1.2 Adenosin-trifosfato (ATP)

Es un nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética. Almacena y cede energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos. Cuando se hidroliza, se rompe el último enlace éster-fosfórico mediante desfosforilación y se produce adenosín-difosfato (ADP), una molécula de ácido fosfórico y energía. El ADP también es susceptible de ser hidrolizado. Al romperse el otro enlace éster-fosfórico, se liberan otras 7,3 kcal/mol, se produce adenosín-monofosfato o una molécula de ácido fosfórico. La síntesis del ATP se puede realizar de varias maneras:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Gracias a la energía liberada de una biomolécula, al romperse alguno de sus enlaces ricos en energía. La fosforilación ocurre en la glucólisis y en el ciclo de Krebs.
• Reacción enzimática con ATP-sintetasas: En las crestas mitocondriales y en los tilacoides de los cloroplastos estas enzimas sintetizan ATP cuando su interior es atravesado por un flujo de protones.

El ATP se considera como la «moneda energética» de la célula ya que almacena energía de uso inmediato. En todas las reacciones metabólicas la biosíntesis de moléculas se utiliza energía en forma de ATP. Si la energía no se necesita inmediatamente, la célula utiliza otras biomoléculas capaces de almacenar mucha más energía (almidón, glucógeno y triglicéridos).

2. Características del Catabolismo

Es la fase degradativa del metabolismo, se obtiene energía. En las vías catabólicas las moléculas orgánicas iniciales son transformadas en otras más sencillas, hasta convertirse en los productos finales del catabolismo, muchos de ellos se denominan productos de excreción. La energía liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP y es utilizada para las distintas actividades celulares o para sintetizar compuestos orgánicos complejos en los que se almacena energía sobrante (anabolismo).

4.2 Reacciones «REDOX»

Las reacciones catabólicas son reacciones de transferencias de electrones. Si una sustancia se oxida, otra sustancia que los acepta es decir se reduce. La sustancia que provoca que otra pierda electrones es el agente oxidante y la que hace que los gane es el agente reductor. Las sustancias orgánicas suelen oxidarse mediante deshidrogenación (pierden e ˉ y H⁺) por tanto debe haber otra sustancia que los acepta y se reduce (coenzimas).

4.3 Liberación gradual de energía en el catabolismo

La producción gradual de energía química en el catabolismo respiratorio es posible por las siguientes características:

• Reacciones sucesivas: ocurren una después de otra y cada una de ellas es catalizada por una enzima distinta.
• Transporte de hidrógenos: los electrones de la glucosa no pasan directamente a los átomos de O2 si no que en las primeras etapas del catabolismo viajan junto a protones constituyendo átomos de hidrógeno que pasan a una coenzima que es el NAD⁺ que actúa como transportador de H.
• Cadena transportadora de e⁻: la coenzima NADH no pasa directamente sus electrones al O2 sino que los pasa a una cadena transportadora de e ⁻, estos pasan de un citocromo al siguiente ocupando cada vez un lugar más próximo al núcleo del átomo aceptor. Finalmente, los e ⁻ son transferidos a átomos de O2 a los que se unen los protones libres y se forma agua. La energía que se libera se utiliza para fosforilar el ADP y formar moléculas de ATP, gracias a las enzimas ATP-sintetasas.

5. El Catabolismo por Respiración

El catabolismo es la oxidación de compuestos orgánicos. Las reacciones catabólicas por respiración son diferentes según la naturaleza de los sustratos. La respiración de los glúcidos y la de los lípidos es la principal fuente de energía de los organismos. La respiración de las proteínas y la de los ác. Nucleicos realizan otras funciones y solo en casos concretos se utilizan como combustible.

5.1 Catabolismo respiratorio de los glúcidos

• En el aparato digestivo de los animales los polisacáridos contenidos en los alimentos son hidrolizados y degradados primero en disacáridos y luego en monosacáridos como la glucosa, fructosa y galactosa.
• Las reservas de glucógeno del tejido muscular de los animales también pueden ser hidrolizadas en glucosa, cuando se requiere energía para el ejercicio muscular.
• La glucosa es el monosacárido más abundante, por lo que su proceso degradativo puede servir de ejemplo del catabolismo respiratorio de los glúcidos.
• En la degradación total por respiración de la glucosa y hasta el aprovechamiento completo de toda la energía liberada, se distinguen dos procesos: la glucólisis y la respiración, que tiene a su vez dos fases: el ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria.
• En la célula procariota tanto la glucólisis como el ciclo de Krebs se realizan en el citosol y la cadena transportadora de electrones en su membrana plasmática. En la célula eucariota la glucólisis se realiza en el citosol y la respiración en las mitocondrias. Su primera etapa (ciclo de Krebs) se realiza en la matriz mitocondrial y la segunda (cadena transportadora de e-) en las membranas de las crestas mitocondriales.

GLUCOSA + CO2 → 6CO2 + 6H2O + ENERGÍA

5.2 Glucólisis

• Es la ruta central y universal del catabolismo de la glucosa, común a todo tipo de organismos, tanto aerobios como fermentadores.
• En la glucólisis o ruta metabólica de Embden-Meyerhof, la glucosa se divide en dos moléculas de ácido pirúvico y la energía obtenida se utiliza para sintetizar dos moléculas de ATP.
• Esta síntesis se realiza mediante una fosforilación a nivel de sustrato, es decir, esa molécula de sustrato que contiene un grupo fosfato se lo cede a un ADP y así se forma un ATP.
• La glucólisis transcurre en 9 etapas, en cada una de las cuales se transforman intermediarios fosforilados, desde la glucosa hasta el ácido pirúvico:
  • 1ª Fase o fase de consumo de energía o fase preparatoria: por cada glucosa se consumen dos ATP y se forman dos gliceraldehído-3-fosfato.
  • 2ª Fase o fase de producción de energía: por cada gliceraldehído-3-fosfato se forman dos ATP y se genera un ácido pirúvico. Por lo tanto, por cada glucosa se forman cuatro ATP y dos ácidos piruvicos
• En la primera fase se consumen 2 ATP y en la segunda se producen 4 ATP por lo que el balance global de la glucólisis es de dos ATP

2AC.PIRÚVICO + 2ATP + 2NADH

5.3 Respiración de los glúcidos

La respiración ocurre en dos procesos consecutivos e interrelacionados.

• OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO
  • En la célula eucariota el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis entra por transporte activo en la mitocondria donde un conjunto de enzimas denominado sistema piruvato deshidrogenasa lo transforma en Acetil-CoA. Se pierde un grupo carboxilo (descarboxilación) que sale en forma de CO2 y 2 hidrógenos (deshidrogenación) que son aceptados por un NAD+ que pasa a NADH+ + H+. El grupo acetilo resultante se une a una coenzima A formando un acetil-CoA.

CATABOLISMO RESPIRATORIO DE GLUCOSA: 1 GLUCOSA→ 6CO2 + 6H2O + E’

1)GLUCÓLISIS: 1 GLUCOSA→ 2 AC.PIRUVICO/2 ATP+2NADH

2) DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL AC.PIRÚVICO: 2AC.PIRÚVICO → 2ACETATO → 2ACETIL-CoA

3)RESPIRACIÓN CELULAR

CICLO DE KREBS

1ACETIL-CoA → 2CO2 + 3NADH + 1 FADH + 1GTP (=ATP)

PARA LA OXIDACIÓN COMPLETA DE 1 GLUCOSA → 2 VUELTAS DE CICLO

BALANCE DE 2 VUELTAS → 4CO2 + 6NADH + 2FADH + 2GTP

► CICLO DE KREBS

• El acetil-CoA puede proceder de la oxidación de la glucosa, de los ácidos grasos o de los aminoácidos.
• Este acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, transfiriendo su grupo acetilo a un ácido oxalacético que al aceptarlo forma un ácido cítrico. A partir de él se suceden en dos moléculas de CO2 e hidrógenos, y al final se regenera un ácido oxalacético por lo que estaba vía forma un ciclo. Para aceptar los hidrógenos se precisan coenzimas oxidadas (3 NAD+ Y 1FAD) que se transforman en coenzima reducidas (3 NADH + 1FADH2). Para volver a esas coenzimas oxidadas entran en la cadena transportadora de electrones, por lo que entre el ciclo de Krebs y dicha cadena se establece una independencia.
• En el ciclo de Krebs además se genera una molécula de GTP (que equivale a un ATP), tres de NADH y una molécula de FADH2 y 2 CO2. El balance energético del ciclo de Krebs aparentemente es muy bajo ya que en una vuelta completa solo se genera un ATP. Sin embargo, el resto de la energía se invierte en producir tres NADH y un FADH que en la cadena respiratoria.

Objetivo Ciclo de Krebs

Deshidrogenar el grupo acetilo (2C), se libera CO2 y átomos de H.

REACCIONES IMPORTANTES: 3, 4, 5, 6 Y 8.

► TRANSPORTE DE ELECTRONES EN LA CADENA RESPIRATORIA

El transporte de electrones en la cadena respiratoria es la última etapa de la respiración. En ella se oxidan las coenzimas reducidas (NADH Y FADH2) y de esta forma son utilizadas para sintetizar ATP a partir de la energía que contienen. En esta etapa se pueden distinguir tres procesos:

• Transporte de electrones: la cadena transportadora de e- o cadena respiratoria está constituida por una serie de moléculas, básicamente proteicas, englobadas de forma ordenada en la membrana interna de las mitocondrias. También se encuentran en la mb. Plasmática de las células procariotas.
  • Cada una de estas moléculas acepta electrones de la molécula anterior, es decir se reduce, y luego los transfiere a la molécula siguiente, por lo que se oxida. Esto es posible porque los electrones siempre pasan a ocupar una posición de menor energía. Los electrones que entran en la cadena proceden de los NADH y FADH2 que, al cederlos junto con protones (H+), pasan a ser las coenzimas oxidadas NAD+ y FAD respectivamente. La cadena respiratoria está formada por 6 componentes: cuatro de ellos con los grandes complejos proteicos I, II, III Y IV, el V es una pequeña molécula lipídica, la ubiquinona que transporta electrones del complejo I y II al III, y el último una pequeña proteína, el citocromo c que está en la cara interna de la membrana y que comunica el complejo III con el IV.
• Quimiósmosis: la energía a través de los complejos I, III Y IV perdida por los electrones se utiliza, en tres puntos concretos de la cadena para bombear protones (H+) al exterior, que en el caso de las mitocondrias pasa de la matriz al espacio intermembranoso. Allí se acumula y cuando su concentración es elevada, los protones vuelven a la matriz a través de unos canales internos con las llamadas ATP-sintetasas.
• Fosforilación oxidativa: las ATP-sintetasas cuando los protones fluyen por su canal interior producen la unión de un ADP y un grupo fosfato generando así un ATP. Por cada 3 protones que fluyan a través de las ATP-sintetasas se sintetiza 1ATP. Por cada 2 electrones que pasan desde el NADH de oxígeno se sintetizan 3 ATP y por cada 2 e- que pasan desde el FADH2 al oxígeno se sintetizan 2ATP.

*Hipótesis quimiósmotica que sirve para expulsar la fosforilación oxidativa*

• La energía liberada en el transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembranoso y a través de los complejos I, III Y IV. Los protones se acumulan en el espacio intermembranoso que da lugar a un gradiente electroquímico. Entre el espacio intermembranoso y la matriz. Esto genera una fuerza sobre los protones, que los hace volver a la matriz a través de las ATP-sintetasas. Este flujo de protones libera energía que se aprovecha para fosforilar ATP y sintetizar ATP, proceso llamado fosforilación oxidativa.

6. El Catabolismo por Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico en el que, a diferencia de la respiración, no interviene la cadena respiratoria Este proceso presenta las siguientes características:

• Es un proceso anaeróbico: no se usa el oxígeno como aceptor de electrones
• El aceptor final es un compuesto orgánico: el aceptor final de electrones y protones siempre es un compuesto orgánico
• La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato: no intervienen las ATP-sintetasas, lo que explica la baja producción energética de las fermentaciones. Una glucosa al degradarse mediante respiración produce 38 ATP, mientras que por fermentación solo produce 2.

La fermentación ocurre generalmente en los microorganismos, como ciertas levaduras y bacterias, aunque puede realizarse en el tejido muscular de los animales si no llega suficiente oxígeno a las células. Según sea la naturaleza del producto final, se distinguen varios tipos de fermentaciones: la alcohólica, si el producto final es el alcohol etílico; la láctica, si es ácido láctico. Se pueden distinguir 2 tipos de organismos según el proceso catabólico que realicen:

• ●Anaerobio facultativo: son organismos que, en presencia de exigen realizan la respiración y en ausencia de este realizan fermentación Por ejemplo bacterias del genero Lactobacillus y Streptococus.
• ●Anaerobio estricto: son organismos que siempre realizan la fermentación. Según la especie de levadura se pueden llegar a obtener distintos productos. Saccharomyces ellipsoideus, la sidra de la S.apiculatus, la cerveza de S. cerevisiae y el pan de una variedad purificada de S.cerevisia.

6.1 Fermentación alcohólica

La fermentación alcohólica es la transformación de ácido pirúvico en etanol y CO2. Determinadas levaduras catabolizan mediante respiración, un líquido rico en azúcares, pero si agotan el oxígeno disponible continúan el catabolismo mediante la fermentación. En una primera etapa, se realiza la glucólisis y la glucosa se transforma en ácido pirúvico, y en la etapa siguiente se realiza la transformación del ácido pirúvico en acetaldehído y CO2, y luego el acetaldehído en etanol.

6.2 Fermentación láctica

En la fermentación láctica se forma un ácido láctico a partir de la degradación de la glucosa. Generalmente, este proceso ocurre si determinados microorganismos inician la fermentación de la lactosa de la leche. Los microorganismos que realizan esta fermentación son las bacterias Latobacillus, Streptococus y Leuconostoc y se obtiene de ello productos derivados de la leche como el queso, requesón y el yogur. Otro caso en el que se produce la fermentación láctica ocurre cuando un animal realiza un sobreesfuerzo físico, las células musculares pueden quedarse sin suficiente oxígeno para catabolizar por respiración en ácido pirúvico procedente de la glucólisis, entonces lo degradan por fermentación a ácido láctico. En las células musculares primero se realiza la glucólisis, en la que se obtiene dos ATP y se producen dos coenzimas reducidas (NADH + H+), y luego la transforman del ácido pirúvico en ácido láctico regenerando coenzimas oxidadas con lo que el proceso no se detiene.

7. Otras Rutas Catabólicas

Otras rutas del catabolismo de los lípidos, la de las proteínas y el catabolismo por respiración de los ácidos nucleicos.

7.1 Catabolismo de los lípidos

En los seres vivos, las grasas o triglicéridos tiene una gran importancia como combustible orgánico por su alto valor calórico. La mayor parte de las reservas energéticas están en forma de grasas o aceites. La principal vía metabólica de obtención de energía a partir de los lípidos es la oxidación de los ácidos grasos, que proceden de la hidrólisis de los triglicéridos. Estos compuestos, al ser apolares, se pueden acumular sin contener nada de agua. La hidrólisis de las grasas es catalizada por enzimas lipasas que rompen los enlaces tipo éster y separan los ácidos grasos de la glicerina. La glicerina obtenida se combina con un grupo fosfato y luego pierde de hidrógenos transformándose en dihidroxiacetona-3-fosfato. Este compuesto puede incorporarse a la glucólisis o bien por una vía anabólica, puede servir para sintetizar glucosa.

► OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS

Los ácidos grasos precisan una vía especial denominada β-oxidación de ácidos grasos o hélice de Lynen. Sucede en la matriz mitocondrial. En las células eucariotas, los ac. Grasos para catabolizarse por respiración deben entrar en las mitocondrias, donde están las enzimas capaces de realizar este proceso.

Como los ac. Grasos no pueden atravesar la mb. Mitocondrial, primero se unen a coenzimas A. gracias a una enzima presente en la mb.externa mitocondrial por un proceso llamado activación del ácido graso.

• Consta de 4 reacciones que se repiten hasta que el ac. graso se oxida completamente:
  1. DESHIDROGENACIÓN: se obtiene 1FADH2
  2. HIDRATACIÓN: se consume 1H2O
  3. OXIDACIÓN: se obtiene 1NADH
  4. TIÓLISIS: se obtiene 1 ACIL-CoA (con 2 C menos) + 1ACETIL-CoA
• El nº de vueltas de β-oxidación dependerá de la longitud o nº de carbonos del acido graso
• El nº de vueltas es la mitad de nº de carbonos-1
• La cantidad de Acetil-coA obtenido es igual a la mitad del nº de carbonos