Rutas metabólicas: tipos y principales rutas
Una ruta metabólica es un conjunto de reacciones químicas, catalizadas por enzimas. En este proceso, una molécula X se transforma en una molécula Y, por medio de metabolitos intermediarios. Las rutas metabólicas tienen lugar en el ambiente celular.
Fuera de la célula, estas reacciones tomarían demasiado tiempo, y algunas podrían no ocurrir. Por ello, cada paso requiere la presencia de las proteínas catalizadoras denominadas enzimas. El papel de estas moléculas es acelerar en varios órdenes de magnitud la velocidad de cada reacción dentro de la vía.
Fisiológicamente, las rutas metabólicas están conectadas unas con otras. Es decir, no se encuentran aisladas dentro de la célula. Muchas de las rutas más importantes comparten metabolitos en común.
En consecuencia, el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en las células se denomina metabolismo. Cada célula se caracteriza por exhibir un rendimiento metabólico específico, que viene definido por el contenido de enzimas en su interior, que a su vez viene determinado genéticamente.
Índice del artículo
- 1 Características generales de las rutas metabólicas
- 2 Tipos de rutas metabólicas
- 3 Principales rutas metabólicas
- 4 Referencias
Dentro del ambiente celular, ocurren una gran cantidad de reacciones químicas. El conjunto de estas reacciones es el metabolismo, y la función principal de este proceso es mantener la homeostasis del organismo bajo condiciones normales, y también bajo condiciones de estrés.
Así, debe existir un equilibrio de flujos de dichos metabolitos. Entre las principales características de las rutas metabólicas tenemos las siguientes:
Los protagonistas de las rutas metabólicas son las enzimas. Se encargan de integrar y analizar la información sobre el estado metabólico y son capaces de modular su actividad en función de los requisitos celulares del momento.
El metabolismo viene dirigido por una serie de hormonas, que son capaces de coordinar las reacciones metabólicas, considerando las necesidades y el rendimiento del organismo.
Existe una compartimentación de rutas metabólicas. Es decir, cada vía tiene lugar en un compartimiento subcelular específico, llámese citoplasma, mitocondria, entre otros. Otras rutas pueden ocurrir en varios compartimientos simultáneamente.
La compartimentación de las rutas ayuda a la regulación de las rutas anabólicas y catabólicas (ver más adelante).
La coordinación del metabolismo se consigue mediante la estabilidad de la actividad de las enzimas involucradas. Es menester destacar que las rutas anabólicas y sus contrapartes catabólicas no son totalmente independientes. En contraste, se encuentran coordinadas.
Existen puntos enzimáticos claves dentro de las rutas metabólicas. Con la velocidad de conversión de estas enzimas, el flujo entero de la ruta se regula.
En bioquímica, se distinguen tres tipos de rutas metabólicas principales. Esta división se realiza siguiendo criterios bioenergéticos: rutas catabólicas, anabólicas y anfibólicas.
Las rutas catabólicas engloban reacciones de degradación oxidativa. Se llevan a cabo con la finalidad de obtener energía y poder reductor, que será usada posteriormente por la célula en otras reacciones.
La mayor parte de las moléculas orgánicas no son sintetizadas por el organismo. En contraste, debemos consumirla por medio de los alimentos. En las reacciones catabólicas, estas moléculas son degradadas en los monómeros que los componen, que si pueden ser usados por las células.
Las rutas anabólicas comprenden las reacciones químicas de síntesis, tomando moléculas pequeñas y simples, y transformándolas en elementos más grandes y complejos.
Para que estas reacciones tengan lugar, es necesario que exista energía disponible. ¿De dónde viene dicha energía? De las vías catabólicas, primordialmente en forma de ATP.
De esta manera, los metabolitos producidos por las vías catabólicas (que son llamados globalmente “pool de metabolitos”) pueden ser usados en las vías anabólicas con el fin de sintetizar moléculas más complejas que el organismo necesite en el momento.
Entre este pool de metabolitos, existen tres moléculas claves del proceso: el piruvato, la acetil coenzima A y el glicerol. Estos metabolitos se encargan de conectar el metabolismo de diferentes biomoléculas, como los lípidos, carbohidratos, entre otros.
Una ruta anfibólica funciona como vía anabólica o bien catabólica. Es decir, es una ruta mixta.
La ruta anfibólica más conocida es el ciclo de Krebs. Esta ruta tiene un papel fundamental en la degradación de hidratos de carbono, lípidos y aminoácidos. Sin embargo, también participa en la producción de los precursores para rutas de síntesis.
Por ejemplo, los metabolitos de ciclo de Krebs son los precursores de la mitad de los aminoácidos que son usados para construir a las proteínas.
En todas las células que forman parte de los seres vivos, se llevan a cabo una serie de vías metabólicas. Algunas de estas son compartidas por la mayoría de los organismos.
Estas vías metabólicas comprenden la síntesis, la degradación y la conversión de metabolitos cruciales para la vida. A todo este proceso se le conoce como metabolismo intermedio.
Las células necesitan de manera permanente contar con compuestos orgánicos e inorgánicos, y también energía química, que se obtiene principalmente de la molécula de ATP.
El ATP (adenosín trifosfato) es la forma de almacenamiento de energía más importante de todas las células. Y las ganancias e inversiones energéticas de las rutas metabólicas suelen expresarse en términos de moléculas de ATP.
A continuación se discutirán las rutas más importantes que se encuentran presente en la gran mayoría de organismos vivos.
La glucólisis es una ruta que involucra la degradación de la glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico, obteniéndose como ganancia neta dos moléculas de ATP. Está presente virtualmente en todos los organismos vivos y es considerada una vía rápida de obtención de energía.
De manera general, suele dividirse en dos etapas. La primera involucra el paso de la molécula de glucosa en dos de gliceraldehído, invirtiendo dos moléculas de ATP. En la segunda fase se generan compuestos de alta energía, y se obtienen 4 moléculas de ATP y 2 de piruvato como productos finales.
La ruta puede continuar de dos maneras diferentes. Si hay oxígeno, las moléculas terminaran su oxidación en la cadena respiratoria. O bien, en ausencia de este, se produce la fermentación.
La gluconeogénesis es una vía se síntesis de glucosa, partiendo de aminoácidos (con la excepción de la leucina y la lisina), lactato, glicerol o cualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs.
La glucosa es un sustrato indispensable para ciertos tejidos, como el cerebro, los eritrocitos y los músculos. El aporte de glucosa lo pueden obtener por medio de las reservas de glucógeno.
Sin embargo, cuando estas se agotan, el cuerpo debe empezar la síntesis de glucosa para poder cumplir con las demandas de los tejidos – fundamentalmente el tejido nervioso.
Esta vía ocurre principalmente en el hígado. Es vital ya que, en situaciones de ayuno, el cuerpo puede seguir obteniendo glucosa.
La activación o no de la vía está ligada con la alimentación del organismo. Los animales que consumen dietas elevadas en hidratos de carbonos presentan tasas gluconeogénicas bajas, mientras que las dietas pobres en glucosa requieren de actividad gluconeogénica significativa.
Este ciclo es único de las plantas y de cierto tipo de bacterias. Esta vía logra la transformación de unidades acetilo, de dos carbonos, en unidades de cuatro carbonos – conocidas como succinato. Este último compuesto puede producir energía y también puede ser usado para la síntesis de la glucosa.
En los humanos, por ejemplo, sería imposible subsistir solamente con acetato. En nuestro metabolismo, el acetil coenzima A no puede convertirse en piruvato, el cual es un precursor de la vía gluconeogénica, porque la reacción de la enzima piruvato deshidrogenasa es irreversible.
La lógica bioquímica del ciclo es similar a la del ciclo de ácido cítrico, con excepción de las dos etapas descarboxilativas. Ocurre en organelos muy puntuales de las plantas llamadas glioxisomas, y es particularmente importante en las semillas de algunas plantas como los girasoles.
Es una de las rutas consideradas como centrales en el metabolismo de los seres orgánicos, ya que unifica el metabolismo de las moléculas más importantes, entre ellas proteínas, grasas y carbohidratos.
Es un componente de la respiración celular, y tiene como objetivo liberar la energía almacenada en la molécula de acetil coenzima A – el precursor principal del ciclo de Krebs. Está formado por diez pasos enzimáticos y, como mencionamos, el ciclo trabaja tanto en vías anabólicas, como en catabólicas.
En los organismos eucariotas, el ciclo tiene lugar en la matriz de la mitocondria. En los procariotas – que carecen de compartimientos subcelulares verdaderos – el ciclo se lleva a cabo en la región citoplasmática.
La cadena transportadora de electrones está formada por una serie de transportadores anclados en una membrana. La cadena tiene como objetivo generar energía en forma de ATP.
Las cadenas son capaces de crear un gradiente electroquímico gracias al flujo de electrones, proceso crucial para la síntesis de energía.
Los ácidos grasos son moléculas que desempeñan papeles muy importantes en las células, principalmente se encuentran como componente estructurales de todas las membranas biológicas. Por esta razón, la síntesis de los ácidos grasos es indispensable.
Todo el proceso de síntesis ocurre en el citosol de la célula. La molécula central del proceso se denomina malonil coenzima A. Se encarga de aportar los átomos que formaran el esqueleto carbonado del ácido graso en formación.
La beta oxidación es un proceso de degradación de ácidos grasos. Esto se logra mediante cuatro pasos: oxidación por FAD, hidratación, oxidación por NAD+ y tiólisis. Previamente, el ácido graso necesita ser activado mediante la integración de la coenzima A.
El producto de las reacciones mencionadas son unidades formadas por un par de carbonos en forma de acetil coenzima A. Esta molécula puede ingresar al ciclo de Krebs.
El rendimiento energético de esta vía depende de la longitud de la cadena del ácido graso. Para el ácido palmítico, por ejemplo, que posee 16 carbonos, el rendimiento neto es de 106 moléculas de ATP.
Esta ruta tiene lugar en las mitocondrias de los eucariotas. También existe otra ruta alternativa en un compartimiento llamado peroxisoma.
Como la mayoría de los ácidos grasos se localizan en el citosol celular, deben ser transportados al compartimiento donde serán oxidados. El transporte es dependiente de cartinitan, y permite a estas moléculas ingresar a la mitocondria.
La síntesis de los nucleótidos es un evento clave en el metabolismo celular, ya que estos son los precursores de las moléculas que forman parten del material genético, ADN y ARN, y de moléculas energéticas importantes, como ATP y GTP.
Los precursores de la síntesis de los nucleótidos incluye a distintos aminoácidos, ribosa 5 fosfato, dióxido de carbono y NH3. Las rutas de recuperación se encargan del reciclaje de las bases libres y de los nucleósidos liberados a partir de la ruptura de los ácidos nucleicos.
La formación del anillo de purina tiene lugar a partir de la ribosa 5 fosfato, pasa a ser un núcleo purínico y finalmente se obtiene el nucleótido.
El anillo de pirimidina se sintetiza como ácido orótico. Seguido de la unión a la ribosa 5 fosfato, se transforma en los nucleótidos de pirimidina.
Las fermentaciones son procesos metabólicos independientes del oxígeno. Son del tipo catabólico y el producto final del proceso es un metabolito que aún posee potencial de oxidación. Existen diferentes tipos de fermentaciones, pero en nuestro cuerpo tiene lugar la fermentación láctica.
La fermentación láctica tiene lugar en el citoplasma celular. Consiste en la degradación parcial de la glucosa con el fin de obtener energía metabólica. Como sustancia de desecho se produce el ácido láctico.
Tras una sesión intensa de ejercicios anaeróbicos, el musculo no se encuentra con concentraciones adecuadas de oxígeno y se produce la fermentación láctica.
Algunas células del cuerpo están obligadas a fermentar, ya que carecen de mitocondrias, como es el caso de los glóbulos rojos.
En la industria, los procesos de fermentación son usados con una frecuencia elevada, para producir una serie de productos de consumo humano, como el pan, las bebidas alcohólicas, el yogurt, entre otros.
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