Catabolismo IES Bañaderos

Índice 1. Catabolismo ► Fases del catabolismo: ► Tipos de catabolismos según el aceptor final de electrones: ► Tipos de catabolismo según la molécula que se oxida: 2. Catabolismo de los glúcidos 2.1. Glucólisis 2.2. Fermentación 2.3. Respiración celular 3. Catabolismo de los lípidos 3.1. β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen 3.2. Balance energético del catabolismo de un ácido graso 4. Catabolismo de los protidos. (aminoácidos) 5. Panorámica general del catabolismo

Metabolismo Conjunto de procesos químicos que se producen en la célula, calalizados por enzimas y que tienen como objetivo la obtención de materiales y y energía para sustentar las diferentes funciones vitales

Metabolismo Catabolismo Anabolismo exergónico endergónico

En el catabolismo suelen distinguirse tres fases: Es el conjunto de reacciones metabólicas que tienen por objeto obtener energía a partir de compuestos orgánicos complejos que se transforman en otros más sencillos. En el catabolismo suelen distinguirse tres fases: Ejemplos: Respiración celular aerobia, las fermentaciones, glucolisis, la beta-oxidación de los ácidos grasos, el ciclo de Krebs, la fermentación láctica, la fermentación acética etc. • Fase I, fase inicial o preparatoria las grandes moléculas se degradan (polisacáridos a monosacáridos; los lípidos a ác. grasos y glicerina, y las proteínas a aminoácidos). • Fase II o fase intermedia, los productos de la fase I, son convertidos en una misma moléculas, más sencillas el Acetil-coenzima A (acetil CoA). • Fase III o fase final, en la que el acetil-CoA (se incorpora al ciclo de Krebs) da lugar a moléculas elementales CO2 y H2O.

En el catabolismo suelen distinguirse tres fases: • Fase I, fase inicial o preparatoria • Fase II o fase intermedia, • Fase III o fase final

Tipos de catabolismos según sea el aceptor final de electrones: • Fermentación. tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos. • Respiración celular. El aceptor final de electrones es inorgánica, por ejemplo: O2, NO3 -, SO4 2-, y el dador suele ser un compuesto orgánico. Respiración aerobia, cuando es el O2 el que acepta los hidrógenos, Respiración anaerobia, cuando la sustancia que se reduce es diferente del oxígeno, por ejemplo: iones nitrato (NO3-), iones sulfato (SO4 2-), etc. Tipos de catabolismo según la naturaleza de la molécula que se oxida: • Catabolismo de los glúcidos. • Catabolismo de los lípidos. • Catabolismo de los prótidos. • Catabolismo de las bases nitrogenadas

el aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica, como por ejemplo el O2, NO3-, SO4-, etc., y el dador suele ser un compuesto orgánico tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos.

Catabolismo de glúcidos Glucólisis Degradación anaerobia del ácido pirúvico: Fermentación. Degradación aerobia del ácido pirúvico: Ciclo de Krebs. Cadena transportadora de electrones. Fosforilación oxidativa.

2 ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ Glucólisis La glucólisis o vía de Embdem-Meyerhof es un conjunto de reacciones anaerobias que tienen lugar en el hialoplasma celular, en la cual se degrada la glucosa (C6), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (C3). Por cada glucosa se obtiene: 2 ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

Glucosa + 2 ATP ▬► 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapas de la glucólisis. Etapa de activación. La glucosa, tras su activación y transformación en otras hexosas, se descompone en 2 gliceraldehído-3 P (3 C). Se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. Glucosa + 2 ATP ▬► 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapa de degradación. Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se oxidan después, a través de una serie de reacciones, hasta rendir dos moléculas de ácido pirúvico. En esta oxidación se necesita como enzima NAD+, que se reduce a NADH. La energía liberada en el proceso es utilizada para fabricar cuatro moléculas de ATP. 2 Gliceraldehído 3 P+2NAD++4 ADP+2 Pi ▬►2 Ác. pirúvico+2 NADH +2 H+ + 4ATP Glucosa+2 NAD++2ADP+2 Pi ▬►2 Ác.pirúvico+ 2 NADH+ 2 H+ + 2ATP

Etapa de activación

Etapa de activación

Etapa de activación

Etapa de activación

Etapa de degradación

Etapa de degradación

Etapas de la glucólisis (I) Fosfoglucosa isomerasa Etapa de activación Hexoquinasa ETAPA 1 + + H+ + Fosfoglucosa isomerasa ETAPA 2 Fosfofructoquinasa ETAPA 3 + + H+ +

Etapas de la glucólisis (II) + Aldolasa ETAPA 4 Etapa de degradación Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa ETAPA 5 + + + Fosfoglicerato quinasa ETAPA 6 + +

Etapas de la glucólisis (III) Fosfoglicerato mutasa Enolasa ETAPA 8 + H2O Piruvato quinasa ETAPA 9 + + H+ +

Glucosa + 2 ATP 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapa de activación Glucosa + 2 ATP 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapa de degradación 2 Gliceraldehído 3 P + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 4ATP Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

Resumen de la glucólisis ENERGÍA CONSUMIDA ENERGÍA PRODUCIDA BALANCE PARCIAL : - 2 ATP BALANCE PARCIAL : 4 ATP + 2 NADH BALANCE TOTAL : 2 ATP y 2 NADH Glucosa + 2 ATP ▬► 2 Gliceraldehído 3 P + 2 ADP 2 Gliceraldehído 3 P+2NAD++4 ADP+2 Pi ▬►2 Ác. pirúvico+2 NADH +2 H+ + 4ATP Glucosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2 Pi ▬►2 Ác.pirúvico + 2 NADH+ 2 H+ + 2ATP

Glucosa (6C) (producto inicial) Fermentación Hialoplasma g l u c o i s 2 NAD 2 Pi 2 ADP NADH(2) Oxidación parcial Glucosa (6C) (producto inicial) Ác. Pirúvico (3C) ATP (2) Hialoplasma Ciclo de Krebs. Cadena transportadora de electrones. Fosforilación oxidativa. Mitocondria

La mayoría de las fermentaciones son anaerobias, y su finalidad es que no se bloquee completamente el catabolismo en ausencia de oxígeno, permitiendo al organismo obtener energía, aunque sea poca, en esas condiciones

Fermentación ● Conjunto de rutas metabólicas, que se realizan en el hialoplasma, por las cuales se obtiene energía por la oxidación incompleta de compuestos orgánicos. ● Los electrones liberados en esta oxidación son aceptados por un compuesto orgánico sencillo que es el producto final de la fermentación. ● El rendimiento energético es bajo.

Tipos de Fermentación Fermentación anaerobia, son las más típicas; no requieren oxígeno. ► Fermentación láctica. En la que el producto final que se obtiene es ácido láctico (fermentación homoláctica) unido, en ocasiones, a otros compuestos (heteroláctica). La realizan ciertas bacterias como las del género Lactobacillus (utilizadas para la obtención de yogur y queso) y las células musculares cuando el aporte de oxígeno es insuficiente. NADH + H+ NAD+ (CH3-CO-COOH) Ác. pirúvico ▬▬▬▬▬▬▬▬►Ác. láctico (CH3-CHOH-COOH) Lactato deshidrogenasa

Fermentación láctica 2 Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G6P Ácido 1,3- bifosfoglicérico G3P NADH NAD + CH3 - CO - COOH Ácido pirúvico ATP 2 CH3 - CHOH - COOH Ácido láctico Láctico deshidrogenasa

Fermentación alcohólica. En la que se obtiene alcohol etílico. La realizan ciertas levaduras (género Saccharomyces) utilizadas para fabricar gran variedad de bebidas alcohólicas (vino, cerveza, etc.) a partir de diversos azúcares (de uva, de cereales, etc). CO2 NADH + H+ NAD+ Ácido pirúvico ▬▬▬▬▬▬▬▬► Acetaldehído ▬▬▬▬▬▬▬▬► Etanol Piruvato descarboxilasa Alcohol deshidrogenasa

Fermentación etílica 2 Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G3P Ácido 1,3- bifosfoglicérico ATP 2 NADH CH3 - CO - COOH Ácido pirúvico NAD + CH3 - CH2OH Etanol CH3 - CHO Acetaldehído CO2

Etanol ▬▬▬▬▬▬▬▬►Ácido acético Fermentación oxidativa. Requieren oxígeno (son aerobias) pero éste no actúa como último aceptor de electrones sino como oxidante del sustrato. La más conocida es la fermentación acética (se produce vinagre a partir del vino) y en la cual, el alcohol etílico es oxidado a ácido acético mediante el oxígeno. O2 Etanol ▬▬▬▬▬▬▬▬►Ácido acético

Respiración Celular ● Se realiza en matriz de las mitocondrias ● Obtención de energía de las células aerobias. ● Supone la oxidación del ácido pirúvico hasta formar CO2 y H2O. ● El oxígeno actúa como último aceptor de electrones.

La respiración celular comprende cuatro etapas: 1. Transformación del ácido pirúvico en acetil CoA. 2. El acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs (o de los ácidos tricarboxílicos), donde se oxida a CO2 y H2O. Como resultado de un ciclo complejo se reduce cuatro moléculas de coenzimas, 3 NAD + 1 FAD. 3. Transporte de electrones a través de la cadena respiratoria. En estas reacciones de oxidación-reducción se libera energía que la célula utiliza para bombear protones al interior del espacio intermembrana. 4. Fosforilación oxidativa. la salida de H+ hacia la matriz mitocondrial se hace a través de las ATPasas, ADP + Pi → ATP

Esquema general de la respiración celular CRESTAS MITOCONDRIALES Acído pirúvico CITOSOL Membranas externa e interna MATRÍZ MITOCONDRIAL Cadena respiratoria CRESTAS MITOCONDRIALES

Primera etapa: obtención del acetil CoA ► A partir del ácido pirúvico En condiciones aeróbicas el ác. Pirúvico obtenido de la glucólisis entra en las mitocondrias y sufre una descarboxilación oxidativa, en presencia del Coenzima A (CoA), se oxida hasta Acetil-CoA (CH3CO-S-CoA), liberándose CO2 y reduciéndose una molécula de NAD+ a NADH + H+. ► A partir de ácidos grasos estos entran en la matriz mitocondrial después de ser activados con CoA. Los ácidos grasos activados son transformados en acetil-CoA en una ruta metabólica llamada β-oxidación o hélice de Lynen.

β-oxidación o hélice de Lynen.

Segunda etapa: El ciclo de Krebs Ciclo del ácido cítrico o del ácido tricarboxílico Se desarrolla en la matriz mitocondrial Oxidación del acetil-CoA Obtención de coenzimas reducidos (FADH2 y NADH) para la cadena respiratoria

Ácido -cetoglutárico · 3 NADH + 3H+ · FADH2 · ATP · 1 SH-CoA El ciclo de Krebs Glucosa Ácidos grasos Coenzima A Acetil-CoA Ácido oxalacético Ácido málico NAD + NADH Ácido cítrico H2O Ácido fumárico FAD FADH2 Ácido isocítrico NADH NAD + Ácido succínico Coenzima A NADH NAD + Coenzima A Ácido -cetoglutárico Succinil-CoA CO2 GDP GTP ATP ADP CO2

Unión del acetil-CoA con una molécula de 4 C (el ácido oxalacético), para formar una de 6 C (ácido cítrico). Por cada molécula de acetil CoA que entra, se producen: Dos CO2. Un GTP ATP. Dos CoA-SH, una vuelve a utilizarse en el ciclo. Tres NADH/H+. Un FADH2.

Ciclo de Krebs 3H2O 3NAD FAD ADP Ác. pirúvico 2CO2 Oxidación completa: descarboxilaciones sucesivas con obtención de moléculas de alto valor energético (muy reducidas) Acetil-CoA (producto inicial) Ciclo de Krebs 3 NADH FADH2 CoA ATP Matriz mitocondrial Cadena de transporte de electrones Membrana. mitocondrial interna

Balance del Ciclo de Krebs Acetil-CoA+3H2O+3NAD++FAD +ADP+Pi 2CO2+1CoA-SH +3NADH +3H+ +FADH2+ATP

Tercera etapa: Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones Las moléculas que forman esta cadena están situadas en la membrana interna de la mitocondria La cadena se inicia cuando el NADH y el FADH2 libera H+ y e- para oxidarse y regenerar el NAD+. Los protones quedan en la matriz y los electrones son transferidos al primero de los transportadores que forman la cadena respiratoria. En esta fase los e- tienen una alta energía que va disminuyendo conforme van pasando a través de los más de 15 transportadores. Finalmente los e- llegan al O2 (último aceptor de los e-), que se reduce a H2O.

T r a n s p o t e d e- O2 NADH FADH2 Agua Fosforilación oxidativa Membrana mitocondrial interna T r a n s p o t e d e- Transportadores de electrones O2 Cadena de transporte de electrones por óxido-reducciones sucesivas. [Gradiente de protones] NADH FADH2 Agua Membrana mitocondrial interna

Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones Voltios - 0,4 + 0,4 + 0,8 NADH NAD + + H+ 2e- + 2H+ FMN FMN CoQ 2e- + 2H+ CoQ FAD FADH2 2e- + 2H+ 2H+ Cit b Cit b Cit c 2e- Cit c 2e- Cit c Cit c a3 2e- a3 2e- 2e- 2H+ + 1/2 O2 2e- H2O

Por cada NADH se obtienen 3 ATP Cuarta etapa: fosforilación oxidativa. Según la hipótesis quimiosmótica En la membrana interna de las mitocondrias se va realizando un transporte de electrones desde el NADH o el FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte de electrones va a generar un transporte de protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor de gradiente, los H+ sólo pueden atravesarla a través de las ATP sintetasas. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H+ para, a partir de ADP + Pi obtener ATP. Por cada NADH se obtienen 3 ATP y por cada FADH2 2 ATP

Fosforilación oxidativa Matriz mitocondrial ATP ADP H+ Espacio intermembrana Matriz mitocondrial H+ H+ FAD H2O F1 NAD + _ F0 2e- _ NADH H+ FAH2 2 H+ + 1/2 O2 2e- H+ CoQ Cit c H+ Sistema III Sistema I Sistema II H+ H+ H+ Espacio intermembrana H+ H+

NADH 3 ATP FADH2 2 ATP

Rendimiento de 1 glucosa en el catabolismo aerobio: 1. Glucólisis (De 1 C6 2 C3) 1 Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP 2. Del ácido pirúvico al acetil CoA (De 2 C3 2 C2) 2 Ác. pirúvico + 2 HS-CoA+ 2 NAD+ 2 CO2 + 2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ 3. Ciclo de Krebs. 2(Acetil-CoA+H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi) 4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2ATP+2SH-CoA _____________________________________________________________________ Glucosa+2H2O+10NAD++FAD+4ADP+4Pi 6CO2 + 10NADH +10H+ +2FADH2+ 4 ATP (x 3ATP) (x 2ATP) 4. Cadena respiratoria: 30 ATP + 4 ATP 34 ATP TOTAL: 38 ATP

6 ATP 2 ATP 38 ATP

Balance energético global NADH 2 Glucosa NADH 2 ATP 2 Glucólisis Ciclo de Krebs 2 Ácido pirúvico NADH 6 x 3 ATP Cadena respiratoria 2 Acetil- CoA ATP 34 FADH2 2 x 2 ATP ATP 2 38 ATP

Catabolismo de los Lípidos Los lípidos se usan como sustancias de reservas. Principalmente los triacilgliceridos o grasas. Lipasa Triglicerido ▬▬▬▬▬▬▬► glicerina + 3 ácidos grasos CH2 CH O R1 R2 R3 CO R1 COOH R2 R3 + CH2 CH HO Lipasa + 3 H2O Triacilglicerol Ácidos grasos + Glicerina

Β-Oxidación de los Ác. Grasos o Hélice de Lynen Los ácidos grasos saturados entran en la mitocondria al mismo tiempo que se unen a una molécula de coenzima A, el ácido graso quedará activado, formando un Acil-Co A, para ello se requiere la energía de un ATP que pasa a AMP.

1. Oxidación entre los carbonos α y β, proceso catalizado por una FAD. 2. Hidratación, con rotura del doble enlace del enol formado. 3. Oxidación del carbono β, por una NAD+. 4. Rotura del enlace entre los carbonos β y gamma por una nueva molécula de CoA. Se libera un acetil-CoA y queda un resto de ácido graso activado con dos átomos de carbono menos, que reinicia el “ciclo”.

Transporte de los ácidos grasos Espacio intermembrana R - CH2 - CH2 - COOH Ácido graso ATP AMP HS Co A Citosol Espacio intermembrana R - CH2 - CH2 - CO-S CoA Acil-Co A (Ác, graso activado) Matriz mitocondrial

Esquema general de la  - oxidación R - CH2 - CH2 - CO~S-CoA Acil-CoA FADH2 FAD Oxidación CH3-CO-S-Co A Acil -CoA con dos carbonos menos Acil-CoA deshidrogenasa Acetil-CoA HS-Coa Tiólisis Tiolasa β α R - CO - CH2 - CO~S-CoA  - cetoacil-CoA R - CH = CH - CO~S-CoA Enoil-CoA β  - hidroxiacill-CoA deshidrogenasa α Enoil-CoA hidratasa R - CH - CH2 - CO~S-CoA OH |  - hidroxiacil-CoA H2O NADH + H+ NAD+ Oxidación

Balance energético del catabolismo de un ácido graso Por ejemplo el Ácido Palmítico (16 C): + 8 HS-Co A Ác. Palmítico,16 C (H. Lynen ▬►8 Acetil-CoA + 7 NADH+7H+ + 7 FADH2 8AcetilCoA(C.deKrebs) ▬►8HS-CoA+16CO2+ 24 NADH+24H++ 8 FADH2 + 8 ATP ______________________________________________________________________ Ác. palmítico, (16 C) ▬▬▬▬► 16 CO2+ 31 NADH+31H ++ 15 FADH2 + 8 ATP (x 3ATP) (x 2ATP) ↓ ↓ Cadena respiratoria: 93 ATP + 30 ATP ▬► 131 ATP (Activación del ácido graso): -2 ATP TOTAL:129 ATP

Catabolismo de los Protidos Las proteínas no se usan como fuente de energía, pero los aminoácidos que sobran tras la síntesis de proteínas pasan a ser usados como combustible celular. Estos se separan en grupos amino (excretados con la orina) y cadenas carbonadas que se incorporan en diversos momentos del catabolismo y son degradadas hasta CO2 en la respiración mitocondrial. Las reacciones por las cuales se separan los grupos amino de los aminoácidos (AAc) son la Transaminación y la Desaminación, originando cetoácidos como el pirúvico e intermediarios del ciclo de Krebs. ▪ Transaminación: AAc1 + "-cetoácido2 ▬▬▬► "-cetoácido1+ AAc2 ▪ Desaminación: AAc ▬▬▬▬▬▬▬▬► "-cetoácido + NH3

Destino metabólico de los aminoácidos  -cetoglutárico Glutamato deshidrogenasa NAD+ Aminoácido Transaminasa Intermediario metabólico Ácido glutámico NADH + H+ + NH3 asp asn Oxalacético Cítrico Hígado leu lis Acetil CoA Málico ile Isocítrico fen tir Ciclo de la urea ile Pirúvico ala, tre gli, ser cis Fumárico  -cetoglutárico arg, his pro, gln glu fen tir Succínico Succinil CoA met val ile