Misión 10
Metabolismo
¡Hola a todos!, bienvenidos un día más a mi canal. Hoy hablaremos sobre el metabolismo celular, para ello he realizado unos esquemas muy visuales, al igual que una serie de preguntas en las cuales ponemos en práctica lo aprendido. Pero antes os haré un pequeño resumen, ¡espero que os guste!
En el interior de las células tienen lugar un complejo sistema de reacciones químicas necesarias para la supervivencia de la célula y del organismo entero. Este conjunto de reacciones se llama metabolismo.
En el catabolismo, las moléculas más complejas se transforman en otras más sencillas, liberando energía, y en el anabolismo, a partir de moléculas más simples y de energía se sintetizan otras más complejas.
En las células todo se está transformando constantemente y la energía que se desprende al romperse las moléculas se almacena en forma de ATP.
Las enzimas catalizan de forma específica determinadas reacciones bioquímicas.
Por otro lado, la vida en nuestro planeta es posible gracias a la fotosíntesis, que realizan las algas y las plantas. La fotosíntesis es un proceso por el cual se convierte la energía luminosa en energía química, que se utiliza para la síntesis de moléculas orgánicas.
Los pigmentos fotosintéticos, como las clorofilas, las xantofilas y los carotenoides, son moléculas que absorben la radiación solar para iniciar reacciones químicas.
La célula realiza intercambios de materia y energía con su entorno: Sintetizando todas las sustancias necesarias para mantener sus estructuras celulares en buen estado y realizando sus funciones vitales.
Las diferentes reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas y son muy parecidas en todos los seres vivos. Las moléculas que intervienen en este proceso se denominan metabolitos.
Las sustancias finales de una vía metabólica son los productos y las pequeñas vías metabólicas que enlazan entre sí las grandes vías reciben el nombre de metabolismo intermediario.
En el metabolismo celular se distinguen dos fases (dos grupos de rutas metabólicas):
-El catabolismo: es el conjunto de reacciones que tienen como objetivo la obtención de energía y moléculas precursoras a partir de otras más complejas. Los procesos catabólicos son de degradación, y producen energía química, por tanto son reacciones exergónicas.
-El anabolismo: es el conjunto de reacciones que tienen por objetivo la síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas precursoras sencillas y energía. Los procesos anabólicos son sintéticos y consumen energía, por tanto son reacciones endergónicas.
Todos los seres vivos utilizan energía para realizar sus funciones, dependiendo de donde proceda esta energía clasificaríamos a los seres vivos como:
- Los seres vivos heterótrofos obtienen esta energía de sustancias elaboradas por otros seres vivos.
- Los seres vivos autótrofos obtienen esta energía de sustancias inorgánicas. Para que se produzcan las reacciones metabólicas se necesita la materia y la energía que proporciona la nutrición.
La energía que contienen unos enlaces se transfiere a otros nuevos en moléculas diferentes. Cuando en esas reacciones se produce una transferencia de electrones (e-) se conocen como reacciones de oxidación-reducción. Estos son muy importantes en los sistemas biológicos.
La oxidación y la reducción son simultáneas, siempre que una sustancia se oxida la otra se reduce.
Las reacciones catabólicas son exergónicas porque desprenden energía y las anabólicas son endergónicas porque precisan energía.
El transporte de esta energía se puede llevar a cabo en forma de ATP, que transporta grupos fosfato, o en forma de coenzimas transportadoras de electrones. Ambas son moléculas ricoenergéticas.
La síntesis de ATP se puede realizar de 3 formas distintas: fosforilación a nivel de sustrato (gracias a la energía que se libera de una biomolécula (sustrato) al hidrolizarse alguno de sus enlaces ricos en E, como ocurre en ciertas reacciones de la glucólisis y del ciclo de Krebs), fosforilación oxidativa (síntesis de ATP a partir de la E liberada por los electrones que pasan a través de la cadena respiratoria de las crestas mitocondriales), y por último, fotofosforilación (síntesis de ATP de forma similar al proceso anterior, pero llevada a cabo en la membrana tilacoidal del cloroplasto).
En ciertas reacciones exergónicas, como algunas del metabolismo de la glucosa o de la fotosíntesis, la E es transportada mediante electrones (libres o formando parte de átomos de H), que son captados por moléculas transportadoras para donarlos, junto con su energía, a otras moléculas (aceptoras). Podemos distinguir dos tipos: transportadores de H y transportadores de e-.
Por otra parte las enzimas son proteínas (o asociaciones de proteínas y otras moléculas orgánicas o inorgánicas) que actúan catalizando las reacciones químicas del metabolismo. Es decir, las enzimas facilitan y aceleran las reacciones químicas del organismo porque disminuyen la energía de activación de las reacciones químicas del metabolismo.
La enzima se une temporalmente al sustrato formando el complejo enzima-sustrato (ES), que tiene un estado de transición mucho menor, con lo que la reacción es mucho más rápida. A partir del complejo enzima-sustrato (ES) se forma un complejo enzima- producto (EP) que luego se desdobla en el producto P y el enzima E queda libre para participar en una nueva reacción.
El catabolismo es el conjunto de reacciones del metabolismo que permiten la degradación de moléculas como glúcidos, lípidos y proteínas, para transformarse en productos finales más simples y liberando energía (degradación oxidativa).
Rutas catabólicas más importantes:
·La glucólisis: es el proceso en el que una molécula de glucosa se degrada hasta obtener dos moléculas de ácido pirúvico (en forma de piruvato), de tres átomos de carbono.
·b-oxidación: es el conjunto de reacciones en el que se produce la oxidación de los ácidos grasos para dar un compuesto de dos átomos de carbono, el acetilcoenzima A (acetil- CoA).
·La transaminación y desaminación: es el conjunto de procesos que tienen lugar en la degradación de los aminoácidos mediante la separación del grupo amino del esqueleto carbonado.
En general estas rutas convergen hacia la formación de un compuesto de dos átomos de carbono, el acetilcoenzima A (acetil-CoA). Este producto se incorpora al ciclo del ácido cítrico o de Krebs.
Por ser la glucosa el monosacárido más abundante en la naturaleza, la degradación de los azúcares se lleva a cabo "vía glucosa". Así, el catabolismo de los azúcares converge en una ruta central de degradación de la glucosa.
Los grandes polisacáridos de reserva, mediante una reacción de fosforilación catalizada por la glucógeno- fosforilasa o por la almidón fosforilasa según se trate de glucógeno o de almidón, liberan unidades de glucosa-1-fosfato, que a continuación, por acción de la fosfoglucomutasa se transforma en glucosa-6-fosfato, la cual es el primer intermediario de la ruta de degradación de la glucosa.
Los monosacáridos diferentes de la glucosa, que en ocasiones pueden proceder de la hidrólisis de distintos tipos de oligosacáridos, se transforman en glucosa o en algunos de los intermediarios de su degradación, mediante reacciones de isomerización.
Una vez transformados en glucosa los azúcares se pueden degradar completamente hasta CO2 y H2O siguiendo un camino que incluye tres rutas metabólicas principales: Glucolisis, Ciclo de Krebs y Cadena respiratoria.
Existe además una ruta alternativa, la Ruta de las pentosas.
Podemos decir también, que la glucosa se degrada hasta producir dióxido de carbono y agua y hacer un balance energético de la misma y averiguar cuántas moléculas de ATP se han obtenido y qué porcentaje de la energía química de la glucosa ha sido recuperada en forma de enlaces fosfato de alta energía.
Se obtienen 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa degradada completamente hasta CO2 y H2O, lo que supone que aproximadamente un 40% de la energía química de la glucosa se ha recuperado en forma de ATP.
El resto se ha desprendido en forma de calor y debido a que las células se mantienen alejadas del equilibrio termodinámico.
Además vamos a hablar de las fermentaciones.
La fermentación es un proceso catabólico en el que, a diferencia de la respiración, no interviene la cadena respiratoria. Presenta las siguientes características:
-Es un proceso anaeróbico: no se usa el oxígeno como aceptor de electrones, como sucede en la respiración aeróbica.
-El aceptor final es un componente orgánico, en vez de ser una molécula inorgánica como sucede en la respiración.
- La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato. No intervienen las ATP-sintetasas, lo que explica la baja producción energética de las fermentaciones. Una glucosa al degradarse mediante respiración produce 38 ATP, mientras que por fermentación solo produce 2 ATP.
La fermentación ocurre generalmente en los microorganismos, como ciertas levaduras y bacterias, aunque puede realizarse en el tejido muscular de los animales si no llega suficiente oxígeno a las células.
Se pueden distinguir dos tipos de organismos según el proceso catabólico que realicen:
-Anaerobio facultativo: son organismos que en presencia de oxígeno realizan la respiración y en ausencia de este realizan las fermentaciones. Por ejemplo: Bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus.
- Anaerobio estricto: Son organismos que siempre realizan la fermentación. Según la especie de levadura se pueden obtener distintos productos. El vino se obtiene de Saccharomyces ellipsoideus, la cerveza y el pan de S. cerevisiae.
Por cada molécula de glucosa que se degrada en la glucólisis 2 moléculas de NAD+ se transforman en NADH. Puesto que la cantidad de NAD+ que poseen las células es limitada debe existir algún mecanismo que permita oxidar el NADH transformándolo de nuevo en NAD+ para que pueda ser reutilizado en la glucólisis, de lo contrario todo el proceso se detendría.
Las fermentaciones consisten, pues en la transformación del ácido pirúvico que se obtiene al final de la glucólisis, en algún otro producto orgánico sencillo que es diferente en cada tipo de fermentación. Existen muchos tipos de fermentación que dan lugar a productos de interés alimentario o industrial, pero los dos tipos principales son la fermentación homoláctica y la fermentación alcohólica.
En lo referente al catabolismo de los lípidos:
Los triacilglicéridos son ésteres de la glicerina con tres ácidos grasos.
La principal vía metabólica de obtención de energía a partir de los lípidos es la oxidación de los ácidos grasos, que proceden de la hidrólisis de los triglicéridos.
Los ácidos grasos, una vez liberados en el hialoplasma, penetran en la matriz mitocondrial y son degradados a acetil-CoA mediante una ruta catabólica llamada ß- oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen.
La ß-oxidación se inicia en la matriz mitocondrial y consiste en una secuencia de cuatro reacciones, dos de las cuales son oxidaciones que afectan al carbono de la posición ß del ácido graso. Los electrones liberados en estas dos oxidaciones son recuperados en forma de una molécula de NADH y otra de FADH2. La consecuencia última de estas oxidaciones es la rotura del enlace que une los carbonos α y ß del ácido graso, lo que conlleva la liberación de los dos átomos de carbono terminales en forma de acetil-CoA. Al mismo tiempo, el carbono ß, ahora oxidado a grupo carboxilo, se une a una nueva molécula de CoA, esta vez sin consumo de ATP, dando lugar a un nuevo ácido graso activado con 2 átomos de carbono menos que el original. Este ácido graso activado puede entrar ahora en un nuevo ciclo de oxidaciones en su carbono ß (otra "vuelta" de la hélice de Lynen), y así sucesivamente hasta la total degradación a acetil-CoA del ácido graso original.
Sobre el catabolismo de las proteínas podría decir que las proteínas no tienen función energética, pero si se produce un exceso de aminoácidos, como no se pueden almacenar ni excretar, son utilizadas como fuente de energía.
Sin embargo, las células están renovando constantemente sus proteínas. Como parte de este proceso de renovación las proteínas son degradadas a aminoácidos por acción de unos enzimas llamados proteasas.
La degradación de los aminoácidos se realiza en dos fases sucesivas: la separación de los grupos amino y la degradación de los esqueletos carbonados.
El amoníaco procedente de la desaminación oxidativa es un producto final del catabolismo de los aminoácidos y debe ser excretado.
Los esqueletos carbonados de muchos aminoácidos coinciden con diversos intermediarios del ciclo de Krebs o rutas colindantes (ácido pirúvico, acetil-CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, etc.), por lo tanto pueden penetrar en la matriz mitocondrial y ser degradados siguiendo estas rutas metabólicas centrales.
Los ácidos nucleicos no son habitualmente utilizados como combustible metabólico.
Los nucleótidos que resultan de la hidrólisis de los ácidos nucleicos por acción de las nucleasas (segregada en los vertebrados por la mucosa intestinal y el páncreas) son generalmente reciclados hacia la síntesis de nuevos ácidos nucleicos. Sin embargo, en caso de que existan nucleótidos sobrantes, éstos pueden ser degradados a sus componentes moleculares (pentosas, ácido fosfórico y bases nitrogenadas).
A continuación, me centraré más en lo referente al anabolismo.
Los seres vivos obtienen energía de sus propias biomoléculas inorgánicas mediante las reacciones del catabolismo. Frente a las vías catabólicas de destrucción molecular, existen otras vías de construcción molecular, que constituyen el anabolismo.
El anabolismo es la vía constructiva del metabolismo, es decir, la ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. Si las moléculas iniciales son inorgánicas, por ejemplo, H2O, C02, NOˉ3, etc., se denomina anabolismo autótrofo, mientras que si son orgánicas, por ejemplo glucosa, aminoácidos, nucleótidos, etc., se denomina anabolismo heterótrofo.
La fotosíntesis es un proceso anabólico por el cual se transforma la energía luminosa en energía química. La primera molécula en la que queda almacenada esa energía química es el ATP. Posteriormente, el ATP se utiliza para sintetizar otras moléculas orgánicas más estables. Los pigmentos fotosintéticos son capaces de captar la energía luminosa.
Dos tipos de procesos fotosintéticos:
· La fotosíntesis oxigénica: es propia de las plantas superiores, las algas y las cianobacterias, en las que el dador de electrones es el agua y, por lo tanto, se desprende oxígeno.
H2O à 2 H+ + 2 e- + 1/2 O2
· La fotosíntesis anoxigénica o bacteriana es propia de las bacterias purpúreas y verdes del azufre, en las que el dador de electrones no es el agua, sino, generalmente, el sulfuro de hidrógeno, por lo que no se desprende oxígeno, sino azufre, que puede acumularse en el interior de la bacteria o ser expulsado fuera.
H2S à 2 H+ + 2 e- + S
La fotosíntesis comprende dos fases, cada una de las cuales se produce en un lugar distinto de los cloroplastos: la fase luminosa y la fase oscura.
· Fase luminosa o fotoquímica, en ella tiene lugar la captación de la energía luminosa por los pigmentos fotosintéticos, localizados en las membranas de los tilacoides de los cloroplastos. En esta etapa se obtiene ATP y NADPH. Durante esta fase se produce también la fotolisis del agua.
Un fotosistema consta de dos partes: el complejo antena y el centro de reacción.
Cuando un fotón de energía lumínica es absorbido por una molécula de clorofila o un carotenoide del complejo antena, la energía es transferida de una molécula a otra, terminando, como en un embudo, en la molécula del centro de reacción, donde un electrón del pigmento diana capta la energía y asciende a posiciones más alejadas del núcleo atómico saliendo del átomo, dejándolo ionizado. El pigmento que contiene dicho átomo queda con un defecto de electrones (oxidado). La molécula que se los repondrá se denomina primer dador de electrones.
En la membrana tilacoidal de los cloroplastos existen en realidad dos fotosistemas:
·Fotosistema I (PSI). Se localiza casi exclusivamente en los tilacoides de estroma, es decir, en los no apilados. En su centro de reacción hay dos moléculas de clorofila a denominada P700.
·Fotosistema II (PSII). Abunda más en los tilacoides apilados que forman los grana. En su centro de reacción hay dos moléculas de clorofila a denominada P680 porque su máxima absorción se produce con luz de 680 nm.
·Fase oscura o biosintética, en la que no se necesita luz. En ella se sintetiza materia orgánica a partir del CO2, utilizando el ATP y el NADPH obtenidos en la fase anterior. Esta fase tiene lugar en el estroma de los cloroplastos.
El proceso fundamental de la fase oscura es la fijación del carbono a partir del CO2 atmosférico. Se trata de un proceso cíclico llamado ciclo de Calvin. En él se pueden distinguir tres fases: Fijación del CO2, reducción del CO2 fijado y regeneración de la ribulosa-1,5-difosfato.
En la fase luminosa se produce el ATP y el NADPH necesarios para, en la fase oscura, reducir el CO2 a materia orgánica.
En el ciclo de Calvin se precisan, por cada CO2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP; entonces, para una molécula de glucosa son necesarias 6 vueltas al ciclo, por lo tanto hacen falta 12 moléculas de NADPH y 18 moléculas de ATP. Para conseguir 12 NADPH en la fase luminosa acíclica, se hidrolizan 12 moléculas de H2O. Por cada molécula de agua hidrolizada se introducen cuatro protones en el tilacoide, lo que hace un total de 48 protones. Y por cada tres protones que salen por la ATP-sintetasa se produce un ATP.
Por tanto, en total se producen 16 moléculas de ATP. Como se necesitan 18 ATP para sintetizar una molécula de glucosa, los dos ATP que faltan se deben de producir en la fase luminosa cíclica.
Se ha podido comprobar experimentalmente que en el rendimiento de la fotosíntesis influyen los siguientes factores: intensidad luminosa, temperatura, concentración de CO2, concentración de O2, humedad y tipo de luz.
Por otra parte la quimiosíntesis consiste en la síntesis de ATP a partir de la energía que se desprende en las reacciones de oxidación de determinadas sustancias inorgánicas; y el posterior uso de ese ATP para transformar la materia inorgánica en materia orgánica. Los organismos que realizan estos procesos se denominan quimioautótrofos o quimiolitótrofos (todos ellos son bacterias).
En la quimiosíntesis, al igual que en la fotosíntesis, también se pueden distinguir dos fases: una primera fase en la que se obtiene ATP y coenzima reducida, que en las bacterias es NADH en lugar de NADPH; y una segunda fase en la que se emplea el ATP y el NADH para sintetizar compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas.
En la primera fase, la oxidación de sustancias inorgánicas constituye la fuente de energía para la formación de ATP por fosforilación oxidativa.
En la segunda fase, las vías metabólicas seguidas coinciden con las de la fase oscura de la fotosíntesis. Así el carbono se incorpora a partir del CO2, mediante el ciclo de Calvin.
Los organismos quimiosintéticos juegan un papel imprescindible al cerrar los ciclos biogeoquímicos.
Según el sustrato utilizado, las bacterias quimiosintéticas se clasifican en los siguientes grupos: bacterias incoloras del azufre, bacterias del nitrógeno, bacterias del hierro y bacterias del hidrógeno.
La fotosíntesis y la quimiosíntesis son procesos anabólicos que sólo realizan las células autótrofas y que consisten en transformar sustancias inorgánicas en sustancias orgánicas, utilizando para ello la energía libre que queda transformada en energía química.
La gluconeogénesis es la ruta metabólica en la que se forma glucosa a partir de precursores no glucídicos: ácido pirúvico, aminoácidos, ácido láctico o glicerina.
La gluconeogénesis es en líneas generales un proceso inverso a la glucólisis, aunque no es exactamente inverso, porque algunas reacciones que se realizan en un sentido, son irreversibles y por lo tanto imposibles de llevarse a cabo en sentido contrario.
Se puede considerar al ácido pirúvico (piruvato) como el primer intermediario de la gluconeogénesis, ésta comienza en las mitocondrias.
El oxalacetato no puede atravesar la membrana mitocondrial por lo que se transforma en malato, sale al citosol y vuelve a formar oxalacetato.
La glucogenogénesis consiste en la polimerización del exceso de glucosa para formar glucógeno.
La glucosa obtenida por fotosíntesis se almacena en forma de gránulos de almidón, por un proceso (amilogénesis) similar al anterior, pero en este caso el nucleótido activador de la glucosa es el ATP.
Aunque los lípidos desempeñan funciones muy variadas, nos vamos a centrar aquí en la obtención de las grasas o triglicéridos por su importante función de reserva energética..
La síntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citosol de las células animales (especialmente en el hígado y en el tejido adiposo) y en los cloroplastos de las células vegetales.
La biosíntesis de los ácidos grasos se diferencia de la B-oxidación en las siguientes características:
1. Se realiza en el citosol, en vez de en las mitocondrias.
2. El ácido graso en formación permanece unido a una enzima del complejo SAG y no a la CoA.
3. Los dos átomos de carbono en que varía la cadena por vuelta pertenecen al manonil-CoA, y no al acetil-CoA.
4. El transportador de hidrógenos es el NADPH y no el NADH o el FADH2.
El anabolismo de las proteínas requiere dos fases:
Síntesis de aminoácidos y unión de aminoácidos para formar polipéptidos.
Cada aminoácido presenta su propia ruta anabólica y además ésta puede variar algo de unas células a otras, pero en todas ellas podemos distinguir dos aspectos:
·La formación del esqueleto carbonado, a partir de algunos de los intermediarios de la glucólisis o del ciclo de Krebs (piruvato, fosfoenolpiruvato, oxalacetato, …)
·El origen del grupo amino. La procedencia de este grupo varía según los distintos organismos:
- las plantas y los microorganismos lo obtienen a partir del ión amonio (NH4+), que
procede de la reducción del nitrato del suelo o del nitrógeno atmosférico.
- los animales, lo obtienen a partir de otros aminoácidos ingeridos en la dieta, por
medio de transaminaciones.
El anabolismo de los ácidos nucleicos requiere dos fases:
Formación de nucleótidos y unión de nucleótidos para formar ácidos nucleicos.
Las células pueden resintetizar los nucleótidos a partir de los productos de su hidrólisis: pentosas, ácido fosfórico y bases nitrogenadas. Además, los nucleótidos pueden también sintetizarse de nuevo a partir de precursores metabólicos, pero esta síntesis es diferente según lleven bases púricas o pirimidínicas.
Para recoger todos los conocimientos del metabolismo de una manera más esquemática, os dejo los esquemas generales del tema; tanto del catabolismo como del anabolismo.
A continuación, os dejo los esquemas que he ido realizando sobre los vídeos de la lesson plans...
Por último, os dejo unas preguntas sobre el anabolismo y metabolismo para reforzar lo aprendido. Espero que os sirva para entenderlo mejor.