El documento describe las principales etapas del catabolismo aeróbio: 1) La glucólisis convierte la glucosa en ácido pirúvico en el citosol; 2) En las mitocondrias, el ácido pirúvico se oxida a acetil-CoA para ingresar al ciclo de Krebs, el cual genera NADH, FADH2 y GTP; 3) La cadena respiratoria transporta electrones desde NADH y FADH2 a través de una serie de complejos, bombeando protones y generando un gradiente que la ATP sintasa

1. METABOLISMO II REACCIONES CATABÓLICAS

2. 1.- ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO AEROBIO

3. Concepto de catabolismo. El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo y su finalidad es la obtención de energía. Las moléculas orgánicas son transformadas en otras más sencillas que intervendrán en otras reacciones metabólicas hasta transformarse en los productos finales del catabolismo, que son expulsados de la célula. Son los llamados productos de excreción (CO2, NH3, urea, ácido úrico, etc.). La energía liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP y posteriormente podrá ser reutilizada. El catabolismo es semejante en los organismos autótrofos y en los heterótrofos.

4. 2.- GLUCÓLISIS La glucolisis o ruta de Embden-Meyerhof, ocurre en el citosol de la célula. No necesita oxígeno para su realización y se trata simplemente de una secuencia de más o menos nueve etapas. A lo largo de estas una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico. Se produce en todas las células vivas, desde procariotas hasta eucariotas animales y vegetales. Se necesita la energía de 2 moléculas de ATP para iniciar el proceso, pero una vez iniciado se producen 2 moléculas de NADH y 4 de ATP por lo que el balance final es de: 2 NADH y 2 ATP por molécula de glucosa: Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD + ==>2 Acido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 Agua CH 3 - CO - COOH

6. Las nueve fases son: 1.- Fosforilación de la glucosa: consume una molécula de ATP y es catalizada por la enzima hexoquinasa 2.- Isomerización de la glucosa 6-P para obtener fructosa 6-P. . Enzima: fosfoglucosa isomerasa

7. 3.- Fosforilación de fructosa 6-P con gasto de una molécula de ATP. Se forma la fructosa 1, 6 di-P Enzima: fosfofructoquinasa 4.- Ruptura de la fructosa en dos triosas que coexisten en equilibrio. Enzima: aldolasa

8. 5.- Oxidación y fosforilación : Se obtiene NADH. y el ácido 1, 3 difosfoglicérico . Enzima : Gliceraldehído 3-P deshidrogenasa 6.- Defosforilación del ácido 1, 3 difosfoglicérico. Se forma ATP. Da lugar al ácido 3-fosfoglicérico. Enzima: fosfoglicerato quinasa

9. 8.- Formación de un doble enlace por deshidratación , catalizado por la enzima enolasa da lugar al fosfoenolpirúvico 9.- Defosforilación del ácido obteniendose ácido pirúvico y ATP catalizado por la enzima piruvato quinasa 7.- Isomerización del ácido3- fosfoglicérico: Catalizado por la fosfoglicerato mutasa se obtiene el ácido 2- fosfoglicérico

10. En condiciones aerobias , las moléculas de NADH ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónica, que los llevará hasta el oxígeno, produciéndose agua y regenerándose NAD + que se reutilizará en la glucolisis. Así, en estas condiciones el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transformará en Acetil-CoenzimaA que ingresará en la respiración celular. En condiciones anaerobias , sin oxígeno, el NADH se oxida a NAD + mediante la reducción del ácido pirúvico. Así se produce energía de forma anaeróbica, denominándose fermentaciones y ocurren en el citosol. 3.- RESPIRACIÓN CELULAR Mediante la respiración celular , el ácido pirúvico formado en la glucólisis se oxida completamente a CO2 y agua en presencia de oxígeno. Se desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria , asociada a la fosforilación oxidativa.

11. En las células eucariotas el ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria en presencia de oxígeno. La membrana mitocondrial externa es permeable a la mayoría de las moléculas de pequeño tamaño, sin embargo la interna tiene una permeabilidad selectiva y controla el movimiento de iones hidrógeno. La cadena respiratoria acontece en las crestas mitocondriales, donde se encuentran las enzimas necesarias y específicas que permiten el acoplamiento energético y la transferencia de electrones. Para este proceso se necesita oxígeno en la célula. 3.1 .- ETAPA INICIAL: OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO Lo primero que ocurre tras la glucólisis es que el ácido pirúvico pasa desde el citoplasma a la matriz mitocondrial, atravesando las membranas. El ácido pirúvico sufre una oxidación, se libera una molécula de CO2 y se forma un grupo acilo (CH3-CO). En esta reacción se forma una molécula de NADH. Catalizado por la enzima piruvato-deshidrogenasa

12. Como en la glucólisis el producto final eran dos moléculas de ácido pirúvico, lógicamente se formarán ahora dos de NADH por cada molécula de glucosa. Cada grupo acilo se une a un Coenzima A y se forma acetilCoenzimaA . En este momento empieza el ciclo de Krebs

13. 3.2.- CICLO DE KREBS También denominado ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico . Este ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial y consiste en una secuencia de ocho reacciones consecutivas. En el conjunto de esas reacciones tienen lugar, básicamente, los siguientes acontecimientos:

14. 1.- Formación del ácido cítrico por reacción del ácido oxalacético con el acetil-CoA 2.- Isomerización del ácido cítrico en ácido isocítrico 3.- Oxidación del ácido isocítrico con pérdida de una molécula de CO 2 y obtención de una molécula de NADH . Se forma el ácido α - cetoglutárico 4.- Oxidación con liberación de CO2 y formación de NADH . Se forma el succinil-CoA

15. 5.- Se rompe el enlace con la coenzima liberándose energía en forma de GTP ( equivale a una de ATP) Se forma el ácido succínico 6.- Oxidación del ácido succínico a fumárico con obtención de FADH2 7.- Hidratación del ácido fumárico para formar ácido málico 8.- Oxidación del ácido málico para forma ácido oxalacético. Se forma NADH

16. El balance es: Se liberan 2 moléculas de CO2, que se puede considerar que proceden del grupo acetilo del acetil-CoA, con lo cual se consigue una oxidación completa la materia orgánica. El CO2 será, por tanto, el producto residual último de la respiración aerobia. - Los electrones más los protones (hidrógeno), que pierde el grupo acetilo al oxidarse, van a parar, en cuatro fases, a transportadores de electrones, formándose 3 moléculas de NADH + H+ y una molécula de FADH2. El poder reductor de estas moléculas será transferido luego a través de la cadena respiratoria mitocondrial. - En un paso del ciclo tiene lugar una fosforilación a nivel de sustrato que origina una molécula de GTP (equivalente desde el punto de vista energético a un ATP)

17. Al ciclo de Krebs van a incorporarse, además de las sustancias resultantes del catabolismo de los glucidos, otras que provienen del catabolismo de otras las sustancias orgánicas. Así, por ejemplo, los ácidos grasos se degradan en las mitocondrias transformandose en acetil-CoA. Este proceso se realiza en la matriz mitocondrial y recibe el nombre de ß-oxidación .

18. 3.3..- CADENA RESPIRATORIA Los electrones procedentes de la glucólisis, de la oxidación del ácido pirúvico y del ciclo de Krebs se encuentran en un nivel energético aún muy alto. En el transporte de electrones éstos son conducidos a través de una cadena con múltiples y sucesivos aceptores. Cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel ligeramente inferior al precedente. Los transportadores pueden existir en dos estados de oxidación próximos, pasando del uno al otro según acepten o desprendan electrones.

19. Cada par redox sólo puede recibir electrones de otro par que tenga potencial de reducción más negativo y solo puede cederlos al par que lo tenga menos negativo. El potencial mas negativo de la cadena respiratoria es el NAD+ con -0,32 voltios. En el otro extremo está el agua con +0,82 voltios.

20. En este último proceso el oxígeno es imprescindible, ya que es el aceptor último de los elctrones y protones que se utilizan para formar agua Cuando los electrones se mueven por la cadena transportadora salen a niveles energéticos inferiores y van liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP, a partir de ADP, en el proceso de fosforilación oxidativa .

21. Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 moléculas de ATP. Por cada dos electrones que pasan desde el FADH2 al oxígeno forman 2 de ATP. El mecanismo por el cual se produce ATP se explica por la teoría del acoplamiento quimiosmótico . La cadena respiratoria tiene lugar en las crestas y en la membrana mitocondrial interna. En dicha membrana existen tres complejos enzimáticos transportadores de electrones: El complejo NADH deshidrogenasa - El complejo citocromo b-c1 - El complejo citocromo oxidasa. Tanto el NADH como el FADH2 ceden los electrones "energéticos" a la cadena formada por esos tres transportadores y, a medida que pasan de un transportador a otro, los electrones van liberando energía. Esa energía (según la teoría quimiosmótica de Mitchell) permite el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso de la mitocondria.

22. De este modo se genera un gradiente electroquímico de protones, con una concentración de protones mayor en el espacio intermembrana que en la matriz. La fuerza protón-motriz generada, impulsa los protones a través de las ATP sintasas presentes en la membrana mitocondrial interna, permitiendo la unión del ADP a un grupo fosfato, con la consiguiente formación de ATP. Con fines prácticos,, se considera que una molécula de NADH permite la formación de 3 moléculas de ATP, mientras que una de FADH2 sólo aportará 2 ATP

23. Hemos visto que cada NADH que se origina en las mitocondrias rinde 3 ATP. Pero, en los eucariotas, el NADH que se origina en el hialoplasma, en la glucolisis, solo puede originar 2 ATP. Esto es debido a que este NADH no puede atravesar la membrana mitocondrial y debe ceder sus electrones a una sustancia intermediaria que a su vez los cede al FAD que hay en el interior de la mitocondria, lo que no sucede en los procariotas.

24. 4.-BALANCE DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA La célula viva es más eficaz que cualquier motor. Cerca del 40% de energía liberada de la combustión de la glucosa se emplea en convertir ADP en ATP. La glucólisis produce 2 moléculas de ATP y 2 de NADH. En la cadena transportadora de electrones cada molécula de NADH se convierten 3 de ATP (2 NADH x 3 = 6 ATP ). La conversión de acido pirúvico en AcetilCoA en la matriz mitocondrial da 2 de NADH por cada molécula de glucosa. (2 NADH x 3 ATP= 6 ATP ). En el ciclo de Krebs entran 2 moléculas de acetil-CoA y dan dos de GTP y 6 de NADH y 2 de FADH2: 2 GTP= 2 ATP 6 NADH X 3 ATP= 18 ATP 2 FADH X 2 ATP= 4 ATP Total de moléculas de ATP en ciclo de Krebs: 24 ATP . la suma de todas las moléculas de ATP, formadas en el mecanismo de oxidación completa de una molécula de glucosa, arroja un balance de 36 moléculas de ATP sintetizadas.

26. 5.-FERMENTACIONES Cuando el catabolismo se realiza en condiciones anaeróbicas, es decir cuando el último aceptor de hidrógenos o electrones no es el oxígeno , sino una molécula orgánica sencilla, las rutas de degradación de la glucosa se llaman fermentaciones . En un mismo organismo pluricelular pueden darse rutas aeróbicas o anaeróbicas, según las condiciones ambientales de la célula. Por ejemplo, la célula muscular puede funcionar con oxígeno hasta que éste llega con dificultad al tejido. Trabaja entonces en condiciones anaerobias produciendo ácido láctico. Son poco rentables desde el punto de vista energético, ya que la oxidación de la materia orgánica es incompleta y se forma mucho menos ATP que en la respiración celular aerobia. En general, únicamente 2 ATP por cada molécula de glucosa.

27. Dependiendo el producto final, se diferencian varios tipos de fermentaciones. Las más importantes son: - Fermentación alcohólica. En ella el piruvato se transforma en etanol y se desprende CO2. La realizan, sobre todo, levaduras del género Saccharomyces que tienen interés en la industria alimenticia por los productos residuales de su metabolismo: el CO2 para esponjar la masa en la fabricación del pan; y el etanol para producir diferentes bebidas alcohólicas (vino, sidra, cerveza...). - Las levaduras son organismos aerobios facultativos. -Efecto Pasteur: inhibición del proceso fermentativo en presencia del oxígeno molecular. Si hay oxígeno lo utilizan, y degradan el pirúvico hasta CO2 y agua.

28. Fermentación láctica. En ella el piruvato se transforma en lactato. La realizan diversas bacterias ( Lactobacillus. ..) que fermentan la leche, y se utilizan para obtener derivados lácteos. Por otro lado, también la pueden llevar a cabo las células musculares cuando no reciben suficiente oxígeno. Así, cuando se realiza un esfuerzo intenso y prolongado, los músculos obtienen un poco de energía extra sin necesidad de oxígeno, recurriendo a la fermentación; pero las consecuencias de este proceso serán, posteriormente, las agujetas.

29. 6.-OXIDACIÓN DE LOS ACIDOS GRASOS Los lípidos, y más concretamente las grasas o acilglicéridos, aportan aún más energía que los glúcidos (1 g de grasas aportan 9 kcal). En primer lugar, los acilglicéridos se descomponen en glicerol y en ácidos grasos. El glicerol puede seguir varios destinos metabólicos, pero en el catabólico se transforma en dihidroxiacetona-fosfato y se incorpora a la glucólisis, siguiendo las rutas posteriores ya conocidas. Al final, la respiración aerobia de una molécula de glicerol puede proporcionar hasta 22 ATP. Los ácidos grasos pasan al interior de las mitocondrias y, en la matriz mitocondrial, tiene lugar la ß-oxidación de los ác. grasos.

31. Antes de ser oxidados, los ácidos grasos se activan reaccionando con acetilCoA en la membrana externa de la mitocondria mediante la enzima acil-CoA sintetasa Para que los ácidos grasos activados pasen a través de la membrana de la mitocondria hasta la matriz mitocondrial interviene la carnitina . Ésta actúa como una lanzadera a través de la membrana interna por la acción de una translocasa. En la matriz mitocondrial, tiene lugar la ß-oxidación de los ác. grasos. En este proceso cada ác. graso se va oxidando, liberándo, paso a paso, "fragmentos" de dos carbonos hasta que termina por consumirse. En cada paso se forman una molécula de FADH2, una de NADH y un acetil-CoA. También al proceso se le denomina Hélice de Lynnen . El proceso se desarrolla en una secuencia repetitiva de cuatro reacciones

32. 1.- Oxidación del acil-CoA para formar un enoil-CoA. Se forma una molécula de FADH2 2.- Hidratación del doble enlace para formar β - hidroxiacil-CoA 3. Oxidación para formar un β -cetoacil-CoA con liberación de NADH 4.- Escisión o tiolisis que da lugar aun acetil-CoA y un acil-CoA con dos carbonos menos

33. El acetil-CoA se incorpora directamente al ciclo de Krebs, mientras que el resto acil-Coa de dos carbonos menos experimenta un nuevo ciclo de oxidación

34. 7-OXIDACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Las proteínas tienen fundamentalmente misiones biológicas distintas a las energéticas. Sin embargo, en caso de necesidad, los aminoácidos son oxidados y los derivados de las oxidaciones pueden entrar en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria. Existen tres mecanismos de oxidación de aminoácidos: transaminación , desminación oxidativa y descarboxilación . Los aminoácidos excedentes no pueden almacenarse y tampoco pueden excretarse. Por ello los aminoácidos excedentes se utilizan como combustible para obtener energía. El grupo amino se separa convirtiéndose en urea, mientras que el resultante de la cadena carbonatada da origen a intermediarios metabólicos, que se incorporan a las principales rutas metabólicas (CICLO DE Krebs)

35. tipos de aminoácidos según el destino del esqueleto carbonadO: A) CETOGÉNICOS Aquellos que originan compuestos orgánicos con grupo cetona( acetil-Coa o acetoacetil-Coa) B) GLUCOGÉNICOS Aquellos que producen intermediarios del ciclo de Krebs como el ácido pirúvico , ácido alfacetoglutárico, succinil-Coa, ácido fumárico y ácido oxalacético) C) MIXTOS Generan tanto compuestos cetogénicos como glucogénicos

36. AMINOÁCIDOS No se excretan No se almacenan Producción de energía α-amino Excreción Urea Esqueleto carbonado Intermediarios del ciclo de Krebs AA Mixtos AA Glucogénicos AA Cetogénicos