Metabolismo y bioenergética

 Metabolismo y bioenergética

Metabolismo 

Las células cuentan con recursos para formar moléculas más pequeñas a partir de moléculas grandes y de un proceso inverso, que consiste en la formación de moléculas más grandes, a partir de otras más pequeñas. De forma general, a todo el conjunto de transformaciones que sufren las sustancias en el organismo o en una célula se le llama metabolismo.

El metabolismo es el estudio de la química, la regulación y la energética de miles de reacciones que proceden en una célula biológica. Es una actividad celular muy coordinada y dirigida, en la que muchos sistemas multienzimáticos cooperan para cumplir cuatro funciones:  

• Obtener energía química a partir de la captura de energía solar o a partir de la degradación de nutrientes 
• Convertir moléculas nutrientes en moléculas características de la propia célula.
• Polimerizar precursores monoméricos a componentes celulares. 
• Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas.  

Todos los organismos siguen las mismas rutas generales para extraer y utilizar energía. La diferencia metabólica más importante entre los organismos es la forma específica en que obtienen energía para llevar a cabo los procesos de la vida. Los autótrofos requieren del CO2 atmosférico como única fuente de carbono y energía solar para fabricar otras biomoléculas. En cambio los heterótrofos obtienen energía de los compuestos complejos de carbono que ingieren y que habitualmente se encuentran en los autótrofos. Los organismos aerobios son aquellos que requieren oxígeno molecular para que tengan lugar las reacciones metabólicas. Mientras que los anaerobios no requieren de oxígeno; de hecho, para algunos es muy tóxico. El proceso del metabolismo en todos los organismos tiene lugar mediante una secuencia de reacciones sucesivas catalizadas por enzimas. Cada paso consiste, por lo general, de un solo cambio químico muy específico que lleva a formar un producto. 

Cada uno de los pasos consecutivos en una ruta metabólica genera un cambio específico, generalmente la eliminación, transferencia o adición de un átomo particular o un grupo funcional. El precursor es convertido a un producto a través de una serie de intermediarios metabólicos llamados metabolitos. Los procesos metabólicos se pueden agrupar en dos rutas, dependiendo de su propósito bioquímico. 

El catabolismo es la fase de degradación por el cual se degradan moléculas, como carbohidratos, proteínas y grasas, en moléculas más simples como piruvato, etanol y dióxido de carbono. Los procesos en las reacciones catabólicas se caracterizan por oxidación, liberación de energía libre y reacciones de convergencia. 

El catabolismo es la liberación de la energía potencial de las moléculas combustibles y la captura de ésta, en el ATP. El anabolismo utiliza la energía libre en el ATP para la síntesis de biomoléculas mas complejas. En consecuencia el catabolismo y el anabolismo están acoplados. 

El anabolismo es la síntesis de grandes moléculas complejas a partir de otras precursoras más pequeñas. Esta ruta se caracteriza por reacciones de reducción, requerimiento de entrada de energía y divergencia de las vías de reacción.  

referencia: https://cuadrocomparativo.org/wp-content/uploads/2016/01/anabenzimas-2-728.jpg

La síntesis y la degradación, no son procesos simultáneos. Si así fuera seria un gasto innecesario de energía. Estos mecanismos no están catalizados por el mismo grupo de enzimas, si bien comparten un gran numero de pasos, los puntos de regulación son distintos. Cuando uno tiene lugar, el otro esta suprimido. Es común que las rutas de síntesis y degradación de un compuesto, tengan lugar en compartimentos celulares diferentes. Por ejemplo la degradación de ácidos grasos tiene lugar en la mitocondria y la síntesis en el citosol. Para su estudio, el Catabolismo se organiza en tres etapas: 

• La etapa I del catabolismo es la ruptura de biomoléculas complejas en sus respectivos bloques de construcción. 
• En la etapa II, estos bloques se oxidan en un intermediario común acetil CoA. 
• La etapa III comprende el ciclo del ácido cítrico (oxidación de acetil CoA a dióxido de carbono, la formación de NADH y FADH2) seguida del transporte de electrones y fosforilación oxidativa. Generalmente la energía liberada durante el transporte de los electrones hacia el oxígeno molecular está acoplada a la síntesis del ATP. 

Rutas metabólicas

Las miles de reacciones que se realizan en una sola célula se pueden clasificar en seis tipos de procesos químicos:   

• reacciones de oxidación - reducción, 
• reacciones de transferencia de grupo funcional, 
• reacciones de hidrólisis,
• reacciones de ruptura no hidrolítica, 
• reacciones de isomerización y re arreglo y 
• reacciones de formación de enlace utilizando energía de la ruptura de ATP

Las rutas metabólicas están constituidas por una serie de pasos consecutivos, catalizados por enzimas. 

Enzimas 

En su función como enzimas, las proteínas hacen uso de su propiedad de poder interaccionar, en forma específica, con muy diversas moléculas. A las sustancias que se transforman por medio de una reacción enzimática se les llama sustratos. Los sustratos reconocen un sitio específico en la superficie de la proteína que se denomina sitio activo. Al ligarse los sustrato a sus sitios activos en la proteína, quedan orientados de tal manera que se favorece la ruptura y /o formación de determinadas uniones químicas, se estabilizan los estados de transición al mismo tiempo que se reduce la energía de activación. Esto facilita la reacción e incrementa su velocidad varios órdenes de magnitud. 

Normalmente el nombre de una enzima se forma con el nombre de la reacción que cataliza o el nombre del sustrato que transforman, terminando el nombre en "asa". 

Por ejemplo, a las enzimas que transfieren un átomo de oxígeno a un metabolito se les denomina oxigenasas, a las enzimas que catalizan la adición de una de las cuatro bases a una molécula de ADN en formación se le denomina ADN sintetasa o ADN polimerasa, las que hidrolizan el ADN se le llama ADNasa, etc. 

Frecuentemente en la literatura se refieren en forma genérica a las enzimas que catalizan un tipo de reacción, por ejemplo a las que catalizan la oxidación de los metabolitos vía la transferencia de un átomo de hidrógeno a un determinado receptor, se les conoce como deshidrogenasas. En ocasiones se dice alcohol deshidrogenasa, o aldehído deshidrogenasa, cuando el compuesto que sede el hidrógeno es un alcohol o un aldehído. Sin embargo, en realidad las enzimas son más específicas que eso y actúan sobre un alcohol determinado y no en todos. De hecho, el nombre debería ser más específico y referirlo al nombre del substrato, por ejemplo; si el substrato es etanol la enzima debe de llamarse etanol deshidrogenasa. Hay otro tipo de reacciones en las que las enzimas que las catalizan reciben un nombre genérico, como las quinasas que catalizan la transferencia a un substrato de un ión fosfato del ATP. La glucoquinasa cataliza la fosforilación de glucosa en el carbón 6 para formar glucosa 6 fosfato.

Bioenergética

La bioenergética es el estudio cuantitativo de las relaciones y conversiones de energía que tienen lugar en los sistemas biológicos.

Las células asocian las reacciones: las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas. 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. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS. 

Las transformaciones biológicas de energía obedecen las leyes de la termodinámica. Por lo tanto están influenciadas por dos fuerzas:  

• La tendencia a conseguir el estado de unión mas estable (la entalpía, “H”). 
• La tendencia a conseguir el mayor grado de desorganización (entropía, “S”) . 

La fuerza motriz neta de una reacción es el ∆G, la variación de la energía libre, que representa el efecto neto de estos dos factores, ∆G = ∆H – T ∆S.

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.  

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.  

Por lo tanto, la molécula ATP (Adenosina trifosfato) que el organismo produce en las mitocondrias durante la respiración celular, es el "transportador" universal de energía de nuestro cuerpo, necesaria para la gran mayoría de las funciones de los seres vivos y sin la cual la vida no sería concebible, al menos tal y como la conocemos. Cuando la molécula de ATP se subdivide, la alta carga energética acumulada en ella se libera, y es utilizada por el organismo para llevar a cabo todos los procesos necesarios. El ATP puede liberar dos grupos fosfato sucesivamente, aunque por lo general, se rompe uno de estos enlaces. Cuando se elimina por hidrólisis un grupo fosfato, la molécula de ATP se convierte en ADP, (Adenosina difosfafo). 

 

Base quimica: 

• 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 HPO4 2-) del resto de la molécula. Por lo tanto la repulsión electrostática entre las cargas negativas del ATP queda disminuida por la separación de cargas luego de la hidrólisis. 
• El Pi, es estabilizado por formación de un híbrido de resonancia, donde cada uno de los enlaces P-O, tiene el mismo carácter de doble enlace. 
• El ADP, se ioniza inmediatamente liberando un protón al medio.
  Hay un mayor grado de hidratación de los productos, en relación al ATP.  

La hidrólisis del ATP produce:

 ATP + H2O ---> ADP + Pi

 El cambio de Energía libre. ∆G o ' = -7,3 Kcal/mol --> es muy exergónica (el ∆G de una célula viva está en - 12 Kcal/mol). 

La hidrólisis del ADP produce: 

ADP + H2O ---> AMP + Pi 

∆G o ' = -7,2 Kcal/mol --> es muy exergónica. 

SÍNTESIS DE ATP

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 

Las células requieren energía para múltiples trabajos:  

• Sintetizar y degradar compuestos. 
• Transporte a través de las membranas (activo, contra el gradiente de concentración). 
• Endocitosis 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 numerosas 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 no fueran graduales, la energía se liberaría de manera violenta y se dispersaría como calor. 

Referencias 

http://exa.unne.edu.ar/biologia/fisiologia.vegetal/Metabolismoybioenergetica.pdf

https://ocw.unican.es/pluginfile.php/1327/course/section/1638/Tema15_bioenergetica08-09.pdf