Tema 13 - Catabolismo by Emilio Martín

Tema 13 Catabolismo

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo

1.- Introducción

3.3.2.- Ciclo de Krebs

2.- Consideraciones previas

3.3.3.- Cadena de transporte electrónico

2.1.- Concepto de metabolismo 2.2.- Las reacciones del catabolismo 2.3.- Tipos de catabolismo 3.- Catabolismo de los glúcidos 3.1.- Glucogenolisis 3.2.- Glucólisis 3.3.- Respiración aerobia 3.3.1.- Obtención de acetil-CoA

3.4.- Fermentación 3.4.1.- Fermentación láctica 3.4.2.- Fermentación alcohólica 4.- Catabolismo de los lípidos 4.1.- Degradación de los ácidos grasos 5.- Catabolismo de las proteínas 6.- Catabolismo de los ácidos nucleicos

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 1.- Introducción El catabolismo engloba todas las rutas que se utilizan para degradar biomoléculas complejas en moléculas más simples (orgánicas o inorgánicas) y en el proceso se obtiene energía química almacenada en forma de ATP. A lo largo de este tema estudiaremos cómo se degradan las principales biomoléculas, centrándonos en la oxidación de glúcidos y lípidos puesto que son los que tienen un papel energético y son utilizados por la célula para obtener energía que se empleará posteriormente para realizar sus funciones vitales. La degradación de proteínas y ácidos nucleicos se realizará en casos excepcionales de ayuno, para eliminar excesos o para utilizar los monómeros resultantes en la producción de nuevas moléculas por lo que también son vías muy importantes. Como las rutas catabólicas son convergentes, todas las macromoléculas iniciales terminarán transformándose en los mismos productos haciendo que los pasos finales de la degradación sean comunes para todas ellas. Todos los organismos realizan el catabolismo con la misma finalidad pero existen diferencias en cómo llevarlo a cabo por lo que será crucial conocer las diferencias entre la fermentación y la respiración aerobia o anaerobia.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 2.- Consideraciones previas 2.1.- Concepto de catabolismo: Como se comentó en el tema anterior, el catabolismo es la parte degradativa del metabolismo en la que diferentes tipos de moléculas orgánicas complejas se degradan para producir moléculas más sencillas y en este proceso se obtiene energía que se almacena en forma de ATP para ser utilizada posteriormente en todos aquellos procesos que la necesiten como el anabolismo o el mantenimiento celular. Como las rutas catabólicas son convergentes, los compuestos orgánicos que se utilizan como punto de partida serán degradados en primer lugar hasta unas pocas moléculas simples comunes a todas las rutas y posteriormente serán oxidadas hasta los denominados productos de excreción como el CO 2, el NH3 o la urea. Este esquema general hace que el catabolismo sea semejante en organismos autótrofos y heterótrofos y tendrán en común la mayoría de las rutas principales. AB

A + B + Energía

La finalidad del catabolismo es la obtención de energía.

Pese a ser rutas convergentes, estos procesos entrañan una gran complejidad ya que (1) se desarrollan en compartimentos celulares distintos y sus productos deben transportarse de unos lugares a otros y (2) las necesidades de la célula cambian constantemente y se necesita la capacidad de iniciar o detener un proceso específico. Esto se consigue gracias a las enzimas que permiten y coordinan todas las reacciones químicas que se dan en la célula por lo que serán las responsables directas (junto con sus coenzimas) de ejecutar el metabolismo de los seres vivos.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo La diversidad de biomoléculas hace que la primera etapa del catabolismo sea específica para glúcidos, lípidos y proteínas hasta degradar cada uno de ellos a sus monómeros. En la segunda fase los monómeros de cada biomolécula son degradados hasta converger todos ellos en unas pocas moléculas donde destaca el acetilCoA. A lo largo de las dos primeras fases se obtiene energía en forma de ATP y coenzimas reducidos: el NADH y FADH2. En la etapa final el acetil-CoA es degradado totalmente hasta CO2 y los coenzimas se oxidan y forman otras moléculas como el H2O. En ambos procesos se obtiene más energía.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 2.2.- Las reacciones del catabolismo: Las moléculas que son degradadas en el catabolismo lo hacen mediante reacciones de oxidación y más concretamente mediante reacciones de oxidorreducción o reacciones redox. En estas reacciones se necesitan dos sustancias, una que se oxida y otra que se reduce puesto que el electrón (e -) que pierde la primera es captado por la segunda: –

Agente reductor: Molécula que cede electrones. Se oxida.

–

Agente oxidante: Molécula que acepta electrones. Se reduce.

Estas reacciones de oxidación pueden ser de dos tipos: 1) Deshidrogenación: La molécula orgánica pierde átomos de hidrógeno. Como el hidrógeno tiene un protón y un electrón, al perder un hidrógeno se oxida. R-CH2-CH2-R´ + A

R-CH=CH-R´ + AH2

2) Oxigenación: La molécula orgánica se oxida al ganar átomos de oxígeno. En organismos aerobios la materia orgánica y el oxígeno reaccionan para dar CO 2 y H2O, la reacción es la misma que una combustión pero sin llama. R-CH2-CH2-R´ + AO

R-CHOH-CH2-R´ + A

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Este tipo de reacciones así como la energía que se desprende de ellas nos recuerda otro de los puntos clave del metabolismo: los coenzimas: 1) Coenzimas transportadores de electrones (NAD +, NADP+ y FAD): Si el catabolismo se realiza por reacciones de oxidación y, tal y como hemos dicho, se hace por reacciones redox: el catabolismo lo constituyen reacciones en las que los sustratos se oxidan y las coenzimas se reducen.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 2) Coenzimas transportadores de energía (ATP, GTP,…): Las reacciones químicas son en realidad transformaciones de energía almacenada en los enlaces químicos. En las reacciones redox normalmente los H+ y los e- van separados porque en la célula existen 2.- Transporte de e- por una serie de transportadores electrónicos en un orden parte de los citocromos (los citocromos) que, colocados específico, van cediéndose e- a la vez que van disminuyendo su nivel energético y en estas transferencias se libera energía que será utilizada para fosforilar el ADP y formar ATP (objetivo del catabolismo).

1.- Liberación de e- por parte del NAD o FAD

Cuanto mayor sea la diferencia de potencial entre el estado inicial y final mayor será la energía desprendida. Si se producen reacciones de oxigenación tendrá que haber una molécula donadora de átomos de oxígeno. 3.- En este caso la molécula aceptora final es un O2

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 2.3.- Tipos de catabolismo: Hay dos en función del aceptor final de e -, es decir, según la naturaleza de la sustancia que se reduce al final del proceso: –

Respiración: El aceptor final es una molécula inorgánica, puede ser: ●

●

–

Respiración aerobia: El aceptor final de e- es una molécula de O2 por lo que las moléculas orgánicas degradadas se oxidan totalmente hasta CO 2 y H2O. Esta oxidación total es la que mayor energía libera y por esta razón es tan frecuente en los seres vivos. Respiración anaerobia: El aceptor final de e- es un compuesto inorgánico diferente al O2 como el NO3- o el SO42-. Este tipo de respiración solo lo realizan un tipo específico de bacterias.

Fermentación: Aquí el aceptor final de e- es un compuesto orgánico por lo que la oxidación del sustrato original no es completa y se obtiene mucha menos energía. Aquí no se necesita la presencia del O 2 siendo un proceso anaerobio.

R. aerobia Respiración R. anaerobia

Catabolismo Fermentación

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Por último hay que mencionar que estudiaremos el catabolismo según el sustrato metabolizado ya que aunque las diferentes rutas tienen conexiones entre ellas, son muy distintas, sobre todo en los primeros pasos debido a la disparidad de los sustratos. Por esta razón es necesario diferenciar el catabolismo de los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Comprender bien cada uno de los procesos que se verán a continuación significa conocer los siguientes aspectos: - Lugar de la célula donde se produce. - Fórmula general de la ruta con las moléculas iniciales y finales. - Coenzimas formados: Es importante saber cuántos ATP, NADH y FADH2 intervienen en la ruta para saber el balance energético. - Saber calcular el balance energético que obtendrá la célula a partir de los intermediarios más importantes.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.- Catabolismo de los glúcidos En los seres vivos hay una gran variedad de glúcidos, los cuales provienen de: –

Glúcidos procedentes de la alimentación en los organismos heterótrofos.

–

Reservas de glucógeno en animales y de almidón en vegetales.

–

Glúcidos sintetizados por las células para desempeñar determinadas funciones.

Todos ellos los podemos encontrar en forma de polisacáridos o monosacáridos por lo que la primera fase del catabolismo de los glúcidos será la degradación de los polisacáridos hasta sus unidades básicas, los monosacáridos. El monosacárido más abundante es la glucosa y su degradación será el segundo paso a realizar: 1) Glucogenolisis: Degradación del glucógeno para producir glucosas. 2) Glucólisis: Degradación de la glucosa para formar piruvato. A partir de aquí, el piruvato podrá seguir dos caminos que veremos después.

Polisacárido

Glucosa

Glucogenolisis

Piruvato Glucólisis

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.1.- Glucogenolisis: Ocurre en el citosol de las células y consiste en la rotura progresiva del glucógeno y del almidón en las glucosas que lo constituyen. Esto se hace con una serie de enzimas específicas que romperán los diferentes enlaces hasta formar las moléculas adecuadas: –

Primero actúan la fosforilasa del glucógeno (en animales) o del almidón (en vegetales) rompiendo los enlaces α(14), en esta reacción se libera una glucosa-1-fosfato a partir de los extremos del glucógeno o almidón. Como estos polisacáridos poseen ramificaciones con enlaces α(16), las fosforilasas no pueden romperlos y por ello se detienen a cuatro restos de la ramificación.

–

La enzima desramificante se encargará de romper los enlaces α(16) dejando el glucógeno o el almidón sin ramificaciones y permitiendo la acción de las fosforilasas hasta completar la rotura de toda la cadena.

–

Las glucosas-1-fosfato no pueden entrar en la siguiente fase, para poder hacerlo la enzima fosfoglucomutasa cambia la posición del grupo fosfato para formar la glucosa-6-fosfato que sí podrá incorporarse, como intermediario, a la glucólisis.

–

El resto de azúcares también se transformarán en glucosa o en intermediarios de la glucólisis para ser degradados.

Tal y como veremos después, si la glucólisis empieza a partir de glucosa o a partir de glucosa-6-fosfato tendremos un rendimiento diferente así que es importante el hecho de empezar a partir de una o de otra.

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Para estudiar todos los procesos que ocurren a partir de ahora es necesario hacer un esquema para no confundir ni la terminología ni el tipo de catabolismo que se produce: –

Glucólisis: Degradación de la glucosa a ácido pirúvico. Este paso no necesita O 2 y se produce en todos los organismos independientemente de si son aerobios o anaerobios. A partir de aquí el ácido pirúvico puede degradarse de dos formas:

1) Respiración: Degradación del ácido pirúvico a CO 2 y H2O. Si se utiliza O2 será la respiración aerobia. Para conseguir esto primero hay que transformar el ácido pirúvico a acetil-CoA y después se producen el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. En total, cuatro pasos. 2) Fermentación: Degradación incompleta del ácido pirúvico a otro compuesto orgánico. En este paso no se utiliza en O2. Es importante hacer esta aclaración porque al estudiar estos procesos se ve primero la glucólisis junto con la respiración y posteriormente la fermentación y esto puede provocar la confusión de separar erróneamente todos los procesos. La glucólisis se produce siempre, siendo un proceso común en el catabolismo de la glucosa y después, a partir del ácido pirúvico, o se realiza la respiración o la fermentación.

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Gluc贸lisis y respiraci贸n celular

Gluc贸lisis y fermentaci贸n

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.2.- Glucólisis: También se llama ruta de Embden-Meyerhoff y en ella, mediante diez reacciones anaerobias sucesivas, se transforma una molécula de glucosa (6C) en dos moléculas de ácido pirúvico (3C). Al final de esta ruta, como balance energético, se obtienen 2 ATP y 2 NADH. Todo el proceso ocurre en el citoplasma de la célula y cada una de las reacciones está regulada por una enzima específica. Ninguna reacción requiere O 2 y por ello la usan tanto organismos aerobios como anaerobios haciendo que esta ruta sea prácticamente universal en los seres vivos. A parte de las enzimas que intervienen, también se necesitan grupos fosfato, ADP y NAD+. Las diez reacciones se dividen en dos etapas muy marcadas: 1) Fase preparatoria o de gasto energético: Transforma la glucosa (6C) en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (3C). En esta fase se necesita energía para realizar dos fosforilaciones por lo que se consumen 2 ATP (uno por cada fosforilación). 2) Fase de beneficio energético: Las dos moléculas de G-3P se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico (3C). Aquí hay desfosforilaciones que desprenderán energía formando 4 ATP (fosforilación a nivel de sustrato) y oxidaciones que liberan H+, captados por 2 NAD+ para formar 2 NADH + 2 H+. Como en la fase anterior se consumían 2 ATP, el balance general de la glucólisis es de 2ATP y 2 NADH.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Hay que resaltar varios aspectos del proceso: - Al final de la fase de gasto energético, en la rotura de la molécula de 6C, no se forman dos G3P, se origina un G-3P y una dihidroxiacetona fosfato. Como el G-3P es la única molécula que puede continuar el ciclo, la molécula de dihidroxiacetona se isomeriza a G-3P como puede verse en el paso 5. - Como al final de esta primera fase se obtienen dos G-3P, la fase de beneficio energético ocurre dos veces. Por cada G-3P se forman 2 ATP y 1 NADH + H+. - En la glucogenolisis se veía que a partir del glucógeno se obtenían glucosas-6P. Cuando entran en la glucólisis lo hacen a partir de la segunda reacción y esto supone no consumir el primer ATP por lo que el balance total de la glucólisis, en estos casos, es de 3 ATP y 2 NADH + H+.

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Fase de gasto energĂŠtico

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Fase de beneficio energ茅tico1

Las etapas de esta fase se dan por duplicado por la formaci贸n de 2 G-3P en la fase anterior.

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ENERGÍA CONSUMIDA

ENERGÍA PRODUCIDA

BALANCE PARCIAL : - 2 ATP

BALANCE PARCIAL : 4 ATP + 2 NADH

BALANCE TOTAL : 2 ATP y 2 NADH

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Si nos fijamos en las reacciones, todas ellas ocurren en ambos sentidos ya que la misma enzima, dependiendo de las condiciones de la célula, puede realizar el proceso en una dirección u otra. Si ocurre en sentido inverso se produce la gluconeogénesis, obteniendo una glucosa por cada dos ácidos pirúvicos. Esto ocurre en todas las reacciones excepto en tres (pasos 1, 3 y 10) que son puntos catalizados por enzimas diferentes y por los cuales la célula regula la dirección del proceso; controlando la presencia de una enzima u otra la ruta irá en una u otra dirección.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Al final del proceso, el balance total de la glucólisis son la obtención de dos moléculas de ácido pirúvico, dos NADH + H+ y dos ATP (se forman cuatro pero como en los primeros pasos se consumen dos, el balance final son dos) y la fórmula general es:  Glucosa + 2 ATP  2 Gliceraldehído-3P + 2 ADP + 2 Pi  2 Gliceraldehído-3P + 4 ADP + 4 Pi + 2 NAD+  2 Ácidos pirúvicos + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+  2 Ácidos pirúvicos + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ NAD+

NADH

Gliceraldehído-3P 3C

Ácido pirúvico 3C 2 ADP

Glucosa 6C 2 ATP

2 ADP

 Fase preparatoria  Fase de gasto energético

NAD+

2 ATP

NADH

Gliceraldehído-3P 3C

Ácido pirúvico 3C 2 ADP

2 ATP

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.3.- Respiración aerobia: Al terminar la glucólisis tenemos 2 moléculas de ácido pirúvico en el citosol. Los organismos aerobios utilizarán la respiración aerobia para oxidar totalmente estas dos moléculas hasta CO2 + H2O. Para conseguir esto se necesitan tres pasos sucesivos: 1) Transformación del ácido pirúvico en acetil-CoA. 2) Ciclo de Krebs donde se realiza la oxidación del acetil-CoA. 3) Transporte de electrones en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. Los dos primeros pasos se realizan en el citoplasma de los organismos procariotas y en la matriz mitocondrial en las células eucariotas por lo que éstas, previamente a estos tres pasos, necesitarán transportar el ácido pirúvico a la mitocondria. El tercer paso se realiza en los mesosomas de procariotas y en la membrana interna de la mitocondria de eucariotas. Cada ruta posee múltiples reacciones que serán catalizadas por enzimas específicas. El ciclo de Krebs y el transporte electrónico por la cadena respiratoria también se realizan en la oxidación de los ácidos grasos, de los esqueletos carbonados de los aminoácidos y de la pentosa de los nucleótidos así que estas rutas son comunes en el catabolismo de las biomoléculas (rutas convergentes) y cada uno se incorporará en un punto del ciclo (como ácido pirúvico, acetil-CoA, ácido oxalacético, etc.). La incorporación en unos lugares u otros de las rutas condicionará el rendimiento total de cada molécula.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.3.1.- Obtención de acetil-CoA: Lo primero que hay que hacer, en el caso de las células eucariotas, es pasar el ácido pirúvico a la mitocondria 1. La membrana mitocondrial externa es muy permeable gracias a la presencia de las porinas, proteínas que actúan como poros a través de los cuales las moléculas pueden difundir, por lo que el piruvato se introduce pasivamente por medio de ellas. La membrana mitocondrial interna es muy impermeable y se necesita una proteína transportadora específica, en el caso del ácido pirúvico es la piruvato translocasa que mediante un mecanismo simporte introduce a la matriz mitocondrial un ácido pirúvico y un H+. A partir de ahora todos los procesos ocurren en la mitocondria.

También se necesita introducir el NADH + H+ a la mitocondria, este paso lo veremos al final de la respiración para estudiar mejor las consecuencias que tiene en el balance energético total. 1

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Cuando el ácido pirúvico (3C) está en la matriz mitocondrial se transforma en acetilCoA (2C) en una compleja sucesión de reacciones en la que sufre una descarboxilación y una oxidación en forma de dos deshidrogenaciones, los H + desprendidos los capta un NAD+ que pasa a NADH + H+. De estas reacciones se encarga el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa y realiza una descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. Como la glucólisis produce dos ácidos pirúvicos se producirán dos descarboxilaciones oxidativas y se formarán 2 NADH + 2 H + y 2 acetil-CoA que entrarán en la siguiente fase: el ciclo de Krebs. Es necesario recordar que el acetil-CoA se forma a partir del coenzima A por lo que es una molécula vital en el catabolismo.

2 Ácidos pirúvicos + 2 HSCoA + 2 NAD+  2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.3.2.- Ciclo de Krebs: También se conoce como ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos y en esta etapa, que ocurre en la matriz mitocondrial de eucariotas y en el citoplasma de procariotas, se consigue oxidar totalmente el acetil-CoA a CO 2 obteniendo también energía en el proceso. Es una ruta cíclica en la que el acetil-CoA se une al ácido oxalacético (4C) para formar el ácido cítrico (6C), liberándose el coenzima A, y mediante siete reacciones sucesivas se vuelve a formar ácido oxalacético. A lo largo del ciclo se producen dos descarboxilaciones oxidativas en las que se liberan dos CO2, diferentes oxidaciones que liberan e- y producen 3 NADH + 3H+ y FADH2 y una fosforilación a nivel de sustrato que forma GTP (se transforma después en ATP). Como a partir de la glucosa inicial se han formado dos acetil-CoA se realizan dos ciclos de Krebs y el rendimiento hay que multiplicarlo por dos. La oxidación de la glucosa es completa porque al pasar los 2 ácidos pirúvicos a 2 acetil-CoA se desprenden 2 CO2 y en los dos ciclos de Krebs se obtienen 4 CO 2, en total son 6C que corresponden a los 6C de la glucosa. El rendimiento hasta ahora parece muy reducido, en total 4 ATP, pero en todas las etapas se han obtenido e- de alta energía que están en los NADH y FADH 2 que pasarán ahora a la última fase, la cadena de transporte electrónico, para cedérselos al O 2 y obtener más energía en forma de ATP.

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El rendimiento de esta etapa es el siguiente: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi  HSCoA + 3 NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2

Como a partir de la glucosa se forman 2 acetil-CoA se realizan dos ciclos de Krebs y por ello el balance final es: 2 Acetil-CoA+ 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi  2 HSCoA+ 6 NADH + 6H+ + 2 FADH2 + 2 GTP + 4 CO2

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Ahora que ya se ha degradado totalmente la glucosa podemos hacer un resumen del balance de todas las etapas1 para ver los productos obtenidos2:  Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+  2 Ácidos pirúvicos + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+  2 Ácidos pirúvicos + 2 HSCoA + 2 NAD+  2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2  2 Acetil-CoA+ 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi  2 HSCoA+ 6 NADH + 6H+ + 2 FADH2 + 2 GTP + 4 CO2 Glucosa + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi  10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP + 6 CO2

Pero la reacción es diferente a la reacción global que expresa la oxidación de la glucosa: C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi  6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Hasta ahora se ha utilizado la glucosa y se ha desprendido el CO 2 pero todavía no se ha utilizado el O2 ni se ha obtenido tanta energía. Esto ocurre en la siguiente fase.  De este punto se deduce un concepto muy importante para comprender todos los procesos que estamos viendo: El O2 no es el responsable de la obtención de CO 2; el O2 se incorpora para cederle los e- acumulados en los coenzimas NADH y FADH 2 y formar H2O mientras que el CO2 se desprende por la oxidación de la glucosa. Donde  corresponde a la glucólisis,  a la obtención de acetil-CoA y  al ciclo de Krebs. 2 Los GTP se ponen como ATP en el balance total. 1

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.3.3.- Cadena de transporte electrónico: En este último paso es donde se genera la mayor parte de la energía y ocurre en los mesosomas de procariotas o en la membrana mitocondrial interna de eucariotas, en concreto en toda una serie de complejos multienzimáticos que se encargarán de realizar dos procesos: 1) Transporte electrónico: Oxidación de los coenzimas formados y transporte de sus e- por diferentes moléculas orgánicas mediante una serie de reacciones de oxidorreducción para cederlos finalmente al O 2 y producir H2O. 2) Fosforilación oxidativa: Los H+ desprendidos en la oxidación se utilizan para producir ATP mediante el complejo ATP sintetasa. De esta forma se recuperan las formas oxidadas de los coenzimas (NAD + y FAD) para que vuelvan a la glucólisis o al ciclo de Krebs y todo el proceso pueda seguir funcionando.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Transporte electrónico: En la membrana interna de la mitocondria hay toda una serie de complejos multienzimáticos que se encargarán de oxidar al NADH + H + y al FADH2 formados en las etapas anteriores, es la denominada cadena respiratoria. En la oxidación los complejos (1) aceptan los e- de los coenzimas y los van transportando mediante reacciones redox hasta el O2 (aceptor final) para formar H2O, y (2) la energía liberada en el transporte electrónico se utiliza para bombear H + desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembrana. Esto es posible porque los transportadores no se localizan al azar, están ordenados de menor a mayor potencial redox (su potencial de reducción es cada vez mayor) de manera que los e- van pasando de los buenos dadores hasta los buenos aceptores en reacciones muy exergónicas que desprenden, en cada cesión, una gran cantidad de energía química. Vamos a ver todos los complejos de la cadena respiratoria:

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Complejo I: NADH deshidrogenasa: Complejo transmembrana responsable de la oxidación del NADH + H+ a NAD+ y al mismo tiempo bombea 4H+ al espacio intermembrana. Al ser un complejo transmembrana su movilidad es reducida y por esta razón los e- captados los cede a la ubiquinona (Q) que es una transportador liposoluble que puede moverse hasta el complejo, aceptar los e - para transformarse en ubiquinol (QH 2) y desplazarse hasta el complejo III para continuar el transporte electrónico.  Complejo II: Succinato deshidrogenasa: Se encarga de oxidar el FADH2 pero en el proceso no se bombea ningún H+ al espacio intermembrana. Este complejo no es transmembrana, está anclado a ella por la cara de la matriz mitocondrial y los e - captados también los cede a ubiquinonas que una vez aceptados se moverán hasta el complejo III para cedérselos. Este complejo cataliza la reacción del ciclo de Krebs que produce FADH 2 y queda unido a él, después se dirige a la membrana, lo oxida y se desprende como FAD.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Complejo III: Complejo citocromo b-c1: Es el encargado de recoger los e- que le transfiere el ubiquinol que ahora pasará a ubiquinona y podrá volver a los complejos I o II, por lo que al complejo III llegan los e - de los dos coenzimas. Este complejo es una bomba de H+ y transfiere cuatro al espacio intermembrana. Al ser transmembrana cede los e - al citocromo c, que es un transportador hidrosoluble que no está anclado a la membrana y por ello puede desplazarse por el espacio intermembrana hasta llegar al último complejo.  Complejo IV: Citocromo c oxidasa: Este complejo acepta los e- del citocromo c y los cede al último aceptor, el O2, para formar H2O. Al mismo tiempo bombea 2 H+ al espacio intermembrana, terminando el transporte de e- de la cadena respiratoria. En este punto ya podemos decir que, a partir de la oxidación total de la glucosa se obtiene CO2 + H2O, lo único que nos falta es obtener más energía en forma de ATP.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Los e- van viajando mediante reacciones redox de unos complejos a otros hacia potenciales de reducción cada vez más altos hasta el O2. Como los edel NADH tienen más energía acumulada que los del FADH2 tienen un recorrido más largo que permitirá obtener más energía a partir de ellos.

Transporte de los e- del NADH Transporte de los e- del FADH2

Esto establece dos posibles rutas, una que empieza desde el NADH hasta el agua y otra que empieza desde el FADH2 hasta el agua, ambas rutas generan el mismo producto final, lo que cambia son los H+ bombeados al espacio intermembrana, lo cual repercute en los ATP formados en la siguiente etapa, la fosforilación oxidativa.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo - A partir del NADH los epasan por todos los complejos de la cadena respiratoria que bombean H+ (complejos I, III y IV) de forma que al llegar al final se han bombeado 10 H+. - A partir del FADH2 los eempiezan a circular desde la ubiquinona por lo que al llegar al final solo han pasado por los complejos III y IV, bombeando 6 H+.

4 H+

4 H+ 2 H+ Transporte de los e- del NADH Transporte de los e- del FADH2

La cadena respiratoria es la responsable de la formaci贸n de H2O a partir de O2, de bombear H+ al espacio intermembrana y de reciclar los coenzimas a su estado oxidado (NAD+ y FAD) para que vuelvan a participar en todas las etapas anteriores.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Fosforilación oxidativa: Este modelo de obtención de energía en forma de ATP se explica por la denominada hipótesis quimiosmótica propuesta por Peter Mitchel en 1961: El bombeo de H+ en la cadena respiratoria hace que se genere un gradiente electroquímico entre el espacio intermembrana (cargado positivamente y con mayor concentración de H+) y la matriz mitocondrial (cargada negativamente y con menor concentración de H+), provocando que los H+ tiendan a entrar de nuevo a la matriz a favor de gradiente. Como la membrana interna de la mitocondria es muy impermeable solo podrán hacerlo a través de canales. El canal que se encarga de introducir los H + de nuevo a la matriz es la ATP sintetasa, un complejo multienzimático anclado a la membrana interna (junto con la cadena respiratoria) que utiliza la energía liberada por el bombeo de H + a favor de gradiente para formar ATP:

biologiabachiller.wikispaces.com 3

Tema 13.- Catabolismo La ATP sintetasa actúa como un motor celular. Posee una subunidad llamada F0 que ancla el complejo a la membrana interna de la mitocondria y funciona como una bomba que impulsa H+ a favor de gradiente desde el espacio intermembrana hasta la matriz mitocondrial. Este flujo de H+ hace que F0 rote sobre sí mismo y con él la segunda subunidad. La segunda subunidad, denominada F1, sobresale hacia la matriz mitocondrial y con el giro que sufre es capaz de aceptar un ADP y un P i para formar ATP.

H+

Espacio intermembrana

Matriz mitocondrial

Para generar un ATP se necesitan bombear 3 H +, lo que hace que la producción energética de la fosforilación oxidativa sea1: - Al oxidar un NADH en la cadena respiratoria se bombean 10 H+ por lo que se forman 3 ATP/NADH. ADP +

ATP

- Al oxidar un FADH2 en la cadena respiratoria se bombean 6 H+ por lo que se forman 2 ATP/FADH2.

H+

Actualmente está en discusión tanto los H+ bombeados como el rendimiento que se obtiene a partir de ellos, por esta razón algunos esquemas cambian algunos datos. 1

biologiabachiller.wikispaces.com El modelo Glucosa

Tema 13.- Catabolismo

ﾃ…ido general de todo lo que hemos visto es el siguiente: Acetil-CoA pirﾃｺvico

Ciclo de Krebs

ATP

ADP

H+ NAD + NADH Matriz mitocondrial

FAD

FAH2

H+

H2O

2 H H++ + 1/2 O2

II 2e-

2e-

CoQ

Espacio Sistema I intermembrana

Sistema III H

Cit c H

Sistema IV H+

H+ H+

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Ahora que ya sabemos el rendimiento que se obtiene de los coenzimas podemos sacar el balance energético total procedente de la degradación de la glucosa mediante la glucólisis y la respiración aerobia:  Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+  2 Ácidos pirúvicos + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+  2 Ácidos pirúvicos + 2 HSCoA + 2 NAD+  2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2  2 Acetil-CoA+ 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi  2 HSCoA+ 6 NADH + 6H+ + 2 FADH2 + 2 GTP + 4 CO2 Glucosa + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi  10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP + 6 CO2

 - En la cadena respiratoria se introduce el O 2 y se produce H2O: 6 O2 + 12 H+  6 H2O - En la fosforilación oxidativa se forman 3 ATP por cada NADH + H + y 2 ATP por cada FADH2: 10 NADH + 10 H+  30 ATP 2 FADH2  4 ATP La fórmula general de la glucosa ahora está completa: C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi  6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Por cada molécula de glucosa se obtienen 38 ATP Donde  corresponde a la glucólisis,  a la obtención de acetil-CoA,  al ciclo de Krebs y  a la cadena de transporte electrónico. 1

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo A este balance energético total hay que añadirle un dato que reduce su rendimiento:  En organismos eucariotas, al finalizar la glucólisis, se transporta el ácido pirúvico a la mitocondria pero también hay que introducir el NADH + H + para obtener ATP. El problema de hacer esto es que supondría, a la larga, que el citosol se quedara sin coenzima lo que conduciría a la paralización de la glucólisis. Además, la membrana interna de la mitocondria es muy impermeable y solo se puede atravesar mediante transportadores. Para solucionar este problema la célula introduce los e - y no el coenzima NADH mediante la denominada lanzadera glicerol-3-fosfato que a través una serie de intermediarios transfiere los e- a un FAD que pasará a FADH2 (de esta forma el NADH pasa a NAD+ y se queda en el citosol para volver a la glucólisis). La consecuencia de este hecho es que los 2 NADH + 2H + producidos en la glucólisis se convierten, en eucariotas, en dos con FADH2 por lo que su rendimiento final serán 4 ATP en lugar de 6 ATP como ocurre en procariotas. Por este motivo el rendimiento total en cada caso es: - Eucariotas: 36 ATP - Procariotas: 38 ATP

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Balance de la degradación de la glucosa mediante glucólisis y respiración aerobia en eucariotas Coenzimas reducidas y ATP Proceso

Glucólisis (citosol)

Respiración aerobia

Descarboxilación del ác. pirúvico Ciclo de Krebs

Balace total

Sustancia inicial

Sustancia final

- Glucosa

- 2 Ácidos pirúvicos

Citosol - 2 ATP - 2 NADH

Matriz mitocondrial

Transporte electrónico

ATP totales 6 ATP

- 2 FADH2

- 4 ATP

- 2 Acetil-CoA - 2 CO2

- 2 NADH

- 6 ATP

6 ATP

- 2 Acetil-CoA

- 4 CO2

- 2 GTP - 6 NADH - 2 FADH2

- 18 ATP - 4 ATP

24 ATP

- Glucosa - 6 O2

- 6 CO2 - 6 H2O

36 ATP

De esta manera, a la hora de definir cuál es el rendimiento que se obtiene a partir de una glucosa hay que contextualizar bien el resultado: No

¿Se utiliza O2? Sí

Fermentación Respiración aerobia

¿Dónde se produce?

Citosol

Célula procariota y se obtienen:

38 ATP

Célula eucariota. Los 2 NADH de la glucólisis pasan a la mitocondria como 2 FADH2 y se obtienen: 36 ATP Mitocondria

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Como cada molécula de ATP almacena 7 Kcal/mol, la variación de la energía libre con el máximo rendimiento de la glucosa es: ΔG = 38 x 7 = - 266 Kcal/mol Reacción exergónica Pero en realidad, la variación de la energía libre de la oxidación completa de la glucosa es ΔG = - 686 Kcal/mol por lo que la energía capturada en los ATP es aproximadamente el 40% del total. Esto es porque en cada reacción redox la energía liberada en la oxidación es un poco mayor que la aceptada en la reducción y el resto se pierde en forma de calor. De hecho, los coenzimas pueden ceder sus e- directamente al O2 en un único paso pero si se hiciera así se perdería toda la energía acumulada en forma de calor, lo que supondría no obtener energía química y aumentar la temperatura de la célula hasta condiciones no compatibles con su metabolismo.

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.4.- Fermentación: Son procesos catabólicos en los que no interviene la cadena respiratoria y la realizan (1) los microorganismos anaerobios estrictos que solo crecen en ausencia de O2, (2) los microorganismos anaerobios facultativos que pueden utilizar la fermentación o la cadena respiratoria según crezcan en ausencia o presencia de O 2 y (3) muchos organismos superiores cuando necesitan energía y no hay O 2 suficiente para producirla como la fermentación que tiene lugar en los músculos de animales. Al no utilizarse la cadena respiratoria no se produce ni la respiración aerobia ni la anaerobia por lo que la oxidación de la molécula inicial no será completa (no se produce CO2 + H2O) y el aceptor final de e- es una molécula orgánica que varía según el tipo de fermentación. Al no ser una oxidación completa la energía obtenida será mucho menor que en la respiración. Aquí no interviene la mitocondria y no hay síntesis de ATP por parte de las ATP sintetasas, solo por fosforilaciones a nivel de sustrato, de manera que todos los procesos que se realizan ocurren en el citoplasma tanto en células procariotas como eucariotas. Pese a la variedad de organismos que pueden realizarla, destacan las bacterias y levaduras que tienen aplicaciones industriales como las utilizadas en la fabricación de pan, yogur, vino o cerveza.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Hay que tener en cuenta que aunque el sustrato inicial más utilizado es la glucosa no siempre es así, se pueden utilizar otras sustancias orgánicas como pentosas, ácidos grasos o aminoácidos. En el caso de los aminoácidos de produce la llamada fermentación pútrida o putrefacción y las moléculas orgánicas resultantes son la causa del mal olor que produce la materia orgánica en descomposición. Si la fermentación utiliza la glucosa, tal y como vimos al principio del catabolismo de los glúcidos, lo primero que ocurre es la glucólisis (es un proceso anaerobio) y después, en la fermentación propiamente dicha, se utilizan los dos ácidos pirúvicos para transformarlos en los productos finales que serán los aceptores finales de e -. Clasificaremos a las fermentaciones según este producto final. La primera función de las fermentaciones es la obtención de energía en ausencia de O 2 pero hay otra finalidad que se persigue en este proceso y es la de reciclar el NADH + H + formado en la glucólisis. Al igual que veíamos en la respiración, la cantidad de este coenzima en el citoplasma es limitada y se necesita oxidar para que vuelva a estar en su forma NAD+ y así volver a la glucólisis, si no es así se detendría el proceso. Por esta razón, el balance energético de la fermentación son solo 2 ATP, los originados en la glucólisis, y la cesión de e- a una molécula orgánica no se realiza para obtener más energía, se hace para reciclar el NADH + H+ a NAD+. Vamos a estudiar las dos más importantes, la fermentación láctica y alcohólica.

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.4.1.- Fermentación láctica: Después de la glucólisis se utilizan las dos moléculas de ácido pirúvico como aceptores finales de e - y se forman dos ácidos lácticos (3C) que serán los productos finales de la fermentación junto a los 2 ATP originados en la glucólisis. La reacción está catalizada por la enzima lactato deshidrogena y mediante una reacción redox reduce el piruvato a lactato y oxida el NADH + H + a NAD+ para que vuelva a ser utilizado en la glucólisis. Glucosa (6C) + 2 ADP + 2 Pi  2 Ácidos lácticos (3C) + 2 ATP

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Esta fermentación la realizan las bacterias del género Lactobacillus (como L. casei o L. bulgaricus) y Lactococcus (como L. lactis) partiendo de la lactosa de la leche. Primero se hidroliza la lactosa a glucosa y galactosa, que mediante una isomerización se transforma en glucosa. Después, las dos glucosas, se someten a la fermentación. La fermentación láctica se utiliza en la obtención de queso o yogur ya que los azúcares de la leche se convierten en ácido láctico y el descenso de pH que se produce hace que precipite la caseína de la leche, formándose el cuajo (sólido), el cual se separará del suero (líquido) para fabricar el queso.

Lactobacillus casei

Lactobacillus bulgaricus

Lactococcus lactis

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo También se produce esta fermentación en el músculo esquelético cuando el aporte de oxígeno es insuficiente. En estas condiciones no funciona la cadena respiratoria y tampoco se recicla el NADH del citoplasma lo que daría lugar a la paralización de la glucólisis y a la incapacidad de obtener energía en forma de ATP. Realizando la fermentación se recicla el NADH y la glucólisis puede funcionar, obteniendo un poco de energía (2 ATP frente a los 36 que se forman con la respiración aerobia). La consecuencia de este proceso es que el ácido láctico cristaliza y se adhiere a las fibras musculares, dando lugar a los dolores conocidos como agujetas. Estos dolores desaparecen cuando los cristales son transportados al hígado y son degradados. En la actualidad las agujetas se asocian más a microrroturas de fibras musculares que a los cristales de ácido láctico pero en cualquier caso, beber agua con azúcar después del ejercicio no mitigará los dolores.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 3.4.2.- Fermentación alcohólica: Después de la glucólisis los dos ácidos pirúvicos sufren una descarboxilación (en esta fermentación se desprende CO 2) que da lugar a dos moléculas de acetaldehído (2C), las cuales serán los últimos aceptores de e - ya que ahora se reducirán hasta dos moléculas de etanol (2C) al mismo tiempo que oxidan el NADH + H+ a NAD+, regenerándolo para que pueda volver a entrar en la glucólisis. El balance final serán los 2 ATP formados en la glucólisis. Glucosa (6C) + 2 ADP + 2 Pi  2 Etanol (2C) + 2 ATP + 2 CO2

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Esta fermentación se realiza gracias a dos enzimas que poseen las levaduras del género Saccharomyces que son anaerobias facultativas, de manera que empezarán la degradación de la glucosa mediante respiración aerobia pero cuando se agota el O 2 empiezan este tipo de fermentación, mucho menos energético pero que les permitirá seguir realizando la glucólisis y con ella obtener un poco de energía. Dependiendo del sustrato inicial y del tipo de bacteria se obtendrán unos productos u otros, la mayoría de ellos importantes en la indústria como el vino a partir de la uva, el whisky o la cerveza a partir de cereales o la sidra a partir de la manzana. El pan también se produce con esta fermentación pero en el proceso de cocción tanto el etanol como el CO 2 desaparecen. La levadura más utilizada es S. cerevisiae pero hay muchas más que son las responsables de la gran variedad de vinos y cervezas.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Diferencias entre respiración y fermentación Respiración

Fermentación

Aerobia

Anaerobia

¿Necesita oxígeno?

Sí

Sustrato que pueden oxidar

Cualquier biomolécula

Prefenetemente glúcidos y prótidos

Aceptor final de e-

Moléculas inorgánicas que no sean O2 como el NO3- o SO42-

Moléculas orgánicas como el ácido pirúvico o el acetaldehído

Producto generado por la transferencia de e-

H2O

Depende del aceptor final como NO2-, N2 o H2S

Moléculas orgánicas como el ácido láctico o el etanol

Producto generado por los carbonos del sustrato

CO2

Es la misma molécula a la que se le transfieren los e- como el ácido láctico o el etanol (junto en el etanol también se desprende CO2)

¿Se obtiene ATP al oxidar el NADH + H+?

Sí

No, solo hay fosforilación a nivel de sustrato

Energía obtenida a partir de la glucosa

Hasta 38 ATP

2 ATP

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 4.- Catabolismo de los lípidos Los lípidos son un conjunto de moléculas muy heterogéneo y por ello su catabolismo es muy complejo así que veremos únicamente la degradación de los acilglicéridos que son los que tienen un papel energético en las células. Las grasas en general y los ácidos grasos en particular son muy importantes en la obtención de energía, de hecho, pueden almacenarla casi ilimitadamente haciendo que su contenido energético (9,4 kcal/g) sea superior al de los glúcidos (4,2 kcal/g) y al de las proteínas (4,1 kcal/g). Sin embargo, los glúcidos son los combustibles principales porque la movilización de las reservas de lípidos es muy lenta. Cuando los triacilglicéridos se movilizan para ser degradados lo primero que ocurre es su hidrólisis en el citosol mediante lipasas específicas que rompen los enlaces tipo éster y liberan los tres ácidos grasos de la glicerina: R1

CH2

Triacilglicerol

Lipasa + 3 H2O

COOH + HO

CH2

COOH + HO

CH2

Ácidos grasos + Glicerina

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Lehninger: Principios de bioquímica (5ª edición). David. L. Nelson, Omega, 2007

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Tanto la glicerina como los ácidos grasos serán catabolizados pero cada uno seguirá una ruta diferente: - Glicerina: Se fosforila y se oxida hasta transformarla en gliceraldehído-3P y a partir de aquí continuará la glucólisis (su degradación converge con el catabolismo de los glúcidos). En estos dos pasos se consume 1 ATP y se obtiene un NADH + H +, como se incorpora a mitad de la glucólisis, al final de la misma se obtendrá ácido pirúvico + 1 ATP + 2 NADH + 2 H+. Además, los 2 NADH + 2 H+ se producen en el citosol así que tendrán que ser transportados a la mitocondria en las células eucariotas 1. - Ácidos grasos: Pese al rendimiento energético de la glicerina, son los ácidos grasos los que aportan el 95% de la energía acumulada en los triacilglicéridos. Para su degradación se necesita primero transportarlos a la mitocondria y una vez allí serán catabolizandos por medio de un proceso denominado β-oxidación o hélice de Lynen en la que se irán degradando para formar moléculas de acetil-CoA (2C).

Glicerina

Glucólisis

Ácidos grasos

β-oxidación

Triacilglicérido

¿Qué rendimiento energético, en forma de ATP, obtiene una célula eucariota de una molécula de glicerina tras una oxidación total en la respiración aerobia? ¿y una célula procariota? 1

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 4.1.- Degradación de los ácidos grasos: Como se catalizan en la matriz mitocondrial, el primer paso será introducirlos en ella pero la membrana interna es muy impermeable y se necesita un transportador específico. Primero, en la membrana mitocondrial externa, se produce la denominada activación de los ácidos grasos en la que el ácido graso se une a una molécula de coenzima A para formar un acil-CoA; este paso lo cataliza la enzima acil-CoA sintetasa y consume en el proceso 2 ATP (consume los dos fosfatos de un ATP): R-COOH + HSCoA + ATP  R-CO-SCoA + AMP + PPi + H2O Después, el acil-CoA pasa a través del transportador para la carnitina en dos pasos: 1) Una enzima que está en la membrana mitocondrial externa elimina el coenzima A al mismo tiempo que añade una carnitina que está en el espacio intermembrana (se forma una acilcarnitina), quedando libre el coenzima A para que pueda seguir activando a más ácidos grasos. 2) La acilcarnitina pasa a través de la membrana mitocondrial interna a través de una proteína transportadora y cuando está en la matriz mitocondrial una enzima separa la carnitina al mismo tiempo que le añade al ácido graso un coenzima A de la matriz por lo que ahora ya tenemos al acil-CoA en la matriz mitocondrial para empezar la β-oxidación. La carnitina volverá al espacio intermembrana, a través de la misma proteína transportadora, para repetir el ciclo.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo

- Activaci贸n del 谩cido graso

- Transporte del acil-CoA a la matriz mitocondrial

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Ahora que el acil-CoA está en la matriz mitocondrial se produce la β-oxidación. Este proceso consta de cuatro reacciones y al final de las mismas se obtiene el acil-CoA con 2C menos y un acetil-CoA (2C) que entrará en el ciclo de Krebs. Este ciclo se repetirá hasta descomponer totalmente el acil-CoA en moléculas de acetil-CoA por lo que el rendimiento energético será mayor cuanto más larga sea la cadena de C del ácido graso; como normalmente los ácidos grasos tienen un número par de C, el número de moléculas de acetil-CoA resultantes será igual a la mitad de C del acil-CoA inicial. A lo largo de estas cuatro reacciones también se desprenden un FADH 2 y un NADH + H+ que se dirigirán a la cadena respiratoria para obtener ATP por lo que para calcular el rendimiento energético de un ácido graso hay que saber el número de C que posee su cadena para contar el número de β-oxidaciones que se realizan y por lo tanto el número de NADH + H+ y FADH2 formados así como el número de acetil-CoA que entrarán en el ciclo de Krebs. La ecuación de una β-oxidación es la siguiente: Acil-CoA (16C) + NAD+ + FAD  Acil-CoA (14C) + Acetil-CoA (2C) + NADH + H+ + FADH2

Comenzará un nuevo ciclo de β-oxidación hasta degradarse totalmente Entrará en el ciclo de Krebs donde se degradará hasta CO2

Entran a la cadena respiratoria donde se oxidarán y se formará ATP

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo β

R - CH2 - CH2 - CO~S-CoA Acil-CoA

Acil -CoA con dos carbonos menos

Acetil-CoA Tiólisis

HS-Coa

FAD Oxidación

Acil-CoA deshidrogenasa

FADH2

Tiolasa

R - CO - CH2 - CO~S-CoA  - cetoacil-CoA

R - CH = CH - CO~S-CoA Enoil-CoA

 - hidroxiacill-CoA deshidrogenasa

NADH + H+ Oxidación

Enoil-CoA hidratasa

NAD+

R - CH - CH2 - CO~S-CoA  - hidroxiacil-CoA

H2O

Hidratación

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biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo Vamos a ver un ejemplo para ver cómo calcular el balance energético de un ácido graso en la respiración aerobia. Elegimos el ácido palmítico que posee 16C:  Activación del ácido graso, en este paso se pierden 2 ATP: CH3-[CH2]14-COOH (16C) + HSCoA + ATP  CH3-[CH2]14-CO-CoA (16C) + AMP + PPi + H2O

 Como posee 16C serán necesarias 7 β-oxidaciones: CH3-[CH2]14-CO-CoA (16C) + 7 NAD+ + 7 FAD  8 Acetil-CoA (2C) + 7 NADH + 7 H+ + 7 FADH2

 Mientras que los 7 NADH + 7 H+ y los 7 FADH2 van a la cadena respiratoria, los 8 acetil-CoA se degradan en el ciclo de Krebs: 8Acetil-CoA + 24NAD+ + 8FAD + 8GDP + 8Pi  8HSCoA + 24NADH + 24H+ + 8FADH2 + 8GTP + 16CO2 Moléculas iniciales

Moléculas finales

Coenzimas reducidas y ATP

Cadena respiratoria



- C16H32O2

- Acil-CoA (16C)

- (-2 ATP)



- Acil-CoA (16)

- 8 Acetil-CoA

- 7 NADH - 7 FADH2

- 21 ATP - 14 ATP

- 8 Acetil-CoA

- 8 HSCoA - 16 CO2

- 8 GTP - 24 NADH - 8 FADH2

- 72 ATP - 16 ATP

- C16H32O2 - 23 O2

- 16 CO2 - 16 H2O

 Balance total

ATP totales - 2 ATP 35 ATP 96 ATP

129 ATP

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8 Acetil-CoA

7 NADH + 7 H+ + 7 FADH2

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¿Qué balance energético se obtiene al degradar el ácido esteárico (18C)?

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 5.- Catabolismo de las proteínas Las proteínas normalmente no son usadas para obtener energía pero pueden ser degradadas en determinadas condiciones que son: 1) Durante la renovación de proteínas celulares. 2) Por una dieta excedente en aminoácidos ya que no se pueden almacenar. 3) En periodos de ayuno prolongado ya que si no hay disponibilidad de glúcidos o lípidos se utilizan las proteínas para obtener energía. El primer paso es la degradación de las proteínas a sus unidades básicas, los aminoácidos. Este proceso se realiza gracias a endo- y exo-proteasas (también se llaman peptidasas) que rompen los enlaces peptídicos utilizando una molécula de agua (son hidrolasas). Es lo que ocurre durante la digestión en donde el estómago y el páncreas secretan peptidasas que degradan las proteínas y los aminoácidos resultantes se absorben a lo largo del intestino. Existen 20 aminoácidos diferentes, todos ellos poseen un grupo amino (NH 2) pero cada uno varía en su esqueleto carbonatado como consecuencia de los diferentes radicales que pueden contener. Por esta constitución, para su degradación son necesarios tres pasos: (1) eliminación del grupo amino o desaminación, (2) degradación del esqueleto carbonatado resultante en el ciclo de Krebs y (3) eliminación del nitrógeno.

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Lehninger: Principios de bioquímica (5ª edición). David. L. Nelson, Omega, 2007

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Desaminación: Es el primer paso en la degradación de aminoácidos y se puede realizar mediante dos reacciones químicas: 1) Transaminación: Reacción en la que se traspasa el grupo amino desde un aminoácido a un α-cetoácido que es un esqueleto de carbono que al recibir el grupo amino se transformará en un nuevo aminoácido. Es decir, se degrada un aminoácido para producir otro. Las enzimas que catalizan esta reacción se llaman transaminasas y se encuentran tanto en el citosol como en la matriz mitocondrial. Mediante este proceso se recicla el grupo amino, factor muy importante ya que solo algunas bacterias son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico y por ello su utilización está muy controlada.

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 2) Desaminación oxidativa: En esta reacción se libera el grupo amino en forma de NH4+ y se origina un α-cetoácido. La desaminación está catalizada por deshidrogenasas que están presentes tanto en el citosol como en la matriz mitocondrial y en el proceso producen un NADH + H +.

 Degradación de los esqueletos carbonados: Los 20 aminoácidos formarán 20 αcetoácidos distintos, cada uno con una ruta de degradación diferente pero todas ellas convergen en unas pocas moléculas que son el ácido pirúvico, el acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs por lo que serán degradados totalmente hasta CO 2 + H2O o se emplean para la síntesis de glucosa o ácidos grasos.

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¿Qué balance energético se obtendrá a partir de la arginina? ¿y a partir de la alanina?

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo  Eliminación del nitrógeno: El grupo amino desprendido de cada aminoácido es muy tóxico en el interior celular y por ello se recicla para formar nuevos aminoácidos u otras moléculas como los nucleótidos y el sobrante se elima. En función del organismo, condicionado por su adaptación a medios terrestres o no, el nitrógeno amínico se excreta de una forma u otra: –

Amoniotélicos: Eliminan directamente el amoniaco y es propio de animales acuáticos ya que al ser tan tóxico se necesita abundante agua para diluirlo y excretarlo. Pertenecen a este grupo la mayoría de los peces.

–

Ureotélicos: El amoniaco se transforma en urea mediante el denominado ciclo de la urea que ocurre en el hígado. La urea resulta menos tóxica y por ello se necesita menos agua en su excreción y se ha ido adoptando en la evolución durante la colonización al medio terrestre. La poseen tiburones y rayas, anfibios y mamíferos.

–

Uricotélicos: Eliminan el nitrógeno en forma de ácido úrico el cual es muy insoluble en agua y por ello la excreción resultante es semisólida, evitando un gasto excesivo de agua. Es propia de reptiles y aves.

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Proteínas de la dieta

Proteínas corporales

Aminoácidos

 Desaminación por transaminación o desaminación oxidativa NH3

Esqueleto carbonado





Excreción al medio Amoniaco

Urea

Ácido úrico

Oxidación en el ciclo de Krebs

Procesos de síntesis

CO2 + H2O

Otros compuestos orgánicos

biologiabachiller.wikispaces.com Tema 13.- Catabolismo 6.- Catabolismo de los ácidos nucleicos Al igual que ocurría con las proteínas, los ácidos nucleicos no se utilizan normalmente para obtener energía. Su degradación empieza con la hidrólisis de las macromoléculas a sus monómeros: los nucleótidos. Este paso lo realizan enzimas denominadas nucleasas y los nucleótidos resultantes serán reciclados para formar nuevos ácidos nucleicos, pero si están en exceso serán degradados y cada una de sus partes entrará en unas rutas u otras: –

Pentosa (ribosa o desoxirribosa): Entrará en la ruta catabólica de los glúcidos.

–

Ácido fosfórico: Puede reutilizarse o excretarse como tal en la orina.

–

Bases nitrogenadas: Se reciclarán para formar nuevos nucleótidos o se excretan, en este caso, al contener nitrógenos, seguirán rutas de degradación complejas que terminarán transformándolos en amoniaco, urea o ácido úrico (en humanos, las bases púricas se degradan a ácido úrico).

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