El poder reductor y el control del metabolismo energético en la célula

El poder reductor y el control del metabolismo energético en la célula

El poder reductor se refiere a la capacidad de ciertas biomoléculas de actuar como donadoras de electrones o receptoras de protones en reacciones metabólicas de oxidación-reducción.

Los disacáridos son biomoléculas capaces de actuar como donadoras de electrones o receptoras de protones en reacciones metabólicas de oxidación-reducción, es decir, generan poder reductor

Durante el catabolismo, las reacciones de oxidación arrancan electrones y protones de los sustratos, que van a parar a ciertas coenzimas que se cargan o se reducen con ellos. Estas coenzimas reducidas poseen ahora poder reductor, ya que acabarán cediendo sus electrones y protones, proceso imprescindible para generar energía o para las reacciones anabólicas; es decir, los electrones y protones transportados por las coenzimas pueden cederse tanto a la cadena respiratoria, con lo que se generará energía en forma de ATP, o bien a otros sustratos que se reducirá, por anabolismo.

Al estudiar el metabolismo, es esencial comprender las reacciones de oxidación y reducción. En ellas podemos observar como una especie se oxida mientras otra se reduce. Las reacciones del catabolismo son fundamentalmente reacciones de oxidación. Sin embargo, los procesos de oxidación y de reducción son conjugados y no se dan por separado. Para que un sustrato se oxide debe haber alguna molécula que se reduzca. Estas moléculas son llamadas moléculas de poder reductor que actúan como conjugado del sustrato para formar un par redox. Suelen ser derivados de vitaminas, y los más usuales son el NADH, el NADPH, el FMNH2 y el FADH2, todos derivados de la vitamina B.

Estas moléculas van a tener gran importancia en la respiración celular, ya que sus formas reducidas aportarán los electrones para conseguir ATP, según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, así como otros procesos, como la formación de gliceraldehido-3-fosfato en el ciclo de Calvin.

Metabolismo, catabolismo, anabolismo y anfiabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones y procesos físico-químicos que ocurren en una célula.

Esquema general del metabolismo

Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a nivel molecular, y permiten todas las actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc. El metabolismo se divide en dos procesos conjugados: catabolismo y anabolismo.

Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa que liberan la energía retenida en sus enlaces químicos. Este tipo de reacciones por lo general son reacciones hidrolíticas quiere decir que utilizan agua y se rompen enlaces químicos, también, son exergónicas por lo tanto producen más energía que la que consumen.

Las reacciones anabólicas o de síntesis, en cambio, consumen la energía liberada en las reacciones catabólicas para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células como lo son las proteínas y los ácidos nucleicos.

Representación de las actividades metabólicas y su función

Los procesos anabólicos se relacionan con reacciones en las que se libera agua (deshidratación) y con reacciones endergónicas en las que se consume más energía que la que produce.

El anabolismo y el catabolismo son procesos acoplados ya que cada uno depende del otro. El metabolismo se organiza en etapas, tres para el catabolismo y tres para el anabolismo. En el catabolismo: La primera etapa los nutrientes como las proteínas, carbohidratos y lípidos son degradados a grasas monosacáridos y aminoácidos. En la segunda etapa los productos de la etapa uno se convierten en moléculas más sencillas y convergen con Acetil -CoA. La tercera etapa es la misma que la etapa 1 del anabolismo y es a la que se denomina anfibólica.

El anfibolismo es el proceso metabólico en los que, gracias a unos sistemas enzimáticos y a algunas moléculas preexistentes, se oxidan metabolitos y se almacena gran cantidad de energía que posteriormente se usarán en rutas anabólicas. En los procesos anfibólicos, que son fuertemente endergónicos, la energía necesaria no puede proceder del propio sistema, sino que tiene que provenir del medio. Por las mismas razones, los procesos catabólicos y anfibólicos, que son exergónicos, no puede tener un número infinito de pasos intermedios, tiene que existir un aceptor último de electrones que no pertenezca al sistema.

Control del metabolismo energético

El metabolismo final de las proteínas, lípidos y carbohidratos termina en el Ciclo del ácido tricarboxílico o Ciclo de Krebs el cual se lleva a cabo en las mitocondrias y, por medio de este ciclo se obtienen como productos finales agua, dióxido de carbono y energía almacenada en forma de ATP (adenosintrifosfato). El ATP es el principal transportador de energía en el organismo.

Debido a que el ambiente de los organismos cambia constantemente, las reacciones metabólicas son reguladas para mantener un conjunto de condiciones en la célula por una condición denominada homeostasis.

Ejemplo de la regulación metabólica enzimática en la glucólisis

Esta regulación permite a los organismos responder a estímulos e interaccionar con el ambiente. Para entender cómo son controladas las vías metabólicas, existen dos conceptos vinculados. En primer lugar, la regulación de una enzima en una ruta es cómo incrementa o disminuye su actividad en respuesta a señales o estímulos. En segundo lugar, el control llevado a cabo por esta enzima viene dado por los efectos que, dichos cambios de su actividad, tienen sobre la velocidad o el flujo de la ruta. Por ejemplo, una enzima muestra cambios en su actividad; pero si estos cambios tienen un efecto mínimo en el flujo de la ruta metabólica, entonces esta enzima no se relaciona con el control de la ruta.

Regulación del metabolismo

El metabolismo celular se controla mediante las necesidades de la célula ya que las células oxidan las moléculas y al mismo tiempo que requieren energía. La regulación del metabolismo se puede dar mediante las enzimas reguladoras. En las rutas catabólicas que manejan la formación NADH o ATP, estos compuestos actúan como inhibidores alostéricos,en cambio, en las rutas anabólicas es el producto final de la ruta el que funciona como inhibidor.

Otro nivel de regulación se da mediante el control de la concentración de una enzima ya que su concentración indica un equilibrio entre la velocidad de síntesis y su degradación.

Niveles de regulación del metabolismo, intrínseca y extrínseca

En la regulación intrínseca, la ruta metabólica se autorregula para responder a cambios en los niveles de sustratos o productos; por ejemplo, una disminución en la cantidad de productos puede incrementar el flujo en la ruta para compensarlo. Este tipo de regulación suele implicar una regulación alostérica de las actividades de las distintas enzimas en la ruta.

El control extrínseco implica a una célula de un organismo pluricelular, cambiando su metabolismo en respuesta a señales de otras células. Estas señales son enviadas generalmente en forma de mensajeros como las hormonas, y los factores de crecimiento, que son detectados por receptores celulares específicos en la superficie de la célula. Estas señales son transmitidas hacia el interior de la célula mediante mensajeros secundarios que generalmente involucran la fosforilación de proteínas.

Un ejemplo de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa mediante la hormona denominada insulina.

Control extrínseco en la regulación del metabolismo de la glucosa mediante la insulina

La insulina es producida como consecuencia de un aumento de la concentración de glucosa en la sangre. La unión de esta hormona a los receptores de insulina activa una cascada de proteína-quinasas que estimulan la absorción de glucosa por parte de la célula para transformarla en moléculas de almacenamiento como los ácidos grasos y el glucógeno. El metabolismo del glucógeno es controlado por la actividad de la glucógeno fosforilasa, enzima que degrada el glucógeno, y la glucógeno sintasa, enzima que lo sintetiza.

Estas enzimas son reguladas de un modo recíproco, siendo la fosforilación la que inhibe a la glucógeno sintasa, pero activando a su vez a la glucógeno fosforilasa. La insulina induce la síntesis de glucógeno al activar fosfatasas y producir una disminución en la fosforilación de estas enzimas.