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Índice 1. Catabolismo ► Fases del catabolismo: ► Tipos de catabolismos según el aceptor final de electrones: ► Tipos de catabolismo según la molécula que se oxida: 2. Catabolismo de los glúcidos 2.1. Glucólisis 2.2. Fermentación 2.3. Respiración celular 3. Catabolismo de los lípidos 3.1. β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen 3.2. Balance energético del catabolismo de un ácido graso 4. Catabolismo de los protidos. (aminoácidos) 5. Panorámica general del catabolismo Metabolismo Catabolismo exergónico Anabolismo endergónico Catabolismo Es el conjunto de reacciones metabólicas que tienen por objeto obtener energía a partir de compuestos orgánicos complejos que se En el catabolismo suelen distinguirse transforman en otros más sencillos. Ejemplos: Respiración celular aerobia, las fermentaciones, glucolisis, la beta-oxidación de los ácidos grasos, el ciclo de Krebs, la fermentación láctica, la fermentación acética etc. • Fase I, fase inicial o preparatoria las grandes moléculas se degradan (polisacáridos a monosacáridos; los lípidos a ác. grasos y glicerina, y las proteínas a aminoácidos). • Fase II o fase intermedia, los productos de la fase I, son convertidos en una misma moléculas, más sencillas el Acetil-coenzima A (acetil CoA). • Fase III o fase final, en la que el acetil-CoA (se incorpora al ciclo de Krebs) da lugar a moléculas elementales CO2 y H2O. tres fases: En el catabolismo suelen distinguirse tres fases: • Fase I, fase inicial o preparatoria • Fase II o fase intermedia, • Fase III o fase final Tipos de catabolismos según sea el aceptor final de electrones: • Fermentación. tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos. • Respiración celular. El aceptor final de electrones es inorgánica, por ejemplo: O2, NO3 -, SO4 2-, y el dador suele ser un compuesto orgánico. Respiración aerobia, cuando es el O2 el que acepta los hidrógenos, Respiración anaerobia, cuando la sustancia que se reduce es diferente del oxígeno, por ejemplo: iones nitrato (NO3-), iones sulfato (SO4 2-), etc. Tipos de catabolismo según la naturaleza de la molécula que se oxida: • • • • Catabolismo Catabolismo Catabolismo Catabolismo de de de de los los los las glúcidos. lípidos. prótidos. bases nitrogenadas el aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica, como por ejemplo el O2, NO3-, SO4-, etc., y el dador suele ser un compuesto orgánico tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos. Catabolismo de glúcidos Glucólisis Degradación anaerobia del ácido pirúvico: Fermentación. Degradación aerobia del ácido pirúvico: Ciclo de Krebs. Cadena transportadora de electrones. Fosforilación oxidativa. Glucólisis La glucólisis o vía de Embdem-Meyerhof es un conjunto de reacciones anaerobias que tienen lugar en el hialoplasma celular, en la cual se degrada la glucosa (C6), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (C3). Por cada glucosa se obtiene: 2 ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ Etapas de la glucólisis. Etapa de activación. La glucosa, tras su activación y transformación en otras hexosas, se descompone en 2 gliceraldehído-3 P (3 C). Se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. Glucosa + 2 ATP ▬► 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapa de degradación. Las dos moléculas de gliceraldehído-3- fosfato se oxidan después, a través de una serie de reacciones, hasta rendir dos moléculas de ácido pirúvico. En esta oxidación se necesita como enzima NAD+, que se reduce a NADH. La energía liberada en el proceso es utilizada para fabricar cuatro moléculas de ATP. 2 Gliceraldehído 3 P+2NAD++4 ADP+2 Pi ▬►2 Ác. pirúvico+2 NADH +2 H+ + 4ATP Glucosa+2 NAD++2ADP+2 Pi ▬►2 Ác.pirúvico+ 2 NADH+ 2 H+ + 2ATP Etapa de activación Etapa de activación Etapa de activación Etapa de activación Etapa de degradación Etapa de degradación Etapas de la glucólisis (I) Etapa de activación Hexoquinasa ETAPA 1 + + + H+ + + H+ Fosfoglucosa isomerasa ETAPA 2 Fosfofructoquinasa ETAPA 3 + Etapas de la glucólisis (II) Aldolasa + ETAPA 4 Etapa de degradación ETAPA 5 Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa + + + Fosfoglicerato quinasa ETAPA 6 + + Etapas de la glucólisis (III) Fosfoglicerato mutasa ETAPA 7 Enolasa + H2O ETAPA 8 Piruvato quinasa ETAPA 9 + + H+ + Etapa de activación Glucosa + 2 ATP 2 gliceraldehído 3 P + 2 ADP Etapa de degradación 2 Gliceraldehído 3 P + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 4ATP Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP Resumen de la glucólisis ENERGÍA CONSUMIDA BALANCE PARCIAL : - 2 ATP ENERGÍA PRODUCIDA BALANCE PARCIAL : 4 ATP + 2 NADH BALANCE TOTAL : 2 ATP y 2 NADH Glucosa + 2 ATP ▬► 2 Gliceraldehído 3 P + 2 ADP 2 Gliceraldehído 3 P+2NAD++4 ADP+2 Pi ▬►2 Ác. pirúvico+2 NADH +2 H+ + 4ATP Glucosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2 Pi ▬►2 Ác.pirúvico + 2 NADH+ 2 H+ + 2ATP Fermentación Hialoplasma g l 2 NAD 2 Pi 2 ADP u NADH(2) c o Glucosa (6C) Oxidación Ác. Pirúvico (producto parcial l (3C) inicial) ATP (2) i Ciclo de Krebs. Hialoplasma s Cadena i transportadora de electrones. Mitocondria s Fosforilación oxidativa. La mayoría de las fermentaciones son anaerobias, y su finalidad es que no se bloquee completamente el catabolismo en ausencia de oxígeno, permitiendo al organismo obtener energía, aunque sea poca, en esas condiciones Fermentación ● Conjunto de rutas metabólicas, que se realizan en el hialoplasma, por las cuales se obtiene energía por la oxidación incompleta de compuestos orgánicos. ● Los electrones liberados en esta oxidación son aceptados por un compuesto orgánico sencillo que es el producto final de la fermentación. ● El rendimiento energético es bajo. Tipos de Fermentación Fermentación anaerobia, son las más típicas; no requieren oxígeno. ► Fermentación láctica. En la que el producto final que se obtiene es ácido láctico (fermentación homoláctica) unido, en ocasiones, a otros compuestos (heteroláctica). La realizan ciertas bacterias como las del género Lactobacillus (utilizadas para la obtención de yogur y queso) y las células musculares cuando el aporte de oxígeno es insuficiente. NADH + H+ NAD+ (CH3-CO-COOH) Ác. pirúvico ▬▬▬▬▬▬▬▬►Ác. láctico (CH3-CHOH-COOH) Lactato deshidrogenasa Fermentación láctica Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G6P Ácido 1,3bifosfoglicérico G3P NAD + NADH 2 ATP CH3 - CHOH - COOH CH3 - CO - COOH Ácido láctico Láctico deshidrogenasa Ácido pirúvico Fermentación alcohólica. En la que se obtiene alcohol etílico. La realizan ciertas levaduras (género Saccharomyces) utilizadas para fabricar gran variedad de bebidas alcohólicas (vino, cerveza, etc.) a partir de diversos azúcares (de uva, de cereales, etc). CO2 NADH + H+ NAD+ Ácido pirúvico ▬▬▬▬▬▬▬▬► Acetaldehído ▬▬▬▬▬▬▬▬► Etanol Piruvato descarboxilasa Alcohol deshidrogenasa Fermentación etílica Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G3P Ácido 1,3bifosfoglicérico NAD CH3 - CH2OH Etanol + NADH CH3 - CHO Acetaldehído 2 CH3 - CO - COOH Ácido pirúvico CO2 ATP Fermentación oxidativa. Requieren oxígeno (son aerobias) pero éste no actúa como último aceptor de electrones sino como oxidante del sustrato. La más conocida es la fermentación acética (se produce vinagre a partir del vino) y en la cual, el alcohol etílico es oxidado a ácido acético mediante el oxígeno. O2 Etanol ▬▬▬▬▬▬▬▬►Ácido acético Respiración Celular ● Se realiza en matriz de las mitocondrias ● Obtención de energía de las células aerobias. ● Supone la oxidación del ácido pirúvico hasta formar CO2 y H2O. ● El oxígeno actúa como último aceptor de electrones. La respiración celular comprende cuatro etapas: 1. Transformación del ácido pirúvico en acetil CoA. 2. El acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs (o de los ácidos tricarboxílicos), donde se oxida a CO2 y H2O. Como resultado de un ciclo complejo se reduce cuatro moléculas de coenzimas, 3 NAD + 1 FAD. 3. Transporte de electrones a través de la cadena respiratoria. En estas reacciones de oxidaciónreducción se libera energía que la célula utiliza para bombear protones al interior del espacio intermembrana. 4. Fosforilación oxidativa. la salida de H+ hacia la matriz mitocondrial se hace a través de las ATPasas, ADP + Pi → ATP Esquema general de la respiración celular Acído pirúvico CITOSOL Membranas externa e interna MATRÍZ MITOCONDRIAL Cadena respirator ia CRESTAS MITOCONDRIALES Primera etapa: obtención del acetil CoA ► A partir del ácido pirúvico En condiciones aeróbicas el ác. Pirúvico obtenido de la glucólisis entra en las mitocondrias y sufre una descarboxilación oxidativa, en presencia del Coenzima A (CoA), se oxida hasta Acetil-CoA (CH3CO-S-CoA), liberándose CO2 y reduciéndose una molécula de NAD+ a NADH + H+. ► A partir de ácidos grasos estos entran en la matriz mitocondrial después de ser activados con CoA. Los ácidos grasos activados son transformados en acetil-CoA en una ruta metabólica llamada β-oxidación o hélice de Lynen. β-oxidación o hélice de Lynen. Segunda etapa: El ciclo de Krebs • Ciclo del ácido cítrico o del ácido tricarboxílico • Se desarrolla en la matriz mitocondrial • Oxidación del acetil-CoA • Obtención de coenzimas reducidos (FADH2 y NADH) para la cadena respiratoria El ciclo de Krebs · 2 CO2 · 3 NADH + 3H+ · FADH2 Glucosa · ATP Acetil-CoA Ácidos grasos Coenzima A · 1 SH-CoA Ácido oxalacético H2O Ácido málico NAD + NADH Ácido cítrico Ácido fumárico FADH2 NAD FAD Coenzima A + NADH NADH Coenzima A NAD + Ácido isocítrico Ácido succínico GTP ADP ATP CO2 GDP Succinil-CoA CO2 Ácido -cetoglutárico 1.Unión del acetilCoA con una molécula de 4 C (el ácido oxalacético), para formar una de 6 C (ácido cítrico). 2. Por cada molécula de acetil CoA que entra, se producen: - Dos CO2. - Un GTP ATP. - Dos CoA-SH, una vuelve a utilizarse en el ciclo. - Tres NADH/H+. - Un FADH2. 3H2O 3NAD FAD Ác. pirúvico Acetil-CoA (producto inicial) Oxidación completa: descarboxilaciones sucesivas con obtención de moléculas de alto valor energético (muy reducidas) Matriz mitocondrial Cadena de transporte de electrones ADP 2CO2 3 NADH FADH2 CoA ATP Membrana. mitocondrial interna Balance del Ciclo de Krebs Acetil-CoA+3H2O+3NAD++FAD +ADP+Pi 2CO2+1CoA-SH +3NADH +3H+ +FADH2+ATP Tercera etapa: Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones Las moléculas que forman esta cadena están situadas en la membrana interna de la mitocondria La cadena se inicia cuando el NADH y el FADH2 libera H+ y e- para oxidarse y regenerar el NAD+. Los protones quedan en la matriz y los electrones son transferidos al primero de los transportadores que forman la cadena respiratoria. En esta fase los e- tienen una alta energía que va disminuyendo conforme van pasando a través de los más de 15 transportadores. Finalmente los e- llegan al O2 (último aceptor de los e-), que se reduce a H2O. T Fosforilación Membrana oxidativa r mitocondrial interna a Transportadores n O2 de electrones s p o Cadena de [Gradiente r NADH transporte de de protones] t FADH electrones por Agua 2 e óxido-reducciones sucesivas. d e e- Membrana mitocondrial interna Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones - 0,4 NADH NAD + + H+ 2e- + 2H+ FMN + 2H+ FMN 2e- 0 CoQ + 2H+ CoQ FADH2 2e- FAD + 0,4 2H+ Cit b 2eCit b Cit c 2eCit c Cit c 2eCit c 2e- a3 2H++ 1/2 O2 a3 + 0,8 Voltios 2e- 2e- H2O Cuarta etapa: fosforilación oxidativa. Según la hipótesis quimiosmótica En la membrana interna de las mitocondrias se va realizando un transporte de electrones desde el NADH o el FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte de electrones va a generar un transporte de protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor de gradiente, los H+ sólo pueden atravesarla a través de las ATP sintetasas. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H+ para, a partir de ADP + Pi obtener ATP. Por cada NADH se obtienen 3 ATP y por cada FADH2 2 ATP Fosforilación oxidativa Matriz mitocondrial H+ ATP Espacio intermembrana Matriz mitocondrial NAD NADH _ FAH2 H+ H+ FAD + 2 ADP H2O H+ + 1/2 O2 F1 F0 _ _ _ 2e2e- CoQ Sistema I Sistema II H+ Espacio intermembrana H+ Cit c H+ H+ H+ H+ H+ Sistema III H+ NADH 3 ATP FADH2 2 ATP Rendimiento de 1 glucosa en el catabolismo aerobio: 1. Glucólisis (De 1 C6 2 C3) 1 Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP 2. Del ácido pirúvico al acetil CoA (De 2 C3 2 Ác. pirúvico + 2 HS-CoA+ 2 NAD+ 2 C2) 2 CO2 + 2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ 3. Ciclo de Krebs. 2(Acetil-CoA+H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi) 4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2ATP+2SH-CoA _____________________________________________________________________ Glucosa+2H2O+10NAD++FAD+4ADP+4Pi 6CO2 + 10NADH +10H+ +2FADH2+ 4 ATP (x 3ATP) 4. Cadena respiratoria: (x 2ATP) 30 ATP + 4 ATP 34 ATP TOTAL: 38 ATP 6 ATP 2 ATP 38 ATP Balance energético global 2 NADH Glucosa 2 NADH Glucólisis 2 Ácido pirúvico 2 ATP 6 NADH 2 AcetilCoA Ciclo de Krebs x 3 ATP Cadena respiratoria 2 FADH2 x 2 ATP 2 ATP 38 ATP 34 ATP Catabolismo de los Lípidos Los lípidos se usan como sustancias de reservas. Principalmente los triacilgliceridos o grasas. Lipasa Triglicerido ▬▬▬▬▬▬▬► glicerina + 3 ácidos grasos R1 CO O R2 CO O R3 CO O CH2 R1 COOH + HO CH2 CH + 3 H2O R2 COOH + HO CH CH2 R3 COOH + HO CH2 Triacilglicerol Lipasa Ácidos grasos + Glicerina Β-Oxidación de los Ác. Grasos o Hélice de Lynen Los ácidos grasos saturados entran en la mitocondria al mismo tiempo que se unen a una molécula de coenzima A, el ácido graso quedará activado, formando un Acil-Co A, para ello se requiere la energía de un ATP que pasa a AMP. 1. Oxidación entre los carbonos α y β, proceso catalizado por una FAD. 2. Hidratación, con rotura del doble enlace del enol formado. 3. Oxidación del carbono β, por una NAD+. 4. Rotura del enlace entre los carbonos β y gamma por una nueva molécula de CoA. Se libera un acetil-CoA y queda un resto de ácido graso activado con dos átomos de carbono menos, que reinicia el “ciclo”. Transporte de los ácidos grasos Ácido graso R - CH2 - CH2 - COOH ATP HS Co A Citosol AMP Espacio intermembrana Acil-Co A (Ác, graso activado) Matriz mitocondrial R - CH2 - CH2 - CO-S CoA Esquema general de la - oxidación R - CH2 - CH2 - CO~S-CoA Acil-CoA FAD CH3-CO-S-Co A Acetil-CoA Tiólisis HS-Coa Acil -CoA con dos carbonos menos - cetoacil-CoA deshidrogenasa NADH + H+ NAD+ Oxidación FADH2 α R - CH = CH - CO~S-CoA Enoil-CoA - hidroxiacill-CoA α Oxidación β Tiolasa R - CO - CH2 - CO~S-CoA β Acil-CoA deshidrogenasa Enoil-CoA hidratasa OH | R - CH - CH2 - CO~S-CoA - hidroxiacil-CoA H2O Balance energético del catabolismo de un ácido graso Por ejemplo el Ácido Palmítico (16 C): + 8 HS-Co A Ác. Palmítico,16 C (H. Lynen ▬►8 Acetil-CoA + 7 NADH+7H+ + 7 FADH2 ▬►8HS-CoA+16CO2+ 24 NADH+24H++ 8 FADH2 + 8 ATP ______________________________________________________________________ 8AcetilCoA(C.deKrebs) Ác. palmítico, (16 C) ▬▬▬▬► 16 CO2+ 31 NADH+31H ++ 15 FADH2 + 8 ATP (x 3ATP) (x 2ATP) ↓ Cadena respiratoria: (Activación del ácido graso): 93 ATP ↓ + 30 ATP ▬► 131 ATP -2 ATP TOTAL:129 ATP Catabolismo de los Protidos Las proteínas no se usan como fuente de energía, pero los aminoácidos que sobran tras la síntesis de proteínas pasan a ser usados como combustible celular. Estos se separan en grupos amino (excretados con la orina) y cadenas carbonadas que se incorporan en diversos momentos del catabolismo y son degradadas hasta CO2 en la respiración mitocondrial. Las reacciones por las cuales se separan los grupos amino de los aminoácidos (AAc) son la Transaminación y la Desaminación, originando cetoácidos como el pirúvico e intermediarios del ciclo de Krebs. ▪ Transaminación: ▪ Desaminación: AAc1 + "-cetoácido2 ▬▬▬► "-cetoácido1+ AAc2 AAc ▬▬▬▬▬▬▬▬► "-cetoácido + NH3 Destino metabólico de los aminoácidos -cetoglutárico Aminoácido Transaminasa Intermediario metabólico Ácido glutámico asp Oxalacético asn Acetil CoA ile Isocítrico Ciclo de la urea tir Pirúvico fen tir NADH + H+ + NH3 Hígado ile fen Fumárico NAD+ Cítrico leu lis Málico Glutamato deshidrogen asa ala, tre gli, ser cis Succínico -cetoglutárico Succinil CoA ile met val arg, his pro, gln glu