© Mario Izquierdo
La fase del metabolismo en la cual, las moléculas más complejas se sintetizan a partir de moléculas sencillas, se denomina 'anabolismo'. Por ejemplo, las moléculas de 2 ó 4 átomos de glicerol y aminoácidos, a partir de estos elementos pueden formarse polisacáridos, lípidos y ácidos maleicos. Por otro lado, las moléculas relativamente complejas, pueden degradarse y dar lugar a complejos con menor energía, a este proceso se le conoce con el nombre de 'catabolismo'. Durante el catabolismo se libera energía, y las moléculas dan lugar a productos como el CO2, NH3 y H2O, en cambio en las reacciones del anabolismo se gana enegía.
Rutas del metabolismo
digestión
Ingestión ----> Macromoléculas ingeridas -------> Productos digestivos
(Polisacáridos, etc) (Azúcares,etc) ¦
+--------------------------------------------------------------------+
¦ Catabolismo I Catabolismo II
+> ------------->Metabolitosinter- --------------> Productos inorgá-
mediarios. (Acetil nicos.(CO4,H2O).
-Co-A).
+--- Energía ATP ---+
Anabolismo II¦ Precursores ¦Anabolismo I
+--> de macromo- <--+
Macromoléculas <------------ léculas. (Azúcares,etc)
(Almidón,etc)
La glucosa que proporciona comúnmente en los organismos, su degradación se realiza en dos etapas:
Las células poseen los componentes enzimáticos que permiten catabolizar la glucosa sin O, a este proceso se le conoce con el nombre de 'glucólisis'. La descomposición de la glucosa por la glucólisis, consiste en una serie de reacciones enzimáticas paralelas, además de las enzimas se requieren 2 coenzimas, una el ATP y la otra el NAD.
El ATP es un nucleótido formado por un azúcar, que es una pentosa, una base nitrogenada, la adenina y tres grupos fosfato:
NH3
¦
C N
// \ / \\
N C \\
¦ ¦ CH
OH OH OH HC C //
¦ ¦ ¦ \\ / \ //
OH - P N O - P N O - P - O - CH O N N
¦ ¦ ¦ ¦ / \ /
O O O ¦ / \ /
C H H C
\ ¦ ¦ / \
C---C H
¦ ¦
OH OH
Los enlaces entre los grupos fosfato, se llaman enlaces de alta energía porque producen una elevada cantidad de energía libre, cuando se rompen por hidrólisis, puede dar lugar a la eliminación de un grupo fosfato, obteniéndose ADP, o la eliminación de dos grupos fosfato, obteniendo AMP. La pérdida de cada grupo fosfato, produce 7,3 Kcal/mol
El otro compuesto que interviene en la glucólisis es el NAD, que está formado por dos nucleótidos unidos de forma covalente. Se diferencian entre sí por la base, que en uno es la Adenina, y en el otro la Nicotinamida:
H
¦
C O
// \ ¦
HC C - C - NH2
HO - P - O - CH2 ¦ ¦
¦ ¦ HC CH
+-----------------+ ¦ \ //
¦ NH2 ¦ N+
¦ ¦ ¦ O ¦
¦ C N ¦ / \ ¦
¦ // \ / \\ ¦ / \ ¦
O N C \\ ¦< H H >¦
¦ ¦ ¦ CH H \ ¦ ¦ / H
¦ HC C / C---C
¦ \\ / \ / ¦ ¦
¦ N O N-+ OH OH
¦ / \ ¦
¦ / \ ¦
HO - P - O - CH2 H H H O
¦¦ \ ¦ ¦ / ¦
O C---C +> OH - P - O ----> NADP
¦ ¦ ¦ ¦
OH OH -----------+ OH
En otras reacciones redox de la célula, se utiliza un compuesto parecido al NAD, que se nombra igual, solo que al final se le añade fosfato, reduciéndose de la misma forma que el NAD. En la glucólisis, la molécula de 6 átomos de carbono de glucosa de divide, dando un compuesto de 3 átomos de carbono, conocido como 'ácido pirúvico'.
La molécula de nicotinamida puede presentar un N, por eso a veces tiene NAD, y también la molécula puede reducirse dando dos electrones:
- En el primer paso de la glucólisis, un grupo fosfato se transfiere a la glucosa, dando glucosa 6 fosfato, en una reacción en la que interviene la enzima 'hexocinasa'.
ATP ADP
¦ ¦
+-----+
Glucosa -------------------> Glucosa 6 fosfato
¦
¦
Hexocinasa
- En el segundo paso de la glucólisis, la molécula producida se organiza, dando un anillo pentagonal que corresponde a la fructosa.
Fosfoglucoisomerasa
¦
¦
v
Glucosa 6 fosfato ------------------------> Fructosa 6 fosfato
CH2 - P O
¦__________ / \
/ \ CH2 O-P >CH2OH
\___________/ \___/
- En el tercer paso de la glucolisis se utiliza ATP, cediendo un grupo fosfato a la fructosa, la enzima que actúa es la 'fosfofructocinasa', que es alostéica, siendo su efector alostérico el ATP, que puede actuar inhibiendo a la enzima. Este proceso es un mecanismo regulador de la cantidad de Glucosa y ATP que hay en la célula. Cuando la cantidad de ATP es elevada inhibe a la enzima y se conserva la concentración de glucosa en términos relativos, si disminuye el ATP, la enzima actúa y se degrada la Glucosa.
Fosfofructocinasa
¦
v
Fructosa 6 fosfato ------------------------> Fructosa 1,6 difosfato
+-----+ O
¦ ¦ / \
ATP ADP CH2-O-P-< >-CH2-O-P
\___/
- En el cuarto paso, la fructosa se divide en dos moléculas, cada una formada por tres átomos de carbono, utilizándose la enzima 'aldosa'. Las dos moléculas que se producen son interconvertibles una en otra por la acción de una enzima, la 'isomerasa', aunque la molécula que va a utilizar en el proceso es el gliceraldehido fosfato, por lo que la otra molécula se transforma en él:
+
CH2 - O - P ¦
¦ ¦
+--------> C = O ¦
¦ ¦ ¦
¦ CH2 OH ¦ 2
¦ ¦ ¦ P
Aldosa ¦ ¦ ¦ G
Fructosa 6 fosfato -------------¦ ¦ ---------> Isomerasa¦ A
¦ ¦ ¦ L
¦ ¦ ¦
¦ CH2 - O - P ¦
¦ ¦ ¦
+--------> CH OH ¦
¦ ¦
C = O ¦
¦ ¦
H ¦
+
Estos cuatro pasos componen las reacciones preparatorias de la glucolisis, en la que se utiliza energía que viene suministrada por el ATP.
- Quinto paso. Las moléculas de gliceraldehido fosfato se oxidan y ceden átomos de hidrógeno que reducen el NAD a NADH. También en esta reacción se une fosfato inorgánico al gliceraldehido fosfato que se encuentra de forma soluble en el citoplasma, y se da una unión igual a la que existe entre los fosfatos del ATP:
Pi NAD NADH CH2 - O - P
¦ ¦ ¦ ¦
¦ +---+ CH OH
PGAL --------------------> ¦
¦ C = O
Triosa fosfato des- ¦
hidrogenasa. O - N - P
Pi = Fosfato inorgánico. 1,3 difosfoglicerato.
En este paso se almacena energía, en el enlace de alta energía del grupo fosfato.
- Sexto paso. El compuesto formado (DPGA) cede el grupo fosfato, que ha adquirido, a una molécula de ADP, y se forman en total 2 moléculas de ATP a partir de una molécula de glucosa:
ADP ATP 3 CH2 - O - P
¦ ¦ ¦
+----+ 2 CH OH
DPGAL -------------------------> ¦
¦ 1 C = O
Fosfogliceratocinasa ¦
OH
Acido 3 fosfoglicérido
- Séptimo paso. El grupo fosfato se transfiere de la molécula, de la posición 3 a la 2:
3 CH2 OH
¦
2 CH - O - P
Acido 3 fosfoglicérido ----------------------> ¦
¦ 1 C = O
Fosfoglicerocetosa ¦
OH
Acido 2 fosfoglicérico
- Octavo paso. Se libera una molécula de H2O y se concentra energía en el grupo fosfato:
CH2
¦
C - O - N - P + H2O
Acido fosfoglicérico ----------------------> ¦
¦ C = O
Enolasa ¦
OH
Acido fosfoenolpirúvico (PEP)
- Noveno paso. El grupo fosfato se transfiere a una molécula de ADP y se obtiene ATP y ácido pirúvico:
ADP ATP CH3
¦ ¦ ¦
+----+ C = O
PEP -------------------------> ¦
¦ C = O
Piruvatocinasa ¦
OH
Acido pirúvico.
En conjunto, en estos nueve pasos, una molécula de glucosa se ha convertido en 2 moléculas de ácido pirúvico, y se ha obtenido en energía 2 moléculas de ATP y 2 de NADH. Este proceso se verifica en todos los seres vivos, desde los procariontes hasta los superiores.
El ácido pirúvico se transforma por tres vías distintas: dos son anaerobias y la otra aerobia, conocida esta última como respiración celular. Las dos vías anaerobias se denominaron 'fermentación del ácido láctico' y 'fermentación alcohólica'.
En esta, el ácido pirúvico se transforma en ácido láctico, el NADH se oxida y el ácido pirúvico se reduce:
CH3 NADH NAD+ CH3
¦ ¦ ¦ ¦
Acido C = O +----+ H - C - OH Acido
pirúvico. ¦ -------------------------> ¦ láctico.
C = O C = O
¦ ¦
OH OH
La formación de ácido láctico se puede deber a la acción de varios tipos de organismos, y tiene lugar cuando la concentración de oxígeno es baja o no hay oxígeno. Este proceso ocurre en las células musculares sometidas a un esfuerzo continuado en el que la glucólisis continúa utilizando la glucosa que existe en el músculo, pero el ácido pirúvico no entra en la vía aerobia de la respiración, sino que da ácido láctico, el cual reduce el pH del músculo, determinando la capacidad de contracción de las fibras, produciendo fatiga muscular. El ácido láctico formado llega por vía sanguínea al hígado, y cuando la concentración de oxígeno aumenta por la intensificación de la respiración tras el esfuerzo, existe un baja en la demanda de ATP, entonces el ácido láctico se reconvierte en ácido pirúvico. El objeto de la formación de ácido láctico es por un lado dar NAD, necesario para la glucólisis, y por otro lado conservar una parte de la energía procedente de la glucosa, y formar una fuente de ATP necesaria para las células que no tienen oxígeno en un momento dado.
El ácido pirúvico se transforma en etanol:
CO2 CH2 NADH NAD+
¦ ¦ +---+
ác. pirúvico ----------> C = O -----------> CH2
¦
H
acetaldehido
Este proceso se realiza sobre todo en las levaduras que convierten el jugo de fruta en vino, transformándose la glucosa en etanol, cuando el azúcar inicial se agota, las células de levadura dejan de funcionar, habiendo podido obtener una concentración máxima del 17% de alcohol.
Consiste en la oxidación gradual del ácido pirúvico, para dar CO2 y H2O, en presencia de O. Posee dos características:
Estas dos características, en las células eucariontes se realiza en las mitocondrias. Existen tres etapas en la respiración celular: la primera etapa es preliminar y se realiza la oxidación del ácido pirúvico; la segunda etapa conocida como el 'Ciclo de Krebs' del ácido cítrico; la tercera se denomina transporte terminal de electrones.
- 1ª Etapa.- Consiste en que el ácido pirúvico, atraviesa las membranas mitocondriales, y antes de entrar en el 'Ciclo de Krebs' se oxida. Los átomos de carbono y oxígeno se liberan en forma de CO2 y el hidrógeno reduce el NAD a NADH, de esta forma se obtiene un grupo acetilo, que se une a un compuesto denominado Co-A, obteniéndose Acetil Co-A. La Co-A se compone de un nucleótido y una vitamina, llamada 'Acido pantoténico'.
CH2 NAD NADH
¦ ¦ ¦ CH2
C = O +----+ ¦
¦ -------------------------> CO2 + C = O
C = O ¦ ¦
¦ Co-A Co-A
O Acetil Co-A.
- 1º Paso del Ciclo de Krebs. La Acetil Co-A se une al oxalacético para dar una molécula de Co-A, y se consume una molécula de H2O:
Acetil Co-A Acido Oxalacético
¦ ¦
+-------------------------------------¦ I
¦
v
CO2 + Co-A + Acido Cítrico
- 2º Paso. El ácido cítrico, mediante dos reacciones se transforma en ácido isocítrico, después, en un paso siguiente, se produce una oxidación en la que se obtiene CO2, se reduce el NAD a NADH, y se obtiene ácido alfa-cetoglutárico.
NADH NAD+
¦ ¦
+---+ II
alfa-cetoglutárico <-------- Acido isocítrico <-------- Acido cítrico
/ III
CO2
- 4º Paso. El ácido alfa-cetoglutárico se oxida, dando CO2 y NADH, se producen 8 Kcal que se utilizan en la formación de ATP, esto tiene lugar mediante un proceso en el que un grupo fosfato se une a un nucleótido, denominado 'Guanosina Difosfato' (GDP), este a su vez se transforma en 'Guanosina Trifosfato' (GTP), cediendo un grupo fosfato terminal al ADP, para formar finalmente ATP:
ATP ADP
¦ ¦
+-<-+
+---->----+
GTP GDP
¦ ¦ H2O
¦ ¦ /
+----<----+ /
Ac. succínico <---------------------------- Ac. alfa-cetoglutárico
/ IV
CO2
- 5º Paso. El ácido succícinico se transforma en ácido fumárico, también por un proceso de oxidación, en este caso la 'Flavina Adenina Dinucleotido' (FAD), que es un compuesto que contiene 'Riboflavina', que es la vitamina B2 (esta vitamina es frecuente y se elabora en muchas plantas y organismos).
V
Ac. succínico ----------------------------> Ac. fumárico.
+-----+
¦ ¦
¦ ¦
FAD FADH2
- 6º Paso. Se inserta una molécula de H2O, produciéndose 'Acido Málico', el cual en el siguiente paso se oxida dando 'Acido Oxalacético'. El NAD se reduce.
H2O
\
\
Ac. fumárico ------------> Ac. málico --------------> Ac. oxalacético
VI +----+
¦ ¦
NAD+ NADH
Y así se cierra el ciclo.
En el Ciclo de Krebs, la energía liberada por la oxidación de los enlaces C - H, y C - C, se utilizan para formar ATP y reducir NAD y FAD. En cada ciclo se forma:
+-------+
¦1 ATP ¦
¦3 NADH ¦
¦1 FADH2¦
+-------+
Todos los protones y electrones retirados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD y el FAD.
Ac. Oxalacético + Acetil Co-A + ADP + Pi + 3 NAD+ + FAD ----------+
+---------------------------------------------------------------------+
+-> Ac. Oxalacético + 2 CO2 + Co-A + ATP + 3 NADH + FADH2 + 3 H+ + H2O
- Cadena de transporte electrónico :
Este proceso tiene lugar en las mitocondrias. Consiste en la transferencia de electrones al oxígeno, para dar H2O, así se completa la respiración celular, en la que el ácido acético es totalmente oxidado y convertido en CO2 y H2O. La mayor parte de la energía que proviene de la glucosa permanece en forma de electrones que han pasado los portadores NAD y FAD en sus formas reducidas. Para ganar energía estos portadores podrían oxidarse y si la oxidación se realiza directamente con oxígeno, existe un gran desperdicio de energía libre en forma de calor. Por esto, en las mitocondrias, los electrones pasan a través de una cadena de sustancias redox, cada una de estas se reduce al recibir un par de electrones, y se oxida al pasar estos a otra sustancia de la cadena, con electronegatividad más alta, produciendo en cada transferencia energía libre. Estas sustancias forman la cadena de transporte electrónico.
En el proceso se regenera NAD que va al citoplasma y participa en la glucólisis. Los componentes principales de la cadena de transporte electrónico son los 'citocromos', que son proteinas que tienen un anillo de parafina, parecido al grupo hemo con un átomo de hierro, este átomo acepta y libera un electrón pasando al siguiente citocromo y así suscesivamente hasta llegar al oxígeno.
La energía producida se utiliza para formar ATP a partir de ADP, en un proceso denominado 'fosforilación oxidativa'. Por cada dos electrones del NADH que pasan al oxígeno, se forman tres moléculas de ATP, y por cada dos electrones del FADH2, se forman dos moléculas de ATP. Al final los elctrones se aceptan por el oxígeno que se combina con un protón que hay en el medio, para formar H2O.
Además de los citocromos en la cadena de transporte electrónico, interviene el FMN (Flavín Mononucleotido) y la Co-Q, los cuales transfieren electrones y protones, mientras que los citocromos solo transfieren electrones. Los electrones transportados por el NADH entran en la cadena cuando se tansfieren a la FMN, y los electrones transportados por el NADH2 entran en un paso más avanzado de la cadena, a nivel de la Co-Q:
NADH NADH2
¦ ¦
+-----------+ _+-->+---> --+ _ +>+---> --+ _ +---> --+
¦ Ciclo ¦ 2e ¦ ¦ 2e ¦ ¦ 2e ¦ ¦
¦ de ¦ --------> ¦ FMN ¦ ------> ¦ Co-Q ¦ -----> ¦ Cit. ¦ +
¦ Krebs ¦ ¦ ¦ _ ¦ ¦ ¦ b ¦ ¦
+-----------+ +-- <---+ 2e +-- <---+ +-- <---+ ¦
+-------------------------------------------------------------------+
¦ +---> --+ _ +---> --+ _ +---> --+
¦ ¦ ¦ 2e ¦ ¦ 2e ¦ ¦+---> H2O
+> ¦ Cit. ¦ ---------> ¦ Cit. ¦ ---------> ¦ Cit. ¦¦
¦ t ¦ ¦ a ¦ ¦ a3 ¦+---> ½ O2
+-- <---+ +-- <---+ +-- <---+
- Fosforilación oxidativa:
En la fosforilación oxidativa el potencial de transferencia de electrones del NADH y del FADH2, se convierte en potencial de transferencia de fosfato al ATP. En tres pasos de la cadena respiratoria, se produce una mayor liberación de energía. Uno es el de la FMN a Co-Q, otro es el paso del citocromo b al citocromo c, y otro el paso del citocromo a al a3. En cada uno de estos pasos la energía se utiliza para fosforilar un ADP, dando ATP.
Hasta hace poco se creía que la fosforilación se producía de forma enzimática en estos puntos de la cadena de transporte electrónica mediante intermediarios. No se pudieron aislar estos compuestos ni las enzimas que intervenían.
Una teoría que puede explicarlo es la 'Quimiosmótica'. La fosforilación incluye procesos químicos y de transporte a través de una membrana de permeabilidad selectiva, y ocurren dos procesos fundamentales: un gradiente de protones a través de la membrana interna de la mitocondria, y una liberación de energía almacenada en el gradiente y su captura para formar ATP a partir de ADP y grupos fosfato (P):
La ATP-Sintetasa representa un conducto para el paso de protones desde el interior de la membrana mitocondrial, hacia la matriz mitocondrial, que está formada por dos factores de estructura proteica, el f0 y f1. F0 se incluye en la membrana mitocondrial interna, y se supone que posee un conducto para el paso de protones. F1 es una estructura formada por 9 subunidades polipeptídicas, se unen al f0 en el lado de la membrana mitocondrial que está al lado de la matriz. A medida que los protones siguen el gradiente electroquímico, hacia la matriz mitoncondrial, pasando por f0 y f1, la energía libre emitida propulsa la síntesis de ATP.
- Glucólisis ------------> 2 ATP
- Oxidación 2 PGAL ------> 4 ATP
+ +
¦2 Ac. Pirúvico. ¦
- Oxidación NAD --------> ¦2 Ac. Isocítrico. ¦ 24 ATP
¦2 Ac. a-Cetoglutár. ¦
¦2 Ac. Málico. ¦
+ +
+ +
¦2 Ac. Succínico. ------> 4 ATP¦
- Oxidación FAD --------> ¦2 Ac. a-Cetoglutárico -> 2 ATP¦ 6 ATP
+ +
+--------------+
¦ TOTAL 36 ATP ¦
+--------------+
Activación
+--------------------->-------------------+
¦ +---> Anabolismo >--+ ¦
Glucosa <-----> Glucosa 6 fosfato <-----> Glucosa 1 fosfato Glucógeno
¦ +---< Catabolismo <-+
+- Fosfofructocinasa¦
¦ +-> Fructosa 1,6 difosfato -+
¦ ¦
¦+----------------------------------------------+
¦¦
¦+>3 Fosfogliceraldehido ---> Ac. Fosfoenolpirúvico <--> Ac. Pirúvico+
¦ (PGAL) (PEP) ¦ ¦
¦ Gli,Ser,Ala,Cis.¦
¦ ADP ---> ATP ¦
+----------------------------------------+ ¦
Retroinhibición ¦ ¦
¦ ¦
+----------------------------------------+---------------------------+
¦ ¦
¦ v
+>Ac. grasos. Fen,Leu,Ileu,Tre+--> Ac. Cítrico >--+
\ / Lis,Trp,Tir. ¦ Ac. alfa-Cetoglutárico
Acetil Coenzima A -------->¦ ¦ ¦
¦ ¦ Glu,Arg,His
Ac. Oxalacético ¦ Pro,Gln.
¦ ¦ Ac. Succínico
Asp,Asn ¦ ¦ ¦
+-< Ac. Fumárico <--+ Val,Met,Ileu
¦
Fen,Tir
Uno de los pasos más importantes de la respiración, abarca desde la Glucosa 6 fosfato a la Fructosa 1,6 difosfato que es catalizada por la enzima 'Fosfofructocinasa'. Sobre esta enzima actúan dos sustancias, por un lado el ADP, donde un aumento de la concentración acelera la actividad de la enzima, mientras que si aumenta la concentración de ATP, disminuye su actividad. Por tanto, es un fenómeno de autorregulación. Por otro lado, el ácido cítrico acumulado inhibe la actividad de la enzima y por consiguiente la actividad de la fructosa 1,6 difosfato.
La glucólisis y la respiración celular, transforman la energía libre de los alimentos en energía almacenada en los enlaces de alta energía del ATP. Por otro lado, el ATP se utiliza como fuente de energía en los siguientes procesos:
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