METABOLISMO CELULAR
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, que tienen lugar dentro de la célula, mediante las cuales se transforman unas biomoléculas en otras. Las distintas reacciones químicas del metabolismo se denominan rutas o vías metabólicas y las moléculas que intervienen en ellas se denominan metabolitos. El metabolito inicial de una ruta se denomina sustrato y el metabolito final se llama producto. Las conexiones existentes entre diferentes rutas metabólicas recibe el nombre de metabolismo intermediario.
Las rutas metabólicas pueden ser:
lineales
ramificadas
cíclicas
Modalidades de metabolismo
En función de la materia y energía utilizadas el metabolismo puede ser:
Tipos de organismos
según su metabolismo
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Origen
de la energía
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Origen
del carbono
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Ejemplos
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Fotolitótrofos o fotoautótrofos
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Luz
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CO2
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Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre
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Fotoorganótrofos o fotoheterótrofos
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Luz
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Orgánico
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Bacterias purpúreas no sulfúreas
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Quimiolitótrofos
o quimioautótrofos
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Reacciones
químicas
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CO2
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Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre
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Quimioorganótrofos
o quimioheterótrofos
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Reacciones químicas
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Orgánico
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Animales, hongos, protozoos y muchas bacterias
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Fases del metabolismo
Se pueden considerar dos fases: una de degradación de materia orgánica o catabolismo y otra de construcción o síntesis de materia orgánica o anabolismo.
El catabolismo es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas. Se libera energía en forma de ATP. Las reacciones del catabolismo son reacciones de oxidación. La forma de oxidarse es mediante la pérdida de átomos de hidrógeno que se encuentran unidos al carbono (deshidrogenación), o por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación).
El anabolismo es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras más sencillas. Necesita energía proporcionada por el ATP, que puede proceder de las reacciones catabólicas, de la fotosíntesis o de la quimiosíntesis. Las reacciones del anabolismo son reacciones de reducción.
REACCIONES CATABÓLICAS
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REACCIONES ANABÓLICAS
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Son reacciones de degradación
Son reacciones de oxidación
Desprenden energía
A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos (CO2, ácido pirúvico, etanol y pocos más). Hay convergencia en los productos.
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Son reacciones de síntesis.
Son reacciones de reducción
Precisan energía
A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes. Hay divergencia en los productos.
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ATP
El ATP (adenosín trifosfato) es una molécula formada por el nucleótido AMP unido por dos enlaces de alta energía a dos grupos fosfato (H3PO4):
A MP=P=P ATP
Su función consiste en almacenar energía procedente de reacciones exotérmicas para ser utilizada en reacciones endotérmicas:
Cuando se produce una reacción exotérmica, la energía desprendida es aprovechada por el ADP (AMP=P) para unirse a un grupo fosfato formándose el ATP.
A - B A + B
A DP+PI ATP
Cuando se produce una reacción endotérmica, necesita energía que es aportada por el ATP al romperse un enlace de alta energía (7’3 Kcal/mol.) obteniéndose ADP y un grupo fosfato:
A + B A – B
ATP ADP + PI
La síntesis de ATP puede realizarse por dos vías:
Fosforilación a nivel de sustrato: es la síntesis de ATP gracias a la energía que se libera de una biomolécula al romperse alguno de sus enlaces ricos en energía, como ocurre en algunas reacciones de la glucólisis y del ciclo de Krebs. Las enzimas que regulan estos procesos se llaman quinasas.
Mediante enzimas del grupo de las ATP-sintetasas: es la síntesis de ATP mediante las enzimas ATPasas existentes en las crestas de las mitocondrias o en los tilacoides de los cloroplastos, cuando dichas enzimas son atravesadas por un flujo de protones.
Aunque el ATP es la molécula más utilizada como almacén de energía en la célula también existen el GTP, UTP, CTP, TTP.
COFACTORES REDOX
Los átomos de hidrógeno desprendidos en las reacciones de oxidación son captados por unas moléculas llamadas transportadoras de hidrógeno, coenzimas redox o cofactores redox, como son el NAD+, el NADP+ y el FAD, hasta que finalmente son traspasadas a la molécula aceptora final de hidrógeno que se reduce:
NAD+ (forma oxidada) y NADH + H+ (forma reducida): nicotinamida adenina dinucleótido
FAD: flavina adenina dinucleótido y FADH2 (reducido)
CoA-SH: coenzima A, transportadora de grupos acilo (R-CO-) procedentes de ácidos orgánicos.
TIPOS DE CATABOLISMO
Según la naturaleza de la sustancia que se reduce, es decir, que acepta los hidrógenos, se distinguen dos tipos de catabolismo:
Fermentación: donde la molécula que se reduce es siempre orgánica.
Respiración: la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico. Si se trata del oxígeno, se denomina respiración aeróbica, y si es una sustancia distinta del oxígeno, por ejemplo el NO3-, SO42- , etc., se denomina respiración anaeróbica.
En la respiración aeróbica al reducirse el oxígeno se forma agua, mientras que en la anaeróbica, al reducirse el ion nitrato se forma ion nitrito NO2-, y al reducirse el ión sulfato se forma ion sulfito SO32- , etc.
CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
En los animales mediante la digestión, los polisacáridos o disacáridos ingeridos son hidrolizados y convertidos en monosacáridos como la glucosa, la fructosa y la galactosa.
Las reservas de glucógeno del tejido muscular, también pueden ser hidrolizadas, cuando se requiere energía, en unidades de glucosa. De igual manera, en las células vegetales, las reservas de almidón son hidrolizadas a glucosas, y en la fotosíntesis se obtiene glucosa directamente. Como observamos, la glucosa es el monosacárido más importante, por lo que se toma como ejemplo para el catabolismo de los glúcidos.
Glucólisis
Por respiración Ciclo de Krebs
Catabolismo Respiración
de la glucosa Cadena resp.
Por fermentación Glucolisis
Fermentación
LA GLUCÓLISIS
Se llama también ruta de Embden-Meyerhoff y, en ella, la glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico. Esta primera fase del catabolismo glucídico es totalmente anaerobia, y se lleva a cabo en el citoplasma celular. Los diferentes pasos de la glucólisis son los siguientes:
La glucosa se fosforila a glucosa-6-fosfato gracias a la hidrólisis de una molécula de ATP (hexoquinasa)
La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato (fosfoglucosa isomerasa)
La fructosa-6-fosfato se fosforila a fructosa1,6-difosfato, gracias a otra molécula de ATP (fosfofructo-quinasa)
La fructosa1,6-difosfato se rompe en dos moléculas: gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona - fosfato, ambas de 3 carbonos cada una (aldolasa)
La dihidroxiacetona-fosfato puede isomerizarse a gliceraldehido-3-fosfato (triosa fosfato isomerasa), de modo que a partir del paso 5, los productos de la glicólisis deben multiplicarse por dos. La molécula de glideraldehído-3-fosfato se fosforila gracias a un fosfórico inorgánico y se oxida, formándose ácido 1,3-difosfoglicérico; los hidrógenos perdidos van a parar a la coenzima NAD+, que se reduce (gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa).
El ácido 1,3-difosfoglicérico se desfosforila, transformándose en ácido 3-fosfoglicérico y formándose una molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato (fosfoglicerato quinasa)
Se traspasa el grupo fosfórico del ácido 3-fosfoglicérico al carbono 2, obteniéndose ácido 2-fosfoglicérico( fosfoglicerato mutasa)
Formación de un doble enlace en el ácido 2-fosfoglicérico, obteniéndose ácido fosfoenolpirúvico y una molécula de agua (enolasa)
Defosforilación del fosfoenolpirúvico, obteniéndose como producto final ácido pirúvico y una molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato (piruvato quinasa)
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