fisiología del metabolismo
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Reinaldo Rodríguez Guerrero
Introducción
Alimentos
Nutrientes
Carbohidratos, Lípidos y proteínas, minerales, vitaminas y Agua
Oxidación celular
Procesos fisiológicos; músculos, glándulas, etc.
Conjunto de reacciones acopladas
Nutrientes
Sustancias químicas que proporcionan energía, forman nuevoscomponentes, o ayudan al funcionamiento de diversos procesoscorporales
Recordemos que a lacélula llegan, moléculasen estado simple
MonosacáridosAmino ácidosÁcidos grasos GlicerolMonoglicéridos
Se utilizan para formar nuevas estructuras celulares, ensíntesis de moléculas reguladoras (hormonas y enzimas). Lamayor parte se usa como fuente de energía para elsostenimiento de las funciones vitales.
Principales procesos vitales: •Transporte activo•Replicación del ADN•Síntesis de proteínas y otras macromoléculas•Contracción muscular•Impulso nervioso•Etc.
Algunos minerales y la mayor parte de las vitaminas formanparte de los sistemas enzimáticos que catalizan lasreacciones que transforman a los carbohidratos lípidos yproteínas.
El agua tiene 5 funciones importantes:Solvente y medio de suspensiónParticipa en reacciones hidrolíticasEnfriador y Lubricante, permite mantener la temperatura constante
METABOLISMO
Proviene de metabole= cambio
Se refiere a todas las reacciones químicas del cuerpo.
Debido a que todas las reacciones químicas liberan o requieren energía, el metabolismo implica un balance de energía entre las reacciones anabólicas (de síntesis) y las catabólicas (degradantes)
Anabolismo: reacciones químicas que combinan sustanciassimples para formar moléculas complejas . Es frecuente queabarquen a los procesos de síntesis por deshidratación (reaccionesque liberan agua) y requieren energía para formar nuevos enlacesquímicos. Ej. Enlace peptídicos de los aminoácidos.
Catabolismo: reacciones químicas que desdoblancompuestos orgánicos complejos en compuestos mássimples . Por lo general son reacciones de hidrólisis,reacciones que utilizan el agua para romper los enlacesquímicos. Ej. Digestión química y la respiración celular.
Anabolismo
Catabolismo
Requieren energía
liberan energía
Acoplamiento de la reacciones
Se logra mediante la
molécula ATP
ATP Almacena Energía en los enlaces fosfatos de sumolécula en las reacciones catabólicas y la liberaposteriormente para las reacciones anabólicas.
En la hidrólisis del ATP se está hidrolizando uno de esos enlacesanhídrido de ácido. Esto libera gran energía, concretamente7,7kcal/mol. Es decir:
ΛG = -7,7 Kcal/molEs una reacción muy exergónica.Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de formanatural y liberar energía.
ADP+P
CALOR
Compuestos simples
ANABOLISMO
Compuestos complejos
CATABOLISMO
Energía
ATP
Debido a que no se pueden realizar transferencias eficientes,gran parte de la energía se pierde como calor es por eso que serequiere de una fuente constante de energía externa para que lacélula pueda construir el ATP para sus funciones.
Metabolismo y enzimas
Para que ocurran las Reacciones Químicas
La velocidad con quechocan las moléculasdebe ser alta. Esto nos seda en los organismosvivos (presión ytemperatura esdemasiado baja)
Solución de la células vivas es la ENZIMA Aceleran las reacciones químicas,
disminuyendo el requerimiento de laenergía de activación. Sin alterarse asi mismas.
CATALIZADORES
La característica más sobresaliente de los enzimas es suelevada especificidad. Esta es doble y explica que no seformen subproductos:
Especificidad de sustrato. El sustrato (S) es la moléculasobre la que el enzima ejerce su acción catalítica.
Especificidad de acción. Cada reacción está catalizadapor un enzima específico.
Característica de la acción Enzimática
La acción enzimática se caracteriza por la formación deun complejo que representa el estado de transición.
E + S ES E + P
El o los sustratos se une a la enzima a través de numerosasinteracciones débiles como son: puentes de hidrógeno,electrostáticas, hidrófobas, etc., en un lugar específico, elsitio activo.
Este centro es una pequeña porción de la enzima,constituido por una serie de aminoácidos. queinteraccionan con el sustrato.
Pueden catalizar reacciones unas 10 billones de veces. El número decambio que es la cantidad de moléculas del sustrato convertidas enproducto por molécula de enzima por segundo es generalmente de10.000 pero puede llegar a ser hasta 500.000.
Las enzimas están sujetas a diversos controles:Velocidad de síntesis y su concentración están bajo el control de genes celulares y son influenciados por otras moléculas de la célula.
Componentes de la Enzimas
Sitio activo
Mecanismo de acción enzimática
Fisiología de la producción de Energía
Reacciones de oxido-reducción
Toda molécula contiene almacenada energía en sus enlaces de los átomos.
La célula cuenta con un conjunto de reacciones y procesos (VíaCatabólica) que acumulan la energía liberada de los enlaces de losnutrientes en los enlaces del ATP.
La oxidación es la eliminación de los electrones o iones de H+ enuna molécula que origina una disminución en el contenido deenergía de la molécula.
Como la mayor parte de las oxidaciones biológicas incluyen laperdida de átomos de Hidrogeno, se llaman reacciones dedeshidrogenación.
La reducción es la adición de electrones o iones de Hidrógeno(átomos de Hidrógeno) a una molécula y origina un aumentodel contenido de la energía de la molécula.
La reducción es opuesto a la oxidación
Siempre acopladas
Como dentro de la célula las reacciones están acopladas, laenergía se transfiere inmediatamente por medio de coenzimasa otros compuestos.
NAD= Adenin dinucleótido de Nicotinamida
NADP+= Adenin fosfato dinucleótido de Nicotinamida
Transportadores de Hidrogeno
NAD+
Oxidado
NADP+
Oxidado
+2H (2H+ + 2e-)
NADH + H+
Reducido-2H (2H+ + 2e-)
NADPH + H+
Reducido
+2H (2H+ + 2e-)
-2H (2H+ + 2e-)
Involucrado en reacciones catabólicas
Implicado principalmente en vías anabólicas.
Generación de Adenosin Trifosfato
La energía en el ATP seguarda en los enlacesenergéticos del fosfato, que serompen con facilidad. Laadición de un grupo fosfato aun compuesto químico sellama Fosforilación, reacciónque aumenta la energía de lamolécula.
ATP
FOSFORILACION
TRES MECANISMOS
Fosforilación a nivelde Sustrato:Ocurre en elcitoplasma y consisteen un fosfato de altaenergía se entregadirectamente a partirde un compuestometabólicofosforiladointermedio hasta elADP
Fosforilaciónoxidativa: ocurre enlas membranasmitocondrialesinternas y consisteen la transferencia deelectrones en unacadena trasportadorade electrones, en laque el ultimo aceptorde es el Oxigeno.
Fotofosforilación:ocurre solamente enlas células querealizan fotosíntesis.Como las vegetales.
Fisiología del metabolismo de los carbohidratos
Glucosa (80%), fructosa y galactosa
Se absorben en el Epitelio Intestinal
HIGADOAquí toda la fructosa y galactosa
se transforman en glucosa
Vena porta hepática
Parte de la fructosa se transforma en glucosa
Por lo tanto lahistoria delmetabolismo delos carbohidratosen realidad es lahistoria de laglucosa
Destino de los Carbohidratos
La glucosa es la principal fuente energética del cuerpo humano,el destino depende de las necesidades celulares. Si las célulasrequiere de energía inmediata, la glucosa se oxida en lascélulas.
1 gramo de Carbohidratos
4 kilocalorías (Kcal)
Produce
Calorías liberadas por un compuesto es la determinación delcalor que libera el compuesto durante la oxidación
Glucosa no utilizada inmediatamente
Hígado:Exceso en transformadoen Glucógeno(glucogénesis) y luego loalmacena. Las fibrasmusculares tambiénpueden almacenarlo
Hígado:Si las aéreas dealmacenamiento estáncompletas: loshepatocitos y adipocitosla pueden transformaren grasa del tejidoadiposo
Excreción:Exceso es excretado por laorina. Normalmenteocurre cuando alimentoen su totalidad escarbohidratos y no seconsume grasas. Unarápida digestión yabsorción elevan loscarbohidratos sanguíneosy el hígado es incapaz deprocesarlos al mimotiempo y por eso seexcreta.
Movimiento de la glucosa hacia las células
La glucosa se absorbe en el epitelio intestinal por un cotransporte (activo)
asociado a Na+
La velocidad del transporte hacia las células aumenta con
la Insulina
Una vez ingresa al interior de la célula lamolécula de glucosa debe fosforilarse(energía dada por el ATP) y catalizada lareacción por una enzima.
Hacia las células ingresa por un mecanismo de proteína facilitadora
Esta reacción ocurre en las célulascorporales y permite capturar la glucosaimpidiendo que vuelva a salir
En el Hígado, células tubularesrenales y epitelio intestinal poseenFosfatasa que invierte el proceso yle permite salir
Fosforilación de la Glucosa
Conversión de los carbohidratos en glucosa en el hígado
Catabolismo de la Glucosa
Oxidación de la glucosa es conocida como la respiración celularocurre en todas las células corporales excepto en los eritrocitos yaque carecen de mitocondrias. Es el mayor aporte de energía almetabolismo.
La oxidación de la glucosa hasta CO2 y Agua libera grandes cantidades de energía. Se presenta en tres etapas sucesivas:
1. Glucolisis2. Ciclo de Krebs3. Cadena transportadora de electrones
Glucólisis
Proviene de glyco= azúcar y lisis=desdoblamiento
Reacciones químicas en el citoplasma de la célula que trasforman lamolécula de glucosa de átomos de carbono en dos moléculas de tresátomos de carbono, llamados Ácidos Pirúvicos o Piruvatos
La glucólisis o vía de Embdem-MeyerhofLa glucólisis es utilizada por casi todas las células como medio paraobtener energía (a través de los azucares). Cualquiera que sea lafuente de glucosa utilizada, el resultado final será la obtención deÁcido Pirúvico, ATP y NADH + H+.
Etapas de la Glucólisis
Etapa de activación. La glucosa, tras su activación ytransformación en otras hexosas, se descompone en dosmoléculas de gliceraldehído-3-fosfato, es decir, en dosmoléculas de tres átomos de carbono. Para ello se necesita laenergía aportada por dos moléculas de ATP.
Glucosa + 2 ATP ▬► 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP
Etapa de degradación. Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se oxidan después, a través de una serie dereacciones, hasta rendir dos moléculas de Ácido Pirúvico. Enesta oxidación se necesita como coenzima el NAD que sereduce a NADH. La energía liberada en el proceso es utilizadapara fabricar cuatro moléculas de ATP.
2 Gliceraldehído 3 P + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi ▬► 2 Ácido Pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP
Secuencias de reacciones responsables de las glucolisis
Activación
Degradación
La formulación de la reacción global (balance) de la glucólisis.
Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
Por cada molécula de glucosa que ingresa en esta vía se obtiene:
▪ 2 moléculas de Ácido Pirúvico.▪ 2 moléculas de NADH+ 2H+
▪ 2 moléculas de ATP.
Como hemos visto, en la glucólisis se forman coenzimas reducidas(NADH) que es preciso oxidar a NAD+ para que dicha ruta metabólicano se detenga.
En condiciones anaerobias (ausencia de oxigeno) lo hace porfermentación, como puede ocurrir en los músculos, el NADH se oxidaa NAD+ mediante la reducción del Ácido Pirúvico, ocurre en elhialoplasma.
Las reacciones anaerobias de la Glucolisis
En un mismo organismo pluricelular pueden darse rutas aeróbicaso anaeróbicas, según las condiciones ambientales de la célula. Porejemplo, la célula muscular puede funcionar con oxígeno hastaque éste llega con dificultad al tejido. Trabaja entonces encondiciones anaerobias produciendo ácido láctico.
En condiciones aerobias, lo hace mediante la respiración celularque tiene lugar en las mitocondrias.
Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía dela respiración celular, que supone la oxidación del Ácido Pirúvicohasta formar CO2 y H2O. Para que la oxidación llegue hasta esteextremo, se requiere oxígeno, moléculas fundamentales, que actúacomo último aceptor de electrones de una serie de reacciones deoxidación-reducción, en las que intervienen las moléculas orgánicasque constituyen la llamada cadena respiratoria.
Respiración Celular
La respiración celular, que, como ya se ha dicho, se realiza enmatriz de las mitocondrias de las células y es un proceso complejoque comprende cuatro etapas distintas:
1. Transformación del ácido pirúvico en acetil CoA.
2. El acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs (o de los ácidostricarboxílicos), donde se oxida a CO2 y H2O. Como resultado de unciclo complejo se reduce cuatro moléculas de coenzimas, tres de NADy una de FAD.
3. Transporte de electrones a través de una serie de moléculas, queconstituyen la cadena respiratoria. En estas reacciones de oxidación-reducción se libera energía que la célula utiliza para bombearprotones al interior del espacio intermembranal.
4. Fosforilación oxidativa, la salida de H+ hacia la matriz mitocondrialse hace a través de las ATPasas, produciéndose la fosforilación deADP + Pi → ATP.
Etapas de la respiración celular
La primera etapa de la respiración oxidativa (o celular) tiene comofinalidad la transformación de los diferentes compuestos orgánicosen acetil-CoA, compuesto utilizado como sustrato de las oxidacionesrespiratorias. Este acetil CoA se obtiene fundamentalmente por doscaminos diferentes:
A partir del ácido pirúvico (formado en la glucólisis en el citoplasmapasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas) sufre unadescarboxilación oxidativa, en presencia del Coenzima A (CoA), se oxidahasta Acetil-CoA (CH3CO-S-CoA), liberándose CO2 y reduciéndose unamolécula de NAD+ a NADH + H+.
A CoA CO2
CH3-CO-COOH Ác. pirúvico ▬▬▬▬▬▬▬▬► Acetil-CoA CH3-CO-S-CoA
NAD+ NADH + H+
Primera etapa: obtención del acetil CoA
A partir de ácidos grasos procedentes de las grasas: los ácidosgrasos penetran en la matriz mitocondrial después de ser activadoscon CoA. Los ácidos grasos activados son transformados en acetil-CoA en una ruta metabólica llamada β-oxidación.
El ciclo de Krebs, también llamado del ácido cítrico o del ácidotricarboxílico, se desarrolla en la matriz mitocondrial, y tiene comoobjetivo la oxidación del grupo acético del acetil-CoA y la obtenciónde coenzimas reducidos (FADH2 y NADH) para la cadenarespiratoria.
Segunda etapa: Ciclo de Krebs
El ciclo empieza con la unión del acetil-CoA con una molécula de 4 C(el ácido oxalacético), para formar una de 6 C (ácido cítrico), que danombre al ciclo (que es el que realmente inicia el ciclo deKrebs). Después, a través de una secuencia de 7 reacciones, seeliminan 2 C en forma de CO2 y se regenera el ácido oxalacético(que puede reanudar el ciclo).
Ciclo de KrebsEn el transcurso de las reacciones que tienen lugar en
cada vuelta del ciclo, es decir, por cada molécula deacetil CoA que entra, se producen:
▪ Dos reacciones de descarboxilación oxidativa en las que sedesprenden dos CO2.▪ Una reacción de fosforilación que produce un GTP transformable enATP.▪ Dos moléculas de CoA-SH, de las que una vuelve a utilizarse en elciclo.▪ Tres moléculas de NADH/H+ y una de FADH2, que pasarán a lacadena de transporte electrónico, donde serán oxidados.
Las moléculas que forman esta cadena están situadas en lamembrana interna de la mitocondria. La cadena se inicia cuando elNADH (y el FADH2) libera H+ y e- para oxidarse y regenerar el NAD+.
Los protones quedan en la matriz y los electrones son transferidos alprimero de los transportadores que forman la cadena respiratoria.
Tercera etapa: cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones.
En esta fase los e- tienen una alta energía que va disminuyendoconforme van pasando a través de los más de 15 transportadores.Finalmente los e- llegan al O2 (último aceptor de los e
-), que sereduce a H2O.
Cuarta etapa: fosforilación oxidativa
Según la hipótesis quimiosmótica, hay pasos en el transporte deelectrones en los que se libera suficiente energía para bombear losprotones (H+) desde la matriz mitocondrial al espaciointermembranas, donde se acumulan. De este modo se produce ungradiente electroquímico que hace que los protones tiendan a volverde nuevo a la matriz a favor de gradiente.
Sin embargo, dada la impermeabilidad de la membrana interna, losH+ sólo pueden atravesarla a través de los complejos enzimáticos(las ATP Sintetasas) insertos en ella. Estos complejos utilizan laenergía liberada en el paso de H+ para, a partir de ADP + Pi obtenerATP.
El balance energético supone simplemente un recuentode las moléculas de ATP que se forman en el proceso dedegradación de la glucosa a CO2 y H2O.
Deberemos tener en cuenta, no sólo las moléculas de ATPque se forman directamente en las reacciones de esteproceso, sino también las moléculas de NADH y FADH2,que al ser oxidadas en la cadena respiratoria dan lugar a3 y a 2 moléculas de ATP, respectivamente.
BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
Rendimiento de 1 molécula de glucosa en el catabolismo aerobio:
1. Glucólisis (De 1 C6 a 2 C3)
1 Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi ▬▬▬▬► 2 Ác. pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
2. Del ácido pirúvico al acetil CoA (De 2 C3 a 2 C2)
2 Ác. pirúvico + 2 HS-CoA+ 2 NAD+ ▬▬▬► 2 CO2 + 2 NADH + 2 H+ + 2 Acetil-CoA
3. Ciclo de Krebs.
2(Acetil-CoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi)▬►4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2ATP+2SH-CoA
Glucosa+6H2O+10NAD++FAD+4ADP+4Pi▬► 6 CO2 + 10 NADH +10H++ 2 FADH2 + 4 ATP
(x 3 ATP) (x 2 ATP)
4. Cadena respiratoria:30 ATP + 4 ATP = 34 ATP
12 H2O 10 H2O + 2 H2O
TOTAL = 38 ATP
Las moléculas de ATP una vez formadas seexportan a través de las membranas de lasmitocondrias para que sean utilizadas en toda lacélula.