Introducción al Metabolismo

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Índice de los contenidos. 
 Introducción a la Unidad. 3 
 Objetivos de Aprendizaje. 4 
 Conocimientos Previos. 4 
 Introducción al Metabolismo. 4 
 Los Transportadores de Electrones. 6 
 Las Rutas y Ciclos Metabólicos. 7 
 Las Enzimas. 9 
 Factores que afectan el funcionamiento de las enzimas. 11 
 El ATP 12 
 Introducción a la Unidad. 
 Mis Estimados Estudiantes, Iniciamos esta unidad con mucho entusiasmo, 
 esperando que se animen a aprovechar al máximo las diversas ventajas de tiempo y 
 espacio que nos provee esta plataforma y de esta manera lograr los objetivos 
 planteados para este periodo. 
 Esta unidad es muy significativa en el desarrollo de la asignatura, debido a que 
 hablaremos sobre los procesos metabólicos que ocurren en los seres vivos, los 
 conocimientos adquiridos en esta unidad nos servirán para comprender el 
 funcionamiento de las enzimas y su importancia en la degradación de los nutrientes, 
 aprenderemos el papel que desempeñan las vitaminas y los minerales en nuestra 
 dieta, así como la importancia de tener hábitos saludables para el buen 
 funcionamiento de nuestro cuerpo, es decir en esta unidad reconoceremos las 
 principales reacciones bioquímicas que ocurren en los seres vivos y su importancia 
 en el mantenimiento y equilibrio de los procesos biológicos. 
 En esta unidad trataremos los siguientes temas: 
 ➔ Procesos metabólicos: generalidades, ATP y las enzimas. 
 ➔ Nutrición: concepto, tipos. 
 ➔ Nutrición humana. 
 ➔ Fotosíntesis. 
 ➔ Respiración celular. 
 Para cumplir con los objetivos de aprendizaje de esta unidad, deben seguir las 
 siguientes instrucciones: 
 Actividades Individuales: 
 ➔ Leer el cronograma de la asignatura (link de acceso) ubicado en la portada de 
 la asignatura que les permitirá conocer las pautas principales de esta unidad 
 como: las actividades que se les asignan, forma de evaluación de las mismas, 
 fuentes bibliográficas recomendadas, entre otras. 
 ➔ Visualizar los contenidos de la semana. 
 ➔ Elaborar apuntes personales de los contenidos didácticos presentados (les 
 servirán para hacer la tarea y los parciales). 
 ➔ Completar la asignación de la semana, la descripción está en la misma. 
 Estamos en disposición de guiarlos y acompañarlos durante todo el proceso. 
 Recuerden que estamos a sus órdenes en los canales correspondientes. 
 ¡Adelante, pueden lograrlo! Su Tutor/a. 
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 Objetivos de Aprendizaje. 
 Los objetivos de aprendizaje de este apartado son los siguientes: 
 Conocimientos Previos. 
 Introducción al Metabolismo. 
 En el interior de nuestras células ocurren cientos de reacciones cada minuto. El 
 conjunto de reacciones químicas que ocurren en el interior de los seres vivos recibe el 
 nombre de Metabolismo . A través de las reacciones metabólicas, los seres vivos 
 intercambian materia y energía con el entorno. 
 Recordemos que la materia no se crea ni se destruye, solo se recombina o transforma. 
 De igual forma, la energía no puede crearse o destruirse, simplemente se transforma 
 en otras formas de energía. 
 Cuando los átomos interactúan en las reacciones químicas, forman enlaces en los 
 cuales se almacena energía. Si posteriormente, estos enlaces formados se rompieran, 
 la energía que se había almacenado inicialmente en ellos se libera. Este principio te 
 permitirá comprender mejor los fundamentos del metabolismo que estudiaremos 
 más adelante. 
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 Algunas reacciones del metabolismo buscarán unir átomos, moléculas pequeñas, 
 para construir moléculas más grandes. En conjunto, estas reacciones reciben el 
 nombre de reacciones anabólicas o metabolismo de construcción . Como es 
 necesario formar nuevos enlaces químicos para unir las moléculas, en las reacciones 
 anabólicas la célula invierte energía. Son ejemplos de reacciones anabólicas la 
 síntesis de proteínas al unir las decenas de aminoácidos que las conforman. Así 
 como las reacciones químicas involucradas en el proceso de fotosíntesis. 
 Otras reacciones del metabolismo buscarán tomar moléculas grandes y degradarlas 
 hasta sus constituyentes más simples, estas reacciones reciben el nombre de 
 catabólicas . En las reacciones catabólicas se rompen enlaces químicos, por lo cual se 
 libera energía que estos contenían. Son ejemplo de reacciones catabólicas, la 
 degradación de las proteínas ingeridas en sus aminoácidos constituyentes durante el 
 proceso digestivo. Otros ejemplos de reacciones catabólicas podemos encontrarlos 
 durante la glucólisis, en este proceso, a través de varias reacciones químicas, se toma 
 la molécula de glucosa, formada por de seis carbonos y se degrada hasta 
 transformarla en dos moléculas formadas cada una por tres carbonos. 
 Las reacciones exergónicas son aquellas que liberan energía. Por lo general, las 
 reacciones catabólicas son también reacciones exergónicas. 
 Las reacciones que requieren que la célula invierta energía para que ocurran se 
 denominan reacciones endergónicas. Por lo general, las reacciones anabólicas son 
 reacciones endergónicas. 
 Es importante tener presente que en todos los seres vivos ocurren constantemente 
 reacciones anabólicas y reacciones catabólicas. Incluso, en el interior de una misma 
 célula puede estar ocurriendo simultáneamente una reacción catabólica en el interior 
 de las mitocondrias, mientras que en el mismo momento, en el citoplasma o en el 
 ribosoma ocurren reacciones anabólicas. 
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 Los Transportadores de Electrones. 
 Para establecer enlaces químicos entre varias moléculas durante las reacciones 
 anabólicas, en ocasiones pueden hacer falta electrones adicionales para estabilizar la 
 molécula en construcción. 
 Por el contrario, al romper enlaces en las reacciones catabólicas, es posible que se 
 liberen electrones. Debido a que los electrones son partículas con carga eléctrica 
 altamente reactivas, no pueden permanecer libres en el interior celular, porque 
 podrían reaccionar con otras moléculas produciendo efectos no deseables. 
 Los trasportadores de electrones son moléculas capaces de atrapar los electrones 
 liberados en las reacciones catabólicas y almacenarlos temporalmente en su 
 estructura. Luego, pueden llevar estos electrones a reacciones anabólicas donde se 
 necesitan para estabilizar las nuevas moléculas formadas. 
 Podríamos comparar los transportadores de electrones con deliverys capaces de 
 transportar en su motocicleta dos botellones de agua al mismo tiempo. Ya que 
 pueden transportar dos cargas en su estructura, en este ejemplo sería la cesta de la 
 motocicleta. 
 Una vez que este delivery ha recibido la carga se desplaza hacia el lugar donde es 
 requerido y la deposita allá. Quedando entonces la cesta libre para ir al punto de 
 abastecimiento y aceptar dos cargas más. Este proceso puede repetirse innumerable 
 cantidad de veces. 
 Ahora que lo has comprendido con el ejemplo del delivery, vamos a analizarlo con 
 moléculas. 
 Los principales transportadores electrones son las moléculas NAD + , NADP + , FAD + . 
 Estas moléculas pueden atrapar temporalmente en su estructura dos electrones. 
 Todos los transportadores de electrones pueden presentarse en dos formas: 
 ➔ Forma reducida . En este caso, el transportador de electrones ya ha atrapado 
 dos electrones libres yse encuentran incorporados a su estructura. 
 ➔ Forma oxidada . En este caso, el transportador de electrones ha liberado los 
 electrones y es capaz de recibir nuevamente otros electrones para su 
 transporte. 
 Veamos un ejemplo, es el transportador NAD + en su forma oxidada y NADH en su 
 forma reducida. 
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 Observe la imagen superior . En los círculos rojos se muestra el lugar de la molécula 
 de donde se aceptan los electrones libres. Una molécula de NAD + puede cargar dos 
 electrones simultáneamente. Uno de los electrones se une al átomo de N + que posee 
 una ligera carga positiva y el otro se carga en forma de un átomo de hidrógeno 
 asociado al anillo superior (coloreado en rosa). 
 Transportador de electrones FAD + en su forma oxidada y reducida FADH 2. En rojo se 
 observan los átomos de nitrógeno donde se transportan los electrones. 
 Fuente de la imagen: https://www.pinterest.com/pin/biology--844493669993712/ 
 La imagen inferior muestra una molécula de NADP + en su forma oxidada 
 (izquierda) y su forma reducida (derecha). En rojo se observan las modificaciones en 
 su estructura que hacen posible que almacene y transporte dos electrones. 
 Fuente de la imagen: https://www.creative-proteomics.com/application/nadp-nadph-analysis-service.htm 
 Las Rutas y Ciclos Metabólicos. 
 Las células organizan las reacciones químicas del metabolismo en rutas o vías 
 metabólicas . Las vías metabólicas están compuestas por un conjunto de reacciones 
 que tienen un fin común. 
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https://www.pinterest.com/pin/biology--844493669993712/
https://www.creative-proteomics.com/application/nadp-nadph-analysis-service.htm
 Recordemos que en una reacción química las moléculas que intervienen en la 
 reacción se denominan reactantes y las sustancias resultantes de la reacción se 
 denominan productos . En una ruta metabólica, los productos de las primeras 
 reacciones son los reactantes en las reacciones siguientes. 
 Veamos el ejemplo de una ruta metabólica. 
 En el ejemplo superior, para que la reacción 2 ocurra es imprescindible que ocurra 
 primero la reacción 1, ya que esta produce AB necesario para que ocurra la reacción 
 2. De igual forma, AC que es reactante en la reacción 3 es generado mediante la 
 reacción 2. 
 Un ejemplo, de ruta metabólica es la Glucólisis . Esta consiste en un conjunto de 
 reacciones químicas mediante la cual la glucosa, una azúcar de seis carbonos, se 
 convierte en dos moléculas de tres carbonos llamada ácido pirúvico . La glucólisis es 
 un conjunto de reacciones catabólicas. 
 Glucólisis. Una ruta metabólica para la producción de energía. 
 Fuente imagen: https://cursoparalaunam.com/balance-energetico-de-la-glucolisis 
 Un ciclo metabólico es una ruta metabólica que se repite de forma cíclica, como su 
 nombre lo indica. En cada ronda o vuelta del ciclo se genera una cantidad 
 determinada del producto y se generan también los reactantes de la primera 
 reacción, lo cual hace posible que el ciclo se inicie nueva vez. 
 Un ejemplo de un ciclo metabólico es el Ciclo de Calvin-Benson mediante la cual se 
 convierten seis moléculas de CO 2 en una molécula de seis carbonos, la glucosa. El 
 conjunto de reacciones que componen el ciclo de Calvin-Benson son reacciones 
 anabólicas. 
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https://cursoparalaunam.com/balance-energetico-de-la-glucolisis
 Ciclo de Calvin-Benson para la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono. 
 Fuente imagen: https://www.bioenciclopedia.com/ciclo-de-calvin-que-es-fases-y-funcion-861.html 
 Las Enzimas. 
 Los seres vivos tienen aproximadamente un 70% de agua en su composición. Esta 
 cantidad de agua está contenida en el líquido extracelular, se encuentra formando 
 parte de sus fluidos vitales y también se encuentra en gran cantidad en sus células. 
 El citoplasma de la célula es rico en agua, en el citoplasma celular las moléculas se 
 encuentran disueltas o suspendidas en esta agua. De igual forma, el interior de los 
 organelos membranosos como las mitocondrias, cloroplastos o retículos 
 endoplasmáticos contienen alta cantidad de agua. Por lo cual, es correcto afirmar 
 que las reacciones químicas que sostienen la vida ocurren en solución acuosa. 
 Las moléculas por lo general no son simétricas, es decir, en diferentes puntos de su 
 estructura poseen diferentes átomos o grupos funcionales. En las reacciones 
 químicas es necesario que las moléculas que van a intervenir en la reacción, no tan 
 solo se encuentren, sino que se encuentren en la posición adecuada, para que los 
 átomos y grupos funciones apropiados se pongan en contacto y la reacción pueda 
 proceder. 
 ¿Qué probabilidad hay de que dos moléculas que deben participar en una reacción se 
 encuentren, si estás se están disueltas en el citoplasma entre otros miles de moléculas? 
 ¿Qué probabilidad existe de que estas moléculas se encuentren en la posición correcta, si estás 
 se están desplazándose al azar? Pues la probabilidad es muy baja. 
 Debería de transcurrir mucho tiempo para que las moléculas apropiadas se 
 encuentran y para que los grupos químicos funcionales que deben reaccionar se 
 coloquen en la posición adecuada. La célula no dispone de este tiempo. Las 
 reacciones químicas en nuestro cuerpo ocurren en fracciones de segundo. 
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https://www.bioenciclopedia.com/ciclo-de-calvin-que-es-fases-y-funcion-861.html
 Las enzimas son moléculas que actúan como catalizadores biológicos. Es decir, 
 hacen posible que las reacciones químicas ocurran en menor tiempo y con menor 
 gasto de energía inicial. 
 ¿Cómo consiguen las enzimas que las reacciones ocurran en menor tiempo? 
 Las enzimas poseen sitios activos donde se unen las moléculas a participar en la 
 reacción. Las moléculas que se unen a la enzima para participar en la reacción 
 reciben el nombre de sustrato . 
 Las enzimas son específicas porque catalizan o aceleran solo reacciones particulares, 
 por lo cual se unen solo a los sustratos indicados. 
 Existen varias teorías para tratar de explicar la forma en que la enzima reconoce a 
 sus sustratos. Una de ellas es el Modelo Llave-Cerradura . Este modelo explica que 
 la enzima se une al sustrato indicado al reconocer su forma, es decir, que el sustrato 
 tiene una forma complementaria al sitio activo de la enzima. En este modelo la 
 forma de la enzima es fija, no varía. 
 Existe otra teoría denominada Modelo de Ajuste Inducido , la cual propone que el 
 sustrato tiene una forma afín al sitio activo de la enzima, pero no completamente 
 coincidente. Al unirse el sustrato a la enzima se producen cambios conformaciones 
 que acaban produciendo el ajuste exacto entre ambas moléculas. Es decir, la unión 
 del sustrato al sito activo, induce cambios en la forma de la enzima. Por lo cual la 
 enzima no tiene una forma fija. 
 Las enzimas catalizan o aceleran tanto reacciones anabólicas como reacciones 
 catabólicas. Veamos un ejemplo de cada caso. 
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 Fuente de la imagen: Shutter Stock ID 130354712 
 https://es.dreamstime.com/ejemplo-del-vector-de-la-enzima-ciclo-y-diagrama-etiquetados-con-los-catalizadore 
 s-image130354712 
 Factores que afectan el funcionamiento de las enzimas. 
 La mayoría de las enzimas son proteínas, por lo tanto, al igual que las proteínas, son 
 sensiblesa cambios de temperatura y pH. Cuando una proteína pierde su forma 
 como resultado de cambios de pH y temperatura, decimos que se ha 
 desnaturalizado, debido a que ha perdido su forma natural. En las enzimas este 
 proceso no es favorable, ya que al perder la forma de su sitio activo, la enzima no 
 puede unirse al sustrato y deja de funcionar. Si una enzima deja de funcionar, 
 entonces la reacción se detiene. 
 La desnaturalización de las enzimas es la razón por la cual las fiebres altas son tan 
 peligrosas para el organismo, pues aumentan la temperatura corporal, pudiendo 
 provocar la desnaturalización de enzimas y generando daño multisistémico. De 
 igual forma existen condiciones conocidas como acidosis respiratoria y acidosis 
 metabólica, estos trastornos de salud generan que el pH de la sangre se torne más 
 ácido, lo cual puede también generar la desnaturalización de diversas enzimas. 
 Otros factores que afectan el funcionamiento de las enzimas, son la cantidad de 
 sustrato disponible o la presencia de inhibidores enzimáticos. Los inhibidores 
 enzimáticos son sustancias que puedan unirse a la enzima alterando su forma o 
 impidiendo que esta se una al sustrato. 
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https://es.dreamstime.com/ejemplo-del-vector-de-la-enzima-ciclo-y-diagrama-etiquetados-con-los-catalizadores-image130354712
https://es.dreamstime.com/ejemplo-del-vector-de-la-enzima-ciclo-y-diagrama-etiquetados-con-los-catalizadores-image130354712
 En las imágenes superiores vemos como el pH, la temperatura y la concentración del 
 sustrato y la enzima afectan la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas. 
 Es importante recordar que cada reacción que ocurre en el interior de los seres 
 vivos es catalizada o acelerada por una enzima diferente. 
 El ATP 
 Recordemos que los enlaces químicos almacenan energía. Esto es cierto para todas 
 las moléculas, sin embargo, existen moléculas que almacenan más energía en sus 
 enlaces que los que se almacenaría en un enlace común. Estas moléculas reciben el 
 nombre de moléculas de alta energía . 
 Estudiaremos en detalle una de ellas, el adenosín trifosfato o ATP . El adenosín 
 trifosfato es una molécula orgánica formada por un compuesto orgánico llamado 
 adenosín y tres grupos fosfatos unidos en cadena, de allí el prefijo tri (que significa 
 dos). Los grupos fosfatos poseen gran energía en los enlaces que los unen. Es por 
 esto, que si la célula requiere energía, puede separar el grupo fosfato terminal de la 
 molécula de ATP utilizando agua, en un proceso conocido como hidrólisis de ATP. 
 Habiendo perdido un grupo fosfato, la molécula de adenosín queda unido a dos 
 grupos fosfatos recibiendo el nombre de ADP o adenosín difosfato. El grupo fosfato 
 desprendido queda libre y constituye un fosfato inorgánico P i . Mientras que la 
 energía que se libera al romper el enlace está disponible para realizar trabajo en la 
 célula. ¿Es posible desprender otro grupo fosfato del ADP? 
 Si es posible, el resultado es un compuesto orgánico llamado adenosín monofosfato 
 formado por el adenosín y el grupo fosfato residual unido a ella. 
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 Un grupo fosfato queda libre en el citoplasma celular y se denomina también fosfato 
 inorgánico P i . Sin embargo, es importante resaltar que la energía liberada al retirar el 
 segundo grupo fosfato es muy inferior a la obtenida al retirar el grupo fosfato más 
 distante del adenosín. 
 Cuando la célula obtiene energía es necesario almacenar esta energía en un enlace 
 químico para evitar que esta se disipe al medio y ya no esté disponible para hacer 
 trabajo. 
 Imaginemos que calentamos un poco de agua en la estufa para hacer un té. En un 
 principio, la energía química del gas que utilizamos en la estufa debe liberarse. Las 
 moléculas de gas liberan la energía contenida en sus enlaces a través de una reacción 
 de combustión. Esta energía se emplea para calentar el agua que queremos emplear 
 para hacer el té. Pero si apagamos la estufa cuando el agua ya está caliente y nos 
 distraemos unos minutos realizando cualquier otra actividad. Al regresar, nos 
 daremos cuenta de que el agua ya está fría. La energía que empleamos para calentar 
 el agua no se perdió, sin embargo, se disipó al aire en forma de calor y ya no está 
 disponible para volver a calentar el agua o hacer otro tipo de trabajo. 
 El uso eficiente de la energía es muy importante en la célula, por lo cual si se libera 
 energía en una reacción química, esta debe almacenarse para evitar que se disipe al 
 medio como calor y no pueda emplearse. Las células entonces almacenan la energía 
 liberada en un enlace químico de alta energía. 
 El ATP está continuamente formándose y degradándose en el interior celular. 
 Cuando la célula realiza una reacción que libera energía, se forma ATP a partir del 
 ADP a través de la adición de un grupo fosfato. La energía obtenida se almacena 
 temporalmente en el enlace químico creado. 
 Por otro lado, cuando la célula requiere energía, puede buscar un ATP de sus 
 reservas y remover un grupo fosfato por hidrólisis, convirtiendo ATP en ADP y 
 liberando energía que pueda ser utilizada en otra reacción en el interior de la célula. 
 En la ilustración inferior se muestra como el ATP es constantemente convertido a 
 ADP cuando la célula requiere energía para usarlo en reacciones del metabolismo. 
 También muestra como el ADP se transforma en ATP al agregar un grupo fosfato 
 cuando la célula obtiene energía de reacciones metabólicas. 
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