Metabolismo _IA PDF

**Metabolismo y nutrición** Los nutrientes aportan la materia y energía que necesita el organismo. El **METABOLISMO** es el conjunto de reacciones químicas necesarias para la vida que se producen en las células. La energía contenida en los [alimentos](https://biologia-geologia.com/anatomia/44_alim...

**Metabolismo y nutrición** Los nutrientes aportan la materia y energía que necesita el organismo. El **METABOLISMO** es el conjunto de reacciones químicas necesarias para la vida que se producen en las células. La energía contenida en los [alimentos](https://biologia-geologia.com/anatomia/44_alimentos.html) se transforma en energía útil para las células del organismo. Estas reacciones químicas se clasifican en dos tipos distintos: **CATABOLISMO**: - El **catabolismo** es el conjunto de reacciones químicas en las que se obtiene energía por la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras moléculas más sencillas. - Es la **fase degradativa** del metabolismo. Son **procesos oxidativos**, que **liberan electrones y energía.** - Por ejemplo, en la respiración celular se libera energía en forma de adenosín trifosfato (ATP) a partir de glucosa, obteniéndose, además, agua y dióxido de carbono. **ANABOLISMO**: - El **anabolismo** es el conjunto de reacciones químicas en las que se sintetizan moléculas orgánicas complejas a partir de otras moléculas sencillas, utilizando la energía obtenida en el catabolismo. - Es la **fase de construcción** del metabolismo. Son **procesos reductores**, que **consumen y energía.** - Por ejemplo, cuando en el hígado se forma glucógeno a partir de la glucosa, o cuando se sintetizan proteínas a partir de aminoácidos. **CARACTERISTICAS DEL METABOLISMO** - Las reacciones químicas de **CATABOLISMO** Y **ANABOLISMO** están acopladas, aunque son independientes energéticamente. Aunque el ATP formado en unas es utilizado por otras. - Los procesos metabólicos se llevan a cabo mediante serie de reacciones donde los productos de unas rutas son los sustratos de otras. Estas reacciones están mediadas por unas proteínas especializadas denominadas, **enzimas**. Y las moléculas que participan en las reacciones químicas se denominan, **metabolitos**. **REACCIONES DE OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN** **OXIDACIÓN** **REDUCCIÓN** ------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------- ----------------------------- **Pérdida de e^-^ o H^+^** **Ganancia de e^-^ o H^+^** **Ganancia de O~2~** **Pérdida de O~2~** Ambos procesos están acoplados ya que para que una molécula se oxide, otra tiene que reducirse. En algunas ocasiones las reacciones metabólicas precisan de la existencia de ENZIMAS, moléculas proteicas que las catalizan (es decir, hacen que la velocidad de reacción sea mayor y que se necesite menos cantidad de energía de activación) que favorecen las transformaciones de sustratos en productos. Estas enzimas tienen un alto grado de **ESPECIFICIDAD**, de manera que son **ESPECÍFICAS** (adecuadas para algo en concreto) para una determinada reacción metabólica. Algunas de estas además necesitan para llevar a cabo su función la presencia de **COENZIMAS**, moléculas derivadas de algunas vitaminas que forman parte del enzima activa: COENZIMA NAD Derivado Vit B~3~ Puede aceptar **e^-^ o H^+^** NAD^+^ + H~2~ NADH + H^+^ -------------- ------------------- ------------------------------- --------------------------- COENZIMA FAD Derivado Vit B~2~ Puede aceptar **e^-^ o H^+^** FAD^+^ + H~2~ FADH~2~ **LOS FOSFÁGENOS: EL ATP Y LA FOSFOCREATINA** Los **fosfágenos** son moléculas que contienen dos o más grupos fosfatos unidos por enlaces ricos en energía, la cual se libera cuando estos se rompen mediante un proceso de hidrólisis. Los más importantes son: el ATP y la fosfocreatina 1. **ATP:** El adenosin trifosfato es un ácido nucleico rico en energía metabólica necesaria para que las células lleven a cabo los procesos vitales. Como su nombre indica lleva tres grupos fosfato unidos entre si por enlaces ricos en energía que se libera mediante la siguiente reacción de hidrólisis: **ATP + H~2~ O ADP +P~i~ + ENERGÍA** Por cada mol de ATP, se liberan aprox. 7.3 Kcal. La síntesis de ATP solo puede producirse si s e suministra suficiente energía necesaria. En células animales hay dos maneras fundamentalmente: **FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO** Esta ocurre acoplada a otra reacción metabólica que libera energía, como por ejemplo ocurre en el glucolisis: **FOSFOENOLPIRUVATO + ADP PIRUVATO + ATP** **FOSFORILACIÓN OXIDATIVA** Esta ocurre acoplada a la oxidación de coenzimas reducidas HADH Y FADH~2,~ en la cadena respiratoria en la mitocondria, durante la respiración celular aerobia. En ella, los **e^-^ de alta energía de esas coenzimas son transportados hasta el O~2~ y la energía liberada se emplea para sintetizar ATP** **USOS DEL ATP** - **Síntesis de moléculas complejas.** - **Contracción muscular y movimiento de cilios y flagelos.** - **Transporte activo a través de las membranas celulares.** - **Transmisión de impulsos nerviosos.** 2. La **FOSFOCREATINA**: es una molécula que permite producir ATP cuando su nivel desciende bruscamente al iniciarse la actividad física. Se trata de la unión de la creatina, un ácido orgánico nitrogenado y un fosfato mediante un enlace rico en energía cuando la célula tiene suficiente ATP. **REGULACIÓN DE LA ENERGÍA** El organismo tiene sistemas de regulación que controlan la cantidad de energía que necesita. Si los depósitos de energía se reducen, se activan mecanismos que producen hambre para que el organismo ingiera alimento que le proporcione energía. En el hipotálamo se encarga de regular la cantidad de energía con los centros del hambre y de la saciedad, para controlar este balance energético. La **NUTRICIÓN** implica múltiples procesos que se pueden agrupar en tres fases: **entrada de nutrientes en la célula, metabolismo celular y salida de residuos y productos resultantes del metabolismo.** 1. **ENTRADA DE NUTRIENTES EN LA CÉLULA** La membrana plasmática presenta **permeabilidad selectiva,** es decir, regula el paso de sustancias hacia el interior y el exterior de la célula a través de los mecanismos de transporte, que difieren según la naturaleza de las moléculas y de si requieren o no gasto energético. - **METABOLISMO: CÉLULAS AUTÓTROFAS Y HETERÓTROFAS** Se pueden distinguir dos modalidades de nutrición celular en función de la naturaleza química de la materia que se incorpora como nutrientes y de la fuente de energía que se utiliza. Una vez dentro de las células, los nutrientes son sometidos a transformaciones que, en conjunto, constituyen el **METABOLISMO**. El **metabolismo** es el conjunto de reacciones químicas que permite a la célula convertir los nutrientes en materia prima para la propia célula y obtener la energía necesaria para las actividades vitales. El **metabolismo** está integrado por los múltiples y complejos procesos químicos regulados y coordinados, que tienen lugar en los distintos compartimentos celulares. Los **procesos metabólicos** se pueden clasificar en dos tipos: **PROCESOS ANABÓLICOS, O DE SÍNTESIS**, que requieren un aporte energético, y **PROCESOS CATABÓLICOS, O DE DEGRADACIÓN**, que liberan energía, la cual será utilizada en los procesos que la necesitan, como procesos anabólicos, movimiento y producción de calor, entre otros. El mantenimiento de la vida requiere un aporte continuo de energía. Las células obtienen la energía necesaria degradando biomoléculas orgánicas. Los procesos mediante los cuales las células extraen la energía contenida en la glucosa y otros combustibles son diferentes en función de la intervención o no del oxígeno. El ATP se consume de manera constante dentro de las células y su producción debe asegurarse a través de los procesos metabólicos de degradación de nutrientes, los cuales pueden ser: **ANAEROBIOS** **En ausencia de O~2~** **FERMENTACIÓN LÁCTICA** **FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA** ---------------- -------------------------- -------------------------- ----------------------------- **AEROBIOS** **En presencia de O~2~** **RESPIRACIÓN CELULAR** 1. **LA FERMENTACIÓN: UNA VÍA ANAEROBIA DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA** Puede ocurrir que una célula necesite energía, pero no reciba suficiente oxígeno para realizar la respiración; por ejemplo, las células del músculo esquelético cuando realizan un ejercicio intenso. Incluso puede suceder que el oxígeno resulte un gas tóxico para la célula, como en las bacterias anaerobias estrictas. En ausencia de oxígeno, las células obtienen energía realizando la fermentación. La **fermentación** es un proceso **catabólico anaerobio** (degradación, en ausencia de oxígeno) que ocurre en el hialoplasma y en el que se produce una degradación de la materia orgánica a biomoléculas orgánicas más simples, con el fin de obtener energía (síntesis de ATP) por transferencia de fosfato desde la creatina. Así pues, en la **FERMENTACIÓN LÁCTICA**, la glucosa que procede de la sangre o e glucógeno, principalmente del hígado o musculo, se transforma en acido láctico (lactato). Esta fermentación ocurre en dos **etapas:**  La primera es la **GLUCÓLISIS,** con la obtención de ácido pirúvico que ocurre en el **citosol** de la célula y con el resultado de 2 ATP; la segunda etapa es la **reducción del ácido pirúvico** a ácido láctico (lactato), para ello se usa 2 moléculas de poder reductor 2 NAD^+^ que se transforman en 2 NADH + 2H^+.^ El NAD^+^ es la coenzima que hace posible la oxidación de la glucosa en la glucolisis. En el caso de la **FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA** al igual que la láctica tiene como propósito obtener energía. La glucosa (en la glucólisis) forma dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato) que se oxidan nuevamente para obtener un acetaldehído y como producto residual alcohol etílico (etanol) y CO~2~. En la siguiente imagen podrás observar las dos **etapas:** la primera es la **glucólisis,** con la obtención de ácido pirúvico; la segunda etapa es la **reducción del ácido pirúvico** a etanol.  2. **RESPIRACIÓN CELULAR** La mayor parte del ATP utilizado por las células se origina por medio de la **respiración celular**. Esta comprende un conjunto de reacciones metabólicas en las que los nutrientes orgánicos, principalmente glucosa y los ácidos grasos, se oxidan en presencia de O~2~ para formar CO~2~ y H~2~ O. **La respiración celular** **La respiración celular es un proceso catabólico en el cual se produce la degradación completa de la materia orgánica a CO~2~ y H~2~ O, en presencia de O~2~, con la consiguiente liberación de energía.** Mediante un proceso **AEROBIO**, se usa el O~2~ utilizado como último aceptor de **e^-^ que se liberan en las reacciones de oxidación, y como consecuencia se forma agua.** **La obtención de energía a partir de la glucosa,** principal combustible celular, se realiza en varias etapas, del siguiente modo: **1.**ª** etapa.** **GLUCÓLISIS. **Proceso en el que una molécula de glucosa (con 6C) rompe en dos moléculas de ácido pirúvico (de 3C) y libera energía en forma de 2 ATP. La glucólisis tiene lugar en el hialoplasma y su ecuación global es la siguiente: **Glucosa + 2 NAD**^+^** + 2 ADP + 2 Pi^ ^2 → ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H**^+^** + 2 ATP** **2.**ª** etapa.** La **DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA**, el ácido pirúvico obtenido entra en la matriz mitocondrial, donde pierde CO~2~ y se oxida para formar acetil coenzima A (**acetil CoA**) formado químicamente por una molécula de ácido acético más la coenzima A. **3.**ª** etapa.** El **CICLO DE KREBS**, es una ruta metabólica cíclica en las que los dos átomos de carbono del ácido acético del acetil-CoA se oxidan total mente para formar CO~2~. Las oxidaciones son llevadas a cabo por el NAD^+^ en tres reacciones y por el FAD en otra. Además, se origina una molécula de GTP, equivalente energéticamente al ATP, en un proceso de fosforilación a nivel de sustrato, lo que supone una cantidad muy pequeña de energía liberada en forma de enlaces fosfato. **La energía que aun se encontraba en el ácido acético se transfiere al NADH y el FADH~2,~ que tienen electrones de alta energía, la cual se utilizará para sintetizar ATP en la fosforilación oxidativa.** Posteriormente, en la **MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA**, en la denominada **cadena respiratoria,** los electrones, los hidrógenos transportados, por el NADH + H^+ ^y el FADH~2~, acaban uniéndose al **O~2~**, con lo que se obtiene H~2~O. Cada molécula de NADH que se oxida en la cadena respiratoria libera la energía necesaria para sintetizar hasta 3 moléculas de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa, y cada molécula de FADH~2~ hasta 2 moléculas de ATP. (Los cálculos actuales: 1 NADH = 2.5 ATP y 1 FADH~2~ = 1.5 ATP). En el proceso, se libera una gran cantidad de energía, la mayor parte de la cual se utiliza para formar **ATP.**  **DEGRADACIÓN DE LOS ACIDOS GRASOS** La oxidación de los ácidos grasos consiste en la eliminación secuencial de unidades de dos átomos de carbono, a través de una ruta metabólica denominada β-oxidación. El proceso de oxidación se realiza en el interior de las mitocondrias, en la matriz mitocondrial. La β-oxidación constituye una ruta catabólica de etapa II, en la cual se va a producir la degradación del ácido graso hasta un intermediario común que es la molécula de acetil-CoA. Esta ruta está formada por cuatro reacciones seguidas. Al final de esta secuencia, el ácido graso dispone de dos átomos de carbono menos, que se han independizado en forma de acetil-CoA. La secuencia de reacciones es: **1) Acil-CoA (n carbonos) + E-FAD  Enoil-CoA + E-FADH2** **2) Enoil-CoA + H2O ∆ L-3-Hidroxiacil-CoA** **3) L-3-Hidroxiacil-CoA + NAD+ ∆ 3-cetoacil-CoA + NADH + H+** **4) 3-cetoacil-CoA + CoA ∆ Acil-CoA (n-2 carbonos) + Acetil-CoA (2 carbonos)** El acil-CoA resultante recomenzaría en la reacción 1, para sufrir otro ciclo de β-oxidación y seguir separando unidades de dos átomos de carbono. En el caso de un ácido graso saturado de cadena par de átomos de carbono, como el palmitato, la reacción global necesitaría siete ciclos de β-oxidación: Palmitoil-CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O → 8 Acetil-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H^+^ **LOS CUERPOS CETÓNICOS** Si el metabolismo de glúcidos y lípidos está equilibrado, el destino del acetil-CoA proveniente de la β-oxidación, será su oxidación total a CO~2~ y H~2~O, a través del ciclo del ácido cítrico. Ahora bien, en determinadas circunstancias, si hay un déficit de glúcidos (ayuno, incapacidad de acceder a la glucosa: diabetes) el organismo utiliza rutas biosintéticas, garantizadoras de la formación mínima de glúcidos para aquellos tejidos dependientes de este único combustible. Uno de los precursores que utiliza para esta síntesis es la molécula inicial del ciclo del ácido cítrico, el oxalacetato. La disminución de oxalacetato causa un descenso en el funcionamiento del ciclo, que ahora es incapaz por lo tanto de degradar las moléculas de acetil-CoA, provenientes de la β-oxidación, a un ritmo acorde con su formación. En esta situación el acetil-CoA excedente se utiliza para la síntesis de los cuerpos cetónicos (cetogénesis) **CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Y BIOMOLÉCULAS NITROGENADAS** Los aminoácidos y nucleótidos constituyen las biomoléculas básicas para el desarrollo de los seres vivos, ya que son las unidades elementales de proteínas y ácidos nucleicos. La característica común de estos dos tipos de moléculas es la elevada proporción de nitrógeno que entra a formar parte de las mismas, siendo este elemento químico prácticamente exclusivo de estas macromoléculas. Las proteínas ingeridas en exceso, a diferencia de glúcidos y lípidos, no se pueden almacenar y por lo tanto deben ser degradadas. Existen estados metabólicos, como la inanición o la diabetes, en que la carencia de otros combustibles obliga a la utilización de las propias proteínas corporales como moléculas combustibles para la obtención de energía, pero aparte de estas situaciones, el organismo es muy conservador en el procesado metabólico de las proteínas, utilizando preferentemente como sustratos energéticos glúcidos y lípidos. En un adulto normal de unos 70 Kg de peso se recambian del orden de unos 400 gramos de proteína al día; de esta cantidad, la mayor parte corresponde al proceso de destrucción/formación de las propias proteínas (300 gramos), y el resto (100 gramos), quitando una pequeña parte que es utilizada en la síntesis de derivados nitrogenados, se oxida hasta CO~2~ y H~2~O.