Metabolismo Celular

Vista previa del material en texto

Introducción al metabolismo
La célula recupera energía química
La energía libre que va a utilizar la célula para los distintos tipos de trabajo celular la recupera en forma de energía química, que es aquella contenida en los enlaces que realizan los átomos para construir moléculas, la que los mantiene unidos entre sí. 
¿Todas las células obtienen del entorno el mismo tipo de energía?
Existen células fotosintéticas y heterotróficas. Las primeras se caracterizan por utilizar la luz del sol como fuente de energía. La energía lumínica es absorbida por la clorofila y transformada en energía química. Por eso se las llama autotróficas, ya que ellas mismas fabrican su alimento a partir de la energía lumínica absorbida. Las segundas, heterotróficas, son las que aprovechan del entorno la energía química contenida en diferentes moléculas orgánicas ricas en energía, como la glucosa. Ambos tipos recuperan la energía química y la centralizan en ATP, que es el transportador de energía química más importante en todos los organismos.
¿Qué es el ATP?
Adenosina TriFosfato. El ATP pertenece al grupo de los nucleótidos, constituidos por una base nitrogenada constituida por uno o dos anillos de carbono, nitrógeno e hidrogeno principalmente, una pentosa o sea un monosacárido de cinco carbonos y una o varias moléculas de fosfato. El ATP posee como base nitrogenada a la adenina, como pentosa a la ribosa y tres moléculas de fosfato. 
El enlace entre el segundo y tercer fosfato es un enlace rico en energía y que al romperse libera una gran cantidad de ella. El aporte energético para forma ATP proviene de energía libre obtenida por la célula del entorno, la que entonces queda recuperada como energía química en este tercer enlace fosfato del ATP.
¿Qué ocurre con el ATP cuando se rompe su tercer enlace fosfato?
Se libera una gran cantidad de energía que va a ser utilizada convenientemente por la celula en distintos trabajos. Otro producto es el ADP que es la molecula en que se convierte el ATP al perder su tercer grupo fosfato. La regeneración del ATP se consigue con la fosforilación del ADP, que requiere además de una molécula de fosfato un gran aporte energético para formar el enlace.
Cuando la célula consume ATP está generando ADP y cuando toma energía libre del entorno, ese ADP es fosforilado a ATP, por lo que se forma un ciclo, denominado el ciclo del ATP. Por eso es un intermediario energético. 
Metabolismo celular
El metabolismo intermediario o celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en el interior de la celula de manera ordenada, eficaz y especifica gracias a estar catalizadas cada una de ellas por enzimas específicas. Funciones especificas:
1. Obtención de energía química a partir de moléculas orgánicas combustibles o de la luz solar.
2. Convertir los principios nutritivos exógenos en precursores para las macromoléculas de la célula.
3. Ensamblar estos precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros componentes.
4. Formar y degradar las biomoléculas necesarias para el cumplimiento de las funciones especializadas de la célula.
Reacciones endergónicas: para que ocurran necesitan el aporte de energía aportada por el ATP. 
Reacciones exergónicas: para ocurrir liberan energía, que es tomada por el ADP para fosforilarse. 
Asi también aparece el papel de intermediario común del ATP, que realiza el acoplamiento energético de estos dos tipos de reacciones que ocurren en el metabolismo celular. 
Catabolismo y anabolismo
Catabolismo: constituye la fase de degradación, en la cual las moléculas nutritivas complejas y relativamente grandes (glúcidos, proteínas, lípidos) que obtiene la celula del entorno o que tiene reservadas son degradadas a moléculas más sencillas. El objetivo es la obtención de la energía contenida, para formar ATP.
Anabolismo: constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo, se produce la biosíntesis de todos los componentes moleculares de la célula a partir de precursores sencillos. Para lograrlo, se libera energía contenida en el ATP.
Enzimas 
Las enzimas actúan como catalizadores biológicos que aumentan la velocidad con que ocurren ciertas reacciones químicas en intervienen en la interconversión de distintos tipos de energía. 
¿Qué es una enzima? ¿Qué es un catalizador?
Todas las reacciones químicas requieren superar cierta barrera energética para iniciarse, conocida como energía de activación, que es la cantidad mínima de energía necesaria para que se lleve a cabo una determinada reacción química. Está relacionada con la temperatura, ya que al aumentar, acelera la velocidad de las reacciones químicas por aumentar el número de choques entre las moléculas. 
Es necesario disminuir esos valores de energía para que las distintas reacciones puedan llevarse a cabo sin depender tanto de las temperaturas, ahí aparecen los catalizadores biológicos, como las enzimas de origen proteico y también se han encontrado moléculas de ARN con capacidad catalítica, llamadas ribozimas. Estos catalizadores logran acelerar las reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Las moléculas sobre las que actúan se llaman sustratos y las que resultan de la reacción, productos.
Características
Las enzimas son excelentes catalizadores producidos por los seres vivos que logran acelerar las reacciones químicas llevadas a cabo por los sistemas biológicos. Son altamente específicas, participan de una determinada reacción química reconociendo y actuando sobre un sustrato en particular, por eso habrá una gran variedad de enzimas. Son eficientes en pequeñas cantidades. Se recuperan luego de la reacción y no alteran el equilibrio de las reacciones que catalizan, solo permiten que se alcance el equilibrio en un tiempo mucho menor. 
Las más comunes son de naturaleza proteica, por eso sus estructuras se verán afectadas por la temperatura y el pH, afectando su capacidad catalítica. Se verán sujetas a un gran número de controles celulares que serán capaces de afectar tanto la actividad enzimática como la cantidad de enzima presente en la celula a través de la regulación de la expresión genética. 
Clasificación de las enzimas
Enzimas simples: las que la parte proteica posee actividad catalítica por sí sola.
Enzimas conjugadas: las que requieren de otra sustancia no proteica para alcanzar la capacidad catalítica. La parte proteica sola es inactiva y recibe el nombre de apoproteína. Y los otros componentes de distinta naturaleza, tienen el nombre de cofactores enzimáticos. Estos pueden ser: iones inorgánicos o una coenzima (molecula orgánica pequeña), como por ejemplo NAD, NADP, FAD, CoA. En aquellos casos en los que las coenzimas se encuentran unidas fuertemente a la parte proteica se las denomina grupos prostéticos. 
Una vez conjugada la apoenzima con su cofactor se obtiene la holoenzima.
Reconocimiento del sustrato
El primer paso es la unión entre la enzima y el sustrato, con la formación del complejo enzima-sustrato. La región de la enzima que interacciona se llama sitio activo, donde están ubicados los aminoácidos que participan en el proceso catalítico. Es indispensable mantener la estructura terciaria de la enzima para que sea catalíticamente activa. Las uniones que se forman entre la enzima y el sustrato son débiles: enlaces electrostáticos, de hidrogeno, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas. Así, la unión es reversible y la enzima puede recuperarse al final de la reacción. Hay dos modelos para describir el modo de interacción entre la enzima y el sustrato, distintas enzimas pueden actuar a través de distintos mecanismos, las dos son verdaderas.
Modelo llave-cerradura: establece la existencia de una total complementariedad entre el sitio activo de la enzima y el sustrato sobre el cual actúa.
Modelo de ajuste inducido: la complementariedad entre el sitio activo de la enzima y el sustrato se alcanza luego de la interacción entre ellos, es decir que hay un reconocimiento dinámico que involucra una modificación apreciable de los sitiosactivos de alunas enzimas al unirse con sus sustratos. 
Cinética enzimática
Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. Asi se puede medir la cantidad de moléculas de producto formadas por unidad de tiempo, como también la cantidad de moléculas de sustrato desaparecidas en un tiempo determinado. 
En condiciones iniciales, la cantidad de sustrato no es un factor limitante y por lo tanto, la enzima puede trabajar a su mayor capacidad en la velocidad inicial. Luego, ésta va disminuyendo ya que cada vez hay menos sustrato y por lo tanto es menos probable su interacción con la enzima. Termina por alcanzar un estado de equilibrio en el cual la velocidad de formación de producto es igual a cero.
Factores que afectan la cinética enzimática
La velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas puede ser afectada por distintos factores: concentración del sustrato, de enzima, temperatura, pH, y presencia de inhibidores. 
Efecto de la concentración de sustrato sobre la cinética enzimática
La velocidad “V” varía con la concentración de sustrato “S”. A bajas concentraciones de sustrato la velocidad aumenta de modo proporcional al aumento de la concentración del sustrato; cuando la concentración del sustrato es alta, la velocidad es prácticamente independiente y tiende a alcanzarse una velocidad máxima, que solo podrá ser aumentada aumentando la concentración de enzima. A este estado en el cual todos los sitios activos están ocupados y se ha alcanzado la velocidad máxima se lo conoce como saturación. 
La concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima es igual a la Km de la enzima. Cuando menor sea el valor de la Km mayor será la afinidad de la enzima por su sustrato y viceversa. 
Ecuación de Lineweaver-Burk: es una línea recta con una ordenada al origen igual a 1/Vmax, una pendiente de Km/Vmax y la intersección con el eje de las abscisas corresponderá a -1/Km.
Efecto de la temperatura sobre la cinética enzimática
A bajas temperaturas, la velocidad de reacción también es baja, pero se incrementa a medida que la temperatura sube ya que se favorece la probabilidad de choques entre las sustancias involucradas. Luego de alcanzada la temperatura óptima (de mayor actividad), la actividad va disminuyendo. A bajas temperaturas la enzima se encuentra inactiva y a altas temperaturas se desnaturaliza. Todas las enzimas tendrán una temperatura óptima que en la mayoría de los casos coincide con la fisiológica.
Efecto del pH sobre la cinética enzimática
Al tomar o ceder protones se afecta la carga neta del aminoácido y esto produce atracciones y repulsiones. La actividad enzimática se encuentra modulada por el PH y en muchos casos puede considerarse un mecanismo de control ejercido por la celula. La sensibilidad al pH varía dependiendo de la composición de aminoácidos de la proteína en estudio. En muchos casos, en la interacción entre el sitio activo de la enzima y el sustrato, participan grupos cargados que son importantes tanto en el reconocimiento como asi también en la estabilización de la unión. Si estas cargas son modificadas, se verá afectada la capacidad de unión entre la enzima y el sustrato. 
Inhibición de la actividad enzimática
Puede ser disminuida o suprimida completamente por la acción de diversas sustancias llamadas inhibidores enzimáticos. Ocurre en forma natural, siendo uno de los patrones normales de la biorregulación. Puede ser reversible o irreversible.
Inhibición reversible
El inhibidor se fija a la enzima dando por resultado una pérdida de la actividad. Puede ser de tres tipos: competitiva, no competitiva y acompetitiva. 
Inhibición competitiva
El inhibidor competitivo tiene una similitud estructural con el sustrato y se combina irreversiblemente en el sitio activo donde debería unirse el sustrato. Cuando están presentes “S” e “I”, la enzima puede fijarse a “S” para formar “ES” o a “I” para formar “EI”, son excluyentes. La formación de “EI” reduce la concentración de enzima disponible, por tanto la velocidad de reacción disminuye. Este tipo de inhibición puede contrarrestarse incrementando la concentración de sustrato.
Un inhibidor competitivo disminuye la afinidad de la enzima por su sustrato (el KM) pero no altera la Vmax, ya que esta se alcanza de todos modos a concentraciones elevadas de sustrato.
Inhibición no competitiva
El inhibidor no competitivo y el sustrato pueden unirse simultáneamente a la enzima. Sus sitios de unión son diferentes y se puede formar “ESI”. Este es catalíticamente inactivo e incapaz de generar los productos de esta reacción.
No se modifica la afinidad de la enzima por el sustrato (Km no varía) pero la Vmax disminuye notablemente. 
Inhibición acompetitiva
El inhibidor acompetitivo se une exclusivamente al complejo “ES”, resultando un compuesto ternario “ESI” no productivo. Incrementando la concentración de sustrato se refuerza el efecto inhibidor, ya que se eleva la concentración de “ES” disponible para unirse a “I”.
En presencia del inhibidor disminuyen Km y también Vmax.
Inhibición irreversible
Provocada por sustancias que producen un cambio permanente en la molecula de enzima, que pierde definitivamente su actividad. Por ejemplo el Pb2+, varios compuestos de mercurio y arsénico. 
Regulación de la actividad enzimática
Tres niveles básicos de regulación de las enzimas:
· Regulación de la actividad catalítica (activación-inhibición)
· Regulación de la síntesis de enzimas (inducción-represión)
· Regulación de la degradación de las enzimas 
Regulación de la actividad catalítica
Consiste en modificar la actividad de las unidades de moléculas de enzimas preformadas, sin variar la cantidad de enzima ya sintetizada por la celula, lo que constituye un ahorro de energía importante. Varios factores contribuyen en este proceso:
-sistemas multienzimáticos
Existe una serie de etapas, llamadas vías metabólicas, cada una de ellas catalizada por una e enzima diferente; el producto formado será utilizado como sustrato por la enzima de la siguiente etapa. Cuando las enzimas están alineadas, se forma un sistema multienzimático, que posee la capacidad de autorregulación de su velocidad global de reacción.
La enzima que cataliza la primera etapa actúa generalmente como reguladora del proceso, y tiene un control denominado retroinhibición o inhibición feed-back. La primera enzima disminuye su actividad cuando la concentración del producto final ha alcanzado un nivel suficientemente alto. La cadena entre en reposo y se evita la acumulación inútil de metabolitos. Cuando la concentración de producto desciende, la enzima se vuelve a activar. 
Aparentemente resulta más fácil inhibir una enzima que hacerla más activa, por eso las activaciones consisten en suprimir una inhibición previa. Sin embargo, también se postula una activación por precursor, donde el primer sustrato actúa como activador, ya sea de la primera o la ultima enzima de la secuencia. 
-efectos alostéricos
A bajas concentraciones de sustrato la velocidad es baja, cuando la concentración de sustrato aumenta, la velocidad aumenta en forma marcada. Esta cinética es congruente con la presencia de dos o más subunidades polipeptídicas, y en consecuencia dos o más sitios de unión del sustrato. Entre las subunidades existe una relación tal que hace que la unión de la molecula de sustrato en un sitio activo produzca un cambio conformacional, este se transmite a las otras subunidades facilitando la aptitud para recibir más sustrato. Esto se llama cooperatividad respecto de la concentración del sustrato. Esto ocurre con las llamadas enzimas alostéricas o reguladoras.
Estas enzimas también pueden ser reguladas por otros modificadores diferentes del sustrato capaces de activarlas (modulador positivo) o inhibirlas (modulador negativo). Cuando el modulador es el sustrato, el efecto se llama homotrópico, y si es distinto del sustrato, se llama heterotrópico. 
Para estas enzimas el fenómeno de fijación de ciertas sustancias en un sitio de su superficiepuede ocasionar cambios en la conformación y actividad de otro sitio. Las enzimas que presentan este comportamiento se denominan alostéricas, y las sustancias que causan el efecto se llaman efectores alostéricos, ya se trate de inhibidores, aceleradores o de los propios sustratos. 
Se han propuesto dos modelos para explicar el alosterismo, el concertado y el secuencial. Probablemente el real sea un modelo intermedio.
Modelo concertado: inicialmente las moléculas diferentes de la misma proteína existen en dos conformaciones distintas que están en el equilibrio entre sí, antes de unirse con el sustrato.
Modelo secuencial: la fijación inicial de una molecula de sustrato a un sitio activo de cierta subunidad induce cambio de conformación en esta, los cuales provocan a su vez, cambios de conformación en otra subunidad. 
-Modificación covalente
Reversible: algunas enzimas son reguladas por adición o sustracción de grupos unidos covalentemente. La ventaja de este tipo de regulación por enzimas interconvertibles radica en el hecho de que se puede ejercer a corto plazo, variando la proporción de la enzima activa, sin necesidad de remover la estructura proteica total. 
Irreversible: algunas enzimas se sintetizan en formas de precursores inactivos y son activadas a un tiempo y en un lugar fisiológicamente apropiado. Si este tipo de enzima fuera sintetizada en una forma activa dentro de la celula, seria potencialmente autodestructiva, desencadenando su acción proteolítica contra cualquiera de las otras proteínas. Los precursores enzimáticamente inactivos de las enzimas proteolíticas se denominan zimógenos. Carecen de sitio activo, la ruptura irreversible de uno o más enlaces peptídicos se traduce en una nueva conformación mediante la cual los residuos del sitio activo adoptan nuevas posiciones óptimas para la catálisis. 
-compartimentalización 
La localización de los procesos metabólicos en el citosol o en organelas facilita su regulación. Muchas enzimas por ejemplo asociadas al núcleo, están involucradas en el mantenimiento, renovación y utilización del aparato genético.
-isoenzimas
En un organismo y también en una celula, pueden existir variedades de una misma enzima con la misma actividad catalítica. Estas diferentes formas estructurales de una enzima se denominan isoenzimas. 
Regulación de la síntesis de enzimas
Este tipo de regulación implica un cambio en la cantidad de moléculas de enzima. La síntesis puede ser inducida por sus propios sustratos y reprimida por sus productos a nivel genético. El objetivo es que las enzimas se sinteticen únicamente cuando sean necesarias. El resultado consiste en un equilibrio entre el aumento en la síntesis del numero de moléculas de enzimas y la neutralización de este efecto. Este tipo de regulación es considerado relativamente burdo y lento frente a la regulación de la catálisis que es una forma más fina e instantánea para adecuar la actividad enzimática a los requerimientos celulares. 
Regulación de la degradación de enzimas
La presencia o ausencia de sustratos y cofactores puede alterar la conformación de las enzimas haciéndolas más o menos susceptibles a su degradación. 
Multimodulación
Los distintos tipos de regulación pueden coexistir, lo que ha generado el concepto de multimodulación los procesos de regulación catalítica y genética se pueden integrar en una misma via metabólica. 
image1.emf