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Articulación Básico Clínico Comunitaria 1

2018

Módulo Virtual N°5 Introducción al metabolismo

Módulo Virtual N°5 Introducción al metabolismo Objetivos del módulo 

Enunciar las leyes de la termodinámica y relacionarlas con los procesos metabólicos.

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Definir y clasificar el metabolismo.

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Analizar la interdependencia de las reacciones anabólicas y catabólicas.

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Comprender el papel que desempeñan las reacciones de oxido-reducción en los procesos metabólicos.

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Establecer la función de los sistemas NAD y FAD en los procesos metabólicos.

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Caracterizar a los seres vivos por la forma de obtención de energía y de carbono.

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Conocer el modo de acción de las enzimas en los procesos metabólicos.

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Analizar el papel del ATP en la transferencia de energía en los procesos metabólicos.

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Sintetizar los principales pasos del catabolismo de la glucosa.

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Mencionar otras rutas catabólicas y anabólicas.

Contenidos 

Bioenergética. Leyes de la termodinámica. Tipos de Energía. Variación de la energía libre de Gibbs. Reacciones de oxido-reducción

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Metabolismo. Anabolismo y Catabolismo. Obtención de la materia y energía

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Enzimas. Estructura. Cofactores. Regulación de la actividad enzimática.

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ATP

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Visión global de las principales vías catabólicas y metabólicas.

Bibliografía -

Albert L. Lehninger. Principios de Bioquímica (2014). 6ta edición.

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Curtis H, Barnes S, y Col. Biología. (7º ed). Editorial Panamericana. (2007)

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MJ. Noriega Borge, JM. Pérez. Fisiología General (2011). Open Course Ware, Universidad de Cantabria. Disponible en https://ocw.unican.es/course/view.php?id=94.

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1. Bioenergética Con este término se designan los intercambios de energía que se desarrollan en el metabolismo, los cuales obedecen las mismas leyes físicas que cualquier otro proceso natural. Dentro de estas leyes, los principios de la termodinámica son la base para comprender estas transducciones o cambio de energía.

1.1. Las leyes de la termodinámica La primera ley de la termodinámica establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La energía puede almacenarse en varias formas y luego transformarse en otras. Cuando los organismos oxidan carbohidratos, convierten la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía. Por ejemplo, las aves y los mamíferos convierten la energía química en la energía térmica necesaria para mantener su temperatura corporal, así como en energía mecánica, energía eléctrica y otras formas de energía química. En el caso de las reacciones químicas, esto significa que la suma de la energía de los productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan. La segunda ley establece que en todos los procesos naturales la entropía o desorden del universo aumenta. Una característica de los seres vivos es el alto grado de organización que presentan, por lo que se deduce que los procesos vitales consisten en una lucha constante contra la segunda ley de la termodinámica, dejando el aumento de desorden para el resto del entorno o universo y buscando para la materia viva el máximo orden. Todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía.

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1.2. Tipos de energía De todas las posibles formas de energía, analizaremos las siguientes: 

La energía térmica o calor: Debida a la agitación molecular o energía cinética de las moléculas, es medida a través de la temperatura o de cambios en el estado físico de la materia. La unidad de calor es la caloría, o cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua, 1°C.

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La energía mecánica o trabajo: Debida a la aplicación de una fuerza que consigue el desplazamiento de un cuerpo o su deformación. La unida de trabajo es el Julio (J), o trabajo realizado al aplicar a un cuerpo la fuerza de 1 Newton desplazándolo 1 m.

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La energía libre de Gibbs (G): Consiste en un tipo de energía química contenida en los compuestos que participan en una reacción química. Expresa la cantidad de energía capaz de generar trabajo durante una reacción a presión y temperatura constantes. La unidad de medida es la caloría o joule, o bien Kcal/mol o Kjoule/mol (1caloría = 4,184 joules).

1.3. Variación de energía libre en las reacciones metabólicas La determinación de la variación de energía libre (ΔG) en las reacciones metabólicas de cualquier reacción, se realiza mediante la diferencia entre la energía libre de los sustratos y la de los productos de la reacción. Cuando la ΔG es negativa, los productos contienen menos energía que los sustratos. Las reacciones que se desarrollan con una ΔG< 0 se denominan exergónicas (liberadoras de energía, ergon en griego significa trabajo). Según predice la segunda ley, solo pueden ocurrir espontáneamente las reacciones exergónicas o sea las reacciones que reduce la energía libre del sistema. Un ejemplo es la oxidación de la molécula de glucosa donde la ΔG de la reacción es -698,0 Kcal/mol. Por el contrario, un proceso en el cual la energía del estado final es mayor que la del estado inicial, es un proceso que requiere energía. Estas reacciones que tiene una ΔG> 0 se denominan endergónicas (consumidoras de energía) y para que ocurran se requiere un ingreso de energía mayor que la diferencia de energía entre los productos y las sustancias que reaccionan. Un ejemplo es la formación de la sacarosa donde la

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ΔG es +5,5 Kcal/mol. Las reacciones endergónicas son factibles mediante un sistema de acoplamiento a las reacciones exergonicas. Los factores que determinan el ΔG incluyen el cambio en el contenido de calor (ΔH) y el cambio en la entropía (ΔS), que es una medida del comportamiento aleatorio o desorden del sistema. Estos factores se relacionan según la siguiente fórmula: ΔG = ΔH – T ΔS, donde T es la temperatura absoluta.

1.4. Reacciones de oxidación-reducción Los electrones poseen diferentes cantidades de energía potencial dependiendo de su distancia al núcleo del átomo y de la atracción ejercida por el núcleo sobre ellos. Un ingreso de energía lanzará a un electrón a un nivel energético más alto, pero si no se añade energía, el electrón permanecerá en el nivel energético más bajo que encuentre disponible. Las reacciones químicas son, esencialmente, transformaciones de energía en virtud de las cuales la energía almacenada en los enlaces químicos se transfiere a otros enlaces químicos recién formados. En estas transferencias, los electrones se desplazan de un nivel de energía a otro. En muchas reacciones, los electrones pasan de un átomo o molécula a otro. Estas reacciones, que son de gran importancia en los sistemas vivos, se conocen como de oxidación-reducción o redox (Figura 1). La pérdida de un electrón se denomina oxidación y el átomo o molécula que pierde el electrón se dice que se ha oxidado. La razón de que la pérdida de electrones se conozca como oxidación es que el oxígeno, que atrae muy fuertemente a los electrones, es el que por lo general actúa como aceptor de

Figura 1. Esquema de una reacción de oxido-reducción. El átomo que pierde un electrón se oxida, mientras que el átomo que acepta el electrón se reduce.

electrones. La reducción es, por el contrario, la ganancia de un electrón. La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que pierde el átomo

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oxidado es aceptado por otro átomo que se reduce en el proceso. En las reacciones de oxidación-reducción se produce un movimiento de electrones de un átomo a otro. En algunas reacciones de oxidación-reducción, como la oxidación del sodio y la reducción del cloro, se transfiere únicamente un electrón de un átomo a otro. Estas simples reacciones son típicas de los elementos o de las moléculas inorgánicas. En otras reacciones de oxidación-reducción, como esta oxidación parcial del metano (CH4), electrones y protones van juntos. En estas reacciones -muy comunes entre moléculas orgánicas- la oxidación es la pérdida de átomos de hidrógeno y la reducción es la ganancia de átomos de hidrógeno. Cuando un átomo de oxígeno gana dos átomos de hidrógeno, el producto es una molécula de agua. En los sistemas vivos, las reacciones que capturan energía (fotosíntesis) y las reacciones que liberan energía (glucólisis y respiración), son reacciones de oxidaciónreducción. La oxidación completa de un mol de glucosa libera 686 kilocalorías de energía libre; de modo inverso, la reducción del dióxido de carbono para formar un mol de glucosa almacena 686 kilocalorías de energía libre en los enlaces químicos de la glucosa. Si esta energía fuera liberada de una sola vez, la mayor parte se disiparía como calor. Esto no solamente no sería útil para la célula, sino que la alta temperatura resultante sería letal. Sin embargo, la vida ha evolucionado adquiriendo mecanismos que regulan la marcha de estas reacciones químicas y una multitud de otras, de modo tal que la energía se almacena en enlaces químicos particulares de los que puede ser liberada en pequeñas cantidades cuando la célula lo necesite. Estos mecanismos permiten un aprovechamiento eficaz de la energía sin alterar el delicado equilibrio que caracteriza a los sistemas biológicos. Implican generalmente secuencias de reacciones, algunas de las cuales son reacciones de oxidación-reducción. Aunque cada reacción en la secuencia representa solamente un pequeño cambio en la energía libre, el cambio global de energía libre para la secuencia puede ser considerable

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2. Metabolismo El conjunto de todas las transformaciones químicas que se producen en una célula un organismo recibe el nombre de metabolismo . Es una actividad muy coordinada cuyos objetivos de forma sintética serían: obtención de energía del medio ambiente y obtención de moléculas características de la propia célula. Para llevar a cabo el metabolismo se dispone de cientos o miles de reacciones químicas distintas, catalizadas por enzimas. Las reacciones están organizadas en rutas o vías metabólicas. En una ruta metabólica se encadenan una serie de transformaciones que individualmente suponen pequeños cambios químicos. En esta secuencia o cadena de pasos, un precursor se convierte en un producto, a través de una serie de moléculas intermediarias que se denominan metabolitos. El término metabolismo intermediario se utiliza para la actividad combinada de todas las rutas que interconvierten compuestos de bajo peso molecular. El metabolismo se divide en dos procesos conjugados, el catabolismo y el anabolismo (Figura 2): 

El anabolismo es la fase constructiva del metabolismo, en la cual tiene lugar la síntesis de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucléicos, las proteínas, los polisacáridos y los lípidos a partir de moléculas precursoras de estructura más sencilla y de menor tamaño. Este proceso biosintético requiere energía química para poder ser llevado a cabo, es decir, es un proceso endergónico. La construcción de biomoléculas orgánicas altamente hidrogenadas requiere electrones para reducir a sus precursores relativamente oxidados. En resumen, el anabolismo es un proceso constructivo, reductor y endergónico.

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El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la cual moléculas orgánicas complejas y relativamente grandes como los polisacáridos o las proteínas se degradan para dar lugar a moléculas de estructura más simple y de menor tamaño tales como el ácido láctico, CO 2, agua, amoníaco o urea. Este proceso degradativo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas que se degradan; es por lo tanto un proceso exergónico. Muchas reacciones del catabolismo suponen una oxidación, es decir, una pérdida de electrones, de los sustratos orgánicos que

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se degradan. En resumen, el catabolismo es un proceso degradativo , oxidante y exergónico.

Figura 2. El metabolismo se divide en procesos anabólicos y catabólicos. Notar la interdependencia de ambos procesos.

Las rutas catabólicas son rutas convergentes, (muchas macromoléculas nutrientes son convertidas en los mismos productos finales), mientras que las sintéticas son divergentes (unos pocos precursores dan muchos productos distintos). Aunque el estudio de cada ruta en el texto se realiza de manera aislada y estanca, hay que tener en cuenta que ambos procesos transcurren conjuntamente en el espacio y en el tiempo, compartiendo en muchos casos intermediarios, y manteniendo un equilibrio dinámico entre las distintas reacciones o rutas, con el fin de garantizar las condiciones necesarias para el mantenimiento de las estructuras y funciones del ser vivo.

2.1. Obtención de materia y energía Los seres vivos se dividen en 2 grandes grupos atendiendo a la forma de obtención de energía (Figura 3): 

Organismos autótrofos (como las bacterias fotosintéticas y las plantas superiores): Son aquéllos que utilizan como fuente de energía, la energía solar, y como fuente de carbono, el CO2 atmosférico para formar sus moléculas. La palabra "autótrofa" significa etimológicamente "que se alimenta por sí misma". Las células autótrofas Articulación Básico Clínico Comunitaria 1

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son relativamente autosuficientes ya que no dependen de otras células para alimentarse. 

Organismos heterótrofos (como el ser humano): Son aquéllos que utilizan como fuente de materia y energía las moléculas orgánicas sintetizadas por los organismos autótrofos. Las biomoléculas que se ingieren con los alimentos constituyen el suministro tanto de materia como de energía; la materia, a través de sus elementos químicos constituyentes, y la energía en los enlaces químicos, cuya degradación permitirá al organismo heterótrofo la generación de energía metabólica utilizable para las funciones biológicas. La palabra "heterótrofa" significa etimológicamente "que se alimenta de otros". En la biosfera la materia experimenta un ciclo continuo pasando de los seres

autótrofos a los heterótrofos, y de nuevo a los primeros, mediante una serie de transformaciones cíclicas; en cambio la energía sólo se moviliza en una única dirección, el origen de la misma es el sol y termina degradándose en forma de energía calorífica o térmica. La transformación de la energía química de los nutrientes, para conseguir energía metabólica, constituye capítulo de estudio de la bioenergética.

Figura 3. Flujo de la energía. Los organismos autótrofos (plantas,basterias) capturan la energía radiante del Sol y sintetizan moléculas orgánicas a partir de CO2. Estas biomoléculas son utilizas por los organismos heterótrofos como fuente de materia y energía.

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3. Las enzimas Para reaccionar, las moléculas deben poseer suficiente energía, la energía de activación, a fin de chocar con suficiente fuerza para superar su repulsión mutua y debilitar los enlaces químicos existentes. Las enzimas actúan como catalizadores; disminuyen la energía de activación incrementando enormemente la velocidad a la que se producen las reacciones químicas en las células (Figura 4). Una reacción no catalizada requiere más energía de activación que una catalizada, como una reacción enzimática. La menor energía de activación en presencia del catalizador frecuentemente está dentro del intervalo de energía que poseen las moléculas, de tal modo que la reacción puede ocurrir rápidamente, sin adición o con poca adición de energía. Las moléculas sobre la cual actúa una enzima se conoce como sustrato. La reacción catalizada transforman los sustratos en moléculas diferentes denominadas productos .

Figura 4. Energía de activación y reacciones. Aunque una reacción sea favorable termodinámicamente (ΔG Dióxido de Carbono + Agua + Energía En condiciones anaeróbicas (en ausencia de oxigeno), el proceso de fermentación transforma al ácido pirúvico producido por la glucólisis o en etanol o en ácido láctico. Este proceso, llamado fermentación (Figura 10).

Figura 10. Esquema global de la oxidación de la glucosa.

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6. Otras vías catabólicas y anabólicas La mayoría de los organismos no se alimentan directamente de glucosa. ¿Cómo extraen energía de las grasas o de las proteínas? La respuesta radica en el hecho que el ciclo de Krebs es un gran centro de comunicaciones para el metabolismo de energía. Otros alimentos son degradados y convertidos a moléculas que pueden entrar en esta vía central. Dado que muchas de estas sustancias, como las proteínas y los lípidos, pueden degradarse y entrar en la vía central, se puede suponer que es posible el proceso inverso, o sea, que los distintos intermediarios de la glucólisis y del ciclo de Krebs pueden servir como precursores para la biosíntesis. Y así es. Sin embargo, las vías biosintéticas, aunque son semejantes a las catabólicas, se diferencian de ellas (Figura 11). Hay enzimas diferentes que controlan los pasos y hay varios pasos críticos del anabolismo que difieren de los de los procesos catabólicos. Las rutas que son, en todo o en parte, comunes al catabolismo y al anabolismo; reciben el nombre de rutas anfibólicas. Para que ocurran las reacciones de las vías catabólica y anabólica debe haber un suministro constante de moléculas orgánicas que puedan ser degradadas para producir energía y deben estar presentes moléculas que serán los ladrillos de construcción. Sin el suministro de estas moléculas, las vías metabólicas dejan de funcionar y la vida del organismo finaliza.

Figura 11. Vías principales del catabolismo y el anabolismo

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