Metabolismo

Introducción

La materia que toman los organismos debe ser transformada en nutrientes que serán utilizados para fabricar materia propia con gasto de energía o para obtener energía con gasto de materia.

Concepto

Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en la célula.

Fases

• Catabolismo: degradación de materia con obtención de energía.
• Anabolismo: síntesis de materia con gasto de energía.

Características de las reacciones metabólicas

• La mayoría de las reacciones están encadenadas en rutas o vías metabólicas en las que se forman nuevas sustancias.
• Estas reacciones suponen un intercambio de energía con el medio.
• Se dan en medio acuoso y el agua a veces interviene en las reacciones.
• La producción de energía en una reacción exergónica está acoplada a su gasto en una reacción endergónica. La energía libre, G, es la energía contenida en las sustancias que intervienen en una reacción.

En las reacciones exergónicas los productos finales tienen menos energía libre que los reactivos o sustratos → ΔG es negativo G<0 (dibujo para abajo). En las reacciones endergónicas los productos finales tienen más energía libre que los reactivos o sustratos → ΔG es positivo G>0 (dibujo para arriba).

Reacciones

• Exergónicas: ATP + H₂O (libera energía) → ADP + Pi
• Endergónicas: glutamato + NH₄⁺ (requiere energía) → glutamina + ADP + Pi
• Acoplada: glutamato + NH₄⁺ + ATP → glutamina + ADP + Pi

Las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas. Las transferencias de energía se hacen de dos maneras:

• Transferencia de electrones en reacciones de óxido-reducción.
• Transferencia de grupos fosfato: ATP + H₂O → ADP + Pi + energía

Clasificación de los organismos en función del metabolismo

Según la fuente de carbono

• Autótrofos: toman el C del CO₂.
• Heterótrofos: lo toman de biomoléculas orgánicas.

Según la fuente de energía

• De la luz: fototrofos.
• De reacciones químicas: quimiotrofos.

• Fotoautótrofos o fotosintéticos (plantas, algas y algunas bacterias – púrpureas y verdes del azufre y cianobacterias-). Toman el carbono del CO₂ y la energía de la luz.
• Quimioautótrofos o quimiosintéticos (algunas bacterias – oxidantes del azufre, nitrificantes y del hierro-). Toman el carbono del CO₂ y la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos sencillos del medio.
• Fotoheterótrofos (bacterias purpúreas y verdes no del azufre). Toman el carbono de moléculas orgánicas y la energía de la luz.
• Quimioheterótrofos (animales, hongos, muchos protoctistas y la mayoría de las bacterias no fotosintéticas – muchas patógenas-). Toman el carbono y la energía de moléculas orgánicas.

Las Enzimas

Concepto y generalidades

Proteínas globulares que actúan como catalizadores, aumentando la velocidad de las reacciones. Una reacción del tipo A → B, se producirá, si no se suministra al reactivo A una determinada energía denominada energía de activación. Las enzimas reducen la energía de activación y hacen más fácil el tránsito de A a B.

Nomenclatura y clasificación

• Nombre histórico (pepsina).
• Sustrato + sufijo -asa (lactasa).
• En función de la reacción (hidrolasas).
• Nomenclatura actual: sustrato + acción química + coenzima que intervenga: gliceraldehído-3-fosfato-NAD oxidorreductasa). (Liasas: enzimas que catalizan la escisión de enlaces C-C, C-O o C-N por eliminación, formando un doble enlace).

Clasificación de las enzimas según el tipo de reacción que catalizan

1. Oxidorreductasas: reacciones de oxidación-reducción.
2. Transferasas: transferencia de grupos funcionales.
3. Hidrolasas: reacciones de hidrólisis.
4. Liasas: roturas no hidrolíticas de enlaces.
5. Isomerasas: reacciones de isomerización.
6. Ligasas: formación de enlaces acoplados al consumo de ATP.

Estructura

• Proteínas simples
• Proteínas conjugadas: Holoenzima (funcional) enzima conjugada en su totalidad = Apoenzima (no funcional) parte proteica de la enzima + Cofactor un ion metálico que se tiene que unir a la coenzima y le da especificidad de unión al sustrato.

Centro activo: (parte de la enzima donde va a reconocer al sustrato para formar un producto) guarda complementariedad y relación estérica con el sustrato, al que se une con enlaces débiles según el modelo de llave-cerradura, desplazado en la actualidad por el modelo de ajuste inducido de Koshland. Su función es transformarlo químicamente para dar el producto, es decir, no existe la cerradura previa a la llave, sino que el sustrato induce la forma del centro activo para que lo pueda identificar.

Propiedades de las enzimas

1. Son de naturaleza proteica (excepto los ribozimas).
2. Son altamente específicas (tanto de sustrato como de reacción).
3. Actúan con una alta efectividad (una sola molécula de enzima puede transformar entre 1000 y 10000 moléculas de sustrato).
4. Se localizan en orgánulos específicos en los que existe el ambiente químico adecuado → esto favorece la acción encadenada.
5. No se consumen en las reacciones metabólicas.

Cinética enzimática

El registro de la actividad enzimática se representa según la gráfica de Michaelis-Menten. En ella podemos ver que a medida que aumenta la concentración de sustrato el equilibrio de la expresión E + S ↔ E-S → E + P se desplaza a la derecha. La velocidad máxima se alcanza cuando todo el enzima está unida al sustrato formando el complejo E-S.

La constante de Michaelis-Menten o Km (medida de afinidad de la enzima por el sustrato, una Km baja indica gran afinidad, y Km alta, poca afinidad) es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la máxima, lo que quiere decir que la mitad de las moléculas de enzima están unidas a moléculas de sustrato.

Factores que afectan a la velocidad enzimática

• La concentración de sustrato (ecuación de Michaelis-Menten).
• La temperatura (al aumentar su temperatura aumenta su velocidad, pero la estabilidad térmica de las proteínas es limitada, puesto que si se sobrepasa la velocidad disminuye) [temperatura óptima (35-40 °C) y temperatura de desnaturalización (por encima de los 40 °C)].
• El valor de pH: el enzima trabaja en un rango de pH, generalmente entre 5 y 8 – aunque hay excepciones-, con un valor óptimo. Su actividad se anula a valores de pH que ocasionan la desnaturalización de la proteína o a valores en los que los aminoácidos del centro activo se modifican.
• Inhibidores de la actividad enzimática
  • Concepto de inhibidor: sustancia que disminuye, e incluso puede anular, la velocidad de una reacción catalizada por un enzima.
  • Tipos
    • Irreversibles: se unen covalentemente al enzima.
    • Reversibles: la unión al enzima no es covalente.
      • Competitivos: compiten con el sustrato por el centro activo. Disminuyen la velocidad de reacción pero su efecto revierte aumentando la concentración de S.
      • No competitivos: no compiten por el centro activo. Disminuyen la velocidad de reacción pero su efecto no revierte aumentando la concentración de S.

Inhibidor competitivo (guarda parecido con el sustrato). Inhibidor no competitivo (no guarda parecido con el sustrato).

Enzimas reguladoras

Son las que tienen capacidad de aumentar o disminuir su actividad catalítica en respuesta a sustancias moduladoras. La inhibición por producto final en una ruta metabólica se da cuando el producto inhibe la reacción mediante un mecanismo de feed-back o retroalimentación negativa. Las enzimas alostéricas son proteínas generalmente con estructura cuaternaria que, además del centro catalítico, presentan uno o más sitios reguladores llamados sitios alostéricos por los que se une a las moléculas moduladoras. Estas enzimas tienen dos conformaciones, una activa, R, que tiene más afinidad por el sustrato y otra, T, con baja o nula afinidad por el sustrato. Las dos formas se encuentran en equilibrio. Los moduladores pueden ser positivos, que son sustancias activadoras porque que tienden a estabilizar la forma R o negativos, que son sustancias que favorecen la forma T y por tanto son inhibidoras de la actividad. Si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo del enzima se llaman inhibidores alostéricos. Cuando el activador es el sustrato se habla de cooperación.

El ATP

En todas las reacciones es necesario un mecanismo de almacenamiento de energía. En los seres vivos este mecanismo consiste en la formación de moléculas de ATP a partir de ADP + Pi, con 7,3 kcal/mol.

ADP + H₃PO₄ + 7,3 kcal/mol → ATP + H₂O (endergónica)

ATP + H₂O → ADP + H₃PO₄ + 7,3 kcal/mol (exergónica)

Acoplamiento con el metabolismo

Esta alta capacidad de ceder y captar energía se debe a la repulsión entre las cargas negativas de los grupos fosfato (P), (g, b y a).

ATP + H₂O → ADP + H₃PO₄ + 7,3 kcal/mol

ADP + H₂O → AMP + H₃PO₄ + 7,3 kcal/mol

En algunos procesos metabólicos otros nucleótidos trifosfatos pueden hacer el papel del ATP:

• UTP en la síntesis de glúcidos.
• CTP en la síntesis de lípidos.
• GTP en la síntesis de proteínas.

Coenzimas de oxidación-reducción

La mayoría de las enzimas que catalizan reacciones de óxido-reducción utilizan el NAD⁺ como coenzima con la siguiente reacción:

NAD⁺ + 2 H⁺ + 2 e^– → NADH + H⁺

NAD⁺ + 1 e^– → NAD

NAD + H⁺ + 1 e^– → NADH + H⁺ + H⁺

NAD⁺ Forma oxidada y NADH + H⁺ Forma reducida. Ambas formas solo son intermediarios; cuando transportan electrones y protones es desde un sustrato que los cede (y se oxida) a otro que los acepta (y se reduce).

También intervienen en el metabolismo los pares NADP/NAPDH, FAD/FADH₂ y FMN/FMNH₂.

Vitaminas

Son moléculas esenciales (no podemos sintetizarlas).

• Intervienen en procesos celulares específicos.
• Hacen falta en pequeña cantidad.
• La carencia determina avitaminosis y el exceso hipervitaminosis, que suponen trastornos metabólicos.
• Las vitaminas hidrosolubles forman parte de los coenzimas.
• Las vitaminas liposolubles tienen otras funciones.

Principales vitaminas y su función

• Liposolubles
  • A, retinol o antixeroftálmica: visión, crecimiento, regeneración de piel y mucosa e interviene en la forma de algunas hormonas.
  • D, antirraquítica o calciferol: asimilación de calcio y fósforo.
  • E o tocoferol: buen estado de células.
  • K o antihemorrágica.
• Solubles
  • B1 o tiamina: metabolismo de los glúcidos.
  • Otras vitaminas: B2 o riboflavina, B3 o PP o ácido nicotínico, B5 o ácido pantoténico, B6 o piridoxina, B8 o biotina, C o ácido fólico, o cobalamina, o ácido ascórbico.