Introducción al metabolismo

La célula se define como la unidad de estructura y funcionamiento de los seres vivos lo que significa, entre otras cosas, que es capaz de realizar por sí misma las funciones que caracterizan a todos los organismos y que se utilizan en la definición tradicional de vida: nutrición, relación y reproducción.

Se puede definir la función de nutrición de una célula como el conjunto de procesos mediante el cual la célula adquiere y utiliza los nutrientes que necesita para su funcionamiento habitual, y elimina las sustancias de desecho que han sido producidas durante ese funcionamiento. Eso incluye los siguientes procesos:

• Adquisición de nutrientes del medio extracelular, a través de la membrana:
• Entrada de moléculas (en la mayoría de los casos en los organismos pluricelulares)
• Por difusión a través de la membrana
• A través de transportadores específicos
• Entrada de líquidos: pinocitosis
• Entrada de partículas: endocitosis
• Metabolismo: utilización de los nutrientes por parte de la célula
• Obtención de energía
• Elaboración de las sustancias que necesita la célula
• Eliminación de desechos al medio extracelular, a través de la membrana

Los nutrientes que necesita una célula eucariota, en general, incluyen agua, iones, monosacáridos, aminoácidos y ácidos grasos. Los residuos producidos por las células como consecuencia de su actividad metabólica son, fundamentalmente, dióxido de carbono y  sustancias nitrogenadas no utilizables.

El metabolismo celular

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas y procesos físico-químicos que tienen lugar en el interior de un ser vivo. La célula contiene una gran cantidad de moléculas, en cantidades distintas, la mayor parte de las cuales se transforman en otras mediante diversas reacciones químicas que ocurren en la célula de forma coordinada. Un conjunto de reacciones quimicas encadenadas, tales que el producto de una de ellas es utilizado como sustrato de la siguiente, y que ocurren coordinadamente en la célula constituye una ruta metabólica.

Todas las rutas metabólicas celulares están reguladas, lo que significa que están sometidas a control por parte de la célula para que su velocidad se adapte a sus necesidades. Este control se ejerce sobre enzimas clave dentro del proceso, mediante los mecanismos de regulación enzimática habituales.

El metabolismo de una célula consta de un gran número de rutas metabólicas interrelacionadas entre sí, formando un esquema químico muy complejo pero que funciona de un modo totalmente coordinado.

Un esquema como el anterior, que no es más que un resumen simplificado del metabolismo celular, puede interpretarse como si fuera el "plano del metro" de una ciudad. Las rutas metabólicas serían algo así como las rutas del metro, conectadas entre sí en ciertas "estaciones", representadas por compuestos clave. A lo largo del tiempo en cada "estación" se incorpora a la ruta un cierto número de moléculas; algunas siguen toda la ruta hasta su final, pero otras pueden cambiar en alguna "estación intermedia". Esas estaciones intermedias son sustancias que juegan un papel importante en el metabolismo celular, y suelen ser conocidas como intermediarios metabólicos.



Panorámica general del metabolismo

Las rutas metabólicas pueden clasificarse en dos grandes categorías: las rutas catabólicas (en su conjunto se denominan catabolismo) se encargan, en general, de degradar moléculas orgánicas proporcionando a la célula moléculas más pequeñas, que en muchos casos pueden ser utilizadas por otras rutas, energía química y poder reductor. Las rutas anabólicas (que constituyen el anabolismo) son, por el contrario, rutas que dan lugar a moléculas de mayor tamaño, partiendo de intermediarios metabólicos y utilizando para ello energía y poder reductor producidos en otras reacciones químicas. Por último, hay algunas rutas que sirven tanto para proporcionar energía como para formar nuevas moléculas que servirán en los procesos anabólicos de la célula. En ese caso se habla de rutas anfibólicas, siendo el ciclo de Krebs la más representativa de todas ellas.

Las rutas metabólicas celulares se producen en tres niveles de complejidad molecular:

1. Interconversión entre moléculas complejas y sus monómeros. Este nivel incluye la rotura de polímeros (polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos) para convertirse en sus monómeros (catabolismo) y la polimerización de los monómeros (monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos) para formar polímeros (anabolismo).
2. Interconversión entre moléculas orgánicas sencillas (intermediarios metabólicos). Estas reacciones no son propiamente anabólicas o catabólicas, sino que la célula las utiliza indistintamente para conseguir energía (por degradación de esos intermediarios metabólicos) o para sintetizar nuevas moléculas que vaya a necesitar a partir de otras diferentes que ya tenía.
3. Paso de moléculas orgánicas sencillas a moléculas inorgánicas (catabolismo) o síntesis de moléculas orgánicas sencillas a partir de moléculas inorgánicas (anabolismo). Este último tipo de reacciones se da exclusivamente en los organismos autótrofos.

Visión general del catabolismo

La mayor parte de los organismos, tanto autótrofos como heterótrofos, comparten un mismo conjunto de rutas metabólicas catabólicas, lo que supone un apoyo indirecto a la hipótesis de que todos tienen un origen común. Asimismo, el catabolismo rinde los mismos tipos de productos en todos los organismos:

• Energía química, generalmente en forma de ATP, obtenida sobre todo en reacciones de degradación oxidativa.
• Poder reductor, es decir, algún tipo de compuesto químico que es capaz de ceder electrones (reducir) a otras sustancias orgánicas. La sustancia que más frecuentemente realiza esta función en los organismos es el NADH+H⁺, esto es, la forma reducida del nicotín adenín dinucleótido. Este tipo de compuestos, por otra parte, pueden utilizarse también para dar lugar a ATP en procesos de fosforilación oxidativa.
• Precursores metabólicos, pequeñas moléculas que intervienen en otras reacciones químicas, especialmente anabólicas.

Las reacciones de degradación oxidativa consisten en la transferencia de electrones de un compuesto a otro, en un proceso que supone una reducción de su energía interna, una parte de la cual corresponde a los electrones transferidos. Las reacciones de oxidación se producen siempre en paralelo a reacciones de reducción, ya que los electrones perdidos por el primer compuesto deben ser captados por otro. Algunas de estas reacciones son tan exotérmicas que proporcionan energía suficiente para formar un enlace entre dos grupos fosfato, transformando ADP y un fosfato inorgánico en ATP, mientras que otras ceden los electrones a alguna coenzima de oxidación reducción (como el NAD⁺) que, a su vez, pueden cederlos a otros compuestos en reacciones químicas diferentes. En los seres vivos, la transferencia de electrones se produce casi siempre por parejas, y  en general va acompañada de una transferencia de protones en la misma dirección.

En cuanto a los precursores metabólicos, en realidad la célula utiliza básicamente unas cuantas sustancias, que forman parte simultáneamente de varias rutas metabolicas, para elaborar con ellas la mayor parte de los compuestos que necesita. Los más importantes de esos compuestos son los siguientes:

Glucolisis	Ciclo de Krebs
Glucosa 6 fosfato	Acetil coenzima A
Fructosa 6 P	α-oxoglutarato (α-cetoglutarato)
Triosas fosfato	Succinil coenzima A
3 fosfoglicerato	Oxalacetato
Fosfoenolpiruvato	Ruta de las pentosas fosfato
Piruvato	Ribulosa 5 fosfato
	Eritrosa fosfato

Visión general del anabolismo

 Los seres vivos necesitan tomar de su entorno materia y energía. En cuanto a la materia, tanto el carbono como el nitrógeno son esenciales para el metabolismo de todos los organismos, y ambos elementos deben ser captados, en última instancia, de compuestos inorgánicos.

Los organismos se clasifican según el modo en el que consiguen sus componentes y su energía. En función del proceso que utilizan para conseguir el carbono, los organismos se clasifican en:

• Autótrofos: obtienen el carbono a partir de CO₂, bien sea de la atmósfera, bien disuelto en el agua.
• Heterótrofos: consiguen el carbono a partir de moléculas orgánicas procedentes de otros organismos.

Por otra parte, según el procedimiento que utilizan para obtener su energía los organismos pueden clasificarse en:

• Fototrofos: consiguen energía para sintetizar ATP a partir de la radiación electromagnética.
• Quimiotrofos: utilizan exclusivamente reacciones químicas para sintetizar ATP

	Fotótrofos	Quimiótrofos
Autótrofos	Consiguen el carbono para su metabolismo a partir del CO2 y la energía a partir de la luz Plantas, bacterias fotosintéticas y algunos protistas	Consiguen el carbono para su metabolismo a partir del CO2 y la energía a partir de reacciones químicas Bacterias quimiolitotrofas
Heterótrofos	Consiguen el carbono a partir de compuestos orgánicos y la energía a partir de la luz Algunas bacterias	Consiguen el carbono y la energía a partir de compuestos orgánicos Animales, hongos, muchas bacterias y protistas

El anabolismo incluye el conjunto de todas las reacciones biosintéticas que ocurren en la célula. Se pueden distinguir tres tipos de reacciones:

1. Formación de los monómeros que la célula utiliza en otros compuestos.
2. Formación de los polímeros a partir de los monómeros.
3. Formación de estructuras celulares (ensamblaje de los componentes).

En general, estas reacciones requieren un aporte de energía química, que suele proceder del ATP, y de poder reductor, que las células obtienen de alguna coenzima de oxidación reducción, frecuentemente el NADH+H⁺. Los distintos tipos de organismos obtienen los electrones, en último término, de diferentes compuestos: los autótrofos obtienen electrones del agua o de otros compuestos inorgánicos reducidos mientras que los heterótrofos los consiguen de sustancias orgánicas reducidas.

	Autótrofos		Heterótrofos
Síntesis de monómeros a partir de moléculas inorgánicas	Fotosíntesis	Quimiosíntesis
Síntesis de polímeros a partir de monómeros	Rutas metabólicas comunes a todos los organismos
Ensamblaje de componentes celulares

Producción de ATP

En todos los procesos metabólicos se intercambia energía química. Algunas reacciones químicas son espontáneas, y liberan energía que se aprovecha en otras o se pierde, mientras que otras reacciones metabólicas necesitan un aporte externo de energía. La célula necesita realizar tanto reacciones espontáneas como no espontáneas, por lo que es preciso que cuente con un sistema que pueda proporcionarle energía para éstas últimas. Esto es posible gracias al acoplamiento químico entre reacciones distintas.

Se dice que dos procesos químicos están acoplados cuando un producto de uno de ellos es utilizado como sustrato por el otro. El aprovechamiento de la energía liberada en una reacción para llevar a cabo otra reacción no espontánea no es más que un caso particular de acoplamiento químico, en el que el producto aprovechado es la energía liberada en la primera reacción.

Las células de todos los organismos utilizan un intermediario químico para acoplar energéticamente diferentes reacciones. Se trata del ATP (Adenosina Trifosfato), un nucleótido formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfato encadenados. Los enlaces entre grupos fosfato requieren mucha energía para formarse, pero también liberan una gran cantidad de energía al romperse. Los seres vivos han desarrollado la capacidad de acoplar estas reacciones tanto a reacciones exotérmicas (que permiten fosforilar el ADP, es decir, crear un ATP a partir de la adenosina difosfato y un grupo fosfato inorgánico) como a reacciones endotérmicas hidrolizando el ATP en ADP y fosfato.

Esta versatilidad del ATP, la posibilidad de utilizarlo como "portador" de energía en multitud de procesos diferentes hacen que se le considere la moneda universal de energía de todas las células.

Dada la importancia del ATP en el funcionamiento de la célula, resulta también fundamental que la célula disponga de mecanismos para llevar a cabo la fosforilación, es decir, la formación del enlace entre el ADP y el fosfato inorgánico. Todas las células disponen de dos mecanismos distintos para poder llevar adelante este proceso clave de su funcionamiento: la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación quimiosmótica.

La fosforilación a nivel de sustrato consiste en el acoplamiento químico entre dos reacciones, siendo una de ellas precisamente la síntesis de ATP. Normalmente ocurre porque ambas reacciones están catalizadas por la misma enzima, o por el mismo complejo enzimático, por lo que la energía liberada por la primera es utilizada directamente en la segunda reacción.

La fosforilación quimiosmótica es bastante más compleja. En este caso, el acoplamiento se produce entre dos procesos de diferente naturaleza: la síntesis de ATP, catalizada por una enzima llamada ATP sintasa (o simplemente ATPasa), y por otra el paso de una especie química a favor de gradiente de concentración a través de una membrana. La especie química en cuestión son los protones que, debido a que poseen carga eléctrica, no pueden atravesar las membranas biológicas por difusión, sino que deben hacerlo a través de un transportador de membrana. El acoplamiento quimiosmótico entre la síntesis de ATP y el transporte de protones se produce porque la ATP sintasa es, a la vez, el transportador que permite el paso de los protones.

Sin embargo, para que se produzca el paso de los protones a través de una membrana es necesario que exista un gradiente de concentración, es decir, que la concentración de protones a ambos lados de la membrana sea diferente. Y eso necesita un sistema que acumule los protones a un lado de la membrana lo que, a su vez, necesita energía.

La generación del gradiente de protones ocurre en las células utilizando la energía procedente de reacciones de oxidación reducción espontáneas. Como se ha comentado, la mayor parte de las redox biológicas suponen tanto transferencia de electrones como de protones. La generación del gradiente de protones necesario para sintetizar ATP se produce gracias a la actividad de un conjunto de proteínas, que reciben el nombre de cadenas transportadoras de electrones, que utilizan la energía de ciertas reacciones redox espontáneas para bombear protones a uno de los lados de una membrana biológica. Así pues, los elementos necesarios para sintetizar ATP mediante un proceso quimiosmótico son los siguientes:

1. Una membrana biológica que separe por completo dos compartimentos celulares, entre los cuales generar el gradiente quimiosmótico de protones.
2. Una sustancia de elevado poder reductor, capaz de ceder protones y electrones en un proceso espontáneo.
3. Un conjunto de proteínas insertadas en la membrana biológica, que transporten los electrones hasta una sustancia final de mucho menor poder reductor (cadena de transporte electrónico) bombeando al mismo tiempo protones a uno de los lados de la membrana.
4. La ATP sintasa (o ATPasa), también integrada en la membrana, que permita el paso de los protones a favor de gradiente de concentración entre los dos compartimentos, acoplando ese flujo a la síntesis de ATP.

La fosforilación  quimiosmótica se produce en dos procesos de importancia fundamental para la vida:

• La fosforilación oxidativa, común a todos los organismos aerobios.
• La membrana en la que ocurre el proceso es la membrana mitocondrial interna, que separa el espacio intermembranoso (donde se acumulan los protones) y la matriz mitocondrial. En los procariotas el proceso ocurre en la membrana plasmática.
• Las sustancias reducidas que proporcionan los protones y los electrones son coenzimas de oxidación-reducción (NADH+H⁺, FADH₂), que se han producido en reacciones de degradación oxidativa de compuestos orgánicos.
• La cadena transportadora de electrones incluye varios complejos multienzimáticos y algunos transportadores solubles en la membrana, y acaba cediendo los electrones y algunos protones al oxígeno para formar agua.
• La fotofosforilación es característica de los organismos fotosintetizadores.
• El proceso ocurre en la membrana interna del cloroplasto, que separa el espacio intermembranoso e intratilacoidal (donde se acumulan los protones) del estroma del cloroplasto. En los procariotas, es la membrana plasmática.
• Las sustancias reducidas que proporcionan los protones y electrones son los pigmentos fotosintéticos (como la clorofila), aunque en los organismos que realizan la fotosíntesis oxigénica proceden, en último extemo, del agua.
• Las cadenas de transporte electrónico incluyen los fotosistemas que captan la luz y diferentes transportadores, tanto fijos como solubles en membrana. Finalmente ceden sus electrones y algunos protones a coenzimas de oxidación reducción (como el NADPH+H⁺).