APUNTES DEL TEMA

Tema 8: Célula eucariota - II

Citosol y citoesqueleto

1.

EL CITOSOL ES EL MEDIO INTERNO DE LA CÉLULA

El citosol, o hialoplasma, es el medio interno celular y en él están suspendidos todos los orgánulos. Se trata de un coloide acuoso en el que se encuentran moléculas de diversa naturaleza: proteínas (muchas de ellas enzimáticas), aminoácidos, péptidos, lípidos, glúcidos, ARN, agua, sales, iones, etc. Además, aparece plagado de ribosomas que sintetizan proteínas. La existencia de gran cantidad de enzimas en el citosol se debe a que en éste se localizan numerosas reacciones metabólicas. Muchas de éstas forman parte de rutas metabólicas (secuencias de reacciones encadenadas) que se inician o finalizan en algún orgánulo. Se trata, por tanto, de un componente celular metabólicamente muy activo.

Una característica del citosol de la célula eucariota es la posibilidad de que se produzcan en su seno movimientos de ciclosis, causados por variaciones de viscosidad, pasando de sol a gel y viceversa. Este tipo de movimientos intracelulares no se produce en procariotas.

Actualmente, sabemos que el citosol celular contiene gran cantidad de fibras que colaboran en dar forma a la célula, sirviendo probablemente de punto de anclaje para otras estructuras celulares. Algunas de tales fibras también intervienen en determinados movimientos celulares, como el movimiento ameboideo, típico de la ameba y de los leucocitos, que se produce por emisión de unas prolongaciones

citoplasmáticas llamadas pseudópodos. El conjunto de todas estas fibras constituye el citoesqueleto.

Otras estructuras no organulares que encontramos en el citosol son las inclusiones, acumulaciones de sustancias no rodeadas de membrana. Su origen y naturaleza son diversos: por simple acumulación de sustancias de reserva o de desecho, o bien por cristalización de determinados compuestos. Un ejemplo de inclusión son los gránulos de glucógeno que se encuentran en las células hepáticas y musculares; como se recordará, el glucógeno es un polímero que sirve para almacenar la glucosa, el principal combustible celular.

2.

EL CITOESQUELETO ES UNA RED DE FILAMENTOS

PROTEICOS QUE SE EXTIENDE POR EL CITOPLASMA DE

LA CÉLULA

2. Microtúbulos, formados por tubulina.

3. Filamentos intermedios, que pueden estar compuestos por diversas proteínas.

Microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios se encuentran unidos por enlaces cruzados, formando una red dispersa por todo el citosol. Generalmente, se acepta que el organizador fundamental del citoesqueleto es el sistema de microtúbulos, el cual determina la distribución de los microfilamentos y filamentos intermedios, y con ello la existencia de distintos tipos de movimientos intracelulares.

2.1.

Los microfilamentos tienen función mecánica y contráctil

Los microfilamentos están formados por actina, la cual constituye un 5% o más del total proteico de la célula eucariota. Tienen entre 3 y 7 nm de diámetro.

(p. ej. colaborando al estrangulamiento del citoplasma tras la división celular, en la emisión de pseudópodos, etc.).

2.2.

Los microtúbulos están formados por moléculas de tubulina

Los microtúbulos son los principales componentes del citoesqueleto; están formados por una proteína globular, la tubulina, asociada a otras proteínas, alcanzando los 240 Å de diámetro. Podemos encontrar microtúbulos:

a) Dispersos por el citosol celular. A estos se les atribuyen las siguientes funciones: - Función mecánica como componentes del citoesqueleto.

- Intervienen en el transporte celular como sistema de microcirculación para el transporte de macromoléculas en su interior.

- Tienen un papel fundamental en la organización de todos los elementos del citoesqueleto.

b) Formando estructuras estables con funciones específicas, como los cilios, los flagelos y los centriolos.

2.3.

Los filamentos intermedios pueden ser de muchos tipos

Los filamentos intermedios son finas fibras resistentes, con un diámetro intermedio entre los microfilamentos y los microtúbulos, de 8 a 10 nm. Están formados por polipéptidos fibrosos. Aunque cada célula contiene generalmente un solo tipo de filamentos intermedios, existen numerosos tipos de éstos:

- Las células epiteliales contienen filamentos de queratina, que les proporcionan resistencia mecánica.

- Las neuronas contienen neurofilamentos. Éstos están estrechamente asociados con los microtúbulos del axón, formando complejos que probablemente sean responsables de la resistencia y rigidez axonales.

3.

CILIOS Y FLAGELOS SON ORGÁNULOS LOCOMOTORES

Muchas células eucariotas están provistas de orgánulos locomotores que, si son cortos y numerosos se denominan cilios, mientras que si son largos y en número escaso reciben el nombre de flagelos.

La estructura, composición y funcionamiento de los cilios y flagelos eucarióticos son sustancialmente diferentes de los de los flagelos bacterianos, con los que no deben, en ningún momento, confundirse.

Las dimensiones de cilios y flagelos eucarióticos son diferentes. Los cilios miden entre 5 y 10 μm de longitud, y unas 0.2 μm de diámetro; por su parte, los flagelos son mucho más largos (sobre 100 μm). Los cilios suelen presentarse en número elevado, mientras que los flagelos se presentan en número escaso, generalmente uno o dos. Tanto unos como otros se consideran orgánulos típicos de la célula animal, aunque las algas flageladas también los poseen.

La estructura y composición es similar en ambos casos. Cada cilio o flagelo consta de una estructura interna, formada por haces de microtúbulos, pudiéndose distinguir dos regiones, el tallo o axonema y el corpúsculo basal. El tallo o axonema es la parte que sobresale de la célula, y se encuentra envuelto por la membrana celular (lo que no sucede en los flagelos bacterianos). A lo largo de todo su interior se disponen diez pares de microtúbulos, un par central y nueve periféricos (disposición 9+2); los microtúbulos centrales están rodeados por una vaina delgada. Respecto a los pares periféricos, en cada uno hay un microtúbulo completo (microtúbulo a) y otro incompleto (microtúbulo b). Cada microtúbulo completo tiene un diámetro de unos 250 Å y está constituido por 13 microfilamentos formados por tubulina. Otras proteínas, la dineína y la nexina mantienen unidas las parejas periféricas, formando una especie de cilindro que recorre todo el interior del orgánulo locomotor.

En cuanto al corpúsculo basal, es un cilindro de 0.2 a 0.5 μm situado en la base del cilio o flagelo, sin sobresalir de la célula. Su estructura interna es parecida, si bien carece del par de microtúbulos centrales, mientras que los nueve pares periféricos aquí son tripletes.

flagelos bacterianos, puesto que se produce por contracciones internas causadas por deslizamientos de los microtúbulos; como resultado, el cilio o flagelo es recorrido por una onda de contracción, que origina un movimiento ondulante (flagelos eucarióticos) o pendular (cilios) característico. Estos movimientos producidos por cilios y flagelos se denominan movimientos vibrátiles.

Movimientos vibrátiles (de Berkaloff)

4.

EL CENTROSOMA ORGANIZA LOS MICROTÚBULOS

El centrosoma es un conjunto de estructuras microtubulares que consta de varios elementos: centriolos, centrosfera y áster (ver figura). Durante la interfase aparece junto al núcleo, siendo también visible durante la división celular. Su función consiste en regular la síntesis y agregación de proteínas para formar estructuras microtubulares, especialmente el huso acromático (ver mitosis y meiosis). Aunque se considera el centrosoma como orgánulo exclusivo de las células animales, también lo poseen las algas flageladas.

Cada centrosoma posee normalmente dos centriolos, cuya estructura es idéntica a la del corpúsculo basal de los cilios y flagelos, a base de nueve tripletes de microtúbulos. Los centriolos aparecen perpendiculares entre sí, situados en el centro de una zona, la centrosfera o esfera atractiva, de la que parten radialmente numerosos microtúbulos, que forman el áster.

ACTIVIDADES DE SÍNTESIS

a. Caracteriza el citosol de eucariotas. ¿Cuáles son su composición química y su función? b. ¿Qué es el citoesqueleto? ¿Y las inclusiones?

c. Distingue entre microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios.

d. ¿Qué son y qué función tienen los cilios y flagelos? ¿Qué diferencias encuentras respecto a los flagelos bacterianos?

e. Dibuja un centrosoma, señalando y describiendo sus componentes. ¿Cuál es la función de este orgánulo?

f. ¿Qué es el huso acromático?

5.

CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL METABOLISMO CELULAR

Las células intercambian continuamente materia y energía con el entorno, introducen materia y la transforman con el objetivo de construir, renovar sus estructuras y conseguir la energía necesaria para sus funciones. Estas transformaciones que tienen lugar en la célula ocurren por medio de un conjunto de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, se denominan metabolismo.

Los objetivos del metabolismo son:

1. Obtención de energía útil (ATP) para la célula, a partir de la luz, de las sustancias inorgánicas (quimiosíntesis), o de moléculas orgánicas.

2. Convertir nutrientes exógenos en precursores de macromoléculas. 3. Construcción de macromoléculas propias a partir de dichos precursores.

4. Formación y degradación de las macromoléculas de biomoléculas, como hormonas, neurotransmisores, proteínas y lípidos de membrana, etc.

Características del metabolismo

1) Es muy frecuente que el producto de una reacción metabólica sea el sustrato de otra u otras, de tal manera que muchas reacciones se encadenan y forman una secuencia ordenada, que se denomina vía o ruta metabólica, como por ejemplo la glucólisis, -oxidación, ciclo de la ornitina, etc.

2) Cada vía metabólica tiene una finalidad, por ejemplo, la glucólisis es la ruta de degradación de la glucosa para obtener energía, el ciclo de Calvin sintetizar monosacáridos en la fase oscura de la fotosíntesis, etc.

3) Cada una de las sustancias o moléculas que intervienen en las reacciones metabólicas se denomina metabolitos, como el ácido pirúvico, glucosa-6-fosfato, gliceraldehído, etc. 4) En el metabolismo tienen lugar muchas reacciones (muchas vías o rutas), que tienen lugar

Citoplasma: Glucólisis, gluconeogénesis, glucogenogenesis, síntesis de triglicéridos y de proteínas (traducción).

Mitocondria: Ciclo de Krebs, -oxidación, fosforilación oxidativa. Retículo endoplasmático: síntesis de lípidos y de proteínas.

Núcleo: duplicación y transcripción.

5) El metabolismo está regulado por enzimas, que son específicas de cada metabolito o sustrato y actúan sobre cada reacción o etapa de cada ruta metabólica. Cada reacción o etapa tiene una enzima específica. A veces, varias enzimas se asocian para aumentar su eficacia y constituyen complejos multienzimáticos como el de la piruvato deshidrogenasa, que actúa sobre el pirúvico al entrar en la mitocondria.

Si existe una mutación en el gen que codifica dicha enzima, esa ruta metabólica queda afectada, y provoca alteraciones metabólicas (enfermedades metabólicas). Garrod lo denominó “errores congénitos del metabolismo”.

6) La energía desprendida en las reacciones exotérmicas, o exergónicas, se utiliza en las endergónicas, transportándoles a moléculas especializadas, como el ATP.

7) Las rutas metabólicas pueden ser lineales, en las que se parte de un metabolito inicial que se va transformando y origina otro distinto, (ABCD) como la glucólisis, hélice de Lynen, etc. y circulares, como el Ciclo de Krebs, el de la ornitina o el de Calvin, en las que se parte de un metabolito que sufre distintas transformaciones para originar distintos productos y regenerar el metabolito inicial.

Además, unas rutas están relacionadas con otras (entrecruzadas) es decir, un metabolito puede intervenir en rutas distintas según las necesidades de la célula, como el ácido alfa cetoglutárico. Las conexiones entre distintas vías metabólicas constituyen el metabolismo intermediario.

8) Casi todas las reacciones del metabolismo son reversibles, es decir, pueden transcurrir en ambos sentidos (reactivos productos).

Catabolismo y anabolismo

Hay dos tipos de reacciones en el metabolismo:

1) Reacciones catabólicas, o CATABOLISMO, en la que se transforman moléculas orgánicas complejas (polisacáridos, triglicéridos, proteínas, etc.) en otras más sencillas, orgánicas o inorgánicas, (pirúvico, láctico, amoníaco, CO2, etc.). En estas

reacciones se libera energía

contenida en los enlaces de estas macromoléculas, y es almacenada en los enlaces fosfato de alta energía del ATP. Es decir se pasa de moléculas con alto contenido energético (muy reducidas) a otras con escaso contenido (muy oxidadas). Catabolismo es sinónimo de destrucción o de degradación.

necesario un aporte de energía, el ATP. Este ATP procede del catabolismo, de la fotosíntesis o de las quimiosíntesis.

Anabolismo es sinónimo de construcción o síntesis. Las nuevas moléculas son almacenadas para luego ser utilizadas o formar parte de la célula.

Hay rutas metabólicas anfibólicas, es decir, funcionan como anabólicas o catabólicas según las necesidades de la célula. El ejemplo típico es el TCA.

CATABOLISMO ANABOLISMO

Reacciones de degradación o destrucción Reacciones de síntesis o construcción Reacciones de oxidación Reacción de reducción

Desprenden energía Consumen energía A partir de muchos sustratos distintos, se

originan los mismos productos (rutas convergentes)

A partir de pocos sustratos distintos, se originan muchos productos distintos (rutas divergentes)

5.1. Tipos de metabolismo

Todos los seres vivos necesitan materia para crecer y desarrollarse, requiriendo todo tipo de elementos. El elemento más importante es el carbono, ya que es el componente fundamental de todas las biomoléculas.

Si la fuente de carbono es el carbono inorgánico (CO2), que es la forma más oxidada

del carbono, y lo convierten en materia orgánica, es decir, son capaces de convertir la MI en MO, el metabolismo de ese ser vivo es AUTÓTROFO o LITÓTROFO. Si la fuente de carbono es materia orgánica (carbono más o menos reducido, como glucosas, grasa, etc), ya que no pueden transformar la MI en MO, el metabolismo es HETERÓTROFO u ORGANÓTROFO.

Los seres vivos también necesitan energía. Si la fuente de energía es la luz (energía luminosa), el metabolismo es FOTÓTROFO (fotosintético) y el ser vivo hace fotosíntesis; si pueden utilizar la energía química, liberada en reacciones químicas de oxidación contenidas en moléculas que toman del exterior, el metabolismo es QUIMIÓTROFO, el organismo realiza la quimiosíntesis. En los quimiótrofos la fuente de carbono y energía es la misma sustancia.

Combinando estos criterios, tenemos esta clasificación:

TIPOS DE

ORGANISMO

ORIGEN DE LA ENERGÍA

ORIGEN DEL CARBONO

EJEMPLO DE ORGANISMOS

Fotolitótrofo

(fotoautótrofo = autótrofo fotosintético)

Luz CO2 Plantas superiores, algas,

cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre Fotoorganotrofos

(fotoheterótrofo = heterótrofo fotosintético)

Luz Orgánico Bacterias purpúreas no azufradas

Quimiolitótrofos

(quimioautótrofos = autótrofo quimiosintético)

Reacciones químicas

CO2 Bacterias nitrificantes,

bacterias incoloras del azufre

(quimioheterótrofos o heterótrofo típico)

químicas protozoos, muchas

bacterias

5.2 El catabolismo proporciona la energía que la célula necesita

El catabolismo agrupa las reacciones metabólicas en las que se degradan sustancias, por lo que se dice que es la vertiente destructiva del metabolismo. En esas reacciones degradativas se parte de sustancias orgánicas ricoenergéticas, obteniéndose productos con un contenido energético menor y liberando una determinada cantidad de energía, que es empleada para formar ATP a partir de ADP + Pi (ver 5.4).

SUSTANCIAS ORGÁNICAS RICAS EN ENERGÍA  SUSTANCIAS CON MENOS ENERGÍA + ENERGÍA

El ATP es el intermediario energético más importante del metabolismo celular; su misión consiste en capturar la energía liberada en las reacciones del catabolismo, liberándola, posteriormente, en aquellos procesos que la requieran, por lo que se dice que es la moneda energética de los organismos.

Las reacciones catabólicas son, fundamentalmente, reacciones de oxidación, por lo que implican una pérdida de electrones por parte de la sustancia que se oxida; tales electrones serán conducidos hasta un aceptor final, que se reduce.

Según cuál sea el aceptor final de los electrones, se distinguen varios tipos fundamentales de catabolismo, entre los que destacan dos:

- Las fermentaciones, oxidaciones incompletas en las que el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico. Las verdaderas fermentaciones no requieren oxígeno y constituyen la variante catabólica más antigua que se conoce. Su eficacia es reducida, permitiendo obtener 2 ATP por cada glucosa fermentada.

- La respiración aerobia, oxidación completa que utiliza el oxígeno como aceptor final de electrones. Por esta vía la degradación del sustrato es total, obteniéndose como productos finales dióxido de carbono y agua. Se trata de una vía evolutivamente posterior, que apareció cuando la atmósfera se enriqueció en oxígeno, mucho después de que se inventaran las fermentaciones. Su eficacia es mucho mayor, obteniéndose hasta 38 ATP por cada glucosa respirada.

E catabolismo tiene lugar en tres fases:

Fase I: Las grandes macromoléculas se degradan en sus monómeros con enzimas específicos Ocurre fuera de la célula, como sucede en la digestión.

Fase II: Los monómeros son degradados por procesos específicos hasta Acetil-CoA. Se produce algo de ATP. Glucólisis, -oxidación, transaminación.

Fase III: El Acetil-CoA es oxidado hasta CO2 y H2O, originando gran cantidad de

NADH (PODER REDUCTOR) y ATP. Ocurre en la mitocondria. También se genera ATP en la fosforilación oxidativa.

Son rutas convergentes. Las principales rutas catabólicas son:

Anaeróbica (en el citoplasma): glucólisis, rotura de triglicéridos, desaminación y transaminación.

Anaeróbica (en la mitocondria): transporte de electrones y -oxidación. Aeróbica (en la mitocondria): Fosforilación oxidativa.

5.3 El anabolismo comprende las reacciones de biosíntesis

Las reacciones de biosíntesis, que constituyen el anabolismo, son aquellas en las que la célula utiliza energía para obtener materia orgánica compleja a partir de moléculas más sencillas; las moléculas que se obtienen suelen tener, por lo general, un mayor contenido energético. Podríamos esquematizarlo así:

SUSTANCIAS + Energía → SUSTANCIAS MÁS COMPLEJAS

Es decir, en las reacciones de biosíntesis siempre se obtienen moléculas más complejas que aquellas de las que se parte, para lo cual es necesario un aporte de energía. La procedencia de la energía que se utiliza y el tipo de sustancias de las que se parte permiten distinguir dos tipos de anabolismo:

a. El realizado por las células autótrofas, que parten de sustancias inorgánicas muy simples y utilizan energía luminosa o de reacciones que provocan en el ambiente.

El aporte de energía necesario para realizar el anabolismo autótrofo se puede obtener a partir de dos fuentes:

Los autótrofos fotosintéticos utilizan la energía luminosa, que captan mediante ciertos pigmentos (clorofilas) e incorporan a la materia orgánica gracias a un proceso denominado fotosíntesis. Son fotosintéticas las metafitas (plantas), las algas, las cianobacterias y las bacterias fotosintéticas.

Los autótrofos quimiosintéticos utilizan energía procedente de reacciones exotérmicas que provocan en el ambiente. Solamente algunas bacterias son capaces de realizar la quimiosíntesis e incorporar esa energía.

Como se aprecia al comparar los dos esquemas precedentes, el anabolismo que realizan las células heterótrofas es similar a la segunda fase del que realizan las autótrofas, y es que las reacciones son las mismas. Así, refundiendo ambos esquemas obtendríamos el siguiente:

A la vista de este último esquema, podemos decir que existen dos grupos de reacciones de biosíntesis: las que sólo pueden ser realizadas por las células autótrofas (anabolismo autótrofo) y las que son realizadas por autótrofas y heterótrofas (anabolismo general). Como se puede apreciar, no existe un anabolismo estrictamente heterótrofo.

Al igual que el catabolismo, el anabolismo comprende tres fases; comienza en la fase III por los pequeños compuestos originados en la fase III del catabolismo. En la fase II se forman los monómeros y en la fase I se forman los polímeros. Por tanto son rutas divergentes.

Las principales rutas anabólicas son:

De glúcidos: gluconeogenésis y glucogenogenesis.

De lípidos: síntesis de ácidos grasos, glicerina y triglicéridos. De proteínas: traducción.

De ácidos nucleicos: replicación y transcripción.

Muchas reacciones catabólicas son irreversibles, es decir, no hay posibilidad de que ocurran en sentido contrario.

Las rutas catabólicas y anabólicas pueden localizarse en distintos compartimentos La regulación enzimática es distinta en casi todos los procesos. Ej: la síntesis de glucosa (gluconeogénesis) no es la inversa de la glucólisis.

5.4.

Intercambios energéticos en el metabolismo: papel del ATP

Como acabamos de ver, podemos dividir el metabolismo en dos vertientes, una destructiva (catabolismo), en la que se obtiene energía, y una constructiva (anabolismo) en la que se utiliza energía. Esta división sólo es tal a efectos de comprender mejor los complejos procesos metabólicos, ya que el metabolismo es una unidad.

Las células poseen diversos tipos de "monedas energéticas", la principal es el ATP o adenosín-trifosfato, un nucleótido que, a diferencia de los que forman parte de los ácidos nucleicos, posee tres restos fosfato formando parte de su molécula1_{. Los enlaces que}

unen los fosfatos segundo y tercero son enlaces éster fosfóricos de alta energía, puesto que almacenan energía cuando se forman y la liberan cuando se rompen. La formación de ATP, ya sea a partir de ADP + Pi o de

AMP + 2 Pi, se produce

gracias al aporte energético que proporcionan algunas reacciones bioquímicas.

El ATP suministra energía para reacciones no espontáneas (biosíntesis, como la traducción, replicación) o funciones celulares como la contracción muscular, movimiento de cilios o el transporte activo.

Lo hace hidrolizando el primer fosfato (rompiendo el primer enlace éster-fosfórico), y por tanto perdiéndole, es decir, el ATP se desfosforila, o se hidroliza. La energía liberada en esta hidrólisis es utilizada en las reacciones anteriores. Se dice que ambos procesos están acoplados.

Si lo necesita, de la misma manera el ADP también puede hidrolizar el segundo fosfato, y convertirse en AMP, liberando la misma cantidad de energía.

Al hidrolizarse cada fosfato del ATP libera mucha energía, unas 12 kcal/mol en las condiciones celulares, y en condiciones experimentales, unas 7,3 kcal/mol.

Al pH celular, el fosfato liberado en la hidrólisis del ATP se encuentra en forma de HPO4

Defosforilación del ATP Defosforilación del ADP

7,3 kcal/mol 7,3 kcal/mol

ATP + H2O ADP + Pi ; ADP + H2O AMP + Pi

7,3 kcal/mol 7,3 kcal/mol Para ello, las células utilizan dos mecanismos distintos:

- La fosforilación a nivel de sustrato. Se realiza en dos etapas: en la primera se forma un compuesto intermedio rico en energía, y en la segunda se hidroliza este compuesto y se utiliza la energía liberada para formar ATP. Este tipo de fosforilación se produce, por ejemplo, en la glucólisis (ver más adelante) y en el ciclo de Krebs2_.

- La fosforilación acoplada al transporte de electrones. Ciertas proteínas, situadas en los sistemas membranosos de mitocondrias y cloroplastos (si se trata de células procariotas su localización, evidentemente, es otra) son capaces de conducir electrones desde niveles energéticos altos hacia otros bajos, donde son captados por una sustancia aceptora. Este transporte electrónico cuesta abajo libera energía, que es utilizada para formar ATP. De este modo se genera ATP durante la fase luminosa de la fotosíntesis (fosforilación fotosintética) y durante el transporte electrónico que tiene lugar en la última fase de la respiración aerobia (en cuyo caso la formación de ATP se denomina fosforilación oxidativa). En los dos últimos casos intervienen unas proteínas de membrana denominadas ATP-sintasa, o también partículas Fo (mitocondria) o CFO

(cloroplasto). Fosfoforilan el ADP al aprovechar una corriente de protones que las atraviesa. Se explicará con la hipótesis quimiosmótica de Mitchell.

Además del ATP, otras monedas energéticas funcionan de modo similar, como el GTP (guanosín-trifosfato) o el UDP (uridín-trifosfato). En otros casos, las transferencias energéticas se realizan en forma de transferencia de electrones, utilizando coenzimas transportadoras de éstos, como el NAD+, el NADP+, el FAD y otros.

5.5 Papel del NADH y NADPH: Poder reductor

Muchas reacciones del metabolismo son procesos redox u oxidorreducción, es decir, una molécula se oxida y otra se reduce. Como un átomo de hidrógeno está formado por un electrón, perder un electrón equivale a perder un átomo de hidrógeno, y reducirse a ganarlo.

Hay una relación entre el contenido de hidrógenos de una molécula y la cantidad de energía que se puede obtener de ella. Cuanto mayor sea el contenido en hidrógeno de un compuesto (cuánto más reducido esté) mayor es su contenido energético y más energía se puede obtener de él. Cuanto más oxidada esté una sustancia menos energía contiene. La energía de una molécula está en sus enlaces.

Así, los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más energía que la glucosa (C6H1206) y ésta mucho más que el CO2 (sin hidrógenos, es la forma más oxidada del

carbono).

Estos dos nucleótidos actúan como coenzimas de enzimas deshidrogenasas u oxidasas y participan en el metabolismo como moléculas transportadoras de hidrógenos (electrones) en reacciones redox.

Cuando un sustrato se oxida, captan los electrones y se reducen, cuando un sustrato se reduce, se los ceden y se oxidan. Cuando estos coenzimas se reducen los ceden a otras moléculas aceptoras de hidrógenos (o electrones). En el caso de la respiración aeróbica el aceptor final de electrones es el oxígeno, en el caso de la fermentación es el pirúvico.

Oxidación del sustrato

NAD+ + AH2 NADH + H+ + A

(2H 2 H+ + 2 e-)

Reducción del sustrato

NAD+: nicotin-adenin-dinucleótido

NADP+: nicotin-adenin-dinucleótido fosfato

FAD: flavin-adenin-dinculeótido

Pueden estar oxidados o reducidos. Se indican así: Estado oxidado: NAD+, NADP+, FAD.

Estado reducido: NADH + H+, NADPH + H+, FADH2.

El NAD+ y FAD se utilizan en procesos respiratorios, y el NADP+ en la biosíntesis de moléculas orgánicas.

6.

LAS FERMENTACIONES QUEMAN LOS AZÚCARES EN

AUSENCIA DE O2

Las células obtienen la energía que necesitan, en forma de ATP, gracias a la combustión controlada de los diversos combustibles celulares. Ya se ha mencionado en otros temas que los combustibles celulares por excelencia son los glúcidos y, especialmente, la glucosa.

Las fermentaciones constituyen el mecanismo evolutivamente más antiguo que se conoce para obtener ATP a partir de la combustión de azúcares, y hoy en día sigue siendo el más utilizado, ya que las emplean numerosas bacterias y levaduras (y, en determinadas condiciones, las células del tejido muscular).

Esencialmente, las fermentaciones son oxidaciones producidas en ausencia de oxígeno, en las que se degradan determinados compuestos orgánicos, generalmente azúcares, liberándose energía (que se utiliza para producir ATP) y otras sustancias orgánicas con menos valor energético:

COMPUESTOS ORGÁNICOS DE ALTA ENERGÍA → COMPUESTOS ORGÁNICOS DE BAJA ENERGÍA + ATP

A lo largo de la evolución se desarrollaron diversas vías fermentativas, destacando la vía EMP (Embden-Meyerhoff-Parnas), proceso degradativo cuyo efecto es la glucólisis3_:

mediante varias reacciones enzimáticas encadenadas, la glucosa (u otra hexosa) es degradada, produciendo dos moléculas de piruvato. Las diferencias entre los diversos tipos de fermentación se encuentran, básicamente, en las vías que llevan hasta la glucosa y en las que parten del piruvato y conducen a sus productos de transformación.

6.1. La glucólisis

La glucólisis o transformación de la glucosa en dos moléculas de piruvato se realiza en el citosol celular y, por supuesto, no requiere la presencia de oxígeno. El proceso conlleva la reducción de dos moléculas de NAD+ a NADH y la ganancia de dos ATP por cada glucosa, realizándose en dos etapas:

Las diez reacciones que componen la glucólisis se pueden agrupar para su estudio en dos etapas o fases:

• Fase preparatoria: se activa la glucosa mediante fosforilación y posteriormente se descomponen en dos moléculas de 3-fosfogliceraldehido (azúcar de tres carbonos con un grupo fosfato). Esta primera etapa consume energía.

En esta fase, por cada molécula inicial de glucosa se consumen dos ATP.

• Fase de producción de energía: consiste en la transformación del gliceraldehido-3-fosfato en ácido pirúvico, mediante una serie de reacciones en las que destacan los siguientes hechos:

− Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato, liberándose dos átomos de hidrógeno por cada molécula consumida. Los protones y electrones de los átomos de hidrógeno son captados por el NAD+, reduciéndose a NADH + H+ (cada NAD+ capta dos electrones y un protón).

− Transferencia del grupo fosfato, desde metabolitos intermediarios a moléculas de ADP, dando lugar a la síntesis de dos moléculas de ATP por gliceraldehído mediante fosforilación a nivel de sustrato.

Como por cada molécula de glucosa se forman dos de gliceraldehido-3-fosfato, en conjunto se obtienen 4 ATP y 2 (NADH + H+). Pero al haberse gastado 2 ATP en la primera fase, el balance final de la glucólisis es:

1 glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP

La glucólisis consta de las siguientes reacciones: Reacción 1. Fosforilación en el C6 de la Glucosa para dar Glucosa-6-fosfato. De éste modo se consigue activar la molécula (aumentar su energía), para poder utilizarla en otros procesos. El grupo fosfato añadido se obtiene de la hidrólisis de una molécula de ATP, que queda en forma de ADP. Esta reacción es irreversible y está catalizada por un

enzima denominado hexokinasa (kinasa = cataliza reacciones de fosforilación), que constituye el primer punto de control de la ruta, pues es inhibida por altas concentraciones de G6P, aunque es independiente de la concentración de ATP.

Reacción 3. Fosforilación de la Fructosa-6-P en el C1, para dar fructosa-1,6-bisfosfato (FBP).

Es una reacción irreversible, catalizada por una kinasa, concretamente la fosfofructokinasa-1 (PFK-1), que fosforila el carbono 1 de la F6P. Ésta reacción constituye el 2º y principal punto de control de la glucolisis, pues cuando las

concentraciones de ATP son altas, este enzima es inhibido y cesa la glucolisis. También está controlada por las concentraciones de citrato. Es de destacar que, hasta ahora, no sólo no se ha producido energía, sino que, incluso, se han consumido dos moléculas de ATP.

Reacción 4. Fragmentación de la Fructosa-1,6-Bifosfato que dará 2 triosas fosfato:

a) Dihidroxiacetona- fosfato (DHAP) b) Gliceraldehido-3-fosfato (G3P)

La 3-fosfodihidroxiacetona (DHAP) corresponde a los átomos de carbono 1, 2 y 3 de la FBP, mientras que el gliceraldehido-3-fosfato procede

de los carbonos 4, 5 y 6 de la FBP, siendo el C6 el 1º de la nueva molécula (G3P)

El enzima que cataliza esta reacción es una aldolasa, concretamente recibe el nombre de fructosa bisfosfato aldolasa.

Reacción 5. Isomerización de la dihidroxiacetona-fosfato (DHAP) que se transforma en otra molécula de gliceraldehido-3-P en una reacción reversible.

Reacción catalizada por la triosa-fosfato isomerasa. 2ª FASE: Beneficio energético

Reacción 6. Oxidación y fosforilación del D-Gliceraldehido-3-P (G3P) para dar 1,3-Bifosfoglicerato. Se trata de una oxidación que requiere, por tanto, una reducción.

Al mismo tiempo, se produce la incorporación de un Pi (fosforo inorgánico) por cada molécula de G3P, el cual va a quedar unido mediante un enlace rico en energía. Los dos hidrógenos del carbono 1 pasan al coenzima NAD+, el cual es reducido a NADH + H+, y se forma un doble enlace C = O. Se trata de una deshidrogenación u oxidación del sustrato.

La reacción es catalizada por un enzima denominado fosfogliceraldehido deshidrogenasa, el cual presenta un centro activo con un resto de –SH.

puede ocurrir el proceso inverso. El enzima que cataliza esta reacción es la fosfoglicerato kinasa

Reacción 8. Isomerización del 3-fosfoglicerato para dar 2-fosfoglicerato.

Reacción catalizada por el enzima fosfoglicerato mutasa

Reacción 9. Deshidratación del 2-Fosfoglicerato, con pérdida de una molécula de agua procedente del OH libre del carbono 3 y el H del carbono 2. Esto da lugar a un doble enlace entre el

carbono 2 y el 3, dejando el fosfato del carbono 2 unido mediante un enlace rico en energía, para dar lugar al ácido fosfoenolpirúvico (PEP).

El enzima encargado de catalizar esta reacción es una deshidratasa denominada enolasa. Reacción 10. Cesión de 1

grupo fosfato del Fosfoenolpiruvato al ADP para generar ATP (2ª fosforilación a nivel de sustrato). Se trata de una

reacción irreversible en la que se forma un intermediario de reacción inestable llamado enol pirúvico, que rápidamente pasa a piruvato. Reacción catalizada por la piruvato kinasa. Constituye el tercer punto de control de la glucólisis pues es una reacción irreversible que está activada por la fructosa-1,6, bifosfato y AMP.

Características y significado biológico de la glucólisis

- Se realiza tanto en procariotas como en eucariotas. - En los eucariotas se realiza en el hialoplasma. - Se trata de una degradación parcial de la glucosa.

- Es un proceso anaerobio que permite la obtención de energía a partir de los compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno.

- La cantidad de energía obtenida por mol de glucosa es escasa (2 ATP).

- La glucolisis fue, probablemente, uno de los primeros mecanismos para la obtención de energía a partir de sustancias orgánicas en la primitiva atmósfera sin oxígeno de la Tierra.

Por otra parte, es necesario hacer notar que la fermentación es poco eficiente, ya que los productos finales que se desechan contienen todavía energía. Por esta razón, a lo largo de la evolución, algunos organismos desarrollaron la capacidad de aprovechar los productos de desecho de los primeros fermentadores, es decir, lo que tiraban unos era comida para otros.

6.2.

Fermentación alcohólica: conversión del piruvato en etanol para

regenerar el NAD

.

En la glucólisis, la glucosa se oxida a dos ácidos pirúvicos, generando 2 NADH y 2 ATP. Posteriormente, suceden dos procesos que llevan a la reoxidación del NADH a NAD+:

▪ Descarboxilación del ácido pirúvico, que origina acetaldehído y se libera CO2. Esta reacción

está catalizada por el enzima piruvato descarboxilasa.

2 CH

-CO-COO

→ 2 CH

-CHO + 2 CO

▪ Reducción del acetaldehído a etanol, gracias al enzima alcohol-deshidrogenasa, y consumiendo los NADH producidos en la glucolisis.

2 CH

-CHO + 2 NADH + 2 H

+

→ 2 CH

-CH

OH + 2 NAD

+

El rendimiento energético es de 2 ATP, como en la fermentación láctica.

Este proceso lo realizan diversos microorganismos, destacando las levaduras del género Saccharomyces, que han sido utilizadas desde la antigüedad por el hombre para fabricar diversos productos: cerveza (Saccharomyces cerevisiae y S. carlbergiensis), vino (S. cerevisiae var. ellypsoideus), pan (cepas especializadas de S. cerevisiae), entre otros.

6.3.

Fermentación láctica: regeneración del NAD

por transformación

del piruvato en lactato.

Las células que realizan esta fermentación reoxidan el NADH a NAD+, reduciendo el piruvato a lactato. En la glucólisis, la glucosa se oxida a dos ácidos pirúvicos, generando 2 NADH y 2 ATP. Posteriormente, el ácido pirúvico, al aceptar los electrones del NADH, se reduce a ácido láctico. La reacción está catalizada por el enzima lactato deshidrogenasa. El rendimiento energético es de 2 ATP, obtenidos por fosforilación a nivel de sustrato:

CH

-CO-COO

-+ 2 NADH -+ 2 H

→ CH

-CHOH-COO

+ 2 NAD

La fermentación láctica la realizan algunas bacterias, especialmente de los géneros Lactobacillus y Streptococcus, utilizadas para la obtención de numerosos derivados lácteos: yogur, mantequilla, queso, etc. Esta fermentación se denomina homoláctica, puesto que solo genera ácido láctico, otras bacterias pueden producir fermentaciones heterolácticas, en las que, además del ácido láctico también se producen otras sustancias (como ácido butírico).

Las células musculares pueden realizar la fermentación láctica si no disponen de suficiente oxígeno para reoxidar el NADH (ver cadena respiratoria en tema siguiente). Esto sucede al iniciarse la actividad física y cuando ésta es más intensa de lo habitual. Cuando se inicia el ejercicio, la célula muscular agota rápidamente el oxígeno de que dispone, por lo que continúa produciendo ATP por fermentación láctica hasta que aumenta el aporte de O2; esto se

consigue gracias a un incremento de los ritmos respiratorio y cardíaco, acompañado de vasodilatación. Cuando se produce una actividad física superior a la habitual, los ritmos respiratorio y cardíaco no son capaces de proporcionar al músculo el oxígeno requerido para respirar toda la glucosa necesaria, por lo que parte de ésta es fermentada a lactato. Cuando las células dispongan del oxígeno necesario, el lactato acumulado será oxidado aeróbicamente.

6.4.

Las fermentaciones oxidativas son falsas fermentaciones.

Tanto la fermentación láctica como la alcohólica son fermentaciones verdaderas, puesto que se realizan en ausencia de oxígeno. Este tipo de fermentaciones debe distinguirse de las llamadas fermentaciones oxidativas, que son realmente oxidaciones incompletas que requieren oxígeno como aceptor final de electrones.

atmósfera no disponía de oxígeno libre, mientras que las fermentaciones oxidativas tuvieron que aparecer una vez que hubiese oxígeno disponible.

Entre las fermentaciones oxidativas destaca la fermentación acética, realizada por las bacterias del ácido acético (como las del género Acetobacter), las cuales son capaces de oxidar el etanol a ácido acético. Este proceso se utiliza, a escala industrial, para fabricar vinagre, generalmente a partir de vino.

CH

-CH

OH → CH

-COOH + H

O + Energía

7.

VÍAS ANABÓLICAS EN EL CITOSOL

Además de la degradación fermentativa de la glucosa, en el citosol tienen lugar otras muchas transformaciones metabólicas, entre las que destacan las rutas de síntesis de numerosos compuestos importantes, como el glucógeno, lípidos, nucleótidos y diversos aminoácidos.

A pesar de la indiscutible importancia de estas vías metabólicas, no se pueden considerar parte esencial de un curso como el segundo de Bachillerato y, probablemente por ello, no figuran entre los contenidos fijados por el Real Decreto que establece las enseñanzas mínimas para el Bachillerato (R.D. 1467/2007, BOE de 6 de noviembre de 2007) y por ello tampoco se incluyen en el Decreto 102/2008 (DOCV de 15 de julio de 2008) que establece el curriculum del Bachillerato en la Comunitat Valenciana). Por este motivo, no serán tratadas aquí, aunque sí se resumen en un cuadro introductorio.

Catabolismo de los lípidos

Por su importancia como reservas energéticas, nos vamos a centrar en el catabolismo de las grasas o triglicéridos.

Las grasas son moléculas muy adecuadas como combustible de reserva, pues su catabolismo libera mucha energía, son insolubles en agua y, como tienen poca reactividad química, no provocan reacciones indeseadas en la célula. Muchas células almacenan en su citoplasma moléculas de grasa en forma de pequeñas gotitas, como en los tejidos adiposos.

No obstante, estas mismas características hacen que su degradación no sea tan fácil, por lo que cuando la célula necesita un aporte energético utiliza los glúcidos como combustibles, y solamente si necesita un mayor aporte de lo habitual, degrada las grasas. La movilización de las grasas es más lenta que las reservas glucídicas, y además el transporte de las mismas, desde el tejido adiposo a otros lugares, requiere la utilización de moléculas especiales.

El catabolismo de las grasas empieza por su hidrólisis, realizada por las enzimas lipasas, obteniéndose glicerina y ácidos grasos.

triglicérido + agua → glicerina + ácidos grasos

La glicerina se convierte fácilmente en gliceraldehido-3-fosfato y continúan la ruta de la glucólisis.

Los ácidos grasas siguen una ruta catabólica en la mitocondria, denominada β- oxidación. Catabolismo de las proteínas

Las proteínas y los aminoácidos, no son buenos carburantes metabólicos, ya desempeñan otras funciones (estructural, reguladora, transportadora, etc.). Sin embargo, si no hay suficiente aporte de glúcidos y lípidos (dieta de ayuno), los aminoácidos se pueden utilizar para obtener energía. Asimismo en las dietas excesivamente ricas en proteínas, en las que hay un excedente de aminoácidos o en la degradación normal de proteínas para su renovación, si hay exceso de algún aminoácido.

El catabolismo de las proteínas empieza por la hidrólisis de los enlaces peptídicos, liberando los aminoácidos constituyentes.

Posteriormente los aminoácidos sufren una degradación, que consiste en dos etapas:

aminoácido hasta una molécula aceptora, que generalmente es el α-cetoglutarato (a-KG), que se transforma en glutamato.

Estas reacciones están catalizadas por las transaminasas y suceden en el hígado. Posteriormente se elimina el grupo amino del glutamato (desaminación oxidativa) en forma de amoníaco o ión amonio. Dicha reacción se lleva a cabo en el hígado y en los riñones, y está catalizada por la enzima glutamatodeshidrogenasa.

El amoníaco posteriormente es eliminado en diversas formar: urea en los animales

ureotélicos (mamíferos, anfibios, peces de agua salada): ácido úrico en los animales uricotélicos (insectos, aves y reptiles); y directamente como amoníaco en los animales amoniotélicos (invertebrados acuáticos y peces de agua dulce).

2. Oxidación de la cadena carbonada. La molécula carbonada que se origina tras la eliminación del grupo amino, se incorpora a otras rutas metabólicas, tanto catabólicas como anabólicas, distinguiéndose los aminoácidos glucogénicos, que se degradan a ácido pirúvico y otros compuesto y se pueden utilizar para fabricar glucosa) y los cetogénicos, que se utilizan para formar acetil-CoA, que en el hígado se puede transformar en unos compuestos llamados cuerpos cetónicos.

Catabolismo de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos, ADN y ARN, son hidrolizados por enzimas nucleasas, liberándose nucleótidos. Estos, a su vez, se descomponen en la pentosa, el fosfato y la base nitrogenada que los constituyen, y pueden ser reutilizados en la síntesis de nuevos nucleótidos o sino son catabolizados.

En la degradación de las bases pirimidínas (C, U y T) se origina CO2 y NH3, y en la de las bases púricas (A y G) se origina ácido úrico y alantoína o ácido alantoico, según el animal que se trate.

ANABOLISMO EN EL CITOSOL Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es una ruta metabólica por la que tiene lugar la síntesis de glucosa a partir de precursores más sencillos, y es una ruta inversa a la glucólisis. La célula utiliza esta ruta metabólica cuando necesita glucosa y no dispone de ella, de manera que los metabolitos intermedios que se producen en la glucólisis se utilizan para fabricar glucosa.

La gluconeogénesis es un proceso energéticamente desfavorable, y consume unos 6 ATP por molécula de glucosa que se fabrica.

Esta ruta tiene lugar preferentemente en el hígado y en parte en el riñón, y mediante ella es posible sintetizar glucosa a partir de ácido láctico, aminoácidos o algún metabolito del ciclo de Krebs. Así pues, evita un excesiva acumulación de ácido láctico en el músculo cuando no hay suficiente oxigenación.

Biosíntesis de ácidos grasos y triglicéridos

Los ácidos grasos son el componente fundamente de todos los lípidos saponificables, por ello su formación es una etapa importante en la síntesis de lípidos.

Los ácidos grasos se sintetizan a partir del acetil-CoA que se fabrica en la mitocondria. El acetil-CoA sale al citosol y sufre unas reacciones de condensación, deshidratación y reducción que conducen a la síntesis de ácidos grasos. El complejo enzimático que lleva a cabo todo el proceso es el ácido grasosintetasa.

Las grasas o triglicéridos posteriormente se formarán por esterificación de tres moléculas de ácidos grasos con una de glicerina. Para que se produzca ambos compuestos deben estar activados, los ácidos grasos se activan uniéndose a la coenzima A (CoA) y la glicerina a un grupo fosfato.

Los triglicéridos se fabrican en el citoplasma de las células hepáticas y en los adipocitos. Biosíntesis de aminoácidos

hormonas, neurotransmisores, pigmentos, etc.

La biosíntesis de aminoácidos tiene lugar en el citoplasma, y en ella intervienen dos procesos: la síntesis del esqueleto carbonado, a partir de precursores metabólicos; y la incorporación del grupo amino mediante reacciones de transaminación.

Los aminoácidos suelen agruparse por familias según el precursor metabólico del que parte la síntesis del esqueleto carbonado, así se habla de aminoácidos de la familia del aspartato, de la familia del glutamato, de la familia del ácido pirúvico, etc.

Las plantas y las bacterias quimiosintéticas pueden fabricar el grupo amino a partir de compuestos inorgánicos, como el nitrato, amoníaco, etc. Pero los animales y otros organismos heterótrofos, solo podemos sintetizar nuevos aminoácidos a partir de los aminoácidos adquiridos en la dieta, por medio de transaminaciones. Las reacciones de transaminación están catalizadas por las transaminasas del hígado.

Aquellos aminoácidos que no se pueden fabricar a partir de otros se denominan aminoácidos esenciales, y en el ser humano son nueve.

a. Elabora un balance de entradas y salidas de la glucólisis.

b. Las reacciones irreversibles de la glucólisis son catalizadas por enzimas alostéricas cuya acción es inhibida por distintas sustancias: hexoquinasa y glucoquinasa son inhibidas por glucosa 6P, la fosfofructoquinasa lo es por niveles altos de ATP, que también inhiben la piruvato-quinasa. ¿Cómo se llama este tipo de inhibición alostérica? ¿Qué sentido tiene la existencia de estos tres enzimas? ¿Qué es una enzima alostérica? c. ¿Qué cantidad de ATP se obtiene degradando la glucosa a piruvato? ¿Se obtiene algún

compuesto reducido? ¿Cuál?

d. ¿Pueden degradarse otros glúcidos diferentes de la glucosa por vía glucolítica? e. Distingue entre fermentación verdadera y fermentación oxidativa.

f. ¿Cómo reoxidan el NADH los organismos fermentadores?

g. Elabora un pequeño informe acerca de la fabricación de alguno de los siguientes productos: queso, yogur, mantequilla, vino, cerveza o pan.

h. Se incuba glucosa marcada con 14C en el carbono 6 con toda la maquinaria bioquímica necesaria para la glucólisis. ¿Cuál es la distribución del 14C en el piruvato que se forma?

BIBLIOGRAFIA:

Recursos del Instituto Nacional de Tecnologías Educativas:

Proyecto Biología: http://recursostic.educacion.es/ciencias/proyectobiologia/web/

Proyecto Biosfera: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/profesor/2bachillerato/1.htm

Curso abierto de Biología (UNED): http://ocw.innova.uned.es/biologia/indice_general.htm

Lourdes Luengo: http://www.arrakis.es/~lluengo/biologia.html