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TEMA 17. BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DEL METABOLISMO.
TEMA 17
BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DEL METABOLISMO
ANABOLISMO
 Anabolismo. Conjunto de procesos bioquímicos mediante los cuales las
células sintetizan la mayoría de las sustancias que las constituyen. En estos procesos se
sintetizan los monómeros (glúcidos, ácidos grasos, etc) y tiene lugar la polimerización
de estos monómeros en macromoléculas.
Muchas reacciones anabólicas conducen a un aumento del orden biológico, lo
que en términos termodinámicos significa que requieren un aporte de energía para poder
llevarse a cabo. Esta energía la proporciona la hidrólisis del ATP, una reacción
altamente exergónica (que libera energía).
Para sintetizar moléculas biológicas, la célula necesita llevar a cabo una serie de
reacciones de reducción, acoplando estas reacciones a la oxidación del NADH o del
NADPH (reductores – se oxidan-).
BIOSÍNTESIS DE GLÚCIDOS
1. BIOSÍNTESIS DE HEXOSAS EN ORGANISMOS AUTÓTROFOS.
Los organismos fotosintéticos utilizan la energía lumínica para obtener ATP y
poder reductor en forma de NADPH.
Emplean la energía captada de la luz para sintetizar materia orgánica a partir de
CO2. Este proceso se denomina fijación del CO2 y tiene lugar mediante un conjunto de
reacciones conocidas con el nombre de ciclo de Calvin o ciclo reductor de las pentosas.
Véase el esquema del libro.
1. FIJACIÓN DEL ÁTOMO DE CARBONO.
La fijación del átomo de carbono del CO2 se produce al reaccionar con la
pentosa ribulosa difosfato. Esta reacción está catalizada por la ribulosa-1,5-difosfato
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carboxilasa oxidasa, también llamada rubisCo, considerada la enzima más abundante
del planeta.
La rubisCo, que cataliza la reacción de fijación del CO2, también puede catalizar
la unión de O2 a la ribulosa 1,5 difosfato, si la concentración de CO2 es baja (el O2
compite con el CO2), en un proceso que se conoce como fotorrespiración. Este proceso
supone una limitación de la eficacia fotosintética y su función no está muy clara, aunque
se piensa que es un mecanismo para proteger a las plantas de la fotooxidación que, en
ausencia de CO2, puede causar daños irreversibles en los cloroplastos.
Véase el esquema del libro.
Ruta de Hatch-Slack
Los efectos de la fotorrespiración son más acusados en las plantas de climas
calurosos y con elevada insolación. Algunas de estas plantas (plantas C4), presentan una
anatomía especial: las células del mesófilo son las que fijan el CO2, y el ciclo de Calvin
tiene lugar en las células que rodean los haces vasculares (células envolventes del haz).
Las plantas adaptadas a ambientes desérticos captan CO2 durante la noche,
cuando pueden abrir los estomas sin peligro de pérdida de agua, y lo almacenan en
forma de ácido málico, que se incorporará al ciclo de Calvin durante el día
(metabolismo ácido de las crasuláceas, CAM).
Véase el esquema del libro.
2. REDUCCIÓN DEL ÁTOMO DE CARBONO.
La reacción de fosforilación requiere ATP.
3. REGENERACIÓN DE LA RIBULOSA FOSFATO PARA INCORPORAR CO2.
La enzima que cataliza la reacción es la fosforribuloquinasa.
4. ESTEQUIOMETRÍA DEL CICLO DE CALVIN.
En cada “vuelta” del ciclo de Calvin, se fija un átomo de carbono procedente de
CO2
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Para incorporar seis moléculas de CO2, la enzima rubisCo necesita seis
moléculas de ribulosa-1,5-difosfato.
Para producir las doce moléculas de fosfoglicerato son necesarias 12 moléculas
de ATP y otras 12 de NADH + H+.
Para fosforilar seis moléculas de ribulosa fosfato son necesarias otras seis
moléculas de ATP.
Para obtener una molécula de hexosa a partir de CO2 los organismos
fotosintéticos gastan 12 moléculas de NADPH + H+ y 18 moléculas de ATP.
2.
BIOSÍNTESIS
DE
POLISACÁRIDOS
EN
ORGANISMOS
AUTÓTROFOS.
1. BIOSÍNTESIS DEL ALMIDÓN Y DE LA CELULOSA.
El almidón y la celulosa son dos homopolímeros, constituidos por subunidades
de glucosa. Se dan en vegetales. El almidón es un polímero de reserva, y la celulosa,
estructural.
 Almidón. Se localiza en los amiloplastos, bulbos, tubérculos y muchas
semillas. Constituye la reserva energética que la planta utilizará durante la germinación.
Consta de dos polisacáridos diferentes: amilosa y amilopectina.
EXAMEN
La biosíntesis del almidón se produce a partir del gliceraldehído-3-fosfato
generando en el ciclo de Calvin, gracias a un proceso de gluconeogénesis que tiene
lugar en el estroma de los cloroplastos y que origina glucosa. La polimerización de esta
hexosa da lugar a las cadenas de almidón.
 Celulosa. Largas cadenas de forma aplanada, semejante a cintas, que se
disponen paralelamente uniéndose mediante enlaces de hidrógeno para constituir las
microfibrillas de celulosa.
EXAMEN
Se sintetizan en el exterior de la célula gracias a la acción de un complejo
enzimático ligado a la membrana plasmática que utiliza un precursor activado, el UDPglucosa. Este precursor se obtiene en un proceso semejante al descrito para la biosíntesis
del almidón. Las cadenas de celulosa se autoensamblan en el exterior formando las
microfibrillas.
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3. BIOSÍNTESIS DE HEXOSAS EN ORGANISMOS HETERÓTROFOS.
Intervienen dos compuestos clave:
 La glucosa-6-fosfato. reacciona con el UTP para convertirse en UDPglucosa, incorporándose de este modo a las rutas de biosíntesis de los polisacáridos.
 El UDP-glucosa. Es un intermediario clave. Constituye la molécula de
partida para la biosíntesis de polisacáridos.
Véase el esquema del libro.
1. GLUCONEOGÉNESIS.
Cuando una célula se encuentra en un ambiente carente de glucosa, debe realizar
una síntesis de esta hexosa.
Las células animales tienen que sintetizar la glucosa de novo a partir de
precursores celulares. Este proceso se denomina gluconeogénesis y constituye una ruta
metabólica inversa a la glucosa.
Los metabolitos intermedios son iguales a los que se producen en la glucólisis,
sin embargo, intervienen enzimas diferentes. Es un proceso energéticamente
desfavorable, es decir, cuesta energía a la célula, la cual debe consumir 6 ATP por cada
molécula de glucosa sintetizada. Algunas reacciones transcurren en la mitocondria y
otras en el citoplasma.
Véase el esquema del libro.
4. BIOSÍNTESIS DE POLISACÁRIDOS EN ORGANISMOS HETERÓTROFOS.
A partir de moléculas de monosacáridos, generalmente Hexosas.
Las moléculas de partida deben ser activadas. Esta activación se consigue
mediante su unión a nucleótidos fosforilados, generalmente el ATP, y se forman UDPhexosas.
Algunos polisacáridos, como el glucógeno, son sintetizados para permitir el
almacenamiento de los excedentes de glucosa.
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La biosíntesis del glucógeno (glucogenogénesis) comienza a partir de la glucosa1-fosfato. La enzima glucógeno sintetasa cataliza la reacción del UDP-glucosa con la
cadena preexistente de glucógeno que se alarga.
Posteriormente actúa una enzima ramificante que cataliza la formación de
uniones (1→6).
Véase el esquema del libro.
BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
Únicamente los vegetales, organismos autótrofos, y algunas bacterias son
capaces de sintetizar todos los aminoácidos proteicos. Aquellos que no pueden
sintetizarse son los aminoácidos esenciales y deben ser ingeridos en la dieta.
Aunque la producción de algunos precursores transcurre en la mitocondria, la
biosíntesis de aminoácidos tiene lugar en el citosol. 2 procesos:
 Síntesis del esqueleto carbonado.
 Incorporación del grupo amino. Mediante transaminación.
Los aminoácidos suelen agruparse en familias.
prolina
-cetoglutarato → glutamato
glutamina
arginina
lisina
oxalacetato → aspartato
asparagina
homoserina
metionina
treonina  isoleucina
alanina
piruvato
valina
leucina
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3-fosfoglicerato → serina
(+ ácido fólico)  glicocola
(+H2S)  cisteína
(+ serina)  triptófano
fosfoenol piruvato
+
→ ácido corísmico
eritosa-4-fosfato
fenilalanina
tirosina
ribosa-5-fosfato → histidina
1. ORIGEN DEL GRUPO AMINO.
Ninguno de los precursores metabólicos contiene nitrógeno y, dado que los
aminoácidos son compuestos nitrogenados, su biosíntesis requiere una fuente de este
elemento.
Los vegetales pueden emplear como fuente de nitrógeno el nitrato del suelo. Las
bacterias, además del nitrato, son capaces de utilizar nitrito, amoníaco e incluso
nitrógeno molecular. Los animales sólo pueden incorporar nitrógeno como grupos
amino, por lo que dependen de las proteínas de la dieta. El glutamato actúa como
donador de grupos amino. Estas reacciones de transaminación están catalizadas por
transaminasas.
La unión de los aminoácidos mediante enlaces peptídicos constituye la síntesis
de proteínas.
BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS
Los triglicéridos o grasas se forman por esterificación de tres moléculas de
ácidos grasos con una glicerina. Para que se produzca la esterificación ambos
componentes tienen que estar activados. Los ácidos grasos de activan uniéndose a la
coenzima A (CoA) y a la glicerina en forma de -glicerolfosfato.
1. BIOSÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS. HÉLICE DE LYNEN.
Los ácidos grasos se sintetizan mediante reacciones de condensación de
unidades de dos átomos de carbono. El proceso está catalizado por el complejo
enzimático ácido graso sintetasa.
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El acetil-CoA sintetasa es el precursor metabólico. Se forma fundamentalmente
en la mitocondria y sale hasta el citosol, donde tienen lugar las reacciones de
condensación que conducen a la síntesis de los ácidos grasos.
Para iniciar la biosíntesis de una cadena de ácido graso, una molécula de acetilCoA actúa de cebador. Las otras moléculas de acetil-CoA que se van a añadir
posteriormente sufren una carboxilación, catalizada por la acetil-CoA carboxilasa, y
originan una molécula de tres carbonos, el malonil-CoA. Esta molécula se condensa con
el acetil-CoA cebador, lo que provoca una descarboxilación que origina una cadena de
ácido graso de cuatro carbonos.
Véase el esquema del libro.
2. BIOSÍNTESIS DE TRIGLICÉRIDOS.
Gracias a la reacción de esterificación de dos moléculas de acil-CoA con el glicerolfosfato. El producto de esta reacción es el ácido fosfatídico, que reacciona a
continuación con otras moléculas de acil-CoA para formar el triglicérido.
Se sintetiza en el citosol de las células hepáticas y en los adipositos. Las células
del músculo cardíaco pueden almacenar, así mismo, cierta reserva de grasas.
BIOSÍNTESIS DE PURINAS Y PIRIMIDINAS
Son bases nitrogenadas que forman parte de los nucleótidos. Por tanto, están
presentes en los ácidos nucleicos, los nucleótidos trifosfato como ATP y UTP,
coenzimas como el NAD y FAD, y también algunas vitaminas.
El proceso es sumamente complejo. La mayoría de los átomos derivan de
aminoácidos. La biosíntesis de las bases púricas se inicia a partir de la ribosa fosfato. En
ella interviene el ácido fólico.
Las sulfamidas
Las sulfamidas son compuestos antibacterianos que actúan bloqueando la
síntesis de ácido fólico en las bacterias, lo que impide la síntesis de bases púricas y, en
consecuencia, el crecimiento bacteriano. El ser humano es incapaz de sintetizar el ácido
fólico y debe ingerirlo en la dieta. Por esta razón, las sulfamidas no bloquean ninguna
ruta metabólica en el organismo.
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REGULACIÓN DEL METABOLISMO
En una célula viva se produce simultáneamente miles de reacciones químicas
independientes, catabólicas y anabólicas. Los requerimientos de las células no son
siempre iguales y varían son arreglo a la actividad física, estado de salud, ingesta de
nutrientes, etc. Por tanto, las enzimas no trabajan con la misma eficacia en todas las
circunstancias.
EXAMEN
Rutas anfibólicas
Se llaman así las que participan en el catabolismo y en el anabolismo. Un
ejemplo es el ciclo de Krebs. Algunos de los compuestos que aparecen en estas rutas
anfibólicas
se
denominan
intermediarios
llave:
glucosa-6-fosfato,
piruvato,
gliceraldehído-3-fosfato, fosfoenol-piruvato.
Véase el esquema del libro.
Las células poseen unos mecanismos básicos de regulación metabólica.
1. REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE ENZIMAS.
Es un sistema de regulación lento.
1. CONTROL DE LA TRANSCRIPCIÓN.
Las células son capaces de “conocer” el estado del medio extracelular gracias a
la recepción de señales químicas. Éstas tienen como efecto el que determinados genes se
transcriban o que otros dejen de transcribirse. Los mecanismos de regulación de la
transcripción son la represión y la inducción.
2. REPRESIÓN ENZIMÁTICA.
La síntesis de una enzima se reprime cuando el producto de la reacción
catalizada por esa enzima se encuentra presente en el medio.
3. INDUCCIÓN ENZIMÁTICA.
Es un mecanismo de control positivo, ya que sólo se produce la síntesis de la
enzima cuando está presente el sustrato de la reacción enzimática. Este tipo de enzimas
se llaman inducibles.
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Existen unas proteínas, denominadas proteínas activadoras de genes, cuya
función consiste en facilitar la unión de la ARN polimerasa al gen que se va a
transcribir.
4. REGULACIÓN POSTRADUCCIONAL.
Algunas proteínas son sintetizadas en forma de cadena polipeptídica muy larga
como resultado de la traducción del ARNm, pero no son activas. La enzima activa se
produce como consecuencia de la escisión de uno o varios fragmentos de esta proteína.
2. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.
1. REGULACIÓN POR PRODUCTO FINAL.
El producto de la reacción inhibe la actividad de la enzima. Este tipo de control
es propio de reacciones cuyo producto no se consume inmediatamente y, por tanto,
puede acumularse.
2. REGULACIÓN DE LA RETOINHIBICIÓN: ENZIMAS ALOSTÉRICAS.
Suele darse en vías metabólicas completas y no en reacciones aisladas. En este
tipo de control, la enzima inicial de una ruta metabólica está inhibida por el producto
final de dicha ruta. Cuando se trata de rutas metabólicas ramificadas, intervienen varias
enzimas, que son reguladas por diferentes productos finales (regulación feedback).
La regulación por retroinhibición se efectúa mediante enzimas alostéricas, que
pueden cambiar reversiblemente de una configuración activa a otra inactiva por unión
de un ligando o efector.
3. REGULACIÓN POR ISOENZIMAS.
Las isoenzimas son enzimas que catalizan la misma reacción, pero están sujetas
a una regulación diferente. Este tipo de control suele darse en rutas metabólicas
ramificadas, en las que uno de los pasos iniciales está ligado por varias isoenzimas, cada
una de las cuales es inhibida por uno de los productos finales.
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4. REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE.
En ella se produce un cambio drástico en la actividad catalítica de una enzima
por unión covalente de una pequeña molécula a la proteína. Es propia de muchos
sistemas de tipo regulador que afectan a cambios en el metabolismo como respuesta a
estímulos externos.
Son proteínas quinasas las que unen covalentemente grupos fosfato procedentes
del ATP a otras enzimas, variando así la actividad de éstas. Para revertir a su estado
“normal”, es necesaria la actuación de proteínas fosfatasas, que escinden los grupos
fosfato.
3. REGULACIÓN MEDIANTE COMPARTIMENTACIÓN DE RUTAS
METABÓLICAS.
La presencia de sistemas de membrana intracelulares en las células eucariotas
delimita compartimentos. La forma más sencilla de este tipo de control tiene lugar en
los complejos multienzimáticos, en los que el producto de una reacción enzimática es el
sustrato de la enzima siguiente, con lo cual no difunde al citosol.
La existencia de orgánulos celulares en los que tienen lugar procesos
metabólicos completos, como la respiración o l fotosíntesis, constituye un nivel superior
de este tipo de control. Las enzimas implicadas en estos procesos se localizan en
orgánulos concretos. De esta forma, los diferentes orgánulos celulares se especializan en
funciones celulares concretas.
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