecen un gradiente de
protones que motoriza una bomba ADP-ATP, generando ATP con la luz solar sin
clorofila. Esto sostiene la idea que el proceso quimiosmótico es una forma
universal de fabricar ATP.
Reacciones independientes de la luz
Las reacciones que fijan carbono son también conocidas como reacciones "oscuras"
o reacciones "independientes de la luz". El anhídrido carbónico penetra en los
unicelulares y autótrofos acuáticos sin necesidad de estructuras especiales. Las
plantas terrestres deben protegerse de la desecación y han desarrollado aberturas
especiales denominadas estomas que regulan la entrada y salida del gas por las
hojas. El anhídrido carbónico de la atmósfera (o del agua en los organismos
acuáticos) es capturado y modificado por la adición de hidrógeno para formar
carbohidratos. (recuerde que la fórmula general de los carbohidratos es [CH2O]n ).
La transformación del anhídrido carbónico en un compuesto orgánico se conoce
como fijación del Carbono. La energía para ello proviene de la primera fase de la
fotosíntesis. Los sistemas vivientes no pueden utilizar directamente la energía de la
luz, pero pueden a través de una complicada serie de reacciones, convertirla en
enlaces C-C y, esta energía puede ser luego liberada por la glicólisis y otros
procesos metabólicos.
A fines de la segunda guerra mundial, en los laboratorios de Berkeley (California),
Melvin Calvin y sus colaboradores, usando Carbono-14 (del cual disponía en
abundancia) y las, entonces nuevas, técnicas de intercambio iónico, cromatografía
en papel y radioautografía "mapearon" completamente el ciclo del Carbono en la
fotosíntesis, por estos trabajos resultó laureado con el premio Nobel en 1961, y el
ciclo del carbono se conoce comúnmente como ciclo de Calvin, o de Calvin-Benson.
El Ciclo de Calvin (o de los tres carbonos) se desarrolla en estroma de los
cloroplastos (¿donde ocurrirá en los procariotas?). El anhídrido carbónico es fijado
en la molécula ribulosa 1,5 bifosfato (RuBP). La RuBP tiene 5 carbonos en su
molécula. Seis moléculas de anhídrido carbónico entran en el Ciclo de Calvin y,
eventualmente, producen una molécula de glucosa.
Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
El primer producto estable del ciclo es el ácido 3- fosfoglicérico (PGA), molécula de
tres carbonos. Globalmente 6 moléculas de RuBP (ribulosa bifosfato) se combinan
con 6 de anhídrido carbónico y dan 12 de 3-fosfoglicérico. La enzima que cataliza
esta reacción es la RuBP carboxilasa (la rubisco), posiblemente la proteína mas
abundante del mundo y se encuentra en la superficie de las membranas
tilacoideas.
La energía del ATP y el NADPH generados por los fotosistemas se usan para
"pegar" fosfatos (fosforilar) al 3-PGA y reducirlo a fosfogliceraldehido o PGAL,
también de tres carbonos.
Ciclo de Calvin. Imagen de www.ncbi.nlm.nih.gov
Del total de 12 moléculas transformadas, dos moléculas de 3-PGAL salen del ciclo
para convertirse en glucosa. Las moléculas restantes de PGAL son convertidas por
medio del ATP en 6 moléculas de RuBP (5 carbonos), que recomienzan el ciclo.
Recuerde la complejidad de los seres vivos, al igual que en el ciclo de Krebs cada
reacción es catalizada por una enzima específica.
Fotorrespiración.
La rubisco tiene una desventaja: tiene tanta facilidad para combinarse con el CO2
para activar la formación de azúcar como de combinarse con el Oxígeno y dar
glicolato---> y luego glicina, que termina ---> serina + CO2 en la mitocondria. Este
proceso llamado Fotorrespiración usa ATP y NADPH pero libera CO2 en lugar de
fijarlo.
La vía de 4 Carbonos
Algunas plantas han desarrollado un ciclo previo para evitar la Fotorrespiración,
donde la fijación del CO2 comienza en el fosfoenolpiruvato (PEP), molécula de tres
a 3-C, que se convierte en oxalacético de cuatro carbonos. El oxálico es convertido
en ácido málico (también de cuatro carbonos). Todo esto ocurre en las células del
parénquima clorofiliano del mesófilo y luego el ácido málico pasa a las células de
la vaina fascicular donde se desdobla nuevamente en PEP y anhídrido carbónico,
que entra en el ciclo de Calvin, mientras que el PEP vuelve a las células del
mesófilo. La glucosa formada puede ser transportada rápidamente al resto de la
planta.
Modificado de: University of Arizona's Bio 181 Page.
La captura del anhídrido carbónico por el PEP es mediada por la enzima PEP
carboxilasa, que tiene mayor afinidad por el anhídrido carbónico que la RuBP
carboxilasa.
Cuando los niveles de anhídrido carbónico bajan, la RuBP carboxilasa usa oxígeno
en vez de anhídrido carbónico, y el resultado es ácido glicólico. Este producto se
metaboliza en los peroxisomas (en presencia de luz y oxígeno) y este proceso se
conoce como fotorrespiración. No produce ATP ni NADPH, es a todas vista un
desmantelamiento del ciclo de Calvin lo cual reduce la eficiencia de la captura de
anhídrido carbónico.
Las plantas que usan la vía de 4 carbonos, a menudo crecen muy juntas, y deben
ajustarse a la disminución de anhídrido carbónico que este hecho implica. Lo hacen
aumentando la concentración de anhídrido carbónico en ciertas células para
prevenir la fotorrespiración.
Las plantas que usan la vía de los cuatro carbonos (por ejemplo caña de azúcar y
maíz) evolucionaron en los trópicos y están adaptadas a mayores temperaturas.
Note que el oxalacetato y el málico tienen funciones en otros procesos, por lo tanto
están presentes en todas las plantas, permitiendo a los científicos hipotizar que la
vía de los cuatro carbonos evolucionó independientemente muchas veces, en un
mecanismo denominado evolución convergente.
Modificada de: University of Arizona's Bio 181 Page.
Protección de las plantas contra el sol
El proceso fotosintético es más eficiente con niveles promedio de luz solar. A pleno
sol, especialmente a mediodía, las plantas absorben mucha más energía de la que
pueden usar. Si no encuentra una forma de dispersar la energía de una manera
segura la clorofila pasa a un estado hiperexitado, desde el cual su energía puede
transferirse al oxígeno dando como resultado "oxígeno singulet", un potente
oxidante, que puede causar daño indiscriminado a la planta e inclusive su muerte.
Entre los mecanismos antioxidantes para protección de las plantas se encuentran:
los carotenoides que son capaces de detoxificar a la planta del "oxígeno singulet"
capturando su energía y disipándola en forma de calor.
atenuación no fotoquímica de la energía solar, proceso en el cual interviene una
proteína que se encuentra asociada al fotosistema II conocida por las siglas PsbS.
EL CICLO DEL CARBONO
Las Plantas incorporan el anhídrido carbónico de la atmósfera y de los océanos al
transformarlo en compuestos orgánicos, convirtiendo la energía de la luz en
enlaces C-C. Las Plantas también producen anhídrido carbónico por su respiración.
Los animales producen anhídrido carbónico derivado de la utilización de los
hidratos de carbono y otros productos producidos por las plantas.
En el balance entre el consumo de anhídrido carbónico que realizan las plantas y la
producción del mismo por los animales intervine como "buffer" la formación de
carbonatos en los océanos, que remueve el exceso de anhídrido carbónico del aire y
del agua (ambos intervienen en el equilibrio del anhídrido carbónico).
Los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, como así también la madera
generan anhídrido carbónico al ser utilizados. La actividad humana incrementa en
grandes proporciones la concentración de anhídrido carbónico en el aire. Dado que
este, a diferencia de otros compuestos de la atmósfera absorbe el calor reflejado
desde la Tierra, incrementa la temperatura global y produce lo que ha dado
llamarse "efecto invernadero".
Glucólisis1
Del griego glycos: azúcar y lysis: ruptura. Es el primer paso de la respiración, es una
secuencia compleja de reacciones que se realizan en el citosol de la célula y por el
cual la molécula de glucosa se desdobla en dos moléculas de ác. pirúvico.
Es el ciclo metabólico más difundido en la naturaleza, también se lo conoce como
ciclo de Embden-Meyerhof . Se lo encuentra en los cinco reinos. Muchos
organismos obtienen su energía únicamente por la utilización de este ciclo. El
mismo esta catalizado por 11 enzimas que se encuentran en el citoplasma de la
célula pero no en las mitocondrias.
Recuerde que es el inicio de un proceso que puede continuar con la respiración
celular (si existe oxígeno) o con la fermentación (en ausencia del oxígeno)
Antes de empezar vea la animación de la glicólisis.
El ciclo se puede dividir en dos etapas:
1. Fase de inversión de energía: en esta etapa de preparación (fase de 6-carbonos)
se activa la glucosa con el agregado de dos grupos fosfatos provenientes del ATP ,
gasto neto = 2 ~Pi (o sea dos uniones de alta energía). La molécula de glucosa se
divide en dos moléculas de tres carbonos: el gliceraldehido-3-fosfato (G3P) y la
dihidroxiacetona fosfato, ésta última luego se transforma en G3P.
2. Fase de "cosecha" de energía: las dos moléculas de G3P se convierten finalmente
a 2 moléculas de ácido pirúvico o piruvato
Fase de oxidación (producción de energía): cada gliceraldehido-3-fosfato se
oxida, liberando ~ 100 kcal. Parte de la energía producida es temporariamente
guardada como NADH (reducido). Parte es usada para agregar un fosfato
inorgánico a la molécula de 3 carbonos para dar origen al ácido 1-3
difosfoglicérico. El resto de la energía se libera como calor.
En las reacciones que siguen los grupos fosfato de 1-3 difosfoglicérico son
cedidos (uno por vez) al ADP (adenosín difosfato) para formar ATP. Esto se conoce
como fosforilación a nivel de sustrato.
Dado que una glucosa produce dos moléculas de piruvato, la
"cosecha" total, en esta etapa, es de 4 ATP. Como se invirtieron 2
ATP en la primera etapa...
Balance neto:
glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+---> 2 piruvatos + 2 ATP + 2 (NADH + H+)
La energía total que se puede obtener de la glucosa por oxidación aeróbica es =
688 kcal/mol.
La energía total acumulada en 2 ATP = 2 x 7.3 = 14.6 kcal/mol
Esto es un ~ 2% de rendimiento, si se tiene en cuenta la posibilidad de oxidar
completamente la glucosa, es decir que el 98% de la energía potencialmente
disponible no es usada por la célula.
Los dos NADH + H+ pasan a la cadena de transporte de electrones en ambiente
aerobios y pueden dar mas ATP, recuperándose el NAD en su forma oxidada.
El Rol del NAD
¿Como resuelve la célula el problema de qué hacer con los electrones removidos
por las reacciones de oxidación?
1. El NADH (y el NADPH ) están presentes en muy pequeñas cantidades. A
menos que sean rápidamente oxidados nuevamente a NAD+ (o NADP+), se
detendrán las reacciones que los necesiten como coenzimas.
2. La célula debe encontrar un aceptor terminal para "sacarse de encima" los
electrones ¿Cuales son las opciones?
Respiración celular1
Es el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis
es desdobla a CO2 y H2O y se producen 36 ATP. En las células eucariotas la
respiración se realiza en la mitocondria. Se da en dos etapas:
OXIDACIÓN DEL PIRUVATO
CICLO DEL ÁC. TRICARBOXÍLICO
El "problema" con la fermentación es que, al usar moléculas orgánicas como
aceptores terminales de electrones y tener que eliminar como residuo al producto
resultante (ác. láctico / etanol), se pierde la energía potencial de esos compuestos.
La solución alternativa es usar alguna molécula no orgánica que pueda aceptar
electrones y convertirse así en una molécula reducida. El oxígeno es perfecto para
esto, porque luego de recibir los electrones se combina con dos protones
convirtiéndose así en el residuo líquido perfecto para el ambiente: H2O.
Nota: la respiración depende de la disponibilidad de receptor externo de los
electrones. Tan pronto como el mismo desaparece, la respiración cesa. A diferencia,
la fermentación, donde el aceptor es interno (por ej. piruvato) y es un producto del
desdoblamiento de la glucosa, el aceptor estará disponible en tanto exista alimento
para oxidar.
La Mitocondria y el Sistema transportador de electrones
Las reacciones se llevan a cabo dentro de la mitocondria. Recuerde que este
orgánulo de doble membrana presenta una matriz fluida rodeada por una
membrana con crestas y un espacio intermembrana limitado por la memb. interna
y otra externa.
Microfotografía electrónica de una mitocondria
Paso 1: Oxidación del piruvato
Es el lazo entre la glucólisis y la respiración celular Es un complejo de reacciones
catalizado por un sistema de enzimas localizado en la membrana mitocondrial
interna.
Resumen de los eventos:
El piruvato difunde hasta la matriz de la mitocondria, cruzando ambas
membranas.
Cada ác. pirúvico reacciona con la coenzima-A, desdoblándose en CO2 y un
grupo acetilo de dos carbonos que se une inmediatamente a la coenzima-A
formándo acetil coenzima-A (acetilCoA) que entrará al ciclo de los ác.
tricarboxílicos. En esta reacción se forma un NAD + H2
Nota: La Acetil-CoA puede también producirse a partir de lípidos ( por beta
oxidación) o del metabolismo de ciertos aminoácidos. Su formación es un nodo
importante del metabolismo central.
Paso 2: Ciclo de los ácidos tricarboxílicos
Este ciclo, también conocido como Ciclo de Krebs o Ciclo del ác. cítrico tiene
esencialmente la función de completar el metabolismo del piruvato derivado de la
glicólisis. Las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Krebs) están
localizadas en la matriz de la mitocondria (unas pocas de estas enzimas están la
membrana interna de la mitocondria). Su punto de partida es el Acetil-CoA,
obteniéndose CO2 y transportadores de electrones reducidos.
Detalles y animación del Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos
Para empezar el ciclo: Acetil-CoA (2-C) + oxalacetato (4-C) -------> + ácido cítrico
(6-C, tres grupos ácidos )
Etapas siguientes:Isomerización del citrato a isocitrato (6-C, tres grupos ácidos
1. Oxidación -------> alfa-cetoglutárico (5-C) + CO2 + NADH
2. Oxidación -------> succinil-CoA (4-C) + CO2 + NADH
3. Fosforilación a nivel de sustrato succinil-CoA (4-C) + GDP -------> succinato (4C) + GTP (Note: GTP con ADP se puede interconvertir en ATP)
4. La oxidación -------> fumarato (4-C) + FADH2
5. convierte el fumarato en maleato, una nueva oxidación -------> oxalacetato (4-C) +
NADH
Balance de un ciclo: Acetil-CoA (2-C) + 3 NAD+ + FAD -------> 2 CO2 + 3NADH +
FADH2 + ATP
Balance para una molécula de glucosa que se convierte en 2 piruvatos, luego en 2
Acetil-CoA y luego a CO2 en la vía el ciclo de los ácidos tricarboxílicos , con todo el
NADH y el FADH convertidos en ATP por la respiración:
1 glucosa + 38 ADP + 38 Pi -------> 6 CO2 + 38 ATP
Nota: 2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis. Para ser
transportados a la matriz mitocondrial para ser posteriormente oxidado por la
cadena transportadora de electrones, tienen que pasar por medio de transporte
activo al interior de la mitocondria , Esto "cuesta" 1 ATP per NADH.
Por lo tanto el balance final resulta en 36 ATP por glucosa y no 38 ATP.
Sencillo resumen del metabolismo
Balance del Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos
El ciclo de los ácidos tricarboxílicos completa la oxidación del carbono del piruvato
a su forma más oxidada (CO2); los electrones originalmente en los enlaces C-H
pasan por los portadores NADH y FADH para ser usados en la respiración.
La eficiencia de la respiración llega casi al 40%. de la energía presente inicialmente
en la molécula de glucosa, y es conservada en forma de ATP; el resto se libera
como calor
Si bien las células pueden transferir electrones directamente desde el NADH al
oxígeno, esto produciría directamente la liberación de la energía como calor. Si los
electrones se transfieren directamente al oxígeno:
NADH + O2 -------> NAD + H2O
Go' = - 52 kcal/mol
Si el NADH tiene ~52 kcal de energía, y solo son necesarias 7,3 kcal para hacer un
ATP, se puede calcular en 52/7,3 = ~ 7 ATP por NADH si la conversión de energía
fuese de un 100% de eficiencia. En la práctica las células han desarrollado sistemas
que le permiten obtener hasta un 40% de eficiencia (~3 ATP/NADH) bajo
condiciones óptimas.
Continuación: cadena respiratoria--> En este punto la célula ha ganado solo 4
ATP, 2 en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs, sin embargo ha capturado
electrones energéticos en 10 NADH2 y 2 FADH2. estos transportadores depositan
sus electrones en el sistema de transporte de electrones localizado en la membrana
interna de la mitocondria.
Al final del Ciclo de Krebs la célula ha ganado solo 4 ATP, 2 en la glucólisis y dos
en el ciclo de Krebs, sin embargo ha capturado electrones energéticos en 10
NADH2 y 2 FADH2. Estos transportadores depositan sus electrones en el sistema
de transporte de electrones localizado en la membrana interna de la mitocondria.
Cadena transportadora de electrones (CTE)
Es un sistema multienzimático ligado a membrana que transfiere electrones desde
moléculas orgánicas al oxígeno.
La CTE comprende dos procesos:
1. Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un
complejo de proteínas transportador ("carrier") a otro.
2. Los protones son translocados a través de la membrana, estos significa que
son pasados desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana. Esto
construye un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor terminal del
electrón, combinándose con electrones e iones H+para producir agua.
The University of Connecticut.
Los tres componentes de la cadena respiratoria son: 3 grandes complejos proteicos
con moléculas trasnportadoressa y sus enzimas correspondientes, un componente
no proteico: UBIQUINONA (Q) que están embebidos en la membrana y una
pequeña proteína llamada citocromo c que es periférica y se ubica en el espacio
intermembrana, pero afdosado laxamente a la memb. interna. En el animación
superior se muestra como el NADH transfiere iones H+ y electrones dentro de la
cadena transportadora de electrones. La secuencia de eventos:
1. Pasa los electrones a través de el 1º complejo (NADH-Q reductasa) hasta la
ubiquinona, los iones H+ traspasan la membrana hacia el espacio
intermembrana.
2. el 2º complejo (citocromo c reductasa) trasnsfiere electrones desde la Q a el
citocromo c, generando un nuevo bombeo de protones al exterior.
3. el 3º complejo es una citocromo c oxidasa, pasa los e- del citocromo c al
oxígeno, el oxígeno reducido (1/2 O2-) toma dos iones H+ y forma H2O.
Balance neto: los electrones entran a la CTE desde portadores tales como el NADH
o el FADH, llegan a la "oxidasa terminal" (una oxígeno-reductasa) y se "pegan" al
oxígeno.
Gradiente de protones y fosforilación oxidativa
Hipótesis Quimiosmótica (Peter Mitchell, 1961). A medida que los electrones
fluyen por la CTE, a ciertas etapas los protones (H+) son transferidos desde el
interior al exterior de la membrana. Esto construye un gradiente de protones ,
dado que las cargas + son retiradas del interior mientras que las -, permanecen en
el interior (en gran parte como iones OH- ), el pH en la cara externa de la
membrana puede llegar a un pH 5,5, mientras que el pH justo en la cara interna de
la misma puede llegar a 8,5 ---> la diferencia es de 3 unidades de pH , recuerde
que el pH es igual a - log. de [H] y por lo tanto 3 unidades de pH significan una
diferencia de concentración de H+ estimada en 1000 x entre ambas caras de la
membrana.
Y esto representa energía potencial acumulada como: Gradiente de protones=
fuerza móvil de protones ("protonmotive force"), y dado que la membrana es
básicamente impermeable a los protones, por lo tanto el gradiente no se desarma
por una constante re-entrada de los mismos, y teniendo en cuenta que la ATP
sintetasa complejo proteico (conocido también como "lollipops", complejo F1,
ATPasa mitocondrial) contiene el único canal para la entrada del protón, por lo
tanto a medida que los protones pasan por el canal, se produce la siguiente
reacción:
ADP + Pi ---> ATP.
Este proceso puede llamarse: fosforilación quimiosmótica (asumiendo que la
hipótesis quimiosmótica sea la correcta), o fosforilación oxidativa (sin asumir
respecto al mecanismo).
http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/eltrans.html
Los Protones (indicados por +) entran nuevamente en la matriz mitocondrial a
través de los canales que forma el complejo enzimático de la ATP sintetasa. Esta
entrada se acopla a la síntesis de ATP a partir de ADP y Fosfato (Pi)
Cadena de transporte de electrones
http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/eltrans.html
El esquema en la parte superior muestra una mitocondria. En la animación, se
observa como los iones H+ se acumulan en el compartimiento mitocondrial externo
(espacio intermembrana). En la imagen inferior, se esquematiza lo que le sucede el
hidrógeno cedido por el NADH a la cadena de transporte: los electrones son
transferidos a lo largo de las proteinas de la cadena, y el protón al espacio
intermembrana,donde genera un gradiente. Los protones re-entran pasando por el
complejo ATP-sintetasa, generando ATP.
Puntos claves:
1. Los protones son transferidos a través de la membrana, desde la matriz al
espacio intermembrana, como resultado del transporte de electrones que se
originan cuando el NADH cede un hidrógeno. La continuada producción
de esos protones crea un gradiente de protones.
1. La ATP sintetasa es un gran complejo proteico con canales para protones
que permiten la re-entrada de los mismos.
2. La síntesis de ATP se produce como resultado de la corriente de protones
fluyendo a través de la membrana:
ADP + Pi ---> ATP
Imagen original. http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/eltrans.html
Inhibidores de la Fosforilación oxidativa
Numerosos productos químicos pueden bloquear la transferencia de electrones en
la cadena respiratoria, o la transferencia de electrones al oxígeno. Todos ellos son
potentes venenos, entre ellos
Monóxido de Carbono -- se combina directamente con la citocromo oxidasa
terminal, y bloque la entrada de oxígeno a la misma.
Cianuro (CN-) se pega al hierro del citocromo e impide la transferencia de
electrones.
Producción directa de calor
Si bien las células utilizan el ATP para almacenar la energía derivada de ellos, en
ciertos tejidos la fosforilación oxidativa se desacopla de la formación de ATP y la
energía se transforma directamente en calor. En mamíferos "la grasa parda" (un
tejido que, amén de las gotitas de lípidos, contiene una inusual cantidad de
mitocondrias) es el encargado de la producción del calor en esta forma.
Curiosamente, un tejido similar con el mismo mecanismo de producción de calor,
se encuentra en las flores de Philodendrum selloum. Bibliografía
Fermentación
Esquema básico: usar una molécula orgánica producida durante el proceso
metabólico como aceptor.
El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de
energía en ausencia de oxígeno y generalmente lleva agregado el nombre del
producto final de la reaación.
Pasteur la denominó "la vie sans l'air" o "la vida sin aire".
El piruvato (o moléculas derivadas del piruvato) se encuentra disponible luego del
proceso de glicólisis (ver diagrama ) Muchas células los usan como aceptor
terminal, creando productos de desecho que se excretan de la célula.
Nota: estos residuos se excretan en enormes cantidades dado que , en razón del
bajo rendimiento, son necesarias muchas moléculas de glucosa para producir la
energía que necesita la célula. Estos residuos todavía contienen energía
aprovechable.
Si bien este sistema no es tan eficiente como la respiración, permite que el
catabolismo continúe, y esto es mejor que nada.
Fermentación Láctica
piruvato + NADH + H+-------> ácido láctico + NAD+
Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos
y en el músculo esquelético humano. Es responsable de la producción de
productos lácteos acidificados ---> yoghurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El
ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.
Fermentación alcohólica
Dos reacciones sucesivas:piruvato --------> acetaldehido + CO2
1. acetaldehido + NADH +H+ -------> etanol + NAD+
Se lo encuentra en levaduras , otros hongos y algunas bacterias. La fermentación
alcohólica es la base de las siguientes aplicaciones en la alimentación humana: pan,
cerveza, vino y otras.
Rendimiento en ATP de la Metabolización de la Glucosa
Balance de la oxidación de la glucosa
La eficiencia de la respiración llega casi al 40%. de la energía presente inicialmente
en la molécula de glucosa, y es conservada en forma de ATP; el resto se libera
como calor. Resumen de reactivos y productos:
C6H12O6 + 6 O2 -->> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
Glucólisis:
glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+->
2 piruvatos + 2 NADH
+ 2 ATP
1º. cada 2 ác. pirúvico + coenzima-A, --> 2 CO2 y un grupo acetilo que se une
inmediatamente a la coenzima-A formando 2 acetil coenzima-A + 2 NADH
2º. Ciclo de ac. cítrico:
2 Acetil-CoA + 6 NAD+ + 3 FAD ---->
4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2
+ 2 ATP
3º. Cadena respiratoria:
los 10 NADH+ 2 FADH2 de los pasos anteriores dan --->
Nota: 1 NADH --> 3 ATP= 30 ATP
1 FADH2 --> 2 ATP=4 ATP
= 34 ATP
- 2 ATP usados en el reingreso de 2NADH producidos en la glucólisis:
total=
36 ATP
-2 ATP
Balance para una molécula de glucosa que se convierte en 2 piruvatos, luego en 2
Acetil-CoA y luego a CO2 en la vía el ciclo de los ácidos tricarboxílicos , con todo el
NADH y el FADH convertidos en ATP por la respiración:
1 glucosa + 38 ADP + 38 Pi -------> 6 CO2 + 38 ATP
Nota: 2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis. Para ser
transportados a la matriz mitocondrial para ser posteriormente oxidado por la
cadena transportadora de electrones, tienen que pasar por medio de transporte
activo al interior de la mitocondria , Esto "cuesta" 1 ATP per NADH.
Por lo tanto el balance final resulta en 36 ATP por glucosa y no 38 ATP.
Si bien las células pueden transferir electrones directamente desde el NADH al
oxígeno, esto produciría directamente la liberación de la energía como calor. Si los
electrones se transfieren directamente al oxígeno:
NADH + O2 -------> NAD + H2O
Go' = - 52 kcal/mol
Si el NADH tiene ~52 kcal de energía, y solo son necesarias 7,3 kcal para hacer un
ATP, se puede calcular en 52/7,3 = ~ 7 ATP por NADH si la conversión de energía
fuese de un 100% de eficiencia. En la práctica las células han desarrollado sistemas
que le permiten obtener hasta un 40% de eficiencia (~3 ATP/NADH) bajo
condiciones óptimas.
Gluconeogenesis2
Síntesis de glucógeno: o glucogénesis: la síntesis de glucógeno a partir de
glucosa. La síntesis de glucógeno o glucosa a partir de compuestos que no son
carbohidratos, se denomina gluconeogénesis.
Degradación del glucógeno o glucogenólisis produce glucosa-6-fosfato. En el
hígado se obtiene glucosa que directamente pasa al torrente sanguíneo: la
liberación de glucosa en el músculo no existe.
Algunos tejidos como el cerebro, los eritorcitos, el riñón, la córnea del ojo,
los testículos y el músculo en condiciones de ejercicio, requieren de un aporte
continuo de glucosa como combustible metabólico el glucógeno del hígado puede
mantener estas necesidades por solo entre 10 y 18 horas en ausencia de
carbohígadodratos en la dieta. Después de este periodo, el almacén de glucosa en
el hígado disminuye drásticamente y la glucosa es formada a partir de precursores
diferentes al glucógeno como el lactato, el piruvato, glicerol (derivado del
esqueleto de los triacilglicéridos almacenados en el tejido adiposo) y alfacetoácidos (derivados del catabolismo de los aminoácidos). La formación de
glucosa no sucede por la simple reversa de la glucólisis, porque el equilibrio global
de esta vía favorece fuertemente la formación de piruvato. Por lo tanto, la glucosa
es sintetizada por la gluconeogénesis. Aproximadamente el 90 % de la
gluconeogénesis ocurre en el hígado, el 10 % restante el producido por los
riñones, que son sumamente importantes en periodos de inanición prolongados.
Siete de las reacciones de la glucólisis para la formación de piruvato o
lactato, son reversibles y se usan por tanto en la gluconeogénesis, las tres
restantes son irreversibles, por tanto en la gluconeogénesis son rodeadas por
cuatro reacciones alternativas que favorecen energéticamente la formación de
glucosa.
4
glucosa-6-fosfato  glucosa

fructosa-6-fosfato
3
fructosa-1,6-bisfosfato

gliceraldehído-3-fosfato  dihidroxiacetona fosfato

1,3-bis-fosfoglicerato

3-fosfoglicerato

2-fosfoglicerato

fosfoenolpiruvato

lactato  piruvato
2  Co2
Oxaloacetato 1
Figura: Las reacciones propias de la gluconeogénesis.
La primera reacción de rodeo (de rodear) para iniciar la síntesis de glucosa
a partir de piruvato es la conversión irreversible de piruvato a fosfoenolpiruvato
(PEP) por la piruvatocinasa (PK). En la gluconeogénesis, el piruvato es primero
carboxilado por la piruvato carboxilasa a oxaloacetato (OAA), el cual es
convertido a PEP por la PEP carboxicinasa. La piruvato carboxilasa, como se
debe deducir del párrafo anterior, no se encuentra en el músculo, en las células de
riñón y de hígado, se encuentra en la mitocondria.
La piruvato carboxilasa contiene biotina como coenzima. La biotina está
unida covalentemente a un grupo epsilon amino de la apoenzima formando el sitio
activo. Esta unión covalente de la biotina se conoce como biocitina. La ruptura del
enlace de alta energía del ATP, conduce la formación de el intermediario
apoenzima-biotina-CO2; este complejo de alta energía carboxilará al piruvato para
formar oxaloacetato
Figura: formación del oxaloacetato a partir de piruvato y CO2.
La piruvato carboxilasa está controlada alostericamente por acetilCoA.
Concentraciones
elevadas de acetilCoA son señales de que varias vías
metabólicas necesitan de oxaloacetato. Por ejemplo, en la síntesis de glucosa en
la gluconeogénesis, la carboxilación de piruvato también funciona para reponer
intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Por el contrario, a bajas
concentraciones de acetilCoA la enzima es muy inactiva y el piruvato es oxidado
en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
El oxaloacetato formado en la mitocondria, debe migrar al citoplasma en
donde las siguientes enzimas de la gluconeogénesis están presentes. El
oxaloacetato no es permeable en la membrana interna mitocondrial, primero debe
reducirse a malato, que puede ser transportado al citoplasma. Ya en el citoplasma,
el malato puede reducirse a oxaloacetato, para seguir en la gluconeogénesis.
Figura: transporte del oxaloacetato al citoplasma.
El oxaloacetato es descarboxilado y fosforilado en el citoplasma por la
fosfoenolpiruvato-carboxicinasa. La reacción es dirigida por la hidrólisis de GTP, la
acción combinada de la piruvato carboxilasa y la fosfoenolpiruvato- carboxicinasa
proveen de una vía energéticamente favorable para transformar piruvato en
fosfoenolpiruvato. El fosfoenolpiruvato entra a las reacciones reversas de la
glucólisis hasta la transformación de fructosa-1,6-bisfosfato.
Figura: descarboxilación del oxaloacetato para formar fosfoenolpiruvato.
La hidrólisis de la fructosa-1,6-bisfosfato por la fructosa 1,6-bisfosfatasa
rodea la reacción irreversible catalizada por la fosfofructocinasa-1 y provee una vía
energéticamente favorable para la formación de fructosa-6-fosfato. Esta reacción
es un sitio importante de regulación de la gluconeogénesis.
Regulación por los niveles de energía.
La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por los niveles elevados de AMP, el
cual es señal de un estado energéticamente pobre. Por tanto niveles elevados de
ATP y bajas concentraciones de AMP estimulan la gluconeogénesis.
Regulación por fructosa 2,6-bisfosfato.
La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por la fructosa 2,6-bisfosfato, un
modificador alostérico cuya concentración es influenciada por el nivel circulante de
glucagon. La fructosa 1,6-bisfosfatasa existe en el hígado y riñones.
Defosforilación de la glucosa-6-fosfato.
La hidrólisis de la glucosa-6-fosfato por la glucosa-6-fosfatasa rodea la reacción
irreversible catalizada por la hexocinasa y provee de una vía favorable para la
formación de glucosa. La gluosa-6-fosfatasa como la piruvato carboxilasa, se
encuentran en el hígado y riñón pero no en músculo. Por tanto, el músculo no
puede proveer de glucosa al organismo por medio de la gluconeogénesis; de la
misma forma, la glucosa-6-fosfato generada por la degradación del glucógeno
muscular, no puede ser vertida al torrente sanguíneo.
Los precursores gluconeogénicos son moléculas que pueden dar origen a
una síntesis neta de glucosa. Estas moléculas incluyen a todos los intermediarios
de la gluconeogénesis y del Ciclo del ácido cítrico. El glicerol, lactato y alfacetoácidos obtenidos de la desaminación de los aminoácidos glucogénicos son los
precursores más importantes para la formación de glucosa.
El glicerol es liberado en el tejido adiposo durante la hidrólisis de los
triacilglicéridos y es entregado por el torrente sanguíneo al hígado. Esta molécula de tres
átomos de Carbono, es fosforilada a glicerol-fosfato, el cual es oxidado a dihidrixiacetona
fosfato, un intermediario de la glucólisis.
El lactato es liberado por el músculo esquelético en condiciones de ejercicio y por
células que no contienen mitocondrias como los eritrocitos. En el ciclo de Cori el músculo
esquelético en condiciones de ejercicio, degrada a la glucosa hasta lactato, el cual difunde
por el torrente sanguíneo . El lactato es incorporado al hígado y convertido en glucosa, la
cual es liberada a la circulación sanguínea.
HÍGADO
Glucosa


Lactato
SANGRE
Glucosa
Lactato
Lactato

MÚSCULO

Glucosa
Figura: Representación del ciclo de Cori.
Los -cetoácidos como el piruvato, oxaloacetato y alfa-cetoglutarato, derivan del
metabolismo de los aminoácidos glucogénicos. Estas moléculas pueden entrar al Ciclo del
ácido citrico y formar oxaloacetato, un precursor directo del fosfoenolpiruvato.
El acetilCoA y compuestos que lo producen (por ejemplo acetoacetato y
aminoácidos cetogénicos), no pueden dar una síntesis neta de glucosa. Esto se debe a la
naturaleza irreversible de la reacción de la piruvato deshidrogenasa, la cual convierte el
piruvato en acetilCoA. Estos compuestos producen cuerpos cetónicos y por tanto se
denomina cetogénicos.
El acetil-CoA es el producto común de la degradación de los principales
combustibles metabolicos (polisacáridos, lípidos y proteínas). El grupo acetilo es
degradado a CO2 y H20 vía el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa o
utilizado para la síntesis de ácidos grasos.
El Acetil-CoA (AC-CoA) es el producto común del metabolismo de
carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos. El Ac-CoA es un compuesto de alta
energía. El G° para la hidrólisis de su enlace tioéster es de –31.5kJ/mol, lo que
hace a la reacción un poco más exergónica que la hidrólisis del ATP (1 kJ mol-1).
El Ac-CoA es sintetizado a partir de piruvato a través de una descarboxilación
oxidativa catalizada por el complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa
(PDH)
Acetilo
O
S
C
CH 3
ß-mercaptoetilamina
NH
C O
Adenosín-3´-fosfato
NH
Acido pantoténico
HO
H 3C
O
C O
H
CH 3
O
NH 2
N
N
O
P
O P
O
O
N
N
O CH 2 O
H
H
Figura: Representación de la molécula del Acetil-CoA.
H
H
PO 3 OH
El piruvato es el producto de la glucólisis, la deshidrogenación del lactato y
la ruptura de ciertos aminoácidos glucogénicos. Este metabolito puede ser
oxidativamente descarboxilado para formar acetil-CoA, por ello sus átomos
pueden destinarse a la síntesis u oxidación de ácidos grasos. Alternativamente,
puede ser carboxilado (reacción de la piruvato carboxilasa) para formar
oxaloacetato, el cual se integra al ciclo del ácido cítrico o entra a la
gluconeogénesis vía fosfoenolpiruvato (rodeando un paso irreversible de la
glucólisis). El piruvato es por tanto precursor de muchos aminoácidos y glucosa.
De tiempo en tiempo, la regulación de la gluconeogénesis está determinada por el
nivel de glucagon circulante y por la presencia de substratos gluconeogénicos, además de
que los cambios adaptativos lentos en la catálisis de las enzimas como resultado de
alteraciones en la velocidad de síntesis de enzimas o su degradación o ambas.
Esta hormona secretada por los islotes del páncreas estimula la gluconeogénesis por
medio de dos mecanismos:
1.- Cambios en los efectores alostéricos. El glucagon disminuye el nivel de fructosa 2,6
bisfosfato, lo que resulta en la activación de la fructosa 1,6 bisfosfatasa y la inhibición de la
fosfofructocinasa 1.
2.- Modificaciones covalentes de la actividad enzimática. El glucagon vía una elevación de
los niveles de cAMP y la actividad de la proteína cinasa dependiente de cAMP, estimula la
conversión de la piruvato cinasa a su forma inactiva i.e. fosforilada. Lo anterior decrece la
conversión de fosfoenolpiruvato a piruvato, lo cual tiene el efecto de dirigir la síntesis de
glucosa.
La disponibilidad de precursores gluconeogénios, particularmente aminoácidos
glucogénicos, influencia marcadamente la velocidad de la síntesis de glucosa hepática. La
disminución de los niveles de insulina favorece la movilización de los aminoácidos de las
proteínas del músculo y provee de los esqueletos de Carbono para la gluconeogénesis.
La activación alostérica de la piruvato carboxilasa hepática por el acetilCoA ocurre
durante periodos de ayuno prolongado. Como resultado de la lipólisis excesiva en el tejido
adiposo, el hígado es abastecido (flooded) con ácidos grasos. La velocidad de formación de
acetilCoA por la beta-oxidación excede la capacidad del hígado para oxidarlos a CO2 y
H2O. Como resultado, el acetilCoA se acumula y favorece la reacción de la piruvato
carboxilasa.
La glucosa solo puede salir de las células desfosforilada (i.e. sin el grupo
fosfato). En el hígado, riñón e intestino, la glucosa-6-fosfatasa produce hidrólisis
irreversible del éster de fosfato para dar glucosa mas orto-fosfato, en el músculo,
esta enzima no existe.
glucosa-6-fosfato + H2O

glucosa + H3PO4.
fosfatasa
Regulación de la fosforilación:
Este proceso es dependiente de la concentración de ATP; al disminuir la
con de ATP, la fosforilación también disminuye y viceversa.. En el hígado este
proceso aumenta al aumentar la síntesis de glucocinasa, proceso promovido por la
insulina. La membrana de los hepatocitos es muy permeable a la glucosa, en el
músculo y el tejido adiposo la insulina actúa sobre la membrana para hacerla
permeable al metabolito.
Metabolismo del glucógeno: La glucogénesis fue descrita por Leloir y es el
proceso de incorporación de unidades de glucosa, específicamente de UDPglucosa para formar el polímetro mas importante de reserva de carbohidratos en
animales que es el glucógeno. Una parte de la glucosa ingerida en la dieta, es
incorporada en el glucógeno. Primero la glucosa debe ser fosforilada a glucosa-6fosfato y posteriormente por la catálisis de la fosfoglucomutasa, se obtiene
glucosa-1-fosfato.
Degradación del glucógeno o glucogenólisis. Este proceso es inverso a la
glucogénesis, por tanto en este proceso se obtiene glucosa-6-fosfato. En el hígado
se obtiene glucosa directamente que va al torrente sanguíneo. Este proceso se
lleva a cabo por diversas fosforilasas que catalizan la reacciones en presencia de
HPO2-4.
Cuando se necesita energía, la glucosa fosforilasa se activa y cataliza la
fosforólisis del glucógeno. La enzima desramificante cataliza la transferencia de
tres unidades de glucosa a un enlace -1-4 hidrolizando el alfa,1-6:
GLUCÓGENO (Glucosan) + HPO4  glucosa-6-fosfato +
GLUCÓGENO (Glun-1)
Glucógeno
fosforilasa es un homodÍmero, estÁ formada por dos
polipepéptidos de igual composición, con 842 residuos de aminoácidos y 92 kD
cada uno. Esta enzima es regulada alostéricamente y covalentemente. Es este
proceso la sucesión de reaciones desencadenadas por la epinefrina.
Esta enzima se asocia a su receptor en presencia de ATP. La adenilciclasa
o adeniolato ciclasa transforma el ATP en cAMP. El cAMP que es un segundo
mensajero, se une a la subunidad reguladora de la proteína cinasa y se separa de
la subunidad catalítica que se vuelve activa. La proteína cinasa que es catalítica
en presencia de ATP, fosforila a la fosforilasa cinasa y la vuelve activa. La
fosforilasa cinasa fosforila a la glucógeno fosforilasa y la vuelve mas activa. La
glucógeno fosforilasa activa rompe el enlace alfa,1-4 para dar glucosa-1-fosfato y
glucógeno (glucosan-1)
cAMP.
Las células responden a estímulos externos como las hormonas y
segundos mensajeros. El cAMP es el segundo mensajero que es generado por la
adenilciclasa cuando la hormona se asocia a su receptor. La glucógeno fosforilasa
de músculo sufre modificaciones covalentes.
La glucógeno fosforilasa tiene fosfato de piridoxal como grupo prostético.
El ácido fosforico dona un protón (H+) al C4 de la penúltima unidad de glucosa, lo
que ayuda a la lisis.
Enzima desramificante
Esta enzima transfiere 3 residuos de glucosa en posición alfa,1-4 a un
fragmento con uniones del mismo tipo, después hidroliza el residuo en posición
alfa, 1-6
Fosfoglucomutasa
La epinefrina y el glucagon intervienen en el control de la degradación y sin
de glucógeno. La epinefrina actúa como señal en condiciones de emergencia:
En músculo el glucógeno se degrada a glucosa-6-fosfato que en la glucólisis forma
ATP.
En hígado la glucosa-6-fosfato por acción de la glucosa-6-fosfatasa se transforma
en glucosa (esta enzima no existe en músculo). Este paso es necesario para que
salga al torrente sanguíneo para mantener las concentraciones fisiológicas.
Glucagon:
Esta hormona favorece la salida de la glucosa del hepatocito en
condiciones de hipoglicemia; a diferencia de la adrenalina inhibe la glucólisis y
estimula la gluconeogénesis.
GLOSARIO1
Arqueobacterias (del griego arkhaios = antiguo; bakterion = bastón: grupo de
procariotas de unos 3.500 millones de años de antigüedad, presentan una serie de
características diferenciales que hicieron que Carl Woese, profesor de la
Universidad de Illinois, Urbana, U.S.A., proponga su separación del reino Moneras
y la creación de uno nuevo: Archea, propuesta que hoy es cada vez mas aceptada.
Autotrofos (del griego autos = propio; trophe = nutrición): termino utilizado para
nombrar a organismos que sintetizan sus propios nutrientes a partir de materia
prima inorgánica.
ATP (adenosín trifosfato): El principal producto químico utilizado por los
sistemas vivientes para almacenar energía, consiste en un una base (adenina)
unida a un azúcar (ribosa) y a tres fosfatos. Fórmula
Beta caroteno: Un carotenoide vegetal importante, precursor de la vitamina A.
Catalizador (del griego katalysis = disolución): Sustancia que disminuye la
energía de activación de una reacción química, acelerando la velocidad de la
reacción.
Carotenoides (del latín carota = zanahoria): tipo de pigmentos que comprende a
los carotenos ( de color amarillo, anaranjado o rojo) y a las xantofilas (de color
amarillo). Químicamente terpeno compuesto por ocho unidades de isopreno.
Células oclusivas: Células epidérmicas especializadas que flanquean los
estomas y cuyo cierre y apertura regula el intercambio de gas y la pérdida de agua
Ciclo de Calvin (o de Calvin-Benson o de Fijación del Carbono) Serie de
reacciones bioquímicas mediadas por enzimas, mediante las cuales el anhídrido
carbónico es reducido e incorporado en moléculas orgánicas, eventualmente
algunas de ellas forman azúcares. En los eucariotas, esto ocurre en el estroma del
cloroplasto.
Clorofila (del griego khloros = verde claro, verde amarillento; phylos = hoja):
Pigmento verde que interviene en la captación de la energía lumínica durante la
fotosíntesis.
Cloroplasto: (del griego khloros = verde claro, verde amarillento; plastos =
formado): Organela de la célula de algas y plantas que posee el pigmento clorofila
y es el sitio de la fotosíntesis.
Convergente (del latín convergere deriv. vergere = dirigirse, inclinarse): dos o
más líneas que se dirigen a unirse en un punto.
Energía de activación: La menor cantidad de energía requerida para que ocurra
una determinada reacción química. Varía de reacción en reacción.
Enzima(del griego en = en; zyme = levadura): Molécula de proteína que actúa
como catalizador en las reacciones bioquímicas.
Epidérmis ( del griego epi = encima; derma = piel): En plantas, la capa mas
externa de células, a menudo cubierta por un cutícula cerosa. Provee protección a
la planta.
Estoma (del griego stoma = boca): Aberturas en la epidermis de las hojas y tallos
rodeadas de células oclusivas, intervienen en el intercambio gaseoso.
Estroma: La matriz proteica entre las granas de los cloroplastos. Sitio de las
reacciones oscuras de la fotosíntesis.
Eucariotas (del griego eu = bueno, verdadero; karyon = núcleo, nuez):
organismos caracterizados por poseer células con un núcleo verdadero rodeado
por membrana. El registro arqueológico muestra su presencia en rocas de
aproximadamente 1.200 a 1500 millones de años de antigüedad.
Evolución (del latín e- = fuera; volvere = girar): Cambio de los organismos por
adaptación, variación, sobrerreproducción y reproducción/sobrevivencia
diferencial, procesos a los que Charles Darwin y Alfred Wallace se refirieron como
selección natural.
Peroxisomas: Son vesículas en las cuales se degradan las purinas y otros
compuestos. En las plantas son el asiento de una serie de reacciones conocidas
como fotorrespiración. En los peroxisomas se produce agua oxigenada, compuesto
muy tóxico para la célula que es degradado rápidamente por una enzima.
Quimiósmosis: El proceso por el cual se forma el ATP en la membrana interna
de la mitocondria. El sistema transportador de electrones transfiere protones del
compartimiento interno al externo; a medida que los protones fluyen nuevamente
hacia el compartimiento interno la energía del movimiento es usado para agregar
fosfato al ADP para formar ATP. Tema ampliado
Mesófilo: parénquima fotosintético localizado entre las dos epidermis de la
lámina de la hoja.
Procariotas (del latín pro = antes, del griego karyon = núcleo, nuez): Tipo de
célula que carece de núcleo rodeado por membrana, posee un solo cromosoma
circular y ribosomas que sedimentan a 70 S (los de los eucariotas lo hacen a 80S).
Carecen de organelas rodeadas por membranas. Se consideran las primeras formas
de vida sobre la Tierra, existen evidencias que indican que ya existían hace unos
3.500.000.000 años
Tilacoides (del griego thylakos = pequeña bolsa): La estructura de membrana
especializada en la cual tiene lugar la fotosíntesis. Membranas internas de los
cloroplastos que conforman compartimentos, en las cuales tiene lugar las
"reacciones lumínicas" de la fotosíntesis. Un conjunto de tilacoides forma la grana.
El área entre las granas se denomina estroma.
Transporte de electrones: 1) Una serie de reacciones de oxidación/reducción en
las cuales los electrones son pasados como "papas calientes" de una
proteína/enzima ligada a membrana a otra hasta que finalmente son cedidos al
aceptor final, generalmente oxígeno. Durante este proceso se forma ATP. 2) Serie
de reacciones acopladas durante las cuales se genera ATP a partir de la energía
cedida por los electrones, que se mueven de un estado altamente reducido a otro
de menor reducción.
Vaina fascicular: conjunto de células que rodean a los haces vasculares
(conjunto de xilema y floema) de la lámina de la hoja.