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 (ver Figura 1). 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.
Fig 1Mapa de rutas metabólicas celulares y sus conexiones.
Fuente: Molecular Biology of the Cell. Alberts, et al. Fourth edition
El esquema muestra la complejidad del metabolismo, en el cual 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 (ver Cuaderno Nº32), 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.
Fig 2 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”: ¿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.
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 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 acurre 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.
Fig 3. Hidrólisis del ATP y producción de energía.
Fuente: ArgenBio
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.
El metabolismo es organizado por enzimas
Los sustratos de una reacción están separados de sus productos por una barrera energética llamada energía de activación. La velocidad con la que transcurre una reacción en ausencia de catalizadores (aceleradores) es muy baja, ya que sólo las moléculas con energía mayor o igual a esa barrera energética lograrán formar producto. De hecho, las actividades metabólicas no pueden llevarse a cabo a un ritmo que permita la vida, sin la presencia de las enzimas, catalizadores biológicos que tienen la capacidad de disminuir la energía de activación (ver Cuaderno Nº 30, 34, 54, 73). Al disminuir la barrera entre sustratos y productos, la mayoría de las moléculas tienen energía suficiente para pasar sobre el estado de transición y por lo tanto aumenta la velocidad de la reacción.
Las enzimas sólo aceleran reacciones posibles, es decir, reacciones que ocurrirían aún en su ausencia pero a velocidades imperceptibles. Las reacciones que ocurren en las células son definidas por la presencia de las enzimas que las catalizan. Es por ello, que el metabolismo celular está organizado por enzimas.
Tal como se muestra en la figura 1, el metabolismo es una ordenada serie de cadenas o redes de reacciones en la que los metabolitos son compartidos por diferentes rutas, es decir, el producto de una reacción es el sustrato de la próxima. Las rutas lineales (ver figura 4) de sucesivas reacciones están conectadas con otras y de esta forma, las células pueden sobrevivir, crecer y reproducirse.
Fig 4. Grupo de reacciones catalizadas que conforman una ruta metabólica, en la que la molécula”A” finalmente se convierte en la molécula “D”.
Fuente: ArgenBio
Hasta en la célula más simple se llevan a cabo miles y miles de reacciones, sumamente ordenadas y que en conjunto están reguladas rigurosamente. Es cierto que las enzimas son las que organizan el metabolismo, pero ellas también reciben “órdenes”. Su actividad catalítica es modificada en función de las necesidades metabólicas de la célula. La regulación enzimática es un asunto complejo, pero básicamente el metabolismo se regula mediante:
a) La cantidad de enzima presente en la célula.
b) La actividad catalítica de las enzimas.
c) La disponibilidad de sustratos.
Una de las formas más comunes de regulación es la retroinhibición o feedback negativo, en la que uno de los productos finales inhibe la actividad catalítica de alguna de las enzimas del principio de la ruta metabólica. Por ejemplo, en la figura 4, el producto “D” inhibiría a la enzima 1, y toda la ruta metabólica se interrumpiría.
Por ejemplo la glucólisis es la puerta de entrada a la respiración celular, es decir, a la oxidación de azucares que permitirán la liberación de energía. Esta ruta es regulada negativamente por el ATP, que en última instancia es el producto principal de la respiración celular. Al haber mucho ATP se inhibe la ruta metabólica que lleva a su fabricación.
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 electronesy 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+.
Fig 5. Reducción del NAD+ y NAD+P. El anillo nicotinamida acepta dos electrones y un protón. Otros transportadores de electrones son el FAD+, la ubiquinona y el grupo Hemo.
Fuente: Molecular Biology of the Cell. Alberts,et al. Fourth edition
Energía a partir de los alimentos
Los alimentos que ingerimos están compuestos por proteínas, hidratos de carbono, y lípidos, entre otros componentes. La primera instancia en la obtención de energía a partir de esas biomoleculas, consiste en su degradación hasta los monómeros que las constituyen. De esta forma se producen aminoácidos, azucares simples, glicerol y ácidos grasos. Estos monómeros, a su vez, sufren reacciones de oxidación que dan origen a un acotado grupo de moléculas que luego convergen en la formación de AcetilcoA. Esta molécula aporta dos carbonos que ingresan en el ciclo de Krebs, se oxidan hasta CO2 generando poder reductor (NADH y FADH2). Finalmente, estos transportadores reducidos, ceden sus electrones a la cadena de transporte de electrones de la membrana interna mitocondrial. A medida que los electrones fluyen de una molécula en otra hasta el 02, se sintetiza ATP por el proceso fosforilación oxidativa. En resumen, como parte del catabolismo celular los alimentos son oxidados hasta CO2, con obtención de agua, de energía y consumo de O2.
Producción de alimentos con el aporte de energía
Los organismos autótrofos pueden sintetizar todo su material celular a partir de sustancias simples como única fuente de carbono. Para ello deben obtener energía del entorno en forma de luz o energía química.
La fotosíntesis es un proceso anabólico, por el que se sintetiza materia orgánica (azucares) a partir de CO2, agua y sales minerales. La energía lumínica absorbida se convierte en energía química, contenida en las moléculas orgánicas fabricadas. Como subproducto del proceso de fotosíntesis se libera O2 al entorno.
Producción de alimentos con el aporte de energía
La ingeniería metabólica consiste en la aplicación de técnicas de ingeniería genética para la modificación de las vías metabólicas presentes en un organismo.
A partir de la siguiente ruta metabólica hipotética, es posible:
Fig 6. Ruta metabólica hipotética
Fuente: ArgenBio
Aumentar la expresión de enzimas para obtener grandes cantidades de algún compuesto de interés. La sobreexpresión de la enzima 1, se traduciría en un mayor flujo metabólico y por ende en mayor producción de los compuestos “F” y “G”. Por ejemplo: Sobreexpresión de antibióticos en bacterias (ver cuaderno nº 51).
Completar rutas metabólicas mediante la inserción de genes heterólogos. Al introducir la enzima 7 (de otro organismo), se puede sintetizar en el organismo receptor una molécula de interés. Por ejemplo: el Arroz dorado (ver cuaderno nº 23).
Bloquear o disminuir la expresión de rutas normales. El bloqueo de la expresión de la enzima 6 inhibiría la síntesis del compuesto “G”. Por ejemplo: Desarrollo de plantas de café con bajo nivel de cafeína (ver cuaderno nº 8).
Bloquear rutas alternativas. Si se eliminara la expresión de la enzima 3, el compuesto “C” se direccionaría en su totalidad hacia la síntesis de los metabolitos “E” y” G”. Por ejemplo: Sobreproducción de diacetilo, metabolito que confiere sabor a manteca, en bacterias lácticas por el bloqueo de la síntesis de piruvato.
Modificar la regulación de rutas normales. Suponiendo que la enzima 4 es inhibida por el compuesto”G” sería posible introducir en el organismo una variante de la enzima insensible a la regulación negativa. Por ejemplo: Producción del aminoácido lisina en Corynebacterium glutamicum.
La tecnología del ADN recombinante dispone de varias estrategias para modificar rutas metabólicas, y lograr el mejoramiento de cultivos, de alimentos, la producción de medicamentos, etc.
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