CATABOLISMO AEROBICO Y ANAEROBICO

1. CATABOLISMO AEROBICO Y ANAEROBICO TEMA 12

2. CATABOLISMO Y OBTENCIÓN DE ENERGÍA. • 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.

3. Las reacciones del catabolismo Son reacciones de oxidación y pueden ser: Mediante la pérdida de átomos de hidrógeno que se encuentran unidos al carbono (deshidrogenación). Por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación). Deshidrogenación. Una molécula orgánica se oxida al perder átomos de hidrógeno (por ejemplo, estableciéndose un doble enlace entre dos carbonos). CH3-CH2-CH2- ... + B  CH3-CH= CH - ... + BH2 Oxigenación. Una molécula orgánica se oxida al incorporar átomos de oxígeno. (por ejemplo, en la molécula anterior podría ser así): CH3-CH2-CH2- ... + BO  CH3-CH2 - CHOH- ... +B

4. Las reacciones catabólicas son reacciones redox. En ellas unos compuestos se oxidan y otros se reducen. En la materia orgánica, para que una molécula pueda deshidrogenarse, ha de haber otra que acepte esos hidrógenos (molécula aceptora de hidrógeno). Los átomos de hidrógeno desprendidos en las reacciones de oxidación son captados los transportadores de hidrógeno, (NAD+, NADP+ y FAD), hasta que finalmente son traspasados a la molécula aceptora final de hidrógeno, que se reduce. AH2 + FAD  A + FADH2 B + FADH2  BH2 + FAD

5. En las reacciones de oxidación y reducción, frecuentemente los protones (H+) y los electrones (e-) van separados: Los electrones antes de llegar a la molécula aceptora final de electrones, son captados por los llamados transportadores de electrones, que son los citocromos. El paso de los electrones de un citocromo a otro conlleva una disminución del nivel energético del electrón y la liberación de una energía que es utilizada para fosforilar el ADP y formar moléculas de ATP. Si se trata de una oxidación por oxigenación, ha de haber una sustancia donadora de átomos de oxígeno. electrones Nivel energético electrones citocromos

6. Cuanto más negativo sea el potencial redox, más capacidad de reducción tiene el compuesto. • Cuanta mayor sea la diferencia del potencial de reducción entre el estado final e inicial de la reacción, mayor será la energía desprendida. • En la gráfica adjunta: • El NADH puede dar electrones al citocromo Q, pero no a la inversa. • Se trata de un proceso aerobio porque el último aceptor es el oxígeno.

7. Tipos de catabolismo • Según sea la naturaleza del aceptor final de electrones, se distinguen dos tipos de catabolismo: • Respiración aerobia • Respiración anaerobia • En la respiración la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico, por ejemplo O2, NO3-, SO42- , etc. Si es el oxígeno (O2) se denomina respiración aeróbica, y si es una sustancia distinta del oxígeno, por ejemplo, el NO3-, SO42-, etc , se denomina respiración anaeróbica

9. Procesos catabólicos aerobios Aminoácidos Glúcidos Grasas Desaminación Glucólisis Beta oxidación Acido pirúvico AcetilcoA Ciclo de Krebs Cadena respiratoria

11. Fermentaciones • El aceptor final de electrones es algún compuesto de naturaleza orgánica. • Los procesos fermentativos liberan una menor cantidad de energía que la respiración aerobia, debido a que la oxidación del sustrato no es completa. • No es necesaria la presencia de oxígeno, (no actúa como aceptor final de electrones). • Las fermentaciones las realizan varias bacterias y levaduras y tienen una gran importancia por sus aplicaciones industriales (fabricación de cerveza, vino, yogur, etc.). • Dentro de las fermentaciones se puede incluir el proceso de putrefacción, que es la fermentación de las proteínas.

12. El catabolismo de los glúcidos • En animales, mediante los procesos digestivos, los polisacáridos ingeridos son hidrolizados y convertidos en monosacáridos (glucosa, fructosa o galactosa). • Las reservas de glucógeno del tejido muscular de los animales o las reservas de almidón de los vegetales también pueden ser hidrolizadas, cuando se requiere energía, en glucosa. • La glucosa es el más abundante de los monosacáridos, y su proceso degradativosirve de ejemplo del catabolismo respiratorio de los glúcidos. • En su degradación total, hasta el aprovechamiento completo de toda la energía liberada, se distinguen dos fases: la glucólisis y la respiración. • En la respiración se distinguen dos procesos, el ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria.

13. GLUCOLISIS • La glucólisis ("rotura de glucosa") es la secuencia de reacciones que convierten una molécula de glucosa (seis carbonos) en dos moléculas de piruvato (tres carbonos) produciendo ATP. • Cada reacción es regulada por una enzima específica y en el proceso total hay una ganancia neta de dos moléculas de ATP. • Las reacciones de la glucólisis se llevan a cabo en el citoplasma. • Los ingredientes necesarios, como ADP, NAD+ y fosfato, se encuentran libremente en el citoplasma y se utilizan conforme se hace necesario. • La glucólisis no requiere de oxígeno y puede realizarse en condiciones aerobias o anaerobias.

14. La glucólisis se realiza en dos etapas. • Fase preparatoria: • Hay una inversión inicial de energía para facilitar la degradación. • Es una etapa en la que se invierten dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que comienza a ser degradada • Se obtienen dos moléculas de tres átomos de carbono conteniendo grupos fosfato. • Fase de beneficio: • Las moléculas producidas en la fase anterior se convierten en dos moléculas de ácido pirúvico (disociado como piruvato). • En este proceso se produce una oxidación que genera dos moléculas de NADH. • La energía producida por la oxidación es aprovechada para fabricar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (“fosforilación a nivel de sustrato”). • En esta segunda etapa se forman 4 ATP, con lo que el balance global es energéticamente positivo (+ 2 ATP).

15. Fase preparatoria Fase de beneficio

16. Animación de la glucólisis

17. Balance energético de la glucólisis Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

18. Etapas clave de la glucólisis • La etapa 5 del proceso es un punto crucial de esta ruta metabólica. • Es necesario que se oxide el NADH producido. Esta oxidación puede hacerse de dos formas: • En presencia de oxígeno (respiración celular en las mitocondrias) • El NADH extramitocondrial entra en la mitocondria gracias a un intermediario y se convierte en FAD reducido que va a la cadena respiratoria • En ausencia de oxígeno (fermentaciones, en el citosol). • El NADH extramitocondrial se oxida a NAD+ mediante la reducción del piruvato • El balance energético de una u otra vía van a ser muy diferentes.

19. Matriz mitocondrial FAD NAD+ Glicerol 3 P Glicerol 3 P NADH DHAP DHAP FADH2 Espacio intermembrana Citosol A la cadena respiratoria Membrana mitocondrial externa Membrana mitocondrial interna

20. La respiración: el ciclo de Krebs Este ciclo es la ruta final de la oxidación del piruvato, ácidos grasos y cadenas de carbono de los aminoácidos. Se lleva a cabo en la mitocondria. Cada reacción es catalizada por una enzima específica. En la mayoría de los procariotas las enzimas del ciclo se localizan en el citosol, en tanto que en los eucariotas están dentro de las mitocondrias. Es necesaria una transformación del piruvato para que se inicie el proceso.

21. Oxidación del ácido pirúvico a Acetil-S-CoA El ácido pirúvico producido en la glucólisis, para poder ser oxidado por respiración debe entrar en el interior de las mitocondrias atravesando la doble membrana de éstas. Para ello sufre un proceso de oxidación y descarboxilación (pérdida de un átomo de carbono) en el que intervienen varias enzimas y coenzimas (el sistema piruvato-deshidrogenasa), transformándose en acetil-S-CoA.

22. Esta molécula se puede ya incorporar al ciclo de Krebs, cuyos pasos son los siguientes: Unión del acetil-S-CoA (2C) con el ácido oxalacético (4C) para formar el ácido cítrico (6C). El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico. El ácido isocítrico se descarboxila y se oxida perdiendo hidrógenos, con lo que se forma el ácido α-cetoglutárico (5 C). El ácido α-cetoglutárico se descarboxila y deshidrogena, formándose succinil-CoA (4 C) y necesitándose para la reacción la ayuda del CoA. El succinil-CoA pierde el CoA y se transforma en ácido succínico, liberándose una energía que es suficiente para fosforilar una molécula de GDP y formar una de GTP. El ácido succínico se oxida a ácido fumárico. El ácido fumárico se hidrata y se transforma en ácido málico. El ácido málico se oxida y se transforma en ácido oxalacético, con lo que se cierra el ciclo.

24. La reacción global del sistema piruvato-deshidrogenasa y del ciclo de Krebs es (sin poner el CoA): CH3-CO-COOH + 2H2O + 4NAD+ + FAD + GDP + Pi 3 CO2 + 4NADH + 4H+ + FADH2 + GTP Como en el ciclo de Krebs penetra un compuesto de dos C (el acetil-S-CoA) y se producen dos descarboxilaciones (pasos 3 y 4), la molécula queda totalmente degradada. Además, como en la glucólisis se forman dos moléculas de ácido pirúvico, para la degradación total de una molécula de glucosa son necesarias dos vueltas del ciclo de Krebs. Los GTP se transforman posteriormente en ATP.

25. Balance energético del ciclo de Krebs Acido Pirúvico Acetil CoA 4 NADH 1 FADH2 1 GTP Como se obtienen 2 piruvatos por cada molécula de glucosa: 2 AcidosPirúvicos 2 Acetil CoA 8 NADH 2 FADH2 2 GTP

26. La respiración: el transporte de electrones en la cadena respiratoria Durante el catabolismo de la glucosa se obtienen varios coenzimas reducidos: NADH + H+ y FADH2 (moléculas con un alto poder reductor). Estas moléculas se van a oxidar en la última etapa de la respiración, la cadena respiratoria. Pasan por una cadena en la que se reducen y se oxidan diferentes moléculas, a medida que se van traspasando unas a otras los protones y los electrones procedentes del NADH y del FADH2.

27. En esta cadena, los transportadores de electrones pueden estar agrupados en grandes complejos de enzimas respiratorios, que se ocupan de transportar simultáneamente electrones y protones (H+) • complejo NADH deshidrogenasa • el complejo coenzima-Q reductasa o ubiquinona, • los citocromos: • complejo de citocromos b-C1, • complejo citocromo-oxidasa La energía que se libera cuando pasan los electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

28. En las células eucariotas, las moléculas que integran la cadena respiratoria se encuentran en las crestas mitocondriales. En las bacterias, están situadas en los mesosomas Cada transportador tiene un potencial de reducción (tendencia a dar electrones) inferior al anterior (y por tanto se oxida al ceder los e-) y superior al siguiente (se reduce al aceptar los e-). Como la energía liberada durante la oxidación es mayor que la consumida para la reducción, en cada paso hay un sobrante de energía que se invierte en la síntesis de ATP. Si las oxidaciones que se producen en la fosforilación oxidativa se hicieran en un solo paso, se liberaría una gran cantidad de calor, que además de suponer una pérdida de energía, sería incompatible con las condiciones celulares. .

29. Cada transportador de electrones de la cadena se oxida al ceder electrones y el siguiente se reduce al aceptarlos. Como la energía liberada durante la oxidación es mayor que la consumida para la reducción, en cada paso hay un sobrante de energía que se invierte en la síntesis de ATP. Si las oxidaciones que se producen en la fosforilación oxidativa se hicieran en un solo paso, se liberaría una gran cantidad de calor, que además de suponer una pérdida de energía, sería incompatible con las condiciones celulares.

30. Fosforilaciónoxidativa. Hipótesis quimiosmótica de Mitchell. • Según esta teoría, la energía liberada se invierte en provocar un bombeo de protones (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. • Se crea un gradiente electroquímico. • Cuando los protones (H+) en exceso en el espacio intermembranoso vuelven a la matriz mitocondrial, lo hacen atravesando las partículas F o complejos enzimáticos ATP-sintetasa, suministrándoles la energía necesaria para la síntesis de ATP. • Se ha calculado que los H+ bombeados en cada uno de los complejos NAD deshidrogenasa, citocromos b-c1 y citocromo-oxidasa, son suficientes para sintetizar un ATP. • A partir de un NADH+H+ que ingresa en la cadena respiratoria se obtienen 3ATP. • A partir de un FADH2 sólo se obtienen 2ATP, ya que el FADH2 se incorpora a la cadena respiratoria en el complejo coenzima Q reductasa. • Al final de la cadena respiratoria aeróbica los hidrógenos se unen al oxígeno y forman agua.

33. Partículas F • Forman canales por donde pasan los protones • Están formados por: • Complejo enzimático F1 • Zona de anclaje Fo • Por cada 3 protones que pasan se forma una molécula de ATP

34. Rendimiento energético del catabolismo por respiración de la glucosa: • En la glucólisis por cada molécula de glucosa que es degradada se forman dos moléculas de ácido pirúvico, 2 NADH y 2 ATP. • En el sistema piruvato-deshidrogenasa y en el ciclo de Krebs se producen 1 GTP (equivalente a 1 ATP), 4 NADH y 1 FADH2. Si las dos moléculas de ácido pirúvico obtenidas en la glucólisis inician el ciclo de Krebs, todos los productos de éste hay que multiplicarlos por dos: 2 GTP (equivalente a 2 ATP), 8 NADH y 2 FADH2. • Las coenzimas reducidas ingresan en la cadena respiratoria y se forma ATP. • En las bacterias, como el NADH que se obtiene en la glucólisis no tiene que entrar en la mitocondria (no hay), pasa directamente a la cadena respiratoria y se obtienen 3 ATP en lugar de 2. El balance global es de 38 ATP en lugar de 36 ATP (eucariotas).

35. Rendimiento energético del catabolismo por respiración de la glucosa:

36. Animación de la respiración celular Otra animación de la respiración celular

37. CATABOLISMO DE OTROS NUTRIENTES • Muchos organismos dependen de otros nutrientes, además de la glucosa. • Los seres humanos y otros animales obtienen más energía mediante la oxidación de los ácidos grasos provenientes de los triglicéridos (aceites o grasas) que de la oxidación de la glucosa. • En algunos casos también los aminoácidos de las proteínas pueden ser utilizados como combustible. • Estos nutrientes se transforman en alguno de los intermediarios que intervienen en la glucólisis o en el ciclo del ácido cítrico.

38. Catabolismo de los lípidos • Tiene lugar en la matriz mitocondrial y los peroxisomas. • Cada gramo de triglicérido contiene más del doble de kilocalorías que 1 g de glucosa o de aminoácidos. • Las grasas son ricas en calorías porque contienen un gran número de átomos de hidrógeno. • Tanto el glicerol como los ácidos grasos de las grasas neutras pueden utilizarse como combustible. • El glicerol es fosforilado y luego oxidado a PGAL (gliceraldehído-3-fosfato) y entonces sigue la ruta de la glucólisis, pero el 95% de la energía de las grasas reside en los ácidos grasos.

39. -oxidación de los ácidos grasos • Tiene lugar en la matriz mitocondrial. • Antes de entrar en la matriz mitocondrial, los ácidos grasos se activan uniéndose a la coenzima A, y forman un acil-CoA (espacio intermembrana • El Acil-CoA entra en la matriz previa unión a la carnitina, que actúa como lanzadera. • El Acil CoA empieza el proceso de -oxidación

40. Activación de un ácido graso y traslocación de acil-CoA resultante por la carnitina Rojo: acil-CoA, verde: carnitina, Rojo+verde: acilcarnitina, CoASH: coenzima A, CPTI: carnitina palmitoiltransferasa I, CPTII: carnitina palmitoiltransferasa II, 1: acil-CoA sintetasa, 2: translocasa, A: membrana mitocondrial extena, B: espacio intermembrana, C: membrana mitocondrial intena, D: matriz mitocondrial

41. Los ácidos grasos son convertidos en unidades de acetilco A en un proceso que se denomina -oxidación porque el carbono destinado a ser oxidado es el carbono  (el carbono siguiente al , que es el vecino al grupo ácido). CH3-CH2-(CH2)n-CH2-CH2-COOH El proceso, en cuatro pasos da como resultado un acil CoA con 2 carbonos menos, un acetil CoA que se incorpora al ciclo de Krebs, una molécula de FADH2 y otra de NADH (estas dos últimas pasan a la cadena de transporte electrónico). El Acil CoA comienza un nuevo ciclo y así continúa hasta la total degradación del ácido graso. En general los ácidos grasos de los triglicéridos tienen número par de átomos de carbono, por lo que el número de moléculas de coenzima A producidas es igual a la mitad del número de átomos de carbono del ácido graso sometido a -oxidación.

44. CoA-SH CH3-(CH2)n- CH2-CH2-COOH βα CH3-(CH2)n- CH2-CH2-COSCoA (ACIL CoA) CITOPLASMA SE INTRODUCE EN LA MITOCONDRIA ATP ADP FAD D.H SIGUE DEGRADÁNDOSE DE 2 2N 2 C MATRIZ FADH2 CH3-(CH2)n-COSCoA + CH3-CO-SCoAAcetil CoA CH3-(CH2)n- CH=CH-COSCoA PRODUCTOS FINALES (POR CADA 2 CARBONOS) LIASA CoA-SH H20 HIDROLASA CH3-(CH2)n- CO-CH2-COSCoA AL CICLO DE KREBS NADH+H+ NAD+ CH3-(CH2)n- CHOH-CH2-COSCoA D.H.

46. Catabolismo de los aminoácidos • Las proteínas y los péptidos extracelulares tienen que hidrolizarse primero a aminoácidos para poder usarse como fuente energética. • En las proteínas hay 20 aminoácidos con diversos esqueletos carbonados, por lo que hay 20 rutas catabólicas distintas para la degradación de los aminoácidos. • Estas veinte rutas catabólicas de los aminoácidos convergen en 5 puntos de entrada al ciclo de Krebs: acetil coenzima A, -cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato u oxaloacetato. • En el hombre los aminoácidos sólo aportan del 10% al 15% de la producción energética corporal, por lo que sus rutas degradativas son mucho menos activas que la glucólisis y la oxidación de los ácidos grasos. En cambio, los animales carnívoros pueden obtener hasta el 90% de sus necesidades energéticas a partir de la oxidación de los aminoácidos ingeridos

47. En los animales, la degradación de aminoácidos puede deberse a tres causas: • Que durante el recambio proteico normal algunos de los aminoácidos no se necesiten para la síntesis de nuevas proteínas. • Que la dieta sea muy rica en proteínas (los aminoácidos no se pueden almacenar; las semillas de algunas plantas almacenan proteínas de reserva para las necesidades del embrión tras la germinación) • Que el organismo se encuentre en estado de inanición, recurriendo entonces a todas sus reservas.

48. Los esqueletos hidrocarbonados de los aminoácidos generalmente van a parar el ciclo de Krebs y de allí se oxidan para producir energía química o se canalizan hacia la gluconeogénesis (se vuelven a transformar en azúcares y se almacenan como glucógeno). El grupo amino se elimina por transaminación. Esta etapa de separación del grupo amino resulta ser el comienzo de todas las rutas catabólicas de los aminoácidos. En general, los grupos amino se utilizan en forma muy conservadora en los sistemas biológicos, debido a que sólo unos pocos microorganismos (algunas bacterias y cianobacterias) pueden convertir el nitrógeno atmosférico en nitrógeno utilizable. El hombre y otros animales (mamíferos terrestres y anfibios) excretan el nitrógeno en forma de urea, pero hay animales que eliminan nitrógeno en forma de ácido úrico (aves y reptiles terrestres) y otros animales y microorganismos lo hacen directamente en forma de amoníaco (la mayoría de los peces).

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

50. Catabolismo de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos se degradan a mononucleótidos por acción de las nucleasas. Los mononucleótidos son degradados posteriormente para utilizar los componentes: