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 fos