TEMA 12

CATABOLISMO

Cuando termines de estudiar este tema deberás saber:

• Cuáles son los precursores y productos finales, así como la localización celular y en qué tipo de células se da cada una de lasprincipales rutas del metabolismo energético: glucólisis, fermentaciones, oxidación del piruvato, oxidación de los ácidos grasos, ci-clo de Krebs y cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

• Reconocer las rutas metabólicas citadas dados los precursores y los productos finales.• Que la glucólisis es el mecanismo básico de obtención de energía en todas las células.• Cuál es el destino del piruvato que resulta de la glucólisis en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.• Cuál es la utilidad industrial de los dos principales tipos de fermentaciones, láctica y alcohólica, y qué organismos las llevan a

cabo.• El papel del ciclo de Krebs como ruta común en la oxidación completa de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.• Qué quiere decir que el ciclo de Krebs es una ruta anfibólica.• Explicar el mecanismo quimioosmóticos de formación de ATP que ocurre ligado a la cadena respiratoria (fosforilación oxidativa).• Cuál es el papel fisiológico de la glucogenólisis.

Energía para vivir

Todos los organismos, tanto autótrofos como heterótrofos, obtienenenergía de la materia orgánica que los autótrofos fabrican mediante lafotosíntesis.

La fuente de energía más común para los seres vivos es la glucosa, quemetabolizan mediante la glucólisis, las fermentaciones y la respiracióncelular.

A medida que las células procesan la glucosa, la energía liberada seemplea para transferir grupos fosfato al ADP y formar ATP.

En general, una célula tiene ATP suficiente para cubrir sus necesidadessólo durante 30 segundos o unos pocos minutos. Debido a su alta ener-gía potencial, el ATP es inestable y no se almacena. Por lo tanto, la ma-yoría de las células fabrican continuamente ATP.

I. CONCEPTO Y TIPOS DE CATABOLISMO

- El catabolismo constituye la fase destructiva del metabolismo en la cual se obtienen moléculas sencillas, queservirán para construir las propias biomoléculas, y energía para la realización de otras funciones celulares.

- En general, las reacciones del catabolismo son procesos oxidativos en los que los electrones procedentes demoléculas orgánicas complejas van descendiendo progresivamente de nivel energético.

- Dependiendo de cuál sea el aceptor final de los electrones en estos procesos oxidativos, podemos distinguir elcatabolismo aerobio del anaerobio.

A. Catabolismo aerobio

- El catabolismo aerobio tiene lugar en aquellos organismos que son capaces de utilizar el O2 como aceptorfinal de los electrones. La transferencia de los electrones al oxígeno se realiza a través de una cadena detransportadores de electrones, denominada cadena respiratoria, en la que la energía liberada por los elec-trones se emplea para producir una gran cantidad de ATP.

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B. Catabolismo anaerobio

- Los organismos anaerobios o anaeróbicos son los que no utilizan O2 en su metabolismo. En este caso elaceptor final de electrones es otra sustancia diferente del oxígeno. Si el aceptor de electrones es una mo-lécula orgánica se trata de metabolismo fermentativo; si el aceptor final es una molécula inorgánica distintadel oxígeno (nitrato, sulfato, azufre, ...) se trata de respiración anaeróbica.

- Aquellos organismos unicelulares que no pueden vivir o desarrollarse con la presencia de oxígeno se de-nominan anaerobios estrictos. Los microorganismos que, siendo normalmente aeróbicos, pueden desarro-llarse en ausencia de oxígeno realizando fermentación se denominan anaerobios facultativos. También seconsideran anaerobios facultativos los que toleran la presencia de oxígeno, aunque no puedan utilizarlo ensu metabolismo y realicen siempre la fermentación.

Fermentación Respiración aerobia Respiración anaerobia

Condiciones de crecimiento Anaeróbicas Aeróbicas Anaeróbicas

Cadena transportadora deelectrones

No Sí Sí

Tipo de fosforilación utilizadapara generar ATP

A nivel de sustratoPrincipalmente oxidativa (en

la cadena respiratoria); algo anivel de sustrato

Principalmente oxidativa; algoa nivel de sustrato

Aceptor final de electronesUna molécula orgánica, como

el piruvato o un derivadoOxígeno libre (O2)

Normalmente una sustanciainorgánica (NO3

- ; SO42-)

Productos finales de desechoOrgánicos: principalmente

lactato o etanol y CO2Inorgánicos: CO2 y H2O

Inorgánicos:NO2

-, NOx, N2; sulfuros

II. CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS

A. Ruptura de polímeros

- La glucosa es el principal combustible metabólico para todas las células. Sin embargo, la presencia de unaalta concentración de glucosa libre en la célula generaría problemas osmóticos, por lo que se almacena enforma de polímeros como el glucógeno o el almidón. Por lo tanto, el primer paso en la degradación meta -bólica de los glúcidos es la obtención de glucosa libre a partir de los polímeros de reserva.

- En el hígado el glucógeno es escindido en moléculas de glucosa-1-fosfato por acción de la fosforilasa. Laglucosa-1-fosfato es posteriormente convertida en glucosa-6-fosfato por la fosfoglucomutasa. La fosforóli -sis del almidón en las células vegetales es semejante.

B. Glucólisis

- La glucólisis es el proceso más universal de ob-tención de energía en los seres vivos. Todas lascélulas tienen en su citoplasma los enzimas res-ponsables de catalizar esta secuencia de diezreacciones que en algunos microorganismos esla única forma de obtener energía.

- La secuencia de reacciones de la glucólisis sepuede dividir en tres etapas:

1. Conversión de la glucosa en fructosa-1,6-diP

- En esta etapa se produce la activación de laglucosa. Se consumen dos ATP excepto si laglucosa procede del almidón o el glucógeno.

2. Ruptura de la fructosa-1,6-difosfato en dosmoléculas 3C

- Toda la dihidroxiacetonafosfato termina trans-formándose en gliceraldehído-3-fosfato, porlo que el resultado final es que de cada molé-cula de fructosa-1,6-difosfato se obtienen dosmoléculas de gliceraldehído-3-fosfato.

3. Formación de ácido pirúvico

- El gliceraldehído-3-fosfato es oxidado y fosfo-rilado para formar el 3-fosfoglicerilfosfato, queposee un alto contenido energético.

- En las siguientes reacciones el 3-fosfogliceril-fosfato se transforma en piruvato, producién-dose fosforilación de ADP en dos de las reac-ciones.

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C. Degradación anaeróbica del piruvato: fermentaciones

- Cuando no hay oxígeno, las cadenas de transporte de electrones se detienen y el NADH no puede donarallí sus electrones. Es imprescindible la regeneración del NAD para que no se detenga el aporte de ATP:En este caso, muchas células (pero no todas) pueden continuar llevando a cabo la glucólisis para obteneralgo de ATP, mediante fermentación.

- En condiciones de anaerobiosis, el NADH + H+ es rápidamente reciclado a NAD mediante la reducción delpiruvato. Esta regeneración del NAD es la que permite que la glucólisis siga fucionando, proporcionando ala célula un aporte pequeño, pero constante, de ATP.

- La fermentación se produce en ciertas bacterias y levaduras y, en determinadas condiciones, también encélulas de eucariotas pluricelulares.

- La oxidación de la glucosa es parcial, el aceptor final de electrones es orgánico y los productos de dese -cho resultantes también son orgánicos. Estos productos de desecho serían tóxicos para la célula si seacumularan en su citoplasma, por lo que son excretados al medio. Precisamente la acumulación de estassustancias en el medio ha sido aprovechada por el hombre desde tiempos inmemoriales para la obtenciónde diversos productos.

1. Fermentación láctica

- En la fermentación láctica, el piruvato obtenido en la glucó-lisis es reducido directamente a lactato para regenerar elNAD.

- Si el producto final es solo lactato, la fermentación se de-nomina homoláctica. Si se producen además otros com-puestos, como el etanol, la fermentación es heteroláctica.

- Este proceso lo realizan numerosas bacterias, denomina-das bacterias lácticas, como Lactobacillus y Streptococ-cus, y también algunos protozoos y las fibras muscularescuando el aporte de oxígeno es insuficiente.

- Entre las aplicaciones de la fermentación láctica podemosdestacar la fabricación de fermentos lácteos como el yoguro el queso. También se aprovechan las propiedades con-servantes del ácido láctico en productos como el chucrut.

2. Fermentación alcohólica

- En la fermentación alcohólica o etílica, el piruvato se de-carboxila, con desprendimiento de CO2, y se convierte enacetaldehído que posteriormente se reduce a etanol.

- Es realizada por levaduras, mohos y algunas bacterias.La levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae)se utiliza en la fabricación de la cerveza, el vino y otrasbebidas alcohólicas. También se emplea en la fabricacióndel pan, en la que es responsable de la esponjosidad porla formación de CO2 en el proceso; el alcohol se evaporaen el proceso de horneado.

3. Balance energético de las fermentaciones.

- Aunque la fermentación es un tipo de metabolismo muy extendido, es bastante ineficaz comparado conla respiración celular. La fermentación sólo produce dos moléculas de ATP por cada molécula de gluco-sa metabolizada. Esto se debe a que los aceptores de electrones que se emplean, el piruvato o el ace-taldehído, tiene una electronegatividad mucho menor que el oxígeno y no pueden provocar la gran dife-rencia de energía potencial que mueve la cadena respiratoria.

- Los organismos que pueden alternar entre la fermentación y la respiración celular (anaerobios facultati-vos) sólo emplearán la primera cuando se agota temporalmente el suministro de oxígeno. Las célulasque no son capaces de utilizar el oxígeno como aceptor de electrones producen menos ATP y creceránmucho más lentamente.

D. Degradación aeróbica del piruvato: respiración celular

1. Decarboxilación oxidativa del piruvato

- En las células eucariotas, el piruvato producido en la glucólisis es trans-portado del citoplasma a la mitocondria.

- En la matriz mitocondrial, el complejo enzimático piruvato deshidrogena-sa provoca que uno de los carbonos del piruvato se oxide a CO2. Partede la energía desprendida se emplea en reducir NAD+ y formar NADH yotra parte se almacena temporalmente mediante la combinación delgrupo acetil resultante con el coenzima A, formando Acetil-CoA.

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2. Ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico)

- El ciclo de Krebs es la vía final común para laoxidación de los combustibles metabólicos.Consiste en una secuencia de ocho reaccionesque ocurren en la matriz mitocondrial en las quelos dos carbonos de cada grupo acetil, transferi-dos por el coenzima A, se oxidan completamen-te a CO2.

a. Degradación completa de acetil-CoA

- En cada ciclo, la energía liberada por la oxi-dación de cada grupo acetil que el coenzimaA incorpora se utiliza para producir tres molé-culas de NADH, una de FADH y una de GTP(o ATP), mediante fosforilación a nivel desustrato, y se desprenden dos moléculas deCO2.

b. Obtención de precursores del anabolismo

- Como ya se comentó en el tema anterior, elciclo de Krebs se considera una ruta anfibóli-ca, ya que no sólo es la etapa final de losprocesos catabólicos, sino que muchos desus intermediarios actúan como precursoresen el anabolismo.

Resumen del ciclo de Krebs

3. Cadena respiratoria

- Igual que ocurría en las fermentaciones, si se agotan los coenzimas oxidados NAD y FAD, el procesose bloqueará. Por lo tanto, para que pueda seguir funcionando, los coenzimas reducidos deben reoxi-darse.

- En la respiración celular, la regeneración de los coenzimas oxidados se produce durante la cadena res-piratoria. Los electrones de alta energía de los coenzimas son transferidos, a través de una cadena detransportadores situada en la membrana mitocondrial interna, hasta el O2, aprovechándose la energíaliberada para fosforilar ADP y formar ATP mediante un mecanismo quimiosmótico.

En al cadena respiratoria se regeneran las formas oxidadas de los coenzimas NAD y FAD y la energía de sus electronesse emplea para fosforilar ADP y formar ATP mediante un mecanismo quimiosmótico que implica al complejo ATP-sintasa.La energía de los electrones del NADH es suficiente para fosforilar 3 ADP, mientras que los del FADH2 generan sólo 2 ATP.

a. Transporte de electrones

- El conjunto de moléculas responsables de la oxidación del NADH y el FADH2 se denomina cadenade transporte de electrones.

- La mayoría de las moléculas son proteínas que contienen cofactores o grupos prostéticos distintivosdonde tienen lugar las reacciones redox. Entre estas se incluyen complejos hierro-azufre, estructu-

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ras cíclicas llamadas flavinas y grupos hemo que contienen hierro y se denominan citocromos. En lamembrana mitocondrial interna también hay una molécula llamada ubiquinona (coenzima Q) que noes una proteína y, al ser liposoluble, puede moverse con libertad en el interior hidrófobo de la mem-brana.

- Algunas de las moléculas captan un protón con cada electrón, formando átomos de hidrógeno, mien-tras que otras captan sólo electrones.

- Los transportadores están dispuestos en una secuencia lógica, de manera que cada transportadorrecoge electrones con una energía potencial ligeramente inferior que el anterior.

b. Fosforilación oxidativa (hipótesis quimiosmótica de Mitchell)

- A medida que lo electrones pasan de una proteína a otra de la cadena, la energía liberada por lasreacciones redox se utiliza para bombear protones a través de la membrana interna de la mitocon-dria. La membrana mitocondrial interna es impermeable a los H+, por lo que se crea un gradienteelectroquímico.

- Una vez generado un gradiente de protones entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembrano-so, los protones regresan a la matriz atravesando la ATP-sintasa. Acoplado a este paso se producela fosforilación del ADP.

4. Balance energético de la respiración de una molécula de glucosa

- En la cadena respiratoria se producen tres moléculas de ATP por cada NADH y dos por cada FADH.

- Los NADH producidos en la glucólisis a veces rinden solamente dos ATP debido al gasto que suponesu entrada en la mitocondria. Esto depende del modo como penetren en las mitocondrias los electronesdel NADH extramitocondrial. En este caso el rendimiento total es de 36 ATP, en lugar de los 38 que seproducirían si esos NADH produjesen también 3 ATP cada uno.

- En todo caso, estos cálculos son teóricos e investigaciones recientes han determinado que se producenunas 29 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada mediante respiración celular, depen-diendo de las condiciones de la célula. De esas 29 moléculas, la ATP-sintasa produce 25

III. CATABOLISMO DE LOS TRIACILGLICEROLES

A. Degradación de las macromoléculas

- Los acilgliceroles son una importante reserva energética en animales y vegetales, ya que producen máscalorías por gramo que los glúcidos y las proteínas. El primer paso en su degradación metabólica es su hi -drólisis por acción de las lipasas, produciendo glicerina y ácidos grasos libres.

- La glicerina se incorpora a la glucólisis tras su oxidación y fosforilación. Los ácidos grasos sufren la ß-oxi-dación en la matriz mitocondrial.

B. Activación de los ácidos grasos

- Los ácidos grasos son activados en el citoplasma por la unión con el coenzima A, dando lugar a la forma -ción de acil-CoA. El enzima acil-CoA sintasa cataliza la unión del ácido graso al coenzima A con gasto deun ATP.

- Con ayuda de un sistema de transporte, la lanzadera de carnitina, el acil-CoA es transportado al interior dela mitocondria.

C. ß-oxidación de los ácidos grasos (hélice de Lynen)

- En la matriz mitocondrial, el ácido grasose va rompiendo en fragmentos de doscarbonos por el extremo carboxilico.

- El proceso consiste en una secuencia decuatro reacciones: oxidación ligada alFAD, hidratación, oxidación ligada alNAD y tiolisis por acción de una nuevamolécula de CoA. Tras esta serie dereacciones se separa un fragmento dedos carbonos del ácido graso, en formade un acetil-CoA, y queda un acil-CoAcon dos carbonos menos que sufrirá denuevo el proceso.

- Los ácidos grasos insaturados rinden unFADH2 menos por cada insaturación, de-bido a que no es necesaria la acción dela deshidrogenasa del acil-CoA.

D. Ciclo de Krebs

- Los grupos acetil producidos por la beta oxidación de los ácidos grasos son incorporados por el coenzimaA al ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial, oxidándose completamente y rindiendo tres NADH, un FADH 2

y un GTP (o ATP).–------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ CATABOLISMO 5

E. Cadena respiratoria

- Los electrones del NADH y del FADH2 generados durante la beta oxidación y el ciclo de Krebs se incorpo-ran a la cadena respiratoria para producir ATP por el proceso quimiosmótico de fosforilación oxidativa.

F. Balance energético de la oxidación de los ácidos grasos

- La oxidación completa del ácido palmítico, ácido graso saturado de 16C, genera 129 ATP.

IV. CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

- La degradación de las macromoléculas (proteolisis) es realizada por las proteasas en el medio extracelular.

- El exceso de aminoácidos no puede ser almacenado ni excretado, por lo que es utilizado como combustiblemetabólico.

A. Transaminación

- Las transaminasas catalizan la transferencia del grupo amino desde un aa hasta un -cetoácido

- La glutamato-transaminasa cataliza la transferencia al -cetoglutárico formando glutámico.

- La alanina-transaminasa cataliza la transferencia al pirúvico formando alanina. Esta alanina transfiere lue-go su grupo amino al -cetoglutárico que formará glutámico.

B. Desaminación oxidativa

- El glutámico formado será desaminado oxidativamente por la glutamato-deshidrogenasa, ligada al NAD, yse formará -cetoglutárico, amonio y NADH.

- Los -cetoácidos resultantes de la transaminación pueden ser: pirúvico, -cetoglutárico, succinil-CoA, fu-márico u oxalacético. Unos pocos aminoácidos son degradados a acetil-CoA.

- Estos compuestos siguen la vía del ciclo de krebs hasta ser totalmente oxidados.

C. Eliminación del amonio

- Una parte del amonio es utilizado en la síntesis de aminoácidos. El resto es excretado.

- En función de cómo excreten los productos nitrogenados se pueden distinguir tres tipos de organismos:

• Organismos ureotélicos (anfibios, quelonios, mamíferos y elasmobranquios): transforman amoniacoen urea mediante el ciclo de la urea, que ocurre en la matriz mitocondrial.

• Organismos uricotélicos (insectos, aves y reptiles terrestres): excretan ácido úrico.

• Organismos amoniotélicos (insectos acuáticos y peces): excretan directamente amonio.

Cuestiones de selectividadhttp://pdf.manuelgvs.com/bio/selectividad-biologia-12.pdf

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Metabolismo energético

Las reacciones del metabolismo energético pueden agruparse en cin-co rutas: la glucólisis, la oxidación del piruvato, el ciclo de Krebs, lacadena respiratoria y la fermentación. Las tres de en medio ocurrensólo en presencia de oxígeno y se conocen en conjunto como respi-ración celular

Relaciones entre las principales rutas metabólicas de la célula

Se puede observar el papel central de la glucólisis y del ciclo deKrebs en esta red de rutas metabólicas

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