INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO CELULAR

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1 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO CELULAR APUNTES DE IES LAS VIÑAS MANILVA. CURSO Susana Serradilla

2 ÍNDICE INTRODUCCIÓN CONCETOS CLAVE A. Metabolismo.. 4 B. La energía como enlace entre las rutas metabólicas C. Enzimas: biocatalizadores de las reacciones metabólicas..8 D. Moléculas que intervienen en el metabolismo E. Catabolismo.11 F. Anabolismo CATABOLISMO DE GLÚCIDOS A. Glucólisis 15 B. Respiración aerobia 17 C. Fermentación CATABOLISMO DE LÍPIDOS CATABOLISMO DE PROTEÍNAS CATABOLISMO DE ÁCIDOS NUCLEICOS ANABOLISMO DE LAS PRINCIALES BIOMOLÉCULAS CARACTERÍSTICAS METABÓLICAS DE LOS TEJIDOS Y ÓRGANOS REGULACIÓN DEL METABOLISMO METABOLISMO EN REPOSO Y EN EJERCICO.38

3 TEMA 2: INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO CELULAR INTRODUCCIÓN: Como resultado de la función digestiva a las células les llegan moléculas simples: monosacáridos, aminoácidos y triacilglicéridos La obtención de energía por las células se realiza mediante la oxidación de estas moléculas, siendo necesario que el oxígeno aportado por el sistema de aporte de oxígeno sea el adecuado a las necesidades del organismo. Los mecanismos de regulación cardiovascular y respiratoria tienen que ajustar las variables correspondientes, a fin de suministrar el oxígeno en función de las necesidades celulares y eliminar el dióxido de carbono producido. Los seres vivos son considerados SISTEMAS ABIERTOS, en EQUILIBRIO DINÁMICO que realizan un TRABAJO, es decir: Existe un intercambio de sustancias y energía entre el ser vivo y el entorno que lo rodea. Los seres vivos mantienen su equilibrio interno (homeostasis). Mantienen sus variables (temperatura, salinidad, ph ) dentro de unos intervalos de confianza o sin variación a lo largo del tiempo. Las células, pese a ser sistemas en equilibrio (las leyes de la termodinámica postulan que los sistemas en equilibrio no realizan trabajo), deben realizar diversos trabajos, mecánico, osmótico, eléctrico y químico para crecer, reproducirse su intercambio continuo de materia y energía con el entorno posibilita que realicen ese trabajo, sin dejar de estar en equilibrio. Según la forma de obtener energía, oxígeno y la fuente de carbono (materia) podemos hablar de los siguientes tipos de seres vivos: Según su fuente de carbono: AUTÓTROFOS: Su fuente de carbono es inorgánica (CO 2 de la atmósfera) HETERÓTROFOS: su fuente de carbono es orgánica, es decir, la obtienen de otros organismos. Según su fuente de energía: FOTOTROFOS: luz como fuente de energía QUIMIOTROFOS: reacciones de oxidación reducción Según su fuente de oxígeno: AEROBIOS: El oxígeno molecular (O 2 ) es el último receptor de electrones ANAEROBIOS: utilizan otra molécula diferente al oxígeno como aceptor de electrones.

4 2.- CONCEPTOS CLAVE: 4 A.- METABOLISMO Conjunto de reacciones bioquímicas que se producen en las células, en los tejidos, y por extensión, en el organismo, con un doble objetivo: Obtener y utilizar la energía para desarrollar trabajo Formar compuestos macromoleculares. De forma concreta definimos METABOLISMO CELULAR como el conjunto de reacciones altamente organizadas que ocurren en el interior de la célula, mediante las cuales la célula: Obtiene energía a partir de los materiales captados del medio. Fabrica moléculas de recambio para sustituir las gastadas. Sintetiza otras moléculas necesarias para el crecimiento o para realizar cualquier otra función celular. Los organismos pluricelulares han desarrollado tal grado de especialización, que el metabolismo individual se adapta a la función que deben llevar a cabo, así por ejemplo, un adipocito tiene su metabolismo desplazado hacia el almacenamiento de lípidos. El primer objetivo, la obtención de energía se realiza a través de reacciones bioquímicas, que de forma conjunta reciben el nombre de CATABOLISMO. La formación de compuestos orgánicos complejos (segundo objetivo) recibe el nombre de ANABOLISMO, se trata de un proceso que consume energía. La ENERGÍA, es el nexo de unión entre las dos partes del metabolismo. Las células heterótrofas han rentabilizado la forma de obtención de energía, mediante la formación de ATP. Su escisión permite la liberación de una gran cantidad de energía.

5 Los organismos animales pueden considerarse un sistema termodinámico abierto, es decir, que intercambian materia y energía con el medio. La materia la obtienen a través del alimento y la transforma en energía y compuestos macromoleculares. 5 Si el alimento no está disponible, tenemos la capacidad de almacenar energía, esta capacidad se logra a través de la especialización metabólica de los tejidos y órganos. Cualquier célula presenta mecanismos reguladores para controlar las diferentes rutas metabólicas, es imprescindible la interrelación metabólica entre los diferentes tejidos y órganos. En los mamíferos, los tejidos y órganos establecen interrelaciones mediante la síntesis de mediadores químicos denominados HORMONAS, que actúan sobre las enzimas reguladoras o las reacciones que intervienen en el control de los niveles de sustrato de una determinada vía metabólica. Un ejemplo de interrelación metabólica mediada por hormonas lo constituye el ejercicio físico dinámico y de duración prolongada (carrera de larga duración). B.- LA ENERGÍA COMO ENLACE ENTRE LAS RUTAS METABÓLICAS Las oxidaciones biológicas: Las reacciones químicas son en esencia transformaciones energéticas en las cuales la energía almacenada en los enlaces químicos se transfiere a otros enlaces recién formados. En estas transferencias los electrones pasan de un nivel energético a otro. En muchas reacciones los electrones se transfieren de un átomo o molécula a otro. Estas reacciones, muy importantes en los sistemas vivientes se conocen como reacciones de oxidación reducción (rédox). La pérdida de uno o más electrones se conoce como OXIDACIÓN y se dice que el átomo o la molécula que los ha perdido se ha oxidado. La REDUCCIÓN, es la ganancia de uno o más electrones. Al compuesto que se oxida se lo denomina AGENTE REDUCTOR, y al que se reduce, AGENTE OXIDANTE. La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que pierde el átomo oxidado es aceptado por otro átomo, que se reduce en el proceso. Frecuentemente los electrones que se transfieren en las reacciones rédox de los seres vivos van acompañados de un protón (es decir, forman un átomo de hidrógeno), por lo que podemos considerar como una oxidación la pérdida de átomos de hidrógeno y como una reducción la ganancia de átomos de hidrógeno. Los compuestos orgánicos tienen un mayor contenido energético cuanto más reducidos estén, de lo que se puede deducir que las reacciones biológicas de oxidación liberan energía.

6 Características que presentan las reacciones metabólicas: 6 Actúan secuencialmente, originándose rutas metabólicas constituidas por varias de ellas. En estas rutas el producto final de una ruta constituye la molécula de partida de la siguiente ruta. Existen rutas convergentes, divergentes, cíclicas, ramificadas Algunas rutas son reversibles, si existe reversibilidad se habla de rutas ANFIBÓLICAS. Todas las rutas metabólicas son CATALIZADAS, necesitan la presencia de ENZIMAS. Existen dos rutas metabólicas generales: CATABOLISMO: fase degradadora. ANABOLISMO: biosíntesis.

7 Papel del ATP como transportador de energía 7 La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, NADPH y precursores macromoleculares. La energía química de las sustancias alimenticias está en las diversas uniones covalentes entre los átomos de una molécula. Dentro de la célula viva, esta gran cantidad de energía no puede ser desprendida de golpe, pues la célula no podría utilizarla de una manera eficaz. Por eso, la célula degrada poco a poco, de manera gradual y controlada mediante la intervención de enzimas. Las reacciones catabólicas provocan la oxidación de los sustratos, por deshidrogenación, y las enzimas que catalizan estas reacciones son deshidrogenasas ligadas a las coenzimas NAD, NADP y FAD, principalmente. Los electrones desprendidos en estas reacciones de oxidación son captados por otras moléculas transportadoras de electrones que se encuentran organizadas de tal manera que la oxidación de un transportador libera más energía de la necesaria para reducir al siguiente. Si el excedente de energía es suficiente se utiliza para fosforilar el ADP y formar ATP. La formación de ATP proviene de la energía química aportada por la rotura de los enlaces de las biomoléculas (carbohidratos, triacilglicéridos y aminoácidos). Las biomoléculas se encuentran formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno (las proteínas además contienen nitrógeno) y uno de los productos finales del metabolismo es el AGUA. Ello implica que, de alguna manera, durante el metabolismo se eliminan los hidrógenos de los combustibles y se recogen en la molécula de agua, mediante reacciones rédox, en las que el agente oxidante es el oxígeno molecular.

8 8 No toda la energía desprendida se utiliza para formar ATP. Un segundo camino para trasportar la energía de las reacciones de oxidorreducción del catabolismo es formar NADPH, coenzima que transporta dos electrones de alto potencial y sirve como dador de hidrógeno y electrones en las biosíntesis reductoras (anabolismo). El NADPH actúa como transportador de electrones ricos en energía, desde las reacciones catabólicas hasta las anabólicas que los necesitan, de la misma manera que el ATP es un transportador de grupos fosfato ricos en energía desde las reacciones del catabolismo a las reacciones del anabolismo. C.- ENZIMAS: BIOCATALIZADORES DE LAS REACCIONES METABÓLICAS Las enzimas son los catalizadores biológicos o biocatalizadores de las reacciones metabólicas. (Catalizador: sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. Acelera la reacción al disminuir la energía de activación). Las enzimas se caracterizan por: Químicamente, la mayoría son proteínas, generalmente globulares (ribozimas son de naturaleza ribonucleoproteica). Intervienen en concentraciones muy pequeñas.

9 No sufren modificaciones en el proceso de reacción. Se recuperan indefinidamente. Al finalizar la reacción quedan libres sin alterarse, como cualquier otro catalizador y pueden funcionar otras veces. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sólo aceleran su consecución. Elevada especificidad de sustrato y acción. Cada reacción está catalizada por una enzima específica. Las enzimas ejercen su acción biológica uniéndose selectivamente a sustratos (moléculas sobre la cual la enzima ejerce su acción catalítica). Cada enzima posee en su superficie una zona activa, como una especie de hendidura u oquedad denominada CENTRO CATALÍTICO, a la cual se adapta perfectamente la molécula de sustrato con la geometría complementaria a la conformación espacial de centro activo. Una reacción bioquímica enzimáticamente catalizada transcurre siempre mediante la unión del sustrato a la enzima, formándose el complejo enzima sustrato imprescindible para que la reacción química pueda llevarse a cabo. Cualquier reacción enzimática puede representarse mediante la ecuación: 9 Dada la naturaleza proteica de las enzimas, han de ser sintetizadas por el propio organismo, como el resto de las proteínas lo que implica su codificación genética. Cada enzima presenta su temperatura y su ph óptimo.

10 10 Algunas enzimas no son proteínas exclusivamente, sino que están asociadas con otro tipo de moléculas que tienen naturaleza no proteica y de las cuales depende su actividad. Estas asociaciones o enzimas conjugadas se denominan holoenzimas, las moléculas con las que se asocian, cofactores y la parte proteica de la enzima, apoenzima. Los cofactores tienen diversa naturaleza, y pueden ser: - Cationes metálicos, como Zn 2+, Ca 2+, Fe 2+ o Mg 2+, que se unen a la apoenzima o regulan su activación. - Moléculas orgánicas complejas. Se denominan coenzimas cuando se unen débilmente a la apoenzima (NAD +, FAD, NADP + ).

11 D.- MOLÉCULAS QUE INTERVIENEN EN EL METABOLISMO 11 Una ruta o vía metabólica es un proceso formado por una cadena de reacciones enzimáticas sucesivas. Cada una de las sustancias que intervienen en una ruta metabólica, y sufre transformaciones durante el proceso recibe el nombre de metabolito. Son las moléculas que ingresan en las diferentes rutas del metabolismo, ya sea para su degradación (catabolismo) o para participar en la síntesis de otras moléculas más complejas (anabolismo). La glucosa y los ácidos grasos son ejemplos de metabolitos de degradación que actúan como verdaderos nutrientes de la célula viva. Los aminoácidos son metabolitos necesarios para la síntesis de moléculas complejas. En las rutas metabólicas además de los metabolitos y las enzimas específicas de cada ruta distinguimos otras tres moléculas indispensables: Nucleótidos: son las moléculas como NAD +, FAD, NADP + y el FMN - que posibilitan la oxidación o la reducción de los metabolitos según en qué ruta se encuentren. Desde el punto de vista funcional suelen ser coenzimas asociadas a la parte proteica de las enzimas que intervienen en el metabolismo, y actúan como transportadores de electrones. Moléculas con enlaces ricos en energía. Generalmente, los enlaces energéticos están vinculados al grupo fosfato. Al formarse, se almacena en energía química; al romperse se libera la misma cantidad de energía. De este modo, acoplándose a determinadas reacciones del metabolismo, moléculas como el GTP, el ATP y la coenzima A, sirven de almacén y actúan como proveedores de energía según sean las necesidades. Moléculas extremas ambientales: se encuentran al comienzo o al final de un proceso metabólico. Proceden del ambiente celular o son cedidas a él. Son moléculas sencillas como el oxígeno, el agua y el dióxido de carbono, o más complejas, como el alcohol etílico o el ácido láctico. Con su ingreso o salida de la célula, garantizan que el sistema sea abierto y que, sin perder su equilibrio de flujos, siga realizando trabajo. E.- CATABOLISMO Fase degradativa del metabolismo, en la que a partir de sustratos reducidos se obtiene energía y productos oxidados. Su principal objetivo es obtener energía para que las células, los tejidos y el organismo desarrollen trabajo: mecánico, eléctrico, osmótico y químico. Los nutrientes son degradados a elementos más sencillos a través de la acción del aparato digestivo. El primer factor limitante del metabolismo lo constituye la función digestiva. El metabolismo comienza en el aparato digestivo donde se produce la transformación de las biomoléculas complejas que se ingieren con el alimento a moléculas sencillas. Éstas pasan al hígado (central metabólica del organismo).

12 12 Con cada uno de los elementos esenciales (monosacáridos, triacilglicéridos y aminoácidos), el hígado puede realizar las siguientes acciones: Liberarlos a la sangre. Almacenarlos. El hígado tiene la capacidad de almacenar la glucosa en forma de glucógeno. Metabolizarlo para su funcionamiento o para funciones generales para el organismo. Una de las funciones más importantes del hígado es realizar el metabolismo de los aminoácidos. El hígado interviene en la síntesis de proteínas del plasma, en la degradación, liberando nitrógeno en forma de urea. Los ácidos grasos, la glucosa y los aminoácidos liberados por el hígado, son utilizados por las células de forma muy rentable, ya que todas conducen a un proceso común que ocurre en las mitocondrias de las células. La naturaleza ha logrado agrupar el catabolismo de moléculas distintas en una sola molécula: ACETILCOENZIMA A (Acetil-CoA), compuesto se incorpora a varias rutas metabólicas: Ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. Libera dióxido de carbono y pares de hidrógeno Cadena respiratoria Fosforilación oxidativa. Como resultado de estas reacciones acopladas se genera ATP y agua.

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14 F.- ANABOLISMO 14 El anabolismo constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo. Tiene por objeto formar compuestos macromoleculares. Se produce la biosíntesis enzimática de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucleicos, las proteínas, los polisacáridos y los lípidos a partir de sus precursores sencillos. La biosíntesis de las moléculas orgánicas a partir de éstos, precisa el consumo de energía química aportada por el ATP y generado durante el catabolismo. También se desarrolla en tres fases, pero en sentido divergente, es decir, desde sustratos parcialmente oxidados comunes hasta productos diferentes altamente reducidos (aminoácidos, glucosa y ácidos grasos). La adicción de hidrógenos durante el anabolismo consume energía. No todas las rutas anabólicas se realizan por la inversión simple de las reacciones catabólicas, sino por mecanismos complejos que salvan determinadas reacciones energéticamente inviables. El catabolismo y el anabolismo se desarrollan simultáneamente y de modo concurrente en las células, pero son reguladas independientemente para que el control del metabolismo sea más eficiente. 3.- CATABOLISMO DE GLÚCIDOS Los procesos clave del catabolismo de los glúcidos son las siguientes: Glucólisis: ruta metabólica en la que, a partir de la glucosa y sin que se requiera oxígeno, se forma piruvato y ATP, aunque esta última molécula con bajo rendimiento. Ocurre en el citoplasma celular. Respiración celular: Proceso que ocurre tras la glucolisis. Se produce la oxidación completa de los átomos de carbono mediante el ciclo de Krebs. Los electrones procedentes de estas oxidaciones son transferidos a las cadenas de transporte electrónico. La síntesis de ATP ocurre en la membrana mitocondrial interna gracias a la acción de las ATPasas. Fermentación: Proceso que ocurre después de la glucólisis, presenta una fase de reducción para generar NAD +. Esta fase origina varios productos finales según el tipo de fermentación. Es una oxidación incompleta que tiene lugar en el citoplasma celular.

15 A.- GLUCÓLISIS 15 Se cree que el conjunto de reacciones químicas que constituyen la glucólisis constituyen una de las rutas metabólicas más antiguas. Se cree que pudo darse en una ambiente anaerobio como la atmósfera primitiva y servir como sistema biológico de obtención de energía celular a partir de la glucosa. Apoyan la idea de su antigüedad el hecho de que prácticamente todos los seres vivos la realizan. La síntesis de ATP tiene lugar exclusivamente mediante fosforilaciones a nivel de sustrato. La glucólisis produce dos moléculas de piruvato (es más correcto hablar de piruvato que de ácido pirúvico) por cada molécula de glucosa de partida. El proceso se realiza en tres etapas: 1. Etapa de fosforilación que requiere aporte energético. Para la escisión del esqueleto carbonado es preciso activar la molécula de glucosa mediante fosforilaciones, para ello es necesario la hidrólisis de moléculas de ATP de la reserva celular. Se producen dos fosforilaciones que proporcionan la energía necesaria para el desarrollo de las siguientes etapas. 2. Etapa de oxidación que rinde energía y poder reductor: Tiene lugar la oxidación del grupo aldehído a grupo carboxilo. Esta etapa requiere la incorporación de fosfato inorgánico en una reacción catalizada por una enzima que requiere NAD + como coenzima. La energía liberada en esta reacción se almacena en el enlace fosfato rico en energía de la molécula 1,3 difosfoglicerato. Se obtiene poder reductor en forma de NADH. En la última reacción de esta etapa se produce la primera síntesis de ATP. 3. Etapa en la que se restituye a la célula el ATP consumido en la primera fase. El 3 fosfoglicerato se transforma en piruvato y se libera un grupo fosfato de cada una de las moléculas. Los dos fosfatos se emplean para producir dos moléculas de AT mediante fosforilaciones a nivel de sustrato. La energía almacenada en estos enlaces fosfato y utilizada inicialmente para activar las hexosas, se devuelva la reserva energética de la célula. La eficacia de la glucólisis como ruta energética es muy baja ya que se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. También se obtienen dos moléculas de NADH, que originarían más ATP, en el caso de que se siga posteriormente un proceso de respiración.

16 16 CLAVES DE LA GLUCÓLISIS Ruta prácticamente universal. Muy antigua. Ocurre en el citoplasma celular. No requiere la presencia de oxígeno. A partir de una molécula de glucosa se producen dos moléculas de piruvato. Suministra a la célula precursores metabólicos. Produce AT P por fosforilación a nivel de sustrato. Genera poder reductor. Eficacia energética baja (2 ATP por cada molécula de glucosa).

17 B.- RESPIRACIÓN AEROBIA 17 Los organismos eucariotas y gran parte de los procariotas realizan la respiración aerobia en la cual los electrones que se obtienen de la glucosa son cedidos al oxígeno. En este proceso participan varias reacciones encadenadas, de forma que los electrones de la glucosa se transfieren a ciertas coenzimas (NAD +. FAD). Estas, posteriormente, cederán los electrones a unos transportadores electrónicos. Su destino final es el oxígeno. La respiración es el conjunto de procesos catabólicos que tienen lugar tras la glucólisis. La respiración aerobia, en el catabolismo de los glúcidos, es la oxidación completa del producto de la glucólisis (piruvato) hasta CO2. Para ello el piruvato debe ingresar en la mitocondria y transformarse en acetil CoA mediante una reacción de descarboxilación oxidativa. Las etapas de la respiración aerobia son: 1. Formación de acetil CoA 2. Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico. 3. Fosforilación oxidativa: a. Transporte electrónico. b. Formación del gradiente quimiosmótico c. Síntesis de ATP

18 1.- Formación de Acetil CoA Para que la molécula de piruvato generada durante la glucólisis continúe su oxidación incorporándose al ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT) o ciclo de Krebs, debe sufrir una reacción de descarboxilación oxidativa y convertirse en un resto acetilo en forma de acetil CoA. 18 Todas las biomoléculas que sirven de combustible a la célula (glúcidos, ácidos, algunos aminoácidos) tienen que convertir sus esqueletos carbonados en grupos acetilo en forma de acetil CoA, para poder incorporarse al ciclo de Krebs y ser oxidados hasta CO 2 y H 2 O. El piruvato debe ser conducido desde el citoplasma hasta la mitocondria y atravesar las dos membranas mitocondriales, para ello debe unirse a transportadores específicos. En el interior de la mitocondria se produce la descarboxilación oxidativa, reacción catalizada por el complejo multienzimático denominado piruvato deshidrogenasa. En este proceso se origina una molécula de NADH. 2.- Ciclo de Krebs Conjunto cíclico de reacciones que producen la oxidación completa del acetil CoA hasta CO 2. Consta de ocho pasos. Los electrones cedidos en esta oxidación son captados por las coenzimas NAD + y FAD, liberándose las correspondientes moléculas reducidas NADH y FADH 2. Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y desempeña las siguientes funciones:

19 Obtención de poder reductor: 3 moléculas NADH y una de FADH 2, que permiten la formación de moléculas de ATP durante el proceso de fosforilación oxidativa. Obtención de precursores metabólicos. Obtención de energía en forma de GTP (1 molécula) por fosforilación a nivel de sustrato (convertible en ATP) Dos moléculas de CO 2, que corresponden a los carbonos de una molécula de acetil CoA completamente oxidados. 19 El ciclo de Krebs es el núcleo del metabolismo intermediario. Algunos compuestos procedentes de otras rutas catabólicas se incorporan a este ciclo para su degradación. Por otra parte, algunas moléculas del ciclo de Krebs sirven como punto de partida para las rutas biosintéticas. Es, por tanto, una vía anfibólica, resultando clave tanto para procesos catabólicos como anabólicos. 3.- Fosforilación oxidativa Es el mecanismo de síntesis de ATP en la respiración. Tiene lugar en la mitocondria, en la membrana interna. La enzima que cataliza la síntesis de ATP es la ATPasa o ATP sintetasa. La síntesis de ATP se realiza por la unión de un grupo fosfato al ADP mediante un enlace de alta energía. Esta reacción es endergónica, requiere un aporte energético importante ara producirse, el cual es suministrado por el transporte de los electrones liberados en las oxidaciones que han ocurrido previamente y la formación de un gradiente de protones en la membrana mitocondrial interna.

20 La cadena transportadora de electrones que interviene en la respiración mitocondrial está formada por un conjunto de moléculas, asociadas a la membrana interna de la mitocondria, capaces de reducirse y oxidarse, es decir, aceptar electrones de una molécula anterior y cedérselos a la siguiente molécula. Para que el proceso tenga lugar de forma espontánea las moléculas transportadoras tienen que estar situadas según un gradiente de potenciales de óxido-reducción, de manera que al pasar de una molécula de la cadena a la siguiente, los electrones descienden a niveles energéticos inferiores y liberan energía que se emplea para establecer un gradiente quimiosmótico ente los dos lados de la membrana mitocondrial interna. 20 Los transportadores de electrones de la cadena respiratoria están organizados en cuatro grandes complejos enzimáticos. El oxígeno actúa, por consiguiente, como aceptor final de electrones, ya que, en último término, recoge todos los electrones que se han liberado en las diferentes etapas de la oxidación de la glucosa, o de otras moléculas donadoras de electrones. La energía que los electrones van perdiendo al pasar por estas moléculas transportadoras se emplea en bombear protones (H+) a través de la membrana mitocondrial interna, que se acumulan en el espacio intermembranal que originan un potencial eléctrico de membrana. De esta forma se forma entre las dos caras de la membrana interna se produce una diferencia de concentración de protones y una separación de cargas eléctricas; esta situación de gradiente electroquímico de protones es un almacenamiento temporal de energía denominada fuerza protónmotriz que constituye el motor energético de la fosforilación del ADP en la síntesis de ATP. La respiración aerobia es un proceso extremadamente eficaz desde el punto de vista de rendimiento energético 1 NADH (oxidación) ATP 1 FADH2 (oxidación) ATP

21 21 C.- FERMENTACIÓN El metabolismo fermentativo es un proceso de oxidación incompleta de los compuestos orgánicos, ya que no se libera toda la energía química que contienen. Las reacciones de oxidación se producen en ausencia de oxígeno. La síntesis de ATP tiene lugar exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato, es decir, no intervienen mecanismos quimiosmóticos. Los sustratos de fermentación son generalmente glúcidos, en particular, glucosa. Las fermentaciones de los glúcidos comienzan con la glucólisis. Sin embargo, la vía glucolítica, se interrumpiría en poco tiempo, ya que el NAD + utilizando no se recupera al no existir cadena respiratoria. La solución es la regeneración del NAD + acoplando la oxidación del NADH a la reducción del piruvato formado en la glucólisis. Por tanto, tienen lugar dos etapas: Etapa de oxidación de la glucosa hasta piruvato. Se consume NAD + y se produce NADH. Etapa de reducción del piruvato para dar los productos finales. Se regenera el NAD + La reducción del piruvato da lugar a diversos productos finales. Si se origina lactato tiene lugar la fermentación láctica y si se produce etanol y CO2, se trata de la fermentación alcohólica. El rendimiento energético de las fermentaciones es muy bajo si se compara con el rendimiento de un metabolismo respiratorio que actúe sobre los mismos sustratos. Al tratarse de una oxidación incompleta del sustrato, los productos finales son moléculas orgánicas que todavía conservan un contenido energético considerable. En el metabolismo fermentativo de la glucosa hay una producción neta de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La mayoría de las fermentaciones son realizadas por bacterias, sin embargo, algunas células eucariotas también son capaces de llevar a cabo fermentaciones en condiciones de anaerobiosis. Cuando a las mitocondrias de las células no llega el oxígeno requerido, el ácido pirúvico se reduce a ácido láctico. Esta alternativa energética es muy utilizada por el tejido muscular.

22 22 Sin embargo, tiene un serio inconveniente: provoca un aumento de la concentración de protones pues el ácido láctico es un ácido fuerte. Por tanto, aunque el músculo es un tejido eficaz en la amortiguación de los ácidos, un recurso es eliminarlo a la sangre, aunque ello signifique trasladar el problema de la acidosis a todo el organismo. 4.- CATABOLISMO DE LÌPIDOS Los lípidos, también llamados triacilglicéridos son moléculas muy adecuadas como combustibles de reserva, pues su catabolismo libera mucha energía, son insolubles en agua (por lo que se agregan en gotas lipídicas en el citoplasma) y, como tienen poca reactividad química, no provocan reacciones indeseadas en la célula, aunque se presenten en ella en grandes cantidades. La insolubilidad en agua lleva consigo la necesidad de ser emulsionados por enzimas del intestino y para ser transportados por la sangre deben unirse a determinadas proteínas. No obstante, estas mismas características hacen que su degradación no sea fácil. Cuando la célula necesita un aporte energético mayor al habitual o no dispone de glúcidos, degrada las grasas. Como un triacilglicérido está formado por una molécula de glicerina y 3 moléculas de un mismo ácido graso, el proceso de degradación tiene tres pasos: 1. Liberación de la glicerina: las lipasas de las células adiposas efectúan este paso. La glicerina, compuesta por tres carbonos, se transforma en un intermediario de la glucólisis. 2. Entrada de los ácidos grasos al interior de la mitocondria. 3. Oxidación de los ácidos grasos, β oxidación.

23 El paso de los ácidos grasos desde el citoplasma a la matriz mitocondrial se realiza por medio de enzimas presentes en las dos membranas mitocondriales que actúan como transportadores. Para atravesar las dos membranas mitocondriales, las cadenas de ácidos grasos deben unirse a una molécula transportadora, la CARNITINA. Una vez en el interior de la mitocondria, se unen a la CoA, antes de iniciar los ciclos de oxidación. La molécula de carnitina sale al citoplasma para ser reutilizada. 23 La β oxidación consiste en la oxidación del carbono β, consiguiéndose la ruptura del enlace que une este carbono con el α, así se van desprendiendo unidades de dos átomos a partir del extremo carboxilo. La degradación de los ácidos grasos comienza con su activación, lograda por la unión a la CoA mediante un enlace éster para formar acil CoA, que requiere la hidrólisis del ATP. El acil-coa entrará en el ciclo de Krebs, el acil CoA con dos átomos menos de carbono continuará el ciclo. La degradación de los ácidos grasos suministra a la célula: Energía todas las moléculas de ATP formadas como consecuencia de: Incorporación al ciclo de Krebs del acetil CoA que se producen en los sucesivos ciclos de β oxidación La entrada a la cadena respiratoria de los electrones de un FADH 2 y un NADH por cada ciclo de rotura. Un precursor metabólico: acetil CoA Poder reductor: las coenzimas reducidas FADH 2 y NADH

24 Las células pueden obtener ácidos grasos de tres formas distintas: A partir de grasas procedentes de los alimentos. De las grasas almacenadas en células denominadas adipocitos. En el hígado, donde el exceso de glúcidos se convierte en grasas que posteriormente se exportan a otros tejidos. La mayor producción de energía presenta un inconveniente: la necesidad de consumir más oxígeno. La relación entre la energía producida y el oxígeno consumido es ligeramente peor que la correspondiente a la oxidación de la glucosa CATABOLISMO DE PROTEÍNAS Las proteínas constituyen una parte importante de la dieta de los animales como fuente nitrogenada y de aminoácidos esenciales. Las proteínas desempeñan una gran variedad de funciones en los seres vivos pero no suelen ser buenos carburantes metabólicos. En las dietas que no aportan glúcidos o grasas ( dietas de ayuno ) se emplean los aminoácidos como fuentes de carbono y energía. Ante una situación de ayuno total y teniendo en cuenta que el cerebro sólo puede consumir glucosa, se produce la degradación de las proteínas del propio individuo para obtener glucosa a partir de los aminoácidos. El catabolismo de las proteínas comienza por la hidrólisis de los enlaces peptídicos que liberan los aminoácidos. Esta hidrólisis se realiza mediante la acción de enzimas proteolíticas. Plantas: no existe ingestión de proteínas, aunque si existen reservas de proteínas en semillas y algunos frutos. En ellos si aparecen enzimas proteolíticas como la papaína en la papaya, bromelaína en la piña o la ficina en la higuera. En las plantas fotosintéticas raramente oxidan aminoácidos. Las concentraciones de los aminoácidos de los tejidos vegetales están reguladas con la finalidad exclusiva de cubrir las necesidades para la biosíntesis de proteínas, ácidos nucleicos y unas cuantas moléculas necesarias para el crecimiento. En las plantas existe un catabolismo de aminoácidos relacionado generalmente con la producción de metabolitos para otras rutas metabólicas. Animales. La parte de energía metabólica generada a partir de los aminoácidos varía según el tipo de organismo y la situación metabólica en la que se encuentran. Los herbívoros solo pueden obtener una pequeña parte de sus necesidades energéticas a partir de esta fuente. Los carnívoros, inmediatamente después de una comida, pueden obtener hasta un 90% de las necesidades metabólicas mediante la oxidación de los aminoácidos. En los animales el proceso de degradación de las proteínas tiene lugar en varios puntos del aparato digestivo en los que aparecen proteasas y peptidasas que hidrolizan las cadenas polipetídicas presentes en los alimentos.

25 En los animales, los aminoácidos se pueden degradar oxidativamente en tres situaciones metabólicas diferentes: Durante la síntesis y degradación normales de proteínas celulares (recambio proteico) algunos de los aminoácidos liberados durante la degradación de las proteínas se degradan oxidativamente si no se necesitan para la síntesis de nuevas proteínas. 2. Cuando una dieta es rica en proteínas ingiriéndose aminoácidos en exceso de las necesidades corporales se puede catabolizar el excedente. Los aminoácidos no se pueden almacenar 3. Durante la inanición o la diabetes mellitus, en las que no hay glúcidos o éstos no son utilizables adecuadamente, se recurre a las proteínas corporales como combustible. En estas condiciones diferentes los aminoácidos pierden sus grupos amino y los α cetoácidos así formados pueden oxidarse a CO 2 y H 2 O. Los esqueletos carbonados de los aminoácidos proporcionan las unidades de tres y cuatro carbonos que se pueden convertir en glucosa la cual, a su vez, puede proporcionar la energía para el funcionamiento del cerebro, músculo y otros tejidos. Las rutas degradativas de los aminoácidos son muy semejantes en la mayoría de los organismos. Al igual que ocurre con las rutas catalíticas de los azúcares y los ácidos grasos, los procesos de degradación de aminoácidos convergen en las rutas catabólicas centrales del metabolismo carbonado. Los esqueletos carbonados de los aminoácidos generalmente van a parar al ciclo del ácido cítrico y de allí se oxidan para producir energía química o se canalizan hacia la gluconeogénesis. No obstante, hay un factor importante que distingue la degradación de los aminoácidos de los procesos catabólicos descritos con anterioridad, cada aminoácido contienen un grupo amino. Por tanto, todas las rutas degradativas pasan a través de una etapa clave en la que se separa el grupo α amino del esqueleto carbonado desviándolo hacia rutas especializadas para el metabolismo del grupo amino. Las proteínas no son buenos carburantes metabólicos pero en las dietas de ayuno pueden usarse como fuente de carbono y energía. El catabolismo de las proteínas comienza con la hidrólisis de los enlaces peptídicos que requieren enzimas proteóliticas que liberen los aminoácidos. Los aminoácidos no pueden almacenarse, o se utilizan o se eliminan. El catabolismo de los aminoácidos ocurre en dos etapas: la eliminación del grupo amino y la oxidación de la cadena carbonada.

26 1.- ELIMINACIÓN DEL GRUO AMINO 26 Los aminoácidos presentes en las proteínas de la dieta son la fuente de la mayor parte de los grupos amino. La mayoría de los aminoácidos se metabolizan en el hígado. Parte del amoníaco generado se recicla y se utiliza en diversos procesos biosintéticos; el exceso se excreta directamente o se convierte en ácido úrico o urea para su excreción según el organismo. El exceso de amoníaco generado en otros tejidos se transporta al hígado para su conversión en la forma de excreción adecuada según el organismo. RECUERDA: los peces de agua dulce y los invertebrados son capaces de excretar directamente al medio acuático el amoníaco producido en el catabolismo de las proteínas y se denominan amoniotélicos. Las aves, los insectos y los reptiles excretan el nitrógeno amínico en forma de ácido úrico y se les denomina uricotélicos. La mayoría de los animales terrestres (mamíferos, anfibios adultos y peces de agua salada) eliminamos el nitrógeno amínico en forma de urea y somos denominados ureotélicos. Existen dos vías posibles para llevar a cabo el proceso de eliminación del grupo amino: la transaminación y la desaminación oxidativa. La transaminación consiste en la transferencia del grupo amino desde el aminoácido hasta una molécula aceptora de los grupos amino que suele ser α cetoglutarato, el cual se transforma en glutamato. Al ceder el grupo amino, la cadena carbonada del aminoácido se oxida quedando convertida en un α cetoácido. Los aminoácidos constituyen una fuente esencial de nitrógeno para las células animales. Por ello, en el catabolismo de estas moléculas del grupo amino se reutiliza con frecuencia en la síntesis de nuevos aminoácidos. El glutamato y la glutamina constituyen la reserva de los grupos amino que la célula emplea para la síntesis de nuevos aminoácidos. Las reacciones de transaminación están catalizadas por enzimas denominadas transaminasas que llevan vitamina B 6 como coenzima, y tiene lugar principalmente en el hígado. La desaminación oxidativa da lugar la eliminación del grupo amino del glutamato en forma de amoniaco o ión amonio. Esta reacción se lleva a cabo en el hígado y en los riñones y está catalizada por la enzima glutamato deshidrogenasa. La producción catabólica de amoníaco plantea un problema bioquímico serio, el amoníaco es tóxico para las células, ya que aumenta el ph intracelular. En los organismos ureotélicos, el amoníaco de las mitocondrias de los hepatocitos se convierte en urea mediante el ciclo de la urea. En él se incorporan dos grupos NH 4 + y una molécula de CO 2, formándose una de urea por cada vuelta del ciclo. El ciclo de la urea requiere energía.

27 La producción de urea tiene lugar casi exclusivamente en el hígado y representa el destino de la mayor parte del amoníaco allí canalizado. 27 La urea generada pasa a la sangre para su eliminación a través de los riñones. El ser humano, a pesar de ser ureotélico, también produce ácido úrico, pero no procede del metabolismo de las proteínas, del catabolismo de los aminoácidos, sino del metabolismo de las bases nitrogenadas púricas. 2.- OXIDACIÓN DE LA CADENA CARBONADA. La molécula α cetoácido formada tras la eliminación del grupo amino sigue unos procesos de transformación que la incorporan a otras rutas metabólicas, tanto catabólicas como anabólicas. Según la ruta seguida, los aminoácidos se clasifican en dos grupos: aminoácidos glucogénicos (la cadena carbonada sufre oxidaciones que originan piruvato a algunos intermediarios del ciclo de Krebs, que ueden permitir sintetizar glucosa a través de la gluconeogénesis) y aminoácidos cetogénicos (dan lugar a la formación de acetil CoA que puede incorporarse al ciclo de Krebs para producir ATP o desviarse hacia otras rutas para sintetizar por ejemplo ácidos grasos). Algunos aminoácidos aromáticos pueden ser tanto cetogénicos como glucogénicos simultáneamente. 6.- CATABOLISMO DE ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos, ADN y ARN son hidrolizados por enzimas nucleasas, liberándose los nucleótidos que los constituyen. Estos nucleótidos se escinden, a su vez en sus componentes: pentosa, fosfato y la base nitrogenada, que son reutilizados para la síntesis de nuevos nucleótidos. Si esto no es así, estas moléculas se catabolizan y los productos finales se eliminan. La degradación de las bases nitrogenadas pirimidínicas (citosina, uracilo y timina) origina CO2 y NH3 (en algunos animales puede formar urea o ácido úrico). Las bases púricas (adenina y guanina) se catabolizan y forman ácido úrico, alantoína o ácido alantoico, según el animal de que se trate. La enfermedad conocida como gota es una deficiencia del metabolismo de las purinas, por la cual se acumula ácido úrico en la sangre y en los tejidos. Como consecuencia, se forman cristales de urato sódico que se depositan en el riñón y las articulaciones.

28 ANABOLISMO DE LAS PRINCIALES BIOMOLÉCULAS Cualquier organismo vivo sintetiza macromoléculas y estructura supramoleculares y también tiene sistemas de coordinación y regulación de sus actividades. Para conseguir este equilibrio requiere un aporte de energía del exterior y materiales para construir nuevas estructuras o reparar las que se van desgastando. El anabolismo es la parte del metabolismo encargada de la síntesis de moléculas complejas a partir de precursores más sencillos. Las reacciones biosintéticas originan polisacáridos, ácidos nucleicos, proteínas y otras moléculas complejas imprescindibles para el funcionamiento del organismo. Las rutas anabólicas son endergónicas y reductoras, es decir, requieren ATP y poder reductor en forma de NADPH. Los seres humanos, al igual que el resto de los animales somos quimioheterótrofos, es decir, nuestra fuente de carbono es a partir de moléculas orgánicas, como fuente de energía empleamos la oxidación de moléculas orgánicas y los compuestos orgánicos también son los donadores de electrones. Sintetizamos moléculas orgánicas a partir de moléculas también orgánicas. BIOSÍNTESIS DE POLISACÁRIDOS: todos los seres vivos sintetizan polisacáridos a partir de monosacáridos. Los animales producimos glucógeno. Cuando una célula necesita glucosa y no dispone de ella puede realizar su síntesis a partir de otros intermediarios metabólicos. Este proceso se denomina gluconeogénesis y constituye una ruta metabólica que es inversa a la glucólisis. Los metabolitos intermediarios son iguales a los que se producen durante la glucólisis aunque intervienen enzimas diferentes, lo que permite regular ambos procesos de forma independiente. Se trata de un proceso energéticamente desfavorable ya que consume energía, 6ATP por cada molécula de glucosa que sintetiza. El proceso tiene lugar a lo largo de varias reacciones químicas que ocurren tanto en la mitocondria como en el citoplasma. BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS: la capacidad para biosintentizar lípidos es esencial para los organismos por la gran cantidad de funciones variadas que presentan: energéticas, estructurales, hormonales La biosíntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citoplasma porque es donde se encuentra el complejo enzimático ácido-graso sintetasa que lleva a cabo el proceso. Esta ruta biosintética queda físicamente separada de la catalítica que ocurre en la mitocondria.

29 Para iniciar la biosíntesis de una cadena de ácido graso, una molécula de acetil CoA actúa de cebador. Otra molécula de acetil CoA sufre una carboxilación y origina una molécula de tres carbonos, malonil CoA. Esta molécula se condensa con el acetil CoA cebador, provocándose una descarboxilación que origina una cadena de un ácido carboxílico de cuatro carbonos, unido a la CoA. Las demás unidades de dos carbonos se van añadiendo a la cadena en forma de malonil CoA. Los triglicéridos o grasas se forman por esterifricación (las reacciones de esterificación se realizan entre un ácido orgánico y un alcohol, y originan un éster y agua) de tres moléculas de ácidos grasos con una de glicerina. Para que se produzca la esterificación, ambos componentes tienen que ser activados. Los ácidos grasos se activan uniéndose a la coenzima A y la glicerina a un grupo fosfato. Los ácidos grasos se sintetizan en el citoplasma de las células hepáticas y en los adipocitos, en los que se puede almacenar una gran cantidad de grasas como material de reserva. Las células del músculo cardíaco pueden almacenar asimismo, cierta reserva de grasas, ya que parte de la energía que obtienen procede de la oxidación de los ácidos grasos en la mitocondria. 29 BIOSÍNTESIS DE COMPUESTOS NITROGENADOS: el nitrógeno es un elemento esencial para los seres vivos y se encuentra fundamentalmente como componente de aminoácidos y nucleótidos. Salvo las bacterias fijadoras de nitrógeno el resto de los seres vivos necesita utilizar compuestos nitrogenados para incorporarlos a sus biomoléculas. RECUERDA: Sólo las plantas y algunas bacterias sintetizan todos los aminoácidos proteicos. Los aminoácidos que no podemos sintetizar se denominan aminoácidos esenciales y deben ser ingeridos con la dieta. La biosíntesis de los aminoácidos tiene lugar en el citoplasma celular y en ella intervienen dos procesos fundamentales: la síntesis del esqueleto carbonado a partir de precursores metabólicos y la incorporación del grupo amino mediante reacciones de transaminación. Los aminoácidos suelen agruparse en familias según el precursor del que parte la biosíntesis del esqueleto carbonado. Ninguno de los precursores metabólicos contiene nitrógeno y dado que los aminoácidos son compuestos nitrogenados, su biosíntesis requiere una fuente de este elemento, los organismos heterótrofos sólo pueden sintetizar aminoácidos a partir de los aminoácidos adquiridos con la dieta, por medio de transaminaciones catalizadas por transaminasas. La unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos sigue una secuencia concreta determinada por el material genético y constituye la síntesis de proteínas.

30 RECUERDA: las purinas y las pirimidinas son las bases nitrogenadas de los nucleótidos. Están presentes en los ácidos nucleicos, las coenzimas como NAD+ y FAD, los nucleótidos trifosfato como ATP y UTP y algunas vitaminas. 30 Las purinas y las pirimidinas que constituyen los nucleótidos pueden obtenerse mediante dos vías: - a partir de precursores metabólicos, síntesis de novo. - vías de recuperación que reciclan las bases liberadas en el catabolismo de los ácidos nucleicos. AMPLIACIÓN: Las células cancerosas debido a su rápido crecimiento tienen unos requerimientos de nucleótidos mayores que las células normales. Muchos de los medicamentos empleados en la quimioterapia anticancerosa actúan inhibiendo la síntesis de nucleótidos. 8.- CARACTERÍSTICAS METABÓLICAS DE LOS TEJIDOS Y ÓRGANOS HÍGADO Presenta un papel central en el procesamiento y distribución en el metabolismo y proporciona a todos los demás órganos y tejidos una mezcla de nutrientes adecuados a través del torrente sanguíneo. Los hepatocitos transforman los nutrientes obtenidos de la dieta en los combustibles y en los precursores necesarios para cada tejido y los exportan a la sangre. Los tipos y cantidades de nutrientes que alcanzan el hígado dependen de diversos factores entre los que destacan el tipo de dieta y el intervalo entre comidas. El hígado presenta una flexibilidad metabólica increíble para adaptarse a las circunstancias variables que pueden ocurrir en un organismo. Por ejemplo, en una dieta rica en proteínas, los hepatocitos contienen niveles elevados de enzimas para el catabolismo de los aminoácidos y la gluconeogénesis. Al cambiar a una dieta rica en glúcidos, los niveles de estas enzimas caen en pocas horas y empiezan a sintetizarse las enzimas esenciales ara el metabolismo de los glúcidos. TEJIDO ADIPOSO El tejido adiposo, compuesto por adipocitos, se encuentra ampliamente distribuido por el organismo (bajo la piel, alrededor vasos sanguíneos, cavidad abdominal ). Suele representar el 15% de la masa de un individuo adulto.

31 Los adipocitos son metabólicamente muy activos y responden rápidamente a estímulos hormonales en conexión metabólica con el hígado, el músculo esquelético y el corazón. 31 Los adipocitos presentan un metabolismo glucolítico activo, utilizan el ciclo del ácido cítrico para oxidar piruvato y ácidos grasos y realizan la fosforilación oxidativa mitocondrial. Durante los periodos de elevada ingesta de glúcidos, el tejido adiposo puede convertir glucosa en ácidos grasos (formación de piruvato y acetil CoA) y a partir de ellos formar triacilgliceroles que se almacenan como grandes glóbulos de grasa. En el ser humano, la mayor parte de la síntesis de ácidos grasos tiene lugar en los hepatocitos y no en los adipocitos. Los adipocitos almacenan triacilgliceroles procedentes del hígado y del tubo intestinal, especialmente después de comidas ricas en grasas. Cuando se precisan, los triacilgliceroles almacenados en el tejido adiposo son hidrolizados por las lipasas en el interior de los adipocitos y liberan ácidos grasos, que pueden ser transferidos a los músculos esqueléticos y al corazón a través del torrente sanguíneo. La adrenalina acelera la liberación de los triacilgliceroles de los adipocitos al estimular la conversión de las enzimas lipasas a su forma activa. La insulina contrarresta el efecto de la adrenalina al disminuir la actividad de la lipasa. MÚSCULO ESQUELÉTICO El músculo esquelético consume más del 50% del total le oxígeno en un ser humano en condiciones de reposo y hasta un 90% durante el ejercicio muscular muy intenso. El metabolismo del músculo esquelético está en buena parte especializado en producir ATP como fuente inmediata de energía. El músculo esquelético está especializado además en satisfacer las necesidades energéticas de forma inminente según la demanda de energía. El músculo esquelético debe realizar a veces un gran trabajo en un periodo de tiempo corto (carrera de 100 metros lisos), en ocasiones se requiere un esfuerzo prolongado (maratón, durante el parto ). Los músculos esqueléticos pueden utilizar como combustible: - Cuerpos cetónicos. - Glucosa - Ácidos grasos El uso de uno u otro dependerá del grado de actividad muscular que se requiera. En el músculo en reposo los princiales combustibles son los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos que vienen del hígado. Estos compuestos se oxidan y se degradan ara