EL METABOLISMO.-

CONCEPTO DE METABOLISMO.

Siguiendo con el proceso de la nutrición celular, las moléculas que pasan al citosol, bien directamente mediante el transporte a través de la membrana plasmática, o bien mediante procesos de endocitosis, van a ser utilizadas para conseguir energía o para formar parte de las moléculas propias de la célula.

El conjunto de reacciones químicas, llevadas a cabo gracias a enzimas, que tienen lugar en la célula con las moléculas nutrientes, bien para conseguir energía o para formar parte propia de la célula, reciben el nombre de metabolismo.

RUTAS METABÓLICAS.

Los centenares de reacciones químicas que integran el metabolismo no tienen lugar de manera independiente unas de otras, sino que están asociadas entre sí formando largas cadenas de reacciones sucesivas, de manera que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente en la cadena. Estas secuencias de reacciones se denominan rutas metabólicas.

Cada sustancia producida, sustrato de la reacción siguiente, se denomina intermediario metabólico o metabolito. En cada paso, los metabolitos van sufriendo pequeños cambios, como la incorporación o eliminación de algunos átomos. Así se van modificando paso a paso hasta llegar al producto final del proceso ya terminado. Muchas rutas metabólicas son lineales, otras forman ciclos, y la mayoría están enlazadas unas con otras por ramas laterales de cadenas de reacciones. En conjunto se forma una red de reacciones químicas. Los puntos de conexión de una serie de reacciones con otra se denominan encrucijadas metabólicas.

Todas las reacciones están catalizadas por enzimas específicos. En determinados puntos, como las encrucijadas, especialmente importantes, se sitúan enzimas reguladores o alostéricos para controlar el flujo de reacciones. (aumentarlo, reducirlo o dirigirlo por un camino u otro según las necesidades de la célula)

Además de en encrucijadas, normalmente al comienzo de cada ruta existen enzimas reguladores, que controlan el flujo de reacciones mediante procesos de retroalimentación negativa. En eucariotas, la regulación del metabolismo se favorece porque la mayoría de los procesos se producen en distintos orgánulos (compartimentos celulares), que actúan como diferentes áreas de trabajo separadas. Así, la compartimentación metabólica es una gran ventaja de las células eucariotas sobre las procariotas.

ANABOLISMO, CATABOLISMO Y SU RELACIÓN.

Los procesos metabólicos pueden clasificarse en dos grandes grupos: anabolismo y catabolismo.

Catabolismo.- Consiste en la descomposición de moléculas orgánicas complejas en moléculas más pequeñas y sencillas. Se trata por tanto, de procesos destructivos, en los que se rompen enlaces covalentes y se libera su energía (proceso exergónico). La mayor parte de las reacciones químicas del catabolismo son oxidaciones. Se puede decir en resumen que el catabolismo está integrado por procesos degradativos, oxidantes y exergónicos.

Anabolismo.- Consiste en la síntesis de moléculas complejas a partir de otras más sencillas. Es un proceso de biosíntesis donde, al formarse nuevos enlaces entre átomos y moléculas, se precisa de un aporte de energía para formarlos ( procesoendergónico). La mayoría de las reacciones son reducciones. En resumen el anabolismo es un conjunto de procesos constructivos, reductores y endergónicos.

Las rutas metabólicas que forman parte del catabolismo se denominan rutas catabólicas, mientras que las que forman parte del anabolismo se denominan rutas anabólicas. Existen también algunas rutas que, en todo o en parte, son comunes al catabolismo y al anabolismo, reciben el nombre de rutas anfibólicas.

Relación entre catabolismo y anabolismo.- Mediante los procesos anabólicos las células fabrican sus propias moléculas como polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos etc. Lo que les permite crecer, acumular

sustancias de reserva o renovar las células viejas y al organismo en su conjunto. Para ello necesita partir de los monómeros correspondientes e incluso moléculas más pequeñas, y también necesita energía para formar los enlaces que los unirán. Tanto los materiales sencillos de construcción como la energía necesaria se obtiene del catabolismo a partir de los nutrientes.

TIPOS DE METABOLISMO.-

Concepto de nutrición y nutrición celular: La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales una célula u organismo vivo en general, obtiene la materia y la energía para construir y renovar sus propios componentes y mantener su actividad vital.

Dependiendo de la fuente de materia (básicamente carbono) y de energía se diferencian tipos de nutrición o lo que es lo mismo, de metabolismos:

1. Metabolismo o nutrición autótrofa. Propia de los organismos autótrofos, que son aquellos capaces de sintetizar sus moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas simples ( CO2, H2O, NH3 etc.). Su fuente de carbono es el dióxido de carbono inorgánico. Para ello necesitan un aporte de energía, dependiendo de la fuente de esta energía tenemos dos modalidades; Organismos fotoautótrofos o fotolitótrofos, utilizan la luz solar como fuente de energía, y mediante la fotosíntesis la transforman en energía química que les permite transformar CO2 y H2O en azúcares sencillos, a partir de los cuales obtienen el resto de biomoléculas orgánicas. Son las plantas, algas y algunas bacterias. Organismos quimiolitótrofos o quimioautótrofos, usan como fuente de energía la liberada en la oxidación de ciertos compuestos inorgánicos de su medio ambiente. Gracias a la quimiosíntesistransforman esa energía oxidativa en energía útil para fabricar sus moléculas orgánicas. Son algunos tipos de bacterias.

2. Metabolismo o nutrición heterótrofa. Su principal diferencia respecto a los autótrofos es que su fuente de carbono son moléculas orgánicas fabricadas previamente por otros organismos vivos. Dependiendo de su fuente de energía existen varios tipos: quimioheterótrofos o quimioorganótrofosque usan como fuente de energía la almacenada en las moléculas orgánicas de toman como nutrientes. Son todos los animales, hongos, protozoos y muchas bacterias. Fotoheterótrofos o fotoorganótrofosson algunas bacterias que desarrollan un tipo especial de fotosíntesis primitiva y por tanto, usan como fuente de energía la luz.

3. Independientemente de las categorías anteriores, en los procesos oxidativos del metabolismo, se liberan muchos electrones que al final son captados por un elemento químico o sustancia que los acepta y se reduce, se le llama aceptor final de electrones. Los metabolismos se clasifican en dos grandes bloques según utilicen o no el oxígeno como “aceptor final de electrones”. Se llama metabolismo aeróbico al que utiliza el oxígeno ( seres aeróbicos ) y metabolismo anaeróbico al que no usa el oxígeno. Existen algunos organismos vivos, generalmente bacterias, que tienen como preferente uno u otro metabolismo, pero según las condiciones del medio pueden cambiar de uno a otro, se denominan aeróbios o anaeróbios facultativos.

REACCIONES QUÍMICAS EN EL METABOLISMO

El metabolismo incluye procesos que liberan energía (catabolismo) y otros que la consumen (anabolismo). Esta liberación y consumo de energía no tienen por qué ocurrir al mismo tiempo ni en el mismo lugar de la célula. Por lo tanto debe existir algún mecanismo que almacene esta energía y la transporte desde los lugares en que se libera hasta aquellos en que se consume, es decir, algún tipo de conexión energética entre anabolismo y catabolismo.

En los seres vivos, las reacciones que capturan energía o la liberan son reacciones de oxidación-reducción, en las que, además de energía, los electrones pasan de un átomo o molécula a otro.

Dos son los sistemas que universalmente usan las células para llevar a cabo este transporte de energía y electrones que se transfieren en las reacciones de oxidación (catabolismo) y reducción (anabolismo), el sistema ATP/ADP/AMP y los coenzimas transportadores de electrones.

Reacciones de oxidación-reducción en el metabolismo.- En general, una oxidación consiste en una pérdida de electrones, mientras que una reducción es una ganancia de electrones. ( se puede decir, por ejemplo, que cuando el Fe2+ se convierte en Fe3+, el átomo de hierro se ha oxidado; o cuando el Cl pasa a Cl-, el cloro se ha reducido)

Es obligatorio, que para que un compuesto pueda oxidarse tiene que haber otro que acepte sus electrones y por tanto se reduzca, también a la inversa. De modo, que aunque se hable de oxidaciones o reducciones, en realidad son semirreacciones de un proceso de oxidación-reducción, o más brevemente reacciones redox.

En la mayoría de los casos, cuando una molécula capta un electrón, también capta un protón ( H +) y a la inversa. De manera que, globalmente es como si hubiese captado o perdido un átomo de hidrógeno. Así, en la práctica, en la célula, las hidrogenaciones son reducciones y las deshidrogenaciones son oxidaciones (los enzimas que participan en estas reacciones se llaman también “deshidrogenasas”). La razón por la que tradicionalmente se habla de oxidación es que el aceptor habitual de electrones y protones es el oxígeno que al ser muy electronegativo los atrae fuertemente. Se puede decir que la mayoría de los procesos catabólicos son oxidaciones (o deshidrogenaciones) y los procesos anabólicos son reducciones ( o hidrogenaciones).

La atmósfera terrestre es rica en oxígeno actualmente, por lo que si atendemos a las leyes de la termodinámica, la forma más estable del carbono sería el CO2 y la del hidrógeno el H2O. Así las macromoléculas nutrientes no se encuentran en su forma más estable, y es “fácil”( termodinámicamente favorable) utilizarlas como combustible “ayudándolas” a llegar a su estado más estable. En el camino se libera energía, además de electrones/protones. Es lo que ocurre en el catabolismo. Por ejemplo, el proceso catabólico fundamental es la respiración celular de la glucosa donde ocurre:

6 C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energía ( 38 ATP)

Por el contrario, cuando el carbono se combina con otros carbonos y con el hidrógeno para formar moléculas cada vez más complejas el proceso es termodinámicamente desfavorable y es necesario “empujar” con un aporte de energía. Es lo que ocurre en la mayoría de las reacciones del anabolismo, como en la más importante; la fotosíntesis.

6 CO2 + 6 H2O + energía ( Luz ) → C6H12O6 + 6 O2

Coenzimas transportadores de electrones.-

Existen varios coenzimas transportadores de electrones. Químicamente todos son nucleótidos que poseen como parte de su estructura alguna de las bases nitrogenadas nicotinamina o flavina, en las cuales reside precisamente su capacidad para aceptar o ceder electrones y protones. Estas bases nitrogenadas, que son diferentes a las que se encuentran habitualmente en los ácidos nucleicos, no pueden ser sintetizadas por la mayoría de los animales superiores, por lo que deben incorporarse en la dieta en forma de vitaminas ( ácido nicotínico y riboflavina respectivamente).

En el catabolismo oxidativo, el transportador de electrones más importante es el nicotinamin-adenin-dinucleótido ( NAD), en su forma oxidada aparece como NAD+ y en su forma reducida como NADH+H+ . En una reacción enzimática oxidativa de una molécula orgánica en la que participa el NAD como coenzima, el sustrato pierde dos átomos de hidrógeno, de los que dos electrones y un protón se añaden al NAD que se reduce a NADH, mientras que el protón restante se libera a la disolución circundante, de ahí que se escriba en forma reducida como NADH + H +. Al final, lo que se produce es un trasiego de hidrógenos, por lo que los enzimas que catalizan estas reacciones se denominan deshidrogenasas, sus coenzimas serían los nucleótidos como el NAD. En la siguiente tabla aparecen los esenciales:

FORMA OXIDADA FORMA REDUCIDANicotinamin-adenin-dinucleótido(NAD+) NADH + H+

Nicotinamin-adenin-dinucleótido-fosfato (NADP+) NADPH + H+

Flavín-adenin-dinucleótido ( FAD) FADH2

Flavín-adenin-mononucleótido(FMN) FMNH2

SistemaATP/ADP/AMP.- En las células es necesario canalizar también la energía liberada en el catabolismo, para su uso en procesos vitales o en el anabolismo. Es preciso que exista un “acoplamiento” entre las reacciones que liberan energía y las que la consumen. En este transporte de energía la molécula que más frecuentemente actúa como transportadora o intermediaria es el adenosintrifosfato (ATP). Tanto es así que se dice que el ATP es la “moneda energética” de las células.

La molécula de ATP es un ribonucleótido con Adenina como base nitrogenada, pero en lugar de poseer un solo grupo fosfato unido a la ribosa posee tres. Los dos extra, se unen por un tipo de enlace especial que precisa de mucha energía para formarse, pero que una vez formado, se convierte en un buen almacen de dicha energía. Cuando la célula la necesite, se van soltando grupos fosfato unidos con estos enlaces especiales ( enlaces de alta energía ) que se rompen por hidrólisis y liberando la energía que los formaba.

De esta forma, para liberar energía el ATP pasa a ADP + Pi e incluso de ADP a AMP+Pi .

Para cargarse de energía los pasos serían los contrarios. Soltar o liberar la energía del ATP es por tanto, un proceso de fosforilación o defosforilación.

Modalidades de fosforilación (carga de energía en el ATP).-

Existen tres mecanismos de fosforilación para regenerar el ATP a partir de ADP o AMP:

1º) Fosforilación a partir de un sustrato.- Se trata de reacciones donde un grupo fosfato de una molécula se separa de ésta, por supuesto rompiendo el enlace que lo unía, para pasar al ADP por ejemplo, que capta el grupo fosfato y la energía para convertirse en ATP. Esto sólo es posible si se libera mucha energía desde el sustrato o molécula, ya que el enlace de alta energía que se formará en el ATP precisa para formarse mucha energía. También puede ocurrir al romper un enlace que libere mucha energía y sirva para que se forme un nuevo enlace entre ADP o AMP y grupos fosfatos disueltos en el medio. Ocurre durante el catabolismo.

2º)Fosforilación oxidativa y 3º) fotofosforilación.- Agrupamos estos dos mecanismos pues gran parte de lo que sucede en ambos es similar. Luego veremos sus diferencias. Ambos tienen lugar gracias a un complejo de proteínas situado en algunas membranas celulares llamado ATP-sintetasa; la membrana interna de la mitocondria y la membrana de los tilacoides del cloroplasto. La teoría que explica como sucede se llama “teoría quimiosmótica de Mitchell” : Los electrones cedidos por las moléculas que se oxidan, pasan a un aceptor de electrones (coenzimas de transporte de electrones y protones ) y de éste a una cadena transportadora de electrones. Los electrones liberados inicialmente de una oxidación tienen un nivel de energía muy alto, a lo largo de su transporte en la cadena (integrada por diversas moléculas transportadoras de electrones) van liberando su energía poco a poco. Esa energía, se utiliza para realizar un transporte activo de protones de un lado a otro de la membrana( en contra de su gradiente electroquímico) de manera que se crea una alta concentración a un lado y baja a otro. En las mitocondrias los protones son bombeados por los transportadores de electrones situados en la membrana interna hacia el espacio entre membranas donde se acumulan, en el cloroplasto son bombeados por los transportadores de electrones de las membranas tilacoidales al interior de los tilacoides donde se acumulan. Luego, la ATP-sintetasa (también llamados “ATP-somas o partículas F”) abre canales que permiten que los protones vuelvan a favor de su gradiente electroquímico de forma pasiva (recordad que la membrana mitocondrial interna y la membrana de los tilacoides son muy selectivas en su permeabilidad, no dejan pasar los protones si no es a través de las ATP sintetasas), en este momento, el flujo rápido de protones permite a la ATP-sintetasa fosforilar ADP para formar ATP. Algunos comparan este sistema con una noria de un molino de agua, el flujo de agua la movía y eso se usaba como fuente de energía para mover una piedra de moler, y moler el trigo para fabricar harina. Así, al final , parte de los coenzimas de transporte de electrones y protones reducidos formados durante las reacciones del catabolismo son utilizados directamente como fuente de electrones y protones para las reacciones del anabolismo, o usados en las cadenas de transporte de electrones citadas para fabricar más ATP.

La diferencia entre fosforilación oxidativa y fotofosforilación radica (además de en el lugar donde se producen), en la fuente de los electrones transportados. En la fosforilación oxidativa se originan en el catabolismo de las moléculas nutrientes, mientras que en la fotofosforilación, el origen es la clorofila de los cloroplastos, que suelta electrones al recibir el impacto de la luz solar . En la fosforilación oxidativa la cadena de transporte de electrones y la ATP-sintetasa se encuentran situados en la membrana plasmática ( células procariotas) o en la membrana interna de la mitocondria (células eucariotas). En la fotofosforilación (paso inicial de la fase luminosa de la fotosíntesis) la cadena de transporte y las ATP-sintetasas están en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. Por tanto, tenemos aquí las dos estrategias básicas para obtener energía de los seres vivos, unos la obtienen de moléculas orgánicas que oxidan, sería por tanto una energía química( fosforilación oxidativa) y otros parten de la energía luminosa ( fotofosforilación ), los primeros son los heterótrofos y los segundos autótrofos fotosintéticos. Es preciso tener en cuenta, que las moléculas orgánicos oxidadas en los heterótrofos son las que fabrican los autótrofos con la energía solar, por tanto, la mayor parte de la vida en la Tierra requiere para obtener energía en última instancia de la energía del Sol.

EL CATABOLISMO.-

A través de los procesos catabólicos, las moléculas orgánicas complejas que forman los nutrientes, se van degradando en otras más sencillas. A lo largo de esta degradación se libera energía, que permite la formación de ATP ( reserva energética de las células) así como coenzimas reducidos y moléculas que pueden ser usadas en el anabolismo. Se trata de un proceso degradativo,oxidativo, las moléculas van perdiendo electrones, y exergónico( que libera energía), muy similar en todas las células, tanto de seres autótrofos como heterótrofos.

Entre los distintos tipos de biomoléculas orgánicas que forman parte de las células vivas, hay que distinguir por un lado las proteínas y ácidos nucleicos, cuya misión fundamental es el almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética ( biomoléculas informativas ), y por otro a los glúcidos y lípidos, cuya principal misión es la de proporcionar energía para los distintos procesos celulares ( biomoléculas energéticas ) y por lo tanto, estas últimas son las que con mayor intensidad entran en las vías catabólicas. De todas formas, dado que las células se encuentran en continuo proceso de renovación, el catabolismo comprende rutas que permiten llevar a cabo la degradación de todas y cada una de las biomoléculas.

Tipos de catabolismo.- Al final del catabolismo la oxidación de la materia orgánica produce un flujo de electrones que deben ser recibidos a una molécula aceptora final de electrones. Dependiendo de la naturaleza orgánica o inorgánica de ese aceptor final de electrones se distinguen dos modalidades básicas de catabolismo:

1) La fermentación. Se trata de un proceso en el que las moléculas no se oxidan totalmente, por lo que no se extrae toda la energía de dichas moléculas (no se rompen todos los enlaces posibles), y el aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Las fermentaciones genuinas son además procesos anaeróbicos, en los que no interviene el oxígeno. Además el ATP se forma solo por fosforilación a nivel de sustrato. La fermentación se produce en todo tipo de células, aunque de manera más importante en microorganismos como las levaduras y bacterias. Según sus productos finales se diferencian varios tipos de fermentación ( láctica, alcohólica etc.)

2) La respiración celular.Consiste en una oxidación completa de los compuestos orgánicos (se rompen casi todos los enlaces), se obtiene así toda la energía posible de ellos. El aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica. Para formar el ATP, además de la fosforilación a partir de un sustrato, se produce la fosforilación oxidativa. Según la naturaleza del aceptor final inorgánico de electrones se distinguen dos tipos de respiración: respiración aerobia, cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno, que al reducirse forma agua; y la respiración anaerobia, cuando el aceptor final de electrones es una sustancia diferente al oxígeno, como iones nitrato, sulfato o dióxido de carbono. Todos los organismos eucariotas y la mayoría de los procariotas realizan la respiración aerobia, mientras que la respiración anaerobia es exclusiva de ciertos microorganismos, en general bacterias.

Etapas del catabolismo.- El catabolismo parte de los diferentes tipos de biomoléculas orgánicas, para al final, dar lugar a unas pocas moléculas similares en casi todos los casos. Por ejemplo, en la respiración aerobia se parte de lípidos, glúcidos o proteínas y al final tenemos dióxido de carbono, agua y energía acumulada como ATP en todos los casos. Por ello se dice que el catabolismo tiene carácter convergente, son rutas metabólicas comparables a un río que nace de distintos afluentes para terminar en una única desembocadura en el mar. Podríamos considerar las siguientes etapas en el catabolismo: La primera fase consistiría en transformar las diferentes macromoléculas integrantes de los alimentos en sus monómeros correspondientes. Por ejemplo monosacáridos a partir de polisacáridos y otros glúcidos, ácidos grasos de los lípidos saponificables, aminoácidos de las proteínas o nucleótidos de los ácidos nucleicos. En cada caso se produce un proceso de ruptura de los enlaces característicos de cada grupo de moléculas gracias a enzimas hidrolíticos específicos. Por ejemplo Glucosidasas en los glúcidos, que hidrolizan los enlaces glucosídicos, Proteasas o Peptidasas que rompen los enlaces peptídicos, Lipasas que rompen los enlaces éster de los lípidos o Nucleasas que hacen lo propio con los enlaces fosfodiester de los ácidos nucleicos. Estos enzimas actúan durante los procesos conocidos como “digestión”, que puede ser extracelular( en el aparato digestivo por ejemplo) o intracelular ( en los lisosomas).

En la segunda fase, todos estos monómeros se transforman en un producto común, el Acetil-CoA (acetil coenzima-A), esta molécula,( transportada por el coenzima-A), es la que puede continuar con la tercera fase, esta etapa funciona casi como un embudo que reúne en un punto las diferentes rutas metabólicas de descomposición de cada tipo de macromolécula.

En la tercera fase, el Acetil-CoA se descompone totalmente(ciclo de Krebs), liberándose como moléculas sencillas (dióxido de carbono y agua básicamente) y permitiendo la formación de ATP por fosforilación oxidativa. En las fermentaciones solo se producen la primera fase y parte de la segunda, mientras que en la respiración se completan las tres. (Ver esquema general de las rutas metabólicas)

CATABOLISMO DE LOS GLUCIDOS.

Las fases catabólicas aplicadas al caso de los glúcidos para generar energía en forma de ATP serían las siguientes: En primer lugar los polisacáridos se degradan para formar glucosa ( fase I), luego la glucosa se degrada a través de un proceso llamado glucolisis dando lugar a una molécula que puede actuar como encrucijada metabólica, el piruvato. Éste puede seguir la vía de las fermentaciones (si no se dispone de oxigeno suficiene), o seguir degradándose totalmente en lo que sería ya respiración, para ello se transforma en Acetil-CoA (fase II). La tercera fase es común a otros tipos de moléculas y consiste en la degradación total hasta dióxido de carbono y agua, los procesos que lo llevan a cabo se llaman ciclo de Krebs y cadena respiratoria, en esta última tiene lugar la fosforilación oxidativa ( fase III).

1º) Degradación de los polisacáridos para formar glucosa .- En las plantas y otros eucariotas fotosintéticos, la mayor parte de la energía por la fotosíntesis se consume en la fase oscura, fabricándose moléculas que luego se usarán poco a poco para liberar energía a través de la respiración celular. Como combustible pueden usar directamente la glucosa que se fabrica en la fotosíntesis. Otras veces la almacenan como almidón ( tubérculos, bulbos, semillas etc.), éste se descompone primero en maltosa y luego en glucosa. Además, en el caso de las semillas oleaginosas, disponen de unos orgánulos especiales, los glioxisomas, donde los ácidos grasos almacenados, a través de un proceso llamado ciclo del glioxilato se transforman en glucosa que ya puede ser usada en la respiración.

En los animales y otras células heterótrofas, la glucosa se obtiene a partir del alimento. En el tubo digestivo los disacáridos y polisacáridos son hidrolizados formando monosacáridos que pasan a la sangre y se transforman en glucosa( además de glucosa aparecen otros que suelen ser isómeros de glucosa y fácilmente se transforman en ella por reacciones llamadas isomerizaciones), que entra en las células por difusión facilitada. Si el aporte alimenticio de glucosa no es suficiente, las células recurren a las reservas de glucógeno que se almacena en los músculos y en el hígado. El papel de la reserva de glucógeno muscular y hepático es diferente, en el músculo la glucosa liberada se consume “in situ” para el ejercicio físico, pero la liberada en el hígado se destina al torrente sanguíneo y a otras células del organismo. Hay que tener en cuenta, que aunque podemos obtener energía de los lípidos, muchas células como las neuronas usan casi exclusivamente glucosa y es preciso tener una reserva de la misma. Por ello también existen rutas metabólicas que permiten fabricar glucosa a partir de monómeros de otras macromoléculas,

salvo en los animales de acidos grasos, el proceso se llama gluconeogénesis, y son rutas que pertenecen al anabolismo.

Los grandes polisacáridos de reserva se descomponen mediante una reacción de fosforilación catalizada por la glucógeno-fosforilasa o por la almidón-fosforilasa según se trate de glucógeno o almidón. Éstas enzimas cortan glucosas rápidamente a partir de los extremos de estas moléculas ramificadas (más el glucógeno). Para los puntos de ramificación existe un enzima especial llamado enzima desramificante. El resultado son moléculas de glucosa-1-fosfato que entra en la siguiente fase llamada glucolísis. La degradación del glucógeno en las células animales se llama glucogenolísis.

2º) La Glucólisis. ( tambiénglucolísis o glicólisis o también ruta de Embden-Meyerhoff) Consiste en la lisis (rotura) de cada molécula de glucosa (de 6 carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico (de 3 carbonos ). Es casi como si partiéramos la molécula de glucosa por la mitad. Es un proceso que no necesita oxígeno para producirse y tiene lugar en el hialoplasma o citosol de las células. Además de las dos moléculas de ácido pirúvico se consigue un rendimiento energético de 2 ATP. Se cree que es un “fósil” metabólico, una de las primeras rutas desarrolladas por las células para obtener energía en ausencia de oxígeno y se ha conservado en caso todos los seres vivos a pesar de que, si no continuamos con las siguientes fases, su rendimiento energético es muy escaso. Cuando apareció la atmósfera con oxígeno en la Tierra, la evolución añadió a la glucolisis las partes posteriores.

Esta ruta metabólica tiene diez reacciones consecutivas catalizadas por diez enzimas Tiene lugar en el citosol de la célula. En ellas se forman una serie de intermediarios metabólicos con grupos fosfato unidos, esto es esencial, pues impide que puedan difundirse a través de la membrana plasmática fuera de la célula como sí puede hacerlo la glucosa por ejemplo. Podemos diferenciar dos etapas básicas:

Fase preparatoria.- La glucosa se degrada para dar lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato a través de cinco reacciones consecutivas. Para ello hace falta la energía que aportan dos moléculas de ATP pues globalmente es un proceso “cuesta arriba” endergónico.

Fase de beneficio.- Consta de otras cinco reacciones en las que se recogen “beneficios” en forma de 4 moléculas de ATP y 2 de NADH+H+, ésta es una etapa exergónica. Al final además tenemos dos moléculas de ácido pirúvico o piruvato.

El balance global de la glucólisis sería:

GLUCOSA( 6 carbonos) + 2ADP + 2Pi + 2 NAD+ → 2 PIRUVATO( 3 carbonos) + 2 ATP + 2 NADH+H+ + H20

Destino del piruvato y del NADH de la glucólisis.- El piruvato se encuentra al final de la glucólisis en una encrucijada metabólica. Su destino depende del tipo de célula en que nos encontremos y sobre todo de si hay oxígeno suficiente en la célula. En condiciones anaerobias (poco oxígeno ) el piruvato sigue las rutas metabólicas de las fermentaciones,( en el caso humano la fermentación láctica, es un mecanismo de emergencia ya que no se puede oxidar totalmente la glucosa sin oxígeno suficiente y nos produce acúmulos de ácido láctico :”agujetas” ). En condiciones aerobias, con oxígeno suficiente, el piruvato entra en las mitocondrias y sigue las etapas de la respiración celular. El NADH formado en el citosol, donde todo se ha desarrollado hasta ahora, no puede atravesar directamente la membrana mitocondrial interna, para ello ( y poder alcanzar la cadena de transporte electrónico ) usa unos sistemas de transporte llamados “lanzaderas”. Se conocen dos, la lanzadera del glicerol-fosfato ( donde el NADH rendirá al final 2 ATP en la cadena respiratoria de transporte electrónico, y que actúa en células del cerebro y del músculo esquelético) y la lanzadera del malato-aspartato, si pasa por esta rinde 3ATP en la cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa.

3º) Transformación del piruvato, ciclo de Krebs y cadena de transporte electrónico ( se completa la ruta de la respiración celular ).

3.1) Descarboxilación oxidativa del piruvato. Las moléculas de piruvato ( dos por molécula de glucosa) obtenidas en la glucolisis pasan por difusión facilitada a la matriz mitocondrial. Aquí sufren una reacción de descarboxilación, liberando CO2 y al mismo tiempo una oxidación liberando hidrógenos que son captados por NAD + que se reduce a

NADH2 . Este tipo de reacción también se produce en la etapa siguiente y se llama descarb oxilación-oxidativa pues se producen ambas cosas a la vez. Está catalizado por un complejo multienzimático llamado piruvato-deshidrogenasa. La reacción es irreversible y conduce a los restos de dos carbonos de las moléculas de piruvato iniciales a su oxidación total en la respiración celular. Los grupos de dos carbonos, llamados acetilo son transportados ahora por un enzima que tiene como coenzima al llamado Coenzima-A, ( CoA-SH) a cuyo grupo sulfidrilo o tiol se unen formando acetil-CoA.

3.2) Ciclo de Krebs. También se le denomina ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, pues el ácido cítrico forma parte del proceso como metabolito y también aparecen moléculas con tres grupos carboxilo. Tiene lugar en la matriz mitocondrial donde se encuentran los enzimas necesarios para cada paso de esta ruta metabolica circular de ocho reacciones. Al ciclo de Krebs llegan también los catabolismos de todas las moléculas, no solo de los glúcidos, y de él parten también las reacciones del anabolismo (salvo la fotosíntesis). Esta ruta que pertenece pues tanto al catabolismo como al anabolismo se llama ruta “anfibólica” por ello.

El ciclo se inicia con la unión del grupo acetilo del acetil-CoA con una molécula de cuatro carbonos llamada ácido oxalacético ( OAA) para formar una molécula de seis carbonos llamada ácido cítrico que posee tres grupos carboxilo ( ácido tricarboxílico). En el proceso se libera el CoA. En las siguientes etapas oxidativas se liberan dos moléculas de CO2 (que formaban los grupos carboxilo) y electrones y protones, son por tanto, descarboxilaciones oxidativas algunas etapas. Al final se recupera el ácido oxalacético y se cierra el ciclo. Su balance global sería:

Por cada molécula de glucosa se obtienen dos de acetil-CoA, cada una de ellas da una vuelta al ciclo en entre las dos se generan: 2 Acetil-CoA + 2ADP +6NAD+ +2FAD+ → 4 CO2 + 2 ATP + 6 NADH2 + 2 FADH2

3.3) Cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.- A pesar de la complejidad de los procesos metabólicos vistos, en realidad la oxidación de la glucosa hasta dióxido de carbono y agua ha suministrado por ahora solo dos ATP en la glucolísis y otras dos moléculas de ATP en el ciclo de Krebs, en ambos casos por fosforilación a partir de sustrato. La mayor parte de la energía liberada en las oxidaciones se encuentra en los electrones almacenados en las moléculas de NAD y FAD. En la respiración aerobia estos electrones son conducidos hasta el oxígeno para formar agua. Sin embargo, dado el nivel de energía tan alto de estos electrones, si se transfiriesen directamente al oxígeno junto con protones se produciría una reacción muy violenta e incluso explosiva. Por ello en la mitocondria, los electrones no son transportados directamente, si no a través de una serie de transportadores que forman una cadena, la llamada cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. Son complejos proteicos anclados en orden en la cara que da a la matriz mitocondrial de la membrana mitocondrial interna, simpre próximos a las ATP-sintetasas. Cada transportador es un complejo multienzimático que recibe los electrones y protones de los coenzimas reducidos NAD y FAD. Ceden los electrones al siguiente complejo

de la cadena, pero utilizan parte de su energía para bombear los protones al espacio intermembrana, así los electrones cedidos al siguiente transportador tienen ya menos energía. El siguiente hace lo mismo hasta el final de la cadena. Así cuando los electrones alcanzan el oxígeno tienen un nivel energético bajo, y su unión para formar agua junto a protones es una reacción suave. Los protones bombeados al espacio entre las membranas de la mitocondria pasan a favor de su gradiente electroquímico por los ATP-sintetasas y es donde se genera el ATP en gran cantidad por fosforilación oxidativa. Por cada molécula de NADH2 se generan 3 ATP y por cada FADH2 se generan 2 ATP ya que estas últimas se incorporan a la cadena de transporte en el segundo transportador y se pierde algo de energía. Casi todos los transportadores poseen como cofactor un ion metálico, como hierro, cobre etc. que al reducirse y oxidarse efectúa el transporte de electrones. Los nombres de los complejos transportadores en orden de acción son:

1º Complejo NADH-deshidrogenasa (Primer transportador que recoge electrones y protones del NADH2 )

2ºUbiquinona o Coenzima-Q

3ºCitocromo b-c1

4ºCitocromo oxidasa cede los electrones al oxígeno que junto a los protones que entran por las ATP-asas formarán agua.

Reacción global y balance de la respiración oxidativa de la glucosa.

1. En la glucolisis se forman 2 ATP, 2 NADH2 y dos moléculas de piruvato.2. En la descarboxilación oxidativa del piruvato se generan dos NADH2 y dos acetil-CoA3. En el ciclo de Krebs las 2 Acetil-CoA generan dos CO2, 2ATP,6NADH2 y 2FADH2

4. En las cadenas de transporte electrónico los coenzimas reducidos generan ATP, 3 ATP por molécula de NADH2 y 2ATP por molécula de FADH2 .

La reacción global de la respiración de la glucosa sería:

Glucosa + O2 + 38 ADP + 38Pi + 10 NADH2 + 2FADH2 → 6 CO2 + H2O + 38ATP + 10 NAD+ + 2 FAD+

A veces el rendimiento en ATP es inferior, de 36 ATP. Esto depende del sistema de transporte o lanzadera que se utilice en la célula para introducir los NADH2 generados en la glucolísis dentro de la mitocondria.

LA VIA ANAEROBIA DE LAS FERMENTACIONES.

Se trata de un proceso metabólico que se desarrolla en el citoplasma celular y que consiste en una oxidación parcial o incompleta de las moléculas que se usan como combustible. Por ello libera mucha menos energía que la respiración que es un proceso de oxidación total de la molécula combustible. No utilizan al oxígeno como aceptor final de los electrones liberados en las oxidaciones si no que el aceptor final es una molécula orgánica normalmente un metabolito de la propia ruta de fermentación, que al reducirse queda como residuo característico. Se trata de un proceso anaeróbico. Las fermentaciones son llevadas a cabo por microorganismos

anaerobios estrictos o anaerobios facultativos, también algunas células animales o vegetales cuando no disponen de suficiente oxígeno para completar la respiración celular como mecanismo de “emergencia”.

Veamos el caso más común de la fermentación de la glucosa dentro del catabolismo de los glúcidos ( también se pueden producir fermentaciones a partir de otros combustibles como aminoácidos etc.)

Dependiendo del producto final de la fermentación se distinguen varios tipos:

1º)FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA. La glucosa se transforma en dos moléculas de etanol y dos de dióxido de carbono, generando dos moléculas de ATP. Se produce en dos fases, en la primera se produce una glucolisis normal generando dos moléculas de piruvato, dos ATP y dos moléculas de NADH2 . La segunda fase se produce para reciclar los coenzimas reducidos, así el piruvato se descarboxila y transforma en acetaldehído, este capta los electrones y protones del NADH2 formado y se transforma en etanol o alcohol etílico. El rendimiento es solo de 2 ATP por glucosa fermentada.

La fermentación alcohólica se realizada por las levaduras del género Saccharomyces ( hongos unicelulares), también por bacterias y otros microorganismos asi como en tejidos de algunas plantas. En la industria tiene interés por la liberación del dióxido de carbono y el alcohol en la fabricación de bebidas alcohólicas. Se usan levaduras del genero citado como el Saccharomyces cerevisiae para la fabricación de la cerveza o el Saccharomyces uvarum en la fabricación del vino. Tambièn se usan variedades especiales del S.cerevisiae para la fabricación del pan y otros productos de bollería, en este caso lo importante no es el etanol, si no el dióxido de carbono que al liberarse dentro de la masa la transforma en una especie de esponja.

2ºFERMENTACIÓN LÁCTICA ( TAMBIÉN LLAMADA HOMOLÁCTICA). Se llama así pues es el proceso de fermentación que suele producirse a partir del azúcar de la leche, la lactosa. En primer lugar se hidroliza la lactosa y se separan sus monómeros de glucosa y galactosa, la galactosa se transforma en glucosa también. El proceso se produce en dos fases, la primera es la glucólisis que genera piruvato, dos moléculas de ATP y dos de NADH 2. Las moléculas de piruvato actúan como aceptoras de los electrones y protones del NAD y se transforma en lactato o ácido láctico. El rendimiento es solo de 2 ATP por molécula de glucosa fermentada.

Suelen realizar este proceso los microorganismos como bacterias de los géneros Lactobacillus, Streptococcus y Leuconostoc. Estos microorganismos y su fermentación tienen importantes aplicaciones industriales para la obtención de derivados lácteos como el queso, la mantequilla, cuajada o yogur.

También se produce la fermentación láctica en células animales y vegetales cuando falta el oxígeno. Por ejemplo en nuestras fibras musculares normalmente se usa la glucosa mediante respiración oxidativa, pero si con el ejercicio intenso no se transporta suficiente oxígeno al músculo, se paraliza la respiración por falta del aceptor de electrones final y se recurre a la fermentación láctica. En este caso es un mecanismo de emergencia para producir energía de la glucosa, aunque solo sean 2 ATP por molécula de glucosa. El resultado es la acumulación de ácido láctico que rebaja el pH muscular, dificulta su contracción y es causa de fatiga muscular. Algunos autores consideran que la acumulación de ácido láctico es la responsable del dolor llamado “agujetas” tras el ejercicio intenso ( otros consideran que son microroturas fibrilares ). Cuando la situación de exigencia física y falta de oxígeno pasa, el ácido láctico o lactato pasa por la sangre al hígado, donde se recicla en rutas anabólicas (gluconeogénesis), como glucosa de nuevo.

3ºOTRAS FERMENTACIONES. Existe gran variedad de microorganismos que realizan diferentes fermentaciones, las cuales se denominan según el producto residual final. Por ejemplo la fermentación fórmica, fermentación succínica o fermentación butírica son habituales en bacterias descomponedoras del suelo. Un caso especial son las fermentaciones pútridas en las que se parte de sustratos de naturaleza proteica o con grupos amino, algunos de los productos derivados de estas fermentaciones son sustancias malolientes como la “cadaverina” o el amoniaco que confieren el olor característico a los cadáveres o cuerpos en descomposición.

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS.-

Dado que los lípidos que poseen una función energética más clara, y por ello son los que se degradan habitualmente en las células para producir energía, son los triacilglicéridos o grasas neutras, analizaremos sus rutas degradativas.

1º) La primera etapa es la hidrólisis de los tres enlaces éster que poseen estas moléculas para dar lugar a la glicerina o glicerol y a tres moléculas de ácido graso libres. Esta reacción está catalizada por enzimas llamados lipasas y se produce a nivel extracelular en la digestión intestinal, y en el interior de las células en el citosol.

2º) Degradación de la glicerina. La glicerina procedente de la hidrólisis de las grasas se fosforila con gasto de una molécula de ATP para formar la molécula de glicerol-fosfato, este se oxida cediendo electrones a una molécula de NAD+ para transformarse en Dihidroxiacetona-fosfato. Este último compuesto es un intermediario de la glucolisis y se incorpora a este proceso. Esto es un ejemplo de convergencia del catabolismo, aquí la degradación de las grasas se incorpora a la misma ruta que la degradación de los glúcidos. El NADH2 formado pasa por los sistemas de lanzadera al interior de la mitocondria, donde en la cadena respiratoria servirá para generar ATP.

3º) Degradación de los ácidos grasos. El proceso tiene lugar en el interior de la mitocondria, en la matriz, donde se encuentran los enzimas necesarios y recibe el nombre de β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen. Para producirse los ácidos grasos deben ser activados previamente uniéndose por su grupo carboxilo a una molécula de CoA (coenzima-A) y transformándose en acil-CoA.

La degradación es un proceso cíclico de reacciones repetidas ( vueltas de hélice o β-oxidaciones) que van separando fragmentos de 2C en forma de acetil-CoA comenzando por el extremo carboxilo del ácido graso. En cada vuelta se produce: 1 acetilCoA (que se incorpora al ciclo de Krebs en una nueva muestra de convergencia metabólica), 1 FADH2 y una molécula de NADH2 . Estos coenzimas reducidos sirven para producir ATP en la cadena respiratoria. Lógicamente dependiendo de la longitud del acido graso este liberará más o menos energía al final. Los ácidos grasos insaturados sufren algunas reacciones más para eliminar los dobles enlaces durante la β-oxidación.

CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS.

En primer lugar enzimas llamadas Proteasas o peptidasas rompen los enlaces peptídicos entre los aminoácidos. La degradación de los aminoácidos se realiza en dos etapas: 1º separación de los grupos amino y 2º degradación de los esqueletos carbonados restantes. Los grupos amino pueden ser reutilizados en otras moléculas o transformados en urea para su eliminación por la orina. Para ello, en las células hepáticas se produce un proceso metabólico cíclico

denominado “ciclo de la urea”. Los esqueletos carbonados de muchos aminoácidos coinciden con intermediarios del ciclo de Krebs por lo que penetran al interior de la mitocondria donde son degradados en este proceso.

CATABOLISMO DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.

Los enzimas llamados nucleasas rompen los enlaces fosfodiester que unen los distintos nucleótidos. Normalmente estos nucleótidos son reutilizados directamente pero a veces, pueden ser degradados a sus componentes básicos (pentosas, ácido fosfórico y bases nitrogenadas). Cada uno de ellos sigue su propia ruta degradativa, las pentosas mediante una ruta paralela a la glucolisis llamada ruta de las pentosas-fosfato, el exceso de ácido fosfórico se elimina como tal en la orina y las bases nitrogenadasn (si no se reutilizan), se degradan a través de rutas complejas para producir finalmente urea, amoniaco y ácido úrico.

ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO

Citosol

Mitocondria