TEMA 12. CATABOLISMO AERÓBICO Y ANAERÓBICO

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1 TEMA 12. CATABOLISMO AERÓBICO Y ANAERÓBICO CATABOLISMO AERÓBICO Está formado por varias rutas metabólicas que conducen a la obtención de moléculas de ATP que podrán ser empleadas en otros procesos que necesiten un aporte energético. La energía que no se almacena se disipa en forma de calor. GLUCÓLISIS (RUTA DE EMBDEN-MEYERHOF) Tiene lugar en el citosol sin necesidad de oxígeno. Se trata de una secuencia de reacciones químicas donde una molécula de glucosa de (6C) se va a transformar en dos moléculas de ácido pirúvico (3C). Balance energético Glucosa + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H H 2O Etapas clave de la glucólisis En condiciones aerobias, el NADH extramitocondrial cede sus electrones a la cadena transportadora a través de la dihidroxiacetona fosfato, que se reduce a glicerol fosfato, el cual entra en la mitocondria, se reoxida mediante la reducción de un FAD, y sale de nuevo al citosol como dihidroxiacetona fosfato. Este proceso se denomina lanzadera de dihidroxiacetona En condiciones anaerobias, el NADH extramitocondrial se oxida a NAD +, reduciéndose el ácido pirúvico. Se obtiene energía de forma anaeróbica y las reacciones se llaman fermentaciones. 1

2 RESPIRACIÓN CELULAR 1. CICLO DE KREBS Oxidación del piruvato. El ácido pirúvico formado en la glucólisis, en el citoplasma celular, va a pasar a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna. El ácido pirúvico se oxida, liberándose una molécula de CO 2 y un grupo acetilo (CH 3- CO - ), en una reacción catalizada por la piruvato-deshidrogenasa, que es un complejo enzimático de gran tamaño. Dos molécula de NAD + se reducen, con lo que se obtienen dos NADH por cada glucosa. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto llamado coenzima A, formándose acetil-coa, el cual une los procesos de oxidación del piruvato y el ciclo de Krebs. Ciclo de Krebs Tiene lugar en la matriz mitocondrial, siempre que haya suficiente oxígeno. 0/s400/CicloDeKrebs.gif Balance energético del ciclo de Krebs 2 Acetil- CoA + 6 NAD FAD + 2 GDP + 2 P i 2 CoA + 6 NADH + 2 FADH GTP + 2 ATP Se obtiene poca energía en forma de moléculas fosforiladas, pero mucha en forma de núcleotidos reducidos. 2

3 2. CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES Parte de la energía procedente de la degradación de la molécula de glucosa se ha utilizado en la síntesis de ATP, pero la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que fueron aceptados por el NAD + y el FAD. Estos electrones están en un nivel energético alto. Durante el transporte electrónico, los electrones son transportados a través de una serie de aceptores de distinto potencial de reducción. Según se avanza en la cadena, los aceptores se encuentran en un nivel energético ligeramente menor. Cada par redox sólo puede recibir electrones de otro par que tenga un potencial de reducción más negativo, y sólo puede cederlos a otro par redox que lo tenga menos negativo. El potencial mas negativo de la cadena respiratoria es el NAD + con - 0,32 voltios. En el otro extremo está el agua con +0,82 voltios. Cuando los electrones se mueven por la cadena transportadora salen a niveles energéticos inferiores y van liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP, a partir de ADP, en el proceso de fosforilación oxidativa, propuesto por un bioquímico británico llamado Peter Mitchell. Este proceso depende de la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. - - Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 moléculas de ATP. Por cada dos electrones que pasan desde el FADH 2 al oxígeno forman 2 de ATP. El mecanismo por el cual se produce ATP se explica por la teoría del acoplamiento quimiosmótico. Acoplamiento quimiosmótico La membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, luego su bombeo permite que exista un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana. De esta forma, se genera energía aprovechable para hacer funcionar procesos acoplados a canales por los que circulan protones a favor de gradiente hacia la matriz mitocondrial. Estos canales los conforman las partículas F, formados por una ATP- sintetasa con una porción F 0 integrada en la membrana de la cresta mitocondrial, y una porción F 1 que sobresale hacia la matriz. Cuando los protones atraviesan esta bomba, la partícula F rota y cataliza la hidrólisis de ATP a partir de ADP y fosfato. Por cada tres protones que fluyen a través de la ATP- sintetasa, se forma una molécula de ATP. Como el flujo de protones es impulsado por un gradiente electroquímico, este proceso tiene carácter quimiosmótico. 3

4 BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN CELULAR La glucólisis rinde dos moléculas de ATP y dos de NADH fuera de la mitocondria. En presencia de oxígeno, los electrones del NADH extramitocondrial entran en la cadena transportadora de electrones, gracias a la dihidroxiacetona fosfato, y son cedidos al FAD en la cadena transportadora de electrones, donde el rendimiento es de dos moléculas de ATP por cada FADH 2. El rendimiento en la glucólisis es de 6 ATP. La conversión de ácido pirúvico en acetil- CoA rinde dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa, y cuando sus electrones se transfieren a la cadena respiratoria se forman 6 ATP. En el ciclo de Krebs se introducen dos moléculas de acetil- CoA y se forman dos de GTP (cada uno de ellos origina 2 moléculas de ATP), seis de NADH y dos de FADH 2. Por lo tanto, por cada molécula de glucosa se formarán 24 ATP en el ciclo de Krebs y en las cadenas respiratorias asociadas a él. El rendimiento total que produce la degradación de una molécula de glucosa es de 36 ATP. PROCESO CITOPLASMA MATRIZ MITOCONDRIAL TRANSPORTE ELECTRÓNICO TOTAL Glucólisis 2 ATP 2 NADH 2 (2 ATP) 2 FADH 2 2 ATP 4 ATP Respiración Piruvato a Acetil- CoA Ciclo de Krebs 2 (1 NADH) 2 (3 ATP) 6 ATP 2 (1 ATP) 2 (3 NADH) 2 (FADH 2) 6 (3 ATP) 2 (2 ATP) 2 ATP 18 ATP 4 ATP BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL (por molécula de glucosa) 36 ATP 4

5 CATABOLISMO ANAERÓBICO: FERMENTACIONES Cuando el catabolismo ocurre en condiciones anaerobias, es decir, el último aceptor de electrones no es el oxígeno, las rutas de degradación de la glucosa se llaman fermentaciones. En un mismo organismo pueden tener lugar rutas aerobias y anaerobias, según las condiciones ambientales de sus células. Ocurre en muchas células vegetales y en la fibra muscular estriada de vertebrados. Aparecen varios tipos de fermentaciones: 1. FERMENTACIÓN ETÍLICA. Ocurre en vegetales, hongos y bacterias, ya que la alcohol deshidrogenasa cataliza la reducción del gliceraldehido a etanol. Ejemplo: Saccharomyces cerevisiae. - Efecto Pasteur: Se inhibe la fermentación cuando hay presencia de oxígeno. Tiene lugar en organismos anaerobios facultativos, como las levaduras. El balance energético en condiciones aerobias es mucho más favorable, obteniéndose 36 ATP frente a los 2 ATP obtenidos en las fermentaciones. NAD + NADH 2. FERMENTACIÓN LÁCTICA. Se origina ácido láctico a partir del ácido pirúvico procedente de la glucólisis, regenerándose el NAD + para que pueda proseguir la glucólisis. Este tipo de fermentación la llevan a cabo bacterias Gram positivas del grupo de los lactobacilos, las cuales son anaerobias facultativas. Al ser heterótrofas requieren medios de cultivo ricos en biomoléculas, y por eso no se encuentran en el suelo ni en el agua, sino en la leche, el intestino a. Bacterias homofermentativas: Sólo producen ácido láctico. - Producen los derivados lácteos. Ejemplo: Lactobacillus lactis, L. casei. - Otros viven en el intestino humano. Ejemplo: Streptococcus faecalis. b. Bacterias heterofermentativas: Producen otras sustancias a demás del ácido láctico. Ejemplo: Lactobacillus brevis, 5

6 OTRAS RUTAS CATABÓLICAS 1. OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS - En primer lugar, los triacilglicéridos se van a hidrolizar en el citoplasma celular, gracias a las lipasas presentes en la bilis y a las enzimas pancreáticas, formándose glicerol y ácidos grasos, los cuales pasan a la β- oxidación. - Los fosfolípidos también se hidrolizan, formando glicerol, ácido fosfórico y ácidos grasos. El glicerol resultante se fosforila y se oxida a dihidroxiacetona fosfato, la cual puede isomerizarse a gliceraldehído- 3- fosfato, el cual se incorpora a la glucólisis. β- oxidación de los ácidos grasos Los ácidos grasos se activan en la membrana mitocondrial externa, uniéndose a la CoA en una reacción catalizada por la acil- CoA sintetasa. Se forma un compuesto llamado Acil- CoA, que traspasa la membrana mitocondrial al unirse a la carnitina, que actúa como lanzadera por la acción de una translocasa. 1. Oxidación del acil- CoA, reacción catalizada por la acil- CoA- deshidrogenasa, en la cual se forma un compuesto llamado enoil-coa. En este proceso se forma una molécula de FADH 2 gracias a la reducción de un FAD Hidratación del doble enlace presente en el enoil- CoA en una reacción catalizada por una enzima llamada enoil- CoA- hidratasa, para formar β-hidroxiacil-coa. 3. Oxidación catalizada por la β- hidroxiacil- CoA- deshidrogenasa, que convierte el grupo OH - del C 3 en un grupo ceto, formándose NADH y β-cetoacil-coa. 4. Escisión y tiólisis del β- cetoacil- CoA en una reacción catalizada por la tiolasa, originándose un acetil-coa y un acil-coa acortado en dos átomos de carbono. El acetil- CoA se incorpora al ciclo de Krebs y el acil- CoA acortado sigue un nuevo ciclo de oxidación. La β oxidación consigue, en el interior de la mitocondria, que de un ácido graso saturado se liberen tantas unidades de acetil- CoA como permita su número par de átomos de carbono. 6

7 2. OXIDACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos que superan las necesidades metabólicas no pueden ser almacenados ni excretados, sino que se emplean como reserva energética. El grupo α- amino de los aminoácidos se separa, transformándose en urea que será excretada, mientras que el resto de la cadena carbonada formará intermediarios metabólicos que se incorporarán al las principales rutas catabólicas. El grupo α-amino se transfiere al ácido- α- cetoglutárico para formar ácido glutámico, que se va a desaminar formando amonio (NH 4 +). En los mamíferos, el ión amonio se transforma en urea mediante el ciclo de la urea, para ser excretado posteriormente. El esqueleto carbonado de los aminoácidos forma intermediarios del ciclo del Krebs. Dependiendo del tipo de metabolito que originen, los aminoácidos se clasifican en: Aminoácidos cetogénicos: Leucina y lisina. Originan compuestos como el acetil- CoA o el acetoacetil- CoA, que pueden transformarse en cuerpos cetónicos en el hígado. Aminoácidos glucogénicos: Alanina, glicina, cisteína, serina, treonina, asparagina, ácido aspártico, metionina, ácido glutámico, glutamina, histidina, prolina y valina. Al degradarse originan ácido pirúvico, ácido- α- cetoglutárico, succinil- CoA, ácido fumárico y ácido oxalacético. Aminoácido mixtos. Isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina. Son aquellos que pueden formar compuestos cetogénicos y glucogénicos. 7