Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de procesos, intercambios y transformaciones que tienen

lugar en el interior de la célula, catalizados por enzimas. Estos procesos se organizan en

rutas metabólicas. Dentro del metabolismo pueden distinguirse dos fases:

El anabolismo es la fase “constructiva” del metabolismo. Consiste en la producción

de moléculas orgánicas sucesivamente más complejas y reducidas a partir de precursores más sencillos y oxidados utilizando la energía y el poder reductor

proporcionados por el ATP y el NADPH, respectivamente obtenidos en el

catabolismo o la fotosíntesis. Las moléculas sintetizadas pasan a formar parte de los

componentes celulares. Ejemplos de rutas anabólicas son la gluconeogénesis, la síntesis de proteínas, las rutas

de síntesis de aminoácidos, la fotosíntesis, etc.

El catabolismo es la fase “destructiva” del metabolismo. Es la degradación de moléculas orgánicas reducidas en otras más oxidadas con transferencia de energía

libre a intermediarios transportadores, como el ATP o transportadores de electrones

(NADH, NADPH). Cada tipo de molécula, glúcidos, lípidos y aminoácidos, será degradada en una ruta catabólica específica hasta desembocar en las rutas centrales, ya

que el catabolismo es un proceso convergente.

Ejemplos de rutas catabólicas son la glucólisis, el ciclo de Krebs, la beta-oxidación de

ácidos grasos, etc. Anabolismo y catabolismo son procesos interconectados y simultáneos. El equilibrio

entre ambos se mantiene gracias a la regulación del metabolismo. La célula:

capta energía en las reacciones exergónicas del catabolismo

la cede en las reacciones endergónicas del anabolismo.

La célula presenta dos mecanismos para sintetizar ATP:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Se forma primero un compuesto

intermedio rico en energía, que posteriormente se hidroliza para fosforilar ADP a ATP.

Esto ocurre en las reacciones 7 y 10 de la glucólisis y la reacción 5 del ciclo de Krebs, en forma de GTP, que es equivalente al ATP.

• Fosforilación en el transporte de electrones: El transporte de electrones

mediante proteínas específicas localizadas en la membrana mitocondrial interna (fosforilación oxidativa) o en la membrana tilacoidal (fosforilación fotosintética) libera

energía que en última instancia sirve para que el complejo ATP-sintetasa fosforile el

ADP a ATP.

CATABOLISMO DE GLÚCIDOS: Los glúcidos se hidrolizan hasta formar glucosa. La oxidación total de la glucosa se produce en varias fases:

Glucolisis: es una ruta anaeróbica que degrada la glucosa a dos moléculas de ácido pirúvico. Tiene lugar en el citosol. Tras la glucolisis tiene lugar:

Respiración celular: supone la oxidación completa de los átomos de carbono de la

glucosa. Se produce tras la glucolisis y tiene lugar en la mitocondria. Generalmente es aerobia, actuando el oxígeno como aceptor final de electrones, pero existe

también una respiración anaerobia con otro aceptor inorgánico.

El balance global de la degradación de la glucosa es:

Glucosa + 6O2 + 36ADP + 38 Pi 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Fermentación: permite la reoxidación de los transportadores electrónicosmediante

una molécula orgánica, con una oxidación incompleta de la glucosa. Generalmente

es anaerobia, aunque también existe fermentación aerobia. Se producen solo dos ATP en el proceso.

Glucolisis La glucolisis es una ruta anaeróbica que incluye 10 etapas mediante las cuales una

molécula de glucosa da lugar a dos moléculas de ácido pirúvico como producto final.

Tiene lugar en el citosol y su finalidad es la obtención de energía tanto directamente, como actuando como primera etapa de la degradación total de la glucosa, en cuyo caso el

ácido pirúvico pasará a la mitocondria para la respiración celular.

Comprende dos fases:

- Fosforilación y rotura de la molécula para dar dos

moléculas de gliceraldehido-3-

fosfato.

- Oxidación del giceraldehido-3-

fosfato hasta ácido pirúvico

reduciendo NAD+ y utilizando la energía generada para la

obtención de ATP por

fosforilación a nivel de sustrato.

El balance global de la glucolisis es: Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD

+ 2 Ac. Pirúvico + 2ATP + H2O + 2

NADH + H+

Sustratos iniciales:

Glucosa

2 ADP + 2 Pi

2 NAD+

Productos finales:

2 pirúvicos

2 ATP

2 NADH

Respiración celular:

Los organismos eucariotas y la mayoría de los procariotas realizan la respiración celular

aerobia que supone:

- oxidación total de los carbonos de la glucosa a CO2 y cesión de los electrones al oxígeno

- síntesis de ATP mediante un mecanismo quimiosmótico por una cadena de

transporte electrónico.

Las etapas de la respiración celular son: - Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico para formar acetil-CoA.

- Ciclo de Krebs.

- Fosforilación oxidativa.

Descarboxilación oxidativa del ac. pirúvico.

Cada pirúvico es oxidado y en una descarboxilación en la que se forma una molécula de acetil-CoA y se libera una molécula de CO2. Tiene lugar en la matriz mitocondrial. La

reacción es catalizada por un complejo multienzimático denominado piruvato-

deshidrogenasa, actuando como coenzima el NAD+ que se reduce:

Se produce en dos etapas: - pérdida del grupo carboxilo en forma de CO2 (descarboxilación),

- oxidación del grupo ceto a carboxilo que queda unido al CoA.

Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico.

Es una ruta metabólica compuesta por una serie de 8 reacciones que forman un ciclo en

las que los dos átomos de carbono del ácido acético del acetil-CoA se oxidan totalmente para formar dos moléculas de CO2 formándose tres moléculas de NADH + H

+, una de

FADH2 y una de GTP.

El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial.

Productos iniciales: ácido acético, 3 NAD, FAD y GDP

Productos finales: CO2 , 3NADH, FADH2 y GTP

Reacción global:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + H2O

2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA

Los coenzimas reducidos obtenidos en el ciclo de Krebs (NADH y FADH2) se reoxidan en la cadena respiratoria cediendo los electrones al oxígeno molecular (O2). La

liberación de energía del proceso está acoplada a la síntesis de ATP (fosforilación

oxidativa). Es aquí donde la célula obtiene la mayor cantidad de moléculas de ATP.

Ambos procesos tienen lugar en la membrana de las crestas mitocondriales. El GTP se utiliza en procesos con requerimiento energético.

El ciclo de Krebs es la ruta de convergencia de todo el catabolismo aerobio ya que el

acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs puede proceder de:

Catabolismo de glúcidos: el acetil-CoA procede de la descarboxilación oxidativa del

ac. pirúvico que tiene lugar en la mitocondria.

Catabolismo de lípidos: el acetil-CoA procede de la degradación de los ácidos grasos mediante la vía de la beta-oxidación.

Catabolismo de aminoácidos: los distintos aminoácidos se degradan por diferentes rutas que confluyen en el ciclo de Krebs.

El ciclo de Krebs constituye una ruta anfibólica, es decir, actúa no solamente en el catabolismo, sino también en la generación de precursores para las rutas anabólicas.

Algunos intermediarios del ciclo, sobre todo el oxalacetato y el -cetoglutarato, sirven

como precursores de los aminoácidos, en los cuales se transforman por reacciones enzimáticas de transaminación.

Ac. -cetoglutárico + Alanina Ac. glutámico + Pirúvico

Oxalacetato + Alanina Ac. aspártico + Pirúvico

El ácido cítrico puede también apartarse del ciclo para actuar como precursor del acetil-

CoA, destinado a la biosíntesis de ac. grasos.

Ac. cítrico + ATP + CoA Acetil-CoA + oxalacetato + ADP + Pi

Además el succinil-CoA puede también salirse para la síntesis del grupo hemo. De esta manera se produce un drenaje de los intermediarios del ciclo de Krebs destinados a

reacciones biosintéticas.

Los intermediarios del ciclo de Krebs pueden a su vez reponerse mediante unas

reacciones enzimáticas especiales llamadas anapleróticas (de relleno). La más

importante es la carboxilación del piruvato para formar ac. oxalacético.

Piruvato carboxilasa

Pirúvico + CO2 + ATP + H2O Oxalacetato + ADP + Pi

Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

La cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones es un conjunto de

moléculas asociada a la membrana mitocondrial interna que se reducen y oxidan alternativamente permitiendo la reoxidación de los coenzimas reducidos en el

catabolismo y la cesión de los electrones a su aceptor final, el oxígeno molecular (O2). La

liberación de energía en este transporte electrónico está acoplada a la síntesis de ATP

mediante el proceso denominado fosforilación oxidativa.

NADH + H+ + 1/2O2 H2O + NAD

+

FADH2 + ½ O2 H2O + FAD

Las proteínas transportadoras están agrupadas en cuatro complejos cada uno con un potencial de oxido-reducción (redox) más positivo que el anterior de forma que los

electrones descienden en cascada desde el NADH a niveles energéticos cada vez menores

hasta que finalmente son transferidos al oxígeno. - Complejo I: complejo NADH deshidrogenasa: los transportadores ceden

simultáneamente electrones y protones (átomos de hidrógeno) desde el NADH hasta

el FMNH2 y desde este a una serie de proteínas asociadas complejos de Fe y S hasta

la ubiquinona o coenzima Q. - Ubiquinona o complejo Q: el FADH2 cede sus electrones al complejo II. Solo se

transportan electrones, quedando los protones en la matriz.

- Complejo III: complejo b-c1: formado por un conjunto de citocromos, que son

proteínas con un grupo hemo, cuyo átomo de hierro participa en el transporte electrónico (Fe

2+Fe

3+).

- Complejo IV: complejo citocromo oxidasa: consta de dos citocromos, el citocromo a

que posee hierro, y el citocromo a-a3 que contiene cobre y que cede los electrones al

oxígeno que se reduce formando agua. Formación del gradiente quimiosmótico:

La mitocondria aprovecha la energía liberada en este proceso mediante la fosforilación

oxidativa que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna, catalizada por el

complejo ATP-sintetasa. La reacción de síntesis de ATP no está directamente acoplada con las reacciones redox de

la cadena respiratoria. Según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell la energía liberada

por el transporte electrónico se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio

intermembranal, a través de transportadores localizados en los complejos enzimáticos de

los sistemas I, III y IV.

Síntesis de ATP:

Como consecuencia aparece una diferencia de potencial entre los dos lados de la membrana y un gradiente de pH, que ejerce lo que se conoce como fuerza protónmotriz,

ya que al producirse de nuevo el paso de los protones a través de la membrana interna a

favor de gradiente, lo hacen a través del complejo ATP sintetasa por el canal protónico

F0 y la zona F, donde la energía es utilizada para la formación de ATP a partir de ADP + Pi en la fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa se produce en las partículas F1 emergentes de la membrana

interna en las crestas mitocondriales.

Rendimiento de la respiración aerobia:

Cada par de electrones cedidos desde el NADH a la cadena de transporte permite la

formación de 3 ATP Cada par de electrones cedido por el FADH2 permite la formación de 2 ATP.

Reacción global:

Glucosa + 6O2 + 36ADP + 38 Pi 6CO2 + 6H2O + 36ATP

El balance global de toda la respiración aerobia es:

Rendimiento energético de la degradación de una molécula de glucosa en la

respiración aerobia

Proceso Lugar Coenzimas

reducidas

Moléculas de ATP

producidas.

Glucolisis Citoplasma

2 NADH

2 ATP

x24 ATP

Formación de

Acetil-CoA

Mitocondria 2 NADH x36 ATP

Ciclo de Krebs Mitocondria

6 NADH 2 FADH2

2 GTP 2ATP

x3 18 ATP x2 4 ATP

Global: 36 ATP

El mecanismo de síntesis de ATP es la fosforilación a nivel de sustrato en las

reacciones 7 y 10 de la glucólisis y la reacción 5 del ciclo de Krebs, en forma de GTP,

que es equivalente al ATP. El resto de ATP se sintetizan por fosforilación oxidativa en

la mitocondria.

Fermentación.

La fermentación es un proceso de degradación de la glucosa en el que se lleva a cabo la

glucólisis para la obtención de energía (2ATP/glucosa) pero los NADH producidos en el proceso no se reoxidan con oxígeno, sino que ceden los electrones a moléculas orgánicas

sencillas como el ácido pirúvico o el acetaldehído. Las fermentaciones las llevan a cabo

muchos microorganismos y también células de organismos superiores en condiciones

anaerobias.

Tipos de fermentaciones:

La fermentación láctica convierte el ácido pirúvico procedente de la glucólisis en

ácido láctico. La reacción es catalizada por la lactato deshidrogenasa.

Etapas: 1. Oxidación de la

glucosa hasta ac.

pirúvico (glucolisis).

2. Reoxidación del

NADH y

reducción del piruvato a ácido

láctico por acción

de la lactato-

deshidrogenasa.

El balance total de la fermentación láctica es:

Glucosa + ADP 2ácido la´ctico + 2 ATP

La fermentación láctica tiene lugar en algunas bacterias y también en organismos

superiores si hay déficit de oxígeno.

Estas fermentaciones son producidas por bacterias lácticas de los géneros Streptococcus, Leuconostoc y Lactobacillus.

Fermentación alcohólica: el piruvato da lugar a etanol y CO2. La producen algunas bacterias y levaduras.

Etapas:

1. Glucolisis.

2. Descarboxilación del piruvato a

acetaldehído.

3. Reoxidación del NADH y reducción

del acetaldehído

etanol por acción de

la alcohol-deshidrogenasa.

La ecuación global de la fermentación alcohólica es: Glucosa + 2ADP 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP

La fermentación alcohólica la desarrollan algunas bacterias y levaduras del género

Saccharomyces, fundamentalmente S. cerevisiae.

Fermentaciones pútridas: desprenden ácidos que producen el mal olor de la

putrefacción.

Diferencias entre respiración y fermentación:

• La respiración es generalmente aeróbica, es decir, ocurre en presencia de oxígeno, mientras que la fermentación es generalmente anaeróbica, ocurre en ausencia de

oxígeno.

• En la respiración hay una oxidación total de la molécula de glucosa, hasta producir CO2 y H2O; en la fermentación la molécula resultante es una molécula orgánica, por tanto

la oxidación no es total.

• En la respiración, el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular (u otra

molécula inorgánica); en la fermentación, el aceptor final de electrones es una molécula

orgánica, producto de la propia fermentación, que sirve para reoxidar el NAD+.

• Las fermentaciones tienen lugar en el citoplasma, mientras que gran parte de la

respiración celular tiene lugar en la mitocondria.

• En la respiración celular se producen 36 ATP por molécula de glucosa, mientras que en la fermentación se producen solo 2 ATP.

CATABOLISMO DE LÍPIDOS Los triacilglicéridos se hidrolizan dando lugar a glicerina que ingresa en la glucolisis y a

ácidos grasos que sufren el proceso de beta-oxidación.

Beta-oxidación.

La beta-oxidación es una ruta catabólica en la que los ácidos grasos, tras su activación

con el coenzima A (acil-CoA) y mediante ciclos de cuatro reacciones que se repiten, se

van degradando en moléculas de acetil-CoA. Se libera una molécula de acetil-CoA en cada ciclo, excepto en el último, en que se obtienen dos. Igualmente en cada ciclo se

liberan una molécula de NADH + H+ y una de FADH2.

Etapas:

1. Deshidrogenación 2. Hidratación.

3. Oxidación

4. Tiolisis

El proceso se repite hasta su total transformación en acetil-CoA.

Los acetil-CoA se incorporarán al ciclo de Krebs.

Las coenzimas cederán posteriormente los electrones a la cadena respiratoria para la generación de ATP (fosforilación oxidativa).

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS.

La hidrólisis de proteínas mediante peptidasas produce aminoácidos. Aunque los aminoácidos no son nutrientes que se utilicen habitualmente como energéticos, su

catabolismo se produce si:

- hay excedente de aminoácidos por una dieta rica en proteínas,

- condiciones de ayuno o enfermedad en que no haya glúcidos disponibles, - en renovación de proteínas celulares.

El catabolismo de aminoácidos implica dos etapas:

1. Eliminación del grupo amino por transaminación hasta formar glutámico y posterior desaminación de este.

2. Oxidación de la cadena carbonada.

Transaminación.

Transferencia del grupo amino desde cualquier aminoácido hasta el -cetoglutarato para formar el aminoácido glutamato.

Los enzimas transaminasas llevan vitamina B6 como coenzima y la transaminación se

produce principalmente en el hígado.

Desaminación oxidativa.

En este proceso el grupo amino del glutamato se elimina en forma de amoniaco o ión amonio. Lo cataliza la glutamato-deshidrogenada en hígado y riñón.

El amoniaco puede eliminarse:

- directamente en los animales amoniotélicos - en forma de urea en los animales ureotélicos, la urea se sintetiza en el hígado,

- en forma de ácido úrico en los animales uricotélicos.

Oxidación de las cadenas carbonatadas.

Tras la eliminación del grupo amino la cadena carbonatada se incorpora a otra ruta

metabólica: formación de pirúvico, glucosa, intermediarios del ciclo de Krebs, acetil-

CoA, etc.