FISIOLOGÍA Y METABOLISMO CELULAR
EL FUNCIONAMIENTO DE LA CÉLULA ÍNDICE 1.- DIVISIÓN CELULAR: mitosis y meiosis (ya visto)
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2.- TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA 3.- ENZIMAS 4.- METABOLISMO CELULAR 5.- RECEPCIÓN DE SEÑALES
2.- TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Constantemente las células intercambian sustancias con el medio y lo hacen a través de la membrana plasmática. De ahí que se diga que la membrana sea una barrera selectiva ya que determina que sustancias pueden y deben atravesarla. Muchos tipos de transporte son ESPECÍFICOS, es decir, requieren la presencia en la membrana de receptores a los que sólo se pueden unir las moléculas a ser transportadas. Estos receptores, por supuesto, son receptores de membrana. TIPOS DE TRANSPORTE El transporte a través de la membrana se divide en dos grandes grupos 1.- Transporte que no necesita deformación de la membrana. Es el transporte de moléculas pequeñas. Para entender el transporte es necesario conocer previamente el concepto de gradiente de concentración. En general, gradiente es la variación de un parámetro o magnitud en una dirección determinada. Por ejemplo, hay un gradiente de temperatura en la atmósfera ya ésta suele disminuir a medida en que se aumenta la altura. Un gradiente de concentración es una diferente concentración a ambos lados de una membrana. Se dice que: PÁGINA 1 DE 16
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• Un transporte es a favor de gradiente cuando el transporte de una se produce de una zona de más concentración a otra de menor concentración • Un transporte es en contra de gradiente cuando el transporte se produce de una zona de menos concentración a otra de mayor concentración. El transporte en contra de gradiente sirve para acumular sustancia y requiere el consumo de energía en forma de nucleótidos transportadores de energía como el ATP. TRANSPORTE A FAVOR DE GRADIENTE Difusión simple: consiste en el paso de sustancias a través de la bicapa lipídica. Sólo pueden hacerlo moléculas muy pequeñas como el agua o el etanol y gases apolares como el O2 y CO2. Gracias a que estos gases atraviesan fácilmente la membrana se puede llevar a cabo el intercambio gaseoso en los pulmones y en los tejidos. Canales iónicos: son proteínas que atraviesan la membrana y que presentan un canal en el interior. Los iones al tener carga se ven rechazados por la bicapa lipídica y por eso necesitan de estos canales proteicos para poder ser transportados. Estos canales pueden estar abiertos o cerrados según la recepción o no se señales químicas o eléctricas
DIFUSIÓN FACILITADA (o mediada por transportador). En este caso la molécula a ser transportada se debe unir a la proteína transportadora o carrier. La unión a la proteína transportadora hace que ésta cambie de forma y puede liberar la molécula a transportar al compartimento destino. Así se PÁGINA 2 DE 16
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transporta la glucosa, por ejemplo, al interior de las células. TRANSPORTE EN CONTRA DE GRADIENTE Es el llamado transporte activo. También hay unión específica de la molécula a transportar con la proteína transportadora pero para que se produzca el transporte es necesario el aporte de energía. Existen proteínas en la membrana que transportan iones en contra de gradiente que reciben el nombre de “bombas”. La más conocida es la bomba de Na+ y K+ que saca tres cationes sodio por cada dos cationes potasio que introduce. 2.- Transporte que necesita deformación de la membrana. Es el transporte de moléculas grandes hasta incluso otras células o fragmentos de células. Recibe el nombre general de ENDOCITOSIS. Esta endocitosis se suele subdividir en: 1. Pinocitosis: si las partículas están disueltas o en suspensión. 2. Fagocitosis: cuando la célula tiene que emitir prolongaciones de citoplasma para englobar a la particula o célula a transportar. A estas prolongaciones se les denomina pseudópodos.
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A menudo estos procesos de transporte requieren que las partículas a endocitar se unan a receptores proteicos situados en la membrana de las células. Si una célula no expresa dicho receptor en la membrana no podrá endocitar las sustancias en cuestión (lo mismo pasaría, por ejemplo en los casos del transporte activo y difusión facilitada) Las vesículas y “fagosomas” que se forman en el proceso suelen estar revestidas de proteína.
3.- LOS ENZIMAS Los enzimas son biocatalizadores de las reacciones que tienen lugar en los seres vivos. El prefijo “bio” significa que los enzimas son biomoléculas, la inmensa mayoría proteínas que son de las que se ocupan estos apuntes. Existen algunos ácidos ribonucleicos llamados “ribozimas” que también actúan como enzimas. Un catalizador es un agente que acelera las reacciones químicas, en el caso de los enzimas para hacer que la velocidad de las reacciones metabólicas sean compatibles con lo que la vida necesita. ¿CÓMO ES UNA REACCIÓN ENZIMÁTICA? Se denomina sustrato a la molécula que va a ser transformada por el enzima. Para que la reacción se lleve a cabo es imprescindible que el sustrato se una al enzima. El enzima tiene un pequeño hueco a modo de bolsillo que tiene una forma que se puede adaptar a un sustrato determinado y no a otro. Por eso se dice que los enzimas son específicos: - Para el sustrato: suelen transformar uno sólo o bien a grupos de sustratos muy
similares. - Para su acción: cuando un enzima actúa sobre un sustrato siempre lo transforma
de la siguiente manera. La piruvato deshidrogenasa es el enzima que cataliza esta reacción química:
- Especificidad por el sustrato: sólo transforma al piruvato - Sólo lo transforma añadiéndolo al Coenzima A (CoASH) para dar AcetilCoA PÁGINA 4 DE 16
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Una reacción enzimática transcurre de la siguiente manera:
E + S ⇌ ES ⇌ E + P Como se puede ver: • Se tiene que pasar por un complejo de más energía llamado complejo enzimasustrato (ES) • El enzima no se consume en la reacción que cataliza y puede volver a catalizar la misma reacción. Precisamente los enzimas aceleran las reacciones bioquímicas porque ese estado de más energía por el que tienen que pasar los reactivos antes de dar los productos es mucho menor en el caso de las reacciones enzimáticas lo que las hace mucho más probables.
A esa energía que se necesita para iniciar una reacción química se le denomina Energía de Activación. PÁGINA 5 DE 16
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A menudo, para que una enzima sea funcional, es decir, funcione, necesita la participación de una parte no proteica. A esta parte no proteica se le denomina COFACTOR. Estos cofactores pueden ser cationes divalentes (Mg2+, Zn2+, etc.) o bien una molécula orgánica. En este último caso recibe el nombre de COENZIMA. En el caso de que el cofactor esté unido covalentemente al enzima recibe el nombre de GRUPO PROSTÉTICO. Tradicionalmente a la parte proteíca del enzima se le ha llamado APOENZIMA y a la unión del apoenzima con el cofactor (coenzima), HOLOENZIMA. CINÉTICA (estudio de la velocidad) DE UNA REACCIÓN ENZIMÁTICA Como ya se ha dicho, los enzimas aceleran las reacciones químicas y su velocidad depende de la concentración de sustrato [S] entre otros factores. Su cinética es la siguiente: 1. Para unos valores bajos de concentración de sustrato, la velocidad va aumentando rápidamente y de manera directamente proporcional a medida en hay más concentración de sustrato. 2. Luego, ese aumento de velocidad a medida en aumenta la concentración de sustrato va siendo menor hasta que se llega a un momento en el que aunque se aumente la concentración de sustrato la velocidad no aumenta llegado a un límite. A este valor de velocidad al que se llega y no se puede sobrepasar se llama VELOCIDAD MÁXIMA y es característica para cada enzima. A este modelo de cinética enzimática se le denomina SATURACIÓN POR EL SUSTRATO.
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4.- METABOLISMO CELULAR El metabolismo lo constituyen todo el conjunto de reacciones físico-químicas que tienen lugar en un organismo y en el que los enzimas juegan un papel principal. Existen dos grandes conjuntos de reacciones que constituyen el metabolismo: EL CATABOLISMO - Son reacciones de oxídación (los compuestos que se oxidan pierden electrones) -A partir de moléculas reducidas y más grandes se obtienen moléculas pequeñas (CO2 y H2O en el caso de que el metabolismo sea aerobio = con oxígeno). - Se produce energía en forma de nucleótidos capaces de transportar energía como el ATP. En definitiva, son reacciones de degradación. EL ANABOLISMO - Son reacciones de reducción (los compuestos que se reducen ganan electrones) - Son reacciones de síntesis, es decir, de fabricar las biomoléculas propias de la
célula, ya sean glúcidos, lípidos, proteínas o ácidos nucleicos. - En él se consume parte del ATP producido en el catabolismo.
El metabolismo se plasma en las llamadas rutas metabólicas, un conjunto de reacciones encadenadas desde un compuesto inicial hasta el que compuesto final que es el que interesa obtener en ese estado celular. Los compuestos intermedios reciben el nombre de intermediarios metabólicos. Cada reacción de una ruta está canalizada por su propio enzima. Las rutas metabólicas pueden ser: - Lineales: si no hay regeneración del compuesto inicial. - Cíclicas: si hay regeneración de alguno de los compuestos iniciales.
Las principales reacciones del CATABOLISMO Gracias a estas reacciones la célula obtiene energía. Pero primero necesita que le lleguen las moléculas orgánicas que podrá oxidar para obtener dicha energía. Los organismos HETERÓTROFOS como el ser humano obtienen esas moléculas orgánicas a partir de los alimentos. Los animales tienen un sistema digestivo que rompen las macromoléculas biológicas mediante reacciones de hidrólisis en el tubo digestivo. De esta manera se consigue que en el intestino se obtengan los siguientes monómeros (= moléculas unidad): PÁGINA 7 DE 16
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• Monosacáridos a partir de polisacáridos • Aminoácidos a partir de proteínas • Ácidos grasos y glicerol a partir de lípidos • Nucleótidos a partir de ácidos nucleicos
Estas unidades son absorbidas por la mucosa intestinal y vía sanguínea llegan a las células del organismo para que allí algunas de ellas se almacenen o bien sigan un
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conjunto de reacciones o rutas metabólicas que permitan su oxidación para que produzcan energía. A partir del diagrama superior se pueden ver algunas de las rutas catabólicas más importantes que permiten obtener energía a partir de nutrientes. Los aminoácidos, ácidos grasos o glucosas que van a ser oxidados mediante diferentes rutas metabólicas para obtener energía terminan produciendo la biomolécula central del catabolismo que es el ACETIL COENZIMA A. Ela cetil coenzima A es un grupo de dos carbonos (- C - C - ) añadido al coenzima A, una biomolécula que se forma a partir de la vitamina B5 o ácido patoténico. Es muy importante recordar que muchas vitaminas tienen como función actuar como coenzimas.
LA RUTA CENTRAL DEL CATABOLISMO AEROBIO: EL CICLO DE KREBS Y LA CADENA RESPIRATORIA CICLO DE KREBS Para que un nutriente reducido (monosacárido o ácido graso, por ejemplo) puede obtener su máximo de energía es necesario que mediante las rutas metabólicas adecuadas se transforma en AcetilCoA y que durante las etapas de esas rutas (por ejemplo glucolisis o -oxidación) produzca conejitas como el NADH+H+ o FADH2. A continuación se explica cómo a partir del Acetil CoA se puede obtener ATP. El AcetilCoenzima A se encuentra en la matriz mitocondrial, lugar en el que se encuentran los enzimas capaces de llevar la primera parte de este proceso, una ruta metabólica cíclica llamada CICLO DE KREBS, Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos (CAT) o Ciclo del Ácido Cítrico. El ciclo comienza con la reacción entre el oxalacetato y el Acetil CoA para producir ácido cítrico (citrato a pH fisiológico). A continuación se producen una serie de reacciones enzimáticas que terminarán regenerando el ácido oxalacético (oxalacetato) y en las que se producen por cada molécula de AcCoA: ✴ Tres moléculas de NADH+H+ ✴ Una molécula de FADH2 ✴ Una molécula de GTP que rápidamente se interconvierte en ATP ✴ El CO2 que las células expulsan al torrente sanguíneo y que terminan siendo
expulsados a la atmósfera mediante la respiración corporal. Los coenzimas reducidos (NADH+H+ y FADH2)podrán ceder los electrones de sus hidrógenos a la cadena respiratoria. PÁGINA 9 DE 16
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LA CADENA RESPIRATORIA La cadena respiratoria es un conjunto de cuatro complejos proteicos formados por muchas proteínas (cadenas poilipeptídicas) cada uno. Se localizan en la membrana interna de la mitocondria y son los que transportan los electrones que reciben de los hidrógenos del NADH+H+ y FADH2 quedando como NAD+ y FAD hasta el oxígeno, que es el último aceptor de electrones en los organismos de metabolismo aerobio. Éste es el oxígeno que continuamente tienen que tomar de la atmósfera la mayoría de los seres vivos del planeta. Los electrones de los hidrógenos son transportados de complejo en complejo mientras que los protones son bombeados al espacio intermembranoso (entre la membrana mitocondrial interna y externa) generando un gradiente electroquímico de protones con mayor concentración y carga positiva en el espacio intermembranoso.
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Espacio intermembranoso
Etapa del Ciclo de Krebs en la que se obtiene FADH2
Matriz mitocondrial
La energía de este gradiente electroquímico es aprovechado por un nuevo complejo proteico, la ATPsintasa (llamada a veces Complejo V), que la aprovecha para fabricar ATP a partir de ADP. La ATP sintasa se encuentra anclada a la membrana interna de la mitocondria. Al proceso que lleva a cabo la ATPsintasa de producción de ATP uniendo un fosfato al ADP se le denomina FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. Famoso audioboom del proceso #janoclase14 Cuando no hay oxígeno o sus niveles son insuficientes para las necesidades de la célula la cadena respiratoria y el Ciclo de Krebs se detienen y cesa la producción de ATP. Esto supone la muerte de la célula a no ser que disponga de enzimas que le permitan producir ATP en condiciones anaerobias mediante la fermentación. Este es el caso de las células musculares que cuando no tienen suficiente oígeno llevan a cabo la fermentación láctica que tiene como producto final ácido láctico (lactato). En las células procariotas debido a que no tienen mitocondrias, todo este proceso de respiración celular tiene lugar en la membrana plasmática y el Ciclo de Krebs en el citosol.
OTRAS RUTAS CATABÓLICAS OBTENER ENERGÍA A PARTIR DE GLÚCIDOS - LA GLUCOLISIS Los monosacáridos son transformados a ácido pirúvico (piruvato se suele decir porque al pH de las células el ácido está ionizado en su ion). A esta ruta metabólica se le denomina GLUCOLISIS y tiene lugar en el citosol. PÁGINA 11 DE 16
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La glucolisis son un conjunto de reacciones que se pueden producir en ausencia de oxígeno y en donde se producen ATPs, 2 moléculas de NADH+H+ y dos molécula de piruvato (ácido pirúvico). El piruvato pasará a la mitocondrias y se transformará en Acetil CoA para proseguir su oxidación hasta CO2 y H2O vía Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria produciéndose más ATPs por el mecanismo explicado antes. El ATP que se obtiene en la glucolisis no se obtiene mediante un transporte electrónico sino acoplado a dos reacciones químicas como puede verse en la ilustración. Tras las oxidación completa de una molécula de glucosa en condiciones aerobias se pueden obtener entre 36-38 ATPs aproximadamente. LA FERMENTACIÓN DE AZÚCARES: una vía alternativa a la RESPIRACIÓN Existen organismos (levaduras por ejemplo) y algunos tejidos de los animales que en ausencia de oxígeno pueden llevar a cabo una ruta alternativa para obtener ATP a partir de azúcares sin usar el Ciclo de Krebs y la Cadena Respiratoria que están paradas por no tener O2. Esta alternativa consiste en mantener activa la glucolisis como única fuente de obtención de ATP. Para ello hay volver a convertir el NADH+H+ en NAD+ para que pueda seguir reaccionando en la glucolisis. Esto se consigue transformando el piruvato en otras moléculas: • Etanol: si se trata de una fermentación alcohólica que además el proceso
mediante el cual se obtiene pan y bebidas alocólicas.
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• Láctica: si se trata una fermentación láctica. Es un proceso frecuente en los
músculos y también interviene en el proceso de fabricación de yogures y queso.
Existen otros tipos de fermentaciones que se mencionarán en cursos superiores. En el paso de piruvato a estos productos el NADH+H+ vuele a pasar a NAD+. Los organismos que según haya oxígeno o no pueden “respirar” o “fermentar” se denominan anareobios facultativos. OBTENER ENERGÍA A PARTIR DE ÁCIDOS GRASOS - LA beta-oxidación A partir de la respiración completa hasta CO2 y H2O de los ácidos grasos se puede obtener mucho más ATP que por la oxidación total de la glucosa. Este proceso tiene lugar habitualmente en la matriz mitocondrial y consiste en una serie de reacciones que se repiten hasta que se agota la cadena hidrocarbonada del ácido graso. Cada vuelta de ciclo de beta-oxidación produce: • Una molécula de NADH+H+ • Una molécula de FADH2 • Una molécula de acetil CoA (es decir, una cadena de dos carbonos y el Coenzima
A) Dado que en cada vuelta se desprenden dos carbonos (grupo acetilo) que se unen al Coenzima A para dar Acetil Coenzima A, el ácido graso se va acortando en dos carbonos por cada vuelta. Por lo tanto, ¿cuántas vueltas de ciclo de beta-oxidación sufrirá el ácido palmítuci y cuántas moléculas de Acetil CoA y NADH+H+ y FADH2 se producirán?. Recuerda el ácido esteárico tiene 16 carbonos. El destino del AcetilCoA producido será el Ciclo de Krebs y el del NADH+H+ y FADH2 ceder los electrones de los hidrógenos a la cadena respiratoria. De esta manera se obtendrá mucho ATP a partir de una sola molécula de ácido grasos. PÁGINA 13 DE 16
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5.- LA RECEPCIÓN DE SEÑALES Otro tipo de actividad importantísima que llevan a cabo las células es recibir sustancias del medio, se llaman “señales”, de modo que cuando les llegan cambian su actividad. Un ejemplo evidente es el de las hormonas. Cuando una hormona producidad en una glándula endocrina llega a su célula diana provoca cambios metabólicos en el interior de esta célula. Por ejemplo, cuando la adrenalina fabricada en las glándulas suprarrenales llega al corazón provoca unos cambios en el interior de las células del miocardio (=músculo del corazón) que tienen como conscuencia que en el corazón lata más rápido. Otros ejemplos son: • La sinapsis (= transmisión del impulso nervioso entre neuronas) química • La activación de células del sistema inmunitario • Las señales que activan la división y diferenciación celular
Según la naturaleza de la señal el receptor se localiza en la membrana celular o bien en el citosol. Este segundo caso es sólo para señales de naturaleza lipídica que atraviesan sin problemas la membrana como por ejemplo las hormonas esteroideas. Sin embargo la mayor parte de los receptores para estas señales están en la membrana y son específicos para la molécula señal. En consecuencia, una célula sólo se activará si en su membrana expresa (=tiene) esos receptores específicos para la molécula señal. En general el proceso es el siguiente: PÁGINA 14 DE 16
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1. Unión de la molécula señal al receptor de membrana 2. Se activan enzimas que hay en la membrana 3. Los enzimas provocan cambios en el interior de la célula y se fabrican otras proteínas que se denominan FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN. 4. Los factores de transcripción entran en el núcleo y activan genes. 5. Los genes se expresan y provocan un cambio en la actividad celular.
Existen muchos tipos de receptores de membrana (recuerda que son proteínas de la membrana) siendo unos de los más característicos los receptores asociados a proteínas G y los receptores tirosina quinasa, que se llaman así porque tienen en su cadena de aminoácidos el aminoácido tirosina que es muy activo en el proceso.
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Esquema del metabolismo en la mitocondria:
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