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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.

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.

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

La reacción acoplada

A + ATP B + ADP + Pi ΔG = - 3,3 Kcal/mol

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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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.

NAD+ 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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FAD 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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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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