Metabolismo Celular: Procesos Esenciales para la Vida

Metabolismo Celular

El metabolismo celular es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en el interior de las células. Estas reacciones transforman unas biomoléculas en otras con el objetivo de obtener materia y energía. La materia se utiliza para el crecimiento, desarrollo y renovación de las estructuras celulares, mientras que la energía se almacena en los enlaces químicos de las sustancias de reserva energética o se transforma en diferentes tipos de energía (cinética, mecánica, eléctrica).

Gracias al metabolismo, las células pueden llevar a cabo las funciones vitales (reproducción, nutrición, relación). Las células se consideran autopoyéticas porque realizan el metabolismo por sí mismas.

Rutas Metabólicas

Las rutas metabólicas son las diferentes reacciones químicas del metabolismo. En ellas participan:

• Metabolitos: Moléculas que intervienen en las reacciones.
• Productos: Sustancias finales obtenidas.
• Metabolitos intermediarios: Pequeñas vías metabólicas que enlazan las rutas principales.

Catabolismo

El catabolismo es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas. Durante este proceso, se libera energía que se almacena en los enlaces fosfato del ATP. Son reacciones de degradación y oxidación. A partir de sustratos diferentes, se forman casi siempre los mismos productos.

Anabolismo

El anabolismo es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas. Este proceso requiere energía, la cual se obtiene de la rotura de enlaces fosfato del ATP. Las moléculas de ATP provienen de reacciones catabólicas, fotosíntesis o quimiosíntesis. Son reacciones de síntesis y reducción. A partir de pocos sustratos, se pueden formar productos diferentes.

Tipos de Metabolismo

Según su fuente de carbono, los organismos pueden ser:

• Autótrofos: Obtienen el carbono del CO₂.
• Heterótrofos: Obtienen el carbono de la materia orgánica.

Según su fuente de energía, pueden ser:

• Fotosintéticos: Utilizan la luz como fuente de energía.
• Quimiosintéticos: Utilizan la energía química como fuente de energía.

Combinando estas características, se pueden clasificar los organismos en:

• Fotoautótrofos: Utilizan CO₂ y luz (plantas, algas, cianobacterias).
• Quimioautótrofos: Utilizan CO₂ y energía química (bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre).
• Fotoheterótrofos: Utilizan materia orgánica y luz (bacterias púrpuras no sulfureas).
• Quimioheterótrofos: Utilizan materia orgánica y energía química (animales, hongos, protozoos).

ATP (Adenosín Trifosfato)

El ATP es un nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética. Almacena y cede energía gracias a sus enlaces anhidrido fosfórico. Cuando se hidroliza, se rompe el último enlace por un proceso de desfosforilación y se produce adenosín difosfato (ADP). Si se rompe el otro enlace, se produce adenosín monofosfato (AMP).

El ATP almacena energía de uso inmediato. Si la energía no se necesita, se almacena en forma de almidón, glucógeno y triglicéridos.

Síntesis de ATP

Existen dos formas de sintetizar ATP:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Adición de un grupo fosfato a un ADP gracias a la energía liberada al romperse alguno de los enlaces de una biomolécula.
• Fosforilación mediante enzimas ATP sintasas: En las crestas de las mitocondrias y en los cloroplastos, las enzimas ATP sintasas sintetizan ATP cuando su interior es atravesado por un flujo de H⁺.

Control del Metabolismo

Se necesitan mecanismos para evitar el caos metabólico. Las sustancias que intervienen son muy estables a temperatura ambiente y, si no se les ayuda a interactuar, no reaccionarían o lo harían muy lentamente. Esta situación permite a las células regular qué reacciones se deben dar y en qué momento. El control se consigue con biocatalizadores o enzimas.

Actividad de los Catalizadores

En las reacciones exergónicas, las sustancias químicas desprenden energía calorífica, lo que aumenta la temperatura. Esto se debe a que la energía libre (G) de las sustancias reaccionantes es superior a la de las sustancias producidas. Estas reacciones no ocurren espontáneamente, necesitan energía de activación.

Esta energía podría aportarse mediante un aumento de temperatura, pero en los seres vivos pondría en peligro su supervivencia. Por eso, se utilizan enzimas, sustancias que disminuyen la energía de activación necesaria para que se produzcan las reacciones bioquímicas.

Función de los Biocatalizadores

• Energía de activación: Energía que se ha de suministrar para debilitar los enlaces de los reactivos y posibilitar su ruptura.
• Estado de transición: Estado en el que hay tantas posibilidades de que las moléculas activadas acaben formando el producto final como de que se desactiven y queden como sustrato inicial.
• Biocatalizadores: Sustancias que facilitan las reacciones químicas al disminuir la energía de activación.

Enzimas

Las enzimas son proteínas globulares. En su cadena polipeptídica se distinguen tres tipos de aminoácidos: estructurales, de fijación y catalizadores. Son dispersables en agua y pueden actuar a nivel intracelular.

Cumplen dos características de los catalizadores:

• Aceleran la reacción.
• No se consumen durante la reacción.

Sin embargo, se diferencian de los catalizadores biológicos en:

• Actúan a la temperatura del ser vivo.
• Poseen una alta actividad.
• Presentan una masa molecular muy elevada.
• Poseen una alta especificidad en la selección de sustratos sobre los que actúan.

Hay enzimas que no se activan hasta que actúan zimógenos o proenzimas sobre ellos. Las isoenzimas pueden presentar formas moleculares diferentes.

Estructura de las Enzimas

Existen dos tipos de enzimas según su estructura:

• Enzimas estrictamente proteicas: Formadas solo por proteínas.
• Holoenzimas: Constituidas por una fracción polipeptídica (apoenzima) y una fracción no polipeptídica (cofactor). Hay dos tipos de cofactor: inorgánicos (iones metálicos en pequeñas cantidades) y orgánicos (moléculas orgánicas).

Coenzimas

Las coenzimas son cofactores orgánicos que se unen a la parte proteica de una enzima mediante enlaces débiles durante el proceso catalítico. No suelen ser específicas de un solo tipo de apoenzima, sino que se pueden unir a muchos tipos. Son transportadoras de grupos químicos.

Según el grupo químico que transportan, se clasifican en:

• De oxidación y reducción: Transportan protones y electrones. La oxidación es la pérdida de electrones y la reducción es la ganancia de electrones. La más importante es la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD⁺).
• De transferencia: Transportan radicales.

Muchas coenzimas son vitaminas.

Centro Activo de las Enzimas

El sustrato se une a los radicales de algunos aminoácidos de la enzima para formar el complejo enzima-sustrato. La región de la enzima que se une al sustrato es el centro activo.

Características del Centro Activo

• Constituye una parte muy pequeña del volumen total de la enzima.
• Tiene una estructura tridimensional.
• Está formado por aminoácidos.

Hay dos tipos de aminoácidos en el centro activo:

• De fijación: Establecen enlaces débiles con el sustrato y lo fijan.
• Catalizadores: Establecen enlaces débiles, fuertes o covalentes con el sustrato.

Especificidad de las Enzimas

Entre la enzima y el sustrato existe una alta especificidad. Solo se unen a la enzima los sustratos que establecen enlaces con los radicales de los aminoácidos fijadores del centro activo.

Existen tres modelos de especificidad enzima-sustrato:

• De complementariedad: El sustrato es complementario a la enzima.
• De ajuste inducido: La enzima modifica su forma para adaptarse al sustrato.
• "Apretón de manos": Ambos, enzima y sustrato, modifican su forma.

Grados de Especificidad

• Absoluta: La enzima solo actúa sobre un sustrato.
• De grupo: La enzima reconoce un determinado grupo de moléculas.
• De clase: La enzima actúa sobre un tipo de enlace, independientemente de la molécula en la que se encuentre.