Metabolismo Celular: Fundamentos y Procesos
Metabolismo Celular
Metabolismo: Conjunto de reacciones catalizadas por enzimas, las cuales le permiten a la célula obtener energía (química), realizar su funcionamiento celular y sintetizar sus biomoléculas.
Ejemplos:
- Conversión de moléculas
- Síntesis y degradación de biomoléculas
- Polimerización de moléculas
Catabolismo y Anabolismo
Catabolismo: Macromolécula degradada hasta productos químicamente más simples.
Anabolismo: Síntesis de moléculas a partir de precursores químicamente más sencillos.
Organización y Finalidad (Rutas Metabólicas)
Lineales: Son aquellas en las que se parte de un metabolito inicial que se va transformando y origina otro distinto.
Cíclicas: Secuencia de reacciones que se inicia con un metabolito, el que es regenerado en la reacción final.
Espirales: El o los productos de la ruta se originan de un grupo de reacciones repetitivas.
Metabolito e Intermediario Metabólico
Metabolito: Toda molécula que participa como sustrato o producto de una reacción metabólica.
Intermediario metabólico: Aquella molécula que conecta o es compartido por rutas metabólicas diferentes.
Termodinámica y Bioenergética
Termodinámica es el área de las ciencias que estudia los intercambios de energía en un sistema, en base a una descripción cuantitativa de las variaciones del contenido calórico y energético entre los estados inicial y final de tal sistema.
Bioenergética: Rama de la Bioquímica que estudia los procesos de transformación (transferencia y utilización) de la energía en los organismos vivos.
Primera Ley de la Termodinámica
“La energía de un sistema y su entorno es constante”, “la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sólo puede ser transformada en calor y trabajo”.
El calor puede ser absorbido por un sistema desde el medio ambiente o puede ser producido por un sistema y ser absorbido por el medio que rodea al sistema. El trabajo es realizado por el sistema sobre el medio ambiente. La primera ley postula que existe una función de energía interna (E), la cual es dependiente sólo del estado actual del sistema y es una función de estado.
ΔE = E (productos) – E (reactantes) = Q – W
Q = calor absorbido por el sistema
W = trabajo realizado
ΔE = variación de energía interna del proceso.
A presión constante, el trabajo realizado por el sistema es, W = P·ΔV, de modo que la expresión anterior puede ser planteada como: Q = ΔE + P·ΔV indicando que el calor consumido o desprendido por un proceso a presión constante dependerá de tres variables termodinámicas: la variación de energía interna, la presión y la variación de volumen. La energía calórica del sistema a presión constante se denomina entalpía (H) del sistema y es otra función de estado. Así, la variación de entalpía del sistema se expresa como: ΔH = ΔE + P·ΔV
ΔH: variación de entalpía
P: presión
ΔV: variación de volumen
Si la entalpía es negativa: el sistema cede energía (calor) al entorno. (Exotérmico)
Si es positiva: el sistema absorbe energía del entorno (Endotérmico)
La variación de entalpía del sistema se abrevia ΔHº’ (concentración 1 M, 25º C, pH 7, 1 atm).
Segunda Ley de la Termodinámica
“En todo proceso, el desorden total del universo aumenta”, “la entropía del universo tiende a un valor máximo en el equilibrio”.
“Entropía” (S) es una medida del “desorden” y es una función de estado. La variación de entropía de un sistema se expresa como:
ΔS proceso = ΔS sistema – ΔS entorno
La variación de entropía de todo proceso es positiva, aún cuando la variación de entropía de un sistema (por ejemplo, una célula) puede disminuir, pero a expensas de un incremento de entropía en el entorno. Ya que un sistema alcanzará el equilibrio con su entorno cuando su entropía alcance un valor máximo, se puede concluir que la entropía es la fuerza motriz que conduce a los sistemas a alcanzar el equilibrio con sus entornos, pero si el sistema es un organismo vivo y ha alcanzado el equilibrio con su entorno, dicho organismo está muerto.
1ª y 2ª ley + energía libre (G) = predecir la dirección natural de cualquier proceso. Pronosticar la situación de equilibrio.
Un sistema termodinámico (una reacción, un organismo) es aquella parte del universo físico que se encuentra en estudio y está definido en el espacio por una frontera que lo separa del resto del universo o el medio exterior (el resto del universo).
Un sistema cerrado es aquel que puede intercambiar energía con el exterior pero no intercambia materia. Un sistema abierto es aquel en que existe transferencia de materia y energía entre el sistema y el medio externo. Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar energía ni materia con el exterior.
La energía libre de Gibbs es un concepto termodinámico que permite determinar cuantitativamente los cambios de la energía interna de un sistema, considerando en su ecuación G = H – TS o ΔG = ΔH – T·ΔS, las variables de estado entalpía y entropía.
Tercera Ley de la Termodinámica
“La entropía de una sustancia pura, perfectamente cristalina, es cero en el cero absoluto de temperatura”. La tercera ley sólo se aplica a las sustancias puras cristalinas.
La energía libre de Gibbs determina cuantitativamente cambios de la energía interna de un sistema, ecuación: G = H – TS o
ΔG = ΔH – T·ΔS,
H = Entalpía
T = temperatura absoluta
S = Entropía
El cambio o variación de la energía libre (ΔG) de la reacción. Esta variación corresponde a la cantidad máxima de energía disponible cuando (a) es convertido a (b).
Si el contenido de energía libre del producto (b) es GB y el contenido de energía libre del reactante (a) es GA, entonces, para toda reacción A B, la variación de energía libre queda expresada como: ΔG = G(b) – G(a)
(a) y (b) productos A y B
GA > GB => ΔG < 0: reacción exergónica (espontánea)
GA < GB => ΔG > 0: reacción endergónica (no espontánea)
GA = GB => ΔG = 0: reacción en equilibrio
“Condiciones estándares”; esto es, a una concentración 1 M, a 25º C y pH 7,
ΔGº’ = – R·T·ln Keq
R: constante de gases
T: temperatura absoluta
Si Keq es mayor que 1, se puede concluir que el valor de ΔGº’ será negativo (disminución de la energía libre) y la reacción es espontánea.
Si la constante Keq tiene un valor inferior a 1, la reacción tenderá a producirse hacia la izquierda y el valor de ΔGº’ será positivo.
La ecuación puede aplicarse cuando los valores de Keq se encuentren entre 0.001 y 1000.
En una reacción catalizada por una enzima, la enzima no altera el equilibrio de la reacción y, en consecuencia, no altera el valor ni el signo de ΔGº’ y sólo acelera la reacción para que alcance el equilibrio (en ausencia de la enzima, la reacción demoraría más en alcanzar el equilibrio)”.
“Que una reacción sea espontánea no significa esta se desarrollará con rapidez o por sí misma, sino que se desarrollará en la dirección en que la variación de energía libre estándar sea negativa.”
En las condiciones intracelulares, los reactantes y productos de las reacciones no se encuentran bajo condiciones estándares de concentración,
Variación de energía libre de una reacción química en condiciones distintas a las estándares (ΔG):
ΔG = ΔGº’ + RT ln (B)/(A)
ΔGº’ = el valor de la variación de energía libre estándar de la reacción
Reacción Oxido-Reducción
ΔE’o = (E’o del agente oxidante) – (E’o del agente reductor)
La diferencia de potencial redox con energía libre:
ΔG’ = – n F ΔE’o
n: número de electrones transferidos en la reacción de óxido reducción;
F: constante de Faraday (23.063 cal / V equivalentes)
ΔE’o: diferencia en el potencial de reducción entre los agentes oxidantes y reductores.
En toda reacción de óxido-reducción hay un agente reductor (dador de electrones y protones) y un agente oxidante (aceptor de electrones y protones). Las reacciones redox se pueden subdividir en dos semi-reacciones:
La semi-reacción de reducción: A + e- A-
La semi-reacción de oxidación: B B+ + e-
La reacción redox neta es la suma de las dos semi-reacciones
A + B A- + B+
Mientras más negativo sea el valor del potencial estándar de reducción, mayor será la capacidad reductora de una sustancia.
Adenosina Trifosfato (ATP)
La molécula de adenosina trifosfato, ATP, está formada por una base nitrogenada (adenina), la que se encuentra unida a una pentosa fosfato (ribosa-5-fosfato), cuyo grupo fosfato se encuentra esterificado con una molécula de pirofosfato. A pH 7 y en solución acuosa, los grupos fosfatos del ATP están ionizados, proporcionando una carga neta de -4. En el interior de la célula, la molécula de ATP forma un complejo divalente con una molécula de Mg+2. Así, la molécula biológicamente activa es el complejo ATP-Mg que posee carga neta -2. Durante su hidrólisis se produce una gran disminución de energía libre (ΔG’ = -7.300 cal/mol). Desde un punto de vista energético, la molécula de ATP es de gran importancia para el metabolismo celular debido a que la disminución de energía libre producida durante su hidrólisis o durante la transferencia de uno de sus grupos fosforilos, permite que reacciones energéticamente desfavorables se acoplen y se lleven a cabo. Además, el ATP es la fuente de energía primaria para diversas actividades fisiológicas tales como, movimiento, trabajo, secreción, absorción y conducción eléctrica.
a) En 1941, Lipman sugirió que el ATP es un compuesto de “alta energía”, dado que relacionó la reactividad cinética del ATP con la variación de energía libre.
b) No existe prueba de que se produzca “in vivo” cumple un rol en el metabolismo intermediario, precisamente es necesario que no se produzca su hidrólisis.
c) Los valores de la energía libre de Gibbs están relacionados a procesos, no a compuestos.
d) Deben considerarse las siguientes suposiciones incorrectas:
- Que la dirección en que se efectúa una reacción “in vivo” puede predecirse a partir de valores de ΔG.
- Que la eficacia de los procesos “in vivo” puedan discutirse partiendo de cambios de energía libre (Keq) correspondientes a las etapas unitarias que se presenten en sistemas cerrados.
- Que en base a simples consideraciones termodinámicas pueda visualizarse lo que sucede “in vivo”.
- Que siempre que el ATP está implicado en alguna actividad celular, su papel es de proveedor universal de energía.
e) El ATP tiene importancia para explicar los mecanismos y secuencias de las actividades celulares y ser intermediario clave (no energético) entre los procesos oxidativos y las actividades celulares.
f) La oxidación de las sustancias alimenticias está engranado por el ATP.
g) El ATP interviene en biosíntesis, producción de urea, síntesis de purinas y pirimidinas de nucleótidos, ácidos grasos, isoprenoides, etc.
h) El ATP interviene, pero nunca involucra su hidrólisis.
Compuestos Fosforilados
Carga energética: Propuesta por Atkinson
Carga energética = (ATP) + 1/2(ADP) / (ATP) + (ADP) + (AMP)
La carga energética de la célula varía entre 0 (sólo AMP estando presente) y 1 (todo el AMP y el ADP se han transformado en ATP). En la célula 0,75 y 0,90.
Existen tres mecanismos en la célula por los cuales se sintetiza ATP:
a) Fosforilación a nivel de sustrato: Síntesis de ATP a través de una reacción química entre compuestos fosforilados y el ADP. Ej: metabolismo de la glicólisis, el ácido 1,3-bisfosfoglicérico y el ácido fosfoenolpirúvico, con ADP para formar ATP, como uno de los productos de la reacción.
b) Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP, acoplada al transporte de electrones en la membrana interna de la mitocondria (y membrana citoplasmática en bacterias), catalizado por la enzima ATP sintesasa. El mecanismo aceptado hoy en día para tal acoplamiento es explicado por la teoría quimiosmótica de Mitchell en 1961.
c) Fotofosforilación: Corresponde al proceso de síntesis de ATP luz-dependiente que se produce en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos, catalizado por la enzima ATP sintetasa y está acoplado a la cadena transportadora de electrones fotosintética. Los eventos moleculares que acoplan la fotofosforilación con el transporte de electrones.
Todo compuesto orgánico que posee un grupo fosfato en su estructura se denomina “compuesto fosforilado”. Ya que durante el proceso de fosforilación (incorporación del grupo fosfato al compuesto), el grupo fosfato entrante pierde un grupo -OH, lo que verdaderamente se incorpora al compuesto es un grupo “fosforilo”.
El rol de los compuestos fosforilados es participar en un gran número de reacciones del metabolismo celular, además se encuentran en gran cantidad y variedad. Una función importante es la de intermediar procesos catabólicos y anabólicos, al participar como sustratos en reacciones enzimáticas de transferencia de grupos fosforilos.
Por otra parte, un gran número de eventos celulares son regulados por ciclos de fosforilación-defosforilación de biomoléculas claves, lo que se traduce en activación o inactivación de ellas.
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