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QUÍMICA BIOLÓGICA. METABOLISMO

En un sentido amplio, metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un organismo. Mediante esas reacciones se transforman las moléculas nutritivas que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a ellas.

El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:

1- Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.
2- Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear  sus estructuras o para almacenarlos como reserva.

Al producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una continua reacción química.

Estas reacciones químicas metabólicas  pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo.
Cada una de las reacciones metabólicas está catalizada por una enzima específica.


El catabolismo (fase destructiva)

Su función es degradar, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple.
Catabolismo es, entonces, el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO2, H2O, ácido láctico, amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato). Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas).

Las reacciones catabólicas se caracterizan por:
1.    Son reacciones degradativas, mediante ellas compuestos complejos se transforman en otros más sencillos.
2.    Son reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos más o menos reducidos, liberándose electrones que son captados por coenzimas oxidadas que se reducen.
3.    Son reacciones exergónicas en las que se libera energía que se almacena en forma de ATP.
4.    Son procesos convergentes mediante los cuales a partir de compuestos muy diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO2, ácido pirúvico, etanol, etcétera).


El anabolismo (fase constructiva)

Incluye las reacciones de formación de sustancias complejas a partir otras más simples.
Anabolismo, entonces es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más complejas. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.
Las moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.

Las reacciones anabólicas se caracterizan por:
1.    Son reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos.
2.    Son reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas reducidas (NADH, FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.
3.    Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP.
4.    Son procesos divergentes debido a que, a partir de unos pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.


Rutas metabólicas
Rutas Metabólicas
En las células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas (tanto catabólicas como anabólicas), estás no son independientes sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguiente una ruta o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente (como la glucólisis o glicólisis).
Mediante las distintas reacciones que se producen en una ruta un sustrato inicial se transforma en un producto final, y los compuestos intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Todas estas reacciones están catalizadas por enzimas específicas.

Tipos de rutas metabólicas.

Las rutas metabólicas pueden ser:
1.    Lineales. Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última reacción.
2.    Cíclicas. Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.

Frecuentemente los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de reacciones de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes metabólicas complejas.

Cuadro sinóptico

 

Catabolismo Anabolismo
Degrada biomoléculas Fabrica biomoléculas
Produce energía (la almacena como ATP) Consume energía (usa las ATP)
Implica  procesos de oxidación Implica procesos de reducción
Sus rutas son convergentes Sus rutas son divergentes
Ejemplos: glucólisis, ciclo de Krebs, fermentaciones, cadena respiratoria Ejemplos: fotosíntesis, síntesis de proteínas



Características de las rutas metabólicas.

Todas son irreversibles y globalmente exergónicas.
Las rutas en los dos sentidos nunca pueden ser iguales porque si lo fuesen uno de los dos nunca se podría realizar. Los pasos distintos permiten asegurar los procesos en los dos sentidos. Hay muchos pasos comunes pero no todos.
Las rutas metabólicas están localizadas en unos compartimentos específicos lo que permite regularlas eficazmente.
En todas las rutas  hay una reacción inicial que es irreversible y que desprende mucha energía, necesaria para llegar al final de la misma.
Todas las rutas están reguladas. Cada reacción tendrá su enzima.

 


Ej de ruta metabólica: utilización de glucosa por el hígado

 

 

 

 

 

 

Ej de ruta metabólica: utilización de glucosa por el hígado.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tipos metabólicos de seres vivos

No todos los seres vivos utilizan la misma fuente de carbono y de energía para obtener sus biomoléculas.
Teniendo en cuenta la fuente de carbono que utilicen existen dos tipos de seres vivos:
1.    Autótrofos, utilizan como fuente de carbono el CO2. (vegetales verdes y muchas bacterias).
2.    Heterótrofos, utilizan como fuente de carbono los compuestos orgánicos. (animales hongos y muchas bacterias).•

Teniendo en cuenta la fuente de energía que utilicen se diferencian dos grupos:
1.    Fotosintéticos, utilizan como fuente de energía la luz solar.
2.    Quimiosintéticos, utilizan como fuente de energía, la que se libera en reacciones químicas oxidativas (exergónicas).

Según cual sea la fuente de hidrógeno que utilicen pueden ser:
1.    Litótrofos, utilizan como fuente de hidrógeno compuestos inorgánicos, como H2O, H2S, etc.
2.    Organótrofos, utilizan como fuente de hidrógenos moléculas orgánicas.

Tomando en su conjunto todos estos aspectos, se pueden diferenciar cuatro tipos metabólicos de seres vivos:
1.    Fotolitótrofos o fotoautótrofos: También se denominan fotosintéticos. Son seres que para sintetizar sus biomoléculas utilizan como fuente de carbono el CO2; como fuente de hidrógeno, compuestos inorgánicos, y como fuente de energía, la luz solar. A este grupo pertenecen: las plantas, las algas, las bacterias fotosintéticas del azufre, cianofíceas.
2.    Fotoorganótrofos o fotoheterótrofos: Son seres que utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos, como fuente de hidrógeno compuestos orgánicos y como fuente de energía la luz. A este grupo pertenecen bacterias púrpuras no sulfuradas.
3.    Quimiolitótrofos o quimioautótrofos: Se les denomina también quimiosintéticos. Son seres que utilizan como fuente de carbono el CO2, como fuente de hidrógenos compuestos inorgánicos y como fuente de energía la que se desprende en reacciones químicas redox de compuestos inorgánicos. A este grupo pertenecen las llamadas bacterias quimiosintéticas como las bacterias nitrificantes, las ferrobacterias, etc.
4.    Quimioorganótrofos o quimioheterótrofos: También se les denomina heterótrofos. Son seres que utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos, como fuente de hidrógenos compuestos orgánicos y como fuente de energía la que se desprende en las reacciones redox de los compuestos orgánicos. A este grupo pertenecen los animales, los hongos, los protozoos y la mayoría de las bacterias.

GLUCOLISIS

La glucólisis o glicolisis (del griego glycos: azúcar y lysis: ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar o fermentar la glucosa y así obtener energía para la célula. Ésta consiste de diez reacciones enzimáticas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, la cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.
Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos, y tiene tres funciones principales:
1.- La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y anaeróbica (ausencia de oxígeno).
2.- La generación de piruvato que pasará al Ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.
3.- La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser ocupados por otros procesos celulares.
Cuando hay ausencia de oxígeno (anoxia o hipoxia), luego que la glucosa ha pasado por este proceso, el piruvato sufre fermentación, una segunda vía de adquisición de energía que, al igual que la glucólisis, es poco eficiente. El tipo de compuesto obtenido de la fermentación suele variar con el tipo de organismo. En los animales, el piruvato fermenta a lactato y en levadura, el piruvato fermenta a etanol (alcohol etílico)
En eucariotas y procariotas, la glucólisis ocurre en el citosol de la célula. En células vegetales, algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran también en el ciclo de Calvin, que ocurre dentro de los cloroplastos.
La amplia conservación de esta vía incluye los organismos filogenéticamente más antiguos, y por esto se considera una de las vías metabólicas más antiguas.
El tipo de glucólisis más común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhoff. Glucólisis será usada aquí como sinónimo de la vía de Embden-Meyerhoff.

 

A modo de recordatorio:
El metabolismo celular funciona sobre la base de dos tipos de reacciones químicas: catabolismo y anabolismo.
Catabolismo es desintegración (rutas convergentes), mientras que anabolismo significa reorganización (rutas divergentes).
El Catabolismo implica liberación de energía (reacciones exergónicas), mientras que el anabolismo implica captura de energía (reacciones endergónicas). 
En el catabolismo ocurre una desorganización de los materiales, en tanto que en el anabolismo ocurre una reorganización más compleja de los materiales



Vías principales del catabolismo y anabolismo en la célula, Se observan las tres etapas, la primera tiene lugar en el lumen del tubo digestivo, la segunda en el citosol y la última en las mitocondrias. (Imagen siguiente)

Apuntes de Química Biológica


La degradación enzimática de cada uno de los elementos nutritivos mayoritarios de las células, a saber, polisacáridos, lípidos y proteínas, tiene lugar por medio de cierto número de reacciones enzimáticas consecutivas organizadas en tres fases principales (no se incluyen acidos nucleicos al no ser utilizados como fuente de energía por la mayor parte de los organismos).

En la Fase I del catabolismo (Figura 2) las grandes moléculas nutritivas se degradan, liberando los sillares químicos sobre las que fueron construidas. Así, los polisacáridos se degradan rindiendo hexosas o pentosas, los lípidos producen ácidos grasos, glicerina y otros componentes, y las proteínas se desintegran en sus componentes aminoácidos.  En la Fase II del catabolismo, todos los productos anteriores se convierten en un número menor de intermediarios más sencillos. Así, las hexosas, pentosas y glicerina, se degradan pasando por el ácido pirúvico, intermediario de tres carbonos, para rendir una especie más sencilla, de dos carbonos, el grupo acetilo del acetil-CoA. De igual forma, los diversos ácidos grasos y aminoácidos se escinden para formar acetil-CoA y unos pocos productos finales diferentes. Finalmente, el grupo acetilo del acetil-CoA, así como los productos de la

Fase II se canalizan hacia la Fase III, ruta catabólica final común, en la que en último término pueden ser oxidados a dióxido de carbono y agua. En este sentido, el catabolismo es convergente.

La biosíntesis tiene igualmente lugar en tres etapas (Figura 2). En la Fase III se generan moléculas precursoras que en la Fase II se convierten en moléculas sillares. Estas, a su vez, se ensamblan en la Fase I para constituir macromoléculas. Por ejemplo, la biosíntesis de proteínas comienza en la Fase III con la formación de ciertos oxoácidos, que son los precursores de los aminoácidos, por aminación de los primeros. Finalmente, en la Fase I se ensamblan los aminoácidos para constituir las cadenas polipeptídicas. Las rutas biosintéticas o anabólicas son por tanto divergentes.

Las rutas catabólicas y anabólicas no son inversas, aunque pueden tener algún paso común. Aunque la existencia de dos conjuntos de rutas metabólicas, una para el catabolismo y otra para el anabolismo, pueda parecer un despilfarro, esta ordenación posee ventajas importantes. La regulación de ambos tipos de rutas es independiente, puesto que enzimáticamente están controladas por catalizadores enzimáticos diferentes, y así mismo pueden estar ocurriendo en localizaciones distintas dentro de células eucariotas. Aunque las correspondientes rutas del catabolismo y anabolismo no son idénticas, la Fase III constituye un punto de cita central o de ruta asequible al catabolismo y al anabolismo. Esta ruta central común, designada a veces como ruta anfibólica, posee una doble función; así, la ruta puede utilizarse catabólicamente para producir la degradación completa de pequeñas moléculas que se derivan de la Fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar a las reacciones biosintéticas moléculas pequeñas utilizables como precursores.