Metabolismo Celular: Anabolismo, Catabolismo, Enzimas

METABOLISMO CELULAR
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1. EL METABOLISMO: ANABOLISMO Y CATABOLISMO.
La nutrición de las células supone una serie de complejos procesos químicos catalizados
por enzimas que tienen como finalidad la obtención de materia orgánica propia o energía.
Este conjunto de procesos o reacciones recibe el nombre de metabolismo.
El metabolismo va a poder descomponerse en reacciones de dos fines:
1.1.ANABOLISMO
Son aquellos procesos químicos que se producen en la célula y que tienen como finalidad
la obtención de sustancias orgánicas complejas a partir de sustancias más simples con un
consumo de energía.
Los organismos se van a diferenciar en cómo van a obtener las sustancias orgánicas.
Ciertos organismos las obtienen a partir de sustancias inorgánicas, como el CO2, H2O,
NO3-, PO4-3, etc. A estos organismos se les llama autótrofos. Otros son incapaces de
elaborar los compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos y deben obtenerlos
a partir de otros compuestos orgánicos más sencillos, son los organismos heterótrofos.
1.2.CATABOLISMO
En estos procesos las moléculas orgánicas complejas son degradadas formándose
moléculas más simples. Cuando las sustancias más sencillas finales siguen siendo
orgánicas, hablamos de fermentaciones, y si no ha intervenido el O2 de fermentación o
catabolismo anaerobio. Sin embargo, cuando son inorgánicas y ha intervenido el O2, de
catabolismo aerobio o respiración celular.
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2. SUSTANCIAS DE LOS METABOLISMOS
En el metabolismo podemos diferenciar tres grupos de sustancias: Metabolitos,
catalizadores o enzimas e intercambiadores de energía (ATP).
2.1.METABOLITOS
Son las distintas sustancias que intervienen en las distintas rutas o vías metabólicas, se
denominan anabolitos si son anabólicas, y catabolitos si son catabólicas. En ellas, cuando
los reactivos son orgánicos se les denomina sustratos.
2.2.EL ATP “MONEDA DE ENERGÍA”
La principal molécula suministradora de la energía que necesitan las reacciones es un
nucleótido modificado (tiene tres moléculas de ácido fosfórico en lugar de una)
denominado ATP. Al transformarse en ADP perdiendo un ácido fosfórico
desfosforilación) libera energía. Al contrario por fosforilación del ADP se almacena
energía en forma de ATP para cuando sea necesaria.
Composición química:
El ATP (adenosin trifosfato): Adenina-Ribosa-P-P-P. La base nitrogenada adenina se une
a la pentosa ribosa, a esta un ácido fosfórico, a este un segundo ácido fosfórico y a este un
tercero. El ADP (adenosin difosfato): Adenina-Ribosa-P-P. Es una molécula de ATP que
ha perdido el tercer ácido fosfórico.
Función o actividad:
En los procesos metabólicos que se dan en la célula, algunas reacciones necesitan energía
para producirse y en caso contrario no se producen. Otras, al contrario, producen energía
y si ésta no se emplea en realizar un trabajo físico o una reacción química, se perdería en
forma de calor.
El ATP se puede transformar en ADP y Pi (fosfato inorgánico), en un proceso
denominado desfosforilación, al hidrolizarse el último de sus enlaces éster-fosfato,
desprendiéndose más de 7 kcal por mol de ATP.
ATP + H2O → ADP + Pi + 7 Kcal/mol
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Desfosforilación
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Por el contrario, en aquellas reacciones en las que se produce energía esta es acumulada al
sintetizarse ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi), proceso conocido como
fosforilación.
ADP + Pi + 7 Kcal/mol → ATP + H2O
Fosforilación
Por esta razón el ATP en la biología molecular se le conoce como moneda energética.
2.3.ENZIMAS O BIOCATALIZADORES
Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción al disminuir
la energía de activación o necesaria para que comience una reacción química. Los
catalizadores no provocan reacciones que por sí solas no se pudieran llevar acabo y
tampoco se transforman, recuperándose intactas al final del proceso, es decir, están
presentes e intervienen en la reacción pero no son parte de ella, no son ni reactivos ni
productos. En biología los catalizadores son muy específicos cada reacción tiene los
suyos, son de naturaleza fundamentalmente peptídica y se les denomina enzimas.
Las enzimas son, generalmente, proteínas o asociaciones de proteínas y otras moléculas
orgánicas o inorgánicas que actúan catalizando los procesos químicos que se dan en los
seres vivos. Esto es, actúan acelerando considerablemente las reacciones al disminuir la
energía de activación (energía mínima a suministrar para que pueda comenzar la
reacción) que muchas reacciones requieren.
La rapidez de actuación de las enzimas y el hecho de que se recuperen intactas para poder
actuar de nuevo es la razón de que se necesiten en pequeñísimas cantidades.
Especificidad de las enzimas
Es de destacar que las enzimas son específicas. Esto es, una enzima puede actuar sobre un
sustrato (reactivo orgánico) pero no sobre otros; por ejemplo: la sacarasa, cataliza la
hidrólisis de la sacarosa, pero no otras hidrólisis. En este caso se dice que tiene
especificidad de sustrato.
Otras enzimas, sin embargo, tienen especificidad de acción al realizar una acción
determinada pero sobre múltiples sustratos; por ejemplo: las lipasas que hidrolizan los
enlaces éster en los lípidos. Debido a esta especificidad de las enzimas existen en la célula
miles de enzimas diferentes.
La especificidad de las enzimas ha llevado a comparar a éstas con llaves y a los sustratos
con cerraduras (modelo de la llave y la cerradura). Al unirse hace que el sustrato
reaccione más rápido con los otros reactivos, y cuando termina la reacción se suelta.
Composición química y actividad enzimática
Las enzimas son, en general de naturaleza proteica. Otras poseen una parte peptídica, el
apoenzima, y una parte no peptídica, el cofactor, que están más o menos ligadas
químicamente.
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Muchas enzimas precisan para su actuación la presencia de otras sustancias no peptídicas:
los cofactores. Químicamente son sustancias muy variadas. En algunos casos se trata de
simples iones, cationes en particular, como el Cu++ o el Zn++. En otros, son sustancias
orgánicas, en cuyo caso se llaman coenzimas, como las vitaminas.
La conformación (estructura) espacial de la parte peptídica es la responsable de la
especificidad la enzima y los coenzimas o cofactores de la actividad química. El sustrato
que va a reaccionar y transformarse se unen a la enzima en una zona que llamaremos
centro activo, que encaja con el sustrato como una llave con una cerradura, y son las
interacciones químicas entre el centro activo y el sustrato las responsables de que la
transformación sea mas rápida; ya que estas interacciones debilitan ciertos enlaces del
sustrato y favorecen la formación de otros compuestos, los productos.
Por último, indicar que las enzimas se nombran añadiendo la terminación asa, bien al
nombre del sustrato sobre el que actúan (sacarasa), al tipo de actuación que realizan
(hidrolasas), o ambos (ADN polimerasa). Si bien, en ocasiones, como ocurre en la
mayoría de las reacciones metabólicas, las enzimas son conocidas por el nombre de su
coenzima.
3. ENZIMAS Y COENZIMAS IMPORTANTES EN EL METABOLISMO
CELULAR
Muchas de las coenzimas metabólicas más importantes son nucleótidos no nucleicos, es
decir, nucleótidos o nucleótidos modificados que no forman parte de la composición de
los ácidos nucleicos.
La mayoría de las reacciones metabólicas son reacciones de oxidación-reducción,
reacciones en las que una sustancia cede electrones a otra, y aunque no ocurre en todas las
reacciones de este tipo, en las metabólicas la sustancia que se oxida (la que cede
electrones) gana oxigeno o pierde hidrógeno, y la que se reduce (la que gana los
electrones), al revés, pierde oxigeno o gana hidrógeno, porque para que haya una
oxidación tiene que haber una reducción.
No obstante, también hay reacciones que no son de oxidación-reducción, por ejemplo hay
reacciones de transferencia de un grupo orgánico de una sustancia a otra.
3.1. COENZIMAS EN LAS REACCIONES DE ÓXIDO- REDUCCIÓN:
DESHIDROGENASAS
Los más importantes son: El NAD (Nicotinamín adenín dinucleótido), el NADP
(Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato), similar al NAD pero con un grupo fosfato
más, y el FAD (Flavín adenín dinucleótido).
Muchos procesos químicos celulares de gran importancia: muchas reacciones de la
fotosíntesis, respiración celular, etc. son procesos de oxidación-reducción. Las coenzimas
anteriores actúan transportando estos electrones, al hacerlo simultáneamente captan H,
desde las sustancias que se oxidan a las que se reducen: son los transportadores de
electrones. Aunque no serán los últimos receptores, pues al ser catalizadores al final de
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las reacciones tienen que recogerse inalterados. Tarde o temprano tendrán que cederlos a
otra sustancia que será finalmente la que se reduzca.
Así, por ejemplo, el NAD es capaz de captar dos electrones, y al quedar con carga
negativa se une a dos protones (H+) del medio, reduciéndose y transformándose en
NADH2. Pero el NADH2 tendrá que ceder estos dos electrones, a la vez que cede los
protones, a otro compuesto final aceptor de electrones que se reducirá, transformándose
de nuevo en NAD. El mismo proceso realiza el FAD y el NADP. Por esta razón a estos
coenzimas se les llama deshidrogenasas.
El N de la nicotinamida al unirse con la ribosa, lo hace con cuatro enlaces, y por tanto con
carga +, por lo que en la mayoría de las ocasiones a la coenzima NAD se la representa por
NAD+, y a su forma reducida NADH2 por NADH + H+, o simplemente por NADH. Y por
la misma razón, también es frecuente que su fosfato el NADP se represente por NADP+, y
a su forma reducida NADPH2 por NADPH + H+, o simplemente por NADPH.
Esto no ocurre con el FAD, ni con su forma reducida FADH2
3.2. COENZIMAS EN LOS TRANSPORTES DE GRUPOS ACILOS
TRANSFERASAS
El Coenzima A. Coenzima de estructura compleja. Se designa abreviadamente con el
término CoA, o bien con el CoA-SH.
Este coenzima en reacciones metabólicas se une a grupos acilos (es un resto de ácido
orgánico). Transporta este grupo acilo a otra etapa metabólica, es decir a otro compuesto
orgánico diferente, por lo que se le denomina transferasa de grupos acilo.
4. CATABOLISMO DE LA GLUCOSA
El catabolismo aerobio y anaerobio de la glucosa tiene una primera vía común hasta llegar
a ácido pirúvico: la glucólisis.
4.1. GLUCÓLISIS
La definiremos como el conjunto de reacciones que degradan la glucosa (recordar que
tiene 6C) transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (recordar que tiene 3C).
Estas reacciones se realizan en el citoplasma de la célula. Es un proceso anaeróbico, es
decir no precisa de la presencia de oxígeno para su realización, en el que por cada
molécula de glucosa, además de dos de ácido pirúvico, se obtienen 2ATP y 2NADH.
Este proceso no es una reacción directa, sino una serie compleja de 10 reacciones previas
donde la glucosa se va a oxidar, que por fines académicos resumimos en esta guía.
LO IMPORTANTE: Balance, características y significado biológico de la glucólisis
- Se realiza tanto en procariotas como en eucariotas.
- Se realiza en el citoplasma.
- Se trata de una degradación parcial de la glucosa (no se llega a sustancias inorgánicas).
- Es un proceso anaerobio que permite la obtención de energía a partir de glucosa en
ausencia de oxígeno.
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- La cantidad de energía obtenida por mol de glucosa es escasa, en total 2 ATP. La
glucólisis fue, probablemente, uno de los primeros mecanismos para la obtención de
energía a partir de sustancias orgánicas en la primitiva atmósfera sin oxígeno de la Tierra.
- Por mol de glucosa se obtienen también dos moles reducidas de NAD+, es decir,
2NAD + 2H+
- La ecuación global es:
Glucosa (C6H12O6) + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ → 2 Ác. Pirúvico (CH3-CO-COOH) + 2ATP +2NADH +2H+ + 2H2O
El NAD+ no puede ser el último aceptor de electrones, y por tanto de protones H+, pues
al ser un catalizador debe recuperarse intacto al finalizar el proceso, y por otro lado el
ácido pirúvico puede seguir dos rutas. Es decir el catabolismo no ha finalizado.
4.2. RUTAS CATABÓLICAS QUE PUEDE SEGUIR EL ÁCIDO PIRÚVICO:
4.2.1. FERMENTACIÓN (CATABOLISMO ANAERÓBICO)
Cuando no hay oxígeno el ácido pirúvico se transforma de diferentes maneras sin
degradarse por completo a CO2 y H2O. Este proceso tiene como objetivo la recuperación
del NAD+. Se realiza en el citoplasma.
En las fermentaciones, la glucosa no se degrada totalmente a CO2 y H2O, sino que
después de la glucólisis el ácido pirúvico se reduce, es decir, capta los electrones y H+ del
NADH transformándose finalmente en una molécula orgánica sin ganar energía, y
recuperándose así el NAD+. Así pues, en las fermentaciones sólo se obtiene 2 moléculas
de ATP obtenido en la glucólisis.
Según sea la molécula orgánica final que resulta de la reducción del ácido pirúvico,
tendremos las siguientes fermentaciones:
a) Fermentación láctica, si el producto es el ácido láctico. Típico de células
eucariotas animales
b) Fermentación alcohólica, si el producto es el alcohol etílico. Típico de células
eucariotas vegetales
4.2.2. RESPIRACIÓN CELULAR (CATABOLISMO AERÓBICO)
Cuando hay oxígeno, el pirúvico será degradado completamente en una serie de etapas
obteniéndose dióxido de carbono CO2, H2O y un número importante de moléculas de
ATP. El NADH+H+ obtenido en la glucólisis y otras coenzimas que se han reducido
(ganado electrones) en esta serie de etapas posteriores son oxidadas o recuperadas a su
estado inicial transportando y cediendo los electrones, de los que finalmente el oxígeno
(O2) va a ser su último aceptor, al igual que de los H+, obteniéndose H2O. Este proceso
las eucariotas lo realizan en las mitocondrias, dividiéndose en dos vías consecutivas, el
ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, que está asociada a la fosforilación oxidativa.
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4.2.2.1. EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN CELULAR)
Como se indicó anteriormente este proceso se realiza en dos vías, el ciclo de Krebs y la
cadena respiratoria asociada a la fosforilación oxidativa. En ella, la degradación es
total, hasta CO2 y H2O.
A- CICLO DE KREBS
Paso previo
Pero el ciclo de Krebs tiene una etapa inicial o previa en la que el ácido pirúvico obtenido
en la glucólisis es oxidado. En condiciones aeróbicas el ácido pirúvico (PYR) obtenido
en la glucólisis atraviesa las membranas de la mitocondria y entra en la matriz
mitocondrial va a sufrir un proceso químico para dar acetil-CoA, transportándolo al ciclo
de de reacciones que hemos llamado ciclo de Krebs.
Como al final de la glucólisis se obtenían dos moléculas de ácido pirúvico, el proceso
será doble. Serán dos los Acetil-CoA obtenidos, uno por cada molécula de pirúvico, que
se incorporarán a dos ciclos de Krebs. Así pues, en el paso previo, también se habrán
formado dos moléculas de NADH, al mismo tiempo, que se originaban las dos primeras
descarboxilaciones, las dos moléculas de CO2 (al final tenemos que obtener seis, pues la
glucosa inicial tenia 6 C).
El ciclo de Krebs propiamente dicho
Es la ruta metabólica a través de la cual el acetil-CoA va a completar su oxidación en la
matriz mitocondrial.
El ciclo de Krebs, como todo proceso cíclico, no tiene más principio o fin que el que
nosotros queramos ponerle. Pero si nos guiamos por la incorporación del acetil-CoA,
tendremos que el primer compuesto del ciclo obtenido es el ácido cítrico. En esta cadena
cíclica de reacciones se van a producir por cada acetil-CoA incorporado, dos
descarboxilaciones (2CO2), tres moléculas de NADH por reducción de otras tantas de
NAD+, una de FADH2 por reducción de una de FAD (otra oxidorreductasa) y una
molécula de almacenamiento de energía parecida al ATP que es el GTP (guanina en lugar
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de adenina) que finalmente transfiere su grupo fosfato a un ADP obteniéndose una
molécula de ATP.
Pero como podemos ver, la cantidad de ATP obtenida en la Glucólisis y en el Ciclo de
Krebs es más bien escasa. Sin embargo, se han obtenido grandes cantidades de coenzimas
reducidas: NADH+H+ o NADH y FADH2 , que serán oxidadas en la cadena respiratoria
para que queden recuperadas.
Recordar el siguiente gráfico
B- LA CADENA RESPIRATORIA Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Concepto y objetivo: Consiste en un transporte de electrones desde las coenzimas
reducidas, NADH+H+ o FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte se realiza en la
membrana de las crestas mitocondriales, concretamente se van pasando los electrones de
unas proteínas de esta membrana a otras, hasta que finalmente es el oxigeno el último
aceptor.
En este proceso es donde se obtendrá la mayor parte de la energía de la respiración celular
y que será almacenada en forma de ATP, obtención a la que llamamos fosforilación
oxidativa. Además del ATP se obtiene agua, al captar el oxigeno receptor de electrones,
en la matriz mitocondrial, protones H+.
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Por cada molécula de NADH que llega a la cadena respiratoria se obtienen 3 moléculas
de ATP (actualmente se acepta 2.5 ATP)
El rendimiento energético del FADH2 es menor, ya que por cada molécula solo se
obtienen 2 moléculas de ATP (actualmente se acepta 1.5 ATP).
¡Importante! Recordar el siguiente cuadro
BALANCE DE LA RESPIRACIÓN CELULAR EN EUCARIOTAS
(el cálculo de ATP se realizó según rendimiento actual, es decir: un NADH=2.5 ATP y un
FADH2=1.5 ATP)
Proceso
Sustancia
inicial
Coenzimas
Sustancia final Reducidas
ATP
Glucólisis
Glucosa
2 Ác. pirúvico
Descarboxilación del
ácido pirúvico
Moléculas de ATP
(totales)
2 NADH
3 – 5 ATP
2 ATP
2 ATP
2 NADH
5 ATP
6 NADH
15ATP
2 FADH2
3 ATP
2 GTP
2 ATP
2 acetil-Co A
2ác. pirúvico
Paso previo al ciclo
de Krebs
Ciclo de Krebs
y
2 CO2
2 acetil-Co A 4 CO2
Glucosa
Balance global
6 O2
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6 CO2
6 H2 O
30-32 ATP
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