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CURSO INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

METABOLISMO

PROCESOS DEGRADATIVOS

(CATABOLISMO)

Dr. Jham Papale

Barquisimeto, Agosto 2013

METABOLISMOEl metabolismo está conformado por todas aquellas reacciones químicas que ocurren a nivel celular y de los organismos. Las reacciones químicas se desarrollan en forma ordenada y con un elevado rendimiento, denominándose rutas metabólicas. Estas reacciones químicas se hacen posibles por la presencia de los catalizadores biológicos denominados Enzimas. Existen grupos de reacciones químicas que son comunes a casi todas las células y organismos. El conjunto de rutas metabólicas, destinadas a la síntesis, producción, degradación y transformación de los principales metabolitos se denomina metabolismo intermediario.

Las rutas metabólicas que conforman el metabolismo, pueden ser de dos clases: 1) Rutas metabólicas catabólicas (Catabolismo), conformada por el conjunto de reacciones que tienen como finalidad transformar los compuestos orgánicos a compuestos más pequeños de 2 o 3 átomos de carbono y el almacenamiento de la energía contenida en estas biomoléculas bajo la forma de ATP. La mayoría de las reacciones catabólicas son del tipo de oxido-reducción. 2) Rutas metabólicas anabólicas (anabolismo), que corresponden a las reacciones que tienen como objetivo formar moléculas orgánicas complejas a partir de sus precursores más simples que pueden ser de naturaleza orgánica o inorgánica. En el anabolismo se requiere gasto de energía y poder reductor.

Existen otras rutas denominadas anfibólicas porque son capaces de llevar a cabo procesos catabólicos y procesos anabólicos simultáneamente. Por lo general estas rutas son cíclicas.

PROCESOS DEGRADATIVOS O CATABÓLICOS

GLICÓLISIS

La glicólisis es la vía a través de la cual la glucosa es oxidada para obtener energía. Consiste en la formación de 2 moles de piruvato a partir de un mol de glucosa. Está dividida en dos fases:

Fase preparativa o gasto energético que consiste en la transformación de 1 mol de glucosa hasta 2 moles de Gliceraldehido-3-fosfato, mediante 5 reacciones catalizadas enzimáticamente.

Fase productiva o de rendimiento energético comprende la transformación de 2 moles de Gliceraldehido-3-fosfato hasta la formación de 2 moles de piruvato. Esta constituida por 5 reacciones cada una de ellas catalizada enzimáticamente.

En la siguiente figura se muestran las 10 reacciones que conforman las fases preparativa y productiva de la glicolisis:

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La fase preparativa o de gasto energético comprende 5 reacciones:

1) Transformación de la glucosa en glucosa-6-fosfato por acción de la Hexoquinasa y la Glucoquinasa. La primera enzima se encuentra en todo el organismo y la segunda sólo a nivel hepático. En esta reacción se gasta un mol de ATP. Esta reacción es irreversible.

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2) Transformación de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato. La enzima que cataliza esta reacción es la Glucosa-6-fosfato isomerasa. Es una reacción reversible.

3) Obtención de fructosa-1,6-bifosfato a partir de la fructosa-6-fosfato. En esta reacción se gasta un mol de ATP. La reacción es catalizada por la enzima Fosfofructoquinasa 1. La reacción es irreversible.

4) Por acción de la enzima Aldolasa, la fructosa-1,6-bisfosfato es escindida hasta dos fosfotriosas: Gliceraldehido-3-fosfato y Dihidroxiacetona fosfato. Esta reacción es reversible.

5) La Dihidroxiacetona fosfato, a través de una reacción reversible y catalizada por la enzima fosfotriosa isomerasa se transforma en gliceraldehido-3-fosfato. Esta reacción esta desplazada hacia la formación de Gliceraldehido-3-fosfato ya que es el sustrato de la segunda fase de la glicólisis.

En conclusión en esta fase preparativa, 1 mol de glucosa es transformado en 2 moles de gliceraldehido-3-fosfato y se consumen 2 moles de ATP. De aquí que también reciba el nombre de Fase de gasto energético.

La Fase productiva o de rendimiento energético comprende 5 reacciones:

6) La oxidación de 2 moles de Gliceraldehido-3-fosfato a 2 moles de 1,3-bisfosfoglicerato. En esta reacción el grupo aldehído del gliceraldehido-3-fosfato sufre una oxidación hasta la forma ácido. La enzima que cataliza esta reacción es la Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa que utiliza como coenzima el NAD+, quien se reduce, mediante la aceptación de dos electrones y un protón, a NADH + H+, además, el gliceraldehido-3-fosfato recibe un grupo fosfato inorgánico adicional. El producto de esta reacción son 2 moles de 1,3-bisfosfoglicerato. Esta reacción en un medio fisiológico es reversible.

7) Transferencia de un grupo fosfato desde el 1,3-bisfosfoglicerato hasta el ADP con la subsecuente formación de ATP y 3-fosfoglicerato. La síntesis del ATP, es debido a una fosforilación a nivel de sustrato porque el 1,3-bisfosfoglicerato es un compuesto de alta energía, capaz de transferir un grupo fosfato al ADP y sintetizar ATP. Esta reacción es catalizada por la Fosfoglicerato quinasa y la reacción es reversible. Reaccionan dos moles de 1,3-bisfosfoglicerato con 2 moles de ADP para generar 2 moles de 3-fosfoglicerato y 2 moles de ATP.

8) La enzima 3-fosfoglicetato mutasa, cataliza la reacción reversible, donde se produce la reubicación del grupo fosfato del carbono 3 del 3-fosfoglicetato al carbono 2, originando el 2-fosfoglicerato. Esta reacción genera 2 moles de 2-fosfoglicetaro a partir de 2 moles de 3-fosfoglicerato.

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9) Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato. Esta reacción es reversible y catalizada por la enzima Enolasa y se forma un enlace fosfato de alta energía. Se forman 2 moles de fosfoenolpiruvato a partir de 2 moles de 2-fosfoglicerato.

10) Transformación de 2 moles de fosfoenolpiruvato a 2 moles de piruvato. En esta reacción irreversible catalizada por la enzima piruvato quinasa, se transfiere un grupo fosfato desde el fosfoenolpiruvato (compuesto de alta energía) al ADP para formar ATP y pirvato.

Como podemos observar, en esta segunda fase o de rendimiento energético, se parte de dos moles de gliceraldehido-3-fosfato hasta obtener 2 moles de piruvato. Además, se forman 4 moles de ATP y 2 moles de NADH, todos ellos producidos por fosforilación a nivel de sustrato. Debido a este hecho, esta fase también es llamada de rendimiento energético.

El balance general de ambas fases se expone a continuación:

INCORPORACIÓN DE LA FRUCTOSA, MANOSA Y GALACTOSA A LA RUTA GLICOLÍTICA.

En la figura ubicada en la pagina siguiente se muestran las transformaciones que sufren la fructosa, manosa y galactosa antes de ser incorporadas a la vía glicolítica.

Incorporación de la fructosa:

La D-fructosa es obtenida a partir de la hidrolisis de la sacarosa de la dieta, por la acción de la enzima intestinal sacarasa (1). La Fructosa va al hígado vía porta y allí es transformada a Fructosa-1-fosfato por acción de la Fosfofructoquinasa (2) y ésta es escindida a Gliceraldehido y Dihidroxiacetona fosfato (DHAP) por acción de la fructosa-1-fosfato aldolasa (3) y finalmente el Gliceraldehido es fosforilado en el carbono 3 por acción de la enzima Gliceraldehído quinasa (4) y la DHAP es transformada a Gliceraldehido-3-fosfato por acción Triosafosfato isomerasa (5).

Por otra parte, la Fructosa también puede ser fosforilada por la acción de la Hexoquinasa presente en el hígado y tejidos extrahepáticos, a Fructosa-6-fosfato (6). En conclusión, la

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D-fructosa absorbida a nivel intestinal es incorporada a la vía glicolítica a través de su transformación a Gliceraldehido-3-fosfato y Fructosa-6-P.

Incorporación de manosa

La D-manosa, es fosforilada a nivel hepático a Manosa-6-fosfato por acción de la Hexoquinasa (7) con el gasto de una molécula de ATP y posteriormente es transformada a Fructosa-6-fosfato por acción de la enzima Fosfomanosa isomerasa (8).

Incorporación de galactosa

La D-galactosa de la dieta, es obtenida por hidrolisis intestinal de la Lactosa por la enzima Lactasa (9). La D-galactosa viaja al hígado por vía porta, donde es transformada a Galactosa-1-fosfato, por acción de la Galactoquinasa (10) con el gasto de un mol de ATP. Luego la Galactosa-1-fosfato es transformada a UDP-Galactosa por acción de la enzima Galacto-1-fosfato-Uridil transferasa (11). La UDP-Galactosa es transformada posteriormente a UDP-Glucosa por acción de la UDP-Galactosa-4-epimerasa (12) La UDP-glucosa es hidrolizada por la enzima UDP-galactosa-1-P Uridil transferasa a Glucosa-1-P. El UDP liberado vuelve a ser reutilizado para activar a la Galactosa-1-P, por acción de la misma enzima (11).

La glucosa producida por la hidrolisis de los disacáridos Sacarosa y la Lactosa ingeridos en la dieta, es transformada a Glucosa-6-P por la Hexoquinasa o Glucoquinasa a nivel hepático (13), con el gasto de un mol de ATP. Este monosacárido fosforilado también es obtenido cuando la Glucosa1-P, producida a partir de la UDP-Glucosa (11), es transformada a Glucosa-6-P por acción de la enzima Glucosa-6-P mutasa (13). Posteriormente la Glucosa-6-P es isomerizada a Fructosa-6-P por la enzima Glucosa-6-P isomerasa (14).

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DESTINO DEL PIRUVATO

El piruvato es un metabolito generado por la vía glicolítica, que va a ser utilizado por otras vías con la finalidad de proporcionar energía o sintetizar otras moléculas como los aminoácidos. Entre las rutas se destacan:

Glicòlisis anaeròbica: donde el piruvato es transformado a ácido láctico. Es responsable de regenerar el NAD+ gastado en la vía glicolítica e importante para permitir que esta vía continúe produciendo la energía que requieren las células que no contienen mitocondrias o que están sometidas a bajos niveles de oxígeno o anaerobiosis.

Glicólisis aeróbica: El piruvato es transformado en Acetil CoA.

GLICÓLISIS ANAERÓBICA:

En esta reacción el piruvato es reducido a lactato, por la acción de Lactato deshidrogenasa, en presencia de NADH + H+, de esta forma se regeneran los NAD+ necesarios para continuar la glucolisis en ausencia de oxígeno o anaerobiosis. Debido a esto la transformación de glucosa a lactato se denomina Glicolisis anaeróbica y se lleva a cabo en el citosol celular. Este tipo de glicolisis ocurre fundamentalmente a nivel muscular donde se requieren contracciones rápidas con una demanda de energía elevada y en células que no poseen mitocondrias tales como el glóbulo rojo.

Tomando en consideración esta ecuación y la obtenida en balance global de la glicolisis, se obtiene el balance general de la glicolisis anaeróbica:

Este balance energético en condiciones anaeróbica nos indica que por cada mol de glucosa que se degrada, se forman dos moles de ATP y dos moles de Lactato. Aunque son pocos los moles de ATP que se forman, esta vía ocurre con mucha rapidez.

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GLICÓLISIS AERÓBICA:

En esta reacción el piruvato es descarboxilado por la piruvato descarboxilasa, en presencia de CoA-SH y NAD+, para dar origen a una molécula de Acetil CoA. La reacción es reversible, es catalizada por un complejo enzimático denomina Piruvato deshidrogenasa y se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. La acetil CoA producida se degradará en el ciclo de Krebs para producir gran cantidad de energía a través de la cadena de transportadores electrónicos, donde el oxígeno es el ultimo aceptor de electrones. De aquí que esta vía reciba el nombre de Glicolisis aeróbica. La ecuación química de esta reacción es la siguiente:

CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico, es una vía metabólica que forma parte de la respiración celular de los organismos aeróbicos. Se lleva a cabo a nivel de la matriz mitocondrial de las células eucariotas. Este ciclo es responsable de oxidar las moléculas de Acetil CoA provenientes de la descarboxilación oxidativa del piruvato, producido en la glicólisis o la transaminación de aminoácidos, y la β-oxidación de ácidos grasos., liberando CO2 y produciendo moléculas reductoras como NADH y FADH2 quienes a través de la cadena de transportadores electrónicos y la fosforilación oxidativa, participarán en la síntesis de ATP, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones. Además, provee precursores para las vías de síntesis de aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos.

El ciclo de Krebs es una ruta anfibólica, porque como lo explicamos anteriormente, participa en los procesos catabólicos y anabólicos de los monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos de manera simultanea. Esta característica, permite la interconexión de las rutas metabólicas de los carbohidratos, lípidos y aminoácidos, logrando que una biomolécula genere precursores metabólicos para la síntesis de otra, optimizando los recursos disponibles en las células.

El ciclo de Krebs está constituido por 8 reacciones, catalizadas por enzimas que se encuentran en formas libres o unidas a la membrana interna de la mitocondria. En la figura de la página 11 se observan cada una de las reacciones que constituyentes el ciclo y que detallaremos a continuación:

1.- Reacción de condensación aldólica: Una molécula de Acetil-CoA (2 carbonos) se condensa con una molécula de Oxaloacetato (4 carbonos) y se produce Citrato, forma básica del ácido cítrico (6 carbonos). La reacción es irreversible y catalizada por la Citrato sintasa.

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2.- Transformación del Citrato en Isocitrato: Esta reacción se lleva a cabo mediante dos procesos en donde un alcohol terciario es transformado en un alcohol secundario, el cual es más fácil de oxidar. La primera reacción es la deshidratación del Citrato a Cis-aconitato y la segunda la hidratación del Cis-aconitato a Isocitrato. Estas reacciones son reversibles y catalizadas por la enzima Aconitasa.

3.- Primera descarboxilación oxidativa: El Isocitrato, compuesto de 6 átomos de carbono, sufre una descarboxilación y da origen al α-cetoglutarato, compuesto de 5 átomos de carbono, a través de una reacción irreversible y catalizada por la enzima Isocitrato deshidrogenasa. En esta reacción se produce la reducción de una molécula de NAD+ a NADH + H+ y la liberación una molécula de CO2.

4.- Segunda Descarboxilación oxidativa: El α-cetoglutarato (compuesto de 5 átomos de carbono), es descarboxilado por la α-cetoglutarato deshidrogenasa, en presencia de CoA-SH, mediante una reacción irreversible, para producir Succinil-CoA y una molécula de CO2. En esta reacción se produce, al igual que la anterior, la reducción de una molécula de NAD+ a NADH + H+ y la liberación de una molécula de CO2.

5.- Fosforilación a nivel de sustrato: En esta reacción se produce la ruptura del enlace de alta energía del Succinil-CoA y se acopla a la síntesis de una molécula de GTP (ATP), produciéndose Succinato y CoA-SH. Esta reacción es reversible y es catalizada por la enzima Succinil CoA sintetasa o también llamada Succinato tioquinasa.

6.- Oxidación del Succinato a Fumarato: Consiste en una reacción de deshidrogenación, en donde la enzima Succinato deshidrogenasa, a través de una reacción reversible, oxida el enlace sencillo ubicado en el centro de la molécula de Succinato a un doble enlace de configuración Trans originando el Fumarato. Los hidrógenos extraidos son transferidos a FAD para generar FADH2.

7.- Hidratación del doble enlace del Fumarato: En esta reacción reversible y catalizada por la enzima Fumarasa, el doble enlace del Fumarato sufre una hidratación (ruptura del doble enlace con la subsecuente adición de los elementos del agua –OH e –H) formando el L-malato.

8.- Oxidación del L-malato a Oxaloacetato: La enzima Malato deshidrogenasa, oxida el grupo alcohólico secundario del L-malato a un grupo cetona y se produce la reducción de una molécula de NAD+ a NADH + H+, formando el Oxaloacetato. A través de esta reacción se regenera el Oxaloacetato que se condensará con la Acetil-CoA y reiniciará el ciclo.

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La regeneración del Oxaloacetato en cada vuelta del ciclo, implica que se pueden oxidar un número ilimitado de moléculas de Acetil-CoA, a través de una sola molécula de Oxaloacetato. Además, es importante señalar que las enzimas Aconitasa, Isocitrato deshidrogenasa, Succinato deshidrogenasa, Fumarasa y Malato deshidrogenasa presentan estereoespecificidad. El NADH y el FADH2 producidos, se reoxidan rápidamente mediante la cadena de transportadores electrónicos y la fosforilación oxidativa. El GTP puede utilizarse como fuente de energía en determinadas reacciones o utilizarse para sintetizar ATP a partir de ADP mediante la reacción:

GTP + ADP ATP + GDP

La oxidación completa de los grupos acetilos provenientes de la Acetil-CoA presenta el siguiente balance global:

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CADENA RESPIRATORIA

Los seres heteroquimiótros utilizan como fuente de carbono moléculas orgánicas complejas, sintetizadas por organismos autótrofos fotosintéticos, y obtienen la energía contenidas en estas moléculas a través de reacciones de oxidorreduccion. El aceptor final de electrones es el oxigeno. A este proceso se le denomina RESPIRACIÓN AEROBIA O RESPIRACIÓN CELULAR.

Los electrones liberados en los procesos de oxidación, no son transferidos directamente al oxígeno, sino que se transfieren por varias vías y múltiples etapas. En una primera etapa, los electrones y protones obtenidos por la acción catalítica de las deshidrogenasas que participan en los procesos catabólicos, son transferidos a los denominados aceptores primarios de electrones celulares que corresponden a las coenzimas NAD+ y FAD y que son reducidos a NADH y FADH2. El NAD+ acepta 2 electrones y un protón, mientras que el FAD acepta 2 electrones y 2 protones.

Estas coenzimas reducidas llevan los electrones y protones a la cadena de transportadores electrónicos, donde son reoxidadas a NAD+ y FAD, listas para ser reducidas nuevamente. Los electrones son transferidos de manera secuencial, a través de centros redox de la cadena electrónica mitocondrial, donde ocurren procesos de reducción y reoxidación de los mismos. Finalmente, los electrones son entregados al O2 y se obtienen moléculas de agua.

La energía liberada por el paso de los electrones a través de la cadena electrónica mitocondrial, es utilizada para bombear protones al espacio intermembranal, originándose un gradiente electroquímico. Este gradiente de protones o electroquímico es utilizado para impulsar la síntesis de ATP a partir de la fosforilación del ADP. A este proceso se le denomina FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

COMPLEJOS DE LA CADENA DE ELECTRONES

Los transportadores electrónicos de la cadena se encuentran ubicados en la membrana interna de la mitocondria y se encuentran formando complejos. En la cadena existen 3 tipos de moléculas con capacidad de transferencia de electrones:

1.- La ubiquinona o coenzima Q, una molécula hidrofóbica.

2.- Citocromos: Proteinas que tienen como grupo prostético grupos hemo y hierro.

3.- Proteinas Sulfo-Ferrica: Proteínas con centro Fe-S.

La transferencia de electrones a lo largo de la cadena se lleva a cabo en orden creciente de afinidad electrónica, es decir, los transportadores están organizados desde el que presenta menor afinidad al que posee mayor afinidad, siendo el oxígeno el aceptor final de electrones.

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Los complejos son:

Complejo I o NADH-ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa: Presenta la coenzima FMN y proteínas Fe-S. Transporta los electrones del NADH hasta la Ubiquinona.

Complejo II o succinato deshidrogenasa: Esta enzima pertenece al ciclo de Krebs y es la única que se encuentra unida a la membrana. Es responsable de transferir los electrones del FADH2 hasta la Ubiquinona. Presenta una molécula de la coenzima FAD, proteinas Fe-S y citrocromo b560.

Complejo III o citocromo bc1 o complejo ubiquinona citocromo c oxidorreductasa: Presenta los citocromos b (b566 y b562) y c1, además de 2 centros de proteínas Fe-S y es responsable de transferir los electrones desde la ubiquinona al citocromo c.

Complejo IV o citocromo c oxidasa: Posee los citocromos a y a3, así como dos iones cobre. Transfiere los electrones desde el citocromo c hasta el oxigeno con la producción de agua.

TRANSPORTE ELECTRONICO

A lo largo de la cadena de transportadores electrónicos se transfieren dos electrones a la vez. Cada vez que el transportador acepta los electrones se reduce y una vez que los entrega al siguiente transportador se reoxida y es capaz de aceptar 2 nuevos electrones reduciéndose nuevamente. Los complejos I, III y IV actúan como bomba de protones, transfiriendo un total de 10 0 6 protones por cada NADH o FADH2 oxidado, respectivamente.

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Los electrones y protones transportados por el NADH + H+ son entregados al Complejo I, donde son aceptados por la coenzima FMN (Flavin mononucleótido) y son bombeados 4 protones al espacio intermembranal. Desde allí, los electrones son transferidos al Complejo III utilizando como intermediario a la Ubiquinona, la cual debido a su naturaleza hidrofóbica puede difundir libremente a través de la membrana y transportar los electrones hasta dicho complejo III. Este complejo es responsable de transferir 4 protones al espacio intermembranal. El complejo III le transfiere los electrones al Complejo IV, a través del citocromo c, el cual se encuentra en doble cantidad porque cada citocromo acepta un solo electrón. El complejo IV, es responsable de transferir los electrones hasta el oxígeno para reducirlo a una molécula de agua. Este complejo transfiere 2 protones al espacio intermembranal. Debido a que el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular, es necesario que el complejo IV transfiera 4 protones y 4 electrones al oxígeno para formar dos moléculas de agua y así evitar que se formen sustancias perjudiciales como el ión superóxido y el peróxido. En total se transfieren al espacio intermembranal 10 protones, con la finalidad de crear el gradiente electroquímico de protones, que se acoplará a la síntesis de ATP, a través la ATP sintasa o Complejo V.Los electrones provenientes del FADH2, ingresan a la cadena a través del Complejo II. Este complejo le transfiere los electrones al Complejo III a través de la Ubiquinona. A partir de este momento, los electrones realizan el mismo recorrido que el realizado por los electrones provenientes del NADH. Debido a que el FADH2, le entrega los electrones al complejo II, el total de electrones transferidos al espacio intermembranal es de 6, cuatro electrones menos que cuando los electrones son entregados por el NADH.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA:

La síntesis de ATP a partir de ADP y Pi es catalizada por la ATP sintasa o Complejo V, ubicado en la membrana interna mitocondrial. La teoría Quimiósmótica de acoplamiento o Teoría Quimiósmótica de Mitchell, establece que el transporte de electrones mitocondrial esta acoplado a la síntesis de ATP. Esta teoría establece los siguientes principios:1.- Los complejos I, III y IV dirigen protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal, en contra de un gradiente de concentración, generándose un gradiente electroquímico de protones o fuerza protón-motriz. 2.- La ATP sintasa aprovecha esta fuerza protón-motriz para sintetizar ATP. Esto lo lleva a cabo, transportando los protones hacia la matriz mitocondrial a favor de un gradiente y le energía liberada la aprovecha para la síntesis de ATP.3.- Las moléculas de NADH generan una fuerza protón-motriz mayor que las moléculas de FADH2, lo que permite una mayor síntesis de ATP. La reoxidación de una molécula de NADH produce 3 moléculas de ATP y la de una molécula de FADH2 produce 2 moléculas de ATP.

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INGRESO DEL NADH + H+ CITOSÓLICO A LA MITOCONDRIA

LANZADERAS DE NADH + H+

La membrana mitocondrial es impermeable al NADH y protones, por lo que se requiere de un sistema adecuado para transportar los NADH producidos en el citosol hacia la mitocondria, donde se reoxidarán a nivel de la cadena de transportadores de electrones con la subsecuente producción de energía, de lo contrario se paralizaría la glicólisis.Existen dos mecanismos que llevan a cabo esta función y se denominan lanzaderas. Ellas son la lanzadera glicerol-3-fosafato y la lanzadera malato-aspartato.

Lanzadera glicerol-3-fosfato:1.- El NADH + H+ citosólico, es utilizado por la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa citosólica para reducir a la Dihidroxiacetona fosfato (intermediario de la vía glicolítica) a Glicerol-3-fosfato.2.- El glicerol-3-fosfato es transportado al espacio intermembranal donde es oxidado a Dihidroxiacetona fosfato por acción de la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial que se encuentra unida a la membrana interna hacia el espacio intermembranal. Esta enzima utiliza al FAD como cofactor, el cual se reduce a FADH2 que transporta los electrones a la cadena de transportadores electrónicos mitocondrial, donde es reoxidado y genera 2 moléculas de ATP. La Dihidroxiacetona fosfato es transportada nuevamente al citosol, cerrando el proceso. Este tipo de lanzadera se encuentra fundamentalmente en músculo esquelético y cerebro.

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Lanzadera malato-aspartato:1.- El NADH + H+ citosólico, es utilizado por la malato deshidrogenasa citosólica para reducir al oxaloacetato (proveniente de la transaminación del aspartato) a malato.2.- El malato ingresa a la matriz mitocondrial a través de un transportador antiporte malato/α-cetoglutarato. El malato es oxidado a oxaloacetato por la enzima malato deshidrogenasa mitocondrial que utiliza la coenzima NAD+, la cual se reduce a NADH + H+. Esta coenzima es reoxidada en la cadena de transportadores donde se producen 3 moléculas de ATP. 3.- El oxaloacetato generado en la matriz, participa en la transaminación del glutamato, cuyos productos son: aspartato y α-cetoglutarato. 4.- El aspartato sale de la mitocondria a través de un transportador antiporte glutamato/aspartato. 5.- El aspartato es transformado a oxaloacetato a través de la transaminación del glutamato, cerrando el proceso.

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BALANCE GLOBAL DE LA GLICOLISIS AERÓBICA

Glicólisis (citoplasma)

Fase preparativa:

- 1 ATP (Hexoquinasa)

- 1 ATP (fosfofructoquinasa-1)

Fase productiva:

+ 2 NADH + H+ (G-3-P deshidrogenasa)

+ 2 ATP (fosfoglicerato quinasa)

+ 2 ATP (piruvato quinasa)

Descarboxilación oxidativa del piruvato (mitocondria)

+ 2 NADH + H+ (piruvato deshidrogenasa)

Ciclo de Krebs:

+ 2 NADH + H+ (isocitrato deshidrogenasa)

+ 2 NADH + H+ (α-cetoglutarato deshidrogenasa)

+ 2 GTP (Succinil CoA sintetasa)

+ 2 FADH2 (succinato deshidrogenasa)

+ 2 NADH + H+ (malato deshidrogenasa)

Total:

+ 4 ATP

+ 6 NADH + H+ (mitocondrial) -------------- 6 x 3 = 18 ATP (ciclo de Krebs)

+ 2 NADH + H+ (mitocondrial)--------------- 2 x 3 = 6 ATP (descarboxilación Piruvato)

+ 2 NADH + H+ (citoplasmático) ------------- 2 x 3 = 6 ATP (lanzadera malato-aspartato)

2 x 2 = 4 ATP (lanzadera glicerol-3-P)

+ 2 FADH2 (mitocondrial) ------------------- 2 x 2 = 4 ATP

Total: 4 + 18 + 6 + 6 + 4 = 38 ATP (lanzadera malato-aspartato)

4 + 18 + 6 + 4 + 4 = 36 ATP (lanzadera glicerol-3-fosfato)

Además, podemos concluir que por cada molécula de Acetil CoA que se degrade en el Ciclo de Krebs, se producirán 12 moléculas de ATP, desglosados de la siguiente manera:

3 NADH = 3 x 3 = 9 ATP 1 FADH2 = 1 x 2 = 2 ATP 1 GTP = 1 x 1 = 1 ATP Total = 12 ATP

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GLUCOGENÓLISIS

Unas horas después del consumo de la dieta, los niveles de glucosa en la sangre disminuyen y en ese momento el hígado comienza a degradar el glucógeno liberando a la sangre la mayor cantidad de glucosa posible. Por otra parte, en el tejido muscular, la degradación del glucógeno se produce cuando se va a realizar un gasto energético tal que la glucosa sanguínea es incapaz de cubrir, esto ocurre por lo general cuando hay un ejercicio intenso.

La degradación del glucógeno o glucogenólisis ocurre mediante la acción catalítica de dos enzimas:

1.- Glucógeno fosforilasa (1): Recorta la cadena lineal del glucógeno mediante la eliminación y subsecuente fosforilación de las moléculas de glucosa de los extremos no reductores. Este enzima rompe los enlaces α (1— 4) y da origen a Glucosa-1-fosfato.

2.- Desraminficante: Esta enzima rompe los puntos de ramificación del glucógeno. Para llevar a cabo esta función, esta enzima desarrolla dos actividades catalíticas:

Actividad transferasa (2): Transfiere la cadena de glucosa unida por enlace α (1—4) a una cadena central del glucógeno, dejando unida sólo la glucosa con enlace α (1—6).

Actividad glucosidasa (3): Rompe el enlace α (1—6), liberando la glucosa.

A nivel muscular, las moléculas de Glucosa-1-P, son transformadas en Glucosa-6-P por la acción de la Glucosa-6-fosfato mutasa (4), la cual se incorpora a la glicólisis y a nivel hepático, es transformada a Glucosa por acción de la Glucosa-6-fosfatasa (5), que será liberada a la sangre para elevar el nivel de glucosa sanguíneo.

Todo este proceso se observa en la figura de abajo:

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LIPÓLISIS

La lipólisis es una ruta metabólica que posee la célula con el fin de movilizar los lípidos que se encuentran almacenados, con el fin de obtener energía. Este proceso ocurre o bien cuando el organismo presenta un déficit en el aporte energético o se encuentra en un estado de ayuno. Los lípidos almacenados en el tejido adiposo bajo la forma de triacilglicéridos, son transformados a ácidos grasos libres y glicerol, mediante la acción de la enzima hormono sensible triacilglicérido lipasa.

Mecanismo de activación y desactivación de la triacilglicérido lipasa:

Los triacilglicéridos almacenados en el tejido adiposo, son hidrolizados a ácidos grasos libres y glicerol por la acción de dos enzimas triacilglicérido lipasa y monoacilglicérido lipasa. La primera de estas enzimas, cataliza la hidrolisis de los ácidos grasos unidos a los carbonos sn-1 y sn-3 de manera secuencial, dando origen primero al 1,2-diacilglicérido y luego al 2-monoacilglicérido. La segunda enzima, hidroliza el ácido graso unido al carbono sn-2, dando origen a un ácido graso libre y al glicerol.

La triacilglicérido lipasa es sensible a la regulación por hormonas, de aquí que se le denomina Lipasa sensible a las hormonas. Las hormonas glucagón y adrenalina activan a esta enzima, generando la hidrólisis de los triacilglicéridos a ácidos grasos libres y glicerol. Por otra parte, la insulina la inhibe, impidiendo la hidrólisis de los triacilglicéridos.

Los ácidos grasos así generados pasan al torrente donde se unen a la albúmina que los transporta a los tejidos que requieran energía tales como el musculo cardíaco, músculo esquelético y el hígado, donde son transportados al interior de la mitocondria, donde sufre oxidación a través de un proceso metabólico denominado β-oxidación. El glicerol, por su parte es transportado vía sanguínea al hígado, ya que el tejido adiposo no lo puede metabolizar, donde es transformado a DHAP por acción de la Glicerol quinasa y la Glicerol-3-fosfato deshidrogenasa sucesivamente. La DHAP puede incorporarse a la vía glicolítica o entrar a la gluconeogénesis.

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DEGRADACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS SATURADOS

DE CADENA PAR E IMPAR. β-OXIDACIÓN

En la β-oxidación, los ácidos grasos son oxidados en el carbono β y se van produciendo compuestos de 2 átomos de carbono en forma de acetil CoA que son posteriormente incorporados al ciclo de Krebs. Este proceso metabólico se lleva a cabo en la matriz mitocondrial, por lo que se requiere que el ácido graso ingrese a esta organela.

La β-oxidación se divide en 3 fases:

1.- Activación del ácido graso mediante esterificación con la CoA-SH, con gasto de ATP.

2.- Ingreso el ácido graso activado al interior de la mitocondria mediante un transporte mediado por carnitina.

3.- La β-oxidación propiamente dicha, donde el ácido graso es degradado completamente a moléculas de Acetil CoA.

ACTIVACIÓN DEL ACIDO GRASO:

Por acción de la Acil CoA sintetasa (1), que se localiza en la membrana externa de la mitocondria, el ácido graso es esterificado a la CoA-SH y forma el Acil CoA. En esta reacción el ATP es hidrolizado formando AMP y pirofosfato (PPi), que luego es hidrolizado a 2 fosfatos inorgánicos (Pi) por la pirofosfatasa (2). La ecuación correspondiente es:

INGRESO DEL ÁCIDO GRASO A LA MITOCONDRIA:

La molécula de Acil CoA se forma en el espacio intermembranal de la mitocondria, pero ésta es impermeable a la membrana interna. Debido a esto, utilizan un mecanismo de lanzadera para ingresar. Este mecanismo consiste en:

1.- Transferir el radical acilo de la Acil CoA a la carnitina y formar Acil carnitina liberándose la CoA-SH, esta reacción es catalizada por la Carnitina acil transferasa I.

2.- Utilizando un transportador específico, Carnitina acil-carnitina translocasa, la acil-carnitina ingresa a la matriz mitocondrial y una molécula de carnitina es cotransportada hacia el espacio intermembranal.

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3.- En la matriz mitocondrial, el grupo acilo de la acil-carnitina es transferido a una molécula de CoA-SH mediante la enzima Carnitina acil transferasa II. La carnitina queda libre para ser transportada al espacio intermembranal.

β-OXIDACIÓN:

La Acil CoA comienza a experimentar un proceso denominado β-oxidación, el cual se lleva a cabo en 4 pasos que se repiten de manera sucesiva hasta que todo el ácido graso queda degradado a moléculas de Acetil CoA, en el caso de los ácidos grasos saturados de cadena par. En la figura de abajo se muestran los 4 pasos.

1.- Deshidrogenación:

La acción catalítica de la enzima Acil CoA deshidrogenasa, introduce un doble enlace de configuración trans entre los carbonos α y β del radical acilo, dando origen al trans-Δ2 enoil CoA. Esta enzima utiliza al FAD como cofactor, quien recibe los átomos de hidrógeno y los electrones y se reduce a FADH2.

2. - Hidratación:

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El doble enlace del trans-Δ2 enoil CoA , es hidrolizado con la subsecuente adición de una molécula de agua. El grupo hidroxilo (OH), es agregado al carbono β y el hidrógeno al carbono α. Esta reacción es catalizada por la Enoil CoA hidratasa y el producto es el L-β-hidroxiacil CoA.

3.- Deshidrogenación:

El L-β-hidroxiacil CoA es deshidrogenado por la L-hidroxiacil CoA deshidrogenasa, generando la oxidación del grupo alcohólico a un grupo ceto. El producto de la reacción es el β-cetoacil CoA. La enzima utiliza la coenzima NAD+, la cual se reduce a NADH + H+.

4.- Ruptura tiólica:

En esta fase, se produce la ruptura del enlace entre el carbono α y β del β-cetoacil CoA en presencia de una molécula de CoA-SH y catalizada por la enzima β-cetoacil CoA tiolasa. Los productos formados son Acetil CoA y Acil CoA con dos átomos de carbono menos. El cual reinicia el ciclo hasta que se degrade completamente el ácido graso a acetil-CoA.

Cuando el ácido graso es saturado y con número de átomos de carbono par, todo el ácido graso es degradado a Acetil-CoA (en la ultima vuelta se forman dos acetil CoA). La cantidad de moléculas de Acetil CoA que se forman se determina a través de la siguiente formula matemática:

Cantidad de Acetil CoA= Número de átomos de carbono /2.

Por ejemplo si se degrada el ácido palmítico que es un ácido graso saturado y con 16 átomos de carbono, la cantidad de Acetil CoA que se forma es:

Cantidad de Acetil CoA=16 átomos de carbono /2 = 8 Acetil CoA

Cuando el ácido graso es saturado y posee un número impar de átomos de carbono, que raramente se encuentra en la naturaleza, en la última vuelta se produce una molécula de acetil CoA y un compuesto de 3 átomos de carbono denominado Propionil CoA que es convertido a Succinil CoA mediante el siguiente proceso:

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Para determinar la cantidad de ATP que se forma por la β-oxidación de un ácido graso saturado con un número par de átomos de carbono, es el siguiente:

Como se explicó anteriormente, por cada molécula de Aceitl CoA que se degrada en el ciclo de Krebs, se producen 12 moléculas de ATP. Por lo tanto, para conocer la cantidad de moléculas de ATP que se forman por la oxidación de un ácido graso saturado de cadena par se procede de la siguiente manera:

1.- Para determinar la cantidad de acetil CoA que se producirán a partir de ese acido graso, se divide el numero de átomos de carbono entre 2 (procedimiento ya explicado).

2.- Se multiplica el número obtenido en el paso anterior por 12 y así se obtiene la cantidad de moléculas de ATP formadas.

3.- Al valor obtenido se le restan 2 moléculas de ATP, ya que se gastan 2 enlaces fosfatos de alta energía durante la activación del ácido graso.

Ejemplo:

Sea el ácido esteárico con 18 átomos de carbono. Se desea saber cuántas moléculas de ATP se formarán por oxidación completa del ácido graso.

1.- Cantidad de acetil CoA formadas por β-oxidación = 18/2 = 9 moléculas de Acetil CoA.

2.- Cantidad de moléculas de ATP formadas = 9 x 12 = 108 moléculas de ATP

3.- Cantidad de ATP totales: 108 -2 = 106 moléculas de ATP.

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CETOGÉNESIS

Los cuerpos cetónicos son: Acetoacetato, Hidroxibutirato y Acetona. Estos cuerpos cetónicos son sintetizados en las mitocondrias del hígado y ocurre cuando la concentración de Acetil CoA, por la β-oxidación, sobrepasa el consumo de Acetil CoA a través del ciclo de Krebs. Un ejemplo de esto es cuando la persona se encuentra en ayuna.

Los cuerpos cetónicos son liberados al torrente sanguíneo y viajan a otros órganos como el corazón y el músculo donde son utilizados para obtener energía. Este mecanismo permite ahorrar el consumo de energía para otros órganos que depende estrechamente de este monosacárido, tales como el cerebro y los glóbulos rojos. Si el estado de ayuno se prolonga mucho, el cerebro puede llegar a utilizar estas sustancias para obtener energía.

La siguiente figura muestra la ruta metabólica de la formación de los cuerpos cetónicos. Dos moléculas de Acetil CoA se condensan por acción de Acetil CoA-C-acetiltransferasa, formándose Acetoacetil CoA y se libera una moléculas de CoA-SH (1). Luego se fusiona una nueva molécula de Acetil CoA, mediante la acción enzimática de la Hidroximetilglutaril CoA sintasa con la formación del β-hidróxi-β-metilglutaril CoA y se libera una molécula de CoA-SH (2). Mediante la acción de la enzima Hidroximetilglutaril CoA liasa, el β-hidróxi-β-metilglutaril CoA se escinde a Acetil CoA y Acetoacetato, primer cuerpo cetónico (3). El Acetoacetato es transformado a D-β-hidroxibutirato, segundo cuerpo cetónico, por la enzima D-β-hidroxibutirato deshidrogenasa (4), consumiéndose una molécula de NADH. También, el Acetoacetato puede ser transformado a Acetona, tercer cuerpo cetónico, mediante una reacción catalizada por la Acetoacetato descarboxilasa, pero también puede ocurrir una Descarboxilación no enzimática de forma espontánea (5).

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