Anabolismo y Catabolismo

Cuadro comparativo

Catabolismo	Anabolismo
Degrada biomoléculas	Fabrica biomoléculas
Produce energía (la almacena como ATP)	Consume energía (usa las ATP)
Implica  procesos de oxidación	Implica procesos de reducción
Sus rutas son convergentes	Sus rutas son divergentes
Ejemplos: glucólisis, ciclo de Krebs, fermentaciones, cadena respiratoria	Ejemplos: fotosíntesis, síntesis de proteínas

Ejemplo de una ruta metabólica: utilización de los monosacáridos por el hígado. Fuente Internet de la imagen: http://www.efdeportes.com/efd94/hepat.htm

Características de las rutas metabólicas.

Todas son irreversibles y globalmente exergónicas.

Las rutas en los dos sentidos nunca pueden ser iguales porque si lo fuesen uno de los dos nunca se podría realizar. Los pasos distintos permiten asegurar los procesos en los dos sentidos. Hay muchos pasos comunes pero no todos.

Las rutas metabólicas están localizadas en unos compartimentos específicos lo que permite regularlas eficazmente.

En todas las rutas  hay una reacción inicial que es irreversible y que desprende mucha energía, necesaria para llegar al final de la misma.

Todas las rutas están reguladas. Cada reacción tendrá su enzima.

Metabolismo Celular

En un sentido amplio, metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un organismo. Mediante esas reacciones se transforman las moléculas nutritivas que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a ellas.

Alimentos, aportan los nutrientes.

El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:

·Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.

·Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear  sus estructuras o para almacenarlos como reserva.

Al producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una continua reacción química.
Estas reacciones químicas metabólicas (repetimos, ambas reacciones suceden en las células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo.

Molécula de ATP: Su fórmula es C10H16N5O13P3.

El catabolismo (fase destructiva)

Su función es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple.

Catabolismo es, entonces, el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO2, H2O, ácido láctico, amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato). Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas) .

Las reacciones catabólicas se caracterizan por:

Son reacciones degradativas, mediante ellas compuestos complejos se transforman en otros más sencillos.

Son reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos más o menos reducidos, liberándose electrones que son captados por coenzimas oxidadas que se reducen.

Son reacciones exergónicas en las que se libera energía que se almacena en forma de ATP.

Son procesos convergentes mediante los cuales a partir de compuestos muy diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO₂, ácido pirúvico, etanol, etcétera).

Al microscopio, imagen del metabolismo celular.

El anabolismo (fase constructiva)

Reacción química para que se forme una sustancia más compleja a partir otras más simples.

Anabolismo, entonces es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más complejas. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.

Las moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.

Las reacciones anabólicas se caracterizan por:

Son reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos.

Son reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas reducidas (NADH, FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.

Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP.

Son procesos divergentes debido a que, a partir de unos pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.

Rutas metabólicas

Fuente Internet de la imagen: http://www.vi.cl/foro/index.php?showtopic=7227

En las células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas (tanto catabólicas como anabólicas), estás no son independientes sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguiente una ruta o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente (como la glucólisis o glicólisis).

Mediante las distintas reacciones que se producen en una ruta un sustrato inicial se transforma en un producto final, y los compuestos intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Todas estas reacciones están catalizadas por enzimas específicas.

Tipos de rutas metabólicas.

Las rutas metabólicas pueden ser:

Lineales. Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última reacción.

Cíclicas. Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.

Frecuentemente los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de reacciones de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes metabólicas complejas.

Tipos metabólicos de seres vivos

No todos los seres vivos utilizan la misma fuente de carbono y de energía para obtener sus biomoléculas.

Teniendo en cuenta la fuente de carbono que utilicen existen dos tipos de seres vivos:

Autótrofos, utilizan como fuente de carbono el CO2. (vegetales verdes y muchas bacterias).

Heterótrofos, utilizan como fuente de carbono los compuestos orgánicos. (animales hongos y muchas bacterias).·

hora, teniendo en cuenta la fuente de energía que utilicen se diferencian dos grupos:

Fotosintéticos, utilizan como fuente de energía la luz solar.

Quimiosintéticos, utilizan como fuente de energía, la que se libera en reacciones químicas oxidativas (exergónicas).

Según cual sea la fuente de hidrógeno que utilicen pueden ser:

Litótrofos, utilizan como fuente de hidrógeno compuestos inorgánicos, como H2O, H2S, etc.

Organótrofos, utilizan como fuente de hidrógenos moléculas orgánicas.

Tomando en su conjunto todos estos aspectos, se pueden diferenciar cuatro tipos metabólicos de seres vivos:

Fotolitótrofos o fotoautótrofos: También se denominan fotosintéticos. Son seres que para sintetizar sus biomoléculas utilizan como fuente de carbono el CO2; como fuente de hidrógeno, compuestos inorgánicos, y como fuente de energía, la luz solar. A este grupo pertenecen: las plantas, las algas, las bacterias fotosintéticas del azufre, cianofíceas.

Fotoorganótrofos o fotoheterótrofos: Son seres que utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos, como fuente de hidrógeno compuestos orgánicos y como fuente de energía la luz. A este grupo pertenecen bacterias púrpuras no sulfuradas.

Quimiolitótrofos o quimioautótrofos: Se les denomina también quimiosintéticos. Son seres que utilizan como fuente de carbono el CO2, como fuente de hidrógenos compuestos inorgánicos y como fuente de energía la que se desprende en reacciones químicas redox de compuestos inorgánicos. A este grupo pertenecen las llamadas bacterias quimiosintéticas como las bacterias nitrificantes, las ferrobacterias, etc. 

Quimioorganótrofos o quimioheterótrofos: También se les denomina heterótrofos. Son seres que utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos, como fuente de hidrógenos compuestos orgánicos y como fuente de energía la que se desprende en las reacciones redox de los compuestos orgánicos.

A este grupo pertenecen los animales, los hongos, los protozoos y la mayoría de las bacterias.

Vías principales del catabolismo y anabolismo en la célula, Se observan las tres etapas, la primera tiene lugar en el lumen del tubo digestivo, la segunda en el citosol y la última en las mitocondrias. Fuente Internet: http://www.genomasur.com/lecturas/Guia09.htm

Lo obtenido es producto del esfuerzo, compromiso y responsabilidad compartido: Trabajo de equipo con mente triunfadora. Felicidades.

Actividad evidencial

Selecciona la opción correcta.
1.  El anabolismo es...

1. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula;
2. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula y que tiene como finalidad la obtención de energía;
3. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula y que tiene como finalidad la obtención de materiales con gasto de energía;
4. los procesos químicos que se dan en las plantas verdes.

2. El metabolismo es...

1. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula;
2. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula y que tiene como finalidad la obtención de energía;
3. el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula y que tiene como finalidad la obtención de materiales con gasto de energía;
4. los procesos químicos que se dan en las plantas verdes.

3. Las plantas autótrofas obtienen...

1. las sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas;
2. la energía de la luz y los materiales de sustancias orgánicas;
3. la energía y los materiales a partir de sustancias inorgánicas;
4. tanto la energía como los materiales de sustancias orgánicas.

4.  Los hongos son heterótrofos. Esto quiere decir que obtienen:

1. la energía de la luz y los materiales a partir de sustancias inorgánicas;
2. la energía de la luz y los materiales de sustancias orgánicas;
3. la energía y los materiales a partir de sustancias inorgánicas;
4. los materiales a partir de sustancias orgánicas.

5.  Un conjunto de reacciones típicamente catabólico es...

1. la fotosíntesis;
2. la glucolisis;
3. la síntesis de proteínas;
4. la replicación del ADN.

6.  Muchas bacterias son autótrofas quimiosintéticas. Esto quiere decir que obtienen...

1. la energía de la luz y los materiales a partir de sustancias inorgánicas;
2. la energía de la luz y los materiales de sustancias orgánicas;
3. la energía y los materiales a partir de sustancias inorgánicas;
4. tanto la energía como los materiales de sustancias orgánicas.

7.  La desintegración de los productos elaborados o absorbidos para generar energía recibe el nombre de...

1. metabolismo
2. anabolismo;
3. catabolismo;
4. excreción.

8.  La síntesis de los productos complejos con gasto de energía recibe el nombre de...

1. metabolismo
2. anabolismo;
3. catabolismo;
4. excreción.

9.  Si la glucosa (C₆H₁₂O₆) reacciona en las células con el O₂ transformándose en CO₂ y H₂O y obteniéndose energía tendremos un proceso...

1. catabólico;
2. destructivo;
3. de anabolismo;
4. de excreción.

10.  Una reacción endergónica...

1. desprende calor;
2. necesita energía;
3. produce energía;
4. necesita elevadas temperaturas.

11.  Las enzimas,  desde un punto de vista químico, son...

1. prótidos;
2. nucleótidos;
3. esteroides;
4. lípidos.

12.  Las enzimas...

1. participan directamente en el proceso reaccionando ellas también;
2. modifican la constante de equilibrio de los procesos químicos;
3. disminuyen la energía de activación;
4. disminuyen la velocidad del proceso.

13.  La apoenzima es...

1. la parte lipídica de una enzima;
2. la parte proteica de una enzima;
3. el grupo prostético de la enzima;
4. parte de la coenzima.

14.  El ATP es...

1. un componente del ADN;
2. un componente del ARN;
3. una coenzima transportadora de energía;
4. una coenzima transportadora de electrones.

15.  El ATP contiene como base nitrogenada...

1. adenina;
2. guanina;
3. timina;
4. citosina.

16.  El ATP contiene como azúcar...

1. glucosa;
2. desoxirribosa;
3. ribosa;
4. fructosa.

17.  El ATP se diferencia del ADP en que ...

1. el ATP tiene timina;
2. el ADP tiene un fosfato menos;
3. el ADP no tiene uracilo;
4. el ATP tiene menos energía.

  18.  El ATP se emplea en los seres vivos...

1. para captar energía en las reacciones que producen energía;
2. para producir ADP exclusivamente;
3. como uno de los componentes de los ácidos nucléicos;
4. para aportar energía a las reacciones endergónicas.

Síntesis de ATP

Las células requieren energía para múltiples trabajos:

	Sintetizar y degradar compuestos
	Transporte a través de las membranas (activo, contra el gradiente de concentración).
	Endocitocis y exocitosis.
	Movimientos celulares.
	División celular
	Transporte de señales entre el exterior e interior celular

Esta energía se encuentra en las moléculas de ATP, en las uniones químicas de alta energía de los fosfatos. Las moléculas de ATP se ensamblan en las mitocondrias a partir del ADP y los Pi con la energía tomada de la ruptura de moléculas complejas como la glucosa, que a su vez deriva de los alimentos ingeridos.

La Glucosa (C₆ H₁₂ O₆) es el combustible básico para la obtención de energía, muchos otros compuestos sirven como alimento, pero casi todos son transformados a glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones graduales, reguladas enzimáticamente, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico (ingresado por respiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las citadas moléculas para formar H₂O. En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas porciones de energía que son capturadas para formar el ATP. Si las oxidaciones son fueran graduales, la energía se liberaría de manera violenta y se dispersaría como calor.

En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesos metabólicos:

	GLUCÓLISIS: ocurre en el citosol, donde cada molécula de glucosa, con sus 6 átomos de Carbono, da lugar a dos moléculas de piruvato (de 3 átomos de Carbono). Se invierten dos ATP pero se generan cuatro.
	RESPIRACIÓN CELULAR: ocurre cuando el ambiente es aerobio (contiene O2) y el piruvato se transforma en dióxido de Carbono (CO2) liberando la energía almacenada en los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP.
	FERMENTACIÓN: cuando el O2 está ausente, ambiente anaerobio, en lugar de producir CO2 se producen otras moléculas como el ác. láctico o el etanol.

Metabolismo

Cada célula desarrolla miles de reacciones químicas que pueden ser exergónicas (con liberación de energía) o endergónicas (con consumo de energía), que en su conjunto constituyen el METABOLISMO CELULAR. Si las reacciones químicas dentro de una célula están regidas por las mismas leyes termodinámicas ... entonces cómo se desarrollan las vías metabólicas?

1. Las células asocian las reacciones: las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas.

2. Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones endergónicas.

3. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS.

Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el: ATP, trifosfato de adenosina. Las células lo usan para capturar, transferir y almacenar energía libre necesaria para realizar el trabajo químico. Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA.

La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y P_i. Esta energía puede usarse para:

	obtener energía química: por ejemplo para la síntesis de macromoléculas;
	transporte a través de las membranas
	trabajo mecánico: por ejemplo la contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos, movimiento de los cromosomas, etc.

El ATP es un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato.

La actividad vital se manifiesta a través del metabolismo, las reacciones pueden ser de dos tipos:

Reacciones anabólicas: destinadas a formar moléculas propias, por lo general son reacciones de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples. Esta reacción requiere energía.

Reacciones catabólicas: implican la disgregación y oxidación de las biomoléculas, con su consecuente destrucción, obteniéndose energía en forma de ATP en el proceso. Esta energía es la usada en las reacciones anabólicas.

La mayor parte de los usos de la energía en las células vivas comprenden pares de reacciones asociadas con enlaces ATP. En la primera reacción la energía liberada por medio de una reacción exergónica produce la síntesis de ATP, en la segunda, la hidrólisis del ATP produce una reacción endergónica que requiere energía.

Cada reacción acoplada es catalizada por una enzima específica que coloca a las moléculas a los canales de energía de ATP de manera adecuada.

El ATP es usado como donante de energía en muchas reacciones anabólicas (de síntesis) acoplándose a las mismas en manera tal que el G sea negativo y la reacción se produzca espontáneamente.

Redacción: Ana M. Gonzalez ana@unne.edu.ar & Dr. Jorge Raisman lito@unne.edu.ar
Actualizado: Viernes, 30 de Septiembre de 2005

XXI Olimpiada Estatal de Biología 2011

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Origen de la vida

Experimento de Stanley Miller y Harold Urey

Harold Urey y Stanley Miller. En 1954, los científicos norteamericanos Harold Urey y Stanley Miller examinaron la hipótesis de que procesos al azar pudieran producir moléculas orgánicas complejas. Elos usaron und aparato en el que se puso a circular una mezcla de amoniaco, metano, hidrógeno y vapor de agua; de tiempo en tiempo, se pasaba una descarga eléctrica, como si fuera un relámpago, a través de los gases. Los biólogos se asombraron con los resultados: al cabo de una semana, se habían producido varios aminoácidos en el aparato. Si los científicos estaban en lo cierto acerca de la composición de la atmósfera primitiva, los compuestos orgánicos que encontramos en los seres vivos podían haber aparecido muy pronto después de que se formó la Tierra.

Otros experimentos hechos mas tarde han dado resultados similares; en algunos experimentos se usaron mezclas de gases similares a la mezcla de Urey y Miller, y en otros se usaron soluciones que representaban la sopa primordial; en algunos de los experimentos se obtuvieron diferentes compuestos orgánicos complejos, incluyendo ATP. Entre los productos de sus experimentos, el científico americano Cyril Ponnamperuma y sus colaboradores encontraron adenina, una de las bases del DNA. En otros experimentos se han formado compuestos, tales como el cianuro de hidrógeno (HCN) y el formaldehído (H₂CO). Estos dos compuestos pueden llevar a la formación de otros compuestos que se encuentran en todo lo viviente. Cuando el cianuro de hidrógeno se disuelve en agua y se expone a varias formas de energía, forma proteínas; las reacciones donde interviene el formaldehído pueden formar azúcares similares a las que encontramos en el DNA y el RNA. Cuando se le añaden compuestos de fósforo a una mezcla de bases y azúcares, se forman pedazos cortos de ácidos nucleicos.

Los experimentos de estos y otros científicos no prueban que los eventos ocurridos en el laboratorio son los mismos que llevaron al desarrollo de la vida. Sin embargo, sí es la evidencia de que las moléculas complejas que encontramos en los organismos pudieron haberse formado de los materiales que existían en la Tierra primitiva.

Oparin describió la forma en que pudieron formarse algunos compuestos complejos. También describió cómo pudieron ser separados del ambiente por algunas membranas los compuestos originales de la vida. Señaló que las mezclas de compuestos orgánicos pueden formar agrupaciones que él llamó coacervados. Un coacervado es un grupo de gotas microscópicas que se forman por atracción entre moléculas; de una mezcla de proteínas y azúcar en agua, se pueden formar coacervados, las gotas en el interior son moléculas de proteínas, las moléculas de agua forman la capa exterior de estas gotas; esta capa actúa, mas o menos como una membrana celular. Los coacervados pueden intercambiar materiales con su ambiente, a través de esta capa limitante, en la misma forma que lo hace una célula. Para Oparin, estas gotas sugerían la forma de una célula. Igual que la célula, cada gota puede considerarse como distinta y separada de las demás.

Estos grupos de moléculas encapsuladas que contienen agua, proteínas, azúcares y ácidos nucleicos pudieron haber crecido obteniendo materiales del ambiente. Al tomar materiales del ambiente, estas moléculas pudieron haberse duplicado. Finalmente, las gotas que se desprendían pudieron haber formado copias exactas del grupo completo de moléculas encapsuladas. Muchos biólogos consideran que estas unidades pudieron haber evolucionado y convertirse en las primeras células, sin embargo, ellos señalan que esta hipótesis describe solamente lo que pudo haber pasado.