METABOLISMO

1. Introducción al metabolismo.

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar dentro de la célula. Está formado por vías metabólicas formadas por una molécula inicial y un producto final. Todas estas reacciones necesitan de la presencia de catalizadores biológicos específicos para que se desarrollen: los enzimas.

El metabolismo de un organismo transforma la materia y la energía, y está sujeto a las leyes de la termodinámica:

• Primera ley de la termodinámica: “La energía ni se crea ni se destruye, sino que se transfiere, se transforma”. La energía constituye un flujo que entra en el ecosistema y se utiliza para realizar trabajo mecánico, químico, etc., y una parte se desprende en forma de calor.

• Segunda ley de la termodinámica: “Cada transferencia o transformación de energía incrementa la entropía o desorden del universo”. Así, las células construyen estructuras ordenadas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, etc.), reduciendo su entropía y aumentando la entropía de su entorno.

2. Tipos de metabolismo.

En el metabolismo se distinguen dos fases:

· Catabolismo, o fase destructiva. En ella las moléculas nutritivas complejas y relativamente grandes que proceden del medio externo o de los propios depósitos de reserva son degradadas a moléculas más sencillas denominadas precursores metabólicos. El catabolismo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas y a su conservación en forma de ATP.

· Anabolismo, o fase constructiva. En ella tiene lugar la biosíntesis enzimática de componentes moleculares a partir de moléculas más sencillas. Esta síntesis requiere el aporte de energía que será suministrada por el ATP.

El catabolismo y el anabolismo se desarrollan simultáneamente y de forma concurrente en la célula, pero son regulados independientemente.

3. Energía libre y reacciones biológicas.

La energía libre mide la porción de energía de un sistema que realiza trabajo cuando la temperatura y la presión son uniformes en todo el sistema, tal como ocurre en la célula viva.

· Reacciones exergónicas y endergónicas. En función de los cambios de energía libre, las reacciones químicas se clasifican en:

• Reacciones exergónicas (o exotérmicas). Aquellas en las que se libera energía. Por ejemplo, la respiración celular. Son espontáneas.

• Reacciones endergónicas (endotérmicas). Aquellas que necesitan energía para producirse. Por ejemplo, la fabricación de glucosa en las plantas mediante la fotosíntesis. No son reacciones espontáneas.

· El ATP, acoplador entre reacciones exergónicas y endergónicas. El acoplamiento energético es el uso de un proceso exergónico para que se lleve a cabo un proceso endergónico. Se utiliza la energía liberada en un proceso exergónico para que se desarrolle un proceso endergónico. El ATP es el responsable de mediar en el acoplamiento energético de las células, es la moneda energética.

• Hidrólisis del ATP. Gracias a sus enlaces de alta energía, al hidrolizar el ATP para formar ADP se liberan 7,4 Kcal/mol. Si se hidrolizan dos grupos fosfato se obtiene AMP, se libera el doble de energía, aproximadamente.

• Regeneración o síntesis del ATP. Se recupera a partir de ADP y fosfato inorgánico, con liberación de una molécula de agua.

• El ciclo del ATP. El ATP acopla procesos donde se libera energía con procesos endergónicos. La respiración celular es la vía catabólica principal en proporcionar la energía para el proceso endergónico de síntesis de ATP. La energía liberada en la hidrólisis del ATP tiene múltiples empleos: reacciones endergónicas, contracción muscular, movimientos celulares, división celular, etc. Parte de esa energía consumida se desprende en forma de calor.

· Reacciones redox. Son reacciones químicas en las que hay transferencia de electrones de uno átomo a otro, o de una molécula a otra:

• Oxidación es la pérdida de electrones de un átomo o de una molécula. Se dice que el átomo o la molécula se han oxidado.

• Reducción es la ganancia de electrones de un átomo o de una molécula. Se dice que el átomo o la molécula se han reducido.

La oxidación y la reducción siempre ocurren de forma simultánea. Los electrones que pierde el átomo oxidado son aceptados por otro átomo que se reduce en el proceso. En los sistemas biológicos, a veces el electrón va acompañado de un protón, es decir como átomo de hidrógeno. En este caso, la oxidación es, además, una deshidrogenación e implica la eliminación de átomos de hidrógeno. Y la reducción supone, por el contrario, una ganancia de átomos de hidrógeno (protones y electrones).

· Obtención de energía en la célula. Las reacciones metabólicas están acopladas energéticamente a través del ATP que se puede sintetizar de tres formas diferentes:

4. Los enzimas como biocatalizadores.

4.1. Concepto de enzima.

Un catalizador es un agente químico que acelera una reacción sin ser consumido por ella. Los enzimas son proteínas globulares con estructura terciaria o cuaternaria altamente especializadas, cuya función es la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se producen en los seres vivos.

En toda reacción química se produce la transformación de una sustancia A en otra B. Esta transformación necesita un paso intermedio en el cual la sustancia A (reactivo) se activa, de forma que sus enlaces se debilitan y se favorece su ruptura y transformación en la sustancia B (producto). Este paso intermedio recibe el nombre de estado de transición o complejo activado y requiere un aporte de energía llamada energía de activación, que se recupera posteriormente al terminar la reacción. Con el fin de reducir la energía de activación en una reacción se utilizan los catalizadores.

4.2. Naturaleza química y estructura de los enzimas.

Todos los enzimas son proteínas, pero pueden estar formados sólo por cadenas polipeptídicas o pueden contener otro grupo no proteico. En este caso la parte proteica se denomina apoenzima, y la parte no proteica se denomina grupo prostético, el cofactor. Cuando el cofactor es un nucleótido de naturaleza vitamínica se le denomina coenzima. Si se trata de un catión metálico se utiliza el término genérico: cofactor.

apoenzima + coenzima o cofactor = holoenzima (enzima activo)

El apoenzima se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión sobre el sustrato; la coenzima y el cofactor son los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción, es decir, la catálisis en sentido estricto.

4.3. Propiedades de los enzimas.

· Solubilidad. Al tener estructura globular, son solubles en agua.

· Desnaturalización. Por su carácter proteico, poseen todas las propiedades de las proteínas, de las cuales, la más importante es su capacidad de desnaturalizarse al ser sometidos a cambios de pH, de temperatura y a elevadas concentraciones salinas. Necesitan unas condiciones óptimas para desarrollar su actividad catalítica.

· Regeneración. Al no intervenir directamente en la reacción, los enzimas se regeneran una vez concluida la reacción, por lo que una pequeña cantidad de enzima es suficiente para catalizar la reacción de un gran número de moléculas de sustrato.

· Especificidad. Cada enzima actúa sobre un sustrato específico. Pero la afinidad o especificidad entre el enzima y el sustrato puede variar. Existen tres tipos de especificidad.

4.4. Mecanismo de acción enzimática. El centro activo.

El reactivo sobre el cual actúa un enzima se denomina sustrato. Cada enzima se une sólo a un tipo de sustrato que encaja como una llave en su cerradura (teoría de la “llave y la cerradura”, 1894, de Fischer); según Koshland (teoría del “ajuste inducido”, 1958) el sustrato ajustaría casi a la perfección en su centro activo o centro de reacción (localizado en la superficie del enzima o en una zona de fácil acceso) para que el enzima se amolde a él y forme el complejo enzima-sustrato. Según Koshland, el enzima tiene tres tipos de aminoácidos:

Y la reacción entre el enzima y es sustrato se produce como sigue:

E + S [E-S] [E-S]* [EP] E + P

4.5. Cinética enzimática.

La cinética enzimática estudia la velocidad a la que transcurren las reacciones catalizadas por enzimas, la actividad del enzima, su afinidad por el sustrato, etc.

En 1913, L. Michaelis y M. Menten estudiaron la velocidad de una reacción catalizada enzimáticamente, en función de una variable (la concentración de sustrato [S]), y para una cantidad constante de enzima (E). Midieron la velocidad de la reacción en cantidad de producto formado por unidad de tiempo y lo representaron en una gráfica. Luego, dedujeron la ecuación que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de sustrato, que se denominó ecuación de Micaelis-Menten:

[S]

V = Vmax ------------

KM + [S]

Observando la gráfica se comprueba que a medida que aumentamos la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de reacción. Pero llega un momento en que por más cantidad de sustrato que se utilice, la velocidad no se eleva o, es decir, hemos alcanzado la velocidad máxima de la reacción (Vmax). Esto indica que todas estas moléculas se encuentran en forma de complejo enzima-sustrato y no aceptan más sustrato, ya que la cantidad de enzima es constante. Se ha producido una saturación del enzima por el sustrato.

Para medir la afinidad de un enzima hacia el sustrato se utiliza un valor, la constante de Michaelis-Menten (KM). Dicho valor equivale a la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.

Si V = Vmax/2 [S] = KM

Si la magnitud de la KM es pequeña, quiere decir que se alcanza rápidamente la mitad de la velocidad máxima y, en consecuencia, la afinidad del enzima hacia el sustrato es grande.

Por el contrario, si la KM es grande, significa que se tarda en alcanzar dicha velocidad, es decir, esa cantidad de producto y, por lo tanto, la afinidad entre ambos es pequeña.

4.6. Factores que influyen en la actividad enzimática.

La actividad de un enzima y, por tanto, su velocidad puede verse afectada por la temperatura, el pH, la concentración de sustrato y la presencia de moléculas distintas del sustrato (moduladores), que pueden ser activadoras o inhibidoras.

· Temperatura. Si se suministra a una reacción enzimática energía en forma de calor, se favorece la movilidad de las moléculas de enzima y de sustrato y, por tanto, el número de encuentros se incrementa; pero sólo hasta cierto límite, ya que si la temperatura es excesiva, el enzima, cuya estructura es proteínica, se desnaturaliza, perdiendo totalmente sus propiedades, de forma que la actividad enzimática cesa. Cada enzima tiene su temperatura óptima a la que la velocidad de reacción es máxima.

· pH. Todos los enzimas tienen dos valores límite de pH entre los cuales son efectivos (entre 6 y 8, para la mayoría de los enzimas). Traspasados estos valores, el enzima se desnaturaliza y se inactiva irreversiblemente. Entre estos valores extremos se sitúa el pH óptimo, que depende del tipo de enzima y de sustrato.

· [S]. En toda reacción enzimática, si se incrementa la concentración de sustrato, manteniendo fija la concentración de enzima. Se produce un aumento de la velocidad de formación del producto. Se puede explicar considerando que, al abundar más las moléculas del sustrato, son más probables los "encuentros" o 'choques" entre estas moléculas y las del enzima. Al alcanzar la Vmax se produce la saturación del enzima por el sustrato: todas las moléculas de enzima están ocupadas en un instante dado, debiendo esperar a que alguna quede libre, para unirse a ella.

· Presencia de inhibidores. Los inhibidores enzimáticos son sustancias capaces de unirse a la molécula de enzima e impedir al sustrato la formación del complejo enzima-sustrato y, por tanto, que haya actividad enzimática. Si el inhibidor se une al enzima mediante enlaces covalentes, la inhibición es irreversible y se denomina envenenamiento del enzima; si se une al enzima mediante enlaces débiles, la inhibición es reversible. Hay varios tipos de inhibición reversible:

4.7. Cofactores.

Son necesarios para ejercer la acción catalítica por parte de los enzimas; pueden ser simples cationes metálicos o moléculas orgánicas derivadas de vitaminas, las coenzimas:

• NAD+ (Nicotinamín-adenín-dinucleótido). Es una coenzima de enzimas deshidrogenasas: recibe los hidrógenos de un sustrato que se oxida y los transfiere a otro aceptor (cadena transportadora de electrones).

• NADP+ (Nicotinamín-adenín-dinucleótido-fosfato). Actúa también captando protones y electrones pero en reacciones anabólicas como la fotosíntesis.

• FAD (Flavín-adenín-dinucleótido). Tiene función de transporte de protones y electrones, similar al NAD+, forma parte de la cadena transportadora de electrones.

• CoA (Coenzima A). Sirve de transportador de grupos acetilo, formando acetil-CoA, un intermediario muy importante del metabolismo de los glúcidos y de los lípidos.

• CoQ (Coenzima Q o Ubiquinona). Se encuentra en la membrana interna de la mitocondria formando parte de la cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones.

4.8. Clasificación de los enzimas.

En general, el nombre que se le da al enzima es del sustrato sobre el que actúa seguido del sufijo -asa. Por ejemplo, la ureasa cataliza la descomposición de la urea. Sin embargo, esta nomenclatura, en ocasiones, resulta engañosa o informa muy poco de la reacción que se cataliza. Por ello se ha adoptado una clasificación sistemática siguiendo las directrices de la Comisión Internacional de Enzimas (IEC). Según esta organización, cada enzima puede ser nombrado de tres maneras:

Las seis clases de enzimas, según la función que realizan, son: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas:

4.9. Compartimentación celular.

Las reacciones metabólicas están compartimentadas. Distintas clases de vías metabólicas están separadas en compartimentos o territorios celulares diferentes, como consecuencia de la diferente localización de los enzimas que las catalizan; esto que evita gran número de interferencias entre ellas y hace posible que se desarrollen al mismo tiempo, facilitándose también el control al que nos referíamos antes.

- En el citosol transcurren la glucólisis, las fermentaciones de la glucosa, la gluconeogénesis (biosíntesis de glucosa), biosíntesis y degradación del glucógeno, biosíntesis de lípidos (sólo ácidos grasos y triglicéridos) y biosíntesis de aminoácidos.

- En las mitocondrias tiene lugar la respiración aerobia de la glucosa (ciclo de Krebs, reacciones de la cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones), la respiración aerobia de los ácidos grasos y la degradación de los aminoácidos.

- En los cloroplastos se produce la fotosíntesis (tanto la fase fotoquímica como la fase biosintética, que incluye el ciclo de Calvin) y una parte de la fotorrespiración.

Absoluta, cuando el enzima sólo reconoce a un único tipo de sustrato.

Relativa o de grupo, cuando el enzima es capaz de reconocer a un grupo de moléculas similares que poseen un tipo determinado de enlace, por lo que un mismo enzima puede actuar sobre varios sustratos.

Estereoespecificidad. La presentan aquellos enzimas que no sólo reconocen a uno solo de los sustratos de la reacción sino que cataliza exclusivamente la reacción en la que interviene uno de los posibles isómeros de una molécula.