__________________________________________
Continuamos....__________________________________________
INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO. CONCEPTOS GENERALES.
ÁNGEL LUIS SACRISTÁN OLMOS
www.portaleso.com
___________________________________________
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:
_________________________________________________________
TIPOS DE ORGANISMO------------------------------------ORIGEN DE LA ENERGÍA--------ORIGEN DEL CARBONO------EJEMPLO DE ORGANISMOSFotolitótrofo (fotoautótrofo = autótrofo fotosintético)--------------------------Luz-------------------------------CO2----------------------
Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre
Fotoorganotrofos(fotoheterotrofo =heterótrofo fotosintético)-----------------Luz--------------------------Orgánico---------------------Bacterias purpúreas no azufradas
Quimiolitótrofos quimioautótrofos = autótrofo quimiosintético)---------------Reacciones químicas----------CO2---------------------Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre
Quimioorganotrofos (quimioheterotrofos o heterotrofo típico)-----------------Reacciones químicas----------------Orgánico--------Animales, hongos, protozoos, muchas bacterias
___________________________________________________________
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.
Defosforilación del ATP Defosforilación del ADP
----------7,3 kcal/mol------------------------7,3 kcal/mol
ATP + H2O <--> ADP + Pi <--> AMP + Pi
----------7,3 kcal/mol------------------------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+ + AH2 <---> NADH + A
Reducción del sustrato
NAD: nicotin-adenin-dinucleótido
NADP nicotin-adenin-dinucleótido fosfato
FAD flavin-adenin-dinculeótido
Pueden 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
1) Según sea la molécula aceptora final de los electrones:
a) Fermentación, si es una molécula orgánica, como el ácido pirúvico
b) 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)
2) Según el grado de oxidación de la molécula inicial
a) Fermentación, si la oxidación es parcial o incompleta
b) 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 GLÚCIDOSEl glúcido más utilizado e importante para las células como fuente de energía es la glucosa. La glucosa tiene distintos procedencias.
Glucosa--> Por Respiración
A) Glucolisis
B) Respiración--->
---> Ciclo de Krebs
---> Cadena de transporte electrónico
Glucosa---> Por Fermentación
A) Glucólisis
B) FermentaciónBALANCE ENERGÉTICO DE LA FERMENTACIÓNC6H12O6 ---> 2 (CH3-CO-COOH) + 2 ATP+ 2 NADH+ + H+
BALANCE ENERGÉTICO FINAL DE LA RESPIRACIÓNC6H12O6 + 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).________________________________________________