CATABOLISMO

1. Principales vías catabólicas.

El catabolismo constituye un grupo de reacciones metabólicas representadas de forma semejante en células eucariotas y procariotas. Algunas de ellas debieron ser las primeras que consiguieron realizar los primitivos organismos en el comienzo de la vida sobre la Tierra.

Los alimentos contienen una mezcla de nutrientes (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.), todos ellos con más o menos energía en sus enlaces. Para extraer los nutrientes de los alimentos, los animales someten a estos últimos a una digestión para liberar los nutrientes sencillos: monosacáridos, glicerina, ácidos grasos y aminoácidos, que pueden atravesar la pared intestinal y llegar, vía sanguínea, a todas las células del cuerpo donde cada nutriente seguirá una vía catabólica:

- Los glúcidos (monosacáridos), por la vía glucolítica originan dos moléculas de ácido pirúvico que se transforman en acetil-CoA, para degradarse en el ciclo de Krebs hasta convertirse en CO2 y H2O.

- Las grasas (tiriglicéridos) se escinden en glicerina y ácidos grasos. La glicerina ingresa en la glucólisis y los ácidos grasos pasan a la mitocondria y, mediante la β-oxidación, son fragmentados en moléculas de acetil-CoA que se degrada en el ciclo de Krebs.

- Los aminoácidos de las proteínas son desaminados (en forma de amoniaco, NH3), y el esqueleto carbonado residual se convierte en acetil-CoA o en un intermediario de la glucólisis o del ciclo de Krebs.

- Los electrones liberados en el ciclo de Krebs son transportados hasta el oxígeno para transformarse en agua, por cadena transportadores de electrones que constituyen la cadena respiratoria. El transporte de electrones libera energía que se aprovecha para la síntesis de ATP en la llamada fosforilación oxidativa.

2. Catabolismo de los glúcidos.

Se pueden considerar dos modalidades de catabolismo:

· Vía aerobia. La respiración es un tipo de catabolismo total, en el que la materia orgánica se descompone hasta moléculas inorgánicas muy simples, el CO2 y H2O, utilizando como receptor final de electrones y protones el O2. Realizan estas reacciones todas las células eucariotas y muchas procariotas.

· Vía anaerobia. Las fermentaciones son un tipo de catabolismo parcial en el que el receptor de los hidrógenos es una molécula orgánica y los productos finales del proceso son también sustancias orgánicas que no llegan a descomponerse totalmente, por lo que liberan poca energía.

Según el tipo de catabolismo que realizan, las células pueden clasificarse en aerobias (necesitan el oxígeno para su metabolismo), anaerobias facultativas (pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno porque cuentan con ambas vías metabólicas alternativas según su disponibilidad) y anaerobias estrictas (no soportan la presencia de oxígeno, hasta el extremo de resultarles tóxico).

3. Glucolisis.

Consiste en la degradación de una molécula de glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico. Primero la glucosa deberá activarse, consumiendo para ello 2ATP, para formar fructosa 1,6 diP (FDP); a continuación, la FDP se escinde en dos triosas fosfato (gliceraldehído-3P -GA3P- y dihidroxiacetona-P -DHAP-) que sufrirán varias reacciones consecutivas para obtener, finalmente, dos moléculas de ácido pirúvico, 4ATP y 2NADH+2H+:

La ecuación global de la glucolisis es la siguiente:

Glucosa 2 pirúvico + 2 NADH+H+ + 2 ATP

4. Destino del ácido pirúvico (piruvato).

El piruvato puede seguir dos vías, dependiendo de si las condiciones son aerobias o anaerobias:

5. Fermentaciones.

Las fermentaciones permiten la producción de ATP en ausencia de oxígeno. Para muchos organismos anaerobios, la glucolisis es la fuente principal de ATP de la célula, aún siendo procesos poco rentables desde el punto de vista energético, ya que por cada molécula de glucosa que fermenta, se obtienen 2ATP; también para las células musculares, cuando los niveles de oxígeno son insuficientes para degradar el ácido pirúvico en las mitocondrias.

Los dos ejemplos más característicos son la fermentación alcohólica de la glucosa y la fermentación láctica:

· Fermentación alcohólica. La producen ciertos microorganismos como las levaduras, que transforman la glucosa en etanol en ausencia de oxígeno. Son de gran interés económico: las especies del género Saccharomyces se utilizan para la fabricación del pan, el vino, etc.

· Fermentación láctica. Se produce en los músculos esqueléticos cuando trabajan a un ritmo mayor que el acostumbrado por lo que el aporte de oxígeno por la sangre es insuficiente, produciéndose la degradación de la glucosa en anaerobiosis hasta formar ácido láctico. Este, precipita formando cristales de lactato que, al parecer, podría originar las “agujetas”. Además, se utilizan en la intustria alimentaria el Streptococcus thermophillus y bacterias del género Lactobacillus para la fermentación de la leche y su transformación en yogur. También producen la fermentación láctica las bacterias que se encuentran habitualmente en la vagina de hembras de mamíferos. El ácido láctico formado mantiene un pH ácido que impide que se produzcan infecciones por microorganismos patógenos.

6. El ciclo de Krebs.

Esta vía metabólica fue descubierta por el bioquímico británico de origen alemán Adolf Krebs en 1937, por el que obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en el año 1953.

Este proceso tiene lugar en la matriz mitocondrial.
La secuencia de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs comienza con la unión del acetil-CoA a otra molécula, el ácido oxalacético, preexistente también en la matriz. Como resultado, se forma un ácido orgánico de seis átomos de carbono, el ácido cítrico, con lo que el CoA vuelve a quedar libre. A continuación, sigue una serie de reacciones que vuelven a dar el ácido oxalacético cerrando el ciclo.

La finalidad del ciclo es que el compuesto entrante de dos carbonos (acetilCoA) se degrade totalmente: libera sus carbonos en forma de CO2, y sus hidrógenos son recogidos por las coenzimas.

Un primer grupo de reacciones incluye una descarboxilación oxidativa, con liberación de CO2 y de hidrógenos, aceptados por el NAD+ que pasa a NADH+H+. El ácido de cinco carbonos resultante sufre otra reacción de descarboxilación oxidativa, liberando otro CO2 y NADH+H+. El ácido de cuatro carbonos que resulta, incorpora Pi del medio y a continuación lo cede al GDP, con lo que se forma GTP por fosforilación a nivel de sustrato. Éste puede también transformarse en ATP. Después, se produce una oxidación por la que el coenzima FAD pasa a FADH2. Sigue una incorporación de agua y, finalmente, otra oxidación por la que el NAD+ recoge hidrógenos y pasa a NADH+H+, para obtener oxalacético.

El balance que lleva obtenido la célula a partir de la molécula de glucosa inicial podemos resumirlo en la siguiente ecuación global, teniendo en cuenta que la vía descrita sigue siendo doble a partir de las triosas:

Glucosa → 6 CO2 + (2+8) NADH+H+ + 2 FADH2 + 2 ATP + 2 GTP

El ciclo de Krebs tampoco consume oxígeno, pero sólo funciona si hay disponibilidad de éste, ya que de esa forma las coenzimas ceden los hidrógenos y se regeneran para seguir realizando oxidaciones en el ciclo.

7. El transporte de electrones y formación de ATP.

7.1. La cadena respiratoria.

La cadena respiratoria es un conjunto de moléculas que se encuentran en la membrana interna de la mitocondria y permiten, mediante una serie de reacciones de oxidorreducción, transportar los electrones desde las coenzimas reducidas, generadas en la glucolisis, el ciclo de Krebs y otros procesos metabólicos, hasta el oxígeno.

Debemos tener en cuenta que los NADH+H+ generados en el citoplasma (glucolisis) no pueden atravesar la membrana interna mitocondrial. Por tanto, para poder hacer llegar los protones y los electrones a la cadena respiratoria, deben aprovechar los sistemas lanzadera:

Los principales componentes de la cadena respiratoria son proteínas, como los citocromos, que se agrupan en complejos moleculares:

1. Complejo I o complejo NADH deshidrogenasa. Este complejo enzimático acepta electrones del NADH, al que oxida hasta NAD+, y los transfiere al coenzima-Q (Co-Q), el siguiente componente de la cadena.

2. Complejo II, coenzima Q o ubiquinona. Acepta electrones del complejo NADH deshidrogenasa y se oxida al cederlos al siguiente complejo de la cadena. También es capaz de aceptar los electrones del FADH2, incapaz de cederlos al complejo I de la NADH deshidrogenasa.

3. Complejo III o complejo citocromo b-c1. Acepta los electrones y los cede al último complejo enzimático de la cadena.

4. Complejo IV o complejo citocromo-oxidasa. Este complejo transfiere los electrones recibidos al oxígeno molecular, que se reduce formando agua. El oxígeno actúa, por consiguiente, como receptor final de electrones, ya que en el último término recoge todos los electrones que se han liberado en las diferentes etapas de la oxidación de la glucosa o de otras moléculas donadoras de electrones. El 90% del consumo celular de oxígeno se debe a esta reducción por la citocromo-oxidasa.

7.2. Fosforilación oxidativa: hipótesis quimiosmótica.

Sin embargo, la energía liberada en las reacciones redox de la cadena no se emplea directamente en la formación de enlaces fosfato, sino que, según la teoría quimiosmótica, se utiliza primero en realizar un transporte activo de protones (H+) desde la matriz hacia el espacio perimitocondrial, por lo que en este lugar se acumulan protones que crean un gradiente electroquímico. Los protones no pueden atravesar la membrana libremente, sólo pasan a través del canal de las partículas F o factores de acoplamiento, donde se hallan las ATP sintetasas, que aprovechan la energía liberada del transporte pasivo de los protones para la fosforilación de ADP + Pi en ATP. Así, por cada 2e- y 2H+ que cede el HADH+H+, se generan 3ATP, mientras que en el caso de FADH2 sólo se generan 2ATP.

En las células procariotas el proceso de fosforilación oxidativa tiene lugar en la membrana citoplasmática, en la que se localizan todos los componentes de las cadenas transportadoras de electrones, así como la ATPasa translocadora de protones que lleva a cabo la síntesis de ATP.

8. Balance energético del catabolismo aerobio de la glucosa.

La hidrólisis de cada molécula de ATP a ADP + Pi libera 7,3 Kcal, por lo que los 38 ATP resultantes suponen a la célula unas 277 kcal por cada 180 g de glucosa (1 mol de glucosa = 180 g). La combustión total de la glucosa liberaría 686 kcal, luego se puede decir que el rendimiento de la respiración aerobia de la glucosa es de un 40% aproximadamente, que sería lo que la célula puede almacenar en el ATP para utilizarlo en sus necesidades vitales. El resto se libera como calor, parte del cual tiene un importante papel en muchos organismos para su termorregulación.

9. Catabolismo de lípidos: β-oxidación de los ácidos grasos.

Las células utilizan en el catabolismo los lípidos saponificables, es decir, aquellos que contienen ácidos grasos que pueden separarse de su molécula, ya que éstos son responsables de su gran rendimiento energético. Por tanto, las grasas son una gran reserva de energía para la célula. Las lipasas rompen los enlaces éster de los triglicéridos, separando el glicerol y los ácidos grasos, bien en el citoplasma o en el tubo digestivo de animales.

El glicerol (glicerina) se incorpora a la ruta de la glucolisis al transformarse en gliceraldehído 3P. Éste sigue los pasos descritos hasta el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.

Los ácidos grasos, para atravesar la membrana mitocondrial necesitan unirse a un transportador, la carnitina. Ya en la matriz mitocondrial siguen una vía catabólica compleja llamada β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen, que se desarrolla en la matriz mitocondrial de la célula animal, descomponiéndose en moléculas de Acetil-CoA (la mitad del número total de átomos de carbono que posea el ácido graso), y moléculas reducidas de NADH+H+ y FADH2 (una molécula de cada coenzima por cada molécula de Ac-CoA, menos una).

Sin embargo, las células utilizan los glúcidos antes que las grasas por varias razones:

Existen dos tipos de células del tejido adiposo que presentan diferencias en su fisiología, según el tipo de catabolismo de grasas:

- Las células blancas. Son mayoritarias y sirven para proporcionar energía en forma de ATP, útil para las actividades vitales de las células.

- Las células pardas o del tejido adiposo marrón, en las que la degradación de las grasas sólo proporciona calor, ya que la fosforilación oxidativa está desacoplada de la cadena respiratoria de forma natural. Estas células oxidan sus reservas de grasa a gran velocidad en sus grandes mitocondrias produciendo más calor que ATP. Son muy abundantes en animales hibernantes y humanos recién nacidos, porque tienen un papel termorregulador.

9.1. Catabolismo de proteínas.

El catabolismo de las proteínas, en la mayoría de los casos, tiene como finalidad la renovación molecular más que energética, de modo que las células suelen recurrir a ellas para obtener energía sólo en situaciones extremas como el ayuno prolongado.

La primera fase de degradación consiste en la proteolisis enzimática por proteasas que rompen los enlaces peptídicos entre aminoácidos, lo que puede suceder en el tubo digestivo de los animales o en el medio extracelular de los hongos, o bien en el citoplasma, donde las proteasas aparecen repartidas en diversos orgánulos, sobre todo en los lisosomas, que degradan proteínas tanto intra como extracelulares. La fase siguiente consiste en la degradación de cada aminoácido, lo que sucede por una vía propia para cada uno, pero antes deberá producirse la desaminación. El resto de la molécula, el cetoácido, seguirá su degradación por varias vías, según el aminoácido de que se trate: ácido pirúvico, acetil-CoA o alguno de los intermediarios del ciclo de Krebs:

- Desaminación oxidativa, por la que pierden el grupo amino como amoníaco o ión amonio: el ácido glutámico se transforma en α-cetoglutárico.

- Transaminación, por la que el aminoácido cede el grupo amino a otra molécula.

En las células vegetales el grupo amino de los aminoácidos se reutiliza, pero en las animales, especialmente en las células nerviosas, el amoníaco es muy tóxico y debe eliminarse.

Está formado al menos por 40 cadenas polipeptídicas diferentes, que utilizan nucleótidos de flavina y adenina como coenzimas.