METABOLISMO CELULAR
En un sentido amplio, metabolismo es el conjunto de todas
las reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un
organismo. Mediante esas reacciones se transforman las moléculas nutritivas
que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a ellas.
Reacciones Celulares Básicas. Los sistemas vivos convierten la
energía de una forma en otra a medida que cumplen funciones esenciales de
mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas conversiones energéticas,
como en todas las demás, parte de la energía útil se pierde en el ambiente en
cada paso.
Los seres vivos que sintetizan su propio alimento se conocen
como autótrofos. La mayoría de los autótrofos usan la energía del sol para
sintetizar su alimento. Las plantas verdes, las algas y algunas bacterias son
autótrofas que poseen organelos especializados donde ocurre la síntesis del
alimento.
Existen otros seres que no pueden sintetizar su propio
alimento.
Estos seres se conocen como heterótrofos. Los animales y los
hongos son ejemplo de organismos heterótrofos porque dependen de los autótrofos
o de otros heterótrofos para su alimentación. Una vez que el alimento es
sintetizado o ingerido por un ser vivo, la mayor parte se degrada para producir
energía que necesitan las células.
El total de todas las reacciones que ocurren en una célula
se conoce como metabolismo. Aquellas reacciones en que sustancias simples se
unen para formar sustancias más complejas se llaman reacciones anabólicas. Por
ejemplo, las reacciones en las que la célula construye moléculas de proteínas
son reacciones anabólicas.
Otras reacciones son las reacciones catabólicas que son
aquellas en las cuales sustancias complejas se degradan para convertirse en
sustancias más simples. Las proteínas, los polisacáridos y otras moléculas se
rompen en moléculas más sencillas mediante reacciones catabólicas.
La glucosa y la fructosa se unen, enlazándose a través de un
átomo de oxígeno. Y forman la sacarosa.
Esta es una reacción anabólica y como se elimina agua, a esta reacción se le
conoce como síntesis por deshidratación.
Los polisacáridos y las proteínas se sintetizan por la
reacción de síntesis por deshidratación.
El disacárido maltosa
al agregarle agua se descompone en dos moléculas de glucosa. Esto forma parte
del proceso llamado catabolismo y la reacción específica se le conoce con el
nombre de hidrólisis.
Mediante la hidrólisis, se degradan las moléculas grandes
que se encuentran en las células vivas. Los hidratos de carbono, los lípidos y
las proteínas se degradan por hidrólisis en moléculas más pequeñas y útiles.
El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:
·Obtener energía química utilizable por la célula, que se
almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato). Esta energía se obtiene por
degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por
degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que
se almacenan como reserva.
Al producirse en las células de un organismo, se dice que
existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en
ellos se produce una continua reacción química.
Estas reacciones químicas metabólicas (repetimos, ambas
reacciones suceden en las células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y
anabolismo.
El catabolismo (fase destructiva) Su función es reducir, es
decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple.
Catabolismo es, entonces, el conjunto de reacciones
metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas
(glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se
rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más
sencillas (CO2, H2O, ácido láctico, amoniaco, etcétera) y
liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP
(adenosín trifosfato). Esta energía será utilizada por la célula para realizar
sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de
moléculas).
El catabolismo aeróbico: 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.
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.
Las reacciones catabólicas se caracterizan por:
Son reacciones degradativas, mediante ellas compuestos
complejos se transforman en otros más sencillos.
Son reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los
compuestos orgánicos más o menos reducidos, liberándose electrones que son
captados por coenzimas oxidadas que se reducen.
Son reacciones exergónicas en las que se libera energía que
se almacena en forma de ATP.
Son procesos convergentes mediante los cuales a partir de
compuestos muy diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO2,
ácido pirúvico, etanol, etcétera).
EL ANABOLISMO (fase constructiva): 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) 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. 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.
Las reacciones anabólicas se caracterizan por:
Son reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de
compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos.
Son reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos
más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las
coenzimas reducidas (NADH,
FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.
Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de
energía que procede de la hidrólisis del ATP.
Son procesos divergentes debido a que, a partir de unos
pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.
Rutas metabólicas: En las células se producen una gran
cantidad de reacciones metabólicas (tanto catabólicas como anabólicas), estás
no son independientes sino que están asociadas formando las denominadas rutas
metabólicas. Por consiguiente 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 (como la glucólisis o glicólisis).
Mediante las distintas reacciones que se producen en una
ruta un sustrato inicial se transforma en un producto final, y los compuestos
intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Todas estas reacciones están
catalizadas por enzimas específicas.
Tipos de rutas metabólicas.
Las rutas metabólicas pueden ser:
Lineales. Cuando el sustrato de la primera reacción
(sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última
reacción.
Cíclicas. 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 se forma en alguna etapa intermedia y que sale
de la ruta.
Frecuentemente los
metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de reacciones
de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes
metabólicas complejas.
Características de las rutas metabólicas.
Todas son irreversibles y globalmente exergónicas.
Las rutas en los dos sentidos nunca pueden ser iguales
porque si lo fuesen uno de los dos nunca se podría realizar. Los pasos
distintos permiten asegurar los procesos en los dos sentidos. Hay muchos pasos
comunes pero no todos.
Las rutas metabólicas están localizadas en unos
compartimentos específicos lo que permite regularlas eficazmente.
En todas las rutas
hay una reacción inicial que es irreversible y que desprende mucha
energía, necesaria para llegar al final de la misma.
Todas las rutas están reguladas. Cada reacción tendrá su
enzima.
Tipos metabólicos de seres vivos:
No todos los seres vivos utilizan la misma fuente de carbono
y de energía para obtener sus biomoléculas. Teniendo en cuenta la fuente de
carbono que utilicen existen dos tipos de seres vivos:
Autótrofos, utilizan
como fuente de carbono el CO2. (Vegetales verdes y muchas
bacterias).
Heterótrofos,
utilizan como fuente de carbono los compuestos orgánicos. (Animales hongos y
muchas bacterias).
Organismo fotosintético o fotoautótrofo. Ahora, teniendo en
cuenta la fuente de energía que utilicen se diferencia dos grupos:
Fotosintéticos, utilizan como fuente de energía la luz
solar.
Quimiosintéticos, utilizan como fuente de energía, la que se
libera en reacciones químicas oxidativas (exergónicas).
Según cuál sea la fuente de hidrógeno que utilicen pueden
ser:
Litótrofos, utilizan como fuente de hidrógeno compuestos inorgánicos,
como H2O, H2S, etc,
Organótrofos, utilizan como fuente de hidrógenos moléculas
orgánicas.
Tomando en su conjunto todos estos aspectos, se pueden
diferenciar cuatro tipos metabólicos de seres vivos:
Fotolitótrofos o fotoautótrofo: También se denominan
fotosintéticos. Son seres que para sintetizar sus biomoléculas utilizan como
fuente de carbono el CO2; como fuente de hidrógeno, compuestos
inorgánicos, y como fuente de energía, la luz solar. A este grupo pertenecen:
las plantas, las algas, las bacterias fotosintéticas del azufre, cianofíceas.
Organismo quimioheterótrofo o heterótrofo.
Fotoorganótrofos o fotoheterótrofos: Son seres que utilizan como
fuente de carbono compuestos orgánicos, como fuente de hidrógeno compuestos
orgánicos y como fuente de energía la luz. A este grupo pertenecen bacterias
púrpuras no sulfuradas.
Quimiolitótrofos o quimioautótrofos: Se les denomina también
quimiosintéticos. Son seres que utilizan como fuente de carbono el CO2, como
fuente de hidrógenos compuestos inorgánicos y como fuente de energía la que se
desprende en reacciones químicas redox de compuestos inorgánicos. A este grupo
pertenecen las llamadas bacterias quimiosintéticas como las bacterias nitrificantes,
las ferrobacterias, etc.
Quimioorganótrofos o quimioheterótrofos: También se les
denomina heterótrofos. Son seres que utilizan como fuente de carbono compuestos
orgánicos, como fuente de hidrógenos compuestos orgánicos y como fuente de energía
la que se desprende en las reacciones redox de los compuestos orgánicos.
A este grupo pertenecen los animales, los hongos, los
protozoos y la mayoría de las bacterias.
EL CONTROL DE LAS REACCIONES CELULARES
Una reacción endergónica es una reacción química que
necesita o utiliza energía. En las plantas, se necesita energía de la luz para
producir alimento; por lo tanto, la producción de alimento en las plantas es
una reacción endergónica.
A una reacción que libera energía se conoce como una
reacción exergónica. Muy a menudo, la
energía se libera en forma de calor; en las células, las reacciones exergónicas
suplen la energía para llevar a cabo las actividades de la célula.
Enzimas
Las células poseen compuestos químicos que controlan las
reacciones que ocurren en su interior. La sustancia que controla la velocidad a
la que ocurre una reacción química sin que la célula sufra daño alguno ni se
destruya se conoce como un catalizador. Las enzimas son proteínas que actúan
como catalizadores en las células y hacen posible las reacciones.
Una enzima actúa sobre una sustancia específica llamada
sustrato. Recibe su nombre del sustrato sobre el cual actúa. A una parte del
nombre del sustrato se le añade el sufijo -asa.
Ejemplo: Para los sustratos como la Maltosa, Urea o Lactosa, las enzimas
correspondientes serán Maltasa para la maltosa, Ureasa para la urea y Lactasa
para la lactosa.
Desnaturalización de las Proteínas. Es la ruptura de enlaces
en las moléculas proteicas por efecto de la alta temperatura.
Enzimas: La forma y
la estructura de una enzima determinan la reacción que puede catalizar. La
enzima se une al sustrato para formar un complejo enzima-sustrato o E-S, de tal
manera que la enzima y el sustrato se ajustan perfectamente. El lugar donde la
enzima recibe al sustrato se le conoce como sitio activo.
Cuando se forma el E-S, la energía de activación disminuye,
esta energía de activación menor permite que la reacción ocurra más rápidamente
que si no estuviese presente la enzima.
Factores que Afectan.
Los factores que afectan la actividad de una enzima son los
factores que afectan a una proteína:
a) La temperatura.
b) El pH
c) La concentración del sustrato.
La desnaturalización
de las proteínas se realiza por la exposición a altas temperaturas. Estas
rompen algunos enlaces. Esto hace que las enzimas disminuyan o pierdan su
actividad.
