METABOLISMO CELULAR
PRESENTADO POR: COD: 2082012280 COD: 2082032280
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE LA PAZ (UNIPAZ) ING AMBIENTAL Y DE SANEAMIENTO MICROBIOLOGÍA BARRANCABERMEJA 2010
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METABOLISMO CELULAR
PRESENTADO POR: COD: 2082012280 COD: 2082032280
PRESENTADO A:
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE LA PAZ (UNIPAZ) ING AMBIENTAL Y DE SANEAMIENTO MICROBIOLOGÍA BARRANCABERMEJA 2010
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METABOLISMO CELULAR
PRESENTADO POR: COD: 2082012280 COD: 2082032280
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INSTITUTO UNIVERSITARIO DE LA PAZ (UNIPAZ) ING AMBIENTAL Y DE SANEAMIENTO MICROBIOLOGÍA BARRANCABERMEJA 2010
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ÍNDICE 1. 1.1 1.2 2. 3. 3.1 4. 4.1 4.2 4.3 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 11.1 11.2 11.3 11.4 12. 12.1 12.2 13. 13.1 13.2 14 14.. 14.1 14.2 14.3
INTRODUCCION OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos METABOLISMO CELULAR RUTAS METABÒLICA Tipos de rutas metabólicas EL CATABOLISMO FASE DEL CATABOLISMO El catabolismo aerobio El catabolismo anaeróbico EL ANABOLISMO RUTAS ANFIBÒLICAS CUADRO ENTRE CATABÒLISMO CATABÒLIS MO Y ANABOLICOS TIPOS DE METABOLISMO PROCESOS DE OXIDO-REDUCCION OXIDO-REDUCCION EN EL METABOLISMO INTERCAMBIOS INTERCAMBIOS DE ENERGÌA EN EL METABOLISMO ATP Utilización del ATP EL ADP Formación del ATP Fosforilación a nivel de sustrato CICLOS DE KREBS FUNCIONES ETAPAS DEL CICLO DE KREBS CADENA DE ELECTROLITOS Las funciones de los electrolitos son las siguientes: Pero, para qué sirve cada uno de los electrolitos? GLU GLUC LISIS ISIS GLUCOSA LA RUTA DE LA GLICOLISIS REACCIONES DE LA GLUCOLISIS CONCLUSION WEBGRAFIA
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PAG 4 5 5 5 6 6 7 8 8 9 10 10 12 12 12 14 15 15 15 16 16 17 17 18 18 22 23 23 24 26 26 27 30 31
INTRODUCCION Conjunto de reacciones químicas que se dan en un organismo vivo. Las reacciones químicas son medidas por enzimas y ocurren de una manera ordenada. Puede ser una secuencia lineal (vía metabólica) por ejemplo la glucólisis o de una manera cíclica (ciclo metabólico) por ejemplo el ciclo de Krebs. Los compuestos químicos intermedios constituyen los metabolitos. En el metabolismo se distinguen dos tipos de reacciones: las catabólicas y anabólicas. El metabolismo es el conjunto de reacciones y procesos físico-químico que ocurre en una célula. El metabolismo de glúcidos es el mecanismo mediante el cual, el cuerpo utiliza azúcar como fuente de energía. Los Glúcidos son uno de los tres constituyentes principales del alimento y se encuentran en mayoría en la dieta humana. El metabolismo de los glúcidos forma parte del metabolismo intermediario, que es el destino de los componentes de la dieta después de la digestión y de la absorción.
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OBJETIVOS 1. Objetivo General
Analizar y describir como se obtiene y se almacena la energía en las células vivas y el papel metabólico central, que juega en la generación de energía y de intermediarios metabólicos.
1.1. Objetivo Especifico
Obtenemos información sobre la importancia del metabolismo celular. Conocer las rutas metabólicas. Identificar los tipos de rutas metabólicas. Entender el procesos de oxido-reducción en el metabolismo Comprender los intercambios de energía en el metabolismo Analizar el método ciclo de Krebs Que es y comprender la glucólisis
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2. METABOLISMO CELULAR Es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un organismo, mediantes las cuales los nutrientes que llegan a ellas desde el exterior se transforman. Estas reacciones están catalizadas por enzimas específicas. El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:
Obtener energía química Utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP. Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que toman directamente del exterior o bien por degradación de otro compuesto que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva. Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que será utilizado para crear sus estructuras o para almacenarlos como reserva.
3. RUTAS METABÓLICAS
En la células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas, estás no son independientemente sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguientes una ruta o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente. En una ruta un sustrato inicial se transforma mediante las distintas reacciones que constituyen la ruta en un producto final, los compuestos intermedios de la ruta se denomina metabolitos. Cada una de las reacciones de una ruta metabólica esta catalizada por un enzima específico. Para aumentar la eficaz de las rutas, las enzimas que participan se asocian y forman complejos multienzimáticos o se sitúan en un mismo comportamiento celular. En las rutas metabólicas se necesitan numerosas y específicas moléculas que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas. Pero,
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además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables para su desarrollo final: 1. metabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas). 2. nucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los metabolitos). 3. moléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía). 4. moléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico). Cada célula desarrolla miles de reacciones químicas que pueden ser exergónicas (con liberación de energía) o endergónicas (con consumo de energía). Si las reacciones químicas dentro de una célula están regidas por las mismas leyes termodinámicas... entonces, ¿cómo se desarrollan las vías metabólicas? 1. Las células asocian las reacciones: las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas. 2. Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones endergónicas. 3. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS.
3.1. Tipos de rutas metabólicas. Las rutas metabólicas pueden ser:
Lineales. Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial) es diferente al producto final de la última reacción. En este caso el sustrato de la primera reacción es el sustrato inicial de la ruta y el producto de la última reacción es el producto final de la ruta metabólica. Cíclica. Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta. Según que las rutas sean degradativas o de síntesis podrán ser: rutas catabólicas, anabólicas y anfibólicas.
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4. EL CATABOLISMO El catabolismo comprende el metabolismo de degradación oxidativa de las moléculas orgánicas, cuya finalidad es la obtención de energía necesaria para que la célula pueda desarrollar sus funciones vitales. Debe existir una última molécula que capte los electrones o los hidrógenos desprendidos en las reacciones de oxidación. También es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (polisacáridos, triglicéridos, proteínas, glúcidos, lípidos etc.), que proceden del medio externo o de reservas internas, se degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO 2, H2O, ácido láctico, amoniaco etc.) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP. Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (trasporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas, etc.). Si el aceptor de electrones es el oxígeno molecular la ruta o el catabolismo es aeróbico y si es otra molécula es catabolismo anaeróbico.
4.1. FASES DEL CATABOLISMO
FASE I: Las grandes macromoléculas se degradan en sus monómeros con enzimas específicos Ocurre fuera de la célula, como en la digestión. FASE II: Los monómeros son degradados por procesos específicos hasta Acetil-CoA. Se produce algo de ATP. Glucólisis, oxidación, transaminación. FASE III: El Acetil-CoA es oxidado hasta CO2 y H2O, originando gran cantidad de NADH (PODER REDUCTOR) y ATP. Ocurre en la mitocondria. También se genera ATP en la fosforilación oxidativa
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4.2. El catabolismo aerobio está formado por varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP. Estas moléculas de ATP más tarde serán imprescindibles para dar energía en las rutas anabólicas. La energía que no se usa se disipará en forma de calor.
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4.3. El catabolismo anaeróbico Cuando el catabolismo se realiza en condiciones anaeróbicas, es decir cuando el último aceptor de hidrógenos o electrones no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla, las rutas de degradación de la glucosa se llaman fermentaciones. En un mismo organismo pluricelular pueden darse rutas aeróbicas o anaeróbicas, según las condiciones ambientales de la célula. Por ejemplo, la célula muscular puede funcionar con oxígeno hasta que éste llega con dificultad al tejido. Trabaja entonces en condiciones anaerobias produciendo ácido láctico.
5. EL ANABOLISMO La construcción de biomoléculas propias exclusivas sólo pueden llevarla a cabo los seres vivos a base de capturar determinadas sustancias del medio en que viven (autótrofos). En muchos seres vivos la nutrición solo puede realizarse mediante la ingestión de otros seres vivos ( heterótrofos). Nuestra vida en el planeta tierra depende de la función de unos seres vivos muy especiales, que son capaces de fabricar su propia materia a partir de la luz. Se trata de plantas verdes y algas que realizan la fotosíntesis. Los organismos fotosintéticos utilizan la luz del sol y transforman su energía luminosa en energía para formar glúcidos y otras moléculas orgánicas. Estas moléculas orgánicas forman sus tejidos que sirven de alimento a los seres vivos no fotosintetizadores. El anabolismo o biosíntesis es una de las dos partes del metabolismo, encargada de la síntesis o bioformación de moléculas orgánicas (biomoléculas)
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más complejas a partir de otras más sencillas o de los nutrientes, con requerimiento de energía, al contrario que el catabolismo. El anabolismo es el responsable de: La formación de los componentes celulares y tejidos corporales y por tanto del crecimiento.
El almacenamiento de energía mediante enlaces químicos en moléculas orgánicas.
Las células obtienen la energía del medio ambiente mediante tres tipos distintos de fuente de energía que son: La luz solar, mediante la fotosíntesis en las plantas.
Otros compuestos orgánicos como ocurre en los organismos heterótrofos. Compuestos inorgánicos como las bacterias quimiolitotróficas que pueden ser autótrofas o heterótrofas.
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El anabolismo se puede clasificar académicamente según las biomoléculas que se sinteticen en: Replicación o duplicación de ADN. Síntesis de ARN. Síntesis de proteínas. Síntesis de glúcidos. Síntesis de lípidos.
6. RUTAS ANFIBÓLICAS . Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, como el ciclo de Krebs, que genera energía y poder reductor, y precursores para la biosíntesis.
7. CUADRO ENTRE CATABÓLICO Y ANABÓLICO CATABOLISMO Reacciones destrucción
de
ANABOLISMO degradación
o Reacciones de síntesis o construcción
Reacciones de oxidación
Reacción de reducción
Desprenden energía
Consumen energía
A partir de muchos sustratos distintos, A partir de pocos sustratos distintos, se originan los mismos productos se originan muchos productos (rutas convergentes) distintos(rutas divergentes)
8. TIPOS DE METABOLISMO Todos los seres vivos necesitan materia para crecer y desarrollarse, requiriendo todo tipo de elementos. El elemento más importante es el carbono, ya que es el componente fundamental de todas las biomoléculas. Si la fuente de carbono es el carbono inorgánico (CO 2), que es la forma más oxidada del carbono, y lo convierten en materia orgánica, es decir, son capaces de convertir la MI en MO, el metabolismo de ese ser vivo es AUTÓTROFO o
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LITOTROFO. Si la fuente de carbono es materia orgánica (carbono más o menos reducido, como glucosas, grasa, etc.), ya que no pueden transformar la MI en MO, el metabolismo es HETERÓTROFO u ORGANOTROFO. Los seres vivos también necesitan energía. Si la fuente de energía es la luz (energía luminosa) el metabolismo es FOTÓTROFO (fotosintético) y el ser vivo hace fotosíntesis; si pueden utilizar la energía química, liberada en reacciones químicas de oxidación contenidas en moléculas que toman del exterior, el metabolismo es QUIMIOTROFO o quimiosintéticos. En los Quimiotrofos la fuente de carbono y energía es la misma sustancia. Combinando estos criterios, tenemos esta clasificación:
TIPOS DE ORGANISMO Fotolitótrofo (fotoautótrofo autótrofo fotosintético)
Fotoorganotrofos (fotoheterotrofo =heterótrofo fotosintético)
ORIGEN DE LA ENERGÍA
ORIGEN DEL CARBONO
EJEMPLO DE ORGANISMOS
Luz
CO2
Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre
Luz
Orgánico
Bacterias purpúreas azufradas
=
Quimiolitótrofos Reacciones (quimioautótrofos = químicas autótrofo quimiosintéticos)
CO2
Quimioorganotrofos Reacciones (quimioheterotrofos químicas o heterótrofo típico)
Orgánico
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Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras azufre
no
del
Animales, hongos, protozoos, muchas bacterias
9. PROCESOS DE OXIDO-REDUCCION EN EL METABOLISMO Las reacciones metabólicas de los seres vivos son reacciones de oxidación y de reducción o reacciones de oxido-reducción o también llamado reacciones redox. En general la oxidación consiste en la perdida de electrones y la reducción en la ganancia de electrones.
Para que un compuesto se oxide es necesario que otro se reduzca, es decir la oxidación de un compuesto siempre va acoplada a la reducción de otro. Frecuentemente la pérdida o ganancia de electrones va acompañada de la pérdida o ganancia de hidrogeniones (H+), de forma que el efecto neto es la pérdida o ganancia de hidrógenos puesto que:
Por consiguiente las oxidaciones son deshidrogenaciones y las reducciones son hidrogenaciones, la mayoría de las oxidaciones y reducciones biológicas son de este tipo. Las oxidaciones, también se denomina combustiones y en ellas se deprende energía mientras que en las reducciones se requiere un aporte energético. Los procesos de oxido-reducción tienen gran importancia en el metabolismo, porque muchas de las reacciones de catabolismo son oxidaciones en las que se liberan electrones; mientras que muchas de las reacciones anabólicas son reducciones en las que se requieren electrones. Los electrones son transportados desde las reacciones catabólicas de oxidación en las que libera, hasta las reacciones anabólicas de reducción en las que se
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necesitan. Este transporte lo realizan principalmente 3 coenzimas: NAD+, NADP y FAD. Estas coenzimas no se gastan, ya que actúan únicamente como intermediarios, cuando captan los electrones se reducen y al cederlos se oxidan regenerándose de nuevo.
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INTERCAMBIOS DE ENERGÍA EN EL METABOLISMO
En el metabolismo hay procesos en los que se libera energía (exergónicos) como los catabólicos y otros en los que se consume (endergónicos) como los anabólicos. Estos procesos no tienen por qué ocurrir al mismo tiempo ni en el mismo lugar de la célula. Por lo tanto tiene que existir un mecanismo capaz de almacenar y transporta la energía desde los procesos en los que se libera hasta los procesos en los que se consume. Este mecanismo se basa en la creación y destrucción de enlaces químicos de alta energía en los que se acumula (cuando se forman) y se libera (cuando se rompen) gran cantidad de energía.
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ATP
El ATP (adenosín trifosfato) es la molécula que más se utiliza para almacenar y transportar energía de unos procesos metabólicos a otros, aunque no la única existen otros nucleótidos UTP, GTP etc. Que hace una función similar. El ATP almacena la energía en los dos enlaces éster fosfóricos que unen entre sí a las moléculas de fosfórico.
11.1. Utilización de la energía almacenada en el ATP El ATP se puede hidrolizar espontáneamente y liberar energía, esto permite que se pueda acoplar a procesos desfavorables energéticamente, es decir que no son posibles sin un aporte de energía, como ocurre en los procesos anabólicos o en otros trabajos celulares. Al hidrolizarse el ATP se rompe el último enlaces éster fosfórico, formándose ADP y liberándose una molécula de fosfórico (Defosforilación) y energía.
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11.2. EL ADP también puede hidrolizarse rompiéndose el otro enlace éster fosfórico y liberándose energía, aunque el enlace que más se utiliza para almacenar y transportar energía es el que une los fosfatos 2° y 3°.
Por consiguiente la hidrólisis del ATP se produce acoplada a procesos que requieren energía como los anabólicos.
En otros casos el ATP transfiere directamente un grupo fosfato a otra molécula, que se fosforila y adquiere parte de la energía del ATP.
11.3. Formación del ATP El ATP se forma por fosforilación del ADP, es un proceso endergónico, requiere un aporte energético. Este proceso tiene lugar en el interior de las células acoplado a procesos exergónicos como los catabólicos.
En las células existen dos mecanismos distintos para sintetizar ATP.
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11.4. Fosforilación a nivel de sustrato: Es una reacción acoplada entre una molécula fosforilada que contiene un grupo fosfato y el ADP. En este caso se hidroliza el grupo fosfato de esta molécula fosforilada y la energía liberada se utiliza para dicho grupo fosfato al ADP y forma ATP.
En este caso la fosforilación del ADP se lleva a cabo en los complejos ATPsintetasas y se produce gracias a la energía que se desprende al transportar electrones a través de una cadena transportadora de los mismos, desde una molécula que se oxida y los cede hasta un aceptor final. Estas cadenas transportadoras de electrones se sitúan en la membrana interna de las mitocondrias y en la membrana tilacoidal de los cloroplastos, por lo tanto habrá dos procesos de este tipo: la fosforilación oxidativa que tiene lugar en las mitocondrias y fotofosforilación que se produce en los cloroplastos durante la fase luminosa.
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CICLO DE KREBS
El ciclo de Krebs (conocido también como ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico) es un ciclo metabólico de importancia fundamental en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular. En estos organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es el anillo de conjunción de las rutas metabólicas responsables de la degradación y desasimilación de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en anhídrido carbónico y agua, con la formación de energía química. El ciclo de Krebs es una ruta metabólica anfibólicas, ya que participa tanto en procesos catabólicos como anabólicos. Este ciclo proporciona muchos precursores para la producción de algunos aminoácidos, como por ejemplo el cetoglutarato y el oxaloacetato, así como otras moléculas fundamentales para la célula.
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12.1. FUNCIONES • Producción de energía. • Produce casi todo el CO metabólico • Es la fuente de enzimas reducidas que alimentan la cadena respiratoria para la
producción de ATP. • Dirige el exceso de energía y muchos intermediarios
hacia la síntesis de
ácidos Grasos. • Proporciona precursores para la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos • Sus componentes regulan de forma directa o indirecta a otros sistemas
enzimáticos. • Es la vía común para la degradación metabólica de CHO, lípidos y proteínas. • Es una rotonda de tráfico metabólico en la que los CHO salen para formar
grasas y los AA salen a formar CHO.
12.2. ETAPAS DEL CICLO DE KREBS Reacción 1: Citrato sintasa (De oxaloacetato a citrato) El sitio activo de la enzima, activa el Acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxaloacetato. Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato. La reacción es sumamente exergónicas (ΔG'°= -31.4 kJ/mol), motivo por el cual
este paso es irreversible. El citrato producido por la enzima, además, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la enzima. Incluso estando la reacción muy favorecida, porque es exergónicas, la citrato sintasa puede ser perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biológica, puesto que permite una completa regulación del ciclo de Krebs completo, convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.
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Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato) La Aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La enzima cataliza también la reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a causa de la ley de acción de masa: las concentraciones (en condiciones estándar) de citrato (91%), del intermediario cisaconitato (3%) y de isocitrato (6%), empujan decididamente la reacción hacia la producción de isocitrato.
En el sitio activo de la enzima está presente un clúster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de aminoácidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unión al sustrato se asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de aspartato, que permiten sólo la unión estereospecifica del citrato 1R, 2S, rechazando la forma opuesta.
Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato) La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un ión bivalente, que forma un complejo con los oxígenos del grupo carboxilo en posición alfa, aumenta la electronegatividad de esa región molecular. Esto genera una reorganización de los electrones en la molécula, con la consiguiente rotura de la unión entre el carbono en posición gamma y el grupo carboxilo adyacente. De este modo se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de α -cetoglutarato, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.
Reacción 4: α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA) Después de la conversión del isocitrato en α -cetoglutarato se produce una
segunda reacción de descarboxilación oxidativa, que lleva a la formación de Succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del α -cetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α -cetoácido.
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Ambas reacciones incluyen la descarboxilación de un α -cetoácido y la
consiguiente producción de una unión tioéster a alta energía con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales reacciones son parecidos entre ellos.
Reacción 5: Succinil-CoA sintetasas (De Succinil-CoA a succinato) El Succinil-CoA es un tioéster a alta energía (su ΔG°′ de hidrólisis está en unos 33.5 kJ mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5 kJ mol-1). El citrato sintasa se sirve de un intermediario con tal unión a alta energía para llevar a cabo la fusión entre una molécula con dos átomos de carbono (Acetil-CoA) y una con cuatro (oxaloacetato). La enzima Succinil-CoA sintetasas se sirve de tal energía para fosforilar un nucleótido difosfato purinico como el GDP. La energía procedente del tioéster viene convertida en energía ligada a una unión fosfato. El primer paso de la reacción genera un nuevo intermediario a alta energía, conocido como Succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio catalítico remueve el fosfato de la molécula glucídica, generando el producto succinato y una molécula de fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nucleótido difosfato, recargándolo a trifosfato. Se trata del único paso del ciclo de Krebs en el que se produce una fosforilación a nivel de sustrato. El GTP está implicado principalmente en las rutas de transducción de señales, pero su papel en un proceso energético como el ciclo de Krebs es, en cambio, esencialmente trasladar grupos fosfato hacia el ATP, en una reacción catalizada por la enzima nucleótido difosfoquinasa.
Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato) La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxaloacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos, además de regenerar oxaloacetato, permiten la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH 2 y NADH. La primera reacción de oxidación es catalizada por el complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa, la única enzima del ciclo que tiene como aceptor de hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD es enlazado de modo covalente a la
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enzima por un residuo de histidina. La enzima se vale del FAD ya que la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir el NAD +. El complejo enzimático también es el único del ciclo que pasa dentro de la membrana mitocondrial. Tal posición se debe a la implicación de la enzima en la cadena de transporte de los electrones. Los electrones pasados sobre el FAD se introducen directamente en la cadena gracias a la unión estable entre la enzima y el cofactor mismo.
Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato) La Fumarasa cataliza la adición en un protón y un grupo OH- procedentes de una molécula de agua. La hidratación del fumarato produce L-malato.
Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxaloacetato) La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxaloacetato. La reacción, catalizada por la malato deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno, produciendo NADH. La energía libre de Gibbs asociada con esta última reacción es decididamente positiva, a diferencia de las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de oxaloacetato por parte del citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de transporte de electrones.
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13.
CADENA DE ELECTROLITOS
El movimiento de líquido en el cuerpo está determinado en gran parte por cambios en el equilibrio de electrólitos, especialmente la concentración de sodio; sin embargo, influyen otras fuerzas que no se conocen por completo. Es más fácil comprender la base científica para el equilibrio de líquido en el cuerpo que para, el de electrólitos. La siguiente explicación se da como una revisión. Los compuestos químicos en solución pueden permanecer intactos o pueden disociarse. Ejemplos de las moléculas que permanecen intactas son dextrosa,
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creatinina y urea. Son no electrólitos. Las que se disocian` en solución se degradan en partículas separadas conocidas como iones. Los compuestos que se comportan de esta forma se conocen como electrólitos. Han atravesado el proceso de ionización y tienen una función importante en el mantenimiento del equilibrio ácido-base. Cada una de las partículas disociadas, o iones, de un electrólito lleva una carga electrolítica, ya sea positiva o negativa. Existen varios electrólitos biológicamente importantes. Los cationes, o iones cargados positivamente, en el líquido corporal incluyen sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca++) y magnesio (Mg++). Los aniones, o iones cargados negativamente, en el líquido corporal incluyen cloro (Cl-), bicarbonato (HCO3-,) y fosfato (HPO4-). Cada compartimento líquido tiene su propia composición electrolítica, que difiere de la del otro. Los miliequivalentes (meq) indican el número de cargas iónicas o uniones electrovalentes en la solución ionizada en cada compartimento. En el tratamiento de un paciente particular, se obtienen los niveles sanguíneos de electrólitos. Estos niveles miden los electrólitos en el compartimento intravascular pero no dan una medida verdadera de los electrólitos en el propio espacio celular.
13.1. Las funciones de los electrolitos son las siguientes : Sirven como minerales esenciales. Controlan el intercambio osmótico entre los distintos compartimentos del cuerpo. Ayudan a mantener el equilibrio ácido-base del cuerpo.
13.2. Pero, para qué sirve cada uno de los electrolitos?: Potasio, ayuda en la función muscular, en la conducción de los impulsos nerviosos, la acción enzimática, el funcionamiento de la membrana celular, la conducción del ritmo cardiaco, el funcionamiento del riñón, el almacenamiento de glucógeno y el equilibrio de hidratación. Sodio, ayuda a la regulación de la hidratación, disminuye la pérdida de fluidos por la orina y participa en la transmisión de impulsos electroquímicos a través de los nervios y músculos. La transpiración excesiva provoca pérdida de sodio. Calcio, participa en la activación de nervios y músculos y en la contracción muscular. Es el principal componente de huesos y dientes. Actúa como un ión
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esencial para muchas enzimas y es un elemento de proteínas y sangre, que fortalece las funciones nerviosas. Magnesio, participa en la activación enzimática, en el metabolismo de proteínas en la función muscular. Las principales fuentes dietéticas incluyen cereales, nueces, productos lácteos y vegetales de hoja verde. El magnesio ejerce sus efectos fisiológicos en el sistema nervioso, en forma semejante al calcio. Una elevación en su concentración sanguínea produce sedación y depresión del sistema nerviosos central y periférico, una concentración baja determina desorientación y convulsiones. La pérdida de cualquiera de los electrolitos ocasiona cambios en la función metabólica, que se pueden ver reflejados de diversas maneras: mareos, desmayos, pérdida de peso, inconsciencia y otros síntomas.
14.
GLUCÓLISIS
Ruta bioquímica principal para la descomposición de la glucosa en sus componentes más simples dentro de las células del organismo. Una ruta se refiere a una secuencia específica de reacciones catalizadas por enzimas que transforman un compuesto en otro biológicamente importante. La glicólisis se caracteriza porque, si esta disponible, puede utilizar oxígeno (ruta aerobia) o, si es necesario, puede continuar en ausencia de este (ruta anaerobia), aunque a costa de producir menos energía. La glucólisis es una secuencia lineal de reacciones catabólicas, concretamente compuesta por 10 reacciones; son secuencias oxidativas que liberan cierta cantidad de energía. Es el proceso por el cual la glucosa, compuesta por 6 átomos de carbono, se pasa a dos moléculas de ácido pirúvico, de 3 átomos de carbono cada uno. Además, durante el proceso se libera un balance neto de energía de 2 ATP. Por otra parte, al ser un proceso oxidativo, acompañando ha de ir una reducción, por lo que se obtienen dos moléculas de NADH + H+. Se trata de un proceso que se lleva a cabo en el citoplasma de la célula, por lo que las 10 enzimas que llevan a acabo las 10 reacciones se encuentran solubilizadas en el interior. Es un proceso independiente de la presencia de oxígeno, aunque algunas de las reacciones posteriores que sufre el pirúvico si dependen de oxígeno.
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La glucólisis comprende dos etapas, cada una de ellas compuesta por 5 reacciones:
1ª La primera etapa comprende las primeras cinco reacciones, en las cuales la molécula de glucosa inicial se transforma en dos moléculas de 3fosfogliceraldehido o gliceraldehido-3-fosfato. Se trata de una fase que se suele llamar fase preparativa, donde la glucosa se va a romper en dos moléculas de 3 carbonos cada una, con la particularidad de que se van a incorporar dos ácidos fosfóricos (dos moléculas de gliceraldehido 3 fosfato; por lo que hay dos fosfatos, uno en cada molécula), lo que lleva al consumo de 2 moléculas de ATP. 2ªEn la segunda etapa comprende las siguientes 5 reacciones que llevan a la finalización del procedo, donde los dos gliceraldehido 3 fosfato se transforman en dos ácidos pirúvico. Es esta etapa la que conlleva la parte oxidativas, por lo que se produce la reducción de las dos moléculas de NAD+ a NADH + H+.
Además, en esta etapa se han de producir 4 moléculas de ATP para dar lugar al balance neto de + 2 ATP, es decir, la liberación de 2 ATP, por eso que esta segunda etapa recibe el nombre de fase de generación de energía. Desde el punto de vista energético, el rendimiento es muy bajo, solamente con la producción de dos moléculas de ATP; pero en este proceso se forma el ácido pirúvico, que participa en otras reacciones en las que la energía neta liberada es mucho mayor. El NADH + H+ en condiciones de aerobiosis, es decir, en presencia de oxígeno, da lugar a agua (reduce al oxígeno) y a la oxidación del mismo a NAD+. Esto es la cadena respiratoria (cadena de transporte electrónico) llevada a cabo en las mitocondrias (por lo que el NADH + H+ ha de entrar en la misma), en la que se libera cierta cantidad de energía aprovechada para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi en la llamada fosforilación oxidativas. El NADH + H+ producido en la glucólisis, con presencia de oxígeno, es utilizado para generar ATP, es decir, energía. Si existen condiciones de anaerobiosis, es decir, sin la presencia de oxígeno, el NADH + H+ ha de ser transformado en NAD+, utilizado en otras reacciones acopladas a las llamadas fermentaciones anaeróbicas.
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De las 10 reacciones, 7 son reacciones reversibles, que van a ocurrir en el proceso contrario, la gluconeogénesis (síntesis de glucógeno a partir de ácido pirúvico); mientras que 3 reacciones son irreversibles.
14.1. GLUCOSA. La glucosa es un hidrato de carbono. Desde el punto de vista químico, estos compuestos se definen como derivados aldehídos o cetonas de alcoholes polihidroxílicos o los compuestos que los producen cuando se hidrolizan. El azúcar glucosa es la más importante. La mayor parte de los hidratos de carbono de la dieta se descomponen en glucosa y otros azúcares simples que son absorbidos por la mucosa intestinal. El hígado convierte estor otros azúcares sencillos, como la fructosa, en glucosa. En el organismo, todos los hidratos de carbono pueden sintetizarse a partir de glucosa. La glucosa es un azúcar sencillo que se denomina monosacáridos porque no puede descomponerse en potro más simple. Se llama hexosa porque contiene seis átomos de carbono y es un azúcar aldosa porque tiene un grupo aldehído. Por tanto, es unos monosacáridos aldohexosa. La fórmula estructural de su cadena es línea recta puede explicar algunas de sus propiedades; pero la estructura cíclica es termodinámicamente más estable y explica todas sus propiedades. Los niveles de glucosa en la sangre y en los tejidos están estrictamente regulados. El exceso se almacena en el hígado y los músculos en forma del hidrato de carbono polisacárido llamado glucógeno.
14.2. LA RUTA DE LA GLICÓLISIS . Al estudiar los cambios bioquímicos que se producen durante la contracción muscular se observó que cuando un músculo se contrae en ausencia de oxígeno (en forma anaerobia), se utiliza el glucógeno y aparecen como productos finales el pirúvico y el lactato. Sin embargo si la contracción ocurre en presencia de oxígeno (de forma aerobia), no se acumula lactato y el pirúvico oxidado completamente hasta dióxido de carbono y agua. En base a estas observaciones, se adoptó la costumbre de distinguir las fases aerobia y anaerobia en el metabolismo de los hidratos de carbono. Pero esta distinción es arbitraria, puesto que las reacciones con o sin oxígeno son las mismas, diferenciándose únicamente en el punto hasta el que se producen y, por tanto, en los productos finales.
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La coenzima esencial NAD (dinucleótido y nicotinamida) es necesaria para un paso de conversión enzimática en la formación del pirúvico. Cuando el oxígeno es deficiente, esta coenzima sólo puede regenerarse por la reoxidación del NADH durante la producción del lactato a partir de pirúvico. Esto es debido a que las centrales eléctricas de las células, las mitocondrias, sólo pueden utilizar NADH en presencia de oxigenó, produciendo NAD, energía (como moléculas de trifosfato de adenosina o ATP) y agua. La glicólisis puede continuar en condiciones anaerobias con la formación de lactato y la regeneración de NAD, pero a cambio de producir menos energía por molécula de glucosa metabolizada.
14.3. REACCIONES DE LA GLUCÓLISIS La glucólisis comienza con la glucosa, donde la primera reacción, irreversible, consiste en una fosforilación en el carbono 6 de la glucosa, originando por tanto la glucosa-6-fosfato. Esto significa la utilización de una molécula de ATP que dona un Pi y queda liberado como ADP. Esta primera reacción está catalizada por un enzima denominado hexokinasa (kinasa = cataliza reacciones de fosforilación) La hexokinasa es un enzima que actúa mediante un mecanismo de ajuste inducido, donde la unión del primer sustraía, la glucosa, induce a un cambio de conformación, mediante el cual se produce un acercamiento de los dominios que engloban al sustraía, adquiriendo su centro activo un carácter a polar favorable para la reacción de fosforilación en el carbono 6 de la glucosa, con la liberación de una molécula de agua. Como bien su nombre indica, hexokinasa, cataliza reacciones de fosforilación de distintas hexosas. Presentan una amplia especificidad de sustraías, aunque presenta gran afinidad hacia la glucosa. Presenta un Km muy bajo. Como mecanismo de regulación, la hexokinasa se inhibe por altas concentraciones de glucosa-6-fosfato. En el hígado encontramos un isoenzima de la hexokinasa denominada glucoquinasa, que cataliza la misma reacción pero con distintas características. Este enzima es específico para la glucosa, pero en cambio tienen menor afinidad por la misma, debido a que su Km es más alto. Esto significa que solo funciona al existir altas concentraciones de glucosa, lo que le permite al hígado ajustar o regular las concentraciones sanguíneas de glucosa.
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La segunda reacción de la glucólisis es reversible, donde se pasa de la glucosa-6fosfato (G6P) a fructosa-6-fosfato (F6P). Se trata de una reacción de isomerización de aldosa a cetosa catalizada por la fosfoglucoisomerasa. ¡Se trata de una reacción en la cual primeramente, la G6P rompe su forma cíclica, se abre, sufriendo unos procesos que dan lugar a la formación de un intermediario de reacción denominado cis-enol, con una corta vida, donde seguidamente se forma la cetosa que al ciclarse da lugar a la forma furanosa de la F6P. Al ser una reacción de isomerización, se transfiere el grupo oxígeno que formaba el aldehído (del carbono 1), al carbono 2, dando lugar a un grupo ceto. Todo esto es catalizado por el enzima. La tercera reacción, también irreversible, conlleva la presencia y consumo de ATP, originando la fructosa-1,6-bisfosfato (FBP). Se trata de una reacción de fosforilación, por lo que está catalizada por una kinasa, concretamente la fosfofructokinasa-1 (PFK-1), que fosforila el carbono 1 de la F6P. Esta reacción irreversible constituye el principal punto de control o regulación de la glucólisis. Se trata del enzima más regulado. Al igual que la anterior reacción irreversible, son ambas lo suficientemente exogámicas (liberan demasiada energía) como para ser prácticamente irreversibles en el organismo in vivo. La cuarta reacción es reversible, y consiste en la ruptura de la molécula de FBP para dar lugar a 3-fosfodihiroxiacetona (DHAP) y a 3-fosfogliceraldehido (G3P), ambas con 3 carbonos. La 3-fosfodihiroxiacetona corresponde a los átomos de carbono 1, 2 y 3 de la FBP; mientras que el también llamado gliceraldehido-3fosfato corresponde a los carbonos 4, 5 y 6, siendo el 6 el 1 de la nueva molécula. El enzima que cataliza esta reacción es una aldolasa, concretamente recibe el nombre de fructosa bisfosfato aldolasa. La aldolasa presentan un su centro activo dos residuos ácido-base de Lys e His. Lo primero que ocurre es la ruptura del anillo de la FBP, para dar lugar a la forma abierta, dejando al carbono 2 con el grupo ceto libre. El primer pasa de la aldolasa mediante un mecanismo de catálisis covalente, consiste en la formación de un enlace entre el carbono 2 del sustrato y el nitrógeno del grupo amino del resto de Lys del centro activo del enzima. Esto
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conlleva la pérdida de una molécula de agua, y da lugar a la denominada base de Schiff. Después actúa el enzima mediante una catálisis ácido-base, concretamente, actúa como una base (generalmente la His) captando un protón. Capta el protón del OH del carbono 3, desencadenando procesos en el que el oxigeno con carga negativa del carbono 3 ataca nucleofílicamente al carbono 4, rompiendo la fructosa por el enlace entre los carbonos 3-4. El resultado son dos moléculas de 3 carbonos, una de las cuales queda aún unida al enzima por el enlace base de Schiff, mientras que la otra molécula es liberada como gliceraldehido-3-fosfato. La molécula unida al enzima es liberada mediante la hidrólisis de la base de Schiff, donde el oxígeno queda como grupo ceto y los dos hidrógenos en el nitrógeno del enzima, cerrando así el ciclo. La quinta y última reacción de la primera etapa de la glucólisis, también reversible, consiste en una isomerización catalizada por la triosa-fosfato isomerasa, cuyo sustrato son las triosas (las dos moléculas anteriores). La función de este enzima es la transformación de uno de los productos de la reacción anterior en el otro. Concretamente, la triosa-fosfato isomerasa cataliza la isomerización del 3fosfodihiroxiacetona a 3-fosfogliceraldehido, dado que este es el sustrato de la siguiente reacción glucolítica. Esto quiere decir que de una molécula de glucosa, en cinco reacciones obtenemos dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato, dando por terminada la primera etapa o fase de la glucólisis.Una vez terminada la etapa de preparación, comienza la fase de generación de energía, es decir, las cinco siguientes reacciones que finalizan la glucólisis, con el objetivo fundamental de aprovechas los fosfatos de las dos moléculas de G3P para sintetizar ATP
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CONCLUSIÓN La célula es la estructura básica de la vida de los distintos organismos. Sólo basta con una de ellas para formar a un ser vivo. El metabolismo celular es esencial para la vida ya que permite un perfecto funcionalismo de todo el organismo. La falla de este sistema puede derivar a una enfermedad; y el estudio del metabolismo se convierte necesario para entender los mecanismos que permiten una salud óptima. En el proceso de la glucólisis, aprendimos que la glucólisis en un proceso que se da en los seres vivos y que se encuentra en el citoplasma de las células, allí la glucosa que ingresa es dividida por acción de enzimas, produciendo así dos moléculas de tres carbonos cada una llamadas Ácido pirúvico, este ácido ingresa en las mitocondrias donde se realiza la respiración celular. También vimos que es el proceso más importante de la segunda etapa del catabolismo ya que puede generar ATP en la ausencia del oxígeno. Este proceso es importante, ya que con este proceso se da la degradación de glucosa para formar energía.
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