Catabolismo

• El catabolismo como fuente de energía celular.

Es la fase degradativa del metabolismo y su finalidad es la obtención ¡de energía. La energía liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP y posteriormente podrá ser utilizada para reacciones de síntesis orgánicas o para realizar actividades celulares. Es semejante en autótrofos y heterótrofos-
Son reacciones de oxidación, de pérdida de electrones.
Una molécula se oxida cuando pierde electrones y otra se reduce cuando los gana: cuando una molécula pierde H se oxida. Los átomos de H desprendidos en las reacciones de oxidación son captados por los transportadores de H como el NAD y el FAD hasta que son traspasados a la molécula aceptora final de H que se reduce.

El paso de electrones se uiliza para formar moléculas de ATP.

Características de reacciones metabólicas

1. Respiración celular: concepto, función biológica.Tipos; aerobia y anaerobia.

Todos los s.v. obtienen energía para la funciones vitales a partir de biomoléculas orgánicas. El proceso consiste en combustión controlada, de la cuál se obtiene energía útil para la célula. En el caso más general la oxidación es completa y produce agua y CO2.

En la respiración, plantas y animales consumen oxígeno y emiten dióxido de carbono. Sólo por respirar, los humanos emitimos por persona y cada día unos 1.140 gramos de CO2 si comemos lo normal y seguimos la dieta media de 2.800 kcal

Si multiplicamos 1.140 gramos/día por 40 millones de españoles, resulta que sólo por respirar la ciudadanía española produce unos 16.000 millones de kilos de CO2 al año, mientra que la industria más "contaminadora", la central térmica de As Pontes, de Endesa, se queda en los 10.000 millones de kilos, pero no hay que alarmarse: la fotosíntesis gasta CO2, naturalmente, con lo que se compensa.

El proceso que utiliza la reactividad del oxígeno presente en el medio se denomina respiración aerobia.
En organismo pluricelular se refiere a la ventilación pulmonar.
En tejidos a intercambio de gases entre el aire y la sangre y el transporte de oxígeno hasta las células.
En células, el catabolismo: la oxidación de biomolléculas con liberación de energía para las actividades.
En orgánulos: con vías catabólicas del citosol, con reacciones en mitocondrias redox, transporte de electrones y síntesis de ATP.
En eucariotas, las mirocondrias son los orgánulos celulares que suministran la mayor parte de la energía para las actividades celulares, actuando así de centrales energéticas y de sintetizadores de ATP.
Como combustible utilizan las moléculas orgánicas.

• Respiración aerobia de Glúcidos : sustratos iniciales, productos finales, ubicación celular, significado y función biológica de:

- Glucólisis
- Ciclo de Krebs
- Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
-Rendimiento energético total del proceso.

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 diez etapas.
• A lo largo de estas una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico.
• La glucosa es el principal combustible metabólico e inicia su proceso de degradación a través de la glucólisis.

La glucosa es el principal combustible metabólico e inicia su proceso de degradación a través de la glucólisis.
Esta consiste en una serie de 10 reacciones catalizadas enzimáticamente que se realizan en el citosol de la célula.

• 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:

Comprende dos etapas:
-Primera etapa preparatoria  la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos de GA3P. Se consumen dos de ATP para activar a la molécula de glucosa.

Pasos

2.-Isomerización

3.-Fosforilación

-Segunda  etapa en la que dos de GA3P son oxidadas por el NAD y convertidas en piruvato con producción de 4 moléculas de ATP.

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH2 + 2 H2O

4.-A partir de aquí, todo se multiplica por dos

  5.-Se forman enlaces fosfato, ricos en energía

6.-Se forman Isómeros

7.-Obtención del piruvato

Es una ruta fundamental que puede ser utilizada por casi todas las células para extraer energía de la glucosa. Además prepara a la glucosa para su oxidación completa en la mitocondria, donde se libera mucha más energía.

Formación del acetil-coA a partir del piruvato.
El piruvato obtenido en la glicólisis que penetra en la mitocondria se descarboxila oxidativamente para formar acetil-CoA y CO2 en una reacción catalizada por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa. Es irreversible y dirige al piruvato hacia su oxidación final en ciclo de Krebs.

Piruvato

CO2 + Acetil CoA + NADH2

Después de la glucólisis

    
-Respiración anaerobia. Fermentaciones. Significado biológico y diferencias con la respiración aerobia respecto a la rentabilidad energética y productos finales originados.

-Idea general del catabolismo de Lípidos, Proteínas y ácidos nucleicos.
-Ubicación celular de los diferentes procesos catabólicos.

Resumen

Ciclo de Krebs

•Ciclo ácido cítrico, ciclo ácidos tricarboxílicos: conjunto de reacciones por las que se consigue energía y la oxidación completa de molécula de acetilo a CO2. Es la ruta oxidativa final de la glucosa y de la mayoría de combustibles metabólicos.
Su función es oxidar el grupo acetilo del acetil-CoA a CO2 al mismo tiempo que se reducen los transportadores de electrones NAD y FAD.

Se realizan en la matriz mitocondrial.

Acetil-CoA + 3NAD+ FAD + GDP + Pi + 2 H2O

2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + CoA-SH + 3H

La energía

En cada vuelta del ciclo:

Ten en cuenta que por cada molécula de piruvato que se incorpora al ciclo, se obtiene una molécula de GTP, 3 de NADH y 1 de FAD, pero como por cada molécula de glucosa se obtienen 2 de piruvato, el número de moléculas será el doble.

Observa lo que ocurre y anota las incidencias. Obsérvalo tantas veces como necesites:

Resumen

• La glucosa es oxidada a CO2, que se excreta
• La energía:
  1. sólo una parte queda a disposición de la célula en forma de ATP
  2. Otra en forma de calor
  3. La mayor parte en forma de NAD y FAD: FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Por cada molécula de piruvato:

• Paso previo a AcCoA:

1. Producción 1 NADH
2. 1 de CO2

• Ciclo Krebs

• GTP
• 3 NADH
• 1FAD
• 2 CO2

Cómo son dos las moléculas de piruvato que se forman a partir de una glucosa, todo esto habrá que multiplicarlo por 2

• Serie de transportadores de electrones:  electrones de alta energía transportados por el NADH de la glucólisis y por el NADH y el FADH2 del ciclo de Krebs van "cuesta abajo" hasta el oxígeno.
•  En tres puntos se desprenden grandes cantidades de energía libre que impulsan el bombeo de protones (iones H+) hacia el exterior de la matriz mitocondrial.
• Crea gradiente electroquímico a través de la membrana interna de la mitocondria. Cuando los protones pasan a través del complejo de ATP sintetasa, a medida que vuelven a fluir a favor del gradiente electroquímico al interior de la matriz, la energía liberada se utiliza para formar moléculas de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico

1. En la mitocondria se observa como los iones H+ se acumulan en el compartimiento mitocondrial externo (espacio intermembrana).
2.  El hidrógeno cedido por el NADH a la cadena de transporte: los electrones son transferidos a lo largo de las proteinas de la cadena, y el protón al espacio intermembrana,donde genera un gradiente.
3. Los protones re-entran pasando por el complejo ATP-sintetasas, generando ATP.

Síntesis ATP

•  El gradiente de protones se produce como resultado de la entrada de NADH (producido en las reacciones de oxido-reducción ) a la cadena transportadora de electrones .
• Los protones se acumulan en el espacio intermembrana hasta un gradiente de concentración tal que pueden ser utilizados para producir ATP.



Formación ATP

• Los Protones entran nuevamente en la matriz mitocondrial a través de los canales que forma el complejo enzimático de la ATP sintetasa
  1. Esta entrada se acopla a la síntesis de ATP a partir de ADP y Fosfato (Pi)



•Los protones son transferidos a través de la membrana, desde la matriz al espacio intermembrana, como resultado del transporte de electrones que se originan cuando el NADH cede un hidrogeno. (Ver la animación transporte de electrones.) La continuada producción de esos protones crea un gradiente de protones.
•La ATP sintetasa es un gran complejo proteico con canales para protones que permiten la re-entrada de los mismos.
•La síntesis de ATPse produce como resultado de la corriente de protones fluyendo a través de la membrana:
ADP + Pi ---> ATP

Cadena transportadora de electrones

1. las moléculas que se indican: flavina mononucleótido (FMN), coenzima Q (CoQ) y los citocromos b, c, a y a3, son los principales transportadores de electrones de la cadena.



Animación de la cadena transportadora



Otras vías catabólicas

La mayor parte del AcCoA que interviene procede de la glucosa, pero también se puede obtener de otras moléculas, las grasas y las porteínas.

Catabolismo de grasas

1.-HIDRÓLISIS DE LOS TRIGLICÉRIDOS, en el sistema digestivo.
En el citoplasma las lipasas descomponen las grasas en GLICERINA y ÁCIDOS GRASOS.

2.-DEGRADACIÓN DE LA GLICERINA
En el citoplasma, la GLICERINA, tras su oxidación y fosforilación, se convierte en
DIHIDROXIACETONA-FOSFATO que se degradará por vía glucolítica.

3.- OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS
En la matriz mitocondrial los ÁCIDOS GRASOS sufren un proceso degradativo "en espiral" en el que son progresivamente escindidos en fragmentos de dos carbonos. Cada fragmento de dos carbonos es un grupo acetil que se une al coenzima A
formando ACETIL-CoA. Para ello, se necesitan dos ATP, para su activación.

4.-CICLO DE KREBS
En la matriz mitocondrial: el grupo ACETIL (2C) transportado por el CoA se une al ácido oxalacético (4C) formando ácido cítrico (6C) y es oxidado completamente hasta formar CO2, generando 3 NADH + H+, 1 FADH2 y 1 GTP por cada grupo acetil
oxidado completamente. Al final del proceso se regenera el ácido oxalacético.

5.-CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
En la membrana de las crestas mitocondriales: el NADH + H+ y el FADH2 formados en las etapas anteriores transfieren sus electrones a una cadena de transportadores, denominada cadena respiratoria, en la que le aceptor final es el O2 que, junto a un par
de protones, forma agua.
Por cada NADH + H+ se obtienen 3 ATP en la cadena respiratoria y por cada FADH2 2.

 



BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN
El rendimiento neto del proceso depende del número de carbonos del ácido graso y del número de insaturaciones.
P.e.: la oxidación completa del ácido palmítico (saturado de 16C) genera 129 ATP.

El ácido esteárico, de 18C produce 146 molécula de ATP.

-8FADH2 =     8x2 ATP=  16 ATP
-8NADH2 =      8x3 ATP = 24 ATP
-9Acetil-CoA = 9x12 ATP= 108 ATP
                             148 ATP
            El exceso de ácido grasos en la dieta se almacena como grasas en el adiposo.El exceso de glúcidos se almacena como glucógeno, en el hígado y músculo y la mayor parte como grasas.Pero las grasas no pueden almacenarse como glucosa.

Catabolismo de proteinas.

Las proteínas no son nutrientes orgánicos, se pueden utilizar como combustible, pero excepcionalmente (dietas hipocalóricas o de ayuno, hiperproteícas) En dietas de ayuno las proteínas se hidrolizan, suministrando Aa y por transaminación dan lugar a restos cetoácidos y grupos amino, que son tóxicos y se eliminan por la orina en forma de urea, amoníaco(animales de agua dulce)  o ácido úrico (aves y reptiles) .Los restos cetoácidos en parte se oxidan en el ciclo de Krebs y en parte pasan a glucosa, que servirá para alimentar a las neuronas .

Del paso de proteínas a aminoácidos no se obtiene energía útil. Muchos heterótrofos sintetizan proteasas digestivas para digerir proteínas ajenas Pueden verterse al exterior Hongos y Animales con digestión externa (Pepsina del estómago y Tripsina del páncreas de vertebrados) Pueden verterse en lisosomas intracelulares (Protistas y muchas células animales) Todas las células tienen proteasas internas. Sirven para: Desechar proteínas mal plegadas, dañadas o desnaturalizadas Limitar la vida de ciertas proteínas que deban actuar poco tiempo en la célula Eliminar determinadas proteínas en estados celulares (ciclinas...) Reciclaje general de las proteínas Existen un sistema enzimático intracelular que marca las proteínas a eliminar y las destruye. En el citoplasma el más importante es el Proteosoma El proteosoma es un complejo multienzimático de gran tamaño Es cilindrico y hueco y destruye proteínas previamente marcadas con una pequeña proteína llamada ubiquitina Para ello las reconoce, destruye u conformación espacial y las hace pasar por su interior donde actúan proteasas liberando péptidos cortos. Hay otros sistemas proteolíticos en citoplasma en el retículo y en otros orgánulos Las proteínas internas eliminadas han de se reemplazadas por otras nuevas. En este proceso se invierte gran parte del metabolismo basal En humanos se destruyen 400g de proteínas internas diarias . 100 g se utilizan para obtener energía que se compensan con los aa asimilados Catabolismo aminoácidos Cada aminoácido tiene una ruta degradativa propia. Existen, por tanto, 20 rutas degradativas Las rutas degradativas son convergentes El producto: Piruvato, Acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs En vertebrados los aminoácidos son procesados sobre todo en hígado y riñón Antes de llegar a los productos finales el nitrógeno ha de eliminarse. La eliminación del nitrógeno tiene dos fases: Transaminación Paso del nitrógeno del aminoácido a otro, con la formación de un cetoácido. Normalmente en forma de grupos amino que se intercambian por otros grupos funcionales Desaminación Transferencia del NH2 a los productos finales de excreción Los productos de excreción son variables en diferentes seres vivos y dependen esencialmente de la cantidad de agua de la que se dispone para eliminarlo. En organismos acuáticos suele excretarse amoniaco. Se invierte poco consumo de energía pero el amoniaco es un producto tóxico para las células por ello no es apropiado para organismos aéreos que necesitan reterer agua. En organismo aéreos se sintetizan otros compuestos menos tóxicos. Requiere mayor cantidad de energía por lo que sólo se excreta si sobra N - Urea NH2-CO-NH2 . Mamíferos - Ácido úrico. Aves. Reptiles. Insectos. - Excreción casi en seco - Guanina y trimetilamina (CH3)3 NO   Catabolismo de ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos no son moléculas energéticas para la célula. En la digestión se rompe la molécula en nucleótidos, que se escinden a su vez en sus componentes: pentosa, bases nitrogenadas y fosfatos. Las pentosas se incorporan a la glucólisis, los P se utilizarán para la síntesis de ATP o serán excretados por la orina y las bases se utilizan par biosíntesis o son eliminadas después de transformarse en ácido úrico.

Anterior Actual Siguiente