Metabolismo I : Catabolismo Biología 2º Bachillerato - Salesianos Atocha 2015-2016 Luis Heras

1. Metabolismo Conjunto de todas las reacciones químicas que mantienen la vida de la célula. Comprende: Catabolismo: degradación de moléculas orgánicas a moléculas más sencillas para obtener de ellas la energía necesaria para el funcionamiento. Anabolismo: construcción de moléculas orgánicas necesarias para renovar las estructuras celulares a partir de moléculas más simples, con gasto de energía.

La molécula a la que se necesita llegar no se obtiene directamente de otra inicial, sino que hay varios intermediarios metabólicos (metabolitos) por los que hay que pasar. Ruta metabólica: sucesión de reacciones encadenadas en las que se generan metabolitos y donde cada reacción está catalizada por una enzima específica.

Energía La célula precisa constantemente de energía para llevar a cabo sus funciones. Esa energía se almacena en forma de un intermediario llamado ATP. El ATP contiene enlaces ricos en energía, de manera que al hidrolizarse el ATP a ADP + P se libera una gran cantidad de energía que puede acoplar a los procesos que la necesitan. De forma inversa, el paso de ADP + P para formar ATP necesita un aporte de energía. Esa energía procede de los sustratos altos en energía que la célula incorpora y degrada mediante el catabolismo.

Reacciones de oxidación-reducción Un compuesto se oxida cuando pierde e- y se reduce cuando acepta e-. Cuando ambas se dan a la vez, es una deshidrogenación o reacción de redox. Necesitan de: Un compuesto dador de e- : sustratos que generalmente son glúcidos o ácidos grasos, o derivados de ellos. Un compuesto aceptor de e- : nucleótidos de NAD+ (nicotín-adenin-dinucleótido) que se reduce a NADH + H+ o FAD (flavín-adenín-dinucleótido) que se reduce a FADH2.

2. Catabolismo Catabolismo: conjunto de reacciones metabólicas donde se degradan moléculas complejas a moléculas más sencillas. Es típicamente oxidativo Se obtiene: ATP Poder reductor

3. Catabolismo de los glúcidos Son las moléculas más utilizadas para obtener energía, y entre ellas especialmente la glucosa de la dieta. La glucosa se suele almacenar como glucógeno, sobre todo en el hígado y en el músculo, desde donde se libera a la sangre en forma de glucosa. La glucogenolisis o degradación del glucógeno ocurre en el citosol. La enzima glucógeno fosforilasa libera moléculas de glucosa de las ramificaciones del glucógeno.

3.1 Glucolisis (ruta de Embden-Meyerhof) Ruta metabólica lineal de 10 reacciones, catalizadas por 10 enzimas, mediante las cuales una molécula de glucosa de 6C origina 2 moléculas de ácido pirúvico de 3C (piruvato). Este proceso ocurre en el citosol

Las 10 reacciones de la glucolisis las podemos resumir en: Una etapa de preparación (reacciones 1-5), donde la molécula de glucosa se rompe en dos de gliceraldehído 3-fosfato (3C). Con gasto de 2 moléculas de ATP. Una etapa de cosecha de energía (6-10). Las dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se convierten en dos moléculas de piruvato (3C). Se generan 4 moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato y 2 de NADH + H+. Reacción global: Glucosa -> 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + H+ Llamamos así al ATP que se genera en las propias reacciones, para distinguirlo del que se crea a través de la cadena respiratoria

Los destinos del piruvato Fermentación Respiración Anaerobia Aerobia Citosol Mitocondria Oxidación parcial hasta otros productos Oxidación total hasta CO2 Muy alto rendimiento de ATP Rendimiento bajo de ATP

Veremos qué ocurre a partir del piruvato en condiciones aerobias Glucolisis + Descarboxilación oxidativa del piruvato + Ciclo de Krebs + Cadena transportadora de electrones

3.2 Descarboxilación oxidativa del piruvato Si hay O2, el piruvato del citosol atraviesa las membranas de la mitocondria para llegar a la matriz. El complejo enzimático piruvato deshidrogenasa lo oxida (generando NADH + H+), lo descarboxila (desprendiendo CO2) y le transfiere una molécula de coenzima A, creando AcetilCoA (2C).

3.3 El ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o CAT) Se desarrolla en la matriz mitocondrial. Es una ruta cíclica. El acetil-CoA a incorporar puede provenir de la glucosa, aunque también de ácidos grasos o aminoácidos, lo cual hace que el ciclo de Krebs sea una ruta de encuentro para muchos procesos. Se inicia con la incorporación del acetil-CoA (2C) al oxalacetato (4C), para dar citrato (6C). A medida que va avanzando por el ciclo, los 2C del acetil-CoA inicial se perderán en forma de CO2 y se generará energía y poder reductor.

En una vuelta del ciclo de Krebs se oxida totalmente una molécula de acetil-CoA (2C). La coenzimaA se desprende y puede volver a acoplarse a otra molécula. Por una molécula de acetilCoA se produce: 3 moléculas de NADH + H+ 1 molécula de FADH2 1 molécula de GTP por fosforilación a nivel de sustrato (equivalente a ATP) 2 CO2 Recuerda que este balance habría que multiplicarlo por 2, ya que se crean dos acetilCoA por unidad de glucosa.

3.4 Cadena transportadora de electrones (cadena respiratoria) Formada por los complejos proteicos de la membrana interna de la mitocondria que transportan los electrones del NADH+H+ y del FADH2 hasta un aceptor final que es el O2, el cual junto a los e- y a los H+ forma H2O. Es aquí donde se emplea el poder reductor producido en las etapas anteriores. Los e- del poder reductor viajan de complejo en complejo debido a un potencial redox. El siguiente complejo es siempre algo más positivo que el anterior, y la energía desprendida en cada “salto energético” se puede aprovechar para crear ATP.

Complejo I (NADH deshidrogenasa): acepta 2 e- del NADH+H+ Complejo II: (succinato deshidrogenasa): recoge 2 e- del FADH2. Coenzima Q: recoge los e- de los 2 complejos anteriores. Complejo III (citocromo b-c1): recibe los e- de la coenzima Q y los pasa al IV. Complejo IV (Citocromo oxidasa): recoge los electrones del complejo III y los transfiere al O2, el cual, junto a dos protones de la matriz, se convierte en H2O.

A medida que los e- van pasando de un complejo redox a otro, van liberando energía. Según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, la energía liberada en el transporte de los e- se usa para bombear H+ desde la matriz al espacio intermembranoso. La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP producida por la entrada de protones desde el espacio intermembranoso hacia la matriz a favor de gradiente (fuerza protonmotriz) pasando por la ATP sintasa.

En la fosforilación oxidativa, los protones que han sido bombeados al espacio intermembranoso sólo pueden volver a la matriz por la ATP sintasa, una proteína motora compuesta de 2 fracciones (F0 y F1). Atraviesan la fracción F0, un conducto en la membrana interna, provocando un giro de la estructura que en la fracción F1, que mira hacia la matriz, se aprovecha para unir una molécula de ADP con un grupo fosfato para formar una molécula de ATP en la matriz. En la fosforilación oxidativa: Cada molécula de NADH+H+ genera 3 ATP. Cada molécula de FADH2 genera 2 ATP.

Balance energético del catabolismo de la glucosa en condiciones aerobias

Veremos qué ocurre a partir del piruvato en condiciones anaerobias Glucolisis + Fermentación

3.5 Fermentaciones Procesos metabólicos de oxidación parcial que no precisan de oxígeno (son procesos anaerobios). Buscan regenerar el NAD+ para que la glucolisis se pueda seguir produciendo. Parten del piruvato de la glucolisis, al que oxidan parcialmente. Su rendimiento energético es tan solo de 2 ATP (que no se producen aquí, sino que son los 2 ATP de la glucolisis anterior). Los procesos aerobios (con O2) son mucho más rentables energéticamente.

A) Fermentación láctica La lactato deshidrogenasa reduce el piruvato a ácido láctico. Es esta molécula la que se queda los electrones del NADH + H+, que ahora en su forma oxidada NAD+ puede volver a la glucolisis. La producen: Microorganismos de la leche, como Lactobacillus la llevan a cabo para producir yogur. Células musculares en condiciones anaerobias. La acumulación de ácido láctico provoca fatiga muscular.

B) Fermentación alcohólica El piruvato pierde 1 C que se desprende en forma de CO2, quedando acetaldehído. Por reducción con los electrones del NADH + H+ se origina etanol. El NAD+ oxidado vuelve a la glucolisis. Lo producen las levaduras Saccharomyces cerevisiae. La fermentación de la glucosa de la uva produce vino, mientras que fermentar la glucosa de la cebada produce cerveza.

Balance energético del catabolismo de la glucosa en condiciones anaerobias En las fermentaciones sólo se producen 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa oxidada (que son los que se generan en la glucolisis). F. láctica: 1 glucosa -> 2 ATP + 2 ácido láctico F. alcohólica: 1 glucosa -> 2 ATP + 2 CO2 + 2 etanol

4. Catabolismo de los lípidos Los triacilglicéridos actúan como principal reserva de energía en las células animales y vegetales. 4.1 Lipólisis de los glicéridos Los triglicéridos del tejido adiposo se hidrolizan en el citosol por una lipasa que separa los 3 ácidos grasos del glicerol. El glicerol se incorpora a la glucolisis.

4.2 Activación de los ácidos grasos En el citosol, la enzima acil-CoA sintetasa de la membrana externa mitocondrial une la coenzima A al ácido graso para formar un acil-CoA. En este proceso se consumen 2 ATP. Para entrar a la matriz mitocondrial, el acil-Coa se une a la proteína transportadora carnitina, de manera que el acil-CoA acaba en la matriz.

4.3 b-oxidación de los ácidos grasos Degradación por etapas del ácido graso para formar varias moléculas de acetil-CoA. Ocurre en la matriz mitocondrial. En cada etapa se desprende una molécula de acetil-CoA y se genera una de NADH+H+ y una de FADH2. Quedará un acil-CoA de 2C menos, que seguirá dando vueltas en el ciclo hasta que haya perdido todos sus C. En la última vuelta se desprenden 2 acetilCoA y solo se genera 1 NADH+H+ y 1 FADH2. Ejemplo: un acil-CoA de 16 C dará 7 vueltas al ciclo, desprendiendo 8 acetil-CoA. Creará 7 NADH+H+ y 7 FADH2.

Se suele representar la b-oxidación por medio de una hélice de Lynen, donde se dibuja el resultado de cada vuelta del ciclo.

Como imaginarás, el destino final de los acetil-CoA producidos es ingresar al ciclo de Krebs (además ya están en la matriz al igual que el ciclo) y usar todo el poder reductor de la b-oxidación y de Krebs en la cadena respiratoria.

Ejemplo: balance del ácido palmítico (C16 : 0) Formación del acilCoA -2 ATP 7 etapas de la b-oxidación 7 FADH2 + 14 ATP 7 NADH+H+ + 21 ATP 8 acetil-CoA en el ciclo de Krebs 8 x (1 FADH2) + 16 ATP 8 x (3 NADH+H+) + 72 ATP 8 x (1 GTP) + 8 ATP TOTAL = 129 ATP Como se puede observar, el catabolismo de un ácido grasos aporta mucha más energía que una molécula de glucosa. Cada molécula de NADH+H+ genera 3 ATP. Cada molécula de FADH2 genera 2 ATP.

5. Catabolismo de las proteínas Las proteínas tienen otras funciones más importantes en el organismo y no son habitualmente fuente energética, si bien en condiciones de ayuno prolongado y ante la falta de glúcidos y ácidos grasos podrían suplir las necesidades energéticas. 5.1 Hidrólisis de las proteínas Las largas cadenas proteicas son hidrolizadas por proteasas, que rompen los enlaces peptídicos y liberan a los aminoácidos. Ocurre en los lisosomas o en los proteosomas.

5.2 Degradación de los aminoácidos A) Transaminación Transferencia del grupo amino de un aminoácido al a-cetoglutarato, que se convierte en glutamato. Se crea una molécula que se puede incorporar a las rutas catabólicas. Está catalizada por aminotransferasas (transaminasas) del citosol y matriz mitocondrial. B) Desaminación oxidativa Se regenera el a-cetoglutarato y la transaminación puede seguir funcionando. Se elimina el grupo amino del glutamato en forma de ión NH4+ y se genera poder reductor.

5.4 Eliminación del NH4+ (tóxico) 5.3 Oxidación de las cadenas carbonadas de los aminoácidos Generan piruvato o acetilCoA, por tanto pueden ir al ciclo de Krebs. También pueden usarse para sintetizar glucosa o ácidos grasos. 5.4 Eliminación del NH4+ (tóxico) - Animales aminotélicos: eliminan directamente NH4+ al exterior (peces) - Animales ureótélicos: en el ciclo de la urea convierten el NH4+ y excretan urea (menos tóxica) en la orina (mamíferos, anfibios) - Animales uricotélicos: eliminan NH4+ en forma de ácido úrico (reptiles, aves).