El Metabolismo Celular

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 con el fin de obtener materia y energía para llevar a cabo las tres funciones vitales. La materia se usa para crecer, desarrollarse o renovar estructuras. La energía se almacena en los enlaces químicos de las sustancias de reserva energética o se transforma en otras formas de energía, por ejemplo, en energía mecánica para moverse, calorífica para mantener la temperatura. Las diferentes reacciones químicas del metabolismo se llaman vías metabólicas. Las sustancias finales de la vía son los productos, y las pequeñas vías metabólicas que enlazan entre sí a las grandes vías se llama metabolismo intermediario. Según el tipo de reacción que llevan a cabo, se distinguen dos tipos de vías:

• Catabolismo: Es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas. En el proceso se libera energía que se almacena en forma de ATP. Son reacciones de degradación y oxidación que desprenden energía. A partir de muchos sustratos distintos se obtienen casi los mismos productos.
• Anabolismo: Es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más simples, por lo que precisan energía proporcionada por el ATP. Son reacciones de síntesis y de reducción. A partir de unos pocos sustratos se forman muchos productos diferentes.

Adenosín Trifosfato (ATP)

El ATP es un nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética, almacena y cede energía, gracias a sus dos enlaces de desfosforilación, produciéndose la formación de ADP. La síntesis de ATP se puede realizar de dos formas distintas:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Gracias a la energía liberada de una biomolécula, al romperse alguno de sus enlaces rico en energía, por ejemplo, glucólisis y ciclo de Krebs.
• Reacciones enzimáticas con ATP-sintetasas: En las crestas mitocondriales y tilacoidales de cloroplastos, estas enzimas sintetizan ATP cuando su interior es atravesado por un flujo de protones.

El ATP se considera la moneda energética de la célula, pues almacena energía de uso inmediato. En todas las reacciones metabólicas de biosíntesis de biomoléculas (anabólicas), se usa energía en forma de ATP que aporta 0,014 kcal/g. Si la energía no se necesita inmediatamente, la célula usa otras biomoléculas capaces de almacenar mucha más energía por gramo, como el almidón y el glucógeno (4kcal/g) o triglicéridos (9kcal/g).

Tipos de Metabolismos

Todos los seres necesitan incorporar a sus células muchos tipos de átomos, por ejemplo, de carbono. Según la fuente de carbono, distinguimos dos tipos de metabolismo:

• Autótrofo: Si la fuente de carbono es el CO₂ atmosférico.
• Heterótrofo: Si la fuente es la materia orgánica.

Con respecto a las distintas fuentes de energía en las reacciones metabólicas, encontramos dos procesos distintos:

• Fotosíntesis: Si la fuente de energía es la luz.
• Quimiosíntesis: Si se trata de energía desprendida en reacciones químicas.

El Catabolismo

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo en la que se obtiene energía. En las vías catabólicas, las moléculas orgánicas iniciales se han transformado sucesivamente en otras más simples hasta convertirse en los productos finales del catabolismo, muchos de ellos, de excreción. La energía liberada se almacena en los enlaces de ATP y se usa en las distintas actividades celulares o anabolismo. Las reacciones catabólicas son reacciones de transferencia de electrones, es decir, reacciones de oxidación-reducción. Si una sustancia se oxida, pierde electrones y, por tanto, energía; si una sustancia se reduce, gana electrones y, por tanto, energía. En el catabolismo, la energía se libera gradualmente y en forma de energía química, es decir, en forma de ATP. La producción gradual de energía química es posible gracias a:

• En el catabolismo, las reacciones ocurren una después de otra y cada una es catalizada por una enzima distinta.
• Los electrones de la glucosa no pasan directamente a los átomos de oxígeno, sino que, en las primeras etapas, viajan junto a protones sustituyendo átomos de H que pasan a una coenzima, la NAD⁺, que actúa como transportador de H. Esta reacción en la que la glucosa pierde H está catalizada por una enzima deshidrogenasa que elimina de la glucosa dos átomos de hidrógeno y cede dos electrones al NAD⁺ que se reduce a NADH dejando un protón libre en el medio (NADH+H⁺).
• La NADH no pasa directamente sus electrones al oxígeno, sino a una cadena transportadora de electrones formada básicamente por unas proteínas, los citocromos, englobados ordenadamente en las crestas mitocondriales. Los electrones pasan de un citocromo al siguiente hasta que llegan a átomos de O₂ a los que se unen protones libres y se forma agua. La energía que se libera se usa para fosforilar el ADP y formar moléculas de ATP, gracias a la enzima ATP-sintetasa.

Tipos de Catabolismo

• Respiración: Interviene la cadena de transporte electrónico. Según el agente oxidante se distingue:
  • Respiración aeróbica (si el agente oxidante es O₂).
  • Respiración anaeróbica (si el agente oxidante es, por ejemplo, el nitrato).
• Fermentación: No interviene la cadena de transporte de electrones, para ello el aceptor final siempre es un compuesto orgánico.

Catabolismo por Respiración

Las reacciones catabólicas por respiración son distintas según la naturaleza de los sustratos. La respiración de glúcidos y lípidos es la principal fuente de energía de los organismos. La respiración de proteínas y ácidos nucleicos realizan otras funciones y raramente se usan como combustible.

Catabolismo Respiratorio de Glúcidos

El aparato digestivo de animales hidroliza los polisacáridos, primero a disacáridos y luego a monosacáridos como la glucosa y fructosa. Las reservas de glucógeno de animales y de almidón en vegetales también son hidrolizadas a glucosa. Por tanto, la glucosa es el monosacárido más abundante, por lo que su proceso degradativo nos servirá de ejemplo de catabolismo respiratorio de glúcidos. En la degradación total de la glucosa se distinguen dos procesos:

1. Glucólisis

   Se da en el citoplasma y se define como el proceso en el que se extrae una parte de la energía que contiene la glucosa. En la glucólisis, la glucosa (C₆H₁₂O₆) se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico (CH₃-CO-COOH) y la energía liberada se usa para transformar dos ATP. Se da por fosforilación a nivel de sustrato. La glucólisis se da en 9 etapas, en cada una se transforman intermediarios fosforilados, desde la glucosa hasta el ácido pirúvico. Se distinguen dos fases según se produzca o consuma energía:

   • 1ª fase o de consumo de energía: por cada glucosa se consumen 2 ATP y se forman “gliceraldehído-3-fosfato”.
   • 2ª fase o de producción de energía: por cada gliceraldehído-3-fosfato se forman 2 ATP y se genera un ácido pirúvico, por tanto, cada glucosa se forman 4 ATP y dos ácidos pirúvicos.

   En la primera fase se gastan dos ATP y en la 2ª fase se forman 4 ATP, luego el balance global de la glucólisis es de 2 ATP. La reacción del balance final es:

2. Respiración

   Consta de dos fases: el ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria.

   Ciclo de Krebs

   Se produce en la matriz mitocondrial, consta de varias reacciones catalizadas por distintas enzimas y en él se realiza la oxidación total del ácido pirúvico, oxidándose completamente hasta dióxido de carbono y agua, extrayendo así toda la energía que contiene una molécula de glucosa. Siempre se da en presencia de oxígeno.

   El ácido pirúvico pierde un átomo de C y así, con ayuda de la coenzima A, puede entrar en el ciclo de Krebs y formar un NADH⁺ + H⁺ portador de energía.

   Ácido pirúvico + CoA + NAD⁺ —> acetil CoA + + NADH⁺ + H⁺

   Los acetil CoA entran en el ácido convirtiéndose con el ácido oxalacético y formando ácido cítrico. Tras recorrer todo el ciclo, a partir de una molécula de acetil CoA solo se obtiene un GTP (puede convertirse en ATP), en lo que se refiere a energía química disponible, 3 NADH y un FADH₂, moléculas que rendirán mucha energía en la cadena de transporte electrónico.

   Reacción global:

   1 ácido pirúvico + 2 H₂O + 4NAD⁺ + FAD + GDP + Pi –> 3CO₂ + 4NADH + 4H⁺ + FADH₂ + GTP

   Por cada molécula de glucosa hay que dar dos vueltas al ciclo de Krebs ya que hay 2 moléculas de ácido pirúvico y, por tanto, 2 acetil CoA.

   Cadena de Transporte Electrónico (c.t.e)

   Las moléculas de GTP, NADH y FADH₂ obtenidos en el ciclo de Krebs pasan por una c.t.e situada en la membrana mitocondrial interna (en células procariotas en la membrana plasmática) y hacen posible la formación de ATP. La cadena está formada por las siguientes sustancias: FMN y CoQ que transportan protones y diversos citosomas que solo transportan electrones.

   Los electrones del NADH y FADH₂ van descendiendo por la cadena hasta el nivel del oxígeno y en el recorrido van liberando energía poco a poco, que es usada para formar ATP en la fosforilación oxidativa.

   La explicación de este proceso se debe a la teoría quimiosmótica de Mitchell. Todo depende de un gradiente de protones que hay entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembranoso. Conforme se pasan electrones por la cadena de un portador a otro, se produce el bombeo de protones desde la matriz al espacio en varios puntos de la cadena. Esto produce una diferencia de concentración de protones, de pH y de potencial eléctrico entre ambos medios. Como en la membrana interna hay partículas proteicas llamadas Fo y Fi con actividad ATPasa, al volver los protones desde el espacio hacia la matriz hace posible la formación de ATP. Cada NADH produce 3 ATP y cada FADH₂ 2 ATP.

   Balance Energético de la Respiración

   • Glucólisis: por una glucosa –> 2 ácido pirúvico, 2 NADH y 2 ATP.
   • Ciclo de Krebs: 1 GTP, 4 NADH y 1 FADH₂, como hay 2 ácido pirúvico –> 2 GTP, 8 NADH, 2 NADH₂.
   • c.t.e

Etiquetas: Anabolismo, ATP, catabolismo, glucólisis, metabolismo