Anabolismo

Anabolismo: síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas; para ello utiliza la energía almacenada en el ATP.

Clasificación según la fuente de carbono

• Metabolismo autótrofo: la fuente de carbono es el CO2 atmosférico (C inorgánico).
• Metabolismo heterótrofo: la fuente de carbono son biomoléculas orgánicas.

Catabolismo

Catabolismo: fase degradativa del metabolismo celular, en la que se libera energía. Las moléculas orgánicas se transforman en otras más sencillas para dar lugar a productos finales, muchos de los cuales son productos de excreción. La energía liberada se almacena en los enlaces del ATP y posteriormente se utiliza para diversas funciones celulares.

Las reacciones catabólicas son reacciones redox: son reacciones de transferencia de electrones en las que la sustancia que se oxida pierde electrones y la que se reduce los acepta. El agente reductor cede electrones y el agente oxidante los acepta.

En el catabolismo por respiración la liberación de energía es gradual y en forma de energía química:

• Reacciones sucesivas.
• Transporte de H+.
• Cadena de transporte de electrones.

Tipos de catabolismo

• Respiración: interviene la cadena de transporte de electrones, que transfiere electrones de un compuesto orgánico inicial a un compuesto inorgánico final.
  • Aeróbica: el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular.
  • Anaeróbica: el aceptor final de electrones no es el oxígeno.
• Fermentación: no interviene la cadena de transporte de electrones; el producto final es un compuesto orgánico.

Catabolismo de glúcidos

Catabolismo de glúcidos: puede ocurrir por respiración o por fermentación. En el aparato digestivo, los polisacáridos se degradan hasta disacáridos y luego a monosacáridos. También las reservas de glucógeno del tejido muscular pueden hidrolizarse hasta glucosa.

Glucólisis

Glucólisis (ruta metabólica de Embden-Meyerhof): se produce en el citoplasma de la célula. La glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico y la energía liberada se utiliza para sintetizar 2 moléculas de ATP mediante una fosforilación a nivel de sustrato. Se lleva a cabo en nueve etapas.

La glucólisis es el primer paso en la degradación de la glucosa para extraer energía para el metabolismo celular. Consta de una fase que requiere energía, seguida de una fase que la libera.

Catabolismo de proteínas

Catabolismo de proteínas: los aminoácidos procedentes de la digestión de los alimentos proteicos se utilizan para sintetizar proteínas, pero si se encuentran en exceso se usan como fuente de energía. Ocurren tres procesos principales:

1. Separación de grupos amino. Ocurre en dos etapas:
   • Transaminación: transferencia del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido.
   • Desaminación oxidativa: separación del grupo amino de un aminoácido y su liberación al medio en forma de NH3. Se regenera el α-cetoglutárico.
2. Transformación del resto carbonado: el resto resultante se transforma en ácido pirúvico, acetil-CoA o en algún compuesto del ciclo de Krebs. La cadena hidrocarbonada será completamente degradada.
3. Eliminación de los grupos amino: forman NH3 que en agua se convierte en NH4+. Como el NH4+ es muy tóxico debe ser eliminado o transformado en otras sustancias.

Respiración

Respiración: durante este proceso la célula utiliza como combustible moléculas orgánicas que se oxidan hasta CO2 y H2O en presencia de O2. Ocurre en la mitocondria y comprende dos procesos principales: el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

Ciclo de Krebs

Ciclo de Krebs (también conocido como ciclo de los ácidos tricarboxílicos): tiene lugar en la matriz mitocondrial. Los acetil-CoA se incorporan al ciclo transfiriendo su grupo acetilo al ácido oxalacético, que se transforma en ácido cítrico. A partir de él se suceden una serie de reacciones en las que se degradan completamente los grupos acetilo en CO2.

En cada vuelta del ciclo de Krebs se obtienen:

• 2 CO2
• 3 NADH + 3 H+
• 1 FADH2
• 1 GTP

Los NADH y FADH2 se incorporan a la fosforilación oxidativa. Como en la glucólisis por cada glucosa se forman 2 moléculas de ácido pirúvico, son necesarias 2 vueltas del ciclo de Krebs para la degradación completa de 1 molécula de glucosa.

Fosforilación oxidativa

Fosforilación oxidativa: es la segunda y última etapa de la respiración. Tiene lugar en la membrana mitocondrial interna y es el mecanismo de síntesis de ATP en la respiración, gracias a la oxidación de los coenzimas reducidos NADH y FADH2 producidos en las etapas anteriores. Se distinguen dos procesos:

1. Transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria está formada por moléculas ordenadas en la membrana interna de las mitocondrias. Cada molécula acepta electrones de la anterior y los transfiere a la siguiente. Los electrones proceden de NADH y FADH2, que se convierten en NAD+ y FAD.

La cadena está formada por seis componentes: los grandes complejos proteicos I, II, III y IV situados en la membrana; la ubiquinona (coenzima Q), capaz de desplazarse por la bicapa lipídica y transportar electrones de los complejos I y II al complejo III; y el citocromo c, localizado en la cara interna de la membrana, que transporta electrones del complejo III al IV, que también contiene citocromos. La energía liberada por los electrones se utiliza en tres puntos concretos para bombear H+ desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

2. Quimiosmosis

Si la concentración de H+ en el espacio intermembrana es elevada, los protones vuelven a la matriz a través de los canales de las ATP sintasas. Estas sintasas tienen una parte móvil, formada por un rotor embutido en la membrana del cual sale un eje, y una parte estática que sobresale y soporta una estructura globosa formada por tres subunidades α y tres subunidades β. El paso de protones hace girar el rotor, lo que provoca la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.

Se sintetizan aproximadamente 3 ATP cuando el NADH dona electrones al complejo I y aproximadamente 2 ATP cuando el FADH2 dona electrones al complejo II.

Fermentación

Fermentación: proceso catabólico en el que no interviene la cadena respiratoria. Sus características principales son:

• Es un proceso anaerobio: no se puede utilizar el O2 del aire como aceptor de electrones, a diferencia de la respiración aerobia.
• El aceptor final de electrones e H+ es un compuesto orgánico.
• Entre los productos finales siempre hay algún compuesto orgánico que caracteriza el tipo de fermentación.
• Sólo hay síntesis de ATP a nivel de sustrato; la baja producción energética se debe a que no intervienen las ATP sintasas.

Se distinguen varios tipos de fermentación según la naturaleza del producto final.

Fermentación alcohólica

Es la transformación del ácido pirúvico en etanol y CO2. Se produce cuando determinados hongos agotan el O2 disponible y deben seguir el catabolismo mediante fermentación. Los hongos son anaerobios facultativos: cuando hay O2 respiran y cuando no lo hay, fermentan. Los anaerobios estrictos son aquellos que no toleran el O2 y nunca llevan a cabo la respiración aerobia.

Fermentación láctica

Se forma ácido láctico a partir de la degradación de glucosa. Normalmente la llevan a cabo bacterias del género Lactobacillus, Streptococcus y Leuconostoc. También tiene lugar cuando un animal realiza un sobreesfuerzo físico y las células musculares quedan sin suficiente O2 para catabolizar por respiración el ácido pirúvico procedente de la glucólisis; entonces lo degradan a ácido láctico, que posteriormente es reconvertido en ácido pirúvico en las células hepáticas.

Catabolismo de lípidos

Catabolismo de lípidos: la principal vía metabólica de obtención de energía a partir de los lípidos es la oxidación de los ácidos grasos. Estos proceden de la hidrólisis de los triglicéridos, catalizada por lipasas que rompen los enlaces éster y separan los ácidos grasos de la glicerina.

La glicerina (glicerol) obtenida se combina con un grupo PO4 3- y pierde 2 H+, transformándose en dihidroxiacetona-3-fosfato. Este compuesto puede incorporarse a la glucólisis o servir para sintetizar glucosa.

Los ácidos grasos requieren la β-oxidación para su degradación completa.

β-oxidación de ácidos grasos

Los ácidos grasos deben entrar en la mitocondria. Como no pueden hacerlo directamente, se activan uniendo la molécula de ácido graso a la CoA (activación de ácidos grasos). El acil-CoA formado se une a la carnitina para atravesar la membrana mitocondrial interna (transporte mediante la lanzadera de la carnitina). La β-oxidación se inicia en la matriz mitocondrial y provoca la sucesiva eliminación de fragmentos de dos carbonos (acetil-CoA) de la cadena.

Transformación esquemática (representación del cambio en el carbono beta):

–COR–CβH2–CαH–CO–S–CoA → R–CβO–CαH–CO–S–CoA

El rendimiento energético de la entrada de un ácido graso en la mitocondria y su β-oxidación asociada a la respiración (ciclo de Krebs + cadena respiratoria) es muy elevado. Por ejemplo, el ácido palmítico (16 C) precisa 7 vueltas de β-oxidación. Los acetil-CoA producidos se incorporan al ciclo de Krebs y los FADH2 y NADH se incorporan a la cadena respiratoria. El balance energético estimado para el palmitato es de aproximadamente 129 ATP.