METABOLISMO

Catabolismo y anabolismo

• Una propiedad de los sistemas biológicos

es que crean y mantienen el orden, en un

universo que siempre tiende a aumentar el

desorden.

A. Cápside de un virus

B. Microtúbulo

C. Grano de polen

D. Ala de mariposa

E. Semillas en un girasol

• Para lograr esto, realizan series de reacciones

químicas catalizadas por enzimas.

• Así se forman las rutas metabólicas: series de

reacciones catalizadas por enzimas.

Enzima: catalizador biológico

• Metabolismo: es la suma de las

transformaciones químicas que

ocurren en una célula o en un

organismo.

• Las rutas metabólicas están

interconectadas, formando un

laberinto que permite a la célula

sobrevivir, crecer y

reproducirse.

• El término metabolismo

intermediario se aplica a las

actividades combinadas de

todas las vías metabólicas. Son

reacciones enzimáticas que

extraen energía química de las

moléculas de nutrientes y la usan

para sintetizar y ensamblar

componentes celulares.

• Cada uno de los pasos consecutivos en una vía

brinda un cambio químico específico,

normalmente la remoción, transferencia o

adición de un átomo específico, grupo funcional

o molécula.

• En esta secuencia de pasos, un precursor se

convierte en producto a través de series de

intermediarios metabólicos o metabolitos.

• Así, el producto de una reacción es el precursor

de la siguiente.

• Catabolismo: es la fase degradadora del metabolismo, en la que las moléculas orgánicas (carbohidratos, grasas y proteínas) son convertidas a productos más simples y pequeños (ácido láctico, CO2, NH3). Las vías catabólicas producen energía libre que se conserva en la formación de ATP y acarreadores de poder reductor.

• Anabolismo: (biosíntesis) a partir de precursores simples y pequeños se construyen moléculas complejas incluyendo lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Las reacciones anabólicas requieren energía, generalmente la energía libre producida por la hidrólisis del ATP y el poder reductor del NADH y NADPH.

• Las vías metabólicas pueden ser lineales, cíclicas o ramificadas

(convergentes o divergentes).

• Convergentes: convierten varios materiales iniciales en un solo producto.

• Divergentes: dan como resultado varios productos finales a partir de un

solo precursor.

• En términos generales, las vías catabólicas son convergentes y las

anabólicas divergentes.

• Algunas vías son cíclicas, en ellas un componente inicial de la vía es

regenerado para reentrar en ella.

• Las rutas metabólicas se regulan en tres niveles:

– Alostérico. A través de la acción de moduladores estimulantes o inhibitorios que actúan sobre las enzimas cambiando su actividad catalítica en respuesta a ellos. Su efecto es inmediato.

– Hormonal. Las hormonas son mensajeros químicos liberados por un tejido que estimulan o inhiben algún proceso en otro tejido. Sirven para coordinar las actividades metabólicas en diferentes tejidos y sus acciones y efectos se observan a mediano plazo.

– Transcripcional. Se controla la velocidad de un paso metabólico regulando la concentración de la enzima que lo lleva a cabo. La concentración de una enzima en un tiempo dado, es el resultado del balance entre su síntesis y su degradación, ambas controladas en el transcurso de minutos u horas.

Ciclo del carbono y del oxígeno

Según la forma en que obtienen el

carbono y la energía, los

organismos se dividen en:

• Autótrofos: utilizan el CO2 de la

atmósfera como fuente de

carbono y la energía del sol o de

compuestos inorgánicos.

– Fotoautótrofos: obtienen la

energía del sol.

– Quimioautótrofos: obtienen la

energía oxidando compuestos

inorgánicos.

• Heterótrofos: obtienen el

carbono y la energía de

sustancias orgánicas

sintetizadas por otros

organismos.

Ciclo del nitrógenoNitrógeno atmosférico: N2

Amoniaco (ammonia): NH3

Nitratos: NO3-

Nitritos: NO2- Los organismos vivos

requieren una fuente de nitrógeno, necesaria para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y otros compuestos.

• Bacterias fijadoras de nitrógeno: las cianobacterias y las bacterias que viven simbióticamente en las raíces de las leguminosas.

• Estos ciclos están dirigidos por un constante flujo de energía a

través de la biosfera:

Energía solar -----------------→ nutrientes orgánicos.

Nutrientes orgánicos ---------------→ energía para funciones vitales.

fotosíntesis

respiración

• Siempre se pierde parte de la energía como calor y

entropía.

• En contraste con los ciclos de la materia, la energía

fluye en un solo sentido en la biosfera

– En los organismos vivos, la energía útil no puede ser

regenerada a partir de la energía disipada como calor o

entropía.

– El carbono, el oxígeno y el nitrógeno se reciclan

constantemente.

Cambio de energía libre en

reacciones químicas

• Constante de equilibrio,

K para la reacción Y → X

• ΔG° = -1.42 log K

• Reacción

energéticamente

favorable: ΔG° < 0

• Reacción

energéticamente

desfavorable: ΔG° > 0

Reacción espontánea, exergónica: K > 0 ΔG° < 0

Reacción no espontánea, endergónica: K < 0 ΔG° > 0

En reacciones secuenciales la ΔG°

es aditiva.

Las moléculas acarreadoras de energía son

esenciales para la biosíntesis

• La energía liberada por la oxidación de moléculas de nutrientes

se almacena temporalmente para luego ser utilizada en la

construcción de las moléculas que la célula necesita.

• Los acarreadores de energía más importantes son el ATP,

NADH y NADPH.

Generalidades sobre el ATP

• La forma más importante de molécula acarreadora de energía en las células es el ATP (trifosfato de adenosina).

• Por acoplamiento energético, la hidrólisis del ATP se puede utilizar en procesos dependientes de energía.

• La ruta más importante para la síntesis de ATP en condiciones aeróbicas es la fosforilaciónoxidativa.

• En condiciones anaeróbicas, los organismos satisfacen sus necesidades con el ATP formado en la glicólisis.

• La cadena de los tres residuos de fosfato están unidos al grupo

hidroxilo 5’ de la adenosina.

• Los fosfatos se designan como , y .

• A pH fisiológico, el ATP tiene cuatro cargas negativas.

• El ATP es inestable por lo que fácilmente reacciona produciendo ADP + P- y liberando energía.

• Una razón de la inestabilidad de los enlaces fosfóricos anhidros es la repulsión entre los oxígenos (carga -), y se equilibra parcialmente al removerse un fosfato, por lo que esta reacción es altamente exergónica.

Una gran cantidad de procesos

biológicos requieren energía en

forma de ATP, tales como síntesis

de DNA, de proteínas y de

polisacáridos.

• Algunos hongos, microorganismos

marinos, medusas, crustáceos y

luciérnagas pueden generar

bioluminisencia, que requiere grandes

cantidades de energía.

• Se utiliza ATP en una serie de

reacciones que convierten energía

química en energía luminosa.

Ejemplo de

uso de ATP: