cap. 2 metabolismo
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CAPITULO 2: METABOLISMO
Conceptos generales
Comprende el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en los tejidos de
los seres vivos. Específicamente, a las transformaciones que ocurren dentro de las
células se las denomina metabolismo intermedio.
El metabolismo puede dividirse en dos para su análisis, el anabolismo y el
catabolismo. El catabolismo comprende reacciones de naturaleza degradativa, en donde
predominan procesos oxidativos, que conducen a la producción de energía y formación
de coenzimas reducidas. Mientras que el anabolismo esta conformado por reacciones de
síntesis, en su mayoría reductivas, que son acompañadas de gasto de energía y
oxidación de coenzimas.
El balance energético final de las reacciones catabólicas es exergónico (ΔG
negativo), y permite la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi, mientras que en el
anabolismo es endergónico (ΔG positivo), por lo que requiere un aporte de energía que
puede ser otorgada por la hidrólisis del enlace fosfato de una molécula de ATP con la
consecuente formación de ADP + Pi.
Vías metabólicas
Son una secuencia ordenada de reacciones catalizadas por enzimas que
convierten una sustancia en producto final.
Tipos de vías metabólicas
a) Secuencia lineal.
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Donde,
A = Sustrato inicial.
B, C y D = Productos intermedios o metabolitos.
E = Producto final.
a, b, c y d = enzimas.
Los metabolitos intermedios son productos parciales que suelen tener vida
breve dentro de la célula.
b) Vías metabólicas ramificadas:
Hay un sustrato inicial (A), un punto de ramificación en el metabolito intermedio B
y se pueden obtener dos productos finales: D y F. En todos los pasos intervienen enzimas
(a, b, c, d y e).
c) Ciclo metabólico: Se caracteriza porque al final de este metabolismo se regenera el
componente inicial del ciclo. La sustancia que ingresa se denomina alimentadora (S)
del ciclo y la que egresa se denomina producto (P). Un ejemplo es el Ciclo del
Gioxilato.
d) Ciclos interconectados: Se caracterizan por que tienen un metabolito intermedio
común (B). Un ejemplo es el Ciclo de la Urea acoplado al Ciclo de Krebs.
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e) Secuencia lineal de racciones reversibles.
f) Secuencia lineal de reacciones reversibles utilizando un desvío.
Transferencia de energía en la célula
De acuerdo a lo expuesto en el Cap. 1, las reacciones bioquímicas en la célula
tienen lugar cuando su cambio de energía libre (ΔG) es negativo. Si el cambio de energía
libre es positivo la reacción no podrá ocurrir por sí sola, pero si se le acopla otra reacción
que aporte energía de manera tal que el balance final sea un ΔG negativo, la reacción
podrá llevarse a cabo. La molécula más usada por la célula en las reacciones bioquímicas
del metabolismo para aportar energía es el adenosina trifosfato (ATP), por lo que se la
considera encargada del transporte y transferencia de energía. Para liberar la energía se
debe producir la hidrólisis de un enlace anhídrido entre los fosfatos y formarse adenosina
difosfato (ADP) o adenosina monofosfato (AMP).
ATP ADP + Pi ΔG = -7,3 Kcal/mol
ATP AMP + PPi ΔG = -7,3 Kcal/mol
El ΔG es el cambio de energía libre estándar, es decir a pH 7. Cuando una
reacción tiene ΔG positivo no podría ocurrir, pero si a esta reacción se la complementa
con una hidrólisis de ATP, hace que el balance final del ΔG sea negativo, por ejemplo:
A B ΔG = +4 Kcal/mol
ATP ADP + Pi ΔG = -7,3 Kcal/mol
La reacción acoplada
A + ATP B + ADP + Pi ΔG = - 3,3 Kcal/mol
Esto evidencia que las reacciones termodinámicamente desfavorables pueden
convertirse en favorables mediante el acoplamiento de hidrólisis de moléculas de ATP.
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Fig. 2-1. Fórmula del Adenosin trifosfato (ATP)
La molécula de ATP está formada por una ribosa, una base nitrogenada y tres
fosfatos. Dos de los fosfatos están unidos por enlaces anhidridos fosfórico que son los de
alto potencial de transferencia de energía.
El ATP, ADP y AMP se pueden interconvertir mediante una reacción catalizada por
la adenilato quinasa:
ATP + AMP ADP + ADP
También se encuentran en las células otros nucleótidos mono, di y trifosfato,
formados por bases nitrogenadas diferentes tales como guanina (G), citocina (C),
uridina (U) y timina (T).
Base
nitrogenada
Nucleótido
Monofosfato
Necleótido
Difosfato
Nucleótido
Trifosfato
Guanina GMP GDP GTP
Citosina CMP CDP CTP
Uridina UMP UDP UTP
Timina TMP TDP TTP
Los fosfatos pueden ser transferidos por enzimas de un nucleótido a otro sin gasto
de energía en reacciones que son reversibles, por ejemplo.
ATP + GDP ADP + GTP
ATP + GMP ADP + GDP
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El ATP es el principal dador de energía libre en los sistemas biológicos. Un ser
humano utiliza 40 Kg de ATP por día, que son aprovechados principalmente en procesos
tales como movimientos (contracción muscular), transporte activo y biosíntesis. El ATP se
genera por oxidación de moléculas orgánicas combustibles y por fotosíntesis.
Carga energética
La carga energética (CE) es una manera de expresar el estado energético de la
célula y se calcula la siguiente ecuación:
Esto significa que la carga energética es el cociente entre el total de uniones
fosfatos de alto potencial de transferencia (dos en el ATP y una en el ADP) y el contenido
total de nucléotidos fosfato de adenina que tiene la célula. De acuerdo con esta ecuación,
la carga energética puede oscilar entre 0 y 1; mientras más alto es el resultado de la
ecuación, mayor será la cantidad de uniones fosfatos que tiene la célula y, por lo tanto,
mayor su estado energético.
La carga energética es uno de los principales factores que participa en la
regulación de los metabolismos celulares. Se ha observado que la CE está amortiguada
(regulada homeostáticamente) a un valor de 0,9; cuando se encuentra por debajo de ese
valor se activan vías generadoras de ATP, es decir el catabolismo, para elevar el valor de
carga energética a su nivel normal. Cuando la carga energética es mayor a 0,9 se activan
las vías utilizadoras de ATP, es decir anabólicas, que conducen a un gasto de ATP y hacen
que la CE baje a los niveles normales. Esta explicación se puede enterder mejor
analizando el gráfico entre la CE y la velocidad relativa de las vías anabólicas y
catabólicas de la célula.
Fig. 2-2. Carga energética en relación a las vías anabólicas y catabólicas de la célula.
Coenzimas de óxido-reducción
En el metabolismo (anabolismo/catabolismo) se producen reacciones reductivas y
oxidativas de moléculas orgánicas. Como en toda reacción de óxido/reducción cuando un
compuesto se oxida necesita otro que se reduzca y viceversa. Por ello, en estas
reacciones es indispensable la participación de las coenzimas de óxido/reducción. Estas
son: Nicotinamida Adenina Dinucleótido (NAD+/NADH), Flavina Adenina Dinucleótido
(FAD/FADH2) y Nicotina Adenina Dinucleótido Fosfato (NADP+/NADPH) Fig. 2-3.
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No todas las coenzimas de óxido/reducción cumplen la misma función en el
interior de la célula. El NADH y el FADH2 se utilizan principalmente para producir energía
(ATP) a nivel de mitocondria, oxidándose en la cadena respiratoria acoplada a la
fosforilación oxidativa; mientras que, el NADPH se utiliza principalmente para aportar
poder reductor en las reacciones de biosíntesis reductivas como la síntesis de ácidos
grasos.
NAD+ NADH
Fig. 2-3. Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+/NADH), Flavina
adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato
(NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido.
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FAD FADH2
Fig. 2-3 (continuación). Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido
(NAD+/NADH), Flavina adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina
dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido.
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NADP+ NADPH2
Fig. 2-3 (continuación). Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido
(NAD+/NADH), Flavina adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina
dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido
Coenzima A (CoA)
Es una molécula muy importante, constituida por ácido pantoténico (llamado
también vitamina B3), mercapto etanolamina, ribosa y adenina. La mercapto etanolamina
hace que la coenzima A tenga un grupo sulfhidrilo responsable de la función de esta
molécula en los metabolismos en que participa. Tiene un papel destacado en las
reacciones de acetilación. Se une a los acetilos a través de una unión tioéster entre el
sulfhidrilo y la función ácido formando el acetil-CoA. Este tipo de reacción permite que se
lleve a cabo el metabolismo de los lípidos, tanto la biosíntesis como la degradación de
ácidos grasos, de esta manera los grupos acilos quedan activados para actuar en
reacciones ulteriores. El acetil-CoA además es útil para otros metabolismos como la
biosíntesis de colesterol, hormonas esteroideas, acetil colina y para su ingreso a ciclo de
Krebs para producir energía (Fig. 2-4).
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Fig. 2-4. Fórmula de la Acetil-CoA.
Vitaminas
Las vitaminas son moléculas orgánicas que, aunque en muy baja
concentración, son imprescindibles para los animales superiores, ya que han perdido la
capacidad de sintetizarlas. La función general de este heterogéneo grupo de moléculas,
es participar como coenzimas en las reacciones bioquímicas.
Según su solubilidad se dividen en dos grandes grupos: hidrosolubles y
liposolubles.
Las hidrosolubles, como la vitamina B1, B2 y B6, son en su mayoría precursores de
coenzimas. La vitamina C es hidrosoluble y participa en reacciones de hidroxilación.
Dentro de las liposolubles se encuentran: La vitamina A, que es precursor del
retinol y participa en el crecimiento; la vitamina D se relaciona con el crecimiento del
organismo; la vitamina E, actúa como antioxidante de lípidos; y la vitamina K, participa
en procesos de coagulación de la sangre.
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