10.El metabolismo celular. Catabolismo1. Caractersticas del metabolismo celularEl metabolismo celular es el conjunto de reacciones qumicas que se producen en el interior de las clulas para llevar a cabo las tres funciones vitales.Las diferentes reacciones qumicas del metabolismo se denominan vas metablicas.Las sustancias finales de una va metablica se denominan productos.Todas las reacciones del metabolismo estn reguladas por unas sustancias, generalmente protenas, denominadas enzimas, que son especficas para cada sustrato y para cada tipo de transformacin, reaccin.1.1. Catabolismo y anabolismoSegn el tipo de reacciones que se llevan a cabo, se pueden distinguir dos tipos de vas metablicas: Catabolismo. Es la transformacin de molculas complejas en otras ms sencillas. En el proceso se libera energa que se almacena en los enlaces fosfato del ATP. Son reacciones de degradacin. Son reacciones de oxidacin. Desprenden energa, se obtiene ATP. Es un conjunto de vas metablicas convergentes: a partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos. Anabolismo. Es la sntesis de molculas complejas a partir de otras ms sencillas, para lo cual se necesita energa, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP. Son reacciones de sntesis. Son reacciones de reduccin. Precisan energa, se gasta ATP. Es un conjunto de vas metablicas divergentes: a partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes.

*Oxidacin. Prdida de electrones que el metabolismo se traduce en prdida de hidrgenos.*Reduccin. Ganancia de electrones que en el metabolismo se traduce en ganancia de hidrgenos.

1.2. Adenosn-trifosfato (ATP)El adenosn-trifosfato o ATP es un nucletido que acta en el metabolismo como molcula energtica. Almacena y cede energa, gracias a sus dos enlaces ster-fosfricos. Cada uno de ellos es capaz de almacenar 73 kcal/mol.

Cuando se hidroliza, se rompe el ltimo enlace ster-fosfrico y se produce adenosn-difosfato o ADP y una molcula de cido fosfrico y energa.

El ATP tambin es susceptible a ser hidrolizado. Al romperse el otro enlace ster-fosfrico se produce adenosn-monofosfato o AMP y una molcula de PPi.

La sntesis de ATP se denomina fosforilacin y se puede realizar de dos formas distintas: Fosforilacin a nivel de sustrato. Gracias a la energa liberada de una molcula, al romperse algunos de sus enlaces ricos en energa. Ocurre, por ejemplo, en la gluclisis y el ciclo de Krebs. Con ATP-sintetasas. En las crestas de las mitocondrias y en los tilacoides de los cloroplastos, estas enzimas o complejos enzimticos sintetizan ATP cuando se libera energa en una cadena de reacciones de oxidacin-reduccin (red-ox).1.3. Tipos de metabolismoSegn la fuente de carbono pueden distinguirse dos tipos de metabolismo: Metabolismo auttrofo o litotrofo. Si la fuente de carbono es el dixido de carbono. Metabolismo hetertrofo u organotrofo. Si la fuente es materia orgnica.Con respecto a las distintas fuentes de energa podemos encontrar dos tipos de metabolismo: Fototrofo. Si la fuente de energa es la luz. Quimiotrofo. Si se trata de la energa desprendida en reacciones qumicas.Tipos de metabolismo

Fuente de energa

Luz solar(fototrofo)Reacciones qumicas(quimiotrodo)

Fuentes de carbono

CO2(litotrofo)

Fotolitotrofo Vegetales Algas Cianobacterias Bacterias fotosintticas

Quimiolitotrofo Bacterias quimiosintticas

AUTOTROFOS

Materia orgnica(organotrofo)Fotoorganotrofo Bacterias purpreas no sulfuradasQuimioorganotrofo Animales Hongos Protozoos Bacterias: Saprofitas Simbiontes Parsitos

HETEROTROFOS

2. El control del metabolismoUn catalizador es una sustancia que disminuye la energa de activacin necesaria para llegar al estado de transicin. Una sustancia capaz de hacer que la energa de activacin disminuya.Las enzimas son unas sustancias que catalizan y regulan las vas metablicas.2.2.Actividad de los catalizadoresEn las reacciones exergnicas a pesar de que la energa libre de los reactivos es superior a la de los productos, la reaccin no se da espontneamente. Primero, es necesario suministrar la energa suficiente para debilitar los enlaces de los reactivos. Este paso intermedio, que requiere una aportacin de energa, recibe el nombre de estado de transicin.La energa necesaria para llevar un mol de una sustancia hasta el estado de transicin se denomina energa de activacin.

3. Las enzimasLas enzimas son biocatalizadores, es decir, los catalizadores de las reacciones biolgicas. Al rebajar la energa de activacin, aumentan la velocidad de la reaccin.Todas las enzimas, excepto las ribozimas, son protenas globulares. En la cadena polipeptdica de una enzima se distinguen tres tipos de aminocidos, los estructurales (forman el cuerpo de la enzima, constituyen la estructura de la enzima), los de fijacin (favorecen la unin del sustrato o los sustratos y la enzima) y los catalizadores (facilitan la reaccin). Estos dos ltimos forman una parte de la enzima denominada centro activo.Las ribozimas son ARN.Las enzimas cumplen las dos caractersticas propias de todos los catalizadores: Aceleran la reaccin No se consumen durante la reaccinLas enzimas se diferencian de los catalizadores no biolgicos en: Alta especificidad. Actan a la temperatura del ser vivo. Alta actividad mucho mayor que los catalizadores no biolgicos. Presentan una masa molecular muy elevada.Las enzimas, segn su estructura, se pueden clasificar en dos tipos: Enzimas estrictamente proteicas u holoprotenas. Solo contienen cadenas polipeptdicas. Holoenzimas. Constituidas por una fraccin polipeptdica denominada apoenzima y por una fraccin no polipeptdica, denominada cofactor que pueden dividirse en: Cofactores inorgnicos. Son iones metlicos como el Mg . Cofactores orgnicos o coenzimas. Las coenzimas ms importantes son el ATP, el NAD ,el NADP , el FAD y la coenzima A. 3.1. Actividad enzimticaLa sustancia sobre la cual acta la enzima se denomina sustrato. La enzima y el sustrato se unen mediante enlaces dbiles, formando el complejo enzima-sustrato [ES].Despus se forma el complejo activado [ES]*, que es el estado de transicin del complejo enzima-sustrato. Para alcanzar este estado se requiere mucha menos energa que para llegar al estado de transicin del sustrato solo. Al acabar la transformacin se convierte en complejo enzima-producto [EP] y, finalmente, el producto P se desprende.

Las enzimas actan de dos formas diferentes, segn el nmero de sustratos que se unen a ella para reaccionar: Reacciones con un solo sustrato. La enzima E fija el sustrato a su centro activo. Al finalizar la reaccin se libera la enzima E y el producto P.

Reacciones con un solo sustrato liberando dos productos.

Reacciones con dos sustratos. La enzima E atrae las molculas reaccionantes A y B hacia su centro activo, de forma que la posibilidad de encuentro entre ellas aumenta. En consecuencia, la reaccin se produce ms rpidamente.Una vez realizada la transformacin de los sustratos en los productos C y D, se libera rpidamente de ellos para volver a actuar.

3.2. Centro activo de las enzimasLa regin de la enzima que se une al sustrato recibe el nombre de centro activoEstos centros activos presentan las siguientes caractersticas: Constituyen una parte muy pequea del volumen total de la enzima. Tienen una estructura que facilita que el sustrato encaje y dificulta que lo haga otro tipo de molculas por tanto presentan afinidad qumica por el sustrato. Estn formados por dos tipos de aminocidos: De fijacin, que establecen enlaces dbiles con el sustrato y se fijan a l. Catalizadores, que son los responsables de la transformacin del sustrato en producto.

3.3. Especificidad de las enzimasEntre la enzima y el sustrato existe una alta especificidad. Solo se fijan a las enzimas, los sustratos que pueden establecer algn enlace con los radicales de los aminocidos fijadores.Esta especificidad entre enzima y sustrato puede representarse de distintas formas: Modelo de complementariedad. El sustrato se complementa con el centro activo de la enzima como una llave con su cerradura.

Modelo de ajuste inducido. El centro activo de la enzima modifica su forma para poder adaptarse al sustrato.

Modelo de apretn de manos. El centro activo de la enzima y el sustrato modifican su forma para acoplarse.

La especificidad entre la enzima y el sustrato puede ocurrir en varios grados: Especificidad absoluta. La enzima tan solo acta sobre un sustrato. Especificidad de grupo. La enzima reconoce un determinado grupo de molculas. Especificidad de clase. La actuacin de la enzima depende del tipo de enlace y no del tipo de molcula. Por ejemplo, las enzimas fosfatasas separan los grupos fosfato de cualquier tipo de molcula.

3.4. Cintica de la actividad enzimticaEn una reaccin enzimtica con una concentracin de enzima constante, si se incrementa la concentracin del sustrato se produce un aumento de la velocidad de la reaccin pero, si se sigue aumentando la concentracin del sustrato, se llega a un punto en que la velocidad de reaccin deja de incrementarse. Esta velocidad se denomina velocidad mxima (Vmax). Esta situacin se debe a que todas las molculas de la enzima ya estn ocupadas por molculas del sustrato. A partir de este comportamiento enzimtico, Leonor Michaelis y Maud Menten definieron la constante de Michaelis-Menten (Km), que es la concentracin del sustrato a la cual la velocidad de reaccin es la mitad de la velocidad mxima.3.5. Factores que afectan a la actividad enzimticaLa velocidad de reaccin conseguida por una enzima depende de la concentracin del sustrato y de otros factores, como son: Temperatura. Si a una reaccin enzimtica se le suministra energa calorfica aumenta la velocidad de reaccin. Existe una temperatura ptima para cada enzima, para la cual la actividad enzimtica es mxima. Si se contina calentando se llega a una temperatura en la que se produce la desnaturalizacin de la enzima.

pH. Las enzimas presentan dos valores lmites de pH entre los cuales son eficaces. Sobrepasados estos valores, se desnaturalizan y dejan de actuar. Entre los dos lmites hay un pH ptimo, en el cual la enzima presenta la mxima eficacia.

Inhibidores. Son sustancias que disminuyen la actividad de la enzima o bien impiden completamente su actuacin.Tipos de inhibicin: Irreversible envenenamiento enzimtico. El inhibidor se fija de forma permanente al centro activo de la enzima y lo inutiliza.

Reversible competitiva. El inhibidor se une temporalmente al centro activo de la enzima.

Reversible no competitiva. El inhibidor se une a la enzima, sin ocupar el centro activo, y no permite la fijacin del sustrato.

Bloqueo complejo enzima-sustrato. El inhibidor se fija al complejo enzima-sustrato e impide la formacin de los productos.

3.6. CoenzimasLas holoenzimas estn formadas por una parte proteica, denominada apoenzima, y otra no proteica, denominada cofactor. Las coenzimas son cofactores orgnicos.Muchas coenzimas son vitaminas o presentan vitaminas como constituyentes de su estructura.Se pueden distinguir dos tipos: Coenzimas de oxidacin y reduccin. Son las que transportan protones (hidrgenos H ) y electrones (e ). Entre ellas destacan los nucletidos: NAD , NADP y FAD. Coenzimas de transferencia. Son las que transportan radicales. Las ms importantes son el nucletido ATP y un derivado de nucletido, la coenzima A (CoA-SH).

3.7. Vitaminas con funcin de coenzimaLas vitaminas son precursores de coenzimas o son imprescindibles para su sntesis. Generalmente actan como coenzimas o precursores de coenzimas. Entre otras destacan: La B2 (riboflavina) forma parte de la coenzima FAD que acta en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria. La vitamina B3 (niacina) forma parte de la coenzima NAD que acta en la oxidacin de glcidos y de la coenzima NADP que acta en la fotosntesis. La vitamina B5 (cido pantotnico) forma parte de la coenzima A que transfiere grupos acilo.

3.8. Clasificacin de las enzimasLas enzimas se clasifican en seis grupos, segn la funcin que ejercen o el tipo de reaccin que catalizan: Oxidoreductasas. Catalizan reacciones de oxidacin-reduccin. Los tipos ms importantes son las oxidasas y las deshidrogenasas cuyos coenzimas son el NAD , NADP y FAD. Transferasas. Transfieren radicales de un sustrato a otro. Hidrolasas. Rompen enlaces con la adicin de una molcula de agua. A este grupo pertenecen las enzimas digestivas (amilasa, maltasa, proteasas). Liasas. Separan grupos sin intervencin de agua. Isomerasas. Catalizan reacciones de cambio de posicin de algn grupo, de una parte a otra de la molcula. Ligasas o sintetasas. Catalizan la unin de molculas o grupos, con la energa proporcionada por las desfosforilacin del ATP que acta como coenzima.

4. Caractersticas del catabolismoEl catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la cual se obtiene energa mediante la oxidacin de los sustratos. En las vas catablicas las molculas orgnicas iniciales son transformadas sucesivamente en otras ms sencillas.La energa liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energa del ATP.

4.1. Reacciones redoxLas reacciones catablicas son reacciones de transferencia de electrones, es decir, reacciones de oxidacin reduccin o reacciones redox.Si una sustancia se oxida, es decir, pierde electrones, hay otra sustancia que los acepta, es decir, se reduce.La sustancia que provoca que otra pierda electrones, es el agente oxidante.La sustancia que provoca que otra gane electrones es el agente reductor.4.2. Liberacin gradual de energa en el catabolismoLa produccin gradual de energa qumica en el catabolismo es posible por las siguientes caractersticas:Reacciones sucesivas. En el catabolismo las reacciones ocurren una despus de otra y cada una de ellas es catalizada por una enzima distinta.Transporte de hidrgenos. Los electrones de la glucosa no pasan directamente a los tomos de oxgeno sino que, en las primeras etapas del catabolismo, viajan junto a protones, constituyendo tomos de hidrgeno, que pasan a una coenzima, generalmente NAD y el FAD, que actan como transportadores de hidrgenos.Cadena transportadora de electrones. La coenzima NADH+H no pasa directamente sus electrones al oxgeno sino que los pasa a una cadena transportadora de electrones. Esta est constituida bsicamente por unas protenas, los citocromos, englobadas de forma ordenada en las crestas mitocondriales. Los electrones pasan de un citocromo al siguiente. Finalmente son transferidos a tomos de oxgeno a los que se unen los protones libres (H ) y se forma agua (H O). La energa que se libera al pasar los electrones a una posicin inferior se utiliza para fosforilar el ADP y formar molculas de ATP, gracias a las enzimas ATP-sintetasas.*Oxidacin completa de la glucosa:

No es una oxidacin directa:Primero los electrones (e ) y protones (H ) (tomos de hidrgeno) pasan a travs de las molculas transportadoras de H (NAD , FAD)Despus los electrones (e ) pasan a travs de molculas transportadoras de electrones (citocromos)Por ltimo, los electrones (e ) y los protones (H ) llegan al aceptor final (O ).4.3. Tipos de catabolismoSe pueden distinguir dos tipos de catabolismo:Respiracin. Interviene la cadena transportadora de electrones. Esto permite transferir electrones procedentes de la materia orgnica inicial a un aceptor final que es un compuesto inorgnico. En funcin del agente oxidante se distingue:Respiracin aerbica. El agente oxidante es el oxgeno molecular (O ). Al reducirse el O y aceptar electrones y protones forma agua (H O).Respiracin anaerbica. El agente oxidante no es el oxgeno molecular, sino iones como el ion nitrato (NO ) que al reducirse forma el ion nitrito (NO ).Fermentacin. No interviene la cadena transportadora de electrones. Impide transferir los electrones de la materia orgnica inicial a un compuesto inorgnico. Debido a ello el producto final siempre es un compuesto orgnico. Diferencias entre respiracin y fermentacin

Respiracin Fermentacin

aerobiaanaerobia

Aceptor final de HOxgeno

Compuestos inorgnicos distintos del O Compuestos oxidados de N, S, etc.Compuestos orgnicos

Productos finalesInorgnicoCO +HInorgnicoCompuestos reducidos de N, S, etc.OrgnicoEtanol, cido lctico, cido butrico, cadaverina, indol, etc.

Proceso aerobio o anaerobioAerobio

Anaerobio

Anaerobio

Fosforilacin a nivel de sustratoSi(4 ATP)Si(4 ATP)Si(2 ATP)

Cadena respiratoriaSiSiNo

Fosforilacin oxidativa (mediante ATP-sintetasas)Si(34 ATP)Si(34 ATP)No

Rendimiento energtico por moles de glucosaElevado(38 ATP)Elevado(38 ATP)Bajo (2 ATP)

5.El catabolismo por respiracin.5.1.Catabolismo respiratorio de los glcidosLa glucosa es el monosacrido ms abundante, por lo que si proceso degradativo puede servir de ejemplo del catabolismo respiratorio de los glcidos.En la degradacin (oxidacin) total por respiracin de la glucosa se distinguen dos procesos: la gluclisis y la respiracin, que a su vez tiene tres fases: descarboxilacin oxidativa del cido pirvico, ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria.

En la clula eucariota la gluclisis se realiza en el citosol y la respiracin en las mitocondrias. Su primera etapa, el ciclo de Krebs, se realiza en la matriz mitocondrial, y la segunda, la cadena transportadora de electrones, en la membrana de las crestas mitocondriales.

5.2GluclisisLa glucosa (C H O ) se escinde en dos molculas de cido pirvico (CH --COCOOH) y la energa liberada se utiliza para sintetizar dos molculas de ATP.Esta sntesis se realiza mediante una fosforilacin a nivel de sustrato, sin intervencin de las ATP-sintetasas.La gluclisis transcurre en nueve reacciones qumicas, desde la glucosa hasta el cido pirvico.Se pueden distinguir dos fases:Primera fase. En ella por cada glucosa se consumen dos ATP y se forman dos gliceraldehdo-3-fosfato (GAP).Segunda fase. En ella por cada gliceraldehdo-3-fosfato se forman dos ATP, se reduce un NAD y se genera un cido pirvico. Por lo tanto, por cada glucosa se forman cuatro ATP, dos NADH+H y dos cidos pirvicos.En la primera fase se consumen dos ATP y en la segunda se producen cuatro ATP por lo que el balance global de la gluclisis es de dos ATP.

5.3.Respiracin de glcidos5.3.1.Etapa previa al ciclo de Krebs o descarboxilacin oxidativa del cido pirvico.El cido pirvico obtenido en la gluclisis entra en la mitocondria donde se pierde un grupo carboxilo (descarboxilacin) que sale en forma de CO y dos hidrgenos (deshidrogenacin) que son aceptados por un NAD y que pasa a NADH+H . El grupo acetilo resultante se une a una coenzima A formando un acetil-CoA o acetil-S-CoA.

5.3.2.Ciclo de KrebsEl acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, transfiriendo su grupo acetilo a un cido oxalactico que al aceptarlo forma un cido ctrico. A partir de l se suceden una serie de transformaciones en que se degrada completamente el grupo acetilo en dos molculas de CO e hidrgenos, y al final se genera un cido oxalactico, por lo que esta va forma un ciclo. Para aceptar los hidrgenos se precisan coenzimas oxidadas (3NAD y 1FAD). En el ciclo de Krebs adems se genera un GTP, por fosforilacin a nivel de sustrato, que equivale a un ATP.En cada vuelta del ciclo se genera una molcula de GTP, tres de NADH+H y una molcula de FADH y se desprenden dos CO . El balance energtico del ciclo de Krebs aparentemente es muy bajo. Sin embargo, los tres NADH+H y el FADH liberaran mucha energa (ATP) en la cadena respiratoria.

5.3.3.Transporte de electrones en la cadena respiratoriaEl transporte de electrones en la cadena respiratoria es la ltima etapa de la respiracin. En ella se oxidan las coenzimas reducidas (NADH+H y FADH ), producidas en las etapas anteriores, y de esta forma son utilizadas para sintetizar ATP.La cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria est constituida por una serie de molculas, bsicamente proteicas, englobadas de forma ordenada en la membrana interna de las mitocondrias.Cada una de estas molculas acepta electrones de la molcula anterior, es decir, se reduce, y luego los transfiere a la molcula siguiente, por lo que se oxida. Esto es posible porque los electrones siempre pasan a ocupar en la siguiente molcula una posicin de menor energa.Los electrones que entran en la cadena respiratoria proceden de los NADH+H y FADH que son transportadores de hidrgeno. El resto de los componentes se denominan citocromos y son transportadores de electrones. Al final de la cadena se encuentra el aceptor final de hidrgeno.La energa perdida por los electrones se utiliza, en tres puntos concretos de la cadena a travs de enzimas englobadas en la membrana, llamadas ATP-sintetasas que, mediante fosforilacin oxidativa, producen la unin de ADP y grupos fosfato generando as ATP (tres ATP por cada NADH+H y dos ATP por casa FADH ).Balance energtico del catabolismo mediante respiracin de una molcula de glucosa

ATP obtenido por fosforilacin a nivel de sustratoCoenzimas reducidosATP obtenido por fosforilacin oxidativa mediante ATP-sintetasas

Gluclisis

2 ATP2 (NADH+H )X3 = 6 ATP

Descarboxilacin oxidativa del cido pirvico2 (NADH+H )X3 = 6 ATP

Ciclo de Krebs2 GTP6 (NADH+H )2 (FADH )X3 = 18 ATPX2 = 4 ATP

4 ATP34 ATP

TOTAL : 38 ATP

Ecuacin general: