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CATABOLISMO. GLUCOLISIS, FERMENTACIÓN Y RESPIRACIÓN
I. La glucolisis
Es una ruta metabólica que se compone de 10 reacciones, catalizadas por otras
tantas enzimas, que transcurre en el citosol de la células, tanto procariotas como
eucariotas. Es la vía universal de degradación de la glucosa y tiene lugar tanto en
condiciones aerobias como anaerobias.
El resultado final de la glucolisis es la conversión de una molécula de glucosa
(6 carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico (3 carbonos). Dicha conversión
tiene lugar en dos fases:
 La primera es una fase de activación que consiste en una doble
fosforilación y posterior escisión de la molécula en dos moléculas de
gliceraldehido-3-fosfato (G3P). Esta fase consume energía en forma
de 2 ATP que transfieren sus grupos fosfato a la glucosa. Globalmente:
2 ATP
2 ADP
Glucosa
2 Gliceraldehido-3-P
En esta fase intervienen 2 enzimas alostéricos que son importantes puntos de
regulación: Hexoquinasa y Fosfofructoquinasa, que pueden ser inhibidas o
activadas por distintos metabolitos.
 La segunda es una etapa de oxidación de las dos moléculas de
gliceraldehido-3-fosfato. Cada una transfiere electrones a una molécula
de NAD+, que se reduce, y posteriormente sufre varias transformaciónes
en las que se libera energía transfiriéndose esta a dos moléculas de ADP
(que se transforman en ATP), hasta obtener 2 moléculas de ácido
pirúvico. Globalmente tenemos:
2 ADP + Pi
(2 )
2 ATP
Gliceraldehido-3-P
Ac. Pirúvico + H2O
NAD+
NADH + H+
Por lo tanto en esta etapa se recuperan los dos ATP invertidos en la primera y
se obtienen aún dos más (no olvidar que esta ruta transcurre por duplicado).
Además, el aceptor final de electrones es el NAD+, que se reduce, obteniéndose 2
moléculas de NADH.
Un enzima importante de esta fase es la Piruvatoquinasa, que es un enzima
alostérico y, por tanto un importante punto de regulación de la producción de
pirúvico.
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Metabolitos importantes de la glucolisis:
CH2O-P
O
OH
P-OCH2
OH
- CHOH – C
O
O
CH3 – C - COOH
H
OH
OH
Glucosa 6 P
Gliceraldehido 3- P
Ácido Pirúvico
Balance global de la glucolisis
……………………………………………………………………………………
II. La respiración celular.
El balance energético de la glucolisis es relativamente “pobre” si tenemos en
cuenta que solo se obtienen 2 ATP y 2 NADH (ninguno en el caso de que ocurra
fermentación) por cada molécula de glucosa procesada. Así, una célula que solo
realice este proceso necesita consumir grandes cantidades de glucosa para
obtener la energía necesaria para su anabolismo y la realización de sus funciones
vitales.
Con la aparición del oxígeno en la tierra primitiva gracias a los seres
fotosintéticos, algunos microorganismos desarrollaron la capacidad de
aprovecharlo para oxidar completamente el acido pirúvico resultante de la
glucolisis hasta transformarlo en CO2, que es el máximo estado de oxidación del
carbono.
Así, estos microorganismos denominados aerobios, mediante el proceso de la
respiración celular utilizan el O2 como aceptor final de electrones en la
oxidación consiguiendo con ello un rendimiento energético de hasta 38
moléculas de ATP por molécula de glucosa, es decir, 19 veces superior al de la
glucolisis. Además permite también la oxidación total de otros compuestos
orgánicos reducidos: los ácidos grasos y muchos aminoácidos son
catabolizados también por esta misma vía oxidativa, obteniéndose un
aprovechamiento máximo de la energía química contenida en ellos.
Algunos de estos microorganismos aerobios se transformaron posteriormente
en orgánulos de las actuales células procariotas, dando lugar a las mitocondrias.
Debido a ello, la respiración celular solo se realiza en el interior de estos
orgánulos, que son la principal fábrica de energía de la célula eucariota. Los
vegetales y muchos microorganismos actuales también realizan este proceso.
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Globalmente el proceso se puede representar del siguiente modo:
ATP
CHO + O2
CO2 + H2O
Molécula
orgánica
reducida
La respiración celular se puede dividir en tres fases que veremos a
continuación. Todas ellas tienen lugar en la matriz mitocondrial o en su
membrana interna.
A. Oxidación a Acetil-Coenzima A
El ácido Pirúvico procedente de la glucosa entra en la mitocondria y es
oxidado hasta ácido acético. Simultáneamente se une a una molécula de CoA, ya
que es necesario para que la oxidación pueda continuar. El aceptor de electrones
es el NAD+.
NAD+ NADH + H+
Ácetil-Coenzima A
Ác. Pirúvico
Coenzima A
O
CH3C
OH
Ácido acético
O
CH3C CoA
CO2
Esta reacción redox está catalizada por un enzima
mitocondrial denominado Piruvatodeshidrogenasa que es
un importante punto de regulación, ya que es un enzima
alostérico. En realidad se trata de un complejo
multienzimático que utiliza varios coenzimas más que son
derivados de vitaminas, como el pirofosfato de tiamina (la
tiamina es la vitamina B1).
Los ácidos grasos, mediante la β-oxidación, y algunos
aminoácidos también pueden ser oxidados hasta formar
AcetilCoA, de forma que en esta molécula convergen muchos compuestos
orgánicos reducidos que la célula puede utilizar como combustibles.
ÁcetilCoenzima A
B. Ciclo de Krebs
Es una ruta metabólica que consta de 9 reacciones catalizadas por los enzimas
correspondientes y solo se produce en presencia de oxígeno. También tiene lugar
en la matriz mitocondrial, y su objetivo es continuar la oxidación de los dos
carbonos del Acido acético (en forma de AcetilCoA) hasta CO2.
Los aceptores de electrones de la oxidación son el NAD+ y el FAD. Además se
obtiene adicionalmente energía en forma de GTP (transportador de energía
similar al ATP).
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La primera de las reacciones del ciclo de Krebs (también denominado ciclo del
acido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es la siguiente:
ÁcetilCoA
Coenzima A
Ácido Cítrico
Ácido Oxalacético
Las 8 reacciones restantes se pueden resumir globalmente del siguiente modo:
3 NAD+
3 NADH + H+ 2 CO2
Ácido Cítrico
Ácido Oxalacético
FAD
FADH2
GDP + Pi
GTP
Como vemos, el producto final de la ruta es el mismo
que el primer reactivo, es decir, el ácido oxalacético. Por
ello se dice que esta ruta es un ciclo, y el resultado neto es
la oxidación del ácido Acético inicial a 2 moléculas de CO2.
Todos los intermediarios metabólicos de ciclo de Krebs
están en la matriz mitocondrial en cierta concentración, y
algunos de ellos pueden salir al citoplasma y entrar
mediante proteínas transportadoras de la membrana
mitocondrial.
Todos ellos sirven de base para multitud de rutas
metabólicas del anabolismo, de forma que a partir de ellos
se sintetizan aminoácidos y otras muchas moléculas
necesarias para la célula. Es por ello que decimos que el
ciclo de Krebs es una ruta anfibólica, ya que forma parte
tanto del catabolismo como de anabolismo, y es el centro
del metabolismo en las células aerobias.
COOH
C=O
CH2
COOH
Ácido Oxalacético
COOH
CH2
HO-C- COOH
CH2
COOH
Ácido Cítrico
C. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa
Consiste en una secuencia de reacciones redox en las que los transportadores
de electrones (NADH y FADH2) que han sido reducidos en los procesos
anteriores, se oxidan transfiriendo sus electrones al Oxígeno (aceptor final) a
través de una serie de proteínas de la membrana interna de la mitocondria. De
este modo el oxígeno es reducido a H2O.
Durante la transferencia, los electrones pierden energía progresivamente, y
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esta energía liberada se transfiere a moléculas de ADP, que se transforma en
ATP, mediante un proceso denominado fosforilación oxidativa.
En los seres procariotas estos procesos tienen lugar en la membrana
plasmática.
1.
Cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria
La cadena respiratoria está formada por moléculas solubles en la membrana y
proteínas integrales.
Estas moléculas son de dos tipos:
 Tres grandes complejos formados por muchas proteínas que contienen
distintos grupos prostéticos: Flavinmononucleótido (FMN), complejos
hierro-Azufre, grupos Hemo (con un átomo de Fe en su céntro) o
atomos de cobre. A las proteínas que contienen grupos hemo se les
denomina Citocromos.
Cada complejo se designa con un número romano y un nombre propio
según el orden en que interviene en el proceso. Los tres complejos
principales son:
o Complejo I: NADH-Q reductasa
o Complejo III: Citocromo reductasa.
o Complejo IV: Citocromo oxidasa.
Existe otro complejo denominado complejo II (Succinato-Q
reductasa), que aunque participa en la cadena respiratoria, carece de
ciertas propiedades que los otros sí poseen. Además participa en el ciclo
de Krebs.
 Dos pequeñas moléculas con movilidad dentro de la membrana
mitocondrial:
o Coenzima Q o Ubiquinona, que es una pequeña molécula
lipososuble.
o Citocromo C, es el único citocromo independiente y que
presenta libre movilidad en la membrana, ya que el resto de
citocromos (como Cit b, c1, a y a3) forman parte de los complejos
anteriores.
Estado oxidado
Estado reducido
Q
QH2
FMN
FMNH2
Fe+++
Fe++
Cu++
Cu+
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La secuencia de reacciones de oxidación reducción se lleva a cabo del modo
siguiente:
H+
H+
H+
Espacio intermembrana
Complej
o
I
Complejo
e
-
-
eQ
e
-
III
Complejo
e
-
Cit C
e
-
e-
IV
Complejo
II
NADH + H
+
½ O2 + 2H+
NAD+
FADH2
FAD
Matriz mitocondrial
H2O
“Bombeo de H+” al espacio
Intermembrana
H+
Como se observa en la figura cada molécula de NADH, cede sus electrones
complejo I y sucesivamente van pasando al Conzima Q, al complejo III, al
citocromo C y al complejo IV. Finalmente este cede los electrones al Oxígeno,
que capta simultaneamente 2 H+ transformándose en agua.
Las moléculas de FADH2 ceden sus electrones al Complejo II, que a su vez se
los cede al Coenzima Q, siguiendo después la misma ruta que en el caso anterior.
En cada paso un grupo prostético se reduce para oxidarse posteriormente
al ceder sus e- al grupo prostético siguiente, formando así una cadena.
Potencial redox decreciente.
Los electrones pasan de un complejo a otro perdiendo progresivamente energía
potencial. Así el NADH es la molécula de mayor potencial redox, mientras que
el resto de moléculas tienen un potencial sucesivamente menor, siendo mínimo
en la molécula de agua.
Así pues, los electrones se pueden asimilar a piedras que fuesen cayendo a
saltos por una pendiente escalonada (cada escalón sería un componente de la
cadena), perdiendo sucesivamente su energía potencial.
En el caso de una piedra, la energía potencial se transforma en energía cinética
pero ¿Qué ocurre en el caso de los electrones? ¿Dónde va a parar esa energía?
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2.
Fosforilación oxidativa
a. Transporte de protones: Hipótesis quimiosmótica.
Cada vez que uno de los tres complejos de la cadena capta electrónes (se
reduce), también capta simultáneamente iones H+ de la matriz mitocondrial
para neutralizar su carga eléctrica.
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Cuando cede su electrón al complejo
siguiente, libera de nuevo estos iones
H+ pero por la cara opuesta de la
membrana interna, es decir hacia el
espacio intermembrana. Por tanto se
comporta como una bomba de
protones.
De este modo se va creando un
gradiente electroquímico de
entre el interior y el exterior de la mitocondria,
es decir, una diferencia de concentración y de carga elétrica. Esta es una forma de
acumular la energía libre que los electrones pierden a su paso por la cadena
respiratoria.
H+
b. Síntesis de ATP
Los
iones
H+
tienden
a
volver
espontáneamente a la matriz mitocondrial
impulsados por el campo eléctrico creado y la
diferencia de concentración, pero solo pueden
hacerlo atravesando los complejos ATPSintetasa, formados por un canal de protones
(F0) que atraviesa la membrana, y un complejo
enzimático que cataliza la síntesis de ATP a partir
de ADP y Pi (F1) y que está orientado hacia la
matriz. Cada mitocondria posee millares de estas
unidades.
Cada vez que 3 iones H+ atraviesan el complejo
regresando a la matriz mitocondrial, este
convierte una molécula de ADP y Pi en ATP. Así,
el ATP acumula la energía libre perdida por los
protones en su regreso.
Se ha calculado que por cada molécula de NADH que es oxidada en la cadena
respiratoria se generan 3 moléculas de ATP; mientras que por cada FADH2 que
es oxidado, se generan 2 ATP.
Por lo tanto se puede hacer la suma global de los ATP generados por cada
molécula de glucosa.
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III. Balance energético de la oxidación de la glucosa
1 molécula de Glucosa
2 ATP
2 NADH +2 H+  3 =
6 ATP
2 NADH +2 H+  3 =
6 ATP
2 moléculas Ac. Pirúvico
2 CO2
2 moléculas AcetilCoenzima A
6 NADH + 6H+  3 = 18 ATP
2 ATP = 2 GTP
DOS
VUELTAS
DEL CICLO
DE KREBS
2 FADH2
 2 = 4 ATP
4 CO2
SUMA
34 ATP
4 ATP
38 ATP
Podemos escribir el proceso de oxidación de la glucosa como:
C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi
6CO2 + 6 H2O + 38 ATP
En el tejido muscular este balance energético es de 36 ATP, debido a que los
2 NADH producidos en la glucolisis entran en la mitocondria por un mecanismo
especial denominado “Lanzadera del glicerolfosfato” en la cual se consume una
molécula de ATP por cada NADH introducido.
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CATABOLISMO DE ACIDOS GRASOS Y AMINOACIDOS
El intermediario común donde covergen las rutas catabólicas de glúcidos,
lípidos y algunos aminoácidos es el AcetilCoenzimaA. Otros aminoácidos se
convertirán en metabolitos de la glucolisis o intermediarios del ciclo de Krebs. A
este fenómeno por el cual multitud de compuestos diversos acaban convirtiéndose
en metabolitos de una ruta central se le denomina Convergencia metabólica.
I. Catabolismo de ácidos grasos
Los ácidos grasos, que son largas cadenas hidrocarbonadas, comienzan su
procesamiento en el citoplasma, donde se activan de forma similar al ácido
pirúvico, siendo transferidos al Coenzima A y formando Acil CoenzimaA.
Posteriormente el coenzima A cede el ácido graso a una molécula especial
presente en la membrana de la mitocondria llamada Carnitina. Esta transporta
los ácidos grasos al interior de la mitocondria y los cede de nuevo a otra molécula
de Coenzima A en la matriz mitocondrial.
Por último, el Acil CoA dentro de la mitocondria sufre un proceso llamado βOxidación en el cual el ácido graso se convierte en varias moléculas de Acetil
CoenzimaA. Como el grupo acetil contiene 2 atomos de carbono, si el ácido graso
tiene n átomos de carbono se formarán n/2 moléculas de Acetil CoA. No se
forman todas a la vez, sinó una por una de forma secuencial. Por ejemplo el ácido
Palmítico tiene 16 átomo de carbono, luego originará 8 moléculas de Acetil CoA
en una secuencia de 7 β-oxidaciones.
En cada vuelta de β-oxidación se produce además una molécula de NADH y
otra de FADH2.
II. Catabolismo de los aminoácidos
Los aminoácidos tienen la particularidad de poseer, ademas de C H y O,
átomos de Nitrógeno formando parte de los grupos amino. Por ello en su
catabolismo todos ceden estos grupos amino a otras moléculas como el αCetoglutarato, mediante unos enzimas específicos llamados transaminasas. Esta
reacción es característica de las células del hígado de los mamíferos.
Posteriormente se eliminarán los grupos amino transformándose en Urea que
será excretada por la orina (Mamíferos) o bien en ácido úrico o amoniaco en
otros vertebrados.
α-Cetoglutarato
Acido Glutámico
Aminoácido-NH2
Metabolito
Transminasa
-Reacción de transaminaciónEl resto de la molécula (esqueleto carbonado) acabará transformandose en
otros metabolitos: bién en Ácido Pirúvico, bien en Acetil Coenzima A o bien
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algún metabolito intermediario del ciclo de Krebs, dependiendo de que
aminoácido se trate.
Áminoácidos
Ácidos grasos
CoA
ATP
α-Cetoglutarato
Urea
NH4+
AMP + PPi
Acido Glutámico
Ác. Úrico
Ácil Coenzima A
Ácido Pirúvico
Coenzima A
Carnitina
NAD+
CoA
NADH + H+
Ácetil Coenzima A
β-Oxidación
Ácil Coenzima A
CoA
FADH2
FAD
Ciclo
de
Krebs
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