Se distinguen dos tipos de reacciones químicas en el metabolismo.

Transcripción

1 METABOLISMO I.- Introducción El metabolismo es el conjunto de reacciones que tienen lugar en las células, mediante las cuales se obtienen energía y las utilizan para mantener sus concentraciones iónica y regenerar continuamente las moléculas y las estructuras que se degradan. Cuando un ser vivo pierde la capacidad de ejecutar las reacciones del metabolismo muere. OBJETIVOS DEL METABOLISMO Obtener energía utilizable para la célula (ATP) Fabricar componentes celulares OBJETIVOS DEL METABOLISMO Transformar las sustancias incorporadas del medio en materia prima para la célula. Fabricar y degradar moléculas con funciones especiales: hormonas, neurotransmisores.. *La energía en el metabolismo. Se distinguen dos tipos de reacciones químicas en el metabolismo. a) Reacciones exergónicas.- Se producen de forma espontánea. son reacciones de degradación, en las que se libera energía y en las que los productos son menos energéticos que los reactivos. La parte del metabolismo que comprende los procesos de degradación se conoce como CATABOLISMO. b) Reacciones endergónicas.- No se producen de forma espontánea. Son reacciones de síntesis, que requieren un aporte de energía externa y los productos son más energéticos que los reactivos. La parte del metabolismo que comprende los procesos de síntesis se conoce como ANABOLISMO.

2 * Cómo se obtiene la energía? Existen dos formas de obtener la energía para realizar las reacciones endergónicas: a) Absorbiendo la energía solar. Los organismos fotosintéticos captan la energía solar y la transforman en energía química. b) Aprovechando la energía que se libera en las reacciones exergónicas. En las células, la energía liberada en reacciones exergónicas se utiliza para sintetizar ATP (intermediario transportador de energía) que se degrada a ADP + H 3 PO 4. *Los enzimas y las rutas metabólicas Las enzimas. En las células, las reacciones químicas se producen debido a la presencia de enzimas, incrementando la velocidad de reacciones específicas. Las rutas metabólicas. La enorme cantidad de reacciones químicas que tienen lugar en las células están organizadas en secuencias llamadas rutas metabólicas, en las que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Las rutas metabólicas pueden ser lineales, cíclicas o ramificadas y están interconectadas de modo que un compuesto puede pertenecer a más de una ruta metabólica. A los compuestos intermedios se le llaman metabolitos intermedios. *La oxidación-reducción en el metabolismo Las transferencias de energía en la célula llevan aparejadas una transferencia o flujo de electrones de una molécula a otra. Las reacciones que implican este flujo se denominan reacciones de oxidación- reducción (re-dox). La oxidación se produce cuando una molécula pierde electrones. Esta sustancia queda oxidada y se denomina dador de electrones o agente reductor. La reducción es la ganancia de electrones. La molécula que los acepta se reduce y recibe el nombre de aceptor de electrones o agente oxidante. Los dos procesos están acoplados. En muchos casos, la transferencia de electrones va acompañada de la transferencia de H +. HA A + Dador de Dador electrones e - H + oxidado B - Aceptor de Electrones HB Aceptor reducido

3 En general: Las oxidaciones del metabolismo celular transforman grandes moléculas orgánicas, como la glucosa, en moléculas orgánicas más sencillas o en moléculas inorgánicas (CO 2 y H 2 O). En estos procesos se liberan, además de energía libre (reacciones exergónicas), electrones y H +. Las reducciones son reacciones biosintéticas y endergónicas, que necesitan incorporar electrones y H +. La transferencia de electrones desde los procesos de oxidación a los biosintéticos se produce a través de intermediarios transportadores. *Transportadores de electrones y de grupos + Las coenzimas transportadoras de electrones. Los principales son los nucleótidos de nicotinamida (NAD + y NADP + ). Y los de flavina (FAD + y FMN). NAD e H NADH + H + (Forma oxidada) (Forma reducida) NADP e H NADPH + H + (Forma oxidada) (Forma reducida) FAD e H FADH + H + (Forma oxidada) (Forma reducida) + Las coenzimas transportadoras de otros grupos. El más importante es el Coenzima A. *Los transportadores de energía: El ATP Cuando el ATP se hidroliza hasta adenosina difosfato (ADP) y ácido fosfórico o hasta adenosina monofosfato (AMP) y pirofosfato, se desprende una energía que puede ser utilizada para: *La síntesis de biomoléculas a partir de precursores más pequeños (anabolismo). *El trabajo mecánico, como la contracción muscular, los movimientos de ciclosis o corrientes citoplasmáticas, o la división celular. *El transporte activo de sustancias a través de las membranas. *La creación de potenciales de membrana, como en la conducción y la transmisión del impulso nervioso. *La producción de calor y de otras fuentes de energía radiante, como la bioluminiscencia.

4 DIFERENCIAS ENTRE CATABOLISMO Y ANABOLISMO CATABOLISMO ANABOLISMO Son reacciones de degradación Son reacciones de oxidación Desprenden energía A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos, principalmente dióxido de carbono ácido pirúvico y etanol. Es un conjunto de vías convergentes Son reacciones de síntesis Son reacciones de reducción Precisan energía A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes. Es un conjunto de vías divergentes TIPOS DE ORGANISMOS Tipos de organismos Fuente de Carbono Fuente de Energía Ejemplos Fotolitotrófos CO 2 Luz Vegetales y Bacterias fotosintéticas Fotoorganotrófos Compuestos orgánicos Luz Bacterias purpúreas no sulfuradas Quimiolitotrófos CO 2 Reacciones de oxido-reducción Bacterias desnitrificantes del azufre y del hierro Quimioorganotrófos Compuestos orgánicos Reacciones de oxido-reducción Animales superiores y hongos II.- Los procesos catabólicos. La degradación de los combustibles orgánicos se realiza a través de una serie de reacciones exergónicas de oxidación-reducción en las que los electrones son transferidos de una molécula orgánica rica en energía a un aceptor final con un nivel energético inferior. En función del aceptor final, las células se clasifican en:

5 *Aerobias. Son la mayoría de las células. Utilizan el oxígeno molecular como aceptor final de electrones. *Anaerobias (anaerobias estrictas). Son células que viven en ausencia de oxígeno, utilizando una molécula orgánica como aceptor final de electrones. *Facultativas ( anaerobias facultativas). Utilizan el oxígeno como aceptor final, pero cuando este escasea, oxidan las moléculas orgánicas vía anaerobia. *Tipos de catabolismo Se pueden distinguir dos tipos de catabolismo: 1.- Respiración. Interviene la cadena transportadora de electrones. Esto permite transferir electrones procedentes de la materia orgánica inicial a un aceptor final que es un compuesto inorgánico. En función del agente oxidante se distingue: - Respiración aeróbica. El agente oxidante es el oxígeno molecular (O 2 ). Al reducirse el O 2 y aceptar electrones y protones forma agua (H 2 O). - Respiración anaeróbica. El agente oxidante no es el oxígeno molecular, sino iones. 2.- Fermentación. No interviene la cadena transportadora de electrones. Impide transferir los electrones de la materia orgánica inicial a un compuesto inorgánico, así el producto final es un compuesto orgánico. *La oxidación de la glucosa La glucosa es el combustible celular más utilizado por los seres vivos. La procedencia de la glucosa utilizada en el catabolismo es muy variada: *Los organismos heterótrofos la incorporan del entorno con los nutrientes de los alimentos. *Los organismos autótrofos la sintetizan en la fotosíntesis a partir de la materia inorgánica. *Por transformación de otras moléculas orgánicas (gluconeogénesis). *Por hidrólisis del glucógeno o del almidón almacenados como reserva (glucogenolisis). El proceso de oxidación de la glucosa se puede resumir en dos fases: 1ª Fase. En la mayoría de los seres vivos, la glucosa se oxida en una ruta metabólica llamada glucólisis, donde se obtiene ATP y dos moléculas de ácido pirúvico. 2ª Fase. El pirúvico se oxida de dos formas:

6 - En condiciones anaeróbicas, mediante algún tipo de fermentación, en estos procesos, el ácido pirúvico se convierte en otras moléculas orgánicas más sencillas, y el aceptor de electrones es una molécula orgánica. - En condiciones aeróbicas, se produce respiración celular, el ácido pirúvico es completamente oxidado a CO 2 y H 2 O, actuando el O 2 como aceptor final de electrones. *La glucólisis La glucólisis es el proceso por el que una molécula de glucosa (seis átomos de C) se degrada a dos de ácido pirúvico (tres átomos de C), liberándose en la degradación una pequeña parte de la energía que contiene y que se conserva en dos moléculas de ATP y dos de NADH + H +. El proceso se puede resumir en dos etapas: 1.- La fase de seis carbonos o fase preparatoria. 2.- La fase de tres carbonos o fase de beneficios. *La respiración celular La respiración celular o aerobia es el proceso por el que una molécula de glucosa se oxida totalmente hasta CO 2 y H 2 O con intervención de O 2. Esta ruta se realiza en las mitocondrias de las células eucariotas y en la membrana plasmática de las procariotas. En la respiración celular el piruvato obtenido en la glucólisis es degradado en tres etapas: 1.- Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico a acetil CoA. 2.- Ciclo de Krebs o del ácido cítrico. 3.- Transporte de electrones en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. *El transporte de electrones y la fosforilación oxidativa Los electrones de alta energía de las moléculas de NADH + H + y de FADH 2, reducidos en las oxidaciones respiratorias y en otras rutas metabólicas, son transportados por una cadena de transporte electrónico hasta el O 2, que se reduce a H 2 O. La cadena de transporte electrónico está constituida por cuatro complejos, que son agrupaciones de proteínas transportadoras y coenzimas con un nivel energético determinado. Los electrones fluyen por la cadena mediante reacciones de oxidaciónreducción, pasando de los compuestos en los que se encuentran en un nivel energético superior a aquellos en los que se encuentran en un nivel de energía menor. El transporte es espontáneo, hasta que los electrones llegan al O 2 (último aceptor). Según la hipótesis quimiosmótica (propuesta por MITCHELL), la energía liberada por los electrones en su viaje desde el NADH 2 o el FADH 2 hasta el oxígeno es utilizada por algunos de los componentes de la cadena respiratoria para traslocar H +

7 desde la matriz hasta el espacio intermembrana, lo que genera un gradiente electroquímico en la membrana mitocondrial interna. El gradiente electroquímico hace que los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor de gradiente; pero, debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna a los H +, su retorno hacia la matriz solo puede hacerse a través de la ATP sintetasa. La energía liberada por el flujo de H + en la ATP sintetasa es aprovechada por esta para fosforilar ADP y generar moléculas de ATP.