Mediante las funciones de nutrición, las células toman materia y energía del exterior y las transforma con dos objetivos: fabricación de nuevos materiales celulares y obtención de energía para realizar trabajos de diversa índole. Es decir los seres vivos intercambian materia y energía con el medio que los rodea, son, por tanto, sistemas abiertos.
Existen dos tipos de nutrición:
a) La nutrición celular autótrofa; Cuando las células se nutren exclusivamente de materia inorgánica (CO2, H2O y sales minerales) que, junto con la energía libre (luminosa o química) que son capaces de captar del medio ambiente, les permite fabricar sus propias moléculas orgánicas.
Con la materia orgánica fabricada por ellas las células autótrofas elaboran sus propios materiales y obtienen ATP para los trabajos celulares; estos procesos metabólicos son semejantes a los que realizan las células heterótrofas.
b) La nutrición celular heterótrofa; Cuando las células tienen que tomar materia orgánica elaborada del medio que las rodea para, a partir de ella, fabricar sus propias moléculas, pero también necesitan tomar algunas sustancias inorgánicas como el agua o las sales minerales. Se nutren tanto de sustancias orgánicas como de sustancias inorgánicas.
La nutrición celular comprende los siguientes procesos:
a) Entrada de materiales (ingestión y digestión).
b) Transformación de los mismos (metabolismo).
c) Eliminación de productos de desecho (excreción y secreción).
Con excepción del metabolismo todos los demás procesos relacionados con la nutrición celular se han estudiado en los temas previos de citología. En este tema y en el siguiente nos centraremos, por tanto, en el estudio de los procesos metabólicos.
1. El metabolismo
En los seres vivos, la única energía aprovechable es la energía química potencial, por lo tanto las células van a tomar del medio externo compuestos ricos en energía y de su degradación interna obtendrán la energía necesaria para la realización de todas sus funciones vitales.
Podemos definir el metabolismo como el conjunto de reacciones bioquímicas que se realizan en el interior de la célula y que conduce a la transformación de los diferentes compuestos químicos para la fabricación de nuevos materiales celulares y para la obtención de energía para realizar todos los trabajos necesarios.
Como el metabolismo tiene dos objetivos se va a poder dividir en dos fases:
a) Catabolismo; Consiste en la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas; se trata de reacciones de degradación que son exorgónicas (desprenden energía) y cuyo objetivo principal es la obtención de energía para llevar a cabo los trabajos celulares y para la producción de calor. Parte de esa energía se va a almacenar en los enlaces fosfato del ATP.
b) Anabolismo; Consiste en la construcción de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas sencillas que hay en el citoplasma celular, utilizando para ello la energía del ATP obtenida en el catabolismo, o mediante la energía obtenida en otro tipo de procesos como son la fotosíntesis o la quimiosíntesis. Se trata, pues, de reacciones de síntesis que son endorgónicas (consumen energía).
Las reacciones del metabolismo suelen ser secuencias multienzimáticas que reciben el nombre de vías o rutas metabólicas. Las moléculas que intervienen en ellas reciben el de metabolitos.
1.1 Tipos de metabolismo
Combinando las fuentes de carbono que utilizan los distintos tipos de seres vivos, con las fuentes de energía utilizadas por estos, distinguimos cuatro tipos de organismos según su metabolismo:
1.2 Aspectos generales del metabolismo:
reacciones de oxidorreducción y ATP
El trabajo celular requiere un aporte energético. En la mayoría de las ocasiones la única energía directamente utilizable proviene de la hidrólisis del ATP, que se convierte en ADP, liberándose un grupo fosfato (Pi) y 7’3 kilocalorías por mol de ATP. La molécula de ADP puede volver a formar ATP, añadiéndole un grupo fosfato (Pi) y consumiendo 7,3 kilocalorías por mol.
Con esto las células consiguen que una parte significativa de la energía, que se desprenden en las reacciones metabólicas exorgónicas, no se desperdicie en forma de calor sino que quede almacenada en forma de ATP para cuando sea necesario su uso.
El ATP no puede acumularse en grandes cantidades por lo que no puede considerarse como una reserva de energía. Se forma y se destruye rápidamente. Es una energía de uso rápido. Podemos compararlo con una pila recargable.
Las reservas celulares de energía son sustancias orgánicas, fundamentalmente glúcidos y grasas, de donde ha de ser liberada para recargar el ADP y transformarlo en ATP. Esto se realiza mediante las reacciones metabólicas degradativas, las que constituyen el denominado catabolismo, que consiste en la degradación, por oxidación, de sustancias orgánicas con la liberación de la energía química que estaba almacenada en sus enlaces.
Las reacciones de oxidación consisten en una pérdida de electrones. Puesto que la materia que participa en estas oxidaciones es orgánica, constituida por carbono e hidrógeno básicamente, las oxidaciones biológicas suelen realizarse por deshidrogenación, ya que al perder átomos de hidrógeno se pierden electrones.
Ahora bien, la oxidación de un compuesto por pérdida de electrones, está siempre condicionada a que otro compuesto acepte esos electrones y se reduzca. De esta manera se constituyen los sistemas de óxido reducción o sistemas redox.
El funcionamiento de la célula se basa en la existencia de sistemas redox que transfieren electrones desde las sustancias orgánicas (glúcidos o lípidos), fuentes de energía, hasta un aceptor final de protones y electrones (el oxígeno en los organismos de respiración aerobia).
Los principales sistemas biológicos que actúan como transportadores de protones y electrones son los piridín-nucleótidos (NAD+ y NADP+), los flavín-nucleótidos (FAD+ y FMN+) y los citocromos; su conjunto constituye la denominada, en sentido amplio, cadena respiratoria, formada por un conjunto de reacciones redox acopladas.
La transferencia de electrones desde unos sistemas redox a otros determina que descienda el nivel energético de esos electrones, lo que implica la existencia de una liberación de energía que es utilizada para la síntesis de ATP mediante la siguiente reacción:
Este proceso recibe el nombre de fosforilación oxidativa y es el principal mecanismo de regeneración de ATP en todas las células aerobias.
Existe otro mecanismo de formación de ATP, denominado fosforilación a nivel de sustrato. Consiste en que determinados compuestos fosfatados pueden ceder su grupo fosfato directamente al ADP, sin que el proceso esté ligado al transporte de electrones:
Este mecanismo es una fuente de ATP en todos los tipos de células, aerobias y anaerobias.
2. El catabolismo
Como ya hemos visto, el catabolismo incluye todos los procesos degradativos, en los cuales se transforman moléculas orgánicas complejas en otras más simples. Como resultado de estas degradaciones se libera una energía que se conserva, en parte, en forma de ATP, de donde a su vez va a poder ser utilizada para los procesos de biosíntesis orgánica, para las funciones de relación del organismo, para mantener constante la temperatura corporal etc.
El catabolismo es semejante para los organismos autótrofos y heterótrofos y se realiza mediante reacciones químicas que, en su mayor parte, son oxido-reducciones, es decir reacciones de transferencia electrónica, catalizadas principalmente por enzimas deshidrogenasas.
Existen dos tipos básicos de catabolismo: La fermentación y la respiración. En la fermentación tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos. En la fermentación la fosforilación del ADP para formar ATP se efectúa sólo a nivel de substrato.
En la respiración el dador suele ser un compuesto orgánico (excepto en las bacterias quimioautótrofas en las que es un compuesto inorgánico), pero el aceptor final es un compuesto inorgánico, por ejemplo el O2, el NO3-, el SO42-.
En la respiración se realiza, además de a nivel de sustrato, a nivel de la cadena respiratoria. Estos dos tipos de catabolismo también pueden llamarse respiración aerobia, cuando es el oxígeno molecular el aceptor final de hidrógenos, y la respiración anaerobia, cuando la sustancia que se reduce es diferente del oxígeno. En la primera se produce agua, en la segunda no.
Como ya hemos dicho anteriormente, las tareas metabólicas se realizan por medio de secuencias multienzimáticas, la mayor parte de las cuales son lineales aunque existen rutas cíclicas, y, habitualmente, poseen ramas que conducen al interior o al exterior de la ruta.
2.1 Rutas catabólicas
En el catabolismo aerobio existen tres fases principales:
A) Fase I: Transformación de macromoléculas en sus monómeros correspondientes.
· Polisacáridos → Monosacáridos
· Triglicéridos → Ácidos grasos + Glicerina + otros
· Proteínas → Aminoácidos
B) Fase II: Los monómeros obtenidos en la 1ª fase van a ser transformados en moléculas simples de dos o tres átomos de carbono. Esas moléculas son fundamentalmente el ácido pirúvico y el acetilcoenzima A (Acetil-CoA). El Acetil-CoA puede ser considerado una encrucijada metabólica, donde confluyen el catabolismo de los glúcidos, lípidos y proteínas. Además en la degradación de los aminoácidos se origina NH3 que es un producto final del catabolismo.
C) Fase III: La tercera etapa implica la transformación total de las moléculas obtenidas en la segunda hasta formar H2O y CO2.
Por tanto podemos afirmar que las rutas catabólicas son convergentes pues todas ellas confluyen hacia unos mismos productos finales (figura 9.5).
La primera fase del catabolismo glucídico consiste en que las grandes moléculas de polisacáridos, almidón y glucógeno fundamentalmente, se van a transformar, vía digestión (intracelular o extracelular), en moléculas de glucosa.
En la segunda fase se va a realizar la degradación de la glucosa en el hialoplasma celular mediante una secuencia multienzimática que recibe el nombre de glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof, en honor de los dos científicos que más contribuyeron a su determinación. Es el proceso por el que la glucosa se degrada hasta dos moléculas de ácido pirúvico.
Para evitar que la glucolisis se detenga por un exceso de ácido pirúvico y NADH+H+ o por falta de NAD+., se necesitan otras vías que eliminen estos productos y recuperen los sustratos necesarios. Esto puede ocurrir de dos formas:
a) Respiración aerobia o anaerobia; cuando hay oxígeno, u otro aceptor inorgánico de los electrones, el ácido pirúvico es degradado totalmente a CO2. El NADH+H+ y otras coenzimas reductoras son oxidadas y los electrones son transportados hacia el aceptor inorgánico final de los electrones (O2 u otro) recuperándose el NAD+. Este proceso se realiza en los eucariotas en las mitocondrias y tiene la ventaja de producir una gran cantidad de ATP.
b) Fermentación; cuando no hay un aceptor inorgánico final de los electrones, el ácido pirúvico se transforma de diferentes maneras sin degradarse por completo a CO2 y H2O. Este proceso tiene como objetivo la recuperación del NAD+ y ocurre en el hialoplasma.
3.1 Glucolisis
La glucolisis es una secuencia multienzimática en la que podemos distinguir dos grandes fases: una preparatoria (en la que se consume energía en forma de ATP) y otra oxidativa (en la que se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato).
3.1.1 Fase 1 de la glucolisis
En está fase la célula va a gastar ATP.
A) Fosforilación de la glucosa hasta glucosa-6P; para que se realice dicha reacción es necesario el consumo de una molécula de ATP.
Este proceso es necesario para que la glucosa de la sangre atraviese la membrana citoplasmática.
La reacción está catalizada por una enzima llamada Hexoquinasa, que es una enzima alostérica (se inhibe por el producto de la reacción). Puede actuar sobre la glucosa o sobre cualquier hexosa. Esta reacción es una de las reacciones claves en la vía glucolítica pues es irreversible.
B) Isomerización de la glucosa-6P hasta fructosa-6P; es catalizada por la Glucosa-fosfatoisomerasa. Es una reacción reversible, la misma enzima la puede llevar a cabo en los dos sentidos (pero tenemos que tener en cuenta que está desplazada hacia la fructosa-6-P porque se gasta en la siguiente reacción).
C) Fosforilación de la fructosa-6P hasta fructosa-1,6-di-P; es catalizada por la Fosfofructoquinasa. Para que se realice es necesario, de nuevo, el consumo de otra molécula de ATP. Es una de las reacciones irreversibles del proceso y, por lo tanto, muy importante en su regulación. La Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica que se ve inhibida por la presencia de ATP (gracias a esto se evita la degradación inútil de más glucosa). Cuando la cantidad de ATP en el hialoplasma disminuye esta reacción se activa para conseguir
D) Escisión de la fructosa-1,6-di-P en DHA-P y GA-P; la reacción está catalizada por la enzima Aldolasa. También es una reacción reversible.
E) Isomerización de la DHA-P hasta GA-P; esta reacción es necesaria porque sólo el GA-P sirve de substrato para la siguiente reacción. Está catalizada por la Triosa-fosfato-isomerasa. Es reversible (pero tenemos que tener en cuenta que está desplazada hacia la GA-P porque se gasta en la siguiente reacción) y completa la primera fase de la glucólisis, en la que la glucosa ha sufrido dos fosforilaciones, seguidas de escisión, dando dos moléculas de GA-P (tres átomos de carbono).
A partir de aquí es muy importante tener en cuenta que todas las reacciones siguientes se realizan DOS VECES porque de cada glucosa hemos obtenido DOS moléculas de gliceraldehído fosfato.
3.1.2 Fase 2 de la glucolisis
En está fase la célula va a obtener ATP (recordad que, como hemos dicho antes, debemos multiplicar por dos todo lo que obtenemos en esta fase pues estas reacciones ocurren dos veces por cada molécula de glucosa o sea por cada fase 1).
F) Oxidación del GA-P hasta 1,3-di-P-glicérico; esta reacción es catalizada por la GA-P deshidrogenasa y también es una reacción reversible.
Como ya hemos explicado antes, la primera fase es una fase preparatoria o de reunión, a la que cierto número de hexosas diferentes pueden incorporarse, después de fosforilación a expensas del ATP. Todas se convierten en fructosa 1,6-di-fosfato, la cual se escinde para rendir dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Es una fase de activación en la que la célula gasta energía para posteriormente recuperarla en mayor cantidad, lo que se va a realizar en la segunda fase.
La segunda fase consta de una serie de procesos de óxido-reducción y en ella actúan los mecanismos de conservación de la energía, mediante los cuales el ADP se transforma en ATP. Es una fosforilación del ADP a nivel de sustrato para formar ATP.
El balance final de la glucolisis es:
Hemos de tener en cuenta que si la glucosa proviene de la degradación del glucógeno ya viene en forma de glc-6P con lo cuál se ahorraría gastar un ATP en su fosforilación.
Como también hemos dicho antes, una vez finalizada la glucolisis, el ácido pirúvico y el poder reductor pueden seguir dos vías distintas: la vía fermentativa (en la que el aceptor final de los electrones es un compuesto orgánico) y la vía respiratoria (en la que el aceptor final de los electrones es un compuesto inorgánico).
En muchas ocasiones se hace equivalente la vía fermentativa a un metabolismo anaerobio (sin presencia de O2) y a la vía respiratoria con un metabolismo aerobio (pues el O2 es el aceptor final de los electrones convirtiéndose en H2O). Esto es verdad en la gran mayoría de las ocasiones pero recordemos que algunos seres vivos unicelulares realizan la respiración celular usando otros aceptores finales de electrones inorgánicos diferentes al O2 (respiración anaerobia).
3.2 Fermentación
Entendemos por fermentación cualquier proceso catabólico en el que tanto el dador como el aceptor final de electrones sea un compuesto orgánico.
Las fermentaciones son características de los microorganismos, aunque algunas pueden realizarse en el tejido muscular de los animales cuando no llega suficiente oxígeno (fermentación láctica). Los microorganismos que las llevan a cabo son bacterias y ciertas levaduras. Los microorganismos fermentadores son de dos tipos: anaerobios estrictos, aquellos que sólo crecen en ausencia de oxígeno y para los que su presencia es letal, y anaerobios facultativos, aquellos adaptados a vivir con o sin oxígeno, es decir aquellos que pueden realizar fermentación o respiración aerobia.
3.2.1 Principales tipos de fermentaciones
El sustrato de las fermentaciones suele ser la glucosa, pero existen organismos que pueden usar otras sustancias orgánicas, como pentosas, ácidos grasos o aminoácidos.
Cuando el sustrato de las fermentaciones es la glucosa, la primera etapa del proceso es la glucólisis que, como ya hemos visto, es una ruta universal de degradación de la glucosa.
En una segunda fase, el ácido pirúvico es transformado en diferentes compuestos, según el tipo de fermentación. Realmente, existen muchos autores que consideran que esta segunda fase es la auténtica fermentación, de modo que la glucólisis sería un proceso previo y la fermentación como tal se iniciaría a partir del ácido pirúvico.
En muchas ocasiones los productos finales de las fermentaciones son ácidos orgánicos, como el acético (fermentación acética), el butírico (fermentación butírica) o el indol o la cadaverina (fermentación pútrida o putrefacción). En este último caso los sustratos que se utilizan son de naturaleza proteica o aminoacídica.
Aunque las fermentaciones son propias de las bacterias, existen células eucarióticas que pueden llevarlas a cabo en condiciones de anaerobiosis, es el caso de las células musculares que producen fermentación láctica o las levaduras que llevan a cabo la fermentación alcohólica.
Ambos procesos utilizan glucosa como sustrato inicial y, por tanto, comienzan con la glucólisis. Al encontrarse en ausencia de oxígeno, la vía glucolítica quedaría interrumpida en poco tiempo pues el NAD+ no se recupera al no funcionar la cadena respiratoria. La solución es regenerar el NAD+ acoplando la oxidación del NADH+H+ a la reducción del ácido pirúvico obtenido en la glucólisis, lo que se hace transformando el pirúvico en ácido láctico (fermentación láctica) o en alcohol etílico (fermentación alcohólica).
3.2.1.1 Fermentación láctica
En ella la degradación de la glucosa sigue la vía de la glucólisis en la que se forma ácido pirúvico y los electrones liberados por la glucosa son captados por el NAD+ para transformarse en NADH+H+. Esta oxidación rinde dos moléculas de ATP que se originan por un proceso de fosforilación a nivel de sustrato (ver balance global de la glucólisis).
El paso siguiente, la fermentación propiamente dicha, consiste en la reducción del ácido pirúvico para formar ácido láctico, para lo cual el pirúvico acepta electrones del NADH+H+ y se transforma en ácido láctico, regenerándose NAD+, en una reacción catalizada por la lactato-deshidrogenasa.
Este tipo de fermentación lo llevan a cabo bacterias del la especie Lactobacillus casei, L. bulgárius y otras de los géneros Lactococcus, Streptococcus y Leuconostoc, anaerobias facultativas (pueden vivir en presencia de oxígeno pero no lo utilizan). El queso, el yoghourt o la cuajada son productos obtenidos por fermentación láctica a partir de la lactosa de la leche.
Como ya hemos dicho, también ocurre en las células musculares cuando carecen del oxígeno suficiente para poder seguir desarrollando la contracción muscular. Como vimos el año pasado, la aparición de la fatiga viene dada en gran medida por la acumulación de ácido láctico en la célula muscular. Hasta hace un tiempo se creía que la cristalización de este ácido láctico tras el ejercicio intenso provoca el dolor característico conocido como agujetas aunque esa hipótesis no es aceptada hoy en día.
Es muy importante que tengamos claro que el ATP solo se forma en la glucolisis, en la etapa fermentativa solo se recupera el NAD+ para permitir que la glucolisis siga funcionando.
3.2.1.2 Fermentación alcohólica o etílica
Como en el caso anterior, la degradación de la glucosa sigue la vía de la glucólisis, dando también dos moléculas de ATP.
El paso siguiente consiste en la reducción del ácido pirúvico para formar alcohol etílico (etanol). Este tipo de fermentación requiere dos pasos en lugar de solo uno como la fermentación láctica.
En una primera reacción, se va a producir una descarboxilación del ácido pirúvico, originándose CO2 y acetaldehído. Y, posteriormente el acetaldehído, en una segunda reacción, se reduce con NADH+H+ por acción de la enzima alcohol-deshidrogenasa y como producto final se obtiene etanol.
La fermentación alcohólica es realizada principalmente por las levaduras, entre las que destaca Saccharomyces cerevisiae. Existen varias estirpes de esta levadura seleccionadas para la fabricación de bebidas alcohólicas, como vino o cerveza; otras estirpes se utilizan en la fabricación del pan.
3.2.2 Balance energético de las fermentaciones
Los procesos de fermentación liberan muy poca cantidad de energía. Si calculamos la diferencia de contenido energético entre la molécula de glucosa y las dos moléculas de ácido láctico o de etanol podemos ver que es de 47 kcal/mol. Con ellas se generan dos moléculas de ATP, cada una de las cuales representa 7’3 kcal/mol, el resto se pierde en forma de calor, por lo que la eficacia fermentativa es del 30%.
Las ecuaciones totales de la degradación por vía fermentativa de una molécula de glucosa para formar ácido láctico o para formar alcohol etílico serían las siguientes:
3.3 Respiración celular
La vía alternativa a la fermentación es la vía respiratoria, en la cual el aceptor final de los electrones, en lugar de una molécula orgánica, es una molécula inorgánica.
La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta convertirse en sustancias inorgánicas, proceso que proporciona energía aprovechable por la célula (principalmente en forma de ATP).
Como ya vimos antes, hay dos tipos de respiración celular:
a) Respiración aeróbica. El aceptor final de electrones es el oxígeno molecular, que se reduce a agua. La realizan la inmensa mayoría de seres vivos, y se llaman organismos aeróbicos.
b) Respiración anaeróbica. El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno. Es un tipo de metabolismo muy común en muchos microorganismos, especialmente procariotas. No debe confundirse con la fermentación, proceso también anaeróbico, pero en el que no interviene nada parecido a una cadena transportadora de electrones.
Debido a que es mucho más abundante e importante para nosotros vamos a estudiar solamente la respiración aeróbica (en la cuál el aceptor inorgánico final de los electrones es el O2). En esta, el ácido pirúvico se transforma, mediante una deshidrogenación y una descarboxilación acopladas, en acetil-S-CoA que se va a incorporar al ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs, donde va a continuar degradándose. En este ciclo se desprenden CO2 y se forman compuestos ricos en poder reductor que, por último, se incorporarán a la denominada cadena respiratoria donde se oxidarán cediendo sus átomos de hidrógeno al oxígeno para formar agua. Acoplada a la cadena respiratoria se produce un proceso de formación de ATP que recibe el nombre de fosforilación oxidativa. Por esta vía se obtiene un balance energético mucho más favorable, pero, vayamos por partes.
En las células procariotas, todas las etapas se realizan en el citosol excepto la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria que está situada en la membrana plasmática (especialmente en los mesosomas).
En las células eucariotas, todas las etapas ocurren en la mitocondria así que el piruvato formado en la glucolisis tendrá que entrar a la matriz mitocondrial por transportadores específicos. Lo mismo ocurre con el poder reductor (NADH+H+) formado en la glucolisis aunque su entrada es algo más compleja.
3.3.1 Descarboxilación oxidativa (transformación del ácido pirúvico en acetil-coA)
El ácido pirúvico penetra en la mitocondria y, en la matriz mitocondrial, se transforma en acetil-CoA mediante una descarboxilación oxidativa, reacción muy compleja que necesita el concurso de tres enzimas distintos y de cinco coenzimas que actúan acopladamente y que, en conjunto, reciben el nombre de sistema piruvato deshidrogenasa.
Este proceso ocurre en tres pasos:
a) Pérdida del grupo carboxilo del piruvato, que se libera en forma de CO2 (descarboxilación) con el primer carbono y dos oxígenos.
b) El grupo carbonilo del piruvato se oxida (descarboxilación oxidativa) y cede sus electrones a un NAD+ que se reduce a NADH+H+, formando un grupo acetilo (CH3-CO-).
c) El grupo acetilo se esterifica con el grupo –SH de la coenzima A. Se forma el acetil-CoA que entrará en el ciclo de Krebs.
La coenzima A es la forma activa de la vitamina B5 o ácido pantoténico; es una molécula que presenta en un extremo un grupo –SH por el que se une a otras moléculas. Por esta razón se la suele representar como CoA-SH.
3.3.2 Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico
Una vez formada la molécula de acetil-CoA se incorpora, en la misma matriz mitocondrial al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, descubierto por Hans Adolf Krebs, bioquímico británico de origen alemán, Premio Nobel en 1953.
Aunque el ciclo de Krebs es catabólico, algunas de sus moléculas intermedias también pueden ser precursores de otros procesos anabólicos que ocurren en el citosol. Por eso se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.
El ciclo es un conjunto de reacciones que producen la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2. Los electrones cedidos en esta oxidación son captados por las coenzimas NAD+ y FAD+, liberándose las correspondientes moléculas reducidas NADH+H+ y FADH2.
Desempeña las siguientes funciones:
a) Obtención de poder reductor: NADH+H+ y FADH2.
b) Obtención de precursores metabólicos.
c) Obtención de energía en forma de GTP (Guanosín-tri-fosfato) por fosforilación a nivel de substrato.
El ciclo está constituido por una serie de reacciones acopladas en las que no existe un substrato inicial ni un producto final, sino que las moléculas se van transformando unas en otras, pero regenerándose cuando se producen todas las etapas. Sin embargo en los ciclos metabólicos intervienen otras moléculas que reaccionan con alguno de sus componentes, gastándose y obteniéndose determinados productos. Consta de ocho pasos:
A) Condensación del acetil CoA (2C) con el ácido oxalacético u OAA (4C) para formar ácido cítrico (6C). La reacción está catalizada por la Citrato sintasa. En este proceso recuperamos la CoA-SH que podrá volver a formar más moléculas de acetil-CoA.
B) Isomerización del ácido cítrico en ácido isocítrico. La reacción está catalizada por la Aconitasa.
C) Descarboxilación y deshidrogenación del ácido isocítrico para formar el ácido α-cetoglutárico. La reacción está catalizada por la Isocitrato deshidrogenasa, la cual actúa ligada al NAD+ produciendo una molécula de NADH+H+ (poder reductor) y liberando una molécula de CO2.
D) Descarboxilación y deshidrogenación del ácido α-cetoglutárico para dar succinil-Co-A. Para esta reacción es necesario el concurso del CoA-SH, está catalizada por la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que actúa ligada al NAD+ produciendo una molécula de NADH+H+ (poder reductor) y liberando una molécula de CO2.
E) Eliminación del CoA-SH y fosforilación del GDP hasta GTP para transformar el succínil-CoA en ácido succínico. La reacción está catalizada por la Succinil-CoA-sintetasa. Y, como hemos dicho, produce una molécula de GTP (equivalente energéticamente al ATP).
F) Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico acoplada a una reducción del FAD+. La reacción está catalizada por la Succinato deshidrogenasa que actúa ligada al FAD+. Produciendo una molécula de FADH2.
G) Hidratación del ácido fumárico para formar ácido málico. La reacción está catalizada por la Fumarasa.
H) Deshidrogenación final del ácido málico para dar ácido oxalacético (OAA). La reacción está catalizada por la Malato deshidrogenasa, que actúa ligada al NAD+ produciendo una molécula de NADH+H+ (poder reductor).
Con esta reacción recuperamos el ácido oxalacético (OAA) del inicio que puede unirse a otro acetil-CoA y dar otra vuelta al ciclo.
Podemos resumir todas las reacciones del ciclo de Krebs como:
Los átomos de carbonos del ácido pirúvico, que a su vez procedían de la glucosa, se desprenden en forma de CO2 y los átomos de hidrógeno son captados por coenzimas que se reducen. Dichas coenzimas reducidas serán los sustratos de la cadena respiratoria. Además se desprende energía que se almacena en forma de GTP, el cual la va a transferir al ATP.
3.3.3 Cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones
La cadena respiratoria está constituida por una serie de moléculas, los transportadores de protones (H+) y los transportadores de (e-), que se encuentran localizados en las membranas de las crestas mitrocondriales.
El transporte de electrones desde las coenzimas reducidas NADH+H+ y FADH2 se realiza por una secuencia de reacciones de óxido-reducción que se desarrollan en la membrana interna de la mitocondria y ponen en juego los constituyentes de la cadena respiratoria: deshidrogenasas flavoproteicas, ubiquinona, citocromos y proteínas hierro-azufre (los constituyentes de esta cadena representan el 25% de las proteínas de la membrana mitocondrial interna).
Cada reacción hace intervenir a dos de los constituyentes de la cadena cuyos potenciales de óxido-reducción son diferentes: el constituyente que presenta el potencial más alto oxida al que lo tiene más bajo.
Las moléculas transportadoras de H+ y e- se agrupan formando varios complejos enzimáticos, algunos de los cuales contienen citocromos, son:
a) Complejo de la NADH-deshidrogenasa mitocondrial, que utiliza nucleótidos de flavina (FMN) y adenina (FAD) como coenzimas. Este complejo acepta electrones del NADH+H+, al que oxida para formar NAD+, y los transfiere a la ubiquinona. El NADH+H+ que se forma en el hialoplasma procedente de la glucólisis, no puede atravesar fácilmente la membrana mitocondrial, para que sus electrones lleguen a la cadena respiratoria tiene que utilizar un mecanismo de paso que recibe el nombre de sistema de lanzadera o naveta.
Existen dos sistemas de lanzaderas, la lanzadera glicerol-fosfato, con la que el NADH+H+ citoplasmático cede sus electrones al FAD+ mitocondrial y la lanzadera malato-aspartato con la que el NADH+H+ citoplasmático cede sus electrones al NAD+ mitocondrial. Este último caso es el de los mamíferos que, de esta manera, obtienen un rendimiento energético un poco superior, 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa consumida en los mamíferos, frente a 36 moléculas de ATP en los demás seres vivos, como veremos más adelante al calcular el balance energético de una molécula de glucosa por vía aerobia. Como en los procariotas el NADH+H+ no tiene que entrar en la mitocondria siempre rinde 3 ATP.
b) La ubiquinona o coenzima-Q. Esta molécula liposoluble está situada en la zona hidrofóbica de la membrana mitocondrial. A partir de aquí se transportan sólo electrones.
c) Complejo citocromo b-c1-c. Contiene tres citocromos, acepta los electrones de la ubiquinona y los cede al siguiente complejo.
d) Complejo citocromo-oxidasa. Constituye el último complejo enzimático de la cadena respiratoria. Contiene el citocromo a+a3. Transfiere los electrones, recibidos del complejo anterior, al oxígeno molecular que se reduce formando agua.
Las moléculas que transportan sólo electrones son los diferentes citocromos: cyt-b, cyt-c1, cyt-c, cyt-a y cyt-a3. Son compuestos que contienen un anillo tetrapirrólico, el grupo hemo, en cuyo interior existe un átomo metálico, hierro o cobre, que puede oxidarse o reducirse. Gracias a la oxidación y reducción de sus átomos metálicos pueden llevar a cabo el transporte de electrones.
El oxígeno actúa como aceptor final de electrones, ya que, en último término recoge todos los electrones que se han liberado en las diferentes etapas de la oxidación de la glucosa (el 90% del consumo celular de oxígeno se debe a este proceso).
La transferencia de electrones provoca una disminución de la energía libre a través de la cadena respiratoria, de tal forma que la energía de óxido-reducción se transforma en energía del enlace fosfato en tres puntos diferentes, los llamados lugares de acoplamiento, que son centros de conservación de la energía.
Por cada par de protones y de electrones que fluyen por la cadena respiratoria procedentes del NADH + H+ se forman tres moléculas de ATP.
Si los protones proceden del FADH2 solo se forman dos moléculas de ATP, ya que, en este caso, los protones y electrones se ceden directamente a la ubiquinona.
La formación de moléculas de ATP mediante la energía de óxido-reducción recibe el nombre de fosforilación oxidativa.
La fosforilación oxidativa se explica por la teoría quimiosmótica de Peter Mitchell. Esta hipótesis plantea un conjunto de procesos químicos (quimio-) unidos a procesos de transporte (del griego osmos, «empujar») como maquinaria de conversión de la energía de las oxidaciones en energía del enlace fosfato del ATP.
Se sabe que la transferencia de electrones provoca, en tres puntos de la cadena respiratoria (lugares de acoplamiento), la salida de protones desde la matriz hasta el espacio intermembranoso, induciendo la formación de gradientes electroquímicos a través de la membrana interna. La vuelta a la matriz mitocondrial de los protones debido a ese gradiente electroquímico produce la activación de las ATPsintetasa, formándose ATP y H2O.
Si realizamos un estudio de las variaciones de la energía libre a lo largo de los componentes de la cadena respiratoria, podemos relacionarlas con la fosforilación oxidativa.
Como hemos dicho anteriormente, a lo largo de la cadena, los electrones van desde el constituyente que tiene un potencial estándar de óxido-reducción E0' más alto al que lo tiene más bajo, es decir, desde el NAD+ al oxígeno.
La variación de energía libre estándar ΔG0' de algunas de estas óxido-reducciones es suficiente para permitir la fosforilación del ADP hasta ATP (ΔG0' = 7,3 kcal); las regiones de la cadena respiratoria en las que se dan estas condiciones son los lugares de acoplamiento I, II y III (figura 9.16).
La fosforilación oxidativa permite almacenar, en forma de ATP, la energía contenida en las moléculas de NADH+H+ y FADH2 que se producen en la glucólisis y en el ciclo de Krebs.
Por cada molécula de NADH+H+ que ingresa en la cadena respiratoria se desprenden tres moléculas de ATP mientras que por cada molécula de FADH2 se desprenden sólo dos moléculas de ATP.
El cianuro, el monóxido de carbono y la azida impiden el funcionamiento del complejo citocromo-oxidasa, por lo que inhiben la respiración. Por esta razón son venenos muy potentes.
3.3.4 Balance energético de la oxidación completa de una molécula de glucosa por la vía aerobia.
Para realizar el balance energético de la degradación total de una molécula de glucosa en la respiración aerobia, será necesario averiguar cuantas moléculas de NADH+H+ y de FADH2 se desprenden en la glucólisis y en el ciclo de Krebs. Una vez calculadas se introducirán en la cadena respiratoria para calcular cuantas moléculas de ATP se desprenden en ella.
Debemos recordar aquí, que las moléculas de NADH+H+ procedentes de la glucólisis no puede atravesar las membranas mitocondriales y, por tanto, tendrán que buscar una vía alternativa para poder entrar. De hecho, los electrones del NADH+H+ hialoplasmático son transferidos a la cadena respiratoria por vías indirectas que reciben el nombre de lanzaderas (debemos recordar las dos que hemos visto en el punto anterior: la glicerol-fosfato, cuyos NADH+H+ se incorporan a nivel de la coenzima-Q y solo rinden 2 ATP, y la malato-aspartato que cede sus electrones al NAD+ mitocondrial y por lo tanto rinde 3 ATP.
Tampoco debemos olvidar sumar los 2 ATP conseguidos en la glucolisis ni los 2 ATP (GTP) conseguidos en el ciclo de Krebs (todos ellos por fosforilación a nivel de sustrato).
Sumando todos ellos obtenemos un rendimiento de 36/38 ATP por molécula de glucosa (enórmemente superior a los 2 ATP obtenidos por la vía fermentativa).
4. Catabolismo de los lípidos
En los animales las grasas tienen gran importancia como combustible metabólico, puesto que poseen un alto valor calórico. Baste como ejemplo saber que 1 gramo de grasa puede proporcionar hasta 9 kcal, mientras que 1 gramo de glúcidos sólo proporciona 4 kcal.
La 1ª etapa es la degradación de macromoléculas (como siempre):
a) Los triacilglicéridos son hidrolizados, por la acción de lipasas específicas, extracelularmente para formar ácidos grasos y glicerina.
b) Los fosfolípidos igualmente son hidrolizados para dar glicerina, ácidos grasos, H3PO4 y un compuesto alcohólico etc.
c) Los esteroides y terpenos no sufren una degradación metabólica sino que son desactivados funcionalmente y desechados.
En una 2ª etapa, estos monómeros siguen diferentes caminos:
a) la glicerina es un precursor de P-DHA, por lo que se transforma en ella y se incorpora al metabolismo de los glúcidos.
b) el ácido fosfórico se incorpora a las células donde se usará en procesos de intercambio energético.
c) los ácidos grasos se van a degradar en la matriz de la mitocondria, en una ruta metabólica que recibe el nombre de β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen.
4.1 Entrada de los ácidos grasos en la mitocondria
Como ya hemos dichos, la β-oxidación de los ácidos grasos se encuentra localizada en la matriz mitocondrial, por tanto los ácidos grasos tienen que penetrar al interior de la mitocondria, para lo cual utilizan una serie de transportadores localizados en la membranas mitocondriales (figura 9.18).
El proceso se realiza gracias a uno de los denominados sistemas de lanzadera o de naveta, sistemas multienzimáticos que actúan acopladamente a las membranas de la mitocondria, donde además se localizan una serie de transportadores específicos.
Este curso no vamos a estudiar el funcionamiento en detalle de este sistema de lanzadera por su complejidad pero sí hemos de saber que los ácidos grasos se van a convertir en Acil-CoA (con gasto de 2 ATPs) y llegar a la matriz mitocondrial donde va a degradarse mediante el proceso conocido como β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen.
4.2 β-oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen
La β-oxidación se desarrolla en cuatro etapas:
A) Oxidación por deshidrogenación del Acil-CoA en α-β. Es catalizada por la Acil-CoA-deshidrogenasa, que actúa ligada al FAD+, el cual se reduce captando dos átomos de hidrógeno y transformándose en FADH2. El Acil-CoA se transforma en un compuesto que recibe el nombre de Enoil-CoA.
B) Hidratación del Enoil-CoA para formar β-Hidroxiacil-CoA. Catalizada por la Enoil hidratasa.
C) Formación de β-Cetoacil-CoA, mediante la oxidación por deshidrogenación del β-Hidroxiacil-CoA. Catalizada por la β-Hidroxiacil-CoA deshidrogenasa que actúa ligada el NAD+, el cual se reduce captando dos átomos de hidrógeno y transformándose en NADH+H+.
D) Escisión del β-Cetoacil-CoA. Es catalizada por la β-oxotiolasa. Se separa una molécula de Acetil-CoA (que se incorporará al ciclo de Krebs), quedando un Acil-CoA con dos átomos de carbono menos, el cual comienza de nuevo la serie de reacciones de la hélice de Lynen.
De esta forma se van degradando los ácidos grasos, de manera que, dependiendo del número de átomos de carbono que tengan, darán más o menos vueltas en la ruta degradativa, hasta convertirse totalmente en moléculas de Acetil-S-CoA. En cada vuelta se desprenderán coenzimas reducidas, FADH2 y NADH+H+. Las moléculas de Acetil-S-CoA se incorporarán al ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Krebs) para continuar su degradación. Las coenzimas reducidas se incorporarán directamente a la cadena respiratoria para su degradación hasta agua y en el proceso se desprenderá energía en forma de ATP.
4.3 Balance energético de la degradación de los ácidos grasos
Según lo que acabamos de ver, la degradación completa de un ácido graso saturado de un número par de átomos de carbono rinde un número de moléculas de Acetil-S-CoA igual a la mitad del número de átomos de carbono que posee el ácido graso. Pero además da un número de vueltas en la Hélice de Lynen igual al (nº de átomos de C/2) – 1 y en cada vuelta se desprenden FADH2 y NADH+H+.
Tanto las moléculas de Acetil-S-CoA, que se incorporarán al ciclo de Krebs, como las coenzimas reducidas, que se incorporarán a la cadena respiratoria, seguirán su degradación.
Veamos un ejemplo:
¿Qué balance energético presentará el ácido palmitito, CH3-(CH2)14-COOH?
a) Primero tendrá que entrar en la mitocondria, consumiendo una molécula de ATP.
b) Una vez dentro estará en forma de palmitil-S-CoA, CH3-(CH2)14-CO-S-CoA.
c) Se incorpora a la Hélice de Lynen donde da un número de vueltas que se calcula mediante la siguiente fórmula:
Por lo tanto, al tener 16 átomos de carbono, el palmítico dará 7 vueltas en la Hélice de Lynen. En cada vuelta libera FADH2 y NADH+H+ así que rendirá 7 FADH2 y 7 NADH+H+.
d) Rinde un número de moléculas de Acetil-S-CoA que se calcula mediante la siguiente fórmula:
Por lo tanto dará lugar a 8 moléculas de Acetil-S-CoA. Cada molécula de Acetil-S-CoA se incorpora al ciclo de Krebs donde dará lugar a 3 (NADH+H+), FADH2 y ATP, luego, como son 8 moléculas de Acetil-S-CoA, se formarán 24 (NADH+H+), 8 FADH2 y 8 ATP.
e) Si se suman las coenzimas desprendidas en la Hélice de Lynen con las desprendidas en el ciclo de Krebs, nos quedan: 31 NADH+H+, que en la cadena respiratoria van a dar 93 ATP; 15 FADH2, que en la cadena respiratoria van a dar 30 ATP; y 8 ATP que se desprendieron en el ciclo de Krebs.
f) La degradación total del ácido palmítico genera 131 ATP, pero no debemos olvidar que, para entrar a la mitocondria, se había consumido dos ATP, luego el rendimiento total del ácido palmítico será de 129 ATP.
Si comparamos este rendimiento energético con el de la glucosa podemos ver que el ácido palmítico (16 C) rinde 129 ATP, mientras que la glucosa (6 C) rinde 36 ATP, es decir para conseguir el rendimiento del ácido palmítico necesitaríamos 3’61 moléculas de glucosa, es decir 21’66 átomos de carbono, luego los lípidos son más energéticos que los glúcidos.
Como el resto de las biomoléculas, las proteínas van a tener una 1ª fase catabólica en la que se van a hidrolizar los polímeros (las proteínas) hasta obtener los monómeros (los aminoácidos). Estas reacciones van a estar catalizadas por las enzimas hidrolíticas (proteasas) que hay en los lisosomas (siempre que hablemos de una digestión intracelular). Para los procesos de digestión extracelular podemos recordar lo estudiado el curso pasado en Nutrición sobre la digestión de las proteínas en el aparato digestivo.
Los aminoácidos que se liberan van a ser usados en la mayoría de las ocasiones para formar nuevas proteínas pero, en ocasiones, pueden ir a otras rutas metabólicas e incluso ser oxidados para obtener energía (2ª fase catabólica). Sin embargo esta última opción es rara y solo suele ser importante en casos de carencia de glúcidos y lípidos.
Los aminoácidos que se liberan van a ser usados en la mayoría de las ocasiones para formar nuevas proteínas pero, en ocasiones, pueden ir a otras rutas metabólicas e incluso ser oxidados para obtener energía (2ª fase catabólica). Sin embargo esta última opción es rara y solo suele ser importante en casos de carencia de glúcidos y lípidos.
El problema de usar los aminoácidos como fuente de energía no es su esqueleto carbonado (que dependiendo de su número de carbonos se incorpora a las rutas ya vistas como un intermediario u otro) si no como procesar el grupo amino que formaría NH4+ (muy tóxico).
Los animales acuáticos (animales amoniotélicos) pueden eliminar el amonio directamente al tener un suministro ilimitado de agua en el que disolverlo lo suficiente como para ser inocuo. Los animales terrestres no tienen ese lujo y deben convertir ese amonio en sustancias mucho menos tóxicas y que, por lo tanto, requieren de mucha menos agua para su eliminación. Como estudiamos el año pasado podemos distinguir entre animales ureotélicos (forman la urea que eliminan por la orina) y animales uricotélicos (forman ácido úrico que eliminan por las heces al no ser una sustancia líquida).
Por falta de tiempo no vamos a estudiar este curso las reacciones de interconversión de aminoácidos, las reacciones de desaminación ni las reacciones de formación de la urea y el ácido úrico pero podéis echarle un vistazo en la siguiente presentación:
Los nucleótidos que se liberan van a ser usados en la mayoría de las ocasiones para formar nuevos ácidos nucleicos pero, en ocasiones, pueden hidrolizarse en sus tres componentes (pentosa, fosfórico y base nitrogenada).
La pentosa se incorporaría al catabolismo de los glúcidos y el fosfórico sería excretado o reciclado en procesos anabólicos.
El catabolismo de las bases nitrogenadas es más complejo y las bases púricas son convertidas en ácido úrico y las pirimidínicas en amoniaco o urea.
No hay comentarios:
Publicar un comentario