CAPITULO 2: METABOLISMO

Conceptos generales Comprende el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en los tejidos de los seres vivos. Específicamente, a las transformaciones que ocurren dentro de las células se las denomina metabolismo intermedio. El metabolismo puede dividirse en dos para su análisis, el anabolismo y el catabolismo. El catabolismo comprende reacciones de naturaleza degradativa, en donde predominan procesos oxidativos, que conducen a la producción de energía y formación de coenzimas reducidas. Mientras que el anabolismo esta conformado por reacciones de síntesis, en su mayoría reductivas, que son acompañadas de gasto de energía y oxidación de coenzimas.

Coenzimas oxidadas

ATP

Coenzimas reducidas

Catabolismo Componente orgánico reducido

Coenzimas oxidadas

Anabolismo

ATP

Componente orgánico oxidado

Coenzimas reducidas

El balance energético final de las reacciones catabólicas es exergónico (ΔG negativo), y permite la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi, mientras que en el anabolismo es endergónico (ΔG positivo), por lo que requiere un aporte de energía que puede ser otorgada por la hidrólisis del enlace fosfato de una molécula de ATP con la consecuente formación de ADP + Pi.

Vías metabólicas Son una secuencia ordenada de reacciones catalizadas por enzimas que convierten una sustancia en producto final. Tipos de vías metabólicas a) Secuencia lineal.

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Donde, A = Sustrato inicial. B, C y D = Productos intermedios o metabolitos. E = Producto final. a, b, c y d = enzimas. Los metabolitos intermedios son productos parciales que suelen tener vida breve dentro de la célula. b) Vías metabólicas ramificadas:

Hay un sustrato inicial (A), un punto de ramificación en el metabolito intermedio B y se pueden obtener dos productos finales: D y F. En todos los pasos intervienen enzimas (a, b, c, d y e). c) Ciclo metabólico: Se caracteriza porque al final de este metabolismo se regenera el componente inicial del ciclo. La sustancia que ingresa se denomina alimentadora (S) del ciclo y la que egresa se denomina producto (P). Un ejemplo es el Ciclo del Gioxilato. P

A

A d

a

D

B c

b C

d) Ciclos interconectados: Se caracterizan por que tienen un metabolito intermedio común (B). Un ejemplo es el Ciclo de la Urea acoplado al Ciclo de Krebs.

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e) Secuencia lineal de racciones reversibles.

f) Secuencia lineal de reacciones reversibles utilizando un desvío.

Transferencia de energía en la célula De acuerdo a lo expuesto en el Cap. 1, las reacciones bioquímicas en la célula tienen lugar cuando su cambio de energía libre (ΔG) es negativo. Si el cambio de energía libre es positivo la reacción no podrá ocurrir por sí sola, pero si se le acopla otra reacción que aporte energía de manera tal que el balance final sea un ΔG negativo, la reacción podrá llevarse a cabo. La molécula más usada por la célula en las reacciones bioquímicas del metabolismo para aportar energía es el adenosina trifosfato (ATP), por lo que se la considera encargada del transporte y transferencia de energía. Para liberar la energía se debe producir la hidrólisis de un enlace anhídrido entre los fosfatos y formarse adenosina difosfato (ADP) o adenosina monofosfato (AMP). ATP

ADP + Pi

ΔG = -7,3 Kcal/mol

ATP

AMP + PPi

ΔG = -7,3 Kcal/mol

El ΔG es el cambio de energía libre estándar, es decir a pH 7. Cuando una reacción tiene ΔG positivo no podría ocurrir, pero si a esta reacción se la complementa con una hidrólisis de ATP, hace que el balance final del ΔG sea negativo, por ejemplo: A

B

ΔG = +4 Kcal/mol

ATP

ADP + Pi

ΔG = -7,3 Kcal/mol

B + ADP + Pi

ΔG = - 3,3 Kcal/mol

La reacción acoplada A + ATP

Esto evidencia que las reacciones termodinámicamente desfavorables pueden convertirse en favorables mediante el acoplamiento de hidrólisis de moléculas de ATP.

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Fig. 2-1. Fórmula del Adenosin trifosfato (ATP) La molécula de ATP está formada por una ribosa, una base nitrogenada y tres fosfatos. Dos de los fosfatos están unidos por enlaces anhidridos fosfórico que son los de alto potencial de transferencia de energía. El ATP, ADP y AMP se pueden interconvertir mediante una reacción catalizada por la adenilato quinasa: ATP + AMP

ADP + ADP

También se encuentran en las células otros nucleótidos mono, di y trifosfato, formados por bases nitrogenadas diferentes tales como guanina (G), citocina (C), uridina (U) y timina (T). Base nitrogenada

Nucleótido Monofosfato

Necleótido Difosfato

Nucleótido Trifosfato

Guanina

GMP

GDP

GTP

Citosina

CMP

CDP

CTP

Uridina

UMP

UDP

UTP

Timina

TMP

TDP

TTP

Los fosfatos pueden ser transferidos por enzimas de un nucleótido a otro sin gasto de energía en reacciones que son reversibles, por ejemplo. ATP + GDP

ADP + GTP

ATP + GMP

ADP + GDP

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El ATP es el principal dador de energía libre en los sistemas biológicos. Un ser humano utiliza 40 Kg de ATP por día, que son aprovechados principalmente en procesos tales como movimientos (contracción muscular), transporte activo y biosíntesis. El ATP se genera por oxidación de moléculas orgánicas combustibles y por fotosíntesis.

Carga energética La carga energética (CE) es una manera de expresar el estado energético de la célula y se calcula la siguiente ecuación:

Esto significa que la carga energética es el cociente entre el total de uniones fosfatos de alto potencial de transferencia (dos en el ATP y una en el ADP) y el contenido total de nucléotidos fosfato de adenina que tiene la célula. De acuerdo con esta ecuación, la carga energética puede oscilar entre 0 y 1; mientras más alto es el resultado de la ecuación, mayor será la cantidad de uniones fosfatos que tiene la célula y, por lo tanto, mayor su estado energético. La carga energética es uno de los principales factores que participa en la regulación de los metabolismos celulares. Se ha observado que la CE está amortiguada (regulada homeostáticamente) a un valor de 0,9; cuando se encuentra por debajo de ese valor se activan vías generadoras de ATP, es decir el catabolismo, para elevar el valor de carga energética a su nivel normal. Cuando la carga energética es mayor a 0,9 se activan las vías utilizadoras de ATP, es decir anabólicas, que conducen a un gasto de ATP y hacen que la CE baje a los niveles normales. Esta explicación se puede enterder mejor analizando el gráfico entre la CE y la velocidad relativa de las vías anabólicas y catabólicas de la célula.

Fig. 2-2. Carga energética en relación a las vías anabólicas y catabólicas de la célula.

Coenzimas de óxido-reducción En el metabolismo (anabolismo/catabolismo) se producen reacciones reductivas y oxidativas de moléculas orgánicas. Como en toda reacción de óxido/reducción cuando un compuesto se oxida necesita otro que se reduzca y viceversa. Por ello, en estas reacciones es indispensable la participación de las coenzimas de óxido/reducción. Estas son: Nicotinamida Adenina Dinucleótido (NAD+/NADH), Flavina Adenina Dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotina Adenina Dinucleótido Fosfato (NADP+/NADPH) Fig. 2-3.

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NAD+ + 2 e- + H+

NADH

FAD + 2 e- + 2 H+

FADH2

NADP+ + 2 e- + H+

NADPH

No todas las coenzimas de óxido/reducción cumplen la misma función en el interior de la célula. El NADH y el FADH2 se utilizan principalmente para producir energía (ATP) a nivel de mitocondria, oxidándose en la cadena respiratoria acoplada a la fosforilación oxidativa; mientras que, el NADPH se utiliza principalmente para aportar poder reductor en las reacciones de biosíntesis reductivas como la síntesis de ácidos grasos. O

OH O

P

O N+ O

O OH

HO

NH2

N

O

P

O N

HO

NAD+

N

O

OH

OH

NADH

Fig. 2-3. Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ /NADH), Flavina adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido.

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O

O NH

NH

N

HO

P

HO

N

OH O

H

O

OH

O

NH2

O

N

OH

OH

P

N

OH OH

O

NH2

O

N

N N

O

P

O

P

O N

N

O

HO

FAD

N O

N OH

N

OH

N

O

OH

HO

OH

FADH2

Fig. 2-3 (continuación). Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ /NADH), Flavina adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido.

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NADP+

NADPH2

Fig. 2-3 (continuación). Formula de la Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ /NADH), Flavina adenina dinucleótido (FAD/FADH2) y Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) estados oxidado y reducido

Coenzima A (CoA) Es una molécula muy importante, constituida por ácido pantoténico (llamado también vitamina B3), mercapto etanolamina, ribosa y adenina. La mercapto etanolamina hace que la coenzima A tenga un grupo sulfhidrilo responsable de la función de esta molécula en los metabolismos en que participa. Tiene un papel destacado en las reacciones de acetilación. Se une a los acetilos a través de una unión tioéster entre el sulfhidrilo y la función ácido formando el acetil-CoA. Este tipo de reacción permite que se lleve a cabo el metabolismo de los lípidos, tanto la biosíntesis como la degradación de ácidos grasos, de esta manera los grupos acilos quedan activados para actuar en reacciones ulteriores. El acetil-CoA además es útil para otros metabolismos como la biosíntesis de colesterol, hormonas esteroideas, acetil colina y para su ingreso a ciclo de Krebs para producir energía (Fig. 2-4).

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NH2 N N

N O

N

O O

P HO O

O P

HO

OH HO

O

OH

P O O

O

O S N H

OH

N H O

Fig. 2-4. Fórmula de la Acetil-CoA.

Vitaminas Las vitaminas son moléculas orgánicas que, aunque en muy baja concentración, son imprescindibles para los animales superiores, ya que han perdido la capacidad de sintetizarlas. La función general de este heterogéneo grupo de moléculas, es participar como coenzimas en las reacciones bioquímicas. Según su solubilidad se dividen en dos grandes grupos: hidrosolubles y liposolubles. Las hidrosolubles, como la vitamina B1, B2 y B6, son en su mayoría precursores de coenzimas. La vitamina C es hidrosoluble y participa en reacciones de hidroxilación. Dentro de las liposolubles se encuentran: La vitamina A, que es precursor del retinol y participa en el crecimiento; la vitamina D se relaciona con el crecimiento del organismo; la vitamina E, actúa como antioxidante de lípidos; y la vitamina K, participa en procesos de coagulación de la sangre.

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