Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas

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APUNTES BIOQUÍMICA Grado en Medicina Universidad Internacional de Cataluña AprenAI 2026-2027 Apuntes de Bioquímica para Medicina sobre catabolismo, anabolismo, obtención de ATP, intermediarios redox, cinética enzimática y mecanismos de regulación.

APREN.AI Índice 1 Fundamentos del metabolismo y bioenergética del ATP Concepto y objetivos del metabolismo Transferencia de fosfatos y producción celular de ATP 2 Reacciones redox, coenzimas e intermediarios electrónicos Principios de oxidorreducción biológica Coenzimas transportadoras de electrones 3 Cinética enzimática y mecanismos de regulación metabólica Propiedades y cinética de las enzimas Organización y control de las rutas metabólicas 4 Resumen para repasar Bioenergética y vías metabólicas Oxidorreducción y coenzimas Cinética y regulación enzimática Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 1 1 Fundamentos del metabolismo y bioenergética del ATP AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las funciones energéticas y termodinámicas del catabolismo frente al anabolismo. Explicar el papel del ATP y el sistema de fosfocreatina en la transferencia rápida de fosfatos. Identificar las tres estrategias celulares para la obtención de ATP. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué un músculo que realiza un sprint de 10 segundos no depende de sus mitocondrias para contraerse?

Concepto y objetivos del metabolismo El metabolismo integra la totalidad de las transformaciones químicas y procesos que suceden simultáneamente en el interior celular. Estas rutas permiten obtener energía en forma de ATP mediante la degradación de nutrientes, generar y renovar tejidos, impulsar la transducción de señales, realizar el transporte activo de iones a través de membranas y ejecutar trabajo mecánico como la contracción muscular.

DEFINICIÓN El metabolismo comprende dos ramas conectadas de manera continua: el catabolismo, que descompone moléculas complejas en simples liberando energía libre mediante reacciones exergónicas favorables, y el anabolismo, que sintetiza moléculas complejas a partir de precursores sencillos con consumo de ATP mediante reacciones endergónicas desfavorables. Dentro del entramado metabólico destaca el acetil-CoA como intermediario central. Las rutas catabólicas son de naturaleza convergente porque degradan diversos nutrientes hacia acetil-CoA, mientras que las vías anabólicas son divergentes al utilizar dicho precursor para construir distintas macromoléculas.

ESQUEMA Organización general del metabolismo celular Catabolismo Degrada nutrientes y libera energía Ruta convergente Varios sustratos forman acetil- CoA Anabolismo Sintetiza componentes y consume energía Ruta divergente Acetil-CoA deriva a distintas moléculas Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 2 Transferencia de fosfatos y producción celular de ATP El trifosfato de adenosina (ATP) funciona como la moneda energética principal de la célula. La rotura del enlace fosfoanhídrido del fosfato gamma (el más externo) libera 7,3 kcal/mol.

Este fosfato terminal se transfiere acopladamente a moléculas diana, como sucede al fosforilar la glucosa para formar glucosa 6-fosfato al inicio de su degradación. Mecanismo de síntesis Localización / Requerimiento Características principales Fosforilación oxidativa Requiere mitocondrias Es el proceso más complejo de generación de ATP acoplado a cadenas de transporte electrónico. Fosforilación a nivel de sustrato Citosol / Sin mitocondrias requeridas Permite producir ATP directamente durante rutas como la glucólisis, garantizando un balance neto positivo.

Sistema de creatina / fosfocreatina Fibras musculares blancas Aporte ultra rápido para esfuerzos intensos de corta duración (bucle funcional de unos 30 segundos). En el músculo esquelético en reposo, el ATP cede su fosfato terminal a la creatina, generando fosfocreatina y ADP. Cuando sobreviene una contracción intensa, la fosfocreatina acumulada transfiere de vuelta su grupo fosfato al ADP naciente, reponiendo rápidamente el ATP necesario para continuar el trabajo contráctil. ERROR FRECUENTE Confundir la fosforilación oxidativa con la fosforilación a nivel de sustrato.

La primera exige compartimentación mitocondrial y gradientes electrónicos, mientras que la segunda ocurre sin intervención mitocondrial mediante transferencia directa de un fosfato al ADP, tal y como sucede en la glucólisis citoplásmica. COMPRUEBA 2 ¿Por qué las células musculares blancas dependen en gran medida del sistema de fosfocreatina para esfuerzos breves? Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 3 IDEAS CLAVE El metabolismo acopla el catabolismo degradativo y exergónico con el anabolismo biosintético y endergónico. El acetil-CoA constituye la encrucijada metabólica donde convergen las vías catabólicas y divergen las anabólicas.

La hidrólisis del fosfato gamma del ATP libera 7,3 kcal/mol para impulsar reacciones no espontáneas. El ATP se obtiene por fosforilación oxidativa, a nivel de sustrato o mediante el amortiguador temporal de fosfocreatina. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 3. ¿Qué diferencia termodinámica existe entre catabolismo y anabolismo? 4. ¿Cuál es el papel del sistema creatina/fosfocreatina durante el reposo y la contracción? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 5. ¿Cuánta energía libre libera la hidrólisis del tercer fosfato del ATP? 6. ¿Cuál es la característica principal de las rutas convergentes respecto al acetil-CoA? 7.

¿Qué mecanismo sintetiza ATP sin requerir orgánulos mitocondriales en la glucólisis? 8. ¿Cuánto tiempo dura aproximadamente el bucle de regeneración de ATP por fosfocreatina?

14,6 kcal/mol a) 7,3 kcal/mol b) 3,5 kcal/mol c) 12,0 kcal/mol d) Sintetizan lípidos complejos a) Consumen ATP continuamente b) Generan acetil-CoA degradando macromoléculas c) Ocurren exclusivamente en el núcleo d) Fosforilación a nivel de sustrato a) Transporte activo secundario b) Cadena respiratoria c) Fosforilación oxidativa d) 5 segundos a) 10 minutos b) 1 hora c) 30 segundos d) Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 4 2 Reacciones redox, coenzimas e intermediarios electrónicos AL ACABAR SABRÁS Definir con precisión los conceptos de oxidación, reducción, agente reductor y oxidante. Distinguir el destino y función metabólica del NADH frente al NADPH.

Identificar el papel del FADH en las reacciones de transporte electrónico. PIÉNSALO ANTES DE LEER 9 ¿Por qué cuando una molécula gana electrones se dice que se 'reduce'? Principios de oxidorreducción biológica Las oxidaciones y reducciones suceden siempre de forma simultánea e indisociable. Un proceso de oxidación implica la pérdida de electrones por parte de un compuesto químico, el cual actúa consecuentemente como agente reductor. A la inversa, una reducción representa la ganancia de electrones por una molécula, que al capturarlos se comporta como agente oxidante. Esquema del flujo electrónico acoplado entre moléculas reductoras y oxidantes.

Coenzimas transportadoras de electrones En el metabolismo existen mediadores químicos especializados encargados de almacenar y transportar electrones y equivalentes de reducción hacia diferentes destinos celulares: NADH / NAD : Transportador capaz de ceder dos electrones. Desempeña una función fundamental transportando equivalentes hacia la fosforilación oxidativa para sintetizar ATP. FADH / FAD: Es el cofactor flavínico reducido que pierde dos electrones al reoxidarse a FAD, participando con características metabólicas diferenciadas frente al NADH. NADPH / NADP : Se utiliza principalmente como poder reductor en vías de biosíntesis, destacando su intervención en la síntesis de ácidos grasos.

Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 5 PARA RECORDARLO NADH y FADH suministran electrones destinados a la producción de ATP mediante la cadena respiratoria, mientras que el NADPH reserva su carga reductora para la construcción de moléculas complejas, como los ácidos grasos. ERROR FRECUENTE Asignar NADPH a la generación directa de ATP en la mitocondria. El NADPH no cede sus electrones habitualmente a la cadena respiratoria; su destino principal es aportar electrones en reacciones anabólicas biosintéticas. COMPRUEBA 10 ¿Qué le ocurre a una sustancia reductora cuando ejerce su acción sobre otra molécula?

IDEAS CLAVE Oxidar consiste en perder electrones y reducir radica en ganarlos de manera emparejada. El NADH transfiere dos electrones clave para la fosforilación oxidativa. El FADH corresponde a la forma reducida que puede ceder dos electrones. El NADPH aporta el poder reductor requerido en rutas anabólicas como la síntesis de lípidos. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 11. ¿Cuál es la función metabólica diferenciada del NADPH frente al NADH? 12. ¿Por qué un agente oxidante queda reducido tras una reacción biológica? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 13. ¿Qué cambio experimenta químicamente una molécula al oxidarse? 14.

¿Cuántos electrones es capaz de ceder directamente el NADH? 15. ¿En qué vía participa de forma predominante la coenzima NADPH? Capta agua a) Forma un enlace peptídico b) Pierde electrones c) Gana protones d) 1 electrón a) 4 electrones b) 3 electrones c) 2 electrones d) Síntesis de ácidos grasos a) Glucólisis anaerobia b) Fosforilación oxidativa c) Ciclo de la fosfocreatina d) Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 6 16. ¿Cuál es la forma oxidada correspondiente al dinucleótido FADH ? 3 Cinética enzimática y mecanismos de regulación metabólica AL ACABAR SABRÁS Definir el centro activo, la velocidad máxima y la constante Km en la acción enzimática.

Analizar el impacto del cambio en la energía libre de Gibbs en la irreversibilidad de una ruta. Comparar los cuatro mecanismos celulares de regulación enzimática (alosterismo, covalente, hormonal y genético). PIÉNSALO ANTES DE LEER 17 ¿Por qué una célula no permite que todas sus reacciones sean reversibles en las mismas condiciones? Propiedades y cinética de las enzimas Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran la velocidad de las reacciones químicas celulares mediante la reducción de la energía de activación. Sin la presencia del catalizador, la reacción podría ocurrir pero a una velocidad inviable para el mantenimiento de la vida celular.

Cada enzima dispone de un centro activo específico, cavidad donde se une e interacciona el sustrato. Las enzimas operan bajo una marcada especificidad de sustrato y se definen según dos propiedades cinéticas principales: Organización y control de las rutas metabólicas El metabolismo se estructura en rutas metabólicas conformadas por secuencias continuas de reacciones donde cada etapa cuenta con su propia enzima catalizadora. Aunque existen enzimas individuales que realizan reacciones reversibles entre dos intermediarios (como sucede en etapas compartidas entre glucólisis y gluconeogénesis), la ruta completa considerada globalmente es irreversible.

FAD a) NAD b) NADP c) Acetil-CoA d) Velocidad de reacción: Cantidad de unidades de sustrato transformadas por unidad de tiempo. Llega a una meseta o velocidad máxima cuando el sustrato satura los centros activos. 1 Afinidad por el sustrato: Viene cuantitativamente expresada por la constante K_m, definida como la concentración de sustrato requerida para alcanzar exactamente la mitad de la velocidad máxima. 2 Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 7 La espontaneidad termodinámica de estas vías depende de la energía libre de Gibbs ( ). Un cambio con negativo caracteriza a una reacción favorable y exergónica, mientras que un valor positivo exige aporte energético externo.

Las vías suelen iniciarse con una reacción crítica irreversible muy regulada que presenta una caída termodinámica favorable garantizando el sentido hacia delante. Las vías presentan una estricta especificidad según el orgánulo celular donde operan, el tipo de tejido e incluso el órgano considerado (las rutas y proteínas del cerebro, hígado o corazón divergen notablemente para cubrir demandas fisiológicas particulares). Nivel de regulación Mecanismo efector Regulación alostérica Unión de metabolitos (sustratos o productos) a centros alostéricos ajenos al centro activo. Puede ser positiva (induce conformación activa afín) o negativa (bloquea el reconocimiento del sustrato).

Modificación covalente Fosforilación o desfosforilación enzimática para encender, apagar o modificar la actividad catalítica. Regulación hormonal Acción de mensajeros sistémicos en respuesta a señales globales del organismo, destacados notablemente por la insulina y el glucagón. Regulación genética Señales extracelulares transmitidas al núcleo celular para modular la expresión génica enzimática. ERROR FRECUENTE Creer que una constante elevada significa gran afinidad hacia el sustrato. Es exactamente al revés: cuanto mayor es la concentración de sustrato necesaria para alcanzar , menor es la afinidad de la enzima por su sustrato.

COMPRUEBA 18 ¿En qué se diferencian la regulación alostérica y la modificación covalente de una enzima? PROCESO Mecanismo general de la catálisis enzimática 1 Sustrato li bre Molécula antes del re conocimiento químico 2 Unión es pecífica Interacción encajada en el centro activo 3 Baja acti vación Reducción de la ba rrera energética 4 Liberación de productos Enzima recupera su estado libre inicial ΔG ΔG K m V 2 1 m x a ˊ Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 8 IDEAS CLAVE Las enzimas aceleran las reacciones disminuyendo la energía de activación sin alterar el equilibrio global.

La constante Km mide la afinidad enzimática y señala la concentración de sustrato a la mitad de la velocidad máxima. Una ruta metabólica globalmente es irreversible aunque integre reacciones reversibles aisladas. El flujo de las rutas se modula por control alostérico, modificaciones covalentes, hormonas (insulina/glucagón) y a nivel transcripcional. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 19. ¿Qué representa el valor de Km en el estudio cinético de una enzima? 20. ¿Por qué la primera reacción de una ruta metabólica suele ser irreversible y fuertemente regulada? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 21.

¿Cómo actúa una enzima sobre la energía de activación de un proceso químico? 22. ¿A qué velocidad trabaja una enzima cuando el sustrato iguala el valor de su Km? 23. ¿Qué par de hormonas coordinan la regulación metabólica sistémica? 24. ¿Qué consecuencia tiene un efector alostérico negativo sobre la enzima?

La mantiene invariable a) La aumenta notablemente b) La reduce c) La iguala a cero d) A velocidad nula a) A la velocidad máxima b) A un cuarto de la velocidad c) A la mitad de la velocidad máxima d) Prolactina y oxitocina a) Estrógeno y progesterona b) Tiroxina y melatonina c) Insulina y glucagón d) Aumenta la velocidad máxima a) Fosforila el centro catalítico b) Impide que el centro activo reconozca sustrato c) Destruye la cadena peptídica d) Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 9 4 Resumen para repasar Bioenergética y vías metabólicas Concepto Definición clave Metabolismo Conjunto de todas las transformaciones químicas y procesos que ocurren simultáneamente en el organismo y en la célula.

Catabolismo Vía degradativa convergente de moléculas complejas a simples, exergónica y favorable que libera energía en forma de ATP. Anabolismo Vía biosintética divergente de moléculas simples a complejas, endergónica y no espontánea que consume ATP. Acetil-CoA Intermediario metabólico central hacia el que convergen las vías catabólicas y desde el que divergen las anabólicas. ATP Moneda energética celular cuya hidrólisis del enlace del fosfato gamma libera 7,3 kcal/mol para realizar trabajo celular. Fosforilación a nivel de sustrato Síntesis de ATP independiente de mitocondrias que ocurre de forma directa durante la glucólisis citoplásmica.

Sistema creatina / fosfocreatina Reserva energética en fibras musculares blancas que regenera ATP en ejercicios intensos y breves mediante un bucle de ~30 segundos. Oxidorreducción y coenzimas Concepto Definición clave Oxidación Proceso químico consistente en la pérdida de electrones, realizado por un agente reductor que se oxida. Reducción Proceso químico consistente en la ganancia de electrones, llevado a cabo por un agente oxidante que se reduce. NADH Forma reducida capaz de donar dos electrones orientados a la fosforilación oxidativa mitocondrial para formar ATP. FADH Forma reducida flavínica que cede dos electrones en procesos respiratorios diferenciándose cinéticamente del NADH.

NADPH Coenzima reductora utilizada de forma prioritaria en rutas biosintéticas y anabolismo de ácidos grasos. Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 10 Cinética y regulación enzimática Concepto Definición clave Enzima Catalizador biológico que incrementa la velocidad de reacción disminuyendo la energía de activación necesaria. Centro activo Región específica de la enzima a la que se une selectivamente el sustrato para ser transformado. Constante Concentración de sustrato a la cual la enzima alcanza la mitad de su velocidad máxima, inversamente proporcional a la afinidad.

Ruta metabólica Secuencia enzimática multietapa globalmente irreversible orientada por una reacción inicial crítica fuertemente exergónica. Regulación alostérica Modulación enzimática por unión no covalente de activadores o inhibidores a sitios diferentes del centro catalítico. Modificación covalente Activación o inhibición enzimática regulada mediante fosforilación o desfosforilación proteica reversible. Control hormonal y genético Señales endocrinas sistémicas (insulina y glucagón) y factores transcripcionales nucleares que regulan la maquinaria celular. K m Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 11 Soluciones de las preguntas de repaso 1.

Porque las vías oxidativas mitocondriales son lentas y la fibra recurre a reservas citoplasmáticas de fosfocreatina y glucólisis para aportar ATP inmediato. 2. Porque carecen prácticamente de mitocondrias y necesitan generar ATP inmediato para sostener contracciones muy rápidas e intensas durante unos 30 segundos. 3. El catabolismo está compuesto por reacciones exergónicas favorables que liberan energía libre, mientras que el anabolismo consta de reacciones endergónicas que consumen ATP. 4. En reposo almacena enlaces de alta energía al transferir un fosfato del ATP a la creatina; durante la contracción, la fosfocreatina fosforila rápidamente al ADP para regenerar ATP de inmediato. 5.

b) 7,3 kcal/mol. La hidrólisis del enlace fosfato gamma del ATP libera 7,3 kcal/mol aprovechables por la célula. 6. c) Generan acetil-CoA degradando macromoléculas. El catabolismo converge desde diferentes nutrientes hacia la formación común de moléculas de acetil-CoA. 7. a) Fosforilación a nivel de sustrato. La fosforilación a nivel de sustrato transfiere un fosfato directamente al ADP sin requerir mitocondrias. 8. d) 30 segundos. El sistema amortiguador de creatina y fosfocreatina sostiene el aporte rápido de energía durante unos 30 segundos. 9. Porque la ganancia de electrones (con carga negativa) reduce numéricamente su estado de oxidación formal. 10.

Dona electrones a la otra molécula y, en consecuencia, ella misma queda en estado oxidado. 11. El NADPH se destina al anabolismo reductor, como la síntesis de ácidos grasos, mientras que el NADH traslada electrones hacia la síntesis de ATP en la fosforilación oxidativa. 12. Porque para oxidar a otra molécula debe captar y aceptar los electrones procedentes de ella. 13. c) Pierde electrones. La definición fundamental de oxidación química es la pérdida neta de electrones. 14. d) 2 electrones. El NADH transfiere de manera coordinada dos electrones en las reacciones de oxidorreducción celular. 15. a) Síntesis de ácidos grasos.

El NADPH actúa específicamente como dador reductor en biosíntesis como la de los ácidos grasos. 16. a) FAD. El FADH al perder sus electrones equivalentes de reducción pasa a su estado oxidado FAD. 17. Porque si todas las etapas fueran bidireccionales y desreguladas, la célula no podría orientar el flujo neto de materia según sus necesidades energéticas. 18. La alostérica se basa en la unión no covalente de un metabolito a un sitio regulador, mientras que la modificación covalente altera químicamente la proteína añadiendo o retirando grupos funcionales, como un fosfato. 19.

Representa la concentración de sustrato a la cual la enzima trabaja a la mitad de su velocidad máxima ( ), sirviendo como índice inverso de afinidad. 20. Porque al poseer un marcadamente negativo, compromete a los metabolitos a recorrer la secuencia en un único sentido e impide ciclos fútiles. V 2 1 m x a ˊ ΔG Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 12 21. c) La reduce. Las enzimas catalizan las reacciones celulares acelerándolas al disminuir la energía de activación. 22. d) A la mitad de la velocidad máxima. Por definición, la Km es la concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de la Vmáx. 23. d) Insulina y glucagón.

La insulina y el glucagón actúan como los reguladores endocrinos centrales del metabolismo. 24. c) Impide que el centro activo reconozca sustrato. La regulación alostérica inhibitoria altera la conformación del centro activo impidiendo el reconocimiento del sustrato. Introducción al Metabolismo: Bioenergética y Enzimas 13