(2 ) Gliceraldehido-3-P Ac. Pirúvico + H2O CATABOLISMO. GLUCOLISIS, FERMENTACIÓN Y RESPIRACIÓN. I. La glucolisis

Transcripción

1 CATABOLISMO. GLUCOLISIS, FERMENTACIÓN Y RESPIRACIÓN I. La glucolisis Es una ruta metabólica que se compone de 10 reacciones, catalizadas por otras tantas enzimas, que transcurre en el citosol de la células, tanto procariotas como eucariotas. Es la vía universal de degradación de la glucosa y tiene lugar tanto en condiciones aerobias como anaerobias. El resultado final de la glucolisis es la conversión de una molécula de glucosa (6 carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico (3 carbonos). Dicha conversión tiene lugar en dos fases: La primera es una fase de activación que consiste en una doble fosforilación y posterior escisión de la molécula en dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato (G3P). Esta fase consume energía en forma de 2 ATP que transfieren sus grupos fosfato a la glucosa. Globalmente: 2 ATP 2 ADP Glucosa 2 Gliceraldehido-3-P En esta fase intervienen 2 enzimas alostéricos que son importantes puntos de regulación: Hexoquinasa y Fosfofructoquinasa, que pueden ser inhibidas o activadas por distintos metabolitos. La segunda es una etapa de oxidación de las dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Cada una transfiere electrones a una molécula de NAD +, que se reduce, y posteriormente sufre varias transformaciónes en las que se libera energía transfiriéndose esta a dos moléculas de ADP (que se transforman en ATP), hasta obtener 2 moléculas de ácido pirúvico. Globalmente tenemos: 2 ADP + Pi 2 ATP (2 ) Gliceraldehido-3-P Ac. Pirúvico + H2O NAD + NAD Por lo tanto en esta etapa se recuperan los dos ATP invertidos en la primera y se obtienen aún dos más (no olvidar que esta ruta transcurre por duplicado). Además, el aceptor final de electrones es el NAD +, que se reduce, obteniéndose 2 moléculas de NADH. Un enzima importante de esta fase es la Piruvatoquinasa, que es un enzima alostérico y, por tanto un importante punto de regulación de la producción de pirúvico. 1

2 Metabolitos importantes de la glucolisis: CH 2 O-P O OH OH OH OH Glucosa 6 P O P-OCH 2 - CHOH C H Gliceraldehido 3- P O CH 3 C - COOH Ácido Pirúvico Balance global de la glucolisis II. La respiración celular. El balance energético de la glucolisis es relativamente pobre si tenemos en cuenta que solo se obtienen 2 ATP y 2 NADH (ninguno en el caso de que ocurra fermentación) por cada molécula de glucosa procesada. Así, una célula que solo realice este proceso necesita consumir grandes cantidades de glucosa para obtener la energía necesaria para su anabolismo y la realización de sus funciones vitales. Con la aparición del oxígeno en la tierra primitiva gracias a los seres fotosintéticos, algunos microorganismos desarrollaron la capacidad de aprovecharlo para oxidar completamente el acido pirúvico resultante de la glucolisis hasta transformarlo en CO2, que es el máximo estado de oxidación del carbono. Así, estos microorganismos denominados aerobios, mediante el proceso de la respiración celular utilizan el O2 como aceptor final de electrones en la oxidación consiguiendo con ello un rendimiento energético de hasta 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa, es decir, 19 veces superior al de la glucolisis. Además permite también la oxidación total de otros compuestos orgánicos reducidos: los ácidos grasos y muchos aminoácidos son catabolizados también por esta misma vía oxidativa, obteniéndose un aprovechamiento máximo de la energía química contenida en ellos. Algunos de estos microorganismos aerobios se transformaron posteriormente en orgánulos de las actuales células procariotas, dando lugar a las mitocondrias. Debido a ello, la respiración celular solo se realiza en el interior de estos orgánulos, que son la principal fábrica de energía de la célula eucariota. Los vegetales y muchos microorganismos actuales también realizan este proceso. 2

3 Globalmente el proceso se puede representar del siguiente modo: ATP CHO + O2 Molécula orgánica reducida CO2 + H2O La respiración celular se puede dividir en tres fases que veremos a continuación. Todas ellas tienen lugar en la matriz mitocondrial o en su membrana interna. A. Oxidación a Acetil-Coenzima A El ácido Pirúvico procedente de la glucosa entra en la mitocondria y es oxidado hasta ácido acético. Simultáneamente se une a una molécula de CoA, ya que es necesario para que la oxidación pueda continuar. El aceptor de electrones es el NAD +. NAD + NAD Ác. Pirúvico Ácetil-Coenzima A Coenzima A CO 2 CH 3 C Ácido acético O OH O CH 3 C CoA Esta reacción redox está catalizada por un enzima mitocondrial denominado Piruvatodeshidrogenasa que es un importante punto de regulación, ya que es un enzima alostérico. En realidad se trata de un complejo multienzimático que utiliza varios coenzimas más que son derivados de vitaminas, como el pirofosfato de tiamina (la tiamina es la vitamina B1). ÁcetilCoenzima A Los ácidos grasos, mediante la β-oxidación, y algunos aminoácidos también pueden ser oxidados hasta formar AcetilCoA, de forma que en esta molécula convergen muchos compuestos orgánicos reducidos que la célula puede utilizar como combustibles. B. Ciclo de Krebs Es una ruta metabólica que consta de 9 reacciones catalizadas por los enzimas correspondientes y solo se produce en presencia de oxígeno. También tiene lugar en la matriz mitocondrial, y su objetivo es continuar la oxidación de los dos carbonos del Acido acético (en forma de AcetilCoA) hasta CO2. Los aceptores de electrones de la oxidación son el NAD + y el FAD. Además se obtiene adicionalmente energía en forma de GTP (transportador de energía similar al ATP). 3

4 La primera de las reacciones del ciclo de Krebs (también denominado ciclo del acido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es la siguiente: ÁcetilCoA Coenzima A Ácido Oxalacético Ácido Cítrico Las 8 reacciones restantes se pueden resumir globalmente del siguiente modo: 3 NAD + 3 NAD 2 CO 2 Ácido Cítrico Ácido Oxalacético FAD FADH 2 GDP + Pi GTP Como vemos, el producto final de la ruta es el mismo que el primer reactivo, es decir, el ácido oxalacético. Por ello se dice que esta ruta es un ciclo, y el resultado neto es la oxidación del ácido Acético inicial a 2 moléculas de CO2. Todos los intermediarios metabólicos de ciclo de Krebs están en la matriz mitocondrial en cierta concentración, y algunos de ellos pueden salir al citoplasma y entrar mediante proteínas transportadoras de la membrana mitocondrial. Todos ellos sirven de base para multitud de rutas metabólicas del anabolismo, de forma que a partir de ellos se sintetizan aminoácidos y otras muchas moléculas necesarias para la célula. Es por ello que decimos que el ciclo de Krebs es una ruta anfibólica, ya que forma parte tanto del catabolismo como de anabolismo, y es el centro del metabolismo en las células aerobias. COOH C=O CH 2 COOH Ácido Oxalacético COOH CH 2 HO -C- COOH CH 2 COOH Ácido Cítrico C. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa Consiste en una secuencia de reacciones redox en las que los transportadores de electrones (NADH y FADH2) que han sido reducidos en los procesos anteriores, se oxidan transfiriendo sus electrones al Oxígeno (aceptor final) a través de una serie de proteínas de la membrana interna de la mitocondria. De este modo el oxígeno es reducido a H2O. Durante la transferencia, los electrones pierden energía progresivamente, y 4

5 esta energía liberada se transfiere a moléculas de ADP, que se transforma en ATP, mediante un proceso denominado fosforilación oxidativa. En los seres procariotas estos procesos tienen lugar en la membrana plasmática. 1. Cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria La cadena respiratoria está formada por moléculas solubles en la membrana y proteínas integrales. Estas moléculas son de dos tipos: Tres grandes complejos formados por muchas proteínas que contienen distintos grupos prostéticos: Flavinmononucleótido (FMN), complejos hierro-azufre, grupos Hemo (con un átomo de Fe en su céntro) o atomos de cobre. A las proteínas que contienen grupos hemo se les denomina Citocromos. Cada complejo se designa con un número romano y un nombre propio según el orden en que interviene en el proceso. Los tres complejos principales son: o Complejo I: NADH-Q reductasa o Complejo III: Citocromo reductasa. o Complejo IV: Citocromo oxidasa. Existe otro complejo denominado complejo II (Succinato-Q reductasa), que aunque participa en la cadena respiratoria, carece de ciertas propiedades que los otros sí poseen. Además participa en el ciclo de Krebs. Dos pequeñas moléculas con movilidad dentro de la membrana mitocondrial: o Coenzima Q o Ubiquinona, que es una pequeña molécula lipososuble. o Citocromo C, es el único citocromo independiente y que presenta libre movilidad en la membrana, ya que el resto de citocromos (como Cit b, c1, a y a3) forman parte de los complejos anteriores. Estado oxidado Estado reducido Q QH2 FMN FMNH2 Fe +++ Fe ++ Cu ++ Cu + 5

6 La secuencia de reacciones de oxidación reducción se lleva a cabo del modo siguiente: Espacio intermembrana Complej o I e Q Complejo III Cit C e - e - e - e - - e - Complejo II Complejo IV NAD NAD + ½ O H 2 O FADH 2 FAD Matriz mitocondrial Bombeo de al espacio Intermembrana Como se observa en la figura cada molécula de NADH, cede sus electrones complejo I y sucesivamente van pasando al Conzima Q, al complejo III, al citocromo C y al complejo IV. Finalmente este cede los electrones al Oxígeno, que capta simultaneamente 2 transformándose en agua. Las moléculas de FADH2 ceden sus electrones al Complejo II, que a su vez se los cede al Coenzima Q, siguiendo después la misma ruta que en el caso anterior. En cada paso un grupo prostético se reduce para oxidarse posteriormente al ceder sus e - al grupo prostético siguiente, formando así una cadena. Potencial redox decreciente. Los electrones pasan de un complejo a otro perdiendo progresivamente energía potencial. Así el NADH es la molécula de mayor potencial redox, mientras que el resto de moléculas tienen un potencial sucesivamente menor, siendo mínimo en la molécula de agua. Así pues, los electrones se pueden asimilar a piedras que fuesen cayendo a saltos por una pendiente escalonada (cada escalón sería un componente de la cadena), perdiendo sucesivamente su energía potencial. En el caso de una piedra, la energía potencial se transforma en energía cinética pero Qué ocurre en el caso de los electrones? Dónde va a parar esa energía? 6

7 2. Fosforilación oxidativa a. Transporte de protones: Hipótesis quimiosmótica. Cada vez que uno de los tres complejos de la cadena capta electrónes (se reduce), también capta simultáneamente iones de la matriz mitocondrial para neutralizar su carga eléctrica. Cuando cede su electrón al complejo siguiente, libera de nuevo estos iones pero por la cara opuesta de la membrana interna, es decir hacia el espacio intermembrana. Por tanto se comporta como una bomba de protones. De este modo se va creando un gradiente electroquímico de entre el interior y el exterior de la mitocondria, es decir, una diferencia de concentración y de carga elétrica. Esta es una forma de acumular la energía libre que los electrones pierden a su paso por la cadena respiratoria. b. Síntesis de ATP Los iones tienden a volver espontáneamente a la matriz mitocondrial impulsados por el campo eléctrico creado y la diferencia de concentración, pero solo pueden hacerlo atravesando los complejos ATP- Sintetasa, formados por un canal de protones (F0) que atraviesa la membrana, y un complejo enzimático que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi (F1) y que está orientado hacia la matriz. Cada mitocondria posee millares de estas unidades. Cada vez que 3 iones atraviesan el complejo regresando a la matriz mitocondrial, este convierte una molécula de ADP y Pi en ATP. Así, el ATP acumula la energía libre perdida por los protones en su regreso. Se ha calculado que por cada molécula de NADH que es oxidada en la cadena respiratoria se generan 3 moléculas de ATP; mientras que por cada FADH2 que es oxidado, se generan 2 ATP. Por lo tanto se puede hacer la suma global de los ATP generados por cada molécula de glucosa. 7

8 III. Balance energético de la oxidación de la glucosa 1 molécula de Glucosa 2 ATP 2 NAD2 3 = 6 ATP 2 moléculas Ac. Pirúvico 2 NAD2 3 = 6 ATP 2 CO 2 2 moléculas AcetilCoenzima A 2 ATP = 2 GTP DOS VUELTAS DEL CICLO DE KREBS 6 NAD 6 2 FADH 2 3 = 2 = 18 ATP 4 ATP 4 CO 2 SUMA 4 ATP 34 ATP 38 ATP Podemos escribir el proceso de oxidación de la glucosa como: C 6 H 12 O O ADP + 38 Pi 6CO H 2 O + 38 ATP En el tejido muscular este balance energético es de 36 ATP, debido a que los 2 NADH producidos en la glucolisis entran en la mitocondria por un mecanismo especial denominado Lanzadera del glicerolfosfato en la cual se consume una molécula de ATP por cada NADH introducido. 8

9 CATABOLISMO DE ACIDOS GRASOS Y AMINOACIDOS El intermediario común donde covergen las rutas catabólicas de glúcidos, lípidos y algunos aminoácidos es el AcetilCoenzimaA. Otros aminoácidos se convertirán en metabolitos de la glucolisis o intermediarios del ciclo de Krebs. A este fenómeno por el cual multitud de compuestos diversos acaban convirtiéndose en metabolitos de una ruta central se le denomina Convergencia metabólica. I. Catabolismo de ácidos grasos Los ácidos grasos, que son largas cadenas hidrocarbonadas, comienzan su procesamiento en el citoplasma, donde se activan de forma similar al ácido pirúvico, siendo transferidos al Coenzima A y formando Acil CoenzimaA. Posteriormente el coenzima A cede el ácido graso a una molécula especial presente en la membrana de la mitocondria llamada Carnitina. Esta transporta los ácidos grasos al interior de la mitocondria y los cede de nuevo a otra molécula de Coenzima A en la matriz mitocondrial. Por último, el Acil CoA dentro de la mitocondria sufre un proceso llamado β- Oxidación en el cual el ácido graso se convierte en varias moléculas de Acetil CoenzimaA. Como el grupo acetil contiene 2 atomos de carbono, si el ácido graso tiene n átomos de carbono se formarán n/2 moléculas de Acetil CoA. No se forman todas a la vez, sinó una por una de forma secuencial. Por ejemplo el ácido Palmítico tiene 16 átomo de carbono, luego originará 8 moléculas de Acetil CoA en una secuencia de 7 β-oxidaciones. En cada vuelta de β-oxidación se produce además una molécula de NADH y otra de FADH2. II. Catabolismo de los aminoácidos Los aminoácidos tienen la particularidad de poseer, ademas de C H y O, átomos de Nitrógeno formando parte de los grupos amino. Por ello en su catabolismo todos ceden estos grupos amino a otras moléculas como el α- Cetoglutarato, mediante unos enzimas específicos llamados transaminasas. Esta reacción es característica de las células del hígado de los mamíferos. Posteriormente se eliminarán los grupos amino transformándose en Urea que será excretada por la orina (Mamíferos) o bien en ácido úrico o amoniaco en otros vertebrados. α-cetoglutarato Acido Glutámico Aminoácido-NH2 Transminasa -Reacción de transaminación- Metabolito El resto de la molécula (esqueleto carbonado) acabará transformandose en otros metabolitos: bién en Ácido Pirúvico, bien en Acetil Coenzima A o bien 9

10 algún metabolito intermediario del ciclo de Krebs, dependiendo de que aminoácido se trate. Ácidos grasos Áminoácidos ATP CoA α-cetoglutarato Urea AMP + PPi Ácil Coenzima A Acido Glutámico NH 4 + Ác. Úrico Ácido Pirúvico Coenzima A Carnitina CoA NAD + NAD Ácetil Coenzima A Ácil Coenzima A β-oxidación CoA FADH 2 FAD Ciclo de Krebs 10