Los organismos vivos poseen una flexibilidad metabólica considerable y pueden ajustarse al tipo y cantidad de los diversos elementos nutritivos asequibles en el entorno.
- Catabolismo y anabolismo
El metabolismo se divide en dos fases principales: catabolismo y anabolismo. El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la cual moléculas nutritivas complejas y relativamente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas) que provienen o bien del entorno o bien de sus propios depósitos de reserva, se degradan para producir moléculas más sencillas tales como el ácido láctico, ácido acético, CO2, amoniaco o urea. El catabolismo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas nutritivas y a su conservación en forma de la molécula de ATP, transferidora de energía.
El anabolismo constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo, en la cual tiene lugar la biosíntesis enzimática de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucléicos, las proteínas, los polisacáridos y los lípidos a partir de sus precursores sencillos. La biosíntesis de las moléculas orgánicas a partir de éstos, precisa el consumo de energía química aportada por el ATP generado durante el catabolismo. El catabolismo y el anabolismo se desarrollan simultáneamente y de modo concurrente en las células, pero son regulados independientemente.
El metabolismo procede de modo escalonado a través de muchos intermediarios en los que se le llama metabolismo intermediario, los productos intermedios del metabolismo son llamados metabolitos. En etapas específicas de las rutas catabólicas, se conserva la energía química de los metabolitos en forma de ATP, mientras que en otras etapas de las rutas de biosíntesis, se emplea la energía del ATP. Cada ruta catabólica y anabólica está constituida por una secuencia de reacciones consecutivas catalizadas enzimáticamente, en las que a veces se producen hasta 20 etapas. Las etapas secuenciales múltiples son más versátiles y flexibles que una sola etapa, que es virtualmente irreversible para poder proporcionar interconexiones en el entramado metabólico. Para la existencia de múltiples etapas se necesita una cantidad fija y específica de energía libre para formar una molécula de ATP a partir de ADP y del fosfato durante el catabolismo. Las rutas metabólicas poseen muchas etapas, de modo que las que proporcionan y las que consumen energía química se adaptan a las dimensiones de los valores de intercambio energético habituales de la célula; es decir, a la cantidad de energía libre inherente al grupo fosfato terminal de una molécula de ATP.
- Sistemas multienzimáticos.
Las enzimas son las unidades catalíticas del metabolismo intermediario. Actúan de modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas conectadas por intermediarios comunes, de modo que el producto del primer enzima es el sustrato del siguiente, y así sucesivamente. Los sistemas enzimáticos pueden comprender desde 2 hasta 20 ó más enzimas actuando en una secuencia. La mayor parte de las reacciones consecutivas del metabolismo intermediario, implican transferencias enzimáticas de átomos de hidrógeno, de moléculas de agua o de unidades funcionales específicas como grupos amino, acetilo, fosfato, metilo, formilo, carboxilo o adenilo. Los sistemas multienzimáticos poseen tres niveles de complejidad: en los sencillos, las enzimas individuales están disueltas en el citoplasma como moléculas independientes, no asociadas unas con otras en ningún momento durante su actuación. Los intermediarios en un sistema enzimático de esta naturaleza, que son, moléculas mucho menores que las enzimas y poseen velocidades de difusión elevadas, se difunden rápidamente de una molécula enzimática a la siguiente de la secuencia.
Otros poseen un grado de organización elevado, de modo que las enzimas están físicamente asociadas y funcionan conjuntamente como complejos multienzimáticos. Los sistemas multienzimáticos más complicados y con mayor grado de organización, son los que se hayan asociados a grandes estructuras supramoleculares como por ejemplo las membranas de los ribosomas. Cuando más complicado es el sistema enzimático, más probable es que se halle asociado a algún orgánulo u otra estructura intracelular. La primera reacción de una secuencia multienzimática es la que determina la velocidad para todo el sistema: esta reacción es la que generalmente está catalizada por un enzima regulador.
- Rutas catabólicas, anabólicas y anfibólicas.
La degradación enzimática de polisacáridos, lípidos y proteínas, tiene lugar por medio de cierto número de reacciones enzimáticas consecutivas organizadas en tres fases principales. En la fase I del catabolismo, los polisacáridos se degradan rindiendo hexosas o pentosas, los lípidos producen ácidos grasos, glicerina y otros componentes, y las proteínas se desintegran en sus componentes aminoácidos. En la fase II del catabolismo, las hexosas, pentosas y glicerina se degradan pasando por el ácido pirúvico, intermediario de tres carbonos, para rendir una especie más sencilla, de dos carbonos, el grupo acetilo del acetil-CoA. Ácidos grasos y aminoácidos se escinden para formar acetil-CoA y unos pocos productos finales diferentes. Los grupos acetilo del acetil-CoA, así como otros productos de la fase II, se canalizan hacia la fase III en la que en último término resultan oxidados a dióxido de carbono y agua.
La biosíntesis tiene lugar también en tres etapas: en la fase III se generan pequeñas moléculas precursoras, en la fase II moléculas similares y en la fase I se construyen macromoléculas. Las rutas catabólicas y anabólicas entre un precursor determinado y un producto dado, no son meramente inversas unas de otras. Aunque la existencia de dos conjuntos de rutas metabólicas una para el catabolismo y otra para el anabolismo, pueda parecer un despilfarro, ésta ordenación posee ventajas importantes. La ruta catabólica es energéticamente imposible para el anabolismo. La degradación de una molécula orgánica compleja es un proceso "cuesta abajo", mientras que su síntesis es un proceso "cuesta arriba". Las rutas catabólicas determinan la formación de ATP a partir de ADP y de fosfato a expensas de la energía libre liberada durante la degradación de diversas moléculas combustibles, especialmente en el proceso de fosforilación oxidativa. Las rutas biosintéticas o anabólicas, que son "cuesta arriba" precisan el consumo de ATP y van acompañadas por su escisión a ADP y fosfato.
Otra ventaja de la existencia de rutas catabólicas y anabólicas independientes, consiste en que su regulación es también independiente. Las rutas catabólicas y anabólicas a menudo tienen lugar en localizaciones diferentes de las células eucarióticas. La oxidación de los ácidos grasos hasta la fase de acetil-CoA se produce por la acción de un conjunto de enzimas localizados en las mitocondrias, mientras que la biosíntesis de los ácidos grasos a partir de acetil-CoA, tiene lugar por un conjunto diferente de enzimas que está localizado en el citoplasma extra mitocondrial.
Aunque las rutas del catabolismo y el anabolismo no son idénticas, la fase III constituye un punto central. Esta ruta central común, designada como ruta anfibólica, posee una doble función, ya que puede utilizarse para producir catabólicamente la degradación completa de pequeñas moléculas que se derivan de la fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar moléculas pequeñas utilizables como precursores en las reacciones biosintéticas.
- Ciclo energético en las células
Las moléculas orgánicas complejas, como la glucosa, contienen mucha energía potencial debido a su elevado grado de organización estructural; poseen, relativamente, poca libertad o entropía. Cuando la molécula de glucosa se oxida por el oxígeno molecular para formar seis moléculas de CO2 y seis de agua, sus átomos de carbono experimentan un incremento en su grado de libertad; se separan unos de otros en forma de CO2, y pueden adoptar así muchas posiciones diferentes unos con relación a los otros. Como resultado la molécula de glucosa experimenta una pérdida de energía libre; es decir, energía capaz de realizar un trabajo bajo condiciones de temperatura y presión constantes.
Las oxidaciones biológicas son esencialmente combustiones sin llama, o a baja temperatura. El calor no puede ser utilizado como fuente de energía por los organismos vivos, ya que estos son esencialmente isotermos; el calor solo puede realizar trabajo a presión constante cuando fluye desde un cuerpo a otro que se halle a temperatura inferior. La energía libre de los combustibles celulares, se conserva en forma de la energía química inherente a la estructura de enlaces covalentes de los grupos fosfato terminales en la molécula de triofosfato de adenosina. El ATP se produce a partir del ADP y de fosfato inorgánico durante el catabolismo. El ATP así formado puede difundirse entonces hacia aquellos lugares de la célula en los que se necesita energía; constituye una forma de energía libre.
Los electrones proporcionan la transferencia de energía química procedente de las reacciones que liberan energía del catabolismo, a las reacciones biosintéticas que precisan de tal energía. En la biosíntesis de ácidos grasos y el colesterol, se necesitan electrones o átomos de hidrógeno para la reducción de los dobles enlaces a enlaces sencillos. Los electrones son transportados enzimáticamente desde las oxidaciones liberadoras de electrones del catabolismo hasta los grupos que requieren electrones, mediante coenzimas transportadoras de electrones. El más importante es el NADP, esta coenzima actúa como transportador de electrones ricos en energía desde las reacciones catabólicas hasta las reacciones anabólicas que precisan de electrones. Igual que el ATP es un transportador de grupos fosfato y de energía desde las reacciones del catabolismo a las del anabolismo.
- Variación de energía libre estándar y reversibilidad biológica de las reacciones enzimáticas
Cuando el valor del ΔG°' de una reacción es negativo y relativamente grande, la reacción tiende a producirse hacia la derecha como está escrita y si se parte de concentraciones 1 M de todos los reactivos y de todos los productos, y que la composición exacta del equilibrio podrá predecirse a partir del valor del ΔG°'. Los valores de ΔG°' para las reacciones químicas suponen que las concentraciones de todos los reaccionantes y productos son 1M. El análisis termodinámico de las reacciones individuales del metabolismo precisa el conocimiento de las concentraciones reales de los metabolitos importantes en la célula, así como de sus velocidades de formación y de empleo.
- Almacenadores de grupo fosfato de energía elevada
El ATP no actúa como depositario de la energía química, sino que lo hace como transmisor o transportador de esa energía. La cantidad de ATP existente en la célula sólo es suficiente para un corto periodo. Sin embargo, algunas células poseen fosfatos que actúan como almacenadores de energía, por ejemplo la fosfocreatina. Algunos microorganismos almacenan grupos fosfato de energía elevada en forma de gránulos insolubles que contienen polimetafosfato, un polímero lineal de tamaño indeterminado. Estos gránulos se tiñen de un modo característico con colorantes básicos; reciben el nombre de gránulos de volutina. Los grupos fosfato pueden liberarse del polimetafosfato por enzimas específicos.
- Canalización de los grupos fosfato a través de otros nucleósidos 5'-trifosfatos
El sistema del ATP-ADP es el transportador obligatorio de grupos fosfatos en el flujo principal de transferencia de la energía celular, intervienen también, los 5'-difosfatos y 5'-trifosfatos de otros ribonucleósidos y 2-desoxirribonucleósidos. Los 5'-di y triofosfatos desempeñan el papel de precursores energéticamente activos en la síntesis del RNA, canalizan también grupos fosfato de contenido energético elevado hacia otras reacciones biosintéticas específicas. Todos estos canales se conectan con el ATP a través de la acción de la enzima nucleósido-difosfato-quinasa, que se encuentra en las mitocondrias y en el plasma soluble de las células. Esta enzima es relativamente específica y no sólo transfiere fosfatos entre el ATP y cualquier NDP, sino entre cualquier NTP y cualquier NDP. La constante de equilibrio para todas estas transferencias del grupo fosfato es aproximadamente de 1.0 a pH 7.0.
- Papel del AMP y del pirofosfato
En muchas reacciones celulares que utilizan el ATP, se separan enzimáticamente de una sola vez en forma de pirofosfato (PPi), siendo el AMP el otro producto. Esta reacción se verifica a través de escisión pirofosfatolítica del ATP, en contraposición con la escisión ortofosfatolítica habitual en la que el ATP pierde un simple grupo ortofosfato. La disminución de energía libre cuando el ATP experimenta la escisión pirofosfatolítica es sustancialmente mayor que el que se produce en la ortofosfatolítica. La escisión pirofosfatolítica del ATP produce un "impulso" termodinámico adicional en algunas reacciones enzimáticas. Dos importantes enzimas auxiliares permiten que el AMP y el pirofosfato vuelvan a la corriente principal de transferencia de grupos fosfato a través del ciclo ATP-ADP; son éstos, la pirofosfatasa inorgánica y la adenilato-quinasa. El primero cataliza la hidrólisis del pirofosfato inorgánico (PPi) para formar dos moléculas de ortofosfato inorgánico (Pi). La adenilato-quinasa, que a veces recibe el nombre de mioquinasa, cataliza la refosforilación del AMP a ADP.
- Dinámica del recambio del grupo fosfato en la célula
En las células intactas en el estado estacionario, las concentraciones de ATP, ADP Y AMP, son relativamente constantes. El ATP se halla presente a concentraciones mucho mayores que el ADP y AMP, indicando que el sistema está casi "lleno" de grupos fosfato. Si la célula se ve sometida a un agobio de trabajo repentino, de modo que durante cierto tiempo se vea forzada a emplear ATP a velocidad mucho mayor que la habitual, al principio disminuirá la concentración de ATP en la célula mientras que la de ADP aumentará. Este cambio constituye una señal que provoca la aceleración de las reacciones de producción de ATP, la glucólisis y la respiración que se producirán entonces a velocidades superiores para mantener el equilibrio con la velocidad de desfosforilación del ATP. Con la desaparición repentina del agobio de trabajo en la célula, la concentración de ATP debe disminuir su ritmo de producción.
Estas consideraciones implican que el grupo fosfato terminal del ATP, debe experimentar un recambio muy rápido en la célula; es decir, que debe separarse muy rápidamente y sustituirse muy rápidamente también.
- Energética de los sistemas abiertos
Los sistemas cerrados, son aquellos que no intercambian materia con su entorno. Su análisis solamente se precisa en considerar los estados inicial y final de un sistema determinado, o conjunto de materia, después de alcanzar el equilibrio. Las células vivas son sistemas abiertos; realmente intercambian materia con su entorno. Una célula determinada, en un momento dado, se encuentra en un estado estacionario, en el que la velocidad de entrada de materia es igual a la velocidad de salida de la misma. En este estado estacionario, la concentración de todos los componentes de la célula entre ellos la del ATP, permanece constante; en estas condiciones, la velocidad de formación de cada uno de los componentes es exactamente igual a su velocidad de utilización.
La teoría termodinámica, llamada termodinámica irreversible o de sistemas no equilibrados ha sido formulada para efectuar el análisis de sistemas abiertos. Un sistema abierto en el estado estacionario es capaz de efectuar un trabajo, precisamente porque está alejado de su condición de equilibrio; los sistemas que ya han alcanzado el equilibrio no pueden realizar trabajo. Además solamente un proceso lejano al equilibrio puede ser regulado. El estado estacionario, que es una característica de todas las máquinas que se mueven suavemente, puede considerarse como el estado ordenado
de un sistema abierto, el estado en que la velocidad de producción de entropía se halla en el mínimo, y en el cual dicho sistema está operando con la máxima eficiencia en las condiciones reinantes.
REFERENCIAS
A. Katchalsky. "Non-Equilibrium Thermodynamics"
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