Catabolismo

CATABOLISMO
1. Principales vÃ−as catabólicas.
El catabolismo constituye un grupo de reacciones metabólicas representadas de forma semejante en
células eucariotas y procariotas. Algunas de ellas debieron ser las primeras que consiguieron realizar los
primitivos organismos en el comienzo de la vida sobre la Tierra.
Los alimentos contienen una mezcla de nutrientes (glúcidos, lÃ−pidos, proteÃ−nas, etc.), todos ellos con
más o menos energÃ−a en sus enlaces. Para extraer los nutrientes de los alimentos, los animales someten a
estos últimos a una digestión para liberar los nutrientes sencillos: monosacáridos, glicerina, ácidos
grasos y aminoácidos, que pueden atravesar la pared intestinal y llegar, vÃ−a sanguÃ−nea, a todas las
células del cuerpo donde cada nutriente seguirá una vÃ−a catabólica:
- Los glúcidos (monosacáridos), por la vÃ−a glucolÃ−tica originan dos moléculas de ácido pirúvico
que se transforman en acetil-CoA, para degradarse en el ciclo de Krebs hasta convertirse en CO2 y H2O.
- Las grasas (tiriglicéridos) se escinden en glicerina y ácidos grasos. La glicerina ingresa en la glucólisis
y los ácidos grasos pasan a la mitocondria y, mediante la β-oxidación, son fragmentados en moléculas
de acetil-CoA que se degrada en el ciclo de Krebs.
- Los aminoácidos de las proteÃ−nas son desaminados (en forma de amoniaco, NH3), y el esqueleto
carbonado residual se convierte en acetil-CoA o en un intermediario de la glucólisis o del ciclo de Krebs.
- Los electrones liberados en el ciclo de Krebs son transportados hasta el oxÃ−geno para transformarse en
agua, por cadena transportadores de electrones que constituyen la cadena respiratoria. El transporte de
electrones libera energÃ−a que se aprovecha para la sÃ−ntesis de ATP en la llamada fosforilación oxidativa.
2. Catabolismo de los glúcidos.
Se pueden considerar dos modalidades de catabolismo:
· VÃ−a aerobia. La respiración es un tipo de catabolismo total, en el que la materia orgánica se
descompone hasta moléculas inorgánicas muy simples, el CO2 y H2O, utilizando como receptor final de
electrones y protones el O2. Realizan estas reacciones todas las células eucariotas y muchas procariotas.
· VÃ−a anaerobia. Las fermentaciones son un tipo de catabolismo parcial en el que el receptor de los
hidrógenos es una molécula orgánica y los productos finales del proceso son también sustancias
orgánicas que no llegan a descomponerse totalmente, por lo que liberan poca energÃ−a.
Según el tipo de catabolismo que realizan, las células pueden clasificarse en aerobias (necesitan el
oxÃ−geno para su metabolismo), anaerobias facultativas (pueden vivir en presencia o ausencia de oxÃ−geno
porque cuentan con ambas vÃ−as metabólicas alternativas según su disponibilidad) y anaerobias estrictas
(no soportan la presencia de oxÃ−geno, hasta el extremo de resultarles tóxico).
3. Glucolisis.
Consiste en la degradación de una molécula de glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico.
Primero la glucosa deberá activarse, consumiendo para ello 2ATP, para formar fructosa 1,6 diP (FDP); a
continuación, la FDP se escinde en dos triosas fosfato (gliceraldehÃ−do-3P -GA3P- y dihidroxiacetona-P
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-DHAP-) que sufrirán varias reacciones consecutivas para obtener, finalmente, dos moléculas de ácido
pirúvico, 4ATP y 2NADH+2H+:
• Si la glucosa procede de la hidrólisis del glucógeno: consumiendo una molécula de ATP se forma
glucosa 1P (G1P), que se transforma glucosa 6P (G6P); si se inicia a partir de la glucosa incorporada del
medio extracelular (sólo en células heterótrofas), ha de pasar a glucosa 6P, gastando también una
molécula de ATP. La glucosa 6P se transforma en fructosa 6P, que pasa a fructosa 1,6 diP (FDP)
consumiendo una segunda molécula de ATP.
• La fructosa 1,6 diP se fracciona en dos triosasfosfato: la dihidroxiacetona P (DHAP) y el gliceraldehÃ−do
3P (GA3P). Estas dos moléculas se encuentran en equilibrio y fácilmente una se transforma en otra por
isomerización. Pero la ruta metabólica sigue sólo la vÃ−a del gliceraldehÃ−do-3P (GA3P), de modo
que la DHAP termina por transformarse en GA3P, y el resultado es que por cada FDP se forman en realidad
dos moléculas de GA3P. Por tanto, a partir de aquÃ− toda la secuencia de reacciones es doble.
• A continuación, el GA3P se fosforila incorporando fosfato inorgánico (Pi), al tiempo que se oxida
añadiendo oxÃ−geno del agua, para lo que el coenzima NAD+ del enzima deshidrogenasa acepta
hidrógeno y pasa a su forma reducida NADH+H+. El resultado es el ácido 1,3 diP glicérico (DPG).
à ste cede un grupo fosfato al ADP, que pasa a ATP por fosforilación a nivel de sustrato, formándose
ácido 3P glicérico (3PG). Este compuesto se transforma mediante una mutasa en el isómero ácido 2P
glicérico (2PG). Por deshidratación se forma el ácido fosfoenolpirúvico (PEP), el cual cede su grupo
fosfato a otro ADP que pasa a ATP en otra fosforilación a nivel de sustrato, y se obtiene finalmente
ácido pirúvico (piruvato).
La ecuación global de la glucolisis es la siguiente:
Glucosa 2 pirúvico + 2 NADH+H+ + 2 ATP
4. Destino del ácido pirúvico (piruvato).
El piruvato puede seguir dos vÃ−as, dependiendo de si las condiciones son aerobias o anaerobias:
• En condiciones aerobias, el ácido pirúvico entra en la mitocondria y sufre una descarboxilación
oxidativa, reacción catalizada por un sistema enzimático, la piruvatodeshidrogenasa, cuyos coenzimas
son el NAD+, que pasa a NADH+H+, y el coenzima A, que provoca la liberación de un carbono en forma
de CO2 y queda unido al producto de la reacción, el ácido acético, formando acetil-CoA.
• En condiciones anaerobias el piruvato se reduce mediante fermentación, utilizando los NADH+H+
formados en la glucolisis.
5. Fermentaciones.
Las fermentaciones permiten la producción de ATP en ausencia de oxÃ−geno. Para muchos organismos
anaerobios, la glucolisis es la fuente principal de ATP de la célula, aún siendo procesos poco rentables
desde el punto de vista energético, ya que por cada molécula de glucosa que fermenta, se obtienen 2ATP;
también para las células musculares, cuando los niveles de oxÃ−geno son insuficientes para degradar el
ácido pirúvico en las mitocondrias.
Los dos ejemplos más caracterÃ−sticos son la fermentación alcohólica de la glucosa y la fermentación
láctica:
· Fermentación alcohólica. La producen ciertos microorganismos como las levaduras, que transforman
la glucosa en etanol en ausencia de oxÃ−geno. Son de gran interés económico: las especies del género
Saccharomyces se utilizan para la fabricación del pan, el vino, etc.
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· Fermentación láctica. Se produce en los músculos esqueléticos cuando trabajan a un ritmo mayor
que el acostumbrado por lo que el aporte de oxÃ−geno por la sangre es insuficiente, produciéndose la
degradación de la glucosa en anaerobiosis hasta formar ácido láctico. Este, precipita formando cristales de
lactato que, al parecer, podrÃ−a originar las “agujetas”. Además, se utilizan en la intustria alimentaria el
Streptococcus thermophillus y bacterias del género Lactobacillus para la fermentación de la leche y su
transformación en yogur. También producen la fermentación láctica las bacterias que se encuentran
habitualmente en la vagina de hembras de mamÃ−feros. El ácido láctico formado mantiene un pH ácido
que impide que se produzcan infecciones por microorganismos patógenos.
6. El ciclo de Krebs.
Esta vÃ−a metabólica fue descubierta por el bioquÃ−mico británico de origen alemán Adolf Krebs en
1937, por el que obtuvo el Premio Nobel de FisiologÃ−a y Medicina en el año 1953.
Este proceso tiene lugar en la matriz mitocondrial.
La secuencia de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs comienza con la unión del acetil-CoA a otra
molécula, el ácido oxalacético, preexistente también en la matriz. Como resultado, se forma un
ácido orgánico de seis átomos de carbono, el ácido cÃ−trico, con lo que el CoA vuelve a quedar libre. A
continuación, sigue una serie de reacciones que vuelven a dar el ácido oxalacético cerrando el ciclo.
La finalidad del ciclo es que el compuesto entrante de dos carbonos (acetilCoA) se degrade totalmente: libera
sus carbonos en forma de CO2, y sus hidrógenos son recogidos por las coenzimas.
Un primer grupo de reacciones incluye una descarboxilación oxidativa, con liberación de CO2 y de
hidrógenos, aceptados por el NAD+ que pasa a NADH+H+. El ácido de cinco carbonos resultante sufre
otra reacción de descarboxilación oxidativa, liberando otro CO2 y NADH+H+. El ácido de cuatro
carbonos que resulta, incorpora Pi del medio y a continuación lo cede al GDP, con lo que se forma GTP por
fosforilación a nivel de sustrato. à ste puede también transformarse en ATP. Después, se produce una
oxidación por la que el coenzima FAD pasa a FADH2. Sigue una incorporación de agua y, finalmente, otra
oxidación por la que el NAD+ recoge hidrógenos y pasa a NADH+H+, para obtener oxalacético.
El balance que lleva obtenido la célula a partir de la molécula de glucosa inicial podemos resumirlo en la
siguiente ecuación global, teniendo en cuenta que la vÃ−a descrita sigue siendo doble a partir de las triosas:
Glucosa â
6 CO2 + (2+8) NADH+H+ + 2 FADH2 + 2 ATP + 2 GTP
El ciclo de Krebs tampoco consume oxÃ−geno, pero sólo funciona si hay disponibilidad de éste, ya que
de esa forma las coenzimas ceden los hidrógenos y se regeneran para seguir realizando oxidaciones en el
ciclo.
7. El transporte de electrones y formación de ATP.
7.1. La cadena respiratoria.
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La cadena respiratoria es un conjunto de moléculas que se encuentran en la membrana interna de la
mitocondria y permiten, mediante una serie de reacciones de oxidorreducción, transportar los electrones
desde las coenzimas reducidas, generadas en la glucolisis, el ciclo de Krebs y otros procesos metabólicos,
hasta el oxÃ−geno.
Debemos tener en cuenta que los NADH+H+ generados en el citoplasma (glucolisis) no pueden atravesar la
membrana interna mitocondrial. Por tanto, para poder hacer llegar los protones y los electrones a la cadena
respiratoria, deben aprovechar los sistemas lanzadera:
• El sistema del glicerol-fosfato (G3P), que cede los electrones al FAD mitocondrial (con pérdida de 1ATP
en la cadena respiratoria).
• El sistema malato-oxalacetato, que cede los electrones al NAD+ mitocondrial, y rinde 3ATP en la cadena
respiratoria.
Los principales componentes de la cadena respiratoria son proteÃ−nas, como los citocromos, que se agrupan
en complejos moleculares:
1. Complejo I o complejo NADH deshidrogenasa. Este complejo enzimático acepta electrones del NADH, al
que oxida hasta NAD+, y los transfiere al coenzima-Q (Co-Q), el siguiente componente de la cadena.
2. Complejo II, coenzima Q o ubiquinona. Acepta electrones del complejo NADH deshidrogenasa y se oxida
al cederlos al siguiente complejo de la cadena. También es capaz de aceptar los electrones del FADH2,
incapaz de cederlos al complejo I de la NADH deshidrogenasa.
3. Complejo III o complejo citocromo b-c1. Acepta los electrones y los cede al último complejo enzimático
de la cadena.
4. Complejo IV o complejo citocromo-oxidasa. Este complejo transfiere los electrones recibidos al oxÃ−geno
molecular, que se reduce formando agua. El oxÃ−geno actúa, por consiguiente, como receptor final de
electrones, ya que en el último término recoge todos los electrones que se han liberado en las diferentes
etapas de la oxidación de la glucosa o de otras moléculas donadoras de electrones. El 90% del consumo
celular de oxÃ−geno se debe a esta reducción por la citocromo-oxidasa.
7.2. Fosforilación oxidativa: hipótesis quimiosmótica.
Sin embargo, la energÃ−a liberada en las reacciones redox de la cadena no se emplea directamente en la
formación de enlaces fosfato, sino que, según la teorÃ−a quimiosmótica, se utiliza primero en realizar un
transporte activo de protones (H+) desde la matriz hacia el espacio perimitocondrial, por lo que en este lugar
se acumulan protones que crean un gradiente electroquÃ−mico. Los protones no pueden atravesar la
membrana libremente, sólo pasan a través del canal de las partÃ−culas F o factores de acoplamiento,
donde se hallan las ATP sintetasas, que aprovechan la energÃ−a liberada del transporte pasivo de los protones
para la fosforilación de ADP + Pi en ATP. AsÃ−, por cada 2e- y 2H+ que cede el HADH+H+, se generan
3ATP, mientras que en el caso de FADH2 sólo se generan 2ATP.
En las células procariotas el proceso de fosforilación oxidativa tiene lugar en la membrana
citoplasmática, en la que se localizan todos los componentes de las cadenas transportadoras de electrones,
asÃ− como la ATPasa translocadora de protones que lleva a cabo la sÃ−ntesis de ATP.
8. Balance energético del catabolismo aerobio de la glucosa.
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La hidrólisis de cada molécula de ATP a ADP + Pi libera 7,3 Kcal, por lo que los 38 ATP resultantes
suponen a la célula unas 277 kcal por cada 180 g de glucosa (1 mol de glucosa = 180 g). La combustión
total de la glucosa liberarÃ−a 686 kcal, luego se puede decir que el rendimiento de la respiración aerobia de
la glucosa es de un 40% aproximadamente, que serÃ−a lo que la célula puede almacenar en el ATP para
utilizarlo en sus necesidades vitales. El resto se libera como calor, parte del cual tiene un importante papel en
muchos organismos para su termorregulación.
9. Catabolismo de lÃ−pidos: β-oxidación de los ácidos grasos.
Las células utilizan en el catabolismo los lÃ−pidos saponificables, es decir, aquellos que contienen ácidos
grasos que pueden separarse de su molécula, ya que éstos son responsables de su gran rendimiento
energético. Por tanto, las grasas son una gran reserva de energÃ−a para la célula. Las lipasas rompen los
enlaces éster de los triglicéridos, separando el glicerol y los ácidos grasos, bien en el citoplasma o en el
tubo digestivo de animales.
El glicerol (glicerina) se incorpora a la ruta de la glucolisis al transformarse en gliceraldehÃ−do 3P. Ã ste
sigue los pasos descritos hasta el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.
Los ácidos grasos, para atravesar la membrana mitocondrial necesitan unirse a un transportador, la carnitina.
Ya en la matriz mitocondrial siguen una vÃ−a catabólica compleja llamada β-oxidación de los ácidos
grasos o hélice de Lynen, que se desarrolla en la matriz mitocondrial de la célula animal,
descomponiéndose en moléculas de Acetil-CoA (la mitad del número total de átomos de carbono que
posea el ácido graso), y moléculas reducidas de NADH+H+ y FADH2 (una molécula de cada coenzima
por cada molécula de Ac-CoA, menos una).
Sin embargo, las células utilizan los glúcidos antes que las grasas por varias razones:
• La movilización de las grasas es un proceso más lento.
• En condiciones anaerobias las grasas no pueden catabolizarse, ya que no funciona el ciclo de Krebs.
• Los ácidos grasos no pueden transformarse en glucosa en las células animales, por lo que las reservas
de grasa no sirven para mantener los niveles de glucosa en sangre.
• Los ácidos grasos necesitan moléculas especiales para ser transportadas desde las células del tejido
adiposo (adipocitos) hasta las que necesitan energÃ−a, mientras la glucosa circula sin dificultad.
Existen dos tipos de células del tejido adiposo que presentan diferencias en su fisiologÃ−a, según el tipo
de catabolismo de grasas:
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- Las células blancas. Son mayoritarias y sirven para proporcionar energÃ−a en forma de ATP, útil para
las actividades vitales de las células.
- Las células pardas o del tejido adiposo marrón, en las que la degradación de las grasas sólo
proporciona calor, ya que la fosforilación oxidativa está desacoplada de la cadena respiratoria de forma
natural. Estas células oxidan sus reservas de grasa a gran velocidad en sus grandes mitocondrias
produciendo más calor que ATP. Son muy abundantes en animales hibernantes y humanos recién nacidos,
porque tienen un papel termorregulador.
9.1. Catabolismo de proteÃ−nas.
El catabolismo de las proteÃ−nas, en la mayorÃ−a de los casos, tiene como finalidad la renovación
molecular más que energética, de modo que las células suelen recurrir a ellas para obtener energÃ−a
sólo en situaciones extremas como el ayuno prolongado.
La primera fase de degradación consiste en la proteolisis enzimática por proteasas que rompen los enlaces
peptÃ−dicos entre aminoácidos, lo que puede suceder en el tubo digestivo de los animales o en el medio
extracelular de los hongos, o bien en el citoplasma, donde las proteasas aparecen repartidas en diversos
orgánulos, sobre todo en los lisosomas, que degradan proteÃ−nas tanto intra como extracelulares. La fase
siguiente consiste en la degradación de cada aminoácido, lo que sucede por una vÃ−a propia para cada uno,
pero antes deberá producirse la desaminación. El resto de la molécula, el cetoácido, seguirá su
degradación por varias vÃ−as, según el aminoácido de que se trate: ácido pirúvico, acetil-CoA o
alguno de los intermediarios del ciclo de Krebs:
- Desaminación oxidativa, por la que pierden el grupo amino como amonÃ−aco o ión amonio: el ácido
glutámico se transforma en α-cetoglutárico.
- Transaminación, por la que el aminoácido cede el grupo amino a otra molécula.
En las células vegetales el grupo amino de los aminoácidos se reutiliza, pero en las animales,
especialmente en las células nerviosas, el amonÃ−aco es muy tóxico y debe eliminarse.
Está formado al menos por 40 cadenas polipeptÃ−dicas diferentes, que utilizan nucleótidos de flavina y
adenina como coenzimas.
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