TEMA11-Catabolismo

__________________________________________________________ Biología. Catabolismo 1

TEMA 11: EL METABOLISMO CELULAR. CATABOLISMO 1. El metabolismo celular. 1.1 Concepto de metabolismo 1.2 Tipos de metabolismo 1.3 Aspectos generales del metabolismo: ATP y mecanismos de síntesis de ATP 2. Catabolismo

2.1 Catabolismo de glúcidos 2.1.1 Glucólisis 2.1.2 Respiración aerobia 2.1.3 Fermentación 2.2 Catabolismo de lípidos 2.3 Catabolismo de proteínas 2.4 Catabolismo de ácidos nucleicos

1. EL METABOLISMO CELULAR 1.1 CONCEPTO DE METABOLISMO .

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de la célula y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras.

El metabolismo comprende dos tipos de reacciones diferentes: � Aquellas reacciones que transforman moléculas orgánicas grandes (azúcares, ácidos

grasos o proteínas) en otras más pequeñas (agua, dióxido de carbono, amoniaco, ácido láctico, …), con liberación de energía, que se almacena en forma de ATP. Todas estas reacciones constituyen el catabolismo .

� Las reacciones que sintetizan moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas sencillas, reciben el nombre de anabolismo . Estas reacciones requieren energía, que será aportada por el ATP. Las moléculas sintetizadas pasan a formar parte de los componentes celulares o son almacenadas para ser utilizadas posteriormente como fuente de energía.

REACCIONES CATABÓLICAS REACCIONES ANABÓLICAS

Son reacciones de degradación Son reacciones de síntesis Son reacciones de oxidación Son reacciones de reducción Desprenden energía Consumen energía A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos (CO2, ácido pirúvico, etanol, y pocos más). Hay, pues, convergencia en los productos.

A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes. Hay divergencia en los productos.

1.2 TIPOS DE METABOLISMO . Todos los seres vivos necesitan incorporar materia para construir sus biomoléculas, fundamentalmente átomos de carbono, ya que, éstos forman el esqueleto de las biomoléculas orgánicas. Pero todos no utilizan las mismas fuentes:

- Si la fuente de carbono es el dióxido de carbono atmosférico (carbono inorgánico), se habla de metabolismo autótrofo .

- Si la fuente de C es la propia materia orgánica (metano, glucosa, grasas, …), es decir el llamado carbono orgánico, se habla de metabolismo heterótrofo .

La fuente de energía necesaria para las reacciones metabólicas tampoco es común para


todos los seres vivos: - Si la fuente de energía es la luz, se habla de fotosíntesis (organismos fotótrofos ) - Si se trata de la energía desprendida en reacciones químicas, se habla de quimiosíntesis

(organismos quimiotrofos ). Teniendo en cuenta esos dos aspectos: fuente de carbono y fuente de energía, podemos agrupar los seres vivos en cuatro tipos, cuyo nombre hace referencia en primer lugar a la fuente de energía y en segundo lugar a la fuente de carbono:

Tipos de organismos según su metabolismo

Origen de la energía

Origen del carbono

Ejemplos

Fotolitótrofos (o fotoautótrofos)

Luz

CO2

Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre

Fotoorganótrofos (o fotoheterótrofos) Luz Orgánico Bacterias purpúreas no sulfúreas

Quimiolitótrofos (o quimioautótrofos) Reacciones químicas

CO2 Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre

Quimioorganótrofos (o quimioheterótrofos)

Reacciones químicas

Orgánico Animales, hongos, protozoos y muchas bacterias

1.3 ASPECTOS GENERALES DEL METABOLISMO: ATP Y MECAN ISMOS DE SÍNTESIS DE ATP. - EL ATP. El adenosín-trifosfato o ATP es un nucleótido de gran importancia en el metabolismo ya que puede actuar como molécula energética, al ser capaz de almacenar o ceder energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos. Al hidrolizarse el ATP, se rompe el último enlace éster-fosfórico produciéndose ADP (adenosín-difosfato) y una molécula de ácido fosfórico (H3PO4), que se suele simbolizar como Pi, liberándose además energía:

ATP + H2O --------------→ ADP + Pi + Energía (7,3 kcal/mol) El ADP también puede ser hidrolizado, rompiéndose el otro enlace éster-fosfórico, produciéndose AMP (adenosín-monofosfato), una molécula de ácido fosfórico y energía:

ADP + H2O --------------→ AMP + Pi + Energía (7,3 kcal/mol)

Se dice que el ATP es la moneda energética de la célula, ya que es la forma de tener almacenada energía de pronto uso. En casi todas las reacciones metabólicas en las que se necesita energía para la biosíntesis de moléculas, se utiliza el ATP. Aunque a veces, se utiliza con el mismo fin otros nucleótidos trifosfato como el GTP (guanidín-trifosfato), el UTP (uridín-trifosfato) o el CTP (citidín-trifosfato). - MECANISMOS DE SÍNTESIS DEL ATP. Las reacciones metabólicas son reacciones de oxidación-reducción, en las que los electrones pasan de compuestos a otros. Las reacciones de oxidación consisten en la pérdida de electrones, pero como la materia orgánica está constituida básicamente por carbono e hidrógeno, las oxidaciones biológicas suelen realizarse por deshidrogenación ya que, como 1 H = 1 H+ + 1 e-, al perder átomos de hidrógeno se pierden electrones. Pero al oxidarse un compuesto tiene que haber otro que capte los electrones y que, por tanto se reduzca; de esta manera se forman los sistemas de óxido-reducción o sistemas


redox .

A-H + B ---------→ A + e- + H+ + B ----------→ A + B-H En las oxidaciones consecutivas, los electrones van dirigiéndose hacia niveles energéticos cada vez menores. La energía que éstos van perdiendo es utilizada por la célula en la formación de enlaces fosfato de alta energía (ATP). Las células sintetizan ATP mediante dos mecanismos básicos:

• Fosforilación a nivel de sustrato . Consiste en que algunos compuestos fosfa-tados pueden ceder el grupo fosfato directamente al ADP para forma ATP en una única reacción.

• Fosforilación asociada a

un gradiente quimiosmótico (fosforilación oxidativa) . Es la síntesis de ATP mediante las enzimas ATPasas existentes en las crestas mitocondriales o en los tilacoides de los cloroplastos, cuando dichas enzimas son atravesadas por un flujo de protones (H+).

Los electrones cedidos por una molécula que se oxida, pasan a una cadena transportadora de electrones, en ella los electrones liberan energía para impulsar protones a través de una membrana, generando un gradiente electroquímico de protones. Este gradiente hace que los protones pasen a través de la ATPasa, sintetizándose ATP.

2. CATABOLISMO

El catabolismo es el conjunto de reacciones de degradación de moléculas orgánicas complejas (ricas en energía) en otras más sencillas (pobres en energía). Como resultado de esta degradación se libera energía (ATP) utilizable por la célula y poder reductor para ser empleado en procesos anabólicos. Los procesos metabólicos son semejantes en todos los seres vivos, tanto autótrofos como heterótrofos y consisten esencialmente en reacciones de oxidación, es decir, de pérdida de electrones. Como ya hemos visto, las sustancias orgánicas suelen oxidarse por deshidrogenación (pérdida de átomos de hidrógeno, o sea, de H+ y e-) y ello implica la existencia de alguna sustancia que capte dichos H+ y e- y que, por lo tanto, se reduzca. Es decir, las reacciones catabólicas son reacciones redox. Según la naturaleza del aceptor final de e- y por tanto de H+, se distinguen dos


tipos de catabolismo: la respiración celular y la fermentación .

• Respiración celular . Es una oxidación completa de compuestos orgánicos en la que el aceptor final de e- es un compuesto inorgánico. Tiene lugar en las mitocondrias y puede ser:

� Respiración aerobia . Cuando el aceptor final de e- es el oxígeno molecular (O2), que al reducirse (al aceptar los hidrógenos) forma H2O. Es el tipo de respiración celular que libera mayor cantidad de energía, y es el más frecuente en los seres vivos.

� Respiración anaerobia . Si el aceptor final de e- es un compuesto inorgánico distinto del O2 (iones nitrato, sulfato, …).

• Fermentación . Es una oxidación incompleta de compuestos orgánicos en la que el aceptor

final de e- es otro compuesto orgánico, por lo que se libera menos energía que en la respiración celular. Se trata de un proceso anaerobio (pues no necesita la presencia de oxígeno) realizado por diversos microorganismos. Tiene lugar en el citoplasma.

Según la naturaleza de la molécula que se oxida hablamos de catabolismo de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. 2.1 CATABOLISMO DE GLÚCIDOS . El catabolismo de los glúcidos puede comenzar directamente con los monosacáridos (fabricados por los seres autótrofos o procedentes de los alimentos en los heterótrofos) o bien puede iniciarse a partir de las reservas celulares de glúcidos (glucógeno y almidón, en animales y vegetales respectivamente) que al hidrolizarse liberan glucosa. En cualquier caso, la glucosa es el principal y más abundante monosacárido, por lo que nos basaremos en ella al estudiar el catabolismo de los glúcidos. Tanto si la oxidación se realiza por respiración como por fermentación, la degradación inicial de la glucosa se produce mediante un proceso denominado glucólisis , en el que se forma piruvato y ATP. El piruvato puede seguir dos caminos: la vía de la respiración celular a través del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria (condiciones aerobias) o la vía de las fermentaciones (condiciones anaerobias).


2.1.1 GLUCÓLISIS. La glucólisis o glicolisis también llamada ruta de Embden-Meyerhoff consiste en una serie de reacciones anaeróbicas que degradan la glucosa (6 C) transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (3 C). Esta primera fase del catabolismo glucídico tiene lugar fuera de las mitocondrias, en el hialoplasma y consta de los siguientes pasos:

1. La glucosa se fosforila a glucosa-6-fosfato gracias a la hidrólisis de una molécula de ATP. 2. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato. 3. La fructosa-6-fosfato se fosforila a fructosa-1,6-difosfato gracias a otra molécula de ATP. 4. La fructosa-1,6-difosfato se rompe en dos moléculas de 3 átomos de C cada una:

gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona-fosfato. Ambos compuestos son isómeros y como sólo el primero puede servir de sustrato para la siguiente reacción de la glucólisis, la dihidroxiacetona-fosfato se convierte en gliceraldehído-3-fosfato a medida que éste va siendo oxidado en la siguiente reacción. Por lo tanto puede considerarse que cada molécula de glucosa proporciona dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Para hacer el balance de materia y energía de todo el proceso, a partir de aquí hay que multiplicar por dos

5. Cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato mediante una oxidación y fosforilación (con fosfato inorgánico) se convierte en ácido 1-3-difosfoglicérico. Se necesita el coenzima NAD+ que se reduce a NADH + H+.

6. El ácido 1-3-difosfoglicérico se desfosforila, transformándose en ácido 3-fosfoglicérico y formándose una molécula de ATP (por fosforilación a nivel de sustrato).

7. El grupo fosfórico pasa del carbono 3 al carbono 2, obteniéndose ácido 2-fosfoglicérico. 8. Pérdida de una molécula de agua y formación de un doble enlace en el ácido 2-

fosfoglicérico, obteniéndose ácido fosfoenolpirúvico (PEP). 9. Desfosforilación del PEP, formándose ácido pirúvico y una molécula de ATP (por fosforilación

a nivel de sustrato).


Balance final de la glucólisis. Como por cada molécula de glucosa se forman dos de gliceraldehído, al final se obtienen:

- Dos moléculas de ácido pirúvico. - Dos moléculas de NADH + H+. - Dos moléculas de ATP, ya que serían 4 pero como al principio se gastaron 2, quedarían

2.

La eficacia de la glucólisis como ruta energética es muy baja, ya que extrae la energía de uno solo de los enlaces de la glucosa (2 moléculas de ATP por molécula de glucosa, generando como producto final el ácido pirúvico que todavía contiene gran cantidad de energía en sus enlaces –C-C-. La glucólisis se produce por igual en los organismos aerobios y en los anaerobios. Lo que marca la diferencia entre ellos es el destino final del ácido pirúvico generado:

- Si la vía es aerobia , el pirúvico entra en las mitocondrias y es oxidado completamente a CO2 y H2O, gracias al ciclo de Krebs y a la cadena respiratoria.

- Si la vía es anaerobia , el piruvato sigue la vía de las fermentaciones reduciéndose a otros compuestos orgánicos como etanol o ácido láctico.


2.1.2 RESPIRACIÓN AEROBIA. La respiración aerobia, en el catabolismo de los glúcidos, consiste en la oxidación total del producto final de la glucólisis, es decir, del ácido pirúvico. Las etapas de la respiración aerobia son:

- Formación de acetil-CoA. - Ciclo de Krebs. - Cadena transportadora de electrones. Fosforilación oxidativa.

A) Formación de acetil-CoA . Para que el ácido pirúvico formado en la glucólisis pueda continuar su oxidación incorporándose al ciclo de Krebs, debe transformarse previamente en acetil-CoA. Para ello, en primer lugar, el ácido pirúvico entra en el interior de las mitocondrias y allí sufre una descarboxilación oxidativa , gracias a un complejo multienzimático llamado piruvato-deshidrogenasa, que actúa en dos etapas:

� Pérdida del grupo carboxilo, que se elimina en forma de CO2. � Oxidación del grupo cetónico (-CO-) a grupo carboxilo (-COOH) al mismo tiempo que se

forma un enlace rico en energía (aprovechando la energía liberada en la oxidación) con el coenzima A, por lo que el producto final de la reacción es el acetil-CoA. En esta oxidación se liberan 2 átomos de hidrógeno, que son captados por el NAD+, que se reduce a NADH + H+.


Así, por cada molécula de glucosa inicial se producen 2 acetil-CoA, 2 CO2 y 2 (NADH + H+). B) Ciclo de Krebs . El acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, donde se produce la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2. El ciclo de Krebs consta de 8 pasos:

1. Comienza con la unión del acetil-CoA (2C) con el ácido oxalacético (4C) para formar ácido cítrico (6C) y liberándose el CoA.

2. El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico. 3. El ácido isocítrico sufre una descarboxilación oxidativa transformándose en α-cetoglutárico

(5C) y reduciéndose el NAD+ a NADH + H+. 4. El ácido α–cetoglutárico por descarboxilación oxidativa en presencia de CoA, pasa a succinil-

CoA y se forma NADH + H+. 5. El succinil-CoA pierde el CoA y se transforma en ácido succínico, liberándose energía

suficiente para sintetizar GTP a partir de GDP y Pi. 6. El ácido succínico se oxida a ácido fumárico. Los H (electrones y protones) son captados por

el coenzima FAD, que se reduce a FADH2. 7. Una hidratación transforma el ácido fumárico en málico. 8. El ácido málico se oxida, dando lugar de nuevo, al ácido oxalacético, con lo que se cierra el

ciclo. Aquí el coenzima que se reduce es el NAD+.

BALANCE FINAL DEL CICLO DE KREBS. Por cada molécula de acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs, se obtienen:

� Dos moléculas de CO2 (la molécula de acetil-CoA (2C) queda totalmente degradada). � Tres moléculas de NADH + H+ y una de FADH2, que permitirán posteriormente, la formación

de ATP, por fosforilación oxidativa. � Una molécula de GTP convertible en ATP.

ADP +Pi ATP �

GTP --------------------------------→ GDP + Pi

Como en la glucólisis por cada molécula de glucosa se obtienen 2 de ácido pirúvico, para la degradación total de una molécula de glucosa son necesarias 2 vueltas al ciclo de Krebs.


C) Cadena respiratoria. Fosforilación oxidativa . Hasta ahora la oxidación de la glucosa hasta CO2 ha suministrado muy poco ATP directamente (tan sólo 2 moléculas en la glucólisis y otras 2 en el ciclo de Krebs); en ambos casos por fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo en estas dos fases se han reducido varias moléculas de coenzimas, como el NAD+ y el FAD que se han convertido en NADH + H+ y FADH2 (donde se encuentra la mayor parte de la energía liberada). Por otra parte, aunque el ciclo de Krebs es propio de la respiración aerobia, en ninguna de las reacciones de oxidación vistas hasta ahora interviene el oxígeno molecular. Éste interviene


exclusivamente en esta última fase, como aceptor final de de los e- captados por el NADH + H+ y el FADH2. Pero la transferencia de e- no se hace de forma inmediata, sino a través de una serie de transportadores que forman la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Ésta consiste en una cadena de moléculas orgánicas, que se reducen y oxidan, a medida que se van pasando unas a otras los protones y electrones procedentes del NADH + H+ y el FADH2. Algunas moléculas transportan simultáneamente electrones y protones (H+), como el complejo NADH deshidrogenada, y otras, como los citocromos, sólo transportan electrones. En las células eucariotas, las moléculas que forman la cadena respiratoria se encuentran en las crestas mitocondriales de la membrana interna, donde se han identificado 4 grandes complejos enzimáticos:

• COMPLEJO NADH–DESHIDROGENASA. Este complejo está formado por enzimas deshidrogenadas que transfieren simultáneamente e- y protones desde el NADH + H+ (que se oxida a NAD+) hasta el coenzima Q, que es el siguiente componente de la cadena.

• COMPLEJO COENZIMA Q O UBIQUINONA . Esta molécula acepta protones y electrones del complejo NADH-deshidrogenasa y se oxida al cederlos al siguiente complejo enzimático de la cadena. También los e- y protones procedentes de FADH2 se incorporan al CoQ.

• COMPLEJO CITOCROMO b-c 1. Está formado por 2 citocromos b y c1 que transportan los 2 e- procedentes del CoQ. A partir de este punto no se transportan protones, éstos quedan en la matriz mitocondrial.

• COMPLEJO CITOCROMO-OXIDASA . Los e- procedentes del complejo anterior pasan a través del citocromo C hasta el complejo citocromo-oxidasa formado por dos citocromos: el a (que posee hierro) y el a3 (que posee cobre). Este último es el encargado de ceder los e- al oxígeno molecular (1/2 O2), que se reduce al ión O=, el cual se une con 2 H+ desprendidos en las deshidrogenaciones formando agua: 2H+ + O= --------------→ H2O

Fosforilación oxidativa La energía que los e- van perdiendo al pasar por las moléculas transportadoras de la cadena respiratoria se emplea para fosforilar el ADP y así sintetizar ATP. A este proceso se le llama fosforilación oxidativa y según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell ocurre de la siguiente forma: la energía liberada por el transporte electrónico se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso, a través de unas proteínas transportadoras localizadas en los complejos enzimáticos I, III y IV. De esta forma se genera un gradiente electroquímico de protones, es decir se origina una diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana interna, que hace que los protones, en exceso en el espacio intermembranoso, vuelvan a la matriz


mitocondrial y lo hacen a través de las ATPasas o ATPsintetasas (que se encuentran en las partículas F) sintetizándose ATP. Por lo tanto, por cada NADH + H+ que ingresa en la cadena respiratoria se obtienen 3 ATP, mientras que a partir de un FADH2 sólo se obtienen 2 ATP, ya que el FADH2 se incorpora a la cadena respiratoria en el coenzima Q.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA La cantidad de ATP generada en la oxidación aerobia de una molécula de glucosa es la siguiente: (glucólisis) Glucosa -------------------------------→ 2 ácido pirúvico + 2 NADH + 2 ATP* 2 ac. pirúvico (descarbox. oxidativa) ------→ 2 acetil-CoA + 2 NADH 2 acetil-CoA (ciclo de Krebs) -----------------→ 2 FADH2 + 6 NADH + 2 GTP* (= 2 ATP) │ └────┘ │ │ 10 NADH │ │ │ │ en la cadena respiratoria x2 ↓ x3 ↓ ↓ 4 ATP 30 ATP 4 ATP └────────────────────┘

*fosforilación a nivel de sustrato Total: 38 ATP El resultado final de la oxidación completa de una molécula de glucosa es la formación de 38 moléculas de ATP, 2 de las cuales se han conseguido en el citoplasma (glucólisis) y las 36 restantes en la mitocondria.


Por otra parte como el ATP almacena una energía de 7 kcal/mol, la degradación de un mol de glucosa (180 g) rinde 266 kcal (7 x 38), el resto, hasta las 686 kcal/mol que libera la oxidación de la glucosa, se desprende en forma de calor. Lo que supone una eficiencia del 40%. 2.1.3 FERMENTACIÓN. La fermentación es un proceso de oxidación anaerobia incompleta de la materia orgánica, ya que no se libera toda la energía química que ésta contiene. En las fermentaciones el aceptor final de protones y electrones no es una molécula inorgánica sino un compuesto orgánico, de ahí que las fermentaciones siempre den entre sus productos finales algún compuesto orgánico. La mayoría de las fermentaciones las llevan a cabo las bacterias (anaerobias estrictas o facultativas); aunque también algunas células eucariotas pueden realizarlas, como las levaduras (fermentación alcohólica) o las musculares de los animales cuando no les llega suficiente oxígeno (fermentación láctica). Aunque el sustrato más utilizado en las fermentaciones es la glucosa, algunas bacterias son capaces de llevar a cabo una fermentación de proteínas y aminoácidos (bacterias de la putrefacción). Cuando el sustrato de la fermentación es la glucosa, la primera etapa del proceso es la glucólisis y a continuación el ácido pirúvico se reduce para dar lugar a diferentes productos finales según el tipo de fermentación. Si se origina ácido láctico tiene lugar la fermentación láctica , mientras que si se produce etanol y CO2 se trata de fermentación alcohólica .

� Fermentación láctica .

Consiste en la degradación anaerobia de la glucosa a ácido láctico. La primera etapa corresponde a la glucólisis, en la que se produce ácido pirúvico, 2 (NADH + H+) y 2 ATP. A continuación el ácido pirúvico se reduce a ácido láctico al aceptar los hidrógenos (protones y electrones) del NADH + H+ producido en la glucólisis y regenerando el NAD+ consumido en la misma, lo que evita que se bloquee la glucólisis por su falta; ésta reacción está catalizada por la enzima lactato deshidrogenada.

Este tipo de fermentación la llevan a cabo las bacterias lácticas que fermentan la lactosa de la leche, lo que produce su agriamiento y la coagulación de la proteína caseína, obteniéndose productos como el yogur y el queso. También se produce en las células musculares de los animales, cuando se realiza un ejercicio físico intenso, sin el aporte suficiente de oxígeno. La acumulación de ácido láctico da lugar a la formación de pequeños cristales que pinchan el músculo provocando las “agujetas”.

� Fermentación alcohólica .

Consiste en la degradación anaerobia de la glucosa a etanol y dióxido de carbono. Tras la glucólisis, el ácido pirúvico se descarboxila pasando a acetaldehído, éste se reduce mediante el NADH + H+ generado en la glucólisis, gracias a la enzima alcohol


deshidrogenada, y como producto final se obtiene etanol.

La fermentación alcohólica la realizan las levaduras, entre ellas la más conocida y utilizada el Saccharomyces cerevisiae, que se emplea industrialmente en la fabricación de vinos, cervezas y pan.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LAS FERMENTACIONES

El rendimiento energético de las fermentaciones es muy bajo, ya que se trata de una oxidación incompleta del sustrato, que origina como productos finales moléculas orgánicas que aún tienen un gran contenido energético. Si comparamos la fermentación y la respiración aerobia de una molécula de glucosa, en la primera se obtienen sólo 2 ATP, mientras que en la segunda, 38 ATP. 2.2 CATABOLISMO DE LÍPIDOS . Los lípidos, en concreto los triglicéridos o grasas, son la principal reserva de energía utilizada por las células. El catabolismo de las grasas comienza por la acción de las lipasas que catalizan la hidrólisis del triglicérido en glicerina y ácidos grasos.

lipasa

Triglicérido + 3 H2O ---------------------→ glicerina + 3 ácidos grasos

La glicerina se puede transformar en dihidroxiacetona-fosfato y ésta se convierte fácilmente en gliceraldehído-3-fosfato, que se incorpora a la ruta de la glucólisis, degradándose completamente en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria. Sin embargo los ácidos grasos siguen una ruta catabólica especial denominada β-oxidación . β-OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS. Los ácidos grasos obtenidos en el citoplasma entrarán en la mitocondria donde se oxidan totalmente mediante el proceso denominado β-oxidación, ya que la oxidación tiene lugar en el carbono β, consiguiéndose la ruptura del enlace que une este carbono con el α (el más próximo al carboxilo). De esta forma se van perdiendo pares de átomos de C que se desprenden en forma de acetil- CoA. Tradicionalmente la β-oxidación se representa por una espiral, llamada hélice de Lynen , donde cada vuelta implica la pérdida de una molécula de acetil- CoA.


En el proceso de β-oxidación se distinguen las siguientes etapas: 1. Activación del ácido graso al unirse con el CoA, formándose un acil-CoA, en una reacción

que requiere energía suministrada por el ATP. 2. El acil-CoA formado en el citoplasma penetra en la mitocondria, para ello debe unirse a una

molécula transportadora, la carnitina. 3. Ya en la matriz mitocondrial el acil-CoA sufrela primera oxidación (por deshidrogenación) del

carbono β, formándose un acil-CoA insaturado (con un doble enlace entre los carbonos α y β). En esta etapa interviene el FAD como coenzima, que se reduce a FADH2.

4. El acil-CoA se hidrata formándose un β-hidroxiacil-CoA, sin doble enlace y con un grupo alcohol (-OH) en el carbono β.

5. Nueva oxidación, por deshidrogenación, del grupo alcoholque se convierte en un grupo cetónico (-CO-), se forma así un β-cetoacil-CoA. Los átomos de H son capatados por NAD+, que se reduce a NADH + H+.

6. Por último, el β-cetoacil-CoA reacciona con otra molécula de CoA, rompiéndose el enlace que une los carbonos α y β. El resultado es una molécula de acetil-CoA y un acil-CoA con dos carbonos menos que el inicial. Ésta última molécula sufre un nuevo ciclo de β-oxidación hasta su degradación total a acetil-CoA, por lo que el proceso suele representarse mediante una hélice denominada hélice de Lynen.

Las moléculas de acetil-CoA liberadas se incorporan al ciclo de Krebs y todos los FADH2 y NADH + H+ ingresan en la cadena respiratoria produciendo gran cantidad de ATP por fosforilación oxidativa. Por lo tanto los productos finales del catabolismo de los ácidos grasos son CO2, H2O y ATP.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDO S GRASOS Veamos como ejemplo el catabolismo del ácido palmítico, que tiene 16 átomos de carbono: CH3 – (CH2 )14 – COOH


Como se necesitan 7 vueltas de la hélice de Lynen, al finalizar la β-oxidación obtendremos:

� 8 acetil-CoA . Cada molécula de acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs tiene un rendimiento energético de 12 ATP. En total serán 12 x 8 = 96 ATP.

� 7 FADH2. Como la oxidación de un FADH2 en la cadena respiratoria rinde 2 ATP, tendremos 7 x 2 = 14 ATP.

� 7 (NADH + H+) . La oxidación de un NADH + H + en la cadena respiratoria proporciona 3 ATP, por lo tanto tendremos 7 x 3 = 21 ATP.

En total son 131 ATP, pero habrá que restar 1 ATP que se consumió en la activación del ácido palmítico, por lo que el rendimiento energético de la oxidación completa del ácido palmítico son 130 ATP. 2.3 CATABOLISMO DE PROTEÍNAS . Generalmente las células no utilizan las proteínas como fuente de energía, sin embargo cuando se ingieren en exceso (dietas hiperproteicas) o en períodos de ayuno prolongado, las proteínas son utilizadas como combustible celular. El catabolismo de de las proteínas comienza por la hidrólisis de los enlaces peptídicos, que libera los aminoácidos constituyentes, a continuación los aminoácidos son degradados por oxidación. Este proceso se realiza en dos etapas:

- Eliminación del grupo amino. - Oxidación de la cadena carbonada que ha quedado.

- ELIMINACIÓN DEL GRUPO AMINO. En esta primera etapa del catabolismo de los aminoácidos tiene lugar la separación del grupo amino del resto de la cadena carbonada. Existen dos vías posibles para llevar a cabo este proceso: la transaminación y la desaminación oxidativa.

• Transaminación . Consiste en la transferencia del grupo amino desde el aminoácido hasta un cetoácido, que normalmente es el ácido α-cetoglutárico, el cual se transforma en aminoácido: el ácido glutámico. Al ceder el grupo amino, la cadena carbonada del aminoácido se oxida quedando convertida en un α-cetoácido. De manera que un aminoácido se degrada para permitir que otro se forme. El objetivo de estas reacciones de transaminación es recoger los grupos amino de diferentes aminoácidos en un solo producto (ácido glutámico), el cual puede intervenir en la siguiente vía.


Las reacciones de transaminación están catalizadas por unas enzimas llamadas transaminasas, que se encuentran tanto en el citoplasma como en la matriz mitocondrial.

• Desaminación oxidativa . Es la liberación directa de los grupos amino de los aminoácidos en forma de amoniaco o ión amonio (NH4

+), formándose un α-cetoácido. Estas reacciones están catalizadas por unas enzimas deshidrogenadas específicas y en ellas se producen coenzimas reducidos (NADH + H+) que pueden entrar en la cadena respiratoria. Así el ácido glutámico originado en la transaminación pierde su grupo amino, mediante la desaminación oxidativa, obteniéndose amoniaco y regenerándose el ácido α-cetoglutárico que puede ser reutilizado en nuevos procesos de transaminación. Esta reacción está catalizada por la glutamato-deshidrogenasa.

El amoniaco procedente del catabolismo de los aminoácidos es tóxico para las células, por lo que debe ser eliminado, en el caso de los mamíferos (animales ureotélicos), el amoniaco es transformado en urea, compuesto menos tóxico, que se excreta en la orina.

- OXIDACIÓN DE LA CADENA CARBONADA. Una vez eliminado el grupo amino, la molécula de aminoácido queda convertida en un α-cetoácido, que se incorporará a otras rutas metabólicas, tanto catabólicas como anabólicas. Según la ruta seguida, los aminoácidos se clasifican en dos grupos:

• Aminoácidos glucogénicos . Son aquellos cuya cadena carbonada sufre una serie de oxidaciones que originan ácido pirúvico o algunos intermediarios del ciclo de Krebs, como ácido α-cetoglutárico o succinil-CoA. Si el organismo no necesita energía, a partir de estas moléculas, se puede sintetizar glucosa por gluconeogénesis (proceso que estudiaremos en el tema siguiente).

• Aminoácidos cetogénicos . Son aquellos cuyas cadenas carbonadas se transforman en acetil-CoA, que puede incorporarse al ciclo de Krebs para producir ATP o bien seguir una ruta anabólica y sintetizar ácidos grasos.

2.4 CATABOLISMO DE ÁCIDOS NUCLEICOS . Los ácidos nucleicos son hidrolizados por enzimas nucleasas, liberándose los nucleótidos que los constituyen. Posteriormente, otras enzimas rompen los nucleótidos en sus componentes


(pentosa, fosfato y base nitrogenada). Los cuales pueden ser reutilizados para sintetizar de nuevo nucleótidos. Si esto no es así, estas moléculas se catabolizan:

• Las pentosas (ribosa o desoxirribosa) siguen en su degradación la vía de los glúcidos. • El ácido fosfórico se excreta en parte como ión fosfato, a través de la orina y en parte se

utiliza para la síntesis de ATP. • Las bases nitrogenadas se degradan para dar productos que son excretados.

- Las bases púricas (A y G) originan ácido úrico, que se elimina por la orina. - Las bases pirimidínicas (C, T y U) se degradan liberando amoniaco o urea.

ACTIVIDADES

1.- En general, ¿qué le suministran a las células los procesos catabólicos?

2.- ¿Qué diferencia a los organismos litótrofos de los organótrofos? Cita ejemplos de ellos.

3.- ¿Cuál es el origen de los glúcidos que las células degradan en el catabolismo?

4.- ¿Cuál es el papel biológico del NAD+ en el metabolismo celular?

5.- ¿De dónde proceden las dos moléculas de CO2, desprendidas en el ciclo de Krebs?

6.- ¿Qué se entiende por fosforilación oxidativa? ¿Dónde se lleva a cabo?

7.- Para qué es necesario el complejo enzimático de la ATP-sintetasa en el catabolismo aeróbico?

¿Cómo funciona este complejo y dónde está situado a nivel celular?

8.- ¿Qué ventaja metabólica tiene los microorganismos anaerobios facultativos con respecto a

los anaerobios estrictos?

9.- Define el concepto de fermentación, ¿qué diferencias esenciales tiene con la respiración?

10.- Durante la fermentación del mosto resulta peligroso entrar en las bodegas. ¿A qué es

____________________________________________________________ Biología. Catabolismo

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debido? ¿Por qué se suele entrar con una vela encendida?

11.- Siendo la fermentación láctica un proceso anaeróbico que efectúan las bacterias, ¿cómo es

posible y bajo qué condiciones puede llevarse a cabo en el tejido muscular de los animales? ¿A

qué conduce esta fermentación láctica muscular?

12.- Indica, mediante un esquema, los procesos que intervienen en el catabolismo de un

triglicérido, señalando en qué partes de la célula tiene lugar cada uno de ellos. ¿Cuáles son los

productos finales de todo el proceso?

13.- ¿Por qué el proceso de la beta-oxidación de los ácidos grasos puede representarse,

esquemáticamente, mediante una espiral y qué nombre recibe ésta?

14.- Describe cómo se realiza el catabolismo del triglicérido correspondiente a la fórmula

siguiente, u calcula el número de moléculas de ATP que se sintetizan a partir de todas las

moléculas de acetil-CoA formadas.

CH2 – OOC – CH2 – CH2 - CH3 │ CH - OOC – CH2 – CH2 – CH3 │ CH2 – OOC - CH2 – CH2 – CH3

15.- Escribe las fórmulas globales de la β–oxidación del ácido graso esteárico (18 C) y calcula su

rendimiento energético.

16.- Calcula el rendimiento energético del catabolismo completo de:

a) Una molécula de estearina (triglicérido).

b) Una molécula de maltosa (disacárido).

17.- ¿Cuántas moléculas de glucosa han de catabolizarse teóricamente, por respiración aerobia,

para proporcionar la misma cantidad de ATP que el catabolismo de una molécula del ácido graso

CH3 – (CH2)6 – COOH? ¿Y por fermentación alcohólica? Razona la respuesta.

18.- A partir de su fórmula describe el proceso de degradación catabólica del aminoácido alanina,

hasta la obtención de CO2, H2O y NH3.

19.- La gota es una enfermedad que afecta a las articulaciones y a los riñones, originada por una

elevada concentración de ácido úrico en la sangre y en los tejidos. Teniendo en cuenta que los

mamíferos, son animales ureotélicos, ¿qué proceso metabólico estará implicado en la aparición de

dicha enfermedad y, por ello, qué tipo de alimentos convendrá eliminar para el tratamiento de la

misma?

ACTIVIDADES P.A.U.

20.- Citar los productos finales de la degradación de la glucosa:


19

a) Por vía aerobia y por vía anaerobia.

b) Razonar cuál de las dos vías es más rentable energéticamente.

21.- Con respecto al catabolismo de los glúcidos en una célula eucariota:

a) Nombre las etapas que experimentará una molécula de glucosa hasta que se convierte por

completo en CO2 y H2O.

b) Cite los compartimentos celulares por los que transcurren dichas etapas.

c) Indique dos mecanismos mediante los cuales se sintetiza ATP a los largo de esas etapas.

22.- Con referencia al catabolismo:

a) ¿Qué son las reacciones catabólicas? Cite un ejemplo

b) ¿Qué son las fermentaciones? Cite un ejemplo

c) Cite el nombre de las etapas que seguirá el ácido pirúvico en una célula eucariótica hasta

quedar degradado a CO2 y H2O, y nombre el compartimento celular donde tienen lugar.

23.- En relación con el esquema adjunto, contesta las siguientes cuestiones (Opción A - Junio

2004):

a) ¿Cómo se denomina el conjunto de procesos que representa el esquema? Nombre cada

grupo de procesos señalados con las letras A y B y describa brevemente en qué consiste

cada uno de ellos.

b) Explique en qué consiste la glucólisis indicando los sustratos iniciales y los productos

finales. Comente la función del ATP

NOTAS


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Cuadro 1. Pag. 204 Oxford Cuadro 2. Pag. 194 Santillana Cuadro 3. Pag. 231 Santillana Cuadro 4. " 195 Santillana Cuadro 5. " 195 Santillana Cuadro 6. Pag 221 Everest Cuadro 7. Pag 203 Editex Cuadro 8. Pag 196 Santillana Cuadro 9. " 211 Oxford Cuadro 10. " 213 " Cuadro 11. " 226 Everest Cuadro 12. " 227Everest Cuadro 13. Pag 228 Everest Cuadro 14. Pag. 200 Santillana Cuadro 15. pag 232 Everest Cuadro 16. Pag 234 Everest Cuadro 17. Pag. 235 Everest Cuadro 18. " 203 Santillana

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TEMA11-Catabolismo