Generalidades de Metabolismo

TEMA 3 – GENERALIDADES DEL METABOLISMO • Para realizar sus funciones, las células necesitan energía. La energía es necesaria para muchos procesos como trabajo mecánico (movimiento), síntesis de biomoléculas, transporte activo de moléculas, etc. • El organismo genera y utiliza la energía por medio de reacciones químicas. • Una vía metabólica es una serie de reacciones químicas en cadena que transforman uno o más sustratos en productos. Cada reacción está catalizada por una enzima. • Cada reacción tiene uno o más sustratos y uno o más productos. El o los productos de una reacción se convierten en sustratos de la siguiente reacción de la vía. El sustrato de la primera reacción es el sustrato de toda la vía y el producto de la última reacción es el producto de toda la vía. El resto de compuestos que participan en la vía se llaman intermediarios:

A

Enzima 1

Sustrato de la vía

B

Enzima 2

C

Enzima 3

Intermediarios

D

Enzima 4

E

Enzima 5

F Producto de la vía

• La regulación de las vías metabólicas es muy importante debido a que su actividad determina que la célula tenga energía o las sustancias necesarias para su funcionamiento. • Para que una vía metabólica esté activa en una célula determinada primeramente debe expresar las enzimas requeridas para esa vía. • En segundo lugar, todas las vías metabólicas tienen reacciones irreversibles catalizadas por enzimas reguladas. Estas reacciones son los puntos donde se regula la actividad de la vía metabólica dependiendo de los factores externos que regulan la actividad de las enzimas reguladas.

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A

Enzima 1 no regulada

B

Enzima 2 no regulada

C

Enzima 3 regulada inactiva

D

Enzima 4 no regulada

E

Enzima 5 no regulada

F

Factor activador

A

Enzima 1 no regulada

B

Enzima 2 no regulada

C

Enzima 3 regulada activa

D

Enzima 4 no regulada

E

Enzima 5 no regulada

F

• Un mecanismo importante para regular las vías metabólicas es la retroalimentación negativa, en la que el producto de la reacción irreversible o un producto posterior a esta inhibe a la enzima regulada responsable de la reacción:

Inhibidor de enzima 3

A

Enzima 1 no regulada

B

Enzima 2 no regulada

C

Enzima 3 regulada activa

D

Enzima 4 no regulada

Inhibidor de enzima 3

E

Enzima 5 no regulada

F

Retroalimentación negativa

• En el organismo existen muchas vías metabólicas que deben funcionar en conjunto. El sustrato de una vía debe ser una molécula que ingrese al organismo por la alimentación o el producto de otra vía. El producto de una vía debe ingresar a otra vía o ser eliminado del organismo. Así, todas las vías metabólicas están conectadas y su actividad depende de las necesidades del organismo. El conjunto de todas las vías metabólicas funcionando armónicamente es el metabolismo.

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Catabolismo y anabolismo • Existen dos tipos de metabolismo de acuerdo a si las reacciones generan o usan energía:

Catabolismo • El catabolismo comprende las vías metabólicas que generan energía a partir de la degradación de moléculas que ingerimos en la alimentación o almacenamos. Los sustratos de estas vías son moléculas grandes y complejas y los productos son moléculas más pequeñas y simples. Anabolismo • El anabolismo comprende las vías metabólicas que usan energía para la síntesis de moléculas que se requieren para los procesos fisiológicos. Los sustratos de estas vías son moléculas pequeñas y simples y los productos son moléculas más grandes y complejas.

CATABOLISMO

ANABOLISMO

Sustratos grandes, complejos

Sustratos pequeños, simples

Energía

Energía

Productos pequeños, simples

Productos grandes, complejos

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Reacciones de oxidación y reducción • En el metabolismo, la generación o utilización de energía está ligada reacciones de oxidación y reducción también llamadas redox. Estas reacciones son catalizadas por un tipo de enzimas llamadas óxido-reductasas o deshidrogenasas. • La oxidación se refiere a la salida de un electrón o equivalente reductor de una molécula. • La reducción se refiere a la ganancia de un electrón o equivalente reductor por una molécula. • Los electrones nunca pueden estar libres, por lo que para que una molécula pierda un electrón otra molécula debe estar disponible para aceptarlo. Por lo tanto, una reacción de oxidación siempre está acoplada a una reacción de reducción. Es decir, para que una molécula que está reducida pierda un electrón y se oxide siempre debe existir una molécula oxidada capaz de aceptar el electrón que se reduzca.

Molécula 1 e-

Molécula 1

reducida

oxidada Óxido-reductasa

Molécula 2 e-

Molécula 2

reducida

oxidada

• En las reacciones del metabolismo las moléculas que son capaces de donar o aceptar electrones para que se oxiden o reduzcan los sustratos son coenzimas. Estas coenzimas aceptan o donan electrones que forman parte del átomo de hidrógeno, por lo que su forma reducida tendrá más átomos de hidrógeno. • Estas coenzimas pueden participar en muchas reacciones catalizadas por diferentes óxido-reductasas, por lo que su función es transportar electrones de una reacción a otra, incluso en distintas vías metabólicas.

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• Las principales coenzimas que aceptan y donan electrones en las vías metabólicas son nucleótidos derivados de las vitaminas B2 (riboflavina) y B3 (niacina). Cada una tiene un estado oxidado y un estado reducido:

Nombre de la coenzima

Abreviación

Estado oxidado

Estado reducido

Precursor

Dinucleótido de nicotinamida

NAD

NAD+

NADH

Vitamina B3 (niacina)

Dinucleótido de nicotinamida fosforilado

NADP

NADP+

NADPH

Vitamina B3 (niacina)

Dinucleótido de flavina adenina

FAD

FADH

FADH2

Vitamina B2 (riboflavina)

• En el catabolismo los sustratos inician con un grado alto de reducción y deben oxidados, es decir perder electrones. Por lo tanto, las reacciones necesitan que coenzimas ingresen oxidadas para que acepten electrones y salgan reducidas. • En el anabolismo las moléculas inician con un grado alto de oxidación y deben reducidas, es decir ganar electrones. Por lo tanto, las reacciones necesitan que

ser las ser las

coenzimas ingresen reducidas para que donen electrones y salgan oxidadas.

CATABOLISMO

ANABOLISMO

Sustratos reducidos

Sustratos oxidados

Coenzimas reducidas (NADH, NADPH, FADH2)

Coenzimas oxidadas (NAD+, NADP+, FADH)

Coenzimas reducidas (NADH, NADPH, FADH2)

Productos oxidados

Coenzimas oxidadas (NAD+, NADP+, FADH)

Productos reducidos

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Adenosín trifosfato (ATP) • Las reacciones del catabolismo son exergónicas, es decir que liberan energía, mientras que las reacciones del anabolismo son endergónicas, es decir que consumen energía. • El adenosín trifosfato (ATP) es una molécula capaz de almacenar la energía que se produce en el catabolismo en un enlace químico de alta energía. En el anabolismo, el ATP es capaz de entregar la energía necesaria por medio de la rotura de ese enlace químico. • El ATP es un nucleótido (base nitrogenada + azúcar + fosfato) de la base adenina con 3 grupos fosfato esterificados al azúcar ribosa. Los 2 grupos fosfato terminales se unen por enlaces de alta energía. En el tercer enlace se almacena la energía liberada en el catabolismo.

Fosfatos Adenina

Ribosa Enlaces de alta energía

• El ATP proviene de la fosforilación del adenosín difosfato (ADP). • Las reacciones del catabolismo están acopladas a la síntesis de ATP, es decir a la fosforilación del ADP. • Las reacciones del anabolismo están acopladas a la degradación de ATP, es decir a la rotura por hidrólisis del enlace químico que une uno de los grupos fosfato al ATP, produciendo ADP.

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ADP

ATP Las reacciones catabólicas liberan energía: Se sintetiza el ATP

Las reacciones anabólicas utilizan energía: Se hidroliza el ATP

CATABOLISMO

ANABOLISMO

Sustratos grandes, complejos, reducidos

Sustratos pequeños, simples, oxidados

ADP

ATP

ATP

ADP

Productos pequeños, simples, oxidados

Productos grandes, complejos, reducidos

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• La siguiente tabla resume las principales características del catabolismo y el anabolismo: Característica

Catabolismo

Anabolismo

Tamaño de sustratos

Grande

Pequeño

Complejidad de sustratos

Alta

Baja

Estado redox de sustratos

Reducidos

Oxidados

Energía de las reacciones

Se libera (reacciones exergónicas)

Se utiliza (reacciones endergónicas)

ATP

Se sintetiza

Se consume

Reacción redox que se produce

Oxidación (salida de electrones)

Reducción (ingreso de electrones)

Estado de coenzimas al entrar en la vía

Oxidadas (para aceptar electrones)

Reducidas (para donar electrones)

Tamaño de productos

Pequeño

Grande

Complejidad de productos

Baja

Alta

Estado redox de productos

Oxidados

Reducidos

Bibliografía Stryer, L., Berg, J., Tymoczko J. (2013) Bioquímica con aplicaciones clínicas. Barcelona, España: Editorial Reverté. Lieberman, L., Marks, A., Peet A. (2013) Marks’ Basic Medical Biochemistry. Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins.

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