Metabolismo y Energía Celular

Metabolismo y Energía

• El metabolismo consiste en reacciones químicas catalizadas por enzimas que suceden en las células.
• Los alimentos que se ingieren proporcionan energía y materia para las células.

Tipos de Metabolismo

• El catabolismo transforma moléculas orgánicas complejas en otras más simples.
• El anabolismo crea biomoléculas orgánicas complejas a partir de otras más sencillas.
• En el catabolismo, los processos oxidativos liberan electrones, H+ y energía; por ejemplo, la respiración celular.
• En el anabolismo, las reacciones de reducción gastan energía en forma de ATP para sintetizar proteínas y ácidos grasos.
• El ATP producido en los procesos catabólicos se utiliza para aportar la energía necesaria para llevar a cabo los procesos anabólicos.

Características del Metabolismo

• Las reacciones químicas del catabolismo y anabolismo están acopladas.
• Los electrones liberados deben ser captados para evitar la formación de radicales libres, que pueden dañar las células.
• Una parte del ATP formado en las rutas catabólicas se utiliza en las rutas anabólicas.
• Cada reacción está catalizada por una enzima, y las moléculas que participan se llaman metabolitos.
• El producto de una reacción es el sustrato que se modifica en otra, formando series de reacciones.
• Las rutas metabólicas pueden ser lineales o cíclicas.
• Cuando un metabolito participa en reacciones de diferentes rutas, se producen ramificaciones.

Reacciones de Oxidación

• Se pierden electrones o átomos de H.
• En la deshidrogenación, una molécula pierde H (normalmente 2H), como en la oxidación del etanol para formar etanal (acetaldehído).
• Si se pierden 2H+, se perderán también 2 electrones.
• En la ganancia de oxígeno, una molécula gana un átomo de oxígeno y libera 2H, como en la oxidación del etanol a ácido acético.

Reacciones de Reducción

• Una sustancia gana electrones (y por lo tanto H).
• Un ejemplo es la reducción del ácido pirúvico para formar ácido láctico.
• En las reacciones de oxidación-reducción (redox), se produce una transferencia de electrones de una sustancia a otra.
• La reducción es la ganancia de electrones, mientras que la oxidación es la pérdida de electrones.

Biocatalizadores

• Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones metabólicas; los sustratos se transforman en productos y son específicas de cada sustrato.
• Muchas enzimas necesitan coenzimas para realizar su función.
• Las coenzimas son moléculas derivadas de algunas vitaminas que forman parte de la enzima activa.
• Las reacciones REDOX son catalizadas por oxidorreductasas (enzimas) que utilizan coenzimas especiales: NAD y FAD.

Coenzimas

• El NAD contiene vitamina B3 y acepta electrones de otras moléculas (las oxida).
• El NAD transfiere esos electrones reduciendo a las moléculas que los aceptan.
• La forma oxidada del NAD es NAD+, y la forma reducida es NADH + H+.
• El FAD contiene vitamina B2.
• La forma oxidada del FAD es FAD, y la forma reducida es FADH2.

Los Fosfágenos: El ATP y la Fosfocreatina

• Los fosfágenos son moléculas que tienen uno o más grupos fosfato unidos por enlaces ricos en energía.
• Al romperse los enlaces (hidrólisis), se libera energía y los fosfatos.

Adenosín Trifosfato (ATP)

• Es un nucleótido formado por 3 grupos fosfato únicos entre sí por dos enlaces ricos en energía, una base nitrogenada (adenina) y una pentosa (ribosa).
• El ATP se usa para la síntesis de biomoléculas complejas, contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos, transporte activo a través de membranas celulares y transmisión de los impulsos nerviosos.
• La rotura por hidrólisis de los enlaces entre grupos fosfato libera la energía almacenada en ellos y un Pi (fosfato inorgánico), produciendo ADP (adenosín difosfato).
• 1 mol de ATP produce 7,3 Kcal.
• La síntesis de ATP a partir de ADP + Pi en las células se puede hacer por fosforilación a nivel de sustrato o fosforilación oxidativa.

Fosforilación

• En la fosforilación a nivel de sustrato, un grupo fosfato se transfiere directamente desde una molécula con alta energía a una molécula de ADP, formándose ATP.
• Un ejemplo es la glucólisis, donde el fosfoenolpiruvato + ADP → piruvato + ATP.
• La fosforilación oxidativa es una reacción acoplada a la oxidación de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) en la cadena respiratoria (respiración celular aerobia).
• Los electrones de las CoE son transportados hasta el O2 molecular.
• La energía liberada sirve para sintetizar ATP.

La Fosfocreatina

• Es una molécula del metabolismo energético muscular.
• Es una reserva de energía rápida para la regeneración del ATP, permitiendo producir ATP a partir de ADP cuando comienza una actividad física intensa pero breve.
• Se forma por unión de creatina y fosfato (enlace de alta energía).
• Se sintetiza en el hígado, riñones y páncreas y se almacena en los músculos.

Biosíntesis del ATP

• Las rutas metabólicas pueden ser anaeróbicas (sin O2) o aeróbicas (con O2).

Rutas Anaeróbicas

• No necesitan oxígeno, por lo que son útiles en esfuerzos explosivos.
• Son rápidas, pero menos eficientes que las aeróbicas.
• Producen menos ATP.
• Acumulan lactato, que puede provocar fatiga muscular.
• Un ejemplo de ruta anaeróbica es el sistema de fosfocreatina o fosfágenos (ATP – PCr).
• Otro ejemplo de ruta anaeróbica es la fermentación láctica.

Rutas Aeróbicas

• Obtienen energía en presencia de oxígeno, degradando glucosa, ácidos grasos o aminoácidos para producir ATP.
• Ocurren en la mitocondria.
• Producen más energía que la vía anaeróbica.
• Generan productos no tóxicos: CO2 y H2O
• Son más lentas que el metabolismo anaeróbico.
• No funcionan bien en esfuerzos de muy alta intensidad porque dependen del oxígeno.
• La combustión (respiración) mitocondrial es una ruta aeróbica.

Glucólisis

• Es una ruta aeróbica que ocurre en el citoplasma.
• Es el proceso de degradación (oxidación) de la glucosa hasta dar 2 piruvatos (ácido pirúvico).
• La ecuación general de la glucólisis (balance final) es: Glucosa + 2 ADP + 2P → 2 Piruvato + 2H2O + 2 ATP
• En la glucólisis, la glucosa se oxida hasta dar dos moléculas de ácido pirúvico, que después, en condiciones aeróbicas, pueden entrar en la mitocondria.
• La glucólisis también produce dos moléculas de ATP y dos de NADH.

Pasos Previos al Ciclo de Krebs

• El sistema piruvato deshidrogenasa lleva a cabo la descarboxilación oxidativa del piruvato.
• CoA y NAD+ intervienen en la reacción.
• Se elimina un grupo carboxilo del piruvato, liberando dióxido de carbono.
• NAD+ se reduce a NADH,
• El grupo acetilo se transfiere a coenzima A, y resulta acetil CoA

Ciclo de Krebs

• Es un ciclo químico que está en la matriz mitocondrial y forma parte de la respiración celular.
• Libera dióxido de carbono.
• Las CoE reducidas llevan a la cadena respiratoria (fosforilación oxidativa)
• El producto de cada vuelta es: 3 NADH + H+, 1 FADH2, 1 GTP, 2 CO2
• La ruta metabólica cíclica en la que los dos C del ácido acético del acetil - CoA se oxidan totalmente para dar CO2.
• El NAD+ interviene en 3 reacciones de oxidación y el FAD en 1, formándose 3 NADH + H+ y 1 FADH2
• Las CoE reducidas van a la cadena respiratoria (fosforilación oxidativa).
• Se forma 1GTP (fosforilación a nivel de sustrato)

Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

• NADH y FADH2 se oxidan y ceden sus electrones a una cadena transportadora de electrones: cadena respiratoria.
• Ocurre en la membrana interna de la mitocondria.
• Los electrones y protones llegan al O2 y se forma H2O.
• La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP en la ATP sintasa (membrana interna de la mitocondria).
• La energía procede de la energía liberada por los electrones en la cadena respiratoria.
• Cada NADH produce 3 ATP
• Cada FADH2 produce 2 ATP

Balance Energético del Catabolismo por Respiración de la Glucosa

• En la glucólisis se producen 2 moléculas de ácido pirúvico y 2 de NADH.
• El sistema piruvato deshidrogenasa y ciclo de Krebs produce, en cada piruvato, 1 GTP y 4 NADH.
• La fosforilación oxidativa origina 3 ATP por cada NADH.
• 2 ATP se generan en el Glucólisis.
• 1 GTP se generan en el Sistema Piruvato Deshidrogenasa
• 4 NADH se producen en la Glucósis.
• El ciclo de Krebs genera 1 FADH2

Fermentación Láctica

• Es un proceso catabólico en el que NO interviene la cadena respiratoria.
• El aceptor final de electrones y protones SIEMPRE es un COMPUESTO ORGÁNICO.
• La síntesis de ATP es SÓLO a NIVEL DE SUSTRATO.
• Los productos derivados de la leche dependen de los siguientes: Lactobacillus casei, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, Leuconostoc citrovorum
• En condiciones de sobreesfuerzo físico
• La glucosa que procede de la sangre o del glucógeno muscular y hepático, se transforma en ácido láctico (lactato). La glucosa que precede a la sangre o glucógeno sufre una primera etapa, el glucólisis.
• La glucólisis se produce y la glucosa sufre una oxidación hasta dar 2 piruvatos (ácido pirúvico). También se reducen 2 NAD+ y se regeneran 2 lactatos

Transformación del Ácido Láctico en Ácido Pirúvico

• Glucosa se convierte en ácido láctico o pirúvico.
• Transmisión de la glucosa a la sangre
• El hígado se convierte en ácido pirúvico, que se utiliza para producir glucosa (ciclo de Cori).
• La glucosa restaura los niveles de glucógeno
• El ácido láctico se oxida gracias al aerioba, gracias a esto puede producir energía

Mecanismos de Recuperación

• Los músculos no pueden catabolizar piruvato.
• Proceso para obtener ácido láctico.

Deuda de Oxígeno

• El cuerpo no puede satisfacer inmediatamente las las consecuencias de la O2 se activan por sistema anaeróbico
• Mioglobina y hemoglobina se encuentran ligadas
• La deuda de oxígeno almacena líquido: 2 litros
• La reposición de sistema aerobio, es necesaria ya que el cuerpo, depende del ejercicio realizado, Se necesita reponer una dieta rica en glucógeno 4 o 6 días es tiempo corto para para hacer una actividad importante, debido al esfuerzo necesario, ya que es mejor para lo sedentarios que deportistas.

Funciones del Hígado

• La transformación del ácido lácito pirúvico solo se efectúa con los hidratos de carbono y de aminocidos Se convierte en glucosa y tiene más fuerza por lo aerobios, Produce energía y el glucógeno restaura niveles.

Metabolismo y Actividad Física

• Potenciando todo esto muscular gracias a la célula y el ATP, aumenta el metabolismo en el sistema aerobios.