- El metabolismo celular.
1.1. Concepto de metabolismo.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras. Las reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas y las moléculas que en ellas intervienen se llaman metabolitos.
Las conexiones entre las diferentes vías metabólicas reciben el nombre de metabolismo intermediario.
Se pueden considerar dos fases en el metabolismo: una de degradación de materia orgánica o catabolismo y otra de construcción de materia orgánica o anabolismo:
· El catabolismo es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras biomoléculas más sencillas, proceso en el que se libera energía que se almacena en los enlaces fosfato del ATP.
· El anabolismo es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita suministrar energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP.
1.2. Tipos de metabolismo.
Para crecer y desarrollarse, todos los seres vivos necesitan incorporar materia, requiriendo todo tipo de átomos. Los más importantes son los de carbono, que forman el esqueleto de todas las biomoléculas orgánicas. Si la fuente de carbono es el CO2 atmosférico (carbono inorgánico) se habla de metabolismo autótrofo y si la fuente es la propia materia orgánica (carbono orgánico) se habla de metabolismo heterótrofo.
En cuanto a las fuentes de energía para las reacciones metabólicas, si la fuente es la luz se habla de fotosíntesis, mientras que si se trata de energía desprendida en reacciones químicas se habla de quimiosíntesis.
Tipos de organismos según su metabolismo | Origen de la energía | Origen del carbono | Ejemplos |
Fotolitótrofos (o fotoautótrofos) | Luz | CO2 | Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre |
Fotoorganótrofos (o fotoheterótrofos) | Luz | Orgánico | Bacterias purpúreas no sulfúreas |
Quimiolitótrofos (o quimioautótrofos) | Reacciones químicas | CO2 | Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre |
Quimioorganótrofos (o quimioheterótrofos) | Reacciones químicas | Orgánico | Animales, hongos, protozoos y muchas bacterias |
1.3. El ATP.
El adenosín-trifosfato o ATP es un nucleótido de enorme importancia en el metabolismo, ya que puede actuar como molécula energética, al ser capaz de almacenar o ceder energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos que son capaces de almacenar 7,3 kcal/mol. Al hidrolizarse se rompe el último enlace éster-fosfórico produciéndose ADP y una molécula de ácido fosfórico que suele simbolizarse como Pi, liberándose energía.
El ADP es capaz de ser hidrolizado también, rompiéndose el otro enlace éster-fosfórico con lo que se liberan otras 7,3 kcal/mol y se produce AMP y una molécula de ácido fosfórico.
La síntesis de ATP puede realizarse por dos vías:
· Fosforilación a nivel de sustrato. Es la síntesis gracias a la energía que se libera de una biomolécula al romperse alguno de sus enlaces ricos en energía. Las enzimas que regulan estos procesos se denominan quinasas.
· Mediante ATP-sintetasas. Existentes en las crestas de las mitocondrias o en los tilacoides de los cloroplastos, cuando dichas enzimas son atravesadas por un flujo de protones.
El ATP es la moneda energética de la célula, pues representa la manera de tener almacenado un tipo de energía de pronto uso. En todas las reacciones metabólicas en las que se necesita energía para la biosíntesis de moléculas se utiliza el ATP, como también la contracción muscular, en el movimiento celular, ciliar y flagelar, en el transporte activo a través de las membranas, etc.
- El catabolismo.
2.1. Concepto de catabolismo.
El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo y su finalidad es la obtención de energía. En él las moléculas orgánicas son transformadas en otras más sencillas que intervendrán en otras reacciones metabólicas hasta transformarse en los productos finales del catabolismo, que generalmente son expulsados de la célula. La energía liberada es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP y posteriormente podrá ser utilizada para reacciones de síntesis orgánicas o para realizar actividades celulares.
Las reacciones del catabolismo son reacciones de oxidación, de pérdida de electrones. La forma de oxidarse es mediante la pérdida de átomos de hidrógeno que se encuentran unidos al carbono (deshidrogenación) o por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación).
2.2. Tipos de catabolismo.
Según la naturaleza de la sustancia que se reduce se distinguen dos tipos de catabolismo:
· En la fermentación la molécula que se reduce es siempre orgánica.
· En la respiración la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico, por ejemplo O2, NO3–, SO4–. Si es el oxígeno se denomina respiración aeróbica, y si es una sustancia distinta se denomina respiración anaeróbica.
En la respiración aeróbica se forma agua.
2.3. El catabolismo por respiración.
Las reacciones catabólicas por respiración son diferentes según los sustratos orgánicos a degradar.
2.3.1. El catabolismo de los glúcidos.
En el tubo digestivo de los animales y mediante los procesos digestivos, los polisacáridos o disacáridos de la ingesta del animal son hidrolizados y convertidos en sus unidades monosacáridas.
La glucosa es el más abundante de los monosacáridos, por lo que su proceso degradativo puede servir de ejemplo del catabolismo respiratorio de los glúcidos.
En la degradación total por respiración de la glucosa se distinguen dos fases: la glucólisis y la respiración. En la respiración se distinguen dos procesos, el ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria.
§ La glucólisis
En ella la glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico. Esta fase es totalmente anaerobia y en ella se distinguen los siguientes pasos:
1. La glucosa se fosforila a glucosa-6-fosfato gracias a la hidrólisis de una molécula de ATP.
2. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato.
3. La fructosa-6-fosfato se fosforila a fructosa-1,6-difosfato gracias a otra molécula de ATP.
4. La fructosa-1,6-difosfato se rompe en dos moléculas: la gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona-fosfato.
5. La gliceraldehído-3-fosfato se fosforila gracias a un grupo fosfórico inorgánico y se oxida formándose ácido 1,3-difosfoglicérico: los hidrógenos perdidos van a parar a la coenzima NAD+, que se reduce. La dihidroxiacetona-fosfato puede isomerizarse a gliceraldehído-3-fosfato, de modo que a partir de este paso los productos de la glucólisis deben multiplicarse por dos.
6. El ácido 1,3-difosfoglicérico se desfosforila, transformándose en ácido 3-fosfoglicérico y formándose una molécula de ATP.
7. Se traspasa el grupo fosfórico del ácido 3-fosfoglicérico al carbono 2, obteniéndose ácido 2-fosfoglicérico.
8. Formación de un doble enlace en el ácido 2-fosfoglicérico, obteniéndose ácido fosfoenolpirúvido (PEP) y una molécula de agua.
9. Desfosforilación del PEP, obteniéndose como producto final ácido pirúvico y una molécula de ATP.
Así, en la glucólisis se obtendrá, a partir de una molécula de glucosa, 2 ATP, 2 NADH + 2 H+ y 2 moléculas de ácido pirúvico.
Aunque la glucosa sea el monosacárido más utilizado por las células para obtener energía, otros glúcidos también desembocarán en la glucólisis. Disacáridos importantes como la sacarosa y la lactosa serán hidrolizados a sus componentes monosacáridos. Los polisacáridos almidón y glucógeno, formas de reserva de glucosa, sufrirán transformaciones muy controladas por las necesidades energéticas.
La sacarosa y la lactosa son disacáridos muy abundantes que forman parte de la alimentación humana. Enzimas específicos que se localizan en las paredes del intestino llevan a cabo la hidrólisis. La glucosa resultante sigue la vía glucolítica en las células o se polimerizará a glucógeno en el hígado. La fructosa y la galactosa serán transformadas para entrar en la glucólisis.
El almidón y el glucógeno constituyen las reservas del combustible glucosa en los vegetales y en los animales, respectivamente. La obtención de glucosa a partir de estos polisacáridos está catalizada por los correspondientes enzimas, las fosforilasas.
§ La respiración: el ciclo de Krebs.
El ácido pirúvico producido en la glucólisis, para poder ser oxidado por respiración debe entrar en el interior de las mitocondrias atravesando la doble membrana. Para ello sufre un proceso de oxidación y descarboxilación en el que intervienen varias enzimas y coenzimas (sistema piruvato-deshidrogenasa), transformándose en acetil-S-CoA.
Esta molécula se puede ya incorporar al ciclo de Krebs, cuyos pasos son los siguientes:
1. Unión del acetil-S-CoA con el ácido oxalacético para formar el ácido cítrico.
2. El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico.
3. El ácido isocítrico se descarboxila y se oxida perdiendo hidrógenos, con lo que se forma el ácido α- cetoglutárico.
4. El ácido α- cetoglutárico se descarboxila y deshidrogena, formándose succinil-CoA y necesitándose para la reacción la ayuda del CoA.
5. El succinil-CoA pierde el CoA y se transforma en ácido succínico, liberándose una energía que es suficiente para fosforilar una molécula de GDP y formar una de GTP.
6. El ácido succínico se oxida a ácido fumárico.
7. El ácido fumárico se hidrata y se transforma en ácido málico.
8. El ácido málico se oxida y se transforma en ácido oxalacético, cerrándose el ciclo.
Para la degradación total de una molécula de glucosa son necesarias dos vueltas del ciclo de Krebs.
§ La respiración: el transporte de electrones en la cadena respiratoria.
El balance energético de la glucólisis y del ciclo de Krebs es bastante reducido en cuanto a moléculas energéticas formadas (2 ATP + 2 GTP), pero en estas dos fases del catabolismo se han reducido varias moléculas de coenzimas como el NAD+ y el FAD que se han convertido en NADH + H+ y FADH2.
El transporte de electrones en la cadena respiratoria tiene como finalidad la oxidación de las coenzimas reducidas y consiste en una cadena de moléculas orgánicas, que se reducen y se oxidan, a medida que se van traspasando unas a otras los protones y los electrones procedentes del NADH y del FADH2.
Esta serie de moléculas que se reducen y se oxidan se llama cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. En ella se distinguen unas moléculas que se ocupan de transportar simultáneamente electrones y protones, como el complejo NADH deshidrogenasa (que contiene flavín mononucleótido o FMN) y el complejo coenzima Q reductasa o ubiquinona, y otras moléculas que sólo transportan electrones, como los citocromos, en los que se distingue el complejo de citocromos b-c1 y el complejo citocromo-oxidasa (o complejo de citocromos a-a3).
En las células eucariotas, las moléculas que integran la cadena respiratoria se encuentran en las crestas de la membrana interna mitocondrial. El transporte de electrones es posible porque cada transportador tiene un potencial de reducción (tendencia a dar electrones) inferior al anterior y superior al siguiente.
Existe una dependencia mutua de sustratos entre el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. Así por ejemplo, el NADH + H+ cede sus protones y electrones al complejo NADH deshidrogenasa, éste los cede a la coenzima Q, ésta cede sólo los electrones al citocromo b, y los electrones van pasando a los citocromos c1, a y a3. Finalmente, en la respiración aerobia, los electrones son cedidos del citocromo a3 al oxígeno molecular, que es el aceptor final de electrones.
Cada transportador de electrones de la cadena se oxida al ceder electrones y el siguiente se reduce al aceptarlos. Como la energía liberada durante la oxidación es mayor que la consumida para la reducción, en cada paso hay un sobrante de energía que se invierte en la síntesis de ATP.
El modelo más aceptado para explicar este proceso es la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. Según esta teoría, la energía liberada se invierte en provocar un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. Esto induce al establecimiento de un gradiente electroquímico, es decir, origina una diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana interna. Cuando los protones en exceso en el espacio intermembranoso vuelven a la matriz mitocondrial, lo hacen atravesando las partículas F o complejos enzimáticos ATP sintetasa, suministrándoles la energía necesaria para la síntesis de ATP. Este proceso se denomina fosforilación oxidativa.
Al final de la cadena respiratoria aeróbica los hidrógenos se unen al oxígeno y forman agua.
§ Rendimiento energético del catabolismo por respiración de la glucosa.
El rendimiento energético total es de 38 moles de ATP por cada molécula de glucosa que es degradada.
2.3.2. El catabolismo de los lípidos.
Las grasas tienen una gran importancia como combustibles orgánicos, dado su alto valor calórico: la degradación de 1 g de grasa puede proporcionar hasta 9,5 kcal.
El principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos lo constituye la oxidación de los ácidos grasos, que proceden de la hidrólisis de los lípidos saponificables, entre los que destacan los triglicéridos y los fosfolípidos. Estas hidrólisis son catalizadas por lipasas específicas, que rompen las uniones tipo éster y liberan los ácidos grasos de la glicerina.
La glicerina obtenida puede transformarse en dihidroxiacetona e integrarse en la segunda fase de la glucólisis, degradándose completamente en el ciclo de Krebs.
§ La oxidación de los ácidos grasos.
Los ácidos grasos obtenidos en el citoplasma deben entrar en la mitocondria, donde sufren el proceso denominado β-oxidación.
En cada vuelta de este ciclo se pierden dos carbonos, con lo que la molécula de ácido graso se hace más pequeña. La molécula de acil-CoA de dos carbonos menos puede iniciar otro ciclo de β-oxidación y originar otro acetil-CoA y un acil-CoA de dos carbonos menos y así sucesivamente hasta que se obtenga un acil-CoA de sólo dos carbonos, es decir, un acetil-CoA. Las moléculas de acetil-CoA formadas en los ciclos de β-oxidación pueden seguir la ruta catabólica del ciclo de Krebs y degradarse totalmente por respiración según se ha explicado con anterioridad.
§ Rendimiento energético del catabolismo de los ácidos grasos.
A modo de ejemplo se puede escoger el ácido palmítico, de 16 carbonos, por lo que para que se oxide completamente serán necesarias siete vueltas del ciclo de β-oxidación, produciéndose en total ocho moléculas de acetil-CoA. Como cada una de las moléculas de acetil-CoA puede ingresar en el ciclo de Krebs, con el rendimiento energético que esto conlleva, y que los FADH2 y los NADH pueden penetrar en la cadena respiratoria, se obtienen 131 ATP. Restando la molécula de ATP que se necesita para activar al ácido graso y para que pueda penetrar en la mitocondria, resulta que un mol de ácido palmítico puede proporcionar 130 moles de ATP, lo cual expresado en calor suponen 910 kcal.
2.3.3. El catabolismo de las proteínas.
Las proteínas tienen fundamentalmente misiones diferentes de las energéticas. Sin embargo, en casos de necesidad, los aminoácidos son oxidados y los derivados de estas oxidaciones pueden entrar en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria.
Hay tres mecanismos de oxidación de los aminoácidos:
1. La transaminación, que es el traspaso del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido que lo acepta y se transforma en otro aminoácido, de manera que un aminoácido se degrada para permitir que otro se sintetice. Estas reacciones son catalizadas por transaminasas.
2. La desaminación oxidativa, que es la liberación directa de los grupos amino de los aminoácidos en forma de NH4+, formándose α-cetoácidos. Son reacciones catalizadas por enzimas del grupo de las deshidrogenasas, y en estas reacciones se producen coenzimas reducidas (NADH) que pueden entrar en la cadena respiratoria.
3. La descarboxilación es la pérdida del grupo carboxilo en forma de CO2 gracias al consumo del CoA. Previamente el aminoácido debe haber perdido el grupo amino. El producto puede incorporarse al ciclo de Krebs.
2.3.4. El catabolismo de los ácidos nucleicos.
Las moléculas de ácidos nucleicos son degradadas en sus unidades mononucleótidas en el tubo digestivo gracias a las nucleasas, segregadas por la mucosa duodenal. Luego otras enzimas rompen los nucleótidos en moléculas de pentosa, bases nitrogenadas y ácido fosfórico. Las pentosas siguen en su degradación la vía de los glúcidos; el ácido fosfórico en parte se excreta como ion fosfato y en parte se utiliza para la síntesis de ATP y de nuevos nucleótidos. Las bases nitrogenadas se utilizan para nuevas biosíntesis o experimentan un proceso degradativo hasta ácido úrico, urea o amoniaco, que son excretadas.
El catabolismo de las bases púricas conduce a la formación de ácido úrico. En algunos animales como los reptiles y las aves este ácido es excretado directamente en forma de cristales, pero en otros es transformado en diferentes sustancias como alantoína, ácido alantoico, amoniaco o urea. Las bases pirimidínicas son catabolizadas mediante un proceso diferente pero que en definitiva lleva a la formación de urea o amoniaco, que son excretados.
2.4. El catabolismo por fermentación.
En este proceso no interviene la cadena respiratoria. Además, el aceptor final de protones y de electrones no es una molécula inorgánica sino que es un compuesto orgánico, por lo que la fermentación siempre da entre sus productos finales algún compuesto orgánico. En la fermentación, al no intervenir la cadena respiratoria, no se puede utilizar el oxígeno del aire como aceptor de electrones y, por lo tanto, es siempre un proceso anaeróbico.
Las fermentaciones son propias de los microorganismos, aunque algunos, como la fermentación láctica, puede realizarse en el tejido muscular de los animales cuando no llega suficiente oxígeno a las células.
§ La fermentación alcohólica.
Es la transformación de ácido pirúvico en etanol y en dióxido de carbono. Se produce cuando algunos hongos unicelulares que están catabolizando mediante respiración un líquido rico en azúcares, agotan el oxígeno disponible y continúan el catabolismo mediante fermentación. En una primera etapa se realiza la glucólisis y se transforma la glucosa en ácido pirúvico, y en la etapa siguiente se realiza la fermentación alcohólica, transformándose el ácido pirúvico en etanol y dióxido de carbono.
La fermentación alcohólica se realiza gracias a enzimas contenidas en levaduras del género Saccharomyces.
§ La fermentación láctica.
Se forma ácido láctico a partir de la degradación de la glucosa. Generalmente se da cuando determinados microorganismos inician la fermentación de la lactosa de la leche, lo que produce el agriamiento de ésta y la coagulación de la proteína caseína. También se produce en las células musculares de los animales cuando no hay suficiente oxígeno para efectuar un sobreesfuerzo físico y el ácido pirúvico procedente de la glucólisis no puede oxidarse de manera aerobia y se transforma en ácido láctico
Primero se realiza la glucólisis, en la que se obtienen 2 ATP y se producen dos (NADH + H+), y luego la fermentación láctica para regenerar coenzimas oxidadas (NAD+) y evitar que el proceso se detenga por su falta.
Los microorganismos que realizan esta fermentación son las bacterias Lactobacillus casei, L. bulgaricus, Streptococcus lactis y Leuconostoc citrovorum.
§ La fermentación butírica.
Es la descomposición de sustancias glucídicas de origen vegetal, como el almidón y la celulosa, en productos como el ácido butírico, el hidrógeno, el dióxido de carbono y otras sustancias malolientes. Contribuye a la descomposición de los restos vegetales en el suelo y la realizan bacterias como Bacillus amilobacter y Clostridium butiricum.
§ La fermentación pútrida.
También conocida como putrefacción. Los sustratos que se degradan son de naturaleza proteica o aminoacídica. Los productos obtenidos en esta fermentación son orgánicos y malolientes como el indol, la cadaverina y el escatol, a los que deben el olor los cadáveres animales y restos vegetales.