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- 17 Clase 14
Metabolismo
Las características de un ser vivo es que produce energía, y la va a intercambiar con el
medio ambiente.
Por otra parte un organismo vivo va a tener un proceso de autorregulación: autopoyesis.
Significa que están compartimentalizados, existen compartimentos donde van a ocurrir
los procesos, es decir que están autoorganizados.
Esta energía que auto organiza los procesos, también esta autorregulada, en un momento
se va a iniciar un proceso y en otro se va a detener. Porque respondemos a estímulos del
medio ambiente, estoy en concordancia con él, esto se llama: Homeostasis.
Por otro lado, nuestro objetivo es perpetuar la especie: auto replicarse.
La autorreplicación, autoorganización y la autorregulación pasa por una molécula clave,
las proteínas. Están involucradas, porque para todo esto debemos involucrar las
proteínas, como eje central.
Nos vamos a centrar en el
metabolismo, que consiste
2 procesos: anabolismo y
catabolismo.
El catabolismo: es el
proceso de degradación, ej:
cuando vamos al baño,
degradamos los nutrientes
que
consumimos.
(Producción de energía)
El anabolismo: es la
síntesis
de
nuevas
moléculas.
Metabolismo
Es la suma de todas las transformaciones químicas que se realizan en la célula o en el
organismo, mediante reacciones catalizadas por enzimas en procesos llamados “VIAS
METABÓLICAS” (cuando entra un sustrato, es transformado en producto final, y se
hace a través de una vía metabólica, ejemplo: la glucólisis, se transforma glucosa en
piruvato)
Las vías metabólicas se inician a partir de precursores que producen intermediarios
conocidos como METABOLITOS (todos los sustratos que se transforman entre la
glucosa y el piruvato, se llaman metabolitos).
El METABOLISMO INTERMEDIARIO constituye la actividad combinada de los
metabolitos en sus respectivas vías metabólicas.
El metabolismo consta de procesos catabólicos que son de degradación de compuestos y
de procesos anabólicos que son síntesis de compuestos.
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Entonces el catabolismo
es la degradación de
macromoléculas
(carbohidratos, proteínas)
y las vamos a transformar
en moléculas simples
(agua, CO2), en este
proceso
liberamos
energía química como
ATP, NADH, NADPH,
FADH.
Esta liberación de energía
(ATP o poder reductor)
va a servir para que moléculas pequeñas, como las adquiridas en la alimentación,
puedan servir para transformar nuestras propias moléculas (Anabolismo). Por lo tanto la
energía sintetizada en el catabolismo va a servir para realizar el anabolismo.
Pero cuando consumimos carbohidratos no es para sintetizar carbohidratos, es para
generar energía (ATP), no todas las moléculas entran a la célula, entonces esta energía
dentro de la célula va a ser utilizada para sintetizar nuestros lípidos, proteínas, ácidos
nucleicos, etc (Anabolismo).
A la célula le interesa producir proteínas: por ejemplo la proteína de la leche, la
capacaserina, la consumimos para que ella produzca energía, y la célula pueda
sintetizar sus propias proteínas, a lo más nos quedamos con algunos aminoácidos.
La célula necesita proteínas como las transportadoras, de membrana, no solo las de la
alimentación, debemos producir otras de acuerdo a nuestra información genética.
Hay una molécula que asocia el catabolismo y el anabolismo, que es el Acetil CoA, este
es el pilar entre ambos procesos.
Porque todo el metabolismo de degradación converge en la síntesis de Acetil CoA, y
éste sirve para sintetizar moléculas (colesterol, ácidos biliares, azucares, etc)
El Acetil CoA hace
funcionar el ciclo de
Krebs (ciclo de los
ácidos tricarboxilicos o
acido cítrico), el cual va
ser nuestro eje para
producir poder reductor
y energía.
Para el ser humano, las
principales moléculas
para producir energía
son:
(y para todos los seres
vivos)
- CARBOHIDRATOS
- 19 - LIPIDOS
- PROTEINAS
Todas éstas se obtienen de la dieta.
Para obtener la energía deben ser oxidados a CO2, H20, y en el caso de las proteínas
urea, por el 02molecular.
Por lo tanto: proveen de energía:
- CARBOHIDRATOS 4 Kcal / g (son de consumo rápido, se consumen primero)
- PROTEINAS 4 Kcal / g (produce energía después de 48 hrs de ayuno, ultimo recurso)
- GRASAS 9 Kcal / g (es lo que se degrada después de las azucares)
Por eso debemos comer cada 4 horas.
Entonces un ser humano de 70 kg de promedio tiene:
TRIGLICERIDO 15 kg
PROTEÍNA 6 kg
GLICOGENO 0,2 kg
La energía metabólica se expresa en Kilocalorías:
KILOCALORIA = 4,18 KILO JOULES
GASTO ENERGETICO DIARIO: cantidad de energia necesaria para realizar el
metabolismo basal y la actividad fisica.
GRADO DEL METABOLISMO BASAL:
Energía utilizada por una persona que tiene un ayuno de al menos 12 horas en reposo.
Depende del peso corporal, y es de 24 Kcal /Kilo por DIA (energía que necesitamos en
reposo para hacer un metabolismo basal)
ACTIVIDAD FISICA: Cantidad de
energía que se agrega al requerimiento
energético. (Depende de la actividad)
(Aumentamos de peso porque nada se
crea, nada se pierde, solo se transforma.
Entonces si como más de lo que gasto,
se almacena la energía en ácidos grasos.
Debemos consumir alimento en la
medida de las actividades que
realizaremos).
OTROS REQUERIMIENTOS DE LA DIETA:
AMINO ACIDOS ESENCIALES
ACIDOS GRASOS ESENCIALES
VITAMINAS
MINERALES
Pregunta: ¿Entonces la actividad física no acelera el metabolismo? No, lo que haces es
gastar más calorías. El metabolismo no se acelera, el metabolismo va a funcionar en
base a los requerimientos energéticos. Si tú tienes consumo de azúcar va a tender a
gastarla para el movimiento muscular. Ahora si se te va a suelo el azúcar, vas a sacar
- 20 glucosa del hígado para mantener homeostasis. (Debo comer cada 4 horas, sino
hipoglucemia)
ENFERMEDADES ASOCIADAS AL METABOLISMO ENERGÉTICO
Entonces no hay un concepto de “rapidez” en el metabolismo, el metabolismo ocurre.
Para un ejercicio de exigencia muscular, lo que vas a gastar principalmente son los
azucares y las grasas te van a nutrir sí y sólo sí tienes períodos de ayuna prolongados.
Respuesta pregunta x: imagínate que vas a ir a trotar y consumes un chocolate, que va a
ocurrir: va a haber un alto nivel de azúcar en la sangre, entonces el hígado va a tratar de
internalizarlo para mantener la homeostasis de glucosa, por lo tanto rápidamente el nivel
va a quedar en estado basal y si tú te pones a hacer ejercicio cuando estás guardando
azúcar, va a ocurrir un desmayo, producto que el metabolismo tiene que asegurar
nutrición de azúcar al cerebro para que funcione el sistema neuronal.
En un ejercicio prolongado, primero se consume el azúcar que está libre, el azúcar que
está en el músculo, el azúcar que está en el hígado y recién después de un par de horas,
comienza el consumo de grasas.
Pregunta: se dice que cuando uno come cada menos horas, 3 o 4 horas, o sea, cuando
uno aumenta la cantidad de comidas al día, aumenta el metabolismo…
No, lo que pasa es que el organismo es sabio y si tu tienes un régimen en donde, por
ejemplo, comes al medio día y luego llegas a la casa a comer a la noche, el organismo
va a censar períodos de ayuno muy prolongados y cuando consumas alimentos, va a
tomar parte de estos alimentos y los va almacenar en las células y eso te va a hacer
aumentar las células adiposas. En cambio, si tu comes cada 3 o 4 horas, el organismo
censa que está siempre nutrido y que no hace falta guardar, por lo tanto no almacena
tanto. En ese caso, el organismo trabaja más hacia el gasto energético que hacia el
almacenamiento.
Este entramado que está acá es lo que vamos a tratar de desentramar durante el curso,
donde el eje centra es esto que está acá que es el ciclo de Krebs.
- 21 Metabolismo de los Hidratos de Carbono.
En general podríamos agrupar el metabolismo de los hidratos de carbono en 3 etapas.
En la primera etapa o fase A, los carbohidratos, principalmente hexosas, las grasas y las
proteínas van a producir solamente el 1% de la energía de metabolismo total. En la
siguiente etapa, que es la etapa B, donde los hidratos de carbono son transformados a
piruvato, las grasas son transformadas también a intermediarios como Acetil coA y los
aminoácidos a intermediarios como Acetil coA, se produce el 33% de la energía y en la
etapa final (C), done el Acetil coA, el Alpha cetoglutarato y el oxalacetato son
tranformados en ATP, CO2 y agua usando oxígeno, es donde se produce el mayor aporte
energético del metabolismo, es decir, el 66% de la síntesis de energía. Recuerden
siempre eso… durante el ciclo de Krebs es donde se produce la mayor cantidad de
energía y no solamente como ATP, sino que también como poder reductor, que lo
veremos más adelante.
Hay dos procesos importantes que
vamos a ver en el metabolismo. Uno es
la hidrólisis, que es la ruptura de un
enlace glicosídico con la participación
de agua. El otro, si la ruptura del enlace
entre las azucares es mediado, no por
una molécula de agua, sino que por un
ácido fosfórico o fosfato inorgánico
estamos frente a una fosforólisis, como
la producción de la glucosa-1-fosfato.
La reacción de fosforólisis en el caso
- 22 de un polímero como el
glicógeno es catalizada por
una
enzima
llamada
fosforilasa, que va a romper
un enlace glucosídico usando
al fosfato inorgánico como
sustrato. Como va a romper
enlaces del glicógeno, se
llama glicógeno fosforilasa.
Entonces usa 2 sustratos, el
fosfato inorgánico y el
glicógeno.
Estas enzimas están asociadas a
lo que es la
degradación del glicógeno. Éste es el principal
almacenamiento de energía de degradación rápida. El
glicógeno puede estar de forma lineal o ramificado.
Cuando está ramificado, vamos a tener un problema
porque la glicógeno fosforilasa no es capaz de
degradarlo en este estado porque sólo rompe enlaces 14 y éstos son del tipo 1-6. Para solucionar este
problema, hay una enzima que se llama desramificante
que va a hacer lo siguiente: va a tomar los azucares que
están en la ramificación y los va a adicionar en la parte
posterior del polímero de glicógeno y va a dejar
solamente el azúcar que está enlazado 1-6 liberándolo
como glucosa y manteniendo un glicógeno solamente
lineal. Por lo tanto, el glicógeno es degradado por dos
enzimas, la glicógeno fosforilasa en las uniones 1-4 y la
enzima desramificante en las uniones 1-6.
A la glicólisis van a ir una serie de azúcares, como la
galactosa, la glucosa, la sacarosa, la fructosa, la malosa,
etc. Todas ellas llegan como intermediarios a este proceso.
La glicólisis consiste en la degradación de glucosa en el citosol. Esta degradación,
produce una pequeña cantidad de ATP. Acuérdense que produce el 1% de la energía. Y
además de producir ATP, produce un compuesto de 3 átomos de carbono llamado ácido
pirúvico que es vital para la producción de acetil CoA. Recuerden que la glicólisis no
requiere oxígeno, por lo tanto es un proceso que se puede producir de manera
anaeróbica. Ahora, en condiciones aeróbicas en el interior de la mitocondria, el ácido
pirúvico es trasformado a CO2, agua, un poco de ATP y poder reductor. Este proceso se
conoce como ciclo de Krebs.
Entonces la glicólisis es en ausencia de oxígeno. Si mantenemos la ausencia para que la
glicólisis siga funcionando, va a ser un proceso que se llama fermentación.
- 23 Ahora vamos a analizar la glicólisis de manera enzimática. La glucosa a ácido pirúvico
va a producir una pequeña cantidad de ATP. Ese piruvato va a ir a la fermentación o al
ciclo de krebs y ahí se van a producir intermediarios para la síntesis de ATP.
La glicólisis la podemos separar en 3 etapas. La primera que va desde la glucosa hasta
la fructosa-1,6-bifosfato. En esta etapa vamos a gastar ATP para producir algunas
transformaciones. En que consiste esto… una enzima llamada hexokinasa, que
dependiendo el tejido también se puede llamar glucokinasa, va a tomar a la glucosa y
ATP y la va a transformar en glucosa-6-fosfato, va a liberar ADP y va a producir
protones. Este proceso es la fosforilación del carbono 6 en la glucosa. La glucosa-6fosfato se va a isomerisar, vamos a pasar de una estructura cerrada a una abierta y
vamos a transformar esta glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. Esto ocurre porque
una enzima que se llama isomerasa o fosfogluco isomerasa, toma el aldehído que está
acá y lo va a transformar en una cetona y este otro grupo se reduce, por lo tanto vamos a
oxidar este grupo y este lo vamos a reducir. Recuerden que el aumento de oxígeno o la
disminución de protones significan oxidación y por otro lado, el aumento de protones o
la disminución de oxígenos involucra un proceso de reducción. La cadena luego se va a
ciclar en el carbono 5 y va a formar una hexósa llamada furanosa, que es la fructosa-6fosfato, todo esto gracias a la isomerasa.
La fructosa-6-fosfato ahora se debe fosforilar en el carbono 1. Si voy a fosforilar, ¿Qué
tipo de enzima debería usar?... una kinasa, ya que aquellas que usan ATP para fosforilar
se llaman así. Entonces vamos a tomar una kinasa (fosfofructo kinasa), más ATP y va a
transformar este sustrato en un producto que se llama fructosa-1,6-bifosfato.
Entonces en la primera etapa, la glucosa va a pasar a glucosa-6-fosfato gracias a la
hexokinasa y ATP, luego va a pasar a fructosa-6-fosfato gracias a la fosfogluco
isomerasa y finalmente va a pasar a fructosa-1,6-bifosfato gracias a otra kinasa llamada
fosfofructo kinasa o PFK.
En la segunda etapa de la glicólisis, voy a tener una molécula de 6 carbonos y la voy a
transformar a 2 moléculas de 3 carbonos. Que pasa acá… vamos a cortar la fructosa1,6-bifosfato en este punto y vamos a generar 2 moléculas de 3 carbonos, una
dihidroxicetona-fosfato y un gliceraldehído-3-fosfato. Ambas se parecen, pero no son
iguales, por lo tanto vamos a transformar la dihidroxicetona-fosfato en gliceraldehído-3fosfato haciendo oxidación y reducción con una isomerasa (triosa fosfato isomerasa).
Todas estas transformaciones, son para que finalmente se sintetice el piruvato en la
etapa 3. Como ocurre esto… el gliceraldehído-3-fosfato lo vamos a ir modificando hasta
formar fosfoenol piruvato y el fosfoenol piruvato lo vamos a transformar en piruvato.
Acuérdense que ahora por cada 1 molécula de glucosa, vamos a tener 2 moléculas de
gliceraldehído-3-fosfato.
El gliceraldehído-3-fosfato, lo vamos a transformar en 1,3-bifosfoglicerato, es decir, lo
vamos a fosforilar en esta posición. Aquí vamos a usar fosfato inorgánico, una enzima
que se llama gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y NAD+. Todas las enzimas que
usan al NAD+ se llaman deshidrogenasas, ya sea que transformen NAD+ en NADH o
NADH en NAD+. En este caso, la deshidrogenada va a tomar el NAD+ y lo va a
transformar en NADH y va a tomar fosfato y lo va a agregar a la posición 1 y vamos a
tener este compuesto que se llama 1,3-bifosfoglicerato.
- 24 En el paso siguiente, el fosfato que está en la posición 1 se lo vamos a entregar a un
ADP utilizando una enzima que se llama fosfoglicerato kinasa y vamos a transformar el
1,3-bifosfoglicerato en 3-fosfoglicerato y vamos a producir nuestra primera molécula de
ATP. Ahora nos queda entregar el otro fosfato a otra molécula de ATP para producir
más energía.
El 3-fosfoglicerato lo vamos a transformar en 2-fosfoglicerato por con una enzima que
se llama fosfoglicerato mutasa, que va a hacer que este fosfato que está en la posición 3,
pase a la posición 2. El 2-fosfoglicerato con una enzima que se llama enolasa va a pasar
a fosfoenol piruvato, molécula que también se conoce como PEP.
Finalmente el PEP va a poder soltar el fosfato que falta y transformarse en piruvato. Al
soltar el fosfato, gracias a la piruvato kinasa, lo recibirá un ADP y se formara nuestra
segunda molécula de ATP. ¿Cuánto ATP hemos producido?... 2 por cada compuestos
de 3 carbonos. ¿Y cuantos de estos se forman por glucosa?... 2… por lo tanto, ¿cuantas
moléculas de ATP se sintetizan por glucosa?... 4. Como en la etapa 1 de la glicólisis se
gastan 2 moléculas de ATP, la ganancia neta de energía es de 2 ATP.
Por lo tanto, la glucosa va a pasar a glucosa-6-fosfato gastando una molécula de ATP.
La glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato y ésta después a fructosa-1,6-bifosfato,
gastando otra molécula de ATP. La enzima que produce la primera trasformación se
llama hexokinasa en músculo y glucokinasa en hígado. La glucosa-6-fosfato se va a
transformar en fructosa-6-fosfato usando una enzima que se llama fosfogluco isomerasa
y la enzima que transforma fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato se llama
fosfofructo kinasa o PFK y esta enzima no es reversible por lo que se le llama
encrucijada metabólica. Ahora, la aldolasa va a degradar la fructosa-1,6-bifosfato en
dihidroxicetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato y luego la isomerasa va a transformar
la dihidroxicetona fosfato en gliceraldehído-3-fosfato. Luego, éste se transforma en 1,3bifosfoglicerato que luego se transforma, gracias a una fosfoglicerato kinasa, en 3fosfoglicerato produciendo ATP. El 3-fosfoglicerato se transforma a 2-fosfoglicerato, e
2-fosfoglicerato a fosfoenol piruvato y el fosfoenol piruvato a piruvato, gracias a la
piruvato kinasa, produciendo ATP nuevamente. Esta última enzima tampoco es
reversible, al igual que la hexokinasa que tampoco lo es.
Estas 3 enzimas no reversibles, nos dan 3 pasos para mantener un control sobre la
glicólisis.
Por lo tanto, en la glicólisis se producen 2 protones y 4 electrones que son transferidos a
una molécula de NAD+, para formar una molécula de NADH. La molécula de NAD+,
que es nicotinamida adenina dinucleótido, tiene un azúcar unido a una ribosa, unida a
una nicotinamida. Esta nicotinamida en el ciclo o anillo, tiene un protón y este es el
estado oxidado del NAD que se llama NAD+. Cuando la enzima deshidrogenada le
entrega un protón o le entrega electrones, se colocan a nivel del ciclo de nicotinamida 2
protones, lo que hace que pase de un estado NAD+ a un estado NADH. Entonces,
NAD+ es el estado oxidado y NADH el estado reducido. Esta molécula es crucial en e
metabolismo, porque es la que nos va a entregar poder reductor a la cadena
transportadora de electrones.
Por lo tanto, la glucosa más el fosfato inorgánico más el ADP más el NAD+ van a
producir 2 moléculas de piruvato, 2 ATP, 2 NADH, 2 protones y 2 moléculas de agua.
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Ya… llegamos a piruvato en a glicólisis y hay oxígeno en la célula, entonces se va a
producir acetil CoA y esto va a ir a una oxidación a través del ciclo de Krebs,
mecanismo que vamos a ver en la próxima clase. Pero lo importante es qué pasa en
ausencia de oxígeno. En este caso, se produce un fenómeno que se conoce como
fermentación. La pregunta es ¿por qué se produce fermentación? En levaduras la
fermentación produce etanol y en bacterias y mamíferos produce lactato o ácido láctico.
El objetivo centra de a fermentación, ya sea llevada a cabo en una bacteria, en una
levadura o en el músculo, es poder volver a regenerar el NAD+. El NAD+ era necesario
para fosforilar el gliceraldehído-3-fosfato. Si en el citosol hay sólo NADH, se bloquea o
se detiene la glicólisis, por lo tanto es necesario regenerar el NAD+ para que se pueda
seguir produciendo ATP en el proceso glicolítico, por lo tanto, la fermentación en el
músculo va a tomar el piruvato, va a producir ácido láctico y va a transformar el NADH
en NAD+ utilizando una enzima que se llama lactato deshidrogenasa. En la levadura el
proceso es un poco más complejo. Vamos a pasar de piruvato a acetaldehído y del
acetaldehído a etanol y ahí vamos a regenerar el NAD+. Por lo tanto, la fermentación
ocurre en condiciones anaeróbicas, en el cual la glucosa va a generar piruvato y el
piruvato, en músculo, va a producir ácido láctico y en levadura va a producir etanol y
CO2. La enzima encargada de la transformación de piruvato a ácido láctico es la lactato
deshidrogenasa y en el caso de las levaduras, va a pasar a acetaldehído gracias a una
piruvato descarboxilasa. Qué hace esta enzima… saca un CO2 y transformar una
molécula de 3 átomos de carbono a una de 2 átomos de carbono y el acetaldehído lo
vamos a transformar a etanol, reduciendo este aldehído a un alcohol a través de una
alcohol deshidrogenada.
Por lo tanto, como último paso en la glicólisis en ausencia de oxígeno, el piruvato en
una levadura es transformada a etanol y eso va a regenerar los NAD+ para re usarse en
el proceso glicolítico. En el caso de un mamífero, de piruvato a lactato con una enzima
que se llama lactato deshidrogenasa, pasando de NADH a NAD+.