TEMA 11: METABOLISMO: CATABOLISMO

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1 1. Introducción al metabolismo TEMA 11: METABOLISMO: CATABOLISMO Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas celulares mediante las cuales la célula intercambia materia y energía con el entorno. También se le llama metabolismo intermediario porque el intercambio se produce a través de una serie de etapas formando rutas metabólicas en las que intervienen numerosos compuestos intermedios o metabolitos. Comprende dos fases: Catabolismo o destrucción: Proceso mediante el cual las moléculas orgánicas complejas se desdoblan en otras más sencillas o inorgánicas liberando energía que se almacena en el ATP. Anabolismo o construcción: Proceso de formación de moléculas orgánicas complejas a partir de otras sencillas utilizando el ATP obtenido en el catabolismo o en otros procesos químicos como fotosíntesis o quimiosíntesis. Este proceso normalmente necesita oxígeno para recibir los electrones en último lugar: Organismos aerobios. Los animales que utilizan otra molécula como aceptor final de electrones son anaerobios. Las reacciones en las que se libera energía, como en el catabolismo, son reacciones exergónicas. Aquellas que necesitan energía para que se produzcan, como el anabolismo, son endergónicas. El ATP contiene gran cantidad de energía en sus enlaces, de tal forma que al romperse los enlaces se puede liberar una gran cantidad de energía que puede ser transferida a otras moléculas que intervienen en una reacción endergónica. La energía se libera como electrones que se ceden mediante reacciones de oxidación-reducción dando lugar a la formación de ATP. ATP H O ADP Pi energía(7kcal / mol) El ATP actúa como una moneda de energía, pero no se puede acumular en grandes cantidades. Las reservas generales son especialmente glúcidos y grasas. Estas sustancias son degradadas en el catabolismo para recargar el ATP, cuyo procese más importante es la respiración celular, que consiste en la degradación por oxidación de sustancias orgánicas con la liberación de la energía química que estaba almacenada en sus enlaces. Las reacciones de oxidación-reducción consisten en una pérdida de electrones por deshidrogenación construyendo sistemas redox (óxido-reducción). Si un compuesto se oxida es necesario que otro acepte los electrones y se reduzca. La transferencia de electrones e unos sistemas redox a otros hace que se libere energía que se utiliza para sintetizar ATP. Este proceso se llama: Fosforilación oxidativa. ADP Pi energía ATP H O Pero el ATP también se puede obtener mediante la fosforilación a nivel de sustrato: Algunos compuestos fosfatados pueden ceder su grupo fosfato directamente al ADP, sin necesidad de un transporte de electrones, como ocurre, por ejemplo, en la glucólisis. R P ADP ATP R En las células tienen lugar miles de reacciones químicas, cada una catalizada por una enzima, que se producen simultáneamente siguiendo unas rutas metabólicas en las que el producto de una reacción 1

2 sirve de sustrato a la reacción siguiente. A veces, unas rutas enlazan con otras formando complejas redes metabólicas. Algunos compuestos formados en las rutas metabólicas pueden intervenir tanto en procesos anabólicos como catabólicos. La energía liberada en el catabolismo se utiliza en diversos procesos como el anabolismo, la generación de calor y el transporte activo Tipos de metabolismo Según cual sea la fuente de carbono se distinguen los siguientes tipos: Metabolismo autótrofo: Seres autótrofos. Metabolismo heterótrofo: Seres heterótrofos. a) Seres autótrofos Se nutren exclusivamente de materia inorgánica y realizan reacciones anabólicas para transformarla en materia orgánica a partir de la energía que toman del medio. La fuente de carbono es el CO atmosférico. Según la fuente de energía que utilicen se distinguen: Quimiosintéticos: La fuente de energía (ATP) procede de la energía que se desprende en reacciones químicas inorgánicas. Es propia de bacterias quimiosintéticas. Fotosintéticos: Utilizan la energía lumínica y mediante fotosíntesis la transforman en energía química. Bacterias fotosintéticas, cianofíceas, algas, vegetales. b) Seres heterótrofos Se nutren básicamente de materia orgánica que toman del medio. La fuente de energía es el ATP obtenido en el catabolismo. Es propia de la mayoría de las bacterias, hongos y células animales. Las bacterias purpúreas no sulfúreas son heterótrofas fotosintéticas.. Catabolismo Durante el catabolismo se transforman las macromoléculas en moléculas más sencillas liberándose energía que se utiliza en la síntesis de ATP, que luego se utilizará para el anabolismo, el movimiento, Estas reacciones son, en su mayoría, de oxidación-reducción y son catalizadas por enzimas deshidrogenasas. AH B A H e B A BH ( oxidado) ( reducido) Antes de llegar al aceptor final, los protones pasan por una serie de transportadores entre los que destacan las coenzimas de las deshidrogenasas (NAD, NADP, FAD). Antes de llegar al aceptor final, los electrones pasan por una serie de transportadores que son los citocromos. Existen dos tipos de catabolismo: a) Fermentación: Tanto el dador como el aceptor de electrones son moléculas orgánicas. Es un proceso anaerobio en el que las moléculas resultantes son orgánicas. Por ejemplo, durante la fermentación alcohólica, la glucosa se transforma en alcohol etílico y durante la láctica en ácido láctico. Se obtiene ATP a nivel de reacción. b) Respiración: El dador de electrones es una molécula orgánica, mientras que el aceptor final es inorgánico. Si es el O Respiración aerobia. Si es otra molécula distinta al O Respiración anaerobia. Las moléculas resultantes son inorgánicas: CO, HO, NH3, El ATP se obtiene a nivel de reacción, pero también en la cadena respiratoria, por lo que es mucho más rentable. Según cual sea la naturaleza de la molécula orgánica catabolizada se distinguen 3 tipos de catabolismo: Catabolismo de glúcidos, catabolismo de lípidos y catabolismo de prótidos

3 .1. Catabolismo de glúcidos: Respiración celular Mediante la digestión, los animales desdoblan los polisacáridos y disacáridos ingeridos en el alimento en monosacáridos, de los cuales la glucosa es el más abundante. También se obtiene glucosa por desdoblamiento del glucógeno almacenado en el hígado y los músculos, y de otros compuestos. En vegetales, la glucosa se obtiene de la fase oscura de la fotosíntesis, o del almidón, o de otros compuestos. Posteriormente la glucosa es transportada por la sangre o la savia hasta las células par ser degradada totalmente. Esto se produce en 3 etapas: Glucólisis Fase intermedia: Ciclo de Krebs Cadena de transporte electrónico acoplada a la fosforilación oxidativa La reacción global de la respiración celular es:.1.1. Glucólisis C H O O 6CO 6H O 66Kcal Se realiza en el citosol y es un proceso anaerobio (al igual que todo lo que ocurre en el hialoplasma) y consiste en la degradación parcial de una molécula de glucosa para obtener dos moléculas de ácido pirúvico, ATP y (NADH H ). Sirve para obtener energía. Se pueden diferenciar dos fases: a) Fase preparatoria: Consta de 5 etapas en las que se gastan ATP: 1. La glucosa es fosforilada a glucosa 6-fosfato con consumo de un ATP.. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato. 3. Con el gasto de otro ATP, la fructosa-6-fosfato se fosforila a fructosa-1,6-difosfato. 4. La fructosa-1,6-difosfato se hidroliza en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. 5. Solo el gliceraldehído-3-fosfato puede seguir la ruta glucolítica, pero la dihidroxiacetona se puede isomerizar a gliceraldehído-3-fosfato, por lo que a partir de esta etapa los siguientes pasos se multiplican por dos. b) Fase de beneficio: Consta de 5 etapas en las que se recogen los beneficios de 4 moléculas de ATP que se forman por un proceso de fosforilación a nivel de sustrato: 6. El gliceraldehído-3-fosfato, se convierte en 1,3-difosfoglicerato. Esta etapa es básica y la primera en la que la célula obtiene energía. Parte de esta energía se conserva en el grupo fosfato del carbono 1 del 1,3-difosfoglicerato; y otra parte en el poder reductor del NADH H que se genera en este paso. 7. El 1,3-difosfoglicerato cede un grupo fosfato al ADP formándose ATP y 3-fosfoglicerato. 8. El grupo fosfato pasa del carbono 3 al carbono. 9. Por deshidratación se forma fosfoenolpiruvato con un doble enlace, y la reorganización de la molécula concentra más energía junto al grupo fosfato. 10. El fosfato es transferido al ADP, formándose otra molécula de ATP y piruvato. Así en la glucólisis se consumen ATP y se obtienen 4 ATP más NADH H, y el balance global es: ( NADH H ) H O glu cos a ADP Pi NAD piruvato ATP 3

4 .1.. Destino del piruvato El piruvato se encuentra al final de la glucólisis en una encrucijada metabólica en la que su destino depende del tipo de célula y de la disponibilidad de oxígeno. En condiciones anaerobias, el piruvato sigue la vía de las fermentaciones reduciéndose, con consumo de NADH H, a otros compuestos orgánicos como el etanol o el lactato. En condiciones aerobias, el piruvato entra en las mitocondrias y es oxidada completamente a CO y H O, a través del Ciclo de Krebs y la cadena respiratoria Fase intermedia: Ciclo de Krebs También recibe el nombre de ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos. Tiene lugar en el interior de la matriz mitocondrial. Mediante este ciclo se degradará totalmente el piruvato para lo cual es necesario que atraviese la doble membrana mitocondrial y se transforme en acetil-coa mediante un proceso de descarboxilación oxidativa. El acetil-coa también puede proceder de la degradación de ácidos grasos y aminoácidos. 4

5 El acetil-coa entra en el ciclo de Krebs uniéndose al oxalacetato (4C) para dar citrato (6C) (ácido cítrico). Este sufre sucesivas oxidaciones y pérdidas de CO hasta transformarse de nuevo en oxalacetato que quedará libre para unirse a una nueva molécula de acetil-coa. La reacción global del ciclo de Krebs es: Acetil CoA 3NAD FAD GDP PI H O CO 3NADH 3H FADH GTP CoA SH Aunque en ninguna de sus reacciones interviene el oxígeno, este ciclo sólo funciona en condiciones aerobias porque requiere el aporte continuo de NAD y FAD que sólo se regeneran en la cadena respiratoria. El ciclo de Krebs también interviene en el anabolismo proporcionando intermediarios en la biosíntesis de otras sustancias, como aminoácidos. Balance final del ciclo de Krebs: 5

6 Paso previo: 1 Piruvato acetil CoA CO NADH H Ciclo de Krebs: 1 Acetil CoA CO NADH H FADH GTP 3 Balance total: 1 Piruvato 3CO 4NADH H FADH GTP Cadena de transporte electrónico acoplada a la fosforilación oxidativa: Cadena respiratoria La cadena respiratoria está formada por una serie de transportadores localizados en las crestas mitocondriales de la membrana interna de las mitocondrias. En ellas se realizan dos procesos importantes que son el transporte electrónico y la fosforilación oxidativa (formación de ATP). El transporte se inicia cuando una coenzima reducida (NADH H o FADH ) se oxida al ceder los dos hidrógenos a un transportador de la cadena. Estos transportadores se agrupan en 3 complejos. Cada uno de ellos tiene un potencial red-ox más positivo que el anterior por lo que los electrones descienden en cascada a niveles cada vez menores hasta llegar finalmente al oxígeno, lo que forma H O. El transporte se realiza a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción. El NADH H (NADH ) le cede los dos hidrógenos al complejo I (NAD-reductasa) y este se los pasa a la coenzima Q, sin embargo, el FADH se los cede directamente a la coenzima Q. Esta manda H a la matriz y le pasa electrones al complejo II (citocromo C-reductasa) que a su vez se los envía al citocromo C y este al complejo III (citocromo C-oxidasa), que finalmente se los da al O. Esta fase es, por tanto, la única aerobia del catabolismo glucídico. Durante el transporte de electrones se produce en tres puntos de la cadena (complejos I, II y III) una translocación de protones (H ) que van desde la matriz al espacio intermembrana. Esto provoca la aparición de un gradiente electroquímico ya que el espacio intermembrana se vuelve más ácido que la matriz. Según la teoría quimiosmótica, la energía liberada en el transporte de electrones se utiliza para bombear protones del espacio intermembrana a la matriz y formar así ATP. Este retorno de protones a la matriz se realiza a través de las ATP-sintetasas que aprovechan la energía del gradiente para transformar ADP en ATP, y a este proceso se le llama fosforilación oxidativa. 6

7 Cada NADH que llega a la cadena respiratoria cede una pareja de electrones que, en su transporte, libera energía suficiente para bombear 6H desde la matriz al espacio intermembrana, mientras que el FADH sólo bombea 4H. Por cada H que vuelven a la matriz a través de la ATP-sintetasa se forma un ATP, por tanto 1 NADH origina 3 ATP y 1 FADH origina ATP. 1NADH 3ATP 1FADH ATP.1.5. Balance energético del catabolismo aerobio de una glucosa 1. Balance energético de la glucólisis: 1 glu cosa piruvato ATP NADH H H O E = *3 = 8 ( ) ATP. Balance energético del ciclo de Krebs: 1 Piruvato 3CO 4NADH 4H FADH GTP E = 4 *3 1* 1 = 15 ( ) ( ) ATP 3. Balance total: Por cada glucólisis se realizan dos ciclos de Krebs, por lo que la energía total será: E total = 8 *15 = 38 ( ) ATP Cada ATP equivale aproximadamente a 7Kcal, por lo que la energía acumulada al degradarse la glucosa será de 66Kcal...Fermentaciones Son procesos catabólicos en los que tanto el dador como el aceptor final de electrones son compuestos orgánicos, por lo que la degradación no es total. Es un proceso anaerobio y en él no interviene la cadena respiratoria. Las fermentaciones son propias de microorganismos (levaduras y bacterias) aunque la fermentación láctica también se realiza en el tejido muscular cuando el O es insuficiente. Desde el punto de vista energético es mucho más rentable la respiración. Ejemplo: 1 glucosa produce por respiración 38 ATP, mientras que por fermentación sólo ATP. Esto se debe a que los NADH en la fermentación no pasan a la cadena respiratoria sino que ceden los H a compuestos orgánicos. 7

8 ..1. Fermentación láctica Consiste en la transformación de lactosa en ácido láctico. La realizan bacterias del género Lactobacillus, obteniéndose productos derivados de la leche: queso, yogur, También la realizan células musculares cuando falta O : La glucosa se transforma en ácido pirúvico y este cristaliza dando ácido láctico cuyos cristalitos producen las agujetas.... Fermentación alcohólica Los azúcares fermentan para formar cerveza, vino o pan. Consiste en la transformación de una glucosa en dos moléculas de etanol y dos de CO. El proceso es común a la glucólisis, pero luego el piruvato se descarboxila dando etanol. La realizan levaduras del género Saccharomyces..3.Catabolismo de lípidos En los animales superiores, las grasas tienen una gran importancia como combustibles. 1 g de grasa proporciona 9 Kcal frente a 4.3 Kcal de los glúcidos. Las lipasas rompen los enlaces tipo éster separando a los lípidos de sus componentes: Triglicéridos glicerina 3ácidos grasos Fosfoglicé rido glicerina ácidos grasos ácidofosfórico Los esteroides y carotenoides no se degradan sino que sufren una desactivación funcional y son excretados. En el catabolismo de lípidos la energía se obtiene principalmente mediante la oxidación de los ácidos grasos β-oxidación de los ácidos grasos Los ácidos grasos son degradados a acetil-coa mediante la β-oxidación, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. Activación de los ácidos grasos: Antes de entrar en la matriz, el ácido graso tiene que ser activado a Acil-CoA en el hialoplasma consumiendo ATP. Los acil-coa son transportados a través de la membrana mitocondrial interna con ayuda de la carnitina. 8

9 β-oxidación: Ya en la matriz, el acil-coa oxida su carbono β mediante una serie de reacciones y como resultado se irá fragmentando en moléculas de átomos de carbono que son el acetil-coa. Este, junto con el que procede del piruvato, ingresa en el ciclo de Krebs para degradarse totalmente. El acil-coa, con carbonos menos seguirá sufriendo β-oxidaciones hasta que en la última se formen acetil-coa. Se obtiene FADH y NADH H que se oxidan en la cadena respiratoria generando ATP..3.. Rendimiento energético de la β-oxidación Ejemplo: β-oxidación del ácido palmítico: CH 3 (CH) 14 COOH Para que se oxide totalmente son necesarias 7 vueltas del ciclo β-oxidación, produciéndose en total 8 acetil-coa. ( CH) COOH 8CoA SH ATP 7FAD 7NAD 7H O 8( CH CO S CoA) 7FADH NADH AMP PPi CH ( ciclo dekrebs) ATP 8acetil CoA*1ATP 96 7FADH 7* = 14ATP 7NADH 7*3 = 1ATP Total: = 131ATP A los 131 ATP hay que restarle 1 ATP gastado al activar el ácido graso a acil-coa, con lo que quedan 130 ATP. Kcal 130 *7 = 910Kcal mol 9

10 .4.Catabolismo de proteínas Aunque no son compuestos típicamente energéticos, su degradación proporciona energía. En el tubo digestivo las proteínas se desdoblan en aminoácidos. Estos, por medio de la sangre, llegan a las células y allí sufrirán distintos tipos de oxidación, dando productos que se degradarán totalmente en el ciclo de Krebs. Hay 3 tipos: 1. Transaminación: Traspaso del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido, que lo acepta y se transforma en otro aa.. Desaminación oxidativa: Consiste en la liberación del grupo amino de un aa en forma de amoníaco y como consecuencia se forma un α-cetoácido que se degradará totalmente en el ciclo de Krebs. Se produce NADHH que puede entrar en la cadena respiratoria. 3. Descarboxilación: Degradación de aa mediante la pérdida del grupo carboxilo terminal en forma de CO gracias al consumo del CoA. Previamente el aa debe haber perdido e grupo amino. El producto puede incorporarse al ciclo de Krebs. α cetoácido CoA SH R CoA CO.5. Catabolismo de ácidos nucleicos En el tubo digestivo los ácidos nucleicos se desdoblan en nucleótidos y estos en: nucleótido s pentosa base nitrogenada fosfato Pentosa: Se degrada mediante la vía glucídica. Fosfato: Parte se utiliza para la síntesis de ATP y parte es excretado por la orina. Base nitrogenada: Es utilizada para la síntesis de nuevos nucleótidos o se degrada dando ácido úrico, urea o amoníaco, que son eliminados por la orina. 10

11 ESQUEMA SIMPLIFICADO DEL METABOLISMO 11