Metabolismo y Bioenergética Metabolismo→ Conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula con la finalidad de obtener energía para sustentar las diferentes funciones vitales y moléculas para crecer y renovarse. El metabolismo comprende procesos de naturaleza muy variada dirigidos a cumplir los siguientes fines: 1. Obtener energía y poder reductor a partir de los alimentos 2. Degradar los compuestos ingresados en productos mas simples utilizables como precursores

para la síntesis de moléculas. Funciones del metabolismo 1. Obtener energía química a partir de la captación de energía solar o degradando nutrientes

ricos en energía obtenidos del ambiente 2. Convertir moléculas de nutrientes en las moléculas características de la propia celula, incluidos

los precursores de macromoléculas 3. Polimerizar los precursores monomericos en macromoléculas: proteínas, acidos nucleicos y

polisacáridos 4. Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas Vias del metabolismo → El metabolismo se descompone en dos series de reacciones

CATABOLISMO ANABOLISMO Degradación de moléculas orgánicas complejas (ácidos grasos, proteínas, carbohidratos) en moléculas mas simples. Utilizan reacciones de oxidación. Los nutrientes son un almacén de energía potencial → Liberación de energía que luego se captura en forma de ATP.

Construcción de moléculas complejas a partir de moléculas precursoras mas pequeñas. Utilizan reacciones de reducción. Necesitan suministro de energía que aportan las moléculas de ATP, NADH, NADPH (contienen la energía que libera el catabolismo)

En general el metabolismo catabólico es convergente, mientras el anabólico es divergente. En las secuencias de reacciones anabólicas y catabólicas (para ciertos casos): cuando una tiene lugar la otra esta inhibida. Tal regulación no podría tener lugar si las rutas anabólica y catabólica estuviesen catalizadas por exactamente el mismo conjunto de enzimas. En las rutas, al menos uno de los pasos, esta catalizado por enzimas diferentes en las direcciones anabólica y catabólica, siendo estas enzimas los sitios de regulación específicos. Etapas del metabolismo La degradación de polisacáridos, proteínas y lípidos se realizan a través de una serie de reacciones que se organizan en tres etapas. En la primera, las grandes moléculas se degradan a su monómero; los polisacáridos dan monosacáridos de tipo glucosa, los lípidos dan glicerol, acidos

grasos y otras moléculas y las proteínas dan lugar a los aminoácidos. No se libera energía utilizable durante esta primera etapa. En la segunda etapa, todo este gran numero de pequeñas moléculas formadas en la primera etapa son degradadas a unas cuantas moléculas mas sencillas que juegan un papel central en el metabolismo. La tendencia es convergente hacia la molecula Acetil CoA. Durante esta segunda etapa se genera una pequeña cantidad de ATP. En la tercera etapa se oxida la molécula de Acetil CoA y se convierte en agua y CO2. La mayor producción de ATP obtenida de los alimentos se genera en esta etapa

GLUCOSA ACIDOS GRASOS AMINOACIDOS

Glucolisis

Acetil CoA

β- oxidación

Acetil CoA

Transaminación

Desaminación

Acetil CoA El anabolismo también puede estudiarse en tres etapas. En la tercera de estas, con la ayuda del ciclo de acido cítrico, se generan pequeñas moléculas precursoras, las cuales se convierten, a lo largo de la segunda etapa, en los bloques de construcción (monómeros) de las macromoléculas propias de la celula. Finalmente, en la primera etapa se ensamblan estos monómeros para generar macromoléculas. En las tres etapas anabólicas, especialmente en la primera, se requiere energía en forma de ATP. Rutas metabólicas Generalmente, las transformaciones metabólicas, tanto de degradación como de síntesis, se realizan a través de series de reacciones catalizadas por enzimas, ordenadas en una secuencia definida. Cada una de esas series de reacciones, llamadas rutas metabólicas, convierte un compuesto precursor o inicial en un determinado producto final. Reacciones químicas en el metabolismo

1. Oxido-reducción→ Oxido-reductasas 2. Transferencia de grupo → Transferasas 3. Hidrolisis → Hidrolasas 4. Ruptura no hidrolitica → Liasas 5. Isomerización y rearreglo → Isomerasas 6. Formación de enlaces → Ligasas

El flujo de metabolitos a través de una vía es muy sensible a la necesidad de los productos de la vía por parte del organismo. A través de una red compleja de mecanismos de control, se consigue que el flujo a través de una determinada vía no sea mayor de lo imprescindible. Rutas metabólicas mas importantes GLUCOLISIS

Ruta universal que usan todos los organismos para extraer energía de los carbohidratos.

Es la ruta por medio de la cual los azucares de seis átomos de carbono se desdoblan dando lugar a un compuesto de tres átomos de carbono, el piruvato. Durante este proceso, parte de la energía potencial almacenada en la estructura de la hexosa se libera y se utiliza para la síntesis de ATP.

Es una ruta de oxidación que no requiere de oxigeno, por lo que también se en organismos anaerobios. Para la oxidación utiliza intermediarios fosforilados.

Juega un papel central en el metabolismo generando energía e intermediarios para otras rutas metabólicas.

Consiste en diez reacciones que se pueden agrupar en dos etapas: o Etapa I: Etapa consumidora de energía. Gasto energético o etapa “preparativa”. Es una

fase degradativa. o Etapa II: Etapa generadora de energía. Obtención de energía o etapa “oxidativa”

La glucolisis ocurre en el citoplasma, pero la glucosa es altamente polar, por lo que no puede difundir a través de la membrana celular al ser esta hidrofóbica, de modo que entra en la célula por transporte facilitado mediante proteínas transportadoras.

Desde el punto de vista energético, el rendimiento es muy bajo, pues solo se obtienen 2 ATP, pero es importante porque se forma acido pirúvico (piruvato), que participa en otras reacciones donde la energía neta liberada es mucho mayor.

GLUCONEOGENESIS Es la producción de azucares a partir de sustancias diferentes a los carbohidratos (lactato, aminoácidos, propianato y glicerol). Esta via permite tener una fuente alterna de glucosa, remover lactato de la sangre y remover el glicerol producido por el tejido adiposo. Esta via se activa ante la disminución de la glucosa. RUTA DE LAS PENTOSAS Estrechamente relacionada con la glucolisis, durante la cual se utiliza la glucosa para generar ribosa-5-fosfato, que es necesaria para la biosíntesis de nucleótidos y acidos nucleicos. También se obtiene poder reductor en forma de NADPH. Consta de tres etapas que incluyen:

Etapa 1: Reacciones oxidativas (producen NADPH)

Etapa 2: Reacciones de isomerización y epimerización

Etapa 3: Reacciones de ruptura y formación de enlaces C-C Es una via degradativa alterna que ocurre en el citoplasma y que tienen los organismos para transformar la glucosa en intermediarios que no aparecen en la glucolisis (eritrosa, ribosa). CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS Transformación del piruvato en Acetil CoA En condiciones aeróbicas el acido pirúvico obtenido en la glucolisis y en otros procesos catabólicos atraviesa la membrana de la mitocondria y en la matriz mitocondrial va a sufrir un proceso químico que tiene dos vertientes:

1. Descarboxilación: El acido pirúvico va a perder el grupo CO2 correspondiente al primer carbono, el carbono que tiene la función acido.

2. Oxidación: El segundo carbono pasa de tener un grupo cetona a un grupo aldehído. Este grupo se oxidará a grupo acido (acido acético) por acción del NAD+. En el proceso interviene una sustancia, la coenzima A que unirá al acido acético.

Ciclo de Krebs Es la vía de oxidación de la mayor parte de los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, y genera numerosos metabolitos intermediarios de otras rutas metabólicas. Es un ciclo anfibólico, es decir, opera catabólica y anabólicamente.

Las ocho enzimas del ciclo catalizan una serie de reacciones, que globalmente, oxidan un grupo acetilo a dos moléculas de CO2, con la generación de tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una de GTP. Es alimentado continuamente en sustratos y continuamente genera productos. Las sustancias intermediarias se recuperan para ser de nuevo integradas en él. Como una rueda girando sin fin, solo se detendrá si faltan los sustratos o si, por exceso de productos, se inhiben las enzimas que participan en él. FOSFORILACION OXIDATIVA La fosforilación oxidativa en la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH y FADH, obtenidos en la glucolisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxigeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP. Este proceso metabólico esta formado por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de oxido-reducción, donde el O2 es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente el agua. La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de electrones en la cadena respiratoria. Los electrones pasan a través de una serie de transportadores incluidos en la membrana interna de la mitocondria. Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie. Las cadena de transporte de electrones es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS La oxidación de los carbohidratos y de los lípidos genera casi toda la energía que requiere el organismo animal. Los carbohidratos proporcionan una fuente de energía fácilmente asequible y los lípidos funcionan como la principal reserva de energía. La oxidación de un gramo de lípido típico libera alrededor de 9 000 cal; la oxidación de una masa igual de carbohidrato libera sólo aproximadamente 4 000 cal. Una molécula de lípido posee una proporción mucho mayor de carbono e hidrógeno que el carbohidrato. Por tanto, los lípidos tienen una mayor capacidad para combinarse con el oxígeno y, consecuentemente un mayor contenido de energía.

Oxidación de los ácidos grasos (β-Oxidación). Antes de que los triacilgliceroles se utilicen en la producción de energía, las lipasas los hidrolizan a ácidos grasos y glicerol. El glicerol se convierte en derivado de un carbohidrato y se metaboliza vía la trayectoria glucolítica. Los ácidos grasos, los cuales contienen la mayor parte de la energía de los lípidos, se fragmentan en una serie de reacciones secuenciales, con el desprendimiento gradual de energía utilizable. Algunas de estas reacciones son oxidativas y requieren las mismas coenzimas (NAD+, FAD) que aquellas que toman parte en la oxidación de los carbohidratos. Las enzimas que intervienen en el catabolismo de los ácidos grasos se encuentran en las mitocondrias, junto con las enzimas del ciclo de Krebs, la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa. Metabolismo del glicerol. Por cada molécula de triacilglicerol o fosfolípido que se hidroliza, se forma una molécula de glicerol. Éste se incorpora fácilmente en el esquema del metabolismo de los carbohidratos mediante la conversión a un fosfato de dihidroxiacetona, un intermediario clave en la trayectoria glucolítica. Esta conversión incluye la fosforilación de un grupo hidroxilo primario, seguida de la oxidación de un grupo hidroxilo secundario a una cetona. Esta última

reacción se invierte fácilmente cada vez que se requiere fosfato de glicerol para la síntesis de triacilgliceroles. cinasa

Gligerol + ATP 1-glicerofosfato + ADP

1-glicerofosfato + NAD+ fosfato de dihidroxiacetona + NADH + H+

METABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Al igual que los carbohidratos y los lípidos, las proteínas normalmente no se pueden absorber; primero deben hidrolizarse en sus aminoácidos componentes. Las proteínas celulares se encuentran en continuo estado de flujo; están siendo constantemente degradadas y resintetizadas a partir de sus aminoácidos constituyentes. Se requiere un consumo de nitrógeno en la dieta a fin de proporcionar los medios para la biosíntesis de los diversos compuestos nitrogenados. Se pierde nitrógeno en la constante degradación de las proteínas tisulares y en la excreción de ciertos materiales de desecho que contienen nitrógeno. En condiciones normales, el consumo individual de nitrógeno en la dieta es igual a la cantidad de nitrógeno en el excremento. Esta condición recibe el nombre de balance de nitrógeno o equilibrio de nitrógeno. Los organismos se encuentran en balance de nitrógeno positivo (consumo mayor que la excreción) cuando el tejido se halla en proceso de síntesis, por ejemplo, durante los períodos de crecimiento. El balance de nitrógeno negativo se presenta cuando se tiene:

Un consumo inadecuado de proteínas (por ejemplo, ayuno).

Un catabolismo acelerado de las proteínas tisulares (fiebres, infecciones, padecimientos extenuantes).

Una dieta a la que le falta, o es deficiente en , alguno de los aminoácidos esenciales (lisina, leucina, isoleucina, metionina, treonina, triptófano, valina, fenilalanina, histidina, arginina)

Los vegetales superiores y ciertos microorganismos tienen la capacidad para sintetizar todas sus proteínas a partir de dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas. En consecuencia, estos organismos pueden crecer en un medio que no contenga aminoácidos previamente formados. Metabolismo de los aminoácidos. Los aminoácidos no suelen ser degradados para obtener energía cuando el organismo puede utilizar carbohidratos o lípidos con este fin. En vez de ello los aminoácidos se utilizan en la síntesis de péptidos y proteínas, como fuente de átomos de nitrógeno (por transaminación) para la síntesis de otros aminoácidos y en la síntesis de otros compuestos nitrogenados y no nitrogenados. Todos los aminoácidos que excedan las cantidades para estos procesos son degradados por desaminación y el esqueleto carbonado es metabolizado. El NH3 producido, si está en exceso es eliminado como producto de desecho nitrogenado. BIOENERGETICA “La bioenergética es el estudio cuantitativo de las relaciones y conversiones de energía que tienen lugar en los sistemas biológicos.”

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). La forma de intercambio de energía es el ATP, el transportador universal de energía. En el proceso anabólico (así como en el transporte activo y la contracción muscular) se consume ATP, que después se regenera en el catabolismo. Para determinar la cantidad de energía asociada al ATP, se

utiliza el cambio de energía libre de Gibbs (G) para un proceso químico. Este término es una medida de la energía disponible para hacer trabajo útil, tal como dirigir una reacción desfavorable

hasta completarla. El término de G es constante para una reacción en un conjunto de

condiciones preestablecidas. En términos prácticos se determina el G0 que es el cambio de energía libre cuando la reacción procede hacia el equilibrio en condiciones estándar. Las condiciones estándar se definen como 1 atm de presión, 25 0C y una concentración inicial de reactivos y productos de 1 M. Para los procesos bioquímicos, se añaden a éstas condiciones un pH

de 7,0 y se define el cambio de energía libre de Gibbs modificado como G0’; este cambio se evalúa determinando la constante de equilibrio (K) de la reacción llevada a cabo a las condiciones estándar mencionadas y con la expresión:

G0’ = - RT ln K o G0’ = -n F 0’ (reacciones de oxidación-reducción)

Los valores absolutos de G0’ medidos en tubo de reacción no corresponden exactamente con las condiciones energéticas de una reacción en una célula; sin embargo, estos valores son de gran utilidad cuando se comparan los requerimientos energéticos de muchas reacciones metabólicas.

Conociendo el signo y el valor de G0’ se puede predecir si la reacción es favorable o no a las condiciones estándar:

G0’ 0 (valores negativos). La reacción libera energía cuando alcanza el equilibrio

(exergónica). Los reactivos están en un nivel de energía mayor que los productos. Se libera energía útil para realizar trabajo.

G0’ 0 (valores positivos). Los reactivos están en un nivel de energía menor que los

productos. La reacción necesita una entrada de energía para que proceda tal como está escrita (endergónica).

G0’= 0. Los reactivos y productos están en el mismo nivel de energía. La reacción en condiciones estándar está en equilibrio. No se libera ni se requiere energía.

Rendimiento energético del metabolismo de los carbohidratos. Por cada mol de glucosa que se degrada inicialmente a ácido pirúvico se consumen dos moles de ATP (etapas 1 y 3) y se producen cuatro moles de ATP (etapas 7 y 10). Por tanto, se obtienen dos moles de ATP de la fosforilación a nivel de sustrato. Además, como el pirúvico no se reduce a ácido láctico, hay dos moles de NADH (etapa 6) que permanece en el citoplasma. El NAD+ se debe regenerar a partir del NADH para que continué la glucólisis. Sin embargo, el problema es que el NADH no puede pasar a través de la membrana de las mitocondrias para oxidarse mediante la cadena respiratoria. Se logra una solución mediante un proceso de vaivén que involucra al 3-glicerofosfato y al fosfato de dihidroxiacetona. Estos compuestos pueden atravesar la membrana mitocondriana. La continuación de la glucólisis aerobia produce un total de 30 moles de ATP por mol de glucosa. En la Tabla se proporcionan las diversas reacciones que conducen a la síntesis del ATP.

C6H12O6 + 6 O2 + 36 ADP + 36 P 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP La anterior es la ecuación neta para la oxidación de un mol de glucosa en células aerobias y eucarióticas, ya que en las procarióticas el NADH debe tener fácil acceso a los conjuntos respiratorios que contienen las enzimas de la cadena de transporte electrónico y de la fosforilación y se forman 38 ATP de la oxidación completa de la glucosa. La energía que se libera (686 000 cal) se atribuye a la síntesis de 36 mol de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Suponiendo que se requieren 7 300 cal para la síntesis de cada molécula de ATP entonces, se conservan 7300 x 36 = 263 000 cal y la eficiencia de conservación es del 38 % (263 000 x 100/ 686 000) (Tabla 4.6).

Tabla. Producción de ATP durante la oxidación de la glucosa a CO2 y H2O

Reacción Tipo de No. de moléculas fosforilación de ATP formadas

Glucosa 2 Ácido pirúvico A nivel de sustrato 2 x 1 NAD+ NADH 3-glicerofosfato Ác. 1,3-difosfoglicérido Oxidativa 2 x 2 FAD FADH2

NAD+ NADH Ácido pirúvico Acetil CoA Oxidativa 2 x 3 NAD+ NADH Ácido isocítrico Ac. oxalsuccínico Oxidativa 2 x 3

NAD+ NADH

Ác. -cetoglutárico Succinil CoA Oxidativa 2 x 3 GDP GTP Succinil CoA Ácido succínico A nivel de sustrato 2 x 1 FAD FADH2 Ácido succínico Ácido fumárico Oxidativa 2 x 2 NAD+ NADH Ácido succínico Ácido oxalacético Oxidativa 2 x 3 Total 36 _____________________________________________________________________