OH ATP energía Pi ADP + → ++

TEMA 11: METABOLISMO: CATABOLISMO
1. Introducción al metabolismo
Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas celulares mediante las cuales la célula intercambia
materia y energía con el entorno. También se le llama metabolismo intermediario porque el
intercambio se produce a través de una serie de etapas formando rutas metabólicas en las que
intervienen numerosos compuestos intermedios o metabolitos.
Comprende dos fases:
•
•
Catabolismo o destrucción: Proceso mediante el cual las moléculas orgánicas complejas se
desdoblan en otras más sencillas o inorgánicas liberando energía que se almacena en el ATP.
Anabolismo o construcción: Proceso de formación de moléculas orgánicas complejas a
partir de otras sencillas utilizando el ATP obtenido en el catabolismo o en otros procesos
químicos como fotosíntesis o quimiosíntesis. Este proceso normalmente necesita oxígeno
para recibir los electrones en último lugar: Organismos aerobios. Los animales que utilizan
otra molécula como aceptor final de electrones son anaerobios.
Las reacciones en las que se libera energía, como en el catabolismo, son reacciones exergónicas.
Aquellas que necesitan energía para que se produzcan, como el anabolismo, son endergónicas.
El ATP contiene gran cantidad de energía en sus enlaces, de tal forma que al romperse los enlaces se
puede liberar una gran cantidad de energía que puede ser transferida a otras moléculas que
intervienen en una reacción endergónica.
La energía se libera como electrones que se ceden mediante reacciones de oxidación-reducción
dando lugar a la formación de ATP.
ATP + H 2O ←
→ ADP + Pi + energía(7 Kcal / mol )
El ATP actúa como una moneda de energía, pero no se puede acumular en grandes cantidades. Las
reservas generales son especialmente glúcidos y grasas. Estas sustancias son degradadas en el
catabolismo para recargar el ATP, cuyo procese más importante es la respiración celular, que
consiste en la degradación por oxidación de sustancias orgánicas con la liberación de la energía
química que estaba almacenada en sus enlaces.
Las reacciones de oxidación-reducción consisten en una pérdida de electrones por deshidrogenación
construyendo sistemas redox (óxido-reducción). Si un compuesto se oxida es necesario que otro
acepte los electrones y se reduzca. La transferencia de electrones e unos sistemas redox a otros hace
que se libere energía que se utiliza para sintetizar ATP.
ADP + Pi + energía → ATP + H 2 O
Este proceso se llama: Fosforilación oxidativa.
Pero el ATP también se puede obtener mediante la fosforilación a nivel de sustrato: Algunos
compuestos fosfatados pueden ceder su grupo fosfato directamente al ADP, sin necesidad de un
transporte de electrones, como ocurre, por ejemplo, en la glucólisis.
R − P + ADP → ATP + R
En las células tienen lugar miles de reacciones químicas, cada una catalizada por una enzima, que se
producen simultáneamente siguiendo unas rutas metabólicas en las que el producto de una reacción
1
sirve de sustrato a la reacción siguiente. A veces, unas rutas enlazan con otras formando complejas
redes metabólicas. Algunos compuestos formados en las rutas metabólicas pueden intervenir tanto
en procesos anabólicos como catabólicos.
La energía liberada en el catabolismo se utiliza en diversos procesos como el anabolismo, la
generación de calor y el transporte activo.
1.1. Tipos de metabolismo
Según cual sea la fuente de carbono se distinguen los siguientes tipos:
• Metabolismo autótrofo: Seres autótrofos.
• Metabolismo heterótrofo: Seres heterótrofos.
a) Seres autótrofos
Se nutren exclusivamente de materia inorgánica y realizan reacciones anabólicas para
transformarla en materia orgánica a partir de la energía que toman del medio. La fuente de
carbono es el CO2 atmosférico. Según la fuente de energía que utilicen se distinguen:
• Quimiosintéticos: La fuente de energía (ATP) procede de la energía que se desprende en
reacciones químicas inorgánicas. Es propia de bacterias quimiosintéticas.
• Fotosintéticos: Utilizan la energía lumínica y mediante fotosíntesis la transforman en
energía química. Bacterias fotosintéticas, cianofíceas, algas, vegetales.
b) Seres heterótrofos
Se nutren básicamente de materia orgánica que toman del medio. La fuente de energía es el ATP
obtenido en el catabolismo. Es propia de la mayoría de las bacterias, hongos y células animales. Las
bacterias purpúreas no sulfúreas son heterótrofas fotosintéticas.
2. Catabolismo
Durante el catabolismo se transforman las macromoléculas en moléculas más sencillas liberándose
energía que se utiliza en la síntesis de ATP, que luego se utilizará para el anabolismo, el
movimiento,…
Estas reacciones son, en su mayoría, de oxidación-reducción y son catalizadas por enzimas
deshidrogenasas.
AH + B → A + H + + e − + B → A + BH
( oxidado )
( reducido )
Antes de llegar al aceptor final, los protones pasan por una serie de transportadores entre los que
destacan las coenzimas de las deshidrogenasas (NAD, NADP, FAD).
Antes de llegar al aceptor final, los electrones pasan por una serie de transportadores que son los
citocromos.
Existen dos tipos de catabolismo:
a) Fermentación: Tanto el dador como el aceptor de electrones son moléculas orgánicas. Es un
proceso anaerobio en el que las moléculas resultantes son orgánicas. Por ejemplo, durante la
fermentación alcohólica, la glucosa se transforma en alcohol etílico y durante la láctica en
ácido láctico. Se obtiene ATP a nivel de reacción.
b) Respiración: El dador de electrones es una molécula orgánica, mientras que el aceptor final
es inorgánico. Si es el O2 → Respiración aerobia.
Si es otra molécula distinta al O2 →Respiración anaerobia.
Las moléculas resultantes son inorgánicas: CO2, H2O, NH3,…
El ATP se obtiene a nivel de reacción, pero también en la cadena respiratoria, por lo que es mucho
más rentable.
Según cual sea la naturaleza de la molécula orgánica catabolizada se distinguen 3 tipos de
catabolismo: Catabolismo de glúcidos, catabolismo de lípidos y catabolismo de prótidos
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2.1. Catabolismo de glúcidos: Respiración celular
Mediante la digestión, los animales desdoblan los polisacáridos y disacáridos ingeridos en el
alimento en monosacáridos, de los cuales la glucosa es el más abundante. También se obtiene
glucosa por desdoblamiento del glucógeno almacenado en el hígado y los músculos, y de otros
compuestos. En vegetales, la glucosa se obtiene de la fase oscura de la fotosíntesis, o del almidón, o
de otros compuestos. Posteriormente la glucosa es transportada por la sangre o la savia hasta las
células par ser degradada totalmente. Esto se produce en 3 etapas:
• Glucólisis
• Fase intermedia: Ciclo de Krebs
• Cadena de transporte electrónico acoplada a la fosforilación oxidativa
La reacción global de la respiración celular es:
C6 H 12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H 2 O + 266 Kcal
2.1.1. Glucólisis
Se realiza en el citosol y es un proceso anaerobio (al igual que todo lo que ocurre en el hialoplasma)
y consiste en la degradación parcial de una molécula de glucosa para obtener dos moléculas de ácido
pirúvico, 2 ATP y 2 (NADH + H+). Sirve para obtener energía.
Se pueden diferenciar dos fases:
a) Fase preparatoria: Consta de 5 etapas en las que se gastan 2 ATP:
1. La glucosa es fosforilada a glucosa 6-fosfato con consumo de un ATP.
2. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato.
3. Con el gasto de otro ATP, la fructosa-6-fosfato se fosforila a fructosa-1,6-difosfato.
4. La fructosa-1,6-difosfato se hidroliza en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.
5. Solo el gliceraldehído-3-fosfato puede seguir la ruta glucolítica, pero la dihidroxiacetona se
puede isomerizar a gliceraldehído-3-fosfato, por lo que a partir de esta etapa los siguientes
pasos se multiplican por dos.
b) Fase de beneficio: Consta de 5 etapas en las que se recogen los beneficios de 4 moléculas de
ATP que se forman por un proceso de fosforilación a nivel de sustrato:
6. El gliceraldehído-3-fosfato, se convierte en 1,3-difosfoglicerato. Esta etapa es básica y la
primera en la que la célula obtiene energía. Parte de esta energía se conserva en el grupo
fosfato del carbono 1 del 1,3-difosfoglicerato; y otra parte en el poder reductor del NADH +
H+ que se genera en este paso.
7. El 1,3-difosfoglicerato cede un grupo fosfato al ADP formándose ATP y 3-fosfoglicerato.
8. El grupo fosfato pasa del carbono 3 al carbono 2.
9. Por deshidratación se forma fosfoenolpiruvato con un doble enlace, y la reorganización de la
molécula concentra más energía junto al grupo fosfato.
10. El fosfato es transferido al ADP, formándose otra molécula de ATP y piruvato.
Así en la glucólisis se consumen 2 ATP y se obtienen 4 ATP más 2 NADH + H+, y el balance
global es:
(
)
glu cos a + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + H + + 2 H 2O
3
2.1.2. Destino del piruvato
El piruvato se encuentra al final de la glucólisis en una encrucijada metabólica en la que su destino
depende del tipo de célula y de la disponibilidad de oxígeno.
En condiciones anaerobias, el piruvato sigue la vía de las fermentaciones reduciéndose, con
consumo de NADH + H+, a otros compuestos orgánicos como el etanol o el lactato.
En condiciones aerobias, el piruvato entra en las mitocondrias y es oxidada completamente a CO2 y
H2O, a través del Ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.
2.1.3. Fase intermedia: Ciclo de Krebs
También recibe el nombre de ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos.
Tiene lugar en el interior de la matriz mitocondrial.
Mediante este ciclo se degradará totalmente el piruvato para lo cual es necesario que atraviese la
doble membrana mitocondrial y se transforme en acetil-CoA mediante un proceso de
descarboxilación oxidativa. El acetil-CoA también puede proceder de la degradación de ácidos
grasos y aminoácidos.
4
El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs uniéndose al oxalacetato (4C) para dar citrato (6C) (ácido
cítrico). Este sufre sucesivas oxidaciones y pérdidas de CO2 hasta transformarse de nuevo en
oxalacetato que quedará libre para unirse a una nueva molécula de acetil-CoA.
La reacción global del ciclo de Krebs es:
Acetil − CoA + 3 NAD + FAD + GDP + PI + H 2 O → 2CO2 + 3 NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + CoA − SH
Aunque en ninguna de sus reacciones interviene el oxígeno, este ciclo sólo funciona en condiciones
aerobias porque requiere el aporte continuo de NAD y FAD que sólo se regeneran en la cadena
respiratoria.
El ciclo de Krebs también interviene en el anabolismo proporcionando intermediarios en la
biosíntesis de otras sustancias, como aminoácidos.
Balance final del ciclo de Krebs:
5
•
•
•
Paso previo: 1Piruvato → acetil − CoA + CO2 + NADH + H +
Ciclo de Krebs: 1Acetil − CoA → 2CO2 + 3 NADH + H + + FADH 2 + GTP
Balance total: 1Piruvato → 3CO2 + 4 NADH + 4 H + + FADH 2 + GTP
2.1.4. Cadena de transporte electrónico acoplada a la fosforilación oxidativa:
Cadena respiratoria
La cadena respiratoria está formada por una serie de transportadores localizados en las crestas
mitocondriales de la membrana interna de las mitocondrias. En ellas se realizan dos procesos
importantes que son el transporte electrónico y la fosforilación oxidativa (formación de ATP).
El transporte se inicia cuando una coenzima reducida (NADH + H+ o FADH2) se oxida al ceder los
dos hidrógenos a un transportador de la cadena. Estos transportadores se agrupan en 3 complejos.
Cada uno de ellos tiene un potencial red-ox más positivo que el anterior por lo que los electrones
descienden en cascada a niveles cada vez menores hasta llegar finalmente al oxígeno, lo que forma
H2O. El transporte se realiza a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción.
El NADH + H+ (NADH2) le cede los dos hidrógenos al complejo I (NAD-reductasa) y este se los
pasa a la coenzima Q, sin embargo, el FADH2 se los cede directamente a la coenzima Q. Esta
manda 2 H+ a la matriz y le pasa 2 electrones al complejo II (citocromo C-reductasa) que a su vez
se los envía al citocromo C y este al complejo III (citocromo C-oxidasa), que finalmente se los da
al O2. Esta fase es, por tanto, la única aerobia del catabolismo glucídico.
Durante el transporte de electrones se produce en tres puntos de la cadena (complejos I, II y III) una
translocación de protones (H+) que van desde la matriz al espacio intermembrana. Esto provoca la
aparición de un gradiente electroquímico ya que el espacio intermembrana se vuelve más ácido que
la matriz.
Según la teoría quimiosmótica, la energía liberada en el transporte de electrones se utiliza para
bombear protones del espacio intermembrana a la matriz y formar así ATP.
Este retorno de protones a la matriz se realiza a través de las ATP-sintetasas que aprovechan la
energía del gradiente para transformar ADP en ATP, y a este proceso se le llama fosforilación
oxidativa.
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Cada NADH2 que llega a la cadena respiratoria cede una pareja de electrones que, en su transporte,
libera energía suficiente para bombear 6H+ desde la matriz al espacio intermembrana, mientras que
el FADH2 sólo bombea 4H+. Por cada 2H+ que vuelven a la matriz a través de la ATP-sintetasa se
forma un ATP, por tanto 1 NADH2 origina 3 ATP y 1 FADH2 origina 2 ATP.
1NADH 2 → 3 ATP
1FADH 2 → 2 ATP
2.1.5. Balance energético del catabolismo aerobio de una glucosa
1. Balance energético de la glucólisis: 1glu cos a → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 2O
E = 2 + (2 * 3) = 8 ATP
2. Balance energético del ciclo de Krebs: 1Piruvato → 3CO2 + 4 NADH + 4 H + + FADH 2 + GTP
E = (4 * 3) + (1* 2) + 1 = 15 ATP
3. Balance total: Por cada glucólisis se realizan dos ciclos de Krebs, por lo que la energía total será:
Etotal = 8 + (2 *15) = 38 ATP
Cada ATP equivale aproximadamente a 7Kcal, por lo que la energía acumulada al degradarse la
glucosa será de 266Kcal.
2.2.Fermentaciones
Son procesos catabólicos en los que tanto el dador como el aceptor final de electrones son
compuestos orgánicos, por lo que la degradación no es total.
Es un proceso anaerobio y en él no interviene la cadena respiratoria.
Las fermentaciones son propias de microorganismos (levaduras y bacterias) aunque la fermentación
láctica también se realiza en el tejido muscular cuando el O2 es insuficiente.
Desde el punto de vista energético es mucho más rentable la respiración.
Ejemplo: 1 glucosa produce por respiración 38 ATP, mientras que por fermentación sólo 2 ATP.
Esto se debe a que los NADH2 en la fermentación no pasan a la cadena respiratoria sino que ceden
los 2 H a compuestos orgánicos.
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2.2.1. Fermentación láctica
Consiste en la transformación de lactosa en ácido láctico.
La realizan bacterias del género Lactobacillus, obteniéndose productos derivados de la leche: queso,
yogur,… También la realizan células musculares cuando falta O2: La glucosa se transforma en ácido
pirúvico y este cristaliza dando ácido láctico cuyos cristalitos producen las “agujetas”.
2.2.2. Fermentación alcohólica
Los azúcares fermentan para formar cerveza, vino o pan. Consiste en la transformación de una
glucosa en dos moléculas de etanol y dos de CO2. El proceso es común a la glucólisis, pero luego el
piruvato se descarboxila dando etanol. La realizan levaduras del género Saccharomyces.
2.3.Catabolismo de lípidos
En los animales superiores, las grasas tienen una gran importancia como combustibles. 1 g de grasa
proporciona 9 Kcal frente a 4.3 Kcal de los glúcidos.
Las lipasas rompen los enlaces tipo éster separando a los lípidos de sus componentes:
Triglicéridos → glicerina + 3ácidos grasos
Fosfoglicérido → glicerina + 2ácidos grasos + ácido fosfórico
Los esteroides y carotenoides no se degradan sino que sufren una desactivación funcional y son
excretados. En el catabolismo de lípidos la energía se obtiene principalmente mediante la oxidación
de los ácidos grasos.
2.3.1. β-oxidación de los ácidos grasos
Los ácidos grasos son degradados a acetil-CoA mediante la β-oxidación, que tiene lugar en la matriz
mitocondrial.
• Activación de los ácidos grasos: Antes de entrar en la matriz, el ácido graso tiene que ser
activado a Acil-CoA en el hialoplasma consumiendo ATP. Los acil-CoA son transportados a
través de la membrana mitocondrial interna con ayuda de la carnitina.
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•
β-oxidación: Ya en la matriz, el acil-CoA oxida su carbono β mediante una serie de reacciones y
como resultado se irá fragmentando en moléculas de 2 átomos de carbono que son el acetil-CoA.
Este, junto con el que procede del piruvato, ingresa en el ciclo de Krebs para degradarse
totalmente. El acil-CoA, con 2 carbonos menos seguirá sufriendo β-oxidaciones hasta que en la
última se formen 2 acetil-CoA. Se obtiene FADH2 y NADH + H+ que se oxidan en la cadena
respiratoria generando ATP.
2.3.2. Rendimiento energético de la β-oxidación
Ejemplo: β-oxidación del ácido palmítico: CH3 – (CH2)14 – COOH
Para que se oxide totalmente son necesarias 7 vueltas del ciclo β-oxidación, produciéndose en total 8
acetil-CoA.
CH 3 − (CH 2)14 − COOH + 8CoA − SH + ATP + 7 FAD + + 7 NAD + + 7 H 2O → 8(CH 3 − CO − S − CoA) + 7 FADH 2 + 7 NADH 2 + AMP + PPi
8acetil − CoA *12 ATP(ciclo de Krebs ) → 96 ATP
7 FADH 2 → 7 * 2 = 14 ATP
7 NADH 2 → 7 * 3 = 21ATP
Total: 96 + 14 + 21 = 131ATP
A los 131 ATP hay que restarle 1 ATP gastado al activar el ácido graso a acil-CoA, con lo que
quedan 130 ATP.
Kcal
130 * 7
= 910 Kcal
mol
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2.4.Catabolismo de proteínas
Aunque no son compuestos típicamente energéticos, su degradación proporciona energía. En el tubo
digestivo las proteínas se desdoblan en aminoácidos. Estos, por medio de la sangre, llegan a las
células y allí sufrirán distintos tipos de oxidación, dando productos que se degradarán totalmente en
el ciclo de Krebs. Hay 3 tipos:
1. Transaminación: Traspaso del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido, que lo
acepta y se transforma en otro aa.
2. Desaminación oxidativa: Consiste en la liberación del grupo amino de un aa en forma de
amoníaco y como consecuencia se forma un α-cetoácido que se degradará totalmente en el
ciclo de Krebs. Se produce NADH+H+ que puede entrar en la cadena respiratoria.
3. Descarboxilación: Degradación de aa mediante la pérdida del grupo carboxilo terminal en
forma de CO2 gracias al consumo del CoA. Previamente el aa debe haber perdido e grupo
amino. El producto puede incorporarse al ciclo de Krebs.
α − cetoácido + CoA − SH → R − CoA + CO2
2.5. Catabolismo de ácidos nucleicos
En el tubo digestivo los ácidos nucleicos se desdoblan en nucleótidos y estos en:
nucleótidos → pentosa + base nitrogenada + fosfato
•
•
•
Pentosa: Se degrada mediante la vía glucídica.
Fosfato: Parte se utiliza para la síntesis de ATP y parte es excretado por la orina.
Base nitrogenada: Es utilizada para la síntesis de nuevos nucleótidos o se degrada dando ácido
úrico, urea o amoníaco, que son eliminados por la orina.
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ESQUEMA SIMPLIFICADO DEL METABOLISMO
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