Metabolismo Celular: Catabolismo, Anabolismo y Regulación Enzimática

Metabolismo Celular: Procesos Fundamentales de la Vida

El METABOLISMO (MET) es el conjunto de reacciones químicas que se llevan a cabo en el interior de la célula. Encaminado a mantener su orden interno y realizar las funciones vitales.

Las Enzimas como Biocatalizadores

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea, al disminuir la energía de activación. No modifica el sentido del equilibrio, sino que acelera su consecución.

Propiedades de las Enzimas

1. Solubilidad: Son solubles, su estructura terciaria globular lo permite.
2. Capacidad de Recuperación: Se precisan en pequeñas cantidades, puesto que se recuperan al final de la reacción. Cada célula es capaz de fabricar la mayor parte de las enzimas que necesita.
3. Necesidad de un Medio de Reacción Óptimo: Para actuar mejor, lo demandan tanto en relación con la temperatura como con el pH. Debido a su carácter proteico, se desnaturalizan debido al calor, perdiendo su estructura tridimensional y su función.
4. Especificidad: Existe una individualidad con respecto al tipo de reacción que catalizan y otra con respecto al sustrato. Aparte, existen la apoenzima, la coenzima y el cofactor.

Complejo Enzima-Sustrato

Los inhibidores impiden que se forme y, por tanto, que se lleve a cabo la actividad enzimática. Si un inhibidor se une a una enzima mediante enlaces covalentes, es irreversible; si se une mediante un enlace débil, es reversible.

Clasificación de Enzimas (Nomenclatura IUBMB)

1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción (ej. oxidasas).
2. Transferasas: Catalizan reacciones de transferencia (ej. transaminasas).
3. Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis (ej. proteasas, lipasas).
4. Liasas: Catalizan reacciones de adición de grupos moleculares a dobles enlaces (ej. carboxilasas, hidratasas).
5. Isomerasas: Catalizan reacciones de isomerización (ej. citrato isomerasa).
6. Ligasas: Catalizan reacciones que unen moléculas para formar enlaces (ej. ATP sintasa).

Catabolismo: Liberación de Energía

El CATABOLISMO (CATA) es el conjunto de reacciones químicas del metabolismo celular que llevan a cabo la degradación de moléculas orgánicas, mediante reacciones de oxidación, en las que se libera energía (de complejo a sencillo).

Fermentación

Se lleva a cabo en el citosol. La base de la fermentación es la glucosa y permiten la producción de ATP en ausencia de oxígeno ($ ext{O}_2$).

• Láctica: No produce $ ext{CO}_2$. Posee 3 átomos de carbono (presente en bacterias). Ecuación simplificada: $ ext{Glucosa} ightarrow 2 ext{Piruvato} + 2 ext{ATP} + 2 ext{NADH} + ext{H}^+ ightarrow 2 ext{Lactato} + ext{NAD}^+$.
• Alcohólica: Produce $ ext{CO}_2$. Posee 2 átomos de carbono en el producto final, se reduce. Ecuación simplificada: $ ext{Glucosa} ightarrow 2 ext{Piruvato} + 2 ext{ATP} + ext{NADH} + ext{H}^+ ightarrow 2 ext{Piruvato} ightarrow 2 ext{CO}_2 + 2 ext{Acetaldehído} ightarrow 2 ext{CO}_2 + 2 ext{Etanol} + ext{NAD}^+$.

Cadena Respiratoria

Su objetivo es conseguir ATP. Depende del sistema lanzadera, será $ ext{NADH}$ o $ ext{FADH}_2$. Es una cadena de transporte de electrones. La $ ext{ATP}$ sintasa actúa como un canal de paso de los protones ($ ext{H}^+$) desde el espacio intermembrana hasta la matriz mitocondrial. Es donde se genera la energía que dará lugar a la síntesis de 3 moléculas de ATP por cada par de electrones transportados a lo largo de la cadena desde el $ ext{NADH}$. Transfiere electrones al $ ext{O}_2$ para dar $ ext{H}_2 ext{O}$.

Fosforilación Oxidativa

Fabricación de ATP a partir de la reducción de moléculas orgánicas.

Anabolismo: Síntesis de Biomoléculas

El ANABOLISMO (ANAB) comprende la parte del metabolismo cuyo conjunto de reacciones químicas tienen como finalidad la síntesis de biomoléculas que forman parte de la célula.

Fotosíntesis

Es el proceso más importante de la biosfera; gracias a ella se alimentan directa o indirectamente todo el conjunto de seres vivos. Su ecuación global es: $6 ext{CO}_2 + 6 ext{H}_2 ext{O} + ext{Energía luminosa} ightarrow ext{Glucosa} + 6 ext{O}_2$.

Factores que Influyen

Los factores que influyen son: la luz (si hay mucha se oxida), concentración de $ ext{CO}_2$ y $ ext{O}_2$, la temperatura, la disponibilidad de agua y de nutrientes, la humedad y la longitud de onda.

Etapas de la Fotosíntesis

Fase Luminosa

Ocurre en los tilacoides del cloroplasto. Los pigmentos son la clorofila, carotenoides y xantofilas. Un fotosistema está compuesto por un centro de reacción rodeado por un número determinado de complejos captadores de luz, formados por proteínas y los pigmentos que captan la luz para la realización de trabajo químico. Estas moléculas captan la energía lumínica y la ceden a las moléculas vecinas presentes en cada fotosistema hasta llegar a una molécula de clorofila denominada molécula diana, que se excita y pierde un electrón (aceptador se reduce: cadena de transporte de electrones).

Esta fase se constituye por:

• Complejo antena.
• Donador y aceptor de electrones.
• Serie de transportadores de electrones encargados de transferir los electrones del donador al aceptor.

Existen 2 tipos de fotosistemas:

1. P700: Absorbe mejor la longitud de onda de 700 nm.
2. P680: Absorbe a longitud de onda del rojo, 680 nm.

(Nota: Falta la descripción de la fotofosforilación en esta sección.)

Fase Oscura (Ciclo de Calvin)

Ocurre en el estroma. Su objetivo es fabricar glucosa y otros compuestos orgánicos. Es denominada 'oscura' porque no necesita la luz directamente, se usa la energía obtenida de la fase luminosa. Necesita $ ext{CO}_2$ y desprende azúcares, sintetizando moléculas orgánicas complejas.

Fotorrespiración

Se activa con la luz. En presencia de $ ext{CO}_2$, se produce carboxilación. En presencia de $ ext{O}_2$, se inhibe la fijación de $ ext{CO}_2$ y se produce la fotorrespiración. El $ ext{CO}_2$ disminuye, el $ ext{O}_2$ actúa como sustrato de la enzima (no se produce ATP ni $ ext{NADPH}$). Las plantas $ ext{C}_3$ suelen cerrar los estomas en verano, y la enzima RuBisCO se une al $ ext{O}_2$.

Quimiosíntesis

Su fuente de energía se obtiene de oxidar compuestos inorgánicos (de ahí se saca ATP y $ ext{NADPH}$). Es otro tipo de anabolismo autótrofo. Los grupos de bacterias son:

• Nitrificantes: Oxidan $ ext{NH}_3$ (amoniaco) para obtener energía.
• Sulfooxidantes: Oxidan compuestos azufrados para obtener ácido sulfúrico.
• Ferrooxidantes: Oxidan compuestos ferrosos.
• Metanógenas: Oxidan $ ext{H}_2$ y obtienen energía o metano.

Comparativa: Fotosíntesis vs. Respiración Celular