UNIDAD 2 Las Biomoléculas y su Importancia en los
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2 2.Las Biomoléculas y su Importancia en los Procesos Metabólicos de la Célula En esta unidad el estudiante describirá las biomoléculas y reconocerá su importancia en los procesos metabólicos de la célula, al mismo tiempo revisará los aspectos fundamentales, energéticos y de regulación de las enzimas en las reacciones metabólicas y el papel del ATP como molécula energética. También estudiará el metabolismo de las proteínas, comprenderá las diferencias entre las vías de respiración aerobia y anaerobia y su significado biológico, y los organelos celulares implicados en el proceso. 26 Propósitos de formación A partir del estudio de esta unidad usted podrá identificar las biomoléculas y su importancia en los procesos metabólicos de la célula. Criterios de evaluación Para un adecuado desempeño en esta unidad se espera que usted: • Identifique la estructura y función de las biomoléculas orgánicas de las células y su asociación con los procesos metabólicos. • Adquiera los conocimientos acerca del metabolismo y homeostasis celular como base para entender diversos procesos de los seres vivos uni y pluricelulares. Módulo Fundamentación en Biociencias Contenidos Sesión 6. La estructura y función de las biomoléculas orgánicas de las células y su asociación con los procesos metabólicos Apreciado estudiante en esta sección se identificará la composición química de la célula, las propiedades de las moléculas que la conforman y su importancia en el metabolismo celular. De los elementos que la conforman sobresale el agua ya que representa el 75% de la masa celular total, siendo la molécula más abundante. Su interacción con los compuestos inorgánicos como el sodio (Na+), Potasio (K+), Bicarbonato (HCO-3), entre otros, y las moléculas orgánicas están compuestas básicamente por cuatro elementos de la tabla periódica (C, H, O y N), los cuales combinados entre sí dan origen a un gran número de compuestos como son los carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. El agua Grafica 13. Estados del agua (liquido, sólido y gaseoso) Tomado del banco de imágenes de España http://recursostic.educacion.es/bancoimagenes/web/ 27 Grafica 14. Composición porcentual del cuerpo humano. Tomado de Química general, orgánica y biológica de Drew H Wolfe. 1996. pg. 411. Módulo Fundamentación en Biociencias Alguna vez se ha preguntado cuanto tiempo podría sobrevivir sin agua. La respuesta está en la regla del “tres”. Es decir tres minutos sin aire, tres días sin agua y treinta días sin alimento. El agua es el compuesto más abundante y más ampliamente distribuido en la naturaleza (grafica 13); y en el cuerpo humano es el elemento más abundante ocupando el 75%, seguido por las proteínas 15%, lípidos 8%, carbohidratos y ácidos nucleicos el 2% (grafica 14). Sus interacciones con el resto de componentes celulares son de gran importancia en la bioquímica celular. La mayor parte de las reacciones intracelulares se llevan a cabo en ambiente acuoso y todos los organismos han evolucionado alrededor de las propiedades del agua, tales como su carácter polar dada la diferencia electronegatividades entre el oxígeno e hidrógeno, su capacidad para formar enlaces de hidrógeno y su alta tensión, Los carbohidratos Grafica 15. El arroz fuente rica de carbohidratos Tomado del banco de imágenes de España http://recursostic.educacion.es/bancoimagenes/web/ Módulo Fundamentación en Biociencias 28 Se dice popularmente que la dieta diaria del colombiano promedio es el “ACPM”, traducido es Arroz (grafica 15), Carne, Papa y Maduro, en este dicho popular encontramos tres productos ricos en carbohidratos (CHO) o glúcidos (el arroz, la papa y el maduro), los CHO son compuestos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno; y en algunos casos pueden tener, además, otros elementos químicos como nitrógeno o azufre y hacer parte de diferentes estructuras celulares. Su unidad fundamental es el monosacárido y se combinan químicamente para formar diferentes compuestos nutritivos como los azúcares, almidones y la celulosa, químicamente son polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas (grafica 16), y tienen la fórmula general (CH2O)n. Grafica 16. Estructura química lineal de un polihidroxialdehído (a) y de una polihidroxicetona (b) Fuente: Autor del módulo. El gliceraldehído y la dihidroxicetona son los carbohidratos más sencillos. Están conformados por tres átomos de carbono y dos grupos hidroxilos. Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, como la D-glucosa que es el CHO natural más importante. También están la D-galactosa y la D-fructosa o azúcar de las frutas. La unión de los monosacáridos forma los disacáridos como maltosa, celobiosa, isomaltosa, lactosa y sacarosa. Los CHO en cadenas largas generan los polisacáridos más abundantes en la naturaleza, el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina. La celulosa y el almidón son los de mayor importancia en las plantas. El glicógeno es el polisacárido de reversa en los animales que se deposita en el hígado. Los carbohidratos cumplen diferentes funciones de tipo energético, estructural, informático y de desintoxicación en la célula. De tipo energético porque son los combustibles de uso inmediato, como es el caso del glicógeno, el cual en ayunos cortos mantiene normales los niveles de glucosa en la sangre (70–100 mg/dl) para que el cerebro y otros órganos importantes trabajen normalmente. De tipo estructural, la quitina forma el exoesqueleto de los insectos, las paredes celulares de las plantas y hongos. Es rica en carbohidratos que se mantienen unidos por enlaces glucósidos especiales que le dan rigidez característica. Los de tipo informático en las células se unen a compuestos como lípidos y proteínas localizados en la superficie externa de la membrana celular, formando glicolípidos y glicoproteínas, que sirven como señales de reconocimiento para bacterias, hormonas, anticuerpos. Gracias a ellos los seres humanos se clasifican por grupos sanguíneos. 29 Módulo Los carbohidratos se pueden cuantificar por métodos químicos cualitativos y cuantitativos. La prueba clásica de Fehling, que es un ejemplo de este fenómeno, se basa en el carácter reductor de los monosacáridos. Si el glúcido que se investiga es reductor, se oxidará dando lugar a la reducción del sulfato de cobre (II), de color azul, a óxido de cobre (I), de color rojo-anaranjado. Actualmente esta prueba se realiza con las pastillas de Clinitest de Bayer™ para determinar azúcares reductores en orina, prueba realizada a pacientes diabéticos. Recordemos que el umbral renal de la filtración de glucosa es de 160-180 mg/dl. Para determinar los niveles de glucosa en la sangre se realiza la prueba bioquímica de la glucosa oxidasa, enzima que cataliza la oxidación de la glucosa a un compuesto coloreado. La intensidad del color es proporcional a los niveles de glucosa. Esta técnica es la que se emplea en todos los laboratorios clínicos en el país. Fundamentación en Biociencias También participan en la desintoxicación del organismo eliminando compuestos que se producen en el metabolismo celular, como la bilirrubina y algunas hormonas; y son claves en el metabolismo de algunos compuestos xenobióticos como los fármacos y aditivos alimentarios. Lípidos Grafica 17. El huevo Tomado del banco de imágenes de España http://recursostic.educacion.es/bancoimagenes/web/ Módulo Fundamentación en Biociencias 30 Siempre ha existido el mito erróneo entre el consumo de huevo (grafica 17) y el aumento en los niveles de colesterol sérico, lo cual es falso, pues estudios científicos demuestran lo contrario, según se plantea en la página web de la Federación Nacional de Avicultores de Colombia (Fenavi), en el artículo titulado “Consumo de huevo y su relación con el colesterol sérico, por Claudia R. Rueda Badillo” Lo realmente cierto es que el huevo es uno de los alimentos que más se consumen en el mundo y es rico principalmente en proteínas (13%), lípidos (12%) (ácidos grasos saturados, monoinsaturados, poliinsaturados y colesterol), y minerales como calcio, magnesio, hierro, y sodio. Este es un ejemplo de la importancia de los lípidos en la dieta alimentaria del hombre. Los lípidos son compuestos bioquímicos solubles en solventes no polares, como el benceno y el éter. En el cuadro 1 se observa una clasificación general de los lípidos. Cuadro 1. Clasificación general de los lípidos Fuente: Adaptado de Wolfe, Drew H. Química general, orgánica y biológica. Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición. México. 1996. Página 440. Los lípidos desempeñan tres funciones básicas en las células. Primera: son una importante fuente de energía que se almacena como reserva en diferentes tejidos. Segunda, son el componente principal de las membranas celulares y, tercera, participan en muchos procesos de señalización celular, ya sea en forma de hormonas esteroideas (los estrógenos y la testosterona) o como mensajeros moleculares que trasladan señales desde los receptores de la superficie celular al interior de la célula y existe un grupo especial de lípidos que se clasifican como vitaminas. Aminoácidos y Proteínas 31 Grafica 18. La carne de res es rica en proteínas Tomado del banco de imágenes de España. http://recursostic.educacion.es/bancoimagenes/web/ Módulo Desde el punto de vista químico, los aminoácidos son compuestos orgánicos que contienen grupos aminos y carboxilo, por lo tanto, poseen propiedades ácidas y básicas. En la naturaleza sólo se encuentran 20 t-aminoácidos como componentes de muchas proteínas. Esto significa que el grupo amino está presente en el átomo de carbono alfa (α). Fundamentación en Biociencias Las proteínas son los compuestos más abundantes en los seres vivos, participan y se encuentran en casi todos los procesos biológicos. Son las responsables del soporte estructural y del movimiento del cuerpo humano, haciendo parte del hueso, la piel, la carne o haciendo parte del cabello u otros tejidos (grafica 18). Otras son enzimas importantes en muchos procesos metabólicos, entre otras funciones. Su unidad básica son los aminoácidos (grafica 19). Grafica 19. Estructura básica de un aminoácido. Fuente: Autor del modulo Los aminoácidos existen como iones doblemente cargados, es decir, como zwitteriones A su vez, la fuerte carga positiva en el grupo amino (NH3+) induce una tendencia a que el grupo carboxilo (COOH) pierda su protón, razón por la cual los aminoácidos son ácidos fuertes. Esta propiedad permite que sean excelentes amortiguadores (grafica 20), debido a la capacidad de disociación del grupo carboxilo (pKaC) y del grupo amino (pKaN) y de otros grupos ionizables de sus cadenas laterales. Estos grupos afectan las propiedades físicas del aminoácido libre en una solución o haciendo parte de una proteína. A su vez, estos grupos ionizables van a ceder o a ganar protones dependiendo del pH del medio. H + H3N C R H+ COOH pKaC H + H3N C R H H+ COO pKaN H2N C COO R Grafica 20. Comportamiento de los aminoácidos como amortiguadores Fuente: Autor del modulo 32 De igual forma se van a comportar las proteínas, pero influenciadas por los grupos ionizables de sus cadenas laterales, es decir, la carga total de una molécula de proteína depende del pH de la solución y del número relativo de cada clase de aminoácidos de la misma. Módulo Fundamentación en Biociencias Las proteínas se ven influenciadas por cambios en el pH del medio. A cierto valor de pH, la carga neta de una proteína es cero (las cargas positivas y las cargas negativas se encuentran en la misma proporción), se neutraliza y se vuelve insoluble, precipitándose en el medio. Por otro lado, si a esta molécula neutra le aplicáramos un campo eléctrico no emigraría y el pH donde ocurre esta situación es su punto isoeléctrico (PIE). En valores de pH alcalino por encima de su PIE, la proteína estará cargada negativamente y en el caso contrario, cuando la proteína está en un pH ácido, por debajo de su PIE, estará cargada positivamente. En las dos situaciones anteriores la proteína se encuentra soluble en el medio. Estructura de las proteínas La actividad biológica y las propiedades de una proteína están determinadas por su estructura, que tiene una forma tridimensional determinada y se divide en cuatro niveles de organización: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria hace referencia a la secuencia de aminoácidos de la proteína (grafica 21). Este orden es único para cada proteína y determina sus propiedades químicas y físicas. Esto se logra gracias al enorme número de posibilidades de ordenar los 20 aminoácidos diferentes en las cadenas polipeptídicas. La estructura secundaria de las proteínas es el resultado de las interacciones de los enlaces amídicos cercanos entre sí y los puentes de hidrógeno con los átomos de la cadena proteica que, a su vez, generan su plegamiento. Estos enlaces dan lugar a dos estructuras secundarias: las alfa hélices (enrolladas en forma de espiral) y la lámina beta plegada (se observan dobleces de las cadenas laterales que van en zig-zag) (grafica 21). La estructura terciaria. En este nivel de organización la proteína tiene una forma y tamaño únicos. Esto se debe al plegamiento de la cadena polipeptídica como resultado de las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos que se encuentran haciendo parte de la estructura primaria. La interacciones que generan estos plegamientos corresponden a las fuerzas intramoleculares que son fuerzas de atracción, como son las fuerzas de dispersión o interacciones hidrofóbicas, los enlaces iónicos, los enlaces de hidrógeno y los puentes disulfuro (grafica 21). La estructura cuaternaria de las proteínas se presenta cuando se integran diferentes subunidades que se empaquetan en una sola proteína, como es el caso de la hemoglobina que está formada por dos subunidades o cadenas beta y dos subunidades cadenas alfa (grafica 21). Grafica 21. Estructura de las proteínas. Fuente modificada de: http://my.opera.com/tutoriabiologiaUBAXXI/blog/blog-2 33 Clasificación de las proteínas Las proteínas se pueden clasificar en proteínas simples fibrosas que son insolubles en agua, como el colágeno, y las simples globulares que se dispersan en agua como las inmunoglobulinas. La actividad enzimática se determina cuantificando el incremento de la velocidad de reacción en condiciones definidas: se mide la diferencia del recambio entre la reacción catalizada y la reacción no catalizada en un tiempo determinado. Actualmente para expresar la actividad enzimática se emplean dos medidas, la primera es el Katal (kat, mol-1 * s-1) y la segunda es la Unidad Internacional (umol de recambio * min-1). Clasificación de las Enzimas Actualmente se conocen unas 2.000 enzimas y se han clasificado teniendo encuentra su especificidad de acción por el sustrato. Las seis principales clase de enzimas son: Las oxidorreductasas catalizan la transferencia de los equivalentes reductores entre dos de oxidorredución, por ejemplo: la glucosa oxidasa que cataliza la oxidación de la glucosa a ácido glucónico. Módulo Enzimas Las enzimas son biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas en los seres vivos y participan directamente en el metabolismo celular en muchas vías, ya sea en el anabolismo o el catabolismo, las cuales son reversibles. La mayoría de estas reacciones bioquímicas están en equilibrio. Fundamentación en Biociencias Otro grupo importante lo conforman las proteínas conjugadas, aquellas que tienen un grupo no proteínico o grupo prostético unido a las cadenas polipeptídicas, como las hemoproteínas, lipoproteínas, glicoproteínas y las nucleoproteínas. Las trasferasas catalizan la transferencia de grupos de una molécula a otra y por lo general requieren de enzimas, por ejemplo: las transaminasas son enzimas que transfieren grupos aminos importantes en el metabolismo hepático. Las hidrolasas catalizan las reacciones de hidrólisis transfiriendo grupos donde el aceptor siempre es una molécula de agua, por ejemplo: las lipasas que hidrolizan los triacilglicéridos a glicerol. Las liasas catalizan las reacciones de adición o eliminación de los dobles enlaces también se denominan sintasas. Un ejemplo las descarboxilasas que catalizan la adicción y eliminación de grupos carboxílicos –COOH. Las isomerasas desplazan grupos dentro de una molécula sin cambiar la fórmula general de sustrato. El ejemplo más clásico es la conversión de la glucosa 6-fosfato a fructuosa 6-fosfato, acción catalizada por la glucosa 6-fosfato isomerasa. 34 Las ligasas o sintetasas catalizan la unión de dos moléculas dependientes de la energía y por eso siempre están acopladas con la hidrólisis de la adenosina trifosfato (ATP). Factores que influyen en la actividad enzimática Como se expresó anteriormente, la actividad enzimática es una medida de la velocidad con que una enzima convierte el sustrato a productos y esta actividad puede estar influenciada por diferentes fenómenos como son: Módulo Fundamentación en Biociencias 1. 2. 3. 4. 5. Efectos de los cambios de concentración de sustrato. Efectos de la concentración de la enzima. Efectos de los cambios de la temperatura. Efectos de los cambios en el pH. Efectos de los inhibidores. Importancia de las enzimas Actualmente la aplicación médica de las enzimas permite diagnosticar y tratar muchas enfermedades, la mayoría de ellas se puede medir en el suero de los pacientes. Tal es el caso de las denominadas enzimas cardiacas creatin quinasa (CK), la glutamato oxaloacetato transaminasa (GOT) y la lactato desidrogenasa (LD), cada una de ellas se puede medir en un periodo de tiempo determinado y en concentraciones variables, dependiendo del compromiso del músculo cardiaco. Nucleótidos Los ácidos nucleicos desempeñan un rol importante en el almacenamiento y la expresión de la información genética. Existen dos clases principales que son el ácido desoxirribonucleico (ADN), que interviene en el almacenamiento de la información y el ácido ribonucleico (ARN). Estos participan en la expresión génica y en la biosíntesis de las proteínas. Los dos están conformados por unidades denominadas nucleótidos que, a su vez, están formados por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y uno o más ácidos fosfóricos. La unión de una pentosa y una base nitrogenada origina un nucleósido, y su enlace se llama N-glucosídico. Para poder comprender la estructura de los nucleótidos empezaremos por las bases nitrogenadas que son de dos clases: las púricas (guanina y adenina) y las pirimidínicas (citosina, timina y uracilo). Otros componentes importantes son los azúcares ribosa y la 2-desoxirribosa que al unirse a una base nucleotídica da como resultado un nucleósido, como es el caso de la adenosina, formada por ribosa y la adenina. Los otros derivados son la guanosina (G), uridina (U), timidina (T) y citidina (C). A su vez, si el azúcar es la 2-desoxirribosa, se obtienen los desoxirribonucleósidos y nos queda el 5-fosfato que se une a los grupos fosfatos por medio de un enlace anhídrido ácido y se obtienen los nucleósidos difosfato y trifosfato, por ejemplo, en ADP y el ATP, siendo ambas coenzimas claves en el metabolismo energético. Cuando se acoplan estos tres elementos se obtienen los polinucleótidos, que son cadenas lineales de nucleótidos en los que los grupos fosfato están esterificados a los hidroxilos 5’ y 3’ de dos nucleótidos consecutivos. Como consecuencia, cada polinucleótido contiene únicamente un OH libre en el grupo fosfato en posición 5’ (extremo 5’ fosfato) y un OH libre en posición 3’ (extremo 3’). En la síntesis de DNA o RNA, el nucleótido que se va a añadir a la cadena de polinucleótido (siempre en forma trifosfato) se une por su OH en posición 5’ al grupo OH en posición 3’ del último nucleótido de la cadena de polinucleótido mediante un enlace fosfodiéster, liberando un grupo pirofosfato. 35 Actividad de aprendizaje No. 6 Apreciado estudiante: Recuerde que debe estar atento a la actividad de aprendizaje propuesta por sus docentes. Dependiendo de las indicaciones de su docente, existen unas fechas establecidas y un medio indicado para el envío de la actividad. Muchos éxitos con la realización de esta actividad!! Módulo Fundamentación en Biociencias Anotaciones: Sesión 7. Aspectos fundamentales, energéticos y de regulación que presentan las reacciones metabólicas y el papel del ATP y de las enzimas. Esta sesión aborda el metabolismo y todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo para mantener su funcionamiento normal, se divide en anabolismo, que son los procesos metabólicos donde se sintetizan macromoléculas, y catabolismo, que hace referencia a los procesos de degradación de las macromoléculas. El principal producto del metabolismo del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa es el adenosín trifosfato (ATP) que transporta y trasmite energía libre entre las células. En este sentido, la energía liberada en las reacciones químicas no se puede convertir en una forma de energía que se pueda utilizar totalmente sino que existe una parte que se pierde en el medio, por lo cual, la cantidad de energía que se puede convertir en energía útil se denomina energía libre. 36 Otro término importante es la bioenergética que corresponde a la producción y utilización de la energía en los seres vivos, como es el caso de la fotosíntesis (sesión 5) donde ocurren las reacciones de la fase oscura y reacciones de la fase luminosa, gracias a estas reacciones las plantas obtienen energía del sol y la transforman mediante reacciones químicas en carbohidratos y oxígeno. Módulo Fundamentación en Biociencias El metabolismo lo podemos dividir en tres fases o etapas (grafica 22). En la etapa I, las macromoléculas, como los polisacáridos, lípidos y proteínas, son degradadas para producir moléculas más simples y de fácil absorción para las células. Ya en la etapa II, los metabolitos o moléculas energéticas se transforman en acetil coenzima A, compuesto clave en los procesos metabólicos, y en la etapa III se produce energía libre a través de una serie de reacciones de óxido-reducción, como son el ciclo de Krebs o del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa o sistema de transporte de electrones que ocurre en la mitocondria. Grafica 22. Etapas del metabolismo Fuente: Autor del módulo Actividad de aprendizaje No. 7 Apreciado estudiante: Recuerde que debe estar atento a la actividad de aprendizaje propuesta por sus docentes. Dependiendo de las indicaciones de su docente, existen unas fechas establecidas y un medio indicado para el envío de la actividad. Muchos éxitos con la realización de esta actividad!! Anotaciones: Módulo Fundamentación en Biociencias 37 Sesión 8. La importancia del metabolismo y la homeostasis celular como base de diversos procesos de los seres vivos uni y pluricelulares. Cuando se habla del metabolismo se piensa en una serie de reacciones donde intervienen una gran cantidad de enzimas que actúan sobre diferentes sustratos como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, y al final de cada ruta se obtiene un producto que es base para la siguiente. De acuerdo a lo revisado por usted anteriormente, el ATP se produce o se requiere en estas rutas metabólicas. A su vez, la maquinaria celular trabaja en diferentes escenarios, por ejemplo: la degradación de carbohidratos ocurre en el citoplasma y la oxidación de los ácidos grasos ocurre en las mitocondrias, aspecto que implica que los productos que se requieran en una u otra ruta se transporten de un organelo a otro, se regulen por diferentes mecanismos como las enzimas y, en algunos casos, por las hormonas. 38 A continuación revisaremos las diferentes rutas metabólicas y como ellas mantienen la homeostasis celular al establecerse el equilibrio energético en la célula. Metabolismo de los carbohidratos El metabolismo de los carbohidratos se inicia en la boca, cuando los alimentos se hidrolizan por enzimas como la amilasa salivar. Al llegar al intestino se terminan de hidrolizar a monosacáridos de fácil absorción como la glucosa. En este punto nos estaremos preguntando cuántos son los niveles normales de glucosa en nuestro cuerpo. ¿Glucosa? Se ha establecido un rango de 70 a 100 mg/dl. Módulo Fundamentación en Biociencias ¿Y qué se hace con la glucosa que entra a nuestro sistema circulatorio en donde termina? La glucosa es empleada por órganos tan importantes como el cerebro, glóbulos rojos y músculos, entre otros. ¿Y cómo ingresa a las células que componen estos órganos? El principal mecanismo para el ingreso de la glucosa a las células requiere de la hormona polipeptídica pancreática denominada insulina. Después de una comida rica en carbohidratos la concentración de glucosa en la sangre aumenta y el páncreas empieza a secretar insulina, la cual viaja por la sangre y se une a receptores específicos en las diferentes células, aspecto que favorece la activación de mecanismos que transportan la glucosa a través de la membrana celular hacia el citoplasma de las células. ¿Y qué hacen las células con la glucosa? Las células la degradan para producir energía y esta ruta metabólica se denomina glucólisis. ¿Y toda la glucosa que ingresa a las células se gasta de una vez o se almacena? Gran porcentaje de la glucosa se emplea para mantener la homeostasis celular y el sobrante se almacena en el hígado en forma de glucógeno. Esta ruta metabólica se denomina glicogénesis. La ruta inversa de la glicogénesis es la glicogenólisis. En la glicogenólisis se hidroliza el glicógeno para liberar glucosa en ayunos cortos. La glucólisis. Por esta ruta metabólica la glucosa se degrada para liberar energía. Consta de una serie de reacciones cuyo producto final es el piruvato. Adicionalmente se obtienen 2 moléculas de ATP y dos moléculas de NADH, se resume así: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ---> 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O Actividad de aprendizaje No. 8 Apreciado estudiante: Recuerde que debe estar atento a la actividad de aprendizaje propuesta por sus docentes. Dependiendo de las indicaciones de su docente, existen unas fechas establecidas y un medio indicado para el envío de la actividad. Muchos éxitos con la realización de esta actividad!! Fundamentación en Biociencias 39 Módulo Anotaciones: Ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos El ciclo de Krebs es una ruta metabólica que consta de 9 reacciones químicas mediada por diferentes enzimas y forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas. Adicionalmente hace parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía. El ciclo de Krebs tiene funciones anabólicas y catabólicas, de modo que se considera anfibólico. Dentro de las vías catabólicas del metabolismo produce el piruvato o la acetil-CoA, los cuales son oxidados hasta CO2 y los equivalentes reductores son empleados en la fosforilación oxidativa (formación aeróbica de ATP) (grafica 23). Por las vías anabólicas está la producción de productos intermedios del ciclo que son transformados en glucosa (gluconeogénesis sus precursores son el oxalacetato y malato) y ácidos grasos (citrato) entre otros. Módulo Fundamentación en Biociencias 40 Grafica 22. Etapas del metabolismo Fuente: Autor del módulo El glucógeno Como se planteó en el metabolismo de los carbohidratos la glucosa se almacena en tejidos como el corazón, cerebro y tejido adiposo, pero en mayores proporciones en el músculo esquelético y el hígado, este proceso se denomina glucogénesis. En este proceso se resalta la importancia de las enzimas UDP-glucosa fosforilasa y la glucógeno sintetasa pues son las encargadas de su síntesis y posterior almacenamiento en diferentes tejidos. El proceso contrario a la glucogénesis es la glucogenólisis, donde el glucógeno se hidroliza para liberar la glucosa e intervienen tres enzimas: la fosforilasa, las glucantransferasa y la glucosidasa. Metabolismo de los lípidos El metabolismo de los lípidos requiere de enzimas como la lipasa pancreática, la cual degrada los triglicéridos a ácidos grasos, monoacilglicéridos y glicerol, los cuales son absorbidos en el intestino delgado. Esta mezcla se emulsifica por medio de las sales biliares e ingresa por el borde en cepillo de las células del intestino delgado, donde se convierten nuevamente en triacilglicéridos, los cuales se unen al colesterol a fosfolípidos y unas proteínas especiales resultando el quilomicrón, que son los responsables del transporte de los triglicéridos desde el intestino hasta los tejidos por linfática. Los lípidos son la principal reserva energética de los organismos animales. Se almacenan en las células del tejido graso o adipocitos, en forma insoluble, donde constantemente están sufriendo un continuo proceso de degradación y síntesis. La lipogénesis, o síntesis de lípidos, ocurre en los adipocitos. Estos emplean los triacilglicéridos que son transportados por la sangre en forma de complejos lipoproteicos (VLDL y quilomicrones) desde el intestino delgado y el hígado. Sobre la superficie de los capilares sanguíneos se ubica la lipoproteinlipasa. Esta enzima libera de estos complejos lipoproteicos a los triacilglicéridos, glicerol y ácidos grasos que son captados por los adipocitos y utilizados nuevamente para formar lípidos como las grasas. 41 El proceso contrario es la lipólisis, es decir, la degradación de los ácidos grasos catalizada por la enzima denominada lipasa sensible a hormonas, la cual está influenciada por varias hormonas, mediante la conversión reversible del AMPc. La cantidad de ácidos grasos liberados depende de la actividad de la lipasa. Por lo tanto, esta enzima controla el nivel plasmático de ácidos grasos. Estos ácidos grasos son transportados por la albúmina y otros viajan por el plasma en forma libre (no esterificados). El crecimiento de la cadena de ácidos grasos finaliza en C16 y su producto final es el palmitato. A partir de este se forman los ácidos grasos insaturados y de cadenas más largas, las cuales son empaquetadas en los hepatocitos como lipoproteínas del tipo VLDL y desde allí son enviadas por la sangre a diferentes órganos. Metabolismo de las proteínas Las proteínas que ingresan con los alimentos son degradadas en el tracto digestivo hasta los Módulo ¿Y qué se hace con el exceso de ácidos grasos? Órganos como el hígado, riñones, pulmones, glándulas mamarias y el tejido adiposo, realizan la biosíntesis de los ácidos grasos y ocurre en el citoplasma de las células. El principal precursor es la glucosa y le siguen los aminoácidos. Este es un proceso complejo donde interviene la enzima Acetil-CoA carboxilasa, que realiza la carboxilación de la Acetil-CoA hasta malonil-CoA. Fundamentación en Biociencias ¿Cómo utilizan los tejidos los ácidos grasos? Tejidos como el hígado realizan un proceso denominado β-oxidación, vía metabólica que se realiza en las mitocondrias, donde los ácidos grasos se transforman en Acetil-CoA. En este proceso se forma ATP por fosforilación oxidativa. aminoácidos, los cuales son absorbidos y distribuidos a los diferentes tejidos por el torrente circulatorio. El ser humano emplea 20 aminoácidos para construir sus proteínas, pero 10 de ellos no los puede sintetizar y, por lo tanto, se consideran esenciales, los cuales se deben suplementar en la alimentación. En el organismo se pierden, por el riñón y el intestino, pequeñas cantidades de aminoácidos. Para compensar esta pérdida se recuperan de la dieta y de la hidrólisis de las proteínas de nuestro cuerpo logrando de esta forma mantener el balance nitrogenado que, por lo general es equilibrado. Lo que quiere decir que las cantidades de nitrógeno de la dieta y las excretadas diariamente son más o menos iguales. Los aminoácidos, al contrario de los carbohidratos y los lípidos, no pueden ser almacenados, por lo cual se degradan en el hígado diariamente. Cuando se presenta este exceso de aminoácidos, producto del metabolismo de las proteínas, se excretan por la orina como productos nitrogenados, especialmente urea. 42 NH4+ + HCO3- + Aspartato+ 3ATP + 2H2O → Urea + Fumarato +2ADP +AMP + 2Pi + PPi Módulo Fundamentación en Biociencias Los aminoácidos también se pueden emplear en la síntesis de carbohidratos, lípidos o ATP mediante reacciones de transaminación. En este sentido se clasifican dependiendo de la ruta metabólica en la que intervengan, por ejemplo: cuando el producto final es el Acetil-CoA se denominan aminoácidos cetogénicos; otro grupo se convierten en piruvato y en algunos intermediarios del ciclo de Krebs, los cuales se denominan glucogénicos y, por último, encontramos al grupo que comparte ambas características, cetogénico y glucogénico. Sesión 9. La respiración celular y su significado biológico, sus diferencias entre las vías aerobia y anaerobia y los organelos celulares implicados en el proceso Fosforilación oxidativa o cadena respiratoria Este proceso tiene lugar en las mitocondrias y está acoplado energéticamente a un gradiente de protones a través de la membrana interna de las mitocondrias. Estos gradientes de protones son formados en la cadena respiratoria y sobre ellos actúa la ATP-sintasa como fuente de energía para la unión directa del Pi con el ADP. Este proceso es dependiente de la presencia de oxígeno (condiciones aeróbicas) y es contrario a la fosforilación a nivel de sustrato. ¿De dónde viene este flujo de electrones? Los electrones que se liberan del ciclo de Krebs y de otras rutas metabólicas se transfieren al oxígeno molecular (O2) a través de las moléculas transportadoras de electrones. En estas reacciones de óxido-reducción se libera energía libre y con ella se forma un enlace entre un grupo fosfato, Pi y ADP, para producir ATP (grafico 24). 43 Módulo Fundamentación en Biociencias Grafica 24. Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa en la cadena respiratoria mitocondrial Fuente. http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud04/02_04_04_02_033.html
