Transformación de biomoléculas y regulación metabólica II. Rutas metabólicas.
RUTAS METABÓLICAS
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RUTAS METABÓLICAS. Una ruta metabólica es una serie de reacciones consecutivas catalizadas por un enzima que produce compuestos intermedios y finalmente un producto o productos; en muchos casos, el producto final de una ruta metabólica es la sustancia inicial de otra ruta. Las rutas metabólicas comparten varias características comunes, por ejemplo, la mayoría requiere de ATP como fuente fundamental de energía. Las sustancias intermedias producidas en las rutas metabólicas generalmente no se almacenan en cambio, se producen los intermedios de otras sustancias en el momento en que es necesario. En las diferentes partes de la célula ocurren diferentes reacciones metabólicas, por ejemplo, la degradación de la glucosa ocurre en el citoplasma, y la oxidación de los ácidos grasos ocurre en las mitocondrias; así, las sustancias comunes a más de una ruta se deben transportar de un organelo a otro. Finalmente, cada ruta metabólica esta regulada por muchos mecanismos diferentes; las enzimas alostéricas y la hormonas son generalmente los agentes químicos que regulan a estas. en la ruta metabólica que incluye la secuencia de reacciones A → B → C → D → E A es el sustrato inicial, E es el producto final, y B, C, D son los metabolitos intermediarios de la ruta metabólica. Las diferentes reacciones de todas las rutas metabólicas están catalizadas por enzimas y ocurren en el interior de las células. Muchas de estas rutas son muy complejas e involucran una modificación paso a paso de la sustancia inicial para darle la forma del producto con la estructura química deseada. Todas las rutas metabólicas están interconectadas y muchas no tienen sentido aisladamente; no obstante, dada la enorme complejidad del metabolismo, su subdivisión en series relativamente cortas de reacciones facilita mucho su comprensión. Muchas rutas metabólicas se entrecruzan y existen algunos metabolitos que son importantes encrucijadas metabólicas, como el acetil coenzima-A. Tipos de rutas metabólicas Normalmente se distinguen tres tipos de rutas metabólicas: Rutas catabólicas. Son rutas oxidativas en las que se libera energía y poder reductor y a la vez se sintetiza ATP. Por ejemplo, la glucólisis y la beta-oxidación. En conjunto forman el catabolismo.
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RUTAS METABÓLICAS.
Una ruta metabólica es una serie de reacciones consecutivas catalizadas por unenzima que produce compuestos intermedios y finalmente un producto oproductos; en muchos casos, el producto final de una ruta metabólica es la
sustancia inicial de otra ruta.Las rutas metabólicas comparten varias características comunes, por ejemplo, lamayoría requiere de ATP como fuente fundamental de energía. Las sustanciasintermedias producidas en las rutas metabólicas generalmente no se almacenanen cambio, se producen los intermedios de otras sustancias en el momento en quees necesario. En las diferentes partes de la célula ocurren diferentes reaccionesmetabólicas, por ejemplo, la degradación de la glucosa ocurre en el citoplasma, yla oxidación de los ácidos grasos ocurre en las mitocondrias; así, las sustanciascomunes a más de una ruta se deben transportar de un organelo a otro.Finalmente, cada ruta metabólica esta regulada por muchos mecanismos
diferentes; las enzimas alostéricas y la hormonas son generalmente los agentesquímicos que regulan a estas.
en la ruta metabólica que incluye la secuencia de reacciones
A → B → C → D → E
A es el sustrato inicial, E es el producto final, y B, C, D son los metabolitosintermediarios de la ruta metabólica.
Las diferentes reacciones de todas las rutas metabólicas están catalizadas porenzimas y ocurren en el interior de las células. Muchas de estas rutas son muycomplejas e involucran una modificación paso a paso de la sustancia inicial paradarle la forma del producto con la estructura química deseada.
Todas las rutas metabólicas están interconectadas y muchas no tienen sentidoaisladamente; no obstante, dada la enorme complejidad del metabolismo, susubdivisión en series relativamente cortas de reacciones facilita mucho sucomprensión. Muchas rutas metabólicas se entrecruzan y existen algunosmetabolitos que son importantes encrucijadas metabólicas, como el acetilcoenzima-A.
Tipos de rutas metabólicas
Normalmente se distinguen tres tipos de rutas metabólicas:
Rutas catabólicas. Son rutas oxidativas en las que se libera energía ypoder reductor y a la vez se sintetiza ATP. Por ejemplo, la glucólisis y labeta-oxidación. En conjunto forman el catabolismo.
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GLUCÓLISIS
La glucólisis o glicolisis (del griego glycos , azúcar y lysis , ruptura), es la vía
metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energíapara la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que conviertena la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras víasmetabólicas y así continuar entregando energía al organismo
El tipo de glucólisis más común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhof,explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhof. El término puedeincluir vías alternativas, como la vía de Entner-Doudoroff. No obstante, glucólisisse usa con frecuencia como sinónimo de la vía de Embden-Meyerhof. Es la víainicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP ydos moléculas de NADH; el ATP puede ser usado como fuente de energía pararealizar trabajo metabólico, mientras que el NADH puede tener diferentes destinos.Puede usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas; si hayoxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose tres ATPs; si nohay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación láctica), o aCO2 y etanol (fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.
La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula y, en elmetabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a la cual se recurre.Se encuentra estructurada en 10 reacciones enzimáticas que permiten latransformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato medianteun proceso catabólico.
La glucólisis es una de las vías más estudiadas, y generalmente se encuentradividida en dos fases: la primera, de gasto de energía y la segunda fase, deobtención de energía.
La primera fase consiste en transformar una molécula de glucosa en dosmoléculas de gliceraldehído (una molécula de baja energía) mediante el uso de 2ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtenciónenergética.
Reacción global de la glucólisis
+
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O
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En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de altaenergía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Estaobtención de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacciónfuertemente exergónica después de una levemente endergónica. Este
acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas depiruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
Luego de que una molécula de glucosa se transforme en 2 moléculas de piruvato,las condiciones del medio en que se encuentre determinarán la vía metabólica aseguir.
En organismos aeróbicos, el piruvato seguirá oxidándose por la enzima piruvatodeshidrogenasa y el ciclo de Krebs, creando intermediarios como NADH y FADH2.Estos intermediarios no pueden cruzar la membrana mitocondrial, y por lo tanto,utilizan sistemas de intercambio con otros compuestos llamados lanzaderas (en
inglés, shuttles). Los más conocidos son la lanzadera malato-aspartato y lalanzadera glicerol-3-fosfato. Los intermediarios logran entregar sus equivalentes4 al interior de la membrana mitocondrial, y que luego pasarán por la cadena detransporte de electrones, que los usará para sintetizar ATP.
De esta manera, se puede obtener hasta 30 moles de ATP a partir de 1 mol deglucosa como ganancia neta.
Sin embargo, cuando las células no posean mitocondrias (ej: eritrocito) o cuandorequieran de grandes cantidades de ATP (ej.: el músculo al ejercitarse), el piruvatosufre fermentación que permite obtener 2 moles de ATP por cada mol de glucosa,
por lo que esta vía es poco eficiente respecto a la fase aeróbica de la glucólisis.El tipo de fermentación varía respecto al tipo de organismos: en levaduras, seproduce fermentación alcohólica, produciendo etanol y CO2 como productosfinales, mientras que en músculo, eritrocitos y algunos microorganismos seproduce fermentación láctica, que da como resultado ácido láctico o lactato.
Etapas de la glucólisis
Rutas anabólicas. Son rutas reductoras en las que se consume energía(ATP) y poder reductor. Por ejemplo, gluconeogénesis y el ciclo de Calvin.
En conjunto forman el anabolismo. Rutas anfibólicas. Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, como elciclo de Krebs, que
BETA OXIDACIÓN
La beta oxidación (β-oxidación) es un proceso catabólico de los ácidos grasosen el cual sufren remoción, mediante la oxidación, de un par de átomos de
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carbono sucesivamente en cada ciclo del proceso, hasta que el ácido graso sedescomponga por completo en forma de moléculas acetil-CoA, oxidados en lamitocondria para generar energía (ATP). La β-oxidación de ácidos grasos constade cuatro reacciones recurrentes:
El resultado de dichas reacciones son unidades de dos carbonos en forma deacetil-CoA, molécula que pueden ingresar en el ciclo de Krebs, y coenzimasreducidos (NADH y FADH2) que pueden ingresar en la cadena respiratoria.
No obstante, antes de que produzca la oxidación, los ácidos grasos debenactivarse con coenzima A y atravesar la membrana mitocondrial interna, que esimpermeable a ellos.
Pasos previos
Activación de los ácidos grasos
El paso previo a esas cuatro reacciones es la activación de los ácidos grasos aacil coenzima A (acil CoA, R –CO –SCoA) grasos, que tiene lugar en el retículoendoplasmático (RE) o en la membrana mitocondrial externa, donde se halla laacil-CoA sintetasa (o ácido graso tioquinasa), la enzima que cataliza estareacción:1
R –COOH + ATP + CoASH →Acil-CoA sintetasa→ R –CO –SCoA + AMP + PPi + H2O
El ácido graso se une al coenzima A (CoASH), reacción que consume dos enlacesde alta energía del ATP.
Traslocación a la matriz mitocondrial
Posteriormente debe usarse un transportador, la carnitina, para traslocar lasmoléculas de acil-CoA al interior de la matriz mitocondrial, ya que la membranamitoncondrial interna es impermeable a los acil-CoA.
La carnitina se encarga de llevar los grupos acilo al interior de la matrizmitoncondrial por medio del siguiente mecanismo.
La carnitina es fuertemente inhibida por el malonil-CoA, uno de los pasosreguladores en el proceso de lipogénesis.
1. La enzima carnitina palmitoiltransferasa I (CPTI) de la membrana mitocondrialexterna elimina el coenzima A de la molécula de acil-CoA y, a la vez, la une a lacarnitina situada en el espacio intermembrana, originado acilcarnitina; el CoAqueda libre en el citosol para poder activar otro ácido graso.
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2. A continuación, una proteína transportadora, llamada translocasa, situada en lamembrana mitocondrial interna, transfiere la acilcarnitina a la matriz mitoncondrialy, paralelamente, la carnitina palmitoiltrasnferasa II (CPTII) une una molécula deCoA de la matriz al ácido graso, regenerando así el acil-CoA .
3. La carnitina se devuelve al espacio intermembrana por la proteína transportadora yreacciona con otro acil-CoA, repitiéndose el ciclo.
La carnitina, también reconocida como vitamina B11, es un derivado aminoacídicoque participa en el circuito vascular reduciendo niveles de triglicéridos y colesterolen sangre. Se produce naturalmente en el hígado a partir de los aminoácidos L-metionina y la L-lisina.
Rutas anabólicas. Son rutas reductoras en las que se consume energía(ATP) y poder reductor. Por ejemplo, gluconeogénesis y el ciclo de Calvin. En conjunto forman el anabolismo.
Gluconeogénesis
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La gluconeogénesis es una ruta metabólica anabólica que permite la síntesis deglucosa a partir de precursores no glucídicos. Incluye la utilización de variosaminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y cualquiera de los intermediarios del ciclode los ácidos tricarboxílicos (o ciclo de Krebs) como fuentes de carbono para la víametabólica. Todos los aminoácidos, excepto la leucina y la lisina, pueden
suministrar carbono para la síntesis de glucosa. Los Ácidos grasos de cadena parno proporcionan carbonos para la síntesis de glucosa, pues el resultado de su β-oxidación (Acetil-CoA) no es un sustrato gluconeogénico; mientras que los ácidosgrasos de cadena impar proporcionarán un esqueleto de Carbonos que derivaránen Acetil-CoA y Succinil-CoA (que sí es un sustrato gluconeogénico por ser unintermediario del ciclo de Krebs).
Algunos tejidos, como el cerebro, los eritrocitos, el riñón, la córnea del ojo y elmúsculo, cuando el individuo realiza actividad extenuante, requieren de un aportecontinuo de glucosa, obteniéndola a partir del glucógeno proveniente del hígado, el cual solo puede satisfacer estas necesidades durante 10 a 18 horas como
máximo, lo que tarda en agotarse el glucógeno almacenado en el hígado.Posteriormente comienza la formación de glucosa a partir de sustratos diferentesal glucógeno.
La gluconeogénesis tiene lugar casi exclusivamente en el hígado (10% en losriñones). Es un proceso clave pues permite a los organismos superiores obtenerglucosa en estados metabólicos como el ayuno.
Reacciones de la gluconeogénesis
Las enzimas que participan en la vía glucolítica participan también en la
gluconeogénesis; ambas rutas se diferencian por tres reacciones irreversibles queutilizan enzimas específicas de este proceso y que condicionan los dos rodeosmetabólicos de esta vía.
Estas reacciones son:
1. De glucosa a glucosa-6P.2. De fructosa-6P a fructosa-1,6-bisfosfato.3. De fosfoenolpiruvato a piruvato.
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Ciclo de Calvin
El ciclo de Calvin (también conocido como ciclo de Calvin-Benson o fase defijación del CO2 de la fotosíntesis) consiste en una serie de procesosbioquímicos que se realizan en el estroma de los cloroplastos de los organismosfotosintéticos. Fueron descubiertos por Melvin Calvin y Andy Benson de laUniversidad de California Berkeley mediante el empleo de isotopos radiactivos decarbono.
Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la energía lumínica ha sidoalmacenada en moléculas orgánicas sencillas e inestables (ATP), que aportaránenergía para realizar el proceso y poder reductor, es decir, la capacidad de donarelectrones (reducir) a otra molécula (dinucleótido de nicotinamida y adeninafosfato o NADPH+H+). En general, los compuestos bioquímicos más reducidos (esdecir, los que tienen mayor cantidad electrones) almacenan más energía que losoxidados (con menos electrones) y son, por tanto, capaces de generar más trabajo(por ejemplo, aportar la energía necesaria para generar ATP en la fosforilacionoxidativa). En el ciclo de Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas dedióxido de carbono en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se
formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos.Este proceso también se puede, por tanto, denominar como de asimilación delcarbono.
La primera enzima que interviene en el ciclo y que fija el CO2 atmosféricouniéndolo a una molécula orgánica (ribulosa-1,5-bifosfato) se denomina RuBisCO(por las siglas de Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa).
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Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo deCalvin se puede resumir en la ecuación:
6RuBP + 6CO2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H+ + 6H2O → 6RuBP + C6H12O6 + 12NADP+ +18ADP + 18 Pi
que representaría la formación de una molécula de azúcar-fosfato de 6 átomos decarbono (hexosa) a partir de 6 moléculas de CO2
Rutas anfibólicas. Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, como elciclo de Krebs, que genera energía y poder reductor, y precursores para labiosíntesis.
Anabolismo
El anabolismo o biosíntesis es una de las dos partes del metabolismo, encargada de la síntesis o bioformación de moléculas orgánicas (biomoléculas) más complejas a partir de otras más sencillas o de los nutrientes, conrequerimiento de energía (reacciones endergónicas), al contrario que elcatabolismo.
La palabra anabolismo se originó del griego Ana que significa arriba.
Aunque anabolismo y catabolismo son dos procesos contrarios, los dos funcionancoordinada y armónicamente, y constituyen una unidad difícil de separar.
El anabolismo es el responsable de:
La fabricación de los componentes celulares y tejidos corporales y por tanto delcrecimiento.
El almacenamiento de energía mediante enlaces químicos en moléculas orgánicas(ATP).
Las células obtienen la energía del medio ambiente mediante tres tipos distintosde fuente de energía que son:
La fotosíntesis en las plantas, gracias a la luz solar. Otros compuestos orgánicos como ocurre en los organismos heterótrofos. Compuestos inorgánicos como las bacterias quimiolitotróficas que pueden ser
autótrofas o heterótrofas.
El anabolismo se puede clasificar académicamente según las biomoléculas que sesinteticen en:
Replicación o duplicación de ADN.
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Síntesis de ARN. Síntesis de proteínas. Síntesis de glúcidos. Síntesis de lípidos.
