Introducción al metabolismo

El metabolismo es el sistema en el que los organismos adquieren y utilizan energía libre para hacer sus funciones. Se clasifica en anabolismo, o biosíntesis, donde las biomoléculas se sintetizan de componentes simples, y el catabolismo, o degradación de nutrientes para recuperar sus componentes y/o obtener energía. ASPECTOS GENERALES Los principios que rigen el metabolismo son comunes para todas las células, pudiendo diferir en su fuente de energía libre. Estrategias tróficas Los autótrofos pueden sintetizar sus constituyentes a partir de moléculas simples, se clasifican en quimiolitótrofos, que obtienen su energía de la oxidación de compuestos inorgánicos, y en fotoautótrofos, que obtienen su energía por fotosíntesis. Por otra parte, los heterótrofos obtienen energía libre oxidando compuestos orgánicos, por lo que dependen de los autótrofos para obtener estas sustancias. Los organismos pueden clasificarse en aerobios o anaeróbicos, según sea el agente oxidante utilizado para la degradación de nutrientes. Vías metabólicas Las vías metabólicas son una seria de reacciones enzimáticas conectadas que generan productos específicos, donde sus reactivos, intermediarios y productos se denominan metabolitos. Se conocen más de 2000 reacciones ramificadas e interconectadas. A modo general tenemos que, en el catabolismo, se degradan metabolitos de manera exergónica para obtener productos simples, unidades de acetilo doble carbono unido a CoA para formar Acetil-CoA, la energía libre de este proceso se conserva para la síntesis de ATP a partir de Pi y ADP, o por reducción de NADP+ a NADPH. De esta manera, las vías del catabolismo de diversas sustancias (proteínas, hidratos de C, lípidos) convergen en unos pocos intermediarios comunes. Por otro lado, la biosíntesis anabólica utiliza unos pocos metabolitos para generar una amplia variedad de productos. Las enzimas catalizan las reacciones del metabolismo, de modo contrario, estas reacciones serían tan lentas que no sustentarían la vida, por otro lado, las enzimas son específicas y evitan la formación de metabolitos inútiles o tóxicos y permiten reacciones endergónicas que no ocurren por sí solas. Estas reacciones son: redox, catalizadas por oxidorreductasas; transferencias de grupo, catalizadas por transferasas e hidrolasas; eliminaciones, isomerizaciones y reordenamientos, catalizadas por isomerasas y mutasas; y reacciones entre enlaces C-C, catalizadas por hidrolasas, liasas y ligasas. Estas vías metabólicas se llevan a cabo en lugares celulares específicos y compartimentalizados, para lo que se requiere de proteínas transportadoras. Además, existen isoenzimas, enzimas que catalizan mismas reacciones pero que son codificadas por distintos genes y poseen distintas propiedades cinéticas y reguladoras. Consideraciones termodinámicas En base a los valores de la energía libre, las enzimas que catalizan reacciones que tienden al equilibrio tienen un mecanismo rápido y pueden mantener este flujo constante y rápido de concentraciones de reactivos y productos. Por otro lado, las reacciones irreversibles son demasiado lentas y sus enzimas tienen actividad catalítica insuficiente, es decir, está saturada y un cambio en la concentración enzimática no afecta en gran manera la velocidad de estas reacciones, sin embargo, un cambio alostérico en la enzima, si. Las enzimas que operan lejos del equilibrio son pocas, pero se ubican en procesos estratégicos, por lo que: Las vías metabólicas son irreversibles, es decir, son reacciones altamente exergónicas que llegan a completarse. Cada vía metabólica tiene un primer paso comprometido, ya que, a pesar de que las reacciones funcionan cerca del equilibrio, en general hay una reacción irreversible (exergónica) cercana al comienzo que compromete el producto. Las vías catabólicas y anabólicas difieren, ya que, si convierto un reactivo en un producto por un proceso exergónico, necesito suministrar energía libre para el proceso contrario. Control del flujo metabólico Desde un punto de vista termodinámico, los organismos vivos son sistemas abiertos que mantienen el estado estacionario y que no alcanzan el equilibrio, ya que un estado estacionario lejos del equilibrio permite realizar trabajo útil. El flujo de una vía metabólica está determinado por el paso determinante, que es el más lento, en relación con los demás, y su producto se elimina por otros pasos antes de que alcance el equilibrio con sus reactivos, por lo que funciona lejos del equilibrio (∆G muy negativo). Estos pasos determinantes pueden ser identificados debido a su gran variación de energía libre y son controlados por: Control alostérico, donde la enzima es regulada mediante efectores, sustratos, productos o coenzimas modificando el sitio catalítico de la enzima, alterando la cantidad de enzima disponible. (ocurre en segundos o minutos) Modificaciones covalentes mediante fosforilaciones y desfosforilaciones. Ciclos de sustrato, ocurre en segundos o minutos. Control genético, regulando la transcripción, traducción y concentración de proteínas. (Es tardío, puede ocurrir en horas, incluso días) El control de las vías metabólicas depende de varios pasos que no se ubican cerca del equilibrio, y sus productos son intermediarios cuya concentración varía en función de la necesidad que el organismo tenga de estos.

COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA Las oxidaciones en el metabolismo suelen ser bastante exergónicas, como la oxidación de la glucosa y del palmitato (∆G0’ -2850 y -9781 KJ/mol, respectivamente), esta energía puede contenerse en intermediarios de alta energía funcionando estos como moneda energética para conducir procesos endergónicos. Entre estas monedas tenemos compuestos fosforilados, principalmente ATP, compuestos con enlaces tioéster y coenzimas reducidas (como NADH). El ATP y la transferencia del grupo fosforilo Consiste en una adenosina (adenina + ribosa) a la que se unen tres grupos fosforilo (-PO32-) por medio de un enlace fosfoéster (α) y dos enlaces fosfoanhídrido (β y γ). Estos dos tipos de enlaces no presentan una diferencia en su estructura electrónica y su alta energía de hidrólisis se atribuye a su desestabilidad en enlace fosfoanhídrido. Las formas de liberar energía del ATP pueden ser cuando un grupo fosforilo se transfiere a otro compuesto formando ADP, o bien cuando se transfiere el grupo nucleotidilo (AMP) formando pirofosfato (PPi). Cuando el aceptor es agua, estas reacciones se conocen como hidrólisis. Los enlaces que poseen valor de hidrólisis menor a ∆G0’ -25 KJ mol-1 se denominan como enlaces de alta energía y se simbolizan con ~. Reacciones acopladas La energía libre es aditiva, por lo que reacciones endergónicas que no pueden ocurrir por sí solas, se acoplan a reacciones exergónicas que en conjunto generan una energía libre negativa para dar direccionalidad adelante a la reacción global. Otros compuestos fosforilados La vida promedio del ATP varía entre segundos (a nivel cerebral) y minutos, un humano promedio en reposo consume y regenera ATP a una velocidad de 3 moles (1,5 kg) por hora, por lo que se necesitan de otros compuestos de alta energía para mantener este flujo constante, de esta manera, el ATP puede regenerarse por si solo por medio del acoplamiento de su formación a un proceso metabólico más exergónico. Puede formarse ATP a partir de ADP y un compuesto de alta energía, lo que se conoce como fosforilación a nivel de sustrato. Otros procesos utilizan el gradiente de [H+] transmembrana para formar ATP, en el metabolismo oxidativo se denomina fosforilación oxidativa, en la fotosíntesis se denomina fotofosforilación. El flujo de energía puede darse desde los compuestos de alta energía al ATP, o desde el ATP a los compuestos de baja energía, mediante la transferencia de los grupos fosforilos del ATP a otros compuestos o de otros compuestos al ADP, reacciones catalizadas por enzimas cinasas (quinasas). Las resonancias competitivas entre grupos químicos explican los altos potenciales de transferencia de grupos fosforilos en algunos compuestos, por ejemplo, en fosfoguanidinas, por ejemplo, la fosfocreatina en músculo y cerebro de vertebrados que es sintetizada por la fosforilación reversible (para generar ATP) de la creatina catalizada por la enzima creatincinasa, por lo tanto, mientras más [creatincinasa] más ATP puede formarse en base a fosfocreatina. En los invertebrados la fosfoarginina cumple la misma función y estas fosfoguanidinas en conjunto se les denomina fosfágenos. Los nucleósidos trifosfato (NTP) se utilizan en diversos procesos biológicos como síntesis proteica y de ácidos nucleicos. Los NTP se sintetizan a partir de ATP y nucleósidos difosfato (NDP), reacciones catalizadas por la enzima inespecífica nucleósido difosfato cinasa. En resumen y en orden termodinámicamente descendente, el valor ∆G0’ de hidrólisis en KJ mol-1 de algunos compuestos viene siendo fosfoenolpiruvato (-61,9), 1,3-bifosfoglicerato (-49,3), fosfocreatina (-43), acetil coA (-31,4), ATP[1] (-30,5), glucosa-6P y gliceron-3P. Tioésteres El enlace tioéster funciona como una fuente energética alternativa a los compuestos fosforilados, participa en la fosforilación a nivel de sustrato, proceso que se cree surgió antes de la fosforilación oxidativa. Los Tioésteres son compuestos que resultan de la unión de un sulfuro con un grupo acilo con la fórmula general R-S-CO-R'. Son un producto de la esterificación entre un ácido carboxílico y un tiol (en analogía a un grupo alcohol en los ésteres regulares). El enlace tioéster aparece como un intermediario y en forma de acetil-CoA, la coenzima A (CoASH o CoA) se forma por un grupo β-mercaptoetilamina unido por unión amida al ácido pantoténico (VitB5) que se une por puente PPi a adenosina-3P. En el acetil-CoA el grupo acetilo se une por tioéster al grupo sulfihidrilo del β-mercaptoetilamina, por lo que CoA funciona como transportador de acetilo.   [1] Cabe destacar que los NTP y dNTP son todos energéticamente equivalentes.

REACCIONES RÉDOX Cuando se oxidan combustibles metabólicos a CO2, los electrones se transfieren a transportadores que transfieren estos electrones al O2, este transporte electrónico resulta también en un gradiente de H+ transmembrana que posibilita la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa, de esta manera, las reacciones rédox proporcionan a las cosas vivas la mayoría de su energía libre. NAD+ y FAD Los transportadores de electrones más estudiados son las coenzimas de nucleótidos nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y flavina adenina dinucleótido (FAD). En el NAD+, en su porción nicotinamida se produce una reducción reversible por la transferencia de un ion hidruro (H-). En el FAD, su sistema de anillos conjugados puede producir un radical estable FADH• (semiquinona) o su forma totalmente reducida FADH2. La reducción reversible de estos compuestos posibilita la transferencia de electrones a otros intermediarios y su reutilización y participar en otros ciclos rédox. Los humanos no sintetizan la flavina del FAD y se obtiene de la VitB2, una deficiencia de riboflavina se da por desnutrición o dietas extravagantes provocando inflamación de la lengua y dermatitis bucal. Ecuación de Nernst y energía libre Las reacciones rédox consisten en la transferencia de electrones desde un donador (agente reductor) a un aceptor (agente oxidante). Las reacciones rédox pueden dividirse en dos semirreacciones simultáneas donde los electrones son los intermediarios comunes y dan paso a la reacción global. Estas semirreacciones pueden separarse físicamente en la práctica en una semicelda con su donador y su aceptor conjugado y viceversa en otra semicelda, de manera que los electrones se transfieran por un cable que conecta los dos electrodos, y adicionalmente, se necesita la presencia de un puente salino para que migren los iones y se mantenga neutralidad eléctrica. La energía libre de una reacción de oxidación y reducción se calcula por la medición de diferencia de voltaje entre sus dos semiceldas, la ecuación de Nernst mide el potencial de reducción de una reacción rédox y la energía libre se da por la fórmula: ∆G=n-F∆E Donde ∆E=Eoxid-Ereduc y F=23 KCal V-1­, mientras más positivo sea el potencial de reducción, mayor afinidad tiene una especia oxidada de aceptar electrones (oxidante). Estas reacciones rédox son importantes en el metabolismo funcionando como una cascada de energía libre en reacciones acopladas.