Metabolismo y energía. Compuestos ricos en energía, ΔG y redox.

METABOLISMO

Se puede considerar que las moléculas presentes en cada célula se comportan como viajantes en una ciudad. Las reacciones celulares en las que están implicadas esas moléculas definen un mapa bastante complejo, llamado metabolismo celular.

 El metabolismo celular está constituido por el conjunto de reacciones y procesos físico-químicos que ocurren en la célula. Algunas moléculas están involucradas en rutas que implican gasto de energía, mientras que otras van “cuesta abajo”, liberando energía.

El metabolismo es muy complejo, en él las reacciones no están aisladas, sino que se encuentran relacionadas unas con otras. La conexión entre diferentes rutas se establece a partir de los metabolitos, sustancias intermedias, que resultan de las diferentes reacciones. En una única célula ocurren miles de reacciones químicas y su variedad es enorme. Sin embargo, las diferentes reacciones del metabolismo celular integran una red coordinada de transformaciones que presentan muchos aspectos en común. Todas las células tienen la capacidad de degradar sustancias y extraer de ellas energía, así como también de sintetizar macromoléculas (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos) a partir de sus respectivas unidades (monómeros), y almacenar energía en sus uniones químicas.

Anabolismo y Catabolismo

El metabolismo está constituido por dos tipos de reacciones básicas: las anabólicas y las catabólicas.

Anabolismo: Es el conjunto de reacciones con las que los organismos vivos sintetizan (fabrican) las biomoléculas que los componen, hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, a partir de compuestos presentes en la célula. La energía necesaria para reacciones anabólicas es provista por moléculas de ATP (Adenosina Tri-Fosfato). La fotosíntesis, biosíntesis de ácidos grasos y aminoácidos son ejemplos de rutas anabólicas.

Catabolismo: Es el conjunto de reacciones de degradación a través de las cuales los seres vivos obtienen energía. Los polímeros o biomoléculas presentes en las células son transformadas en moléculas más simples (orgánicas o inorgánicas), como el piruvato, ácido láctico, amoniaco y CO2. La energía contenida en los enlaces de las moléculas degradadas es liberada y luego almacenada en los enlaces fosfato de alta energía del ATP.  La β-oxidación de ácidos grasos, la glucólisis, la fermentación y la respiración celular son ejemplos de rutas catabólicas.

Relación entre reacciones catabólicas y anabólicas. Las reacciones anabólicas y catabólicas dependen unas de otras, energéticamente y desde el punto de vista de la materia. La energía liberada por unas es usada por las otras, y los productos de unas son materia prima de las otras. 



Relación entre energía y metabolismo

La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. En particular los seres vivos  recurren a la energía química contenida en las uniones de las moléculas, para sus reacciones metabólicas. Según el enunciado de la primera ley de la termodinámica, la energía no se crea ni destruye, se transforma. Es decir que la energía no se “produce” sino que se convierte de una forma en otra. Por ejemplo, de energía lumínica en química, de energía química en calórica.

La energía liberada durante una reacción representa energía útil para alguna otra. La energía libre de Gibbs, expresada con la letra”G”, es la energía liberada durante una reacción, que es utilizable para realizar un trabajo. El cambio de energía libre (ΔG) de una reacción, denota si la reacción puede ocurrir de forma espontánea o no.

Dada una reacción en la que el sustrato “X” se transforma en el producto “Y”: Otro aspecto a considerar es el efecto regulatorio que ejerce la energía celular sobre el metabolismo. En situaciones donde la carga energética abunda, las rutas catabólicas son inhibidas o “apagadas” por moléculas ricas en energía, como el ATP y el NADH. ¿Para que seguir produciendo energía si hay suficiente? En el caso inverso, si la célula se encuentra “hambreada” las moléculas que denotan déficit ¿Cómo saber si esa reacción ocurre espontáneamente?

• Si el ΔG de la reacción es negativo, se trata de una reacción espontánea (el producto “Y” posee menor energía libre que el sustrato “X”). Las reacciones catabólicas son espontáneas porque los productos se encuentran en un nivel energético menor al de los sustratos, hay liberación de energía.
• Si el ΔG de la reacción es positivo, se trata de una reacción no espontánea (el producto “Y” posee mayor energía libre que el sustrato “X”). Las reacciones anabólicas son no espontáneas, los productos tienen más energía que los sustratos, se encuentran más “ordenados” (tienen menor entropía) y por ende son más inestables.

Ahora, las reacciones no espontaneas también ocurren en la células. Una reacción termodinámicamente no favorable ocurre si, y sólo si, se le acopla una reacción espontánea, cuyo excedente de energía sea mayor que la necesaria para la reacción no espontánea.   de energía (ADP y NAD+) activan las rutas catabólicas. La regulación metabólica define que sólo se produzca energía en caso de ser necesaria.

Moléculas transportadoras de energía

Los seres vivos, desde el organismo más simple hasta el más complejo, necesitan un aporte permanente de energía. Algunas reacciones producen energía, mientras que otras la consumen. ¿Cómo ocurre esa transferencia de energía entre distintos tipos de reacciones metabólicas? Usualmente, la energía liberada durante reacciones catabólicas se almacena en enlaces de alta energía de moléculas transportadoras. De esta manera, se producen compuestos que almacenan la energía en su estructura.  El ATP (Adenosín trifosfato) es la  “moneda de energía” más frecuente en los seres vivos. Está compuesta por una base nitrogenada (Adenina), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato. Es un tipo de nucleótido que contiene enlaces fosfato de alta energía, y lábiles (que se rompen con facilidad y ceden su energía).
El ATP provee de energía para:
 Síntesis de polímeros o moléculas complejas.
 Trabajo mecánico en la contracción muscular

 Transporte activo a través de membranas.
 Movimiento celular (cilias, flagelos, movimiento de cromosomas, etc.)

La hidrólisis del ATP en ADP (adenosin difosfato) o AMP (adenosin monofosfato) libera grandes cantidades de energía, que es aprovechada por reacciones que la absorben  para llevarse a cabo. 

HIDRÓLISIS DEL ATP

La transformación  de ATP en ADP y AMP es un mecanismo sumamente dinámico, que responde a las necesidades energéticas de la célula. De hecho, la hidrólisis del ATP es reversible, y las tres formas de adenina-fosfato son interconvertibles entre sí.

Reacciones redox (reducción- oxidación)

Las pilas que utilizamos en juguetes, controles remotos o relojes les proveen de la energía necesaria para hacer un trabajo. En la pila hay dos componentes químicos con diferente afinidad por los electrones, por lo que se establece un flujo de electrones espontáneo que finalmente produce energía eléctrica. En la pila está ocurriendo una reacción redox o de oxido-reducción que consiste en la transferencia de electrones desde un dador (agente reductor) a un aceptor (agente oxidante). Un ejemplo de reacción redox es la oxidación del ion ferroso por el ion cúprico:

                                      Fe2+ + Cu2+ D Fe3+ + Cu+

En este caso, el catión ferroso (Fe2+) se oxida  mientras que el ion cúprico (Cu2+) gana electrones, y se reduce. La oxidación y la reducción deben ocurrir simultáneamente, es decir, para que una sustancia se oxide (pierda electrones) es necesario que esté en contacto con otra que se reduzca (gane electrones).

En sistemas biológicos las reacciones redox son fundamentales, al punto que el uso e intercambio de energía en el metabolismo es regido por reacciones de oxidación y reducción.

La glucosa, por ejemplo, es un intermediario clave de varias rutas metabólicas. En función del nivel energético, la glucosa presenta distintos destinos. Si la carga de energía celular es baja, entonces sufrirá una serie de reacciones de oxidación con la concomitante liberación de energía. Por el contario, si la célula no precisa energía, la glucosa se almacena luego de ser polimerizada en forma de glucógeno o almidón (según el tipo de organismo), con absorción de energía.

El flujo de electrones juega un rol central en la respiración celular y en la fotosíntesis. En la membrana interna mitocondrial y en la membrana tilacoidal de los cloroplastos existen cadenas transportadoras de electrones. Cada uno de los componentes de la cadena se van reduciendo y oxidando, de forma que el primero le cede electrones al segundo, éste al tercero, y así sucesivamente  hasta un aceptor final que se reduce definitivamente. Con el transcurrir de los electrones por la cadena, se van liberando energía que se aprovecha para sintetizar ATP.

Moléculas transportadoras de electrones

En sistemas biológicos, la transferencia de electrones desde un dador a un aceptor implica la existencia de moléculas intermediarias dinámicas capaces de aceptar electrones y luego donarlos. Esos intermediarios se conocen como transportadores de electrones y pueden estar libres o asociados a enzimas de  membranas. Entre los que difunden libremente se encuentran el NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido) y el NADP+ (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). A pesar de sus semejanzas estructurales y de afinidad por los electrones, el NAD+/NADH está involucrado en reacciones catabólicas, mientras que el NADP+/NADPH está implicado principalmente en vías anabólicas.  En la siguiente ecuación se muestra la reacción de reducción del  NAD+.

Ampliar información en el siguiente vínculo:
http://www.unsa.edu.ar/bibsalud/descargas/Cartilla%20BIOQUIMICA%20%5bTomo%20II%5d.pdf