METABOLISMO CATABOLISMO DE GLCIDOS Y LPIDOS METABOLISMO GENERALIDADES

METABOLISMO: CATABOLISMO DE GLÚCIDOS Y LÍPIDOS

METABOLISMO: GENERALIDADES (I) Tipos de reacciones químicas: REACCIONES EXERGÓNICAS: 1. Espontáneas (ΔG < 0) 2. Reacciones de degradación. 3. Liberan energía. REACCIONES ENDERGÓNICAS: 1. No espontáneas (ΔG ˃ 0) 2. Reacciones de síntesis. 3. Requieren aporte de energía que puede provenir de: 3. 1. Energía solar. 3. 2. Energía liberada en las reacciones exergónicas. Conjunto de todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula y que le proporcionan la energía y materia necesarias para mantener y regenerar sus estructuras y realizar sus funciones vitales.

METABOLISMO: GENERALIDADES (II) Las reacciones químicas están catalizadas por enzimas diferentes y están ligadas, pues frecuentemente el producto de una es el sustrato de otra u otras. Se originan así secuencias de reacciones que reciben el nombre de rutas metabólicas (lineales, cíclicas o ramificadas), interconectadas en una compleja red. Dichas rutas se reúnen en dos grupos, catabólicas y anabólicas.

METABOLISMO: GENERALIDADES (III) Reacciones redox (oxidación-reducción, transferencia de energía y electrones) en las células: a) Oxidación: 1. Se ceden electrones y H+. 2. Son exergónicas pues liberan energía. 3. Degradación de moléculas orgánicas complejas en sencillas o inorgánicas. 4. La molécula que se oxida se denomina dador de electrones o agente reductor. b) Reducción: 1. Se captan electrones y H+. 2. Son endergónicas pues necesitan energía. 3. Síntesis de moléculas complejas a partir de sencillas o inorgánicas. 4. La molécula que se reduce se denomina aceptor de electrones o agente oxidante. Siempre que una molécula se oxida, cede electrones, otra los capta, se reduce, por lo que se dice que ambos procesos están acoplados (par redox)

METABOLISMO: GENERALIDADES (IV) CLASIFICACIÓN DE LOS ORGANISMOS EN FUNCIÓN DE SU METABOLISMO ORGÁNICO HETERÓTROFOS U ORGANÓTROFOS. FUENTE DE CARBONO INORGÁNICO AUTÓTROFOS O LITÓTROFOS. FUENTE DE ENERGÍA LUZ SUSTRATO OXIDABLE (Reacciones redox) FOTÓTROFOS QUIMIÓTROFOS FOTOORGANÓTROFOS, HETERÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS, FOTOHETERÓTROFOS. Bacterias rojas no sulfúreas. QUIMIOORGANÓTROFOS, HETERÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOS, QUIMIOHETERÓTROFOS. Animales, hongos, protozoos, mayoría de bacterias. FOTOLITÓTROFOS, AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS, FOTOAUTÓTROFOS. Plantas, algas, cianobacterias, bacterias rojas y verdes del azufre. QUIMIOLITÓTROFO, AUTÓTROFO QUIMIOSINTÉTICO, QUIMIOAUTÓTROFO. Bacterias del hidrógeno, incoloras del azufre, nitrificantes, férricas.

DIFERENCIAS ENTRE CATABOLISMO Y ANABOLISMO CATABOLISMO 1. 2. 3. 4. Fase degradativa: moléculas complejas y reducidas son degradadas a sencillas y oxidadas. Reacciones exergónicas, liberan energía, utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP + Pi. Reacciones de oxidación, liberan electrones y H+ , que se transportan en moléculas que actúan como transportadores electrónicos. Rutas convergentes, muchos compuestos iniciales se transforman en pocos productos finales. 1. Fase de síntesis: moléculas sencillas y oxidadas se transforman en complejas y reducidas. 2. Reacciones endergónicas, necesitan energía. 3. Reacciones de reducción, moléculas que ganan electrones y H+ , cedidos por los transportadores elctrónicos. 4. Rutas divergentes, pocos compuestos iniciales se transforman en muchos finales.

TRANSPORTADORES METABÓLICOS T. DE ENERGÍA ATP-ADP (1*), y otros como GTP NAD+- NADH (2*) TRANSPORTADORES METABÓLICOS NADP+- NADPH T. DE ELECTRONES FMN – FMNH 2(2*) FAD – FADH 2 T. DE GRUPOS Co. A, transporta grupos acilo

(1*) TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (I) 1. Los enlaces entre los grupos fosfatos de los nucleótidos di y trifosfato son ricos en energía pues la necesitan para contrarrestar las fuerzas de repulsión entre las cargas negativas de los fosfatos. 2. Cuando la célula necesita energía, estos enlaces se rompen, liberando dicha energía. 3. Destacan el ATP, ADP, GTP y GDP. La energía liberada puede utilizarse para: 1. Anabolismo: síntesis de biomoléculas. 2. Trabajo mecánico como movimiento. 3. Transporte activo a través de la membrana. 4. Transmisión del impulso nervioso. 5. Producción de otras formas de energía (calor, bioluminiscencia)

TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (II) (1) (2) (1) Reacción de síntesis de ATP acoplada a una reacción exergónica (libera energía) (2) Reacción de hidrólisis de ATP acoplada a una reacción endergónica (necesita energía) MECANISMOS DE SÍNTESIS DE ATP EN LA CÉLULA: 1. A nivel de sustrato, el grupo fosfato y la energía provienen de la hidrólisis de compuestos fosforilados, por ejemplo en la glucolisis. 2. Acoplada al transporte de electrones en las cadenas formadas por proteínas y coenzimas. Los electrones pierden energía que es utilizada por la ATP-asa para sintetizar el ATP. Se llama fosforilación oxidativa en la mitocondria (respiración), y fotofosforilación en el cloroplasto (fotosíntesis)

TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (III) OH OH OH ATP O HO — P — O — CH 2 O O O H ATP + H 2 O → ADP + Pi + energía (7, 3 kcal/mol) OH OH H H OH OH O ADP + H 2 O → AMP + Pi + energía (7, 3 kcal/mol) H OH H O Adenina H H OH OH HO — P — O — CH 2 O H ADP HO — P — O — CH 2 O Adenina O H Adenina H H OH OH H AMP

(2*) TRANSPORTADORES DE ELECTRONES Intervienen en las, reacciones metabólicas de oxidaciónreducción, transportando electrones, pudiendo encontrarse en su forma oxidada y reducida

CATABOLISMO En el catabolismo se produce la degradación de combustibles orgánicos, es decir moléculas complejas, ricas en energía, que se oxidan , cediendo electrones de unas moléculas a otras hasta un aceptor final con menor energía. Según este aceptor final tendremos la siguiente clasificación de las células: Clasificación celular según el aceptor final de electrones en la respiración ANAEROBIA ESTRICTA: FACULTATIVA: AEROBIA: oxígeno Compuesto orgánico Oxígeno, si escasea (oxígeno nocivo) compuesto orgánico

CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS Glucosa, principal combustible utilizado por los seres vivos pues: 1. Fácil de degradar, no deja residuos. 2. Fácil de almacenar, ocupa poco espacio. Fotosíntesis AUTÓTROFOS Gluconeogénesis (hasta de ácidos grasos) Hidrólisis Almidón PROCEDENCIA GLUCOSA Alimento HETERÓTROFOS Gluconeogénesis (excepto de ácidos grasos) Hidrólisis Glucógeno (1*)

(1*) GLUCOGENOLISIS • Degradación del glucógeno a glucosa en el citosol. • Intervienen tres enzimas: 1. GLUCÓGENO FOSFORILASA: rompe enlaces O-glucosídicos del extremo no reductor mediante fosforilisis (introducción de fosfato inorgánico). Se obtienen glucosas-1 -fosfato. 2. α(1→ 6) GLUCOSIDASA, dos actividades: a. Transferasa: transfiere 3 glucosas a un extremo no reductor. b. Desramificante: rompe la ramificación α(1→ 6) 3. FOSFOGLUCOMUTASA: convierte la glucosa-1 -fosfato en glucosa-6 -fosfato. 1 Glucógenofosforilasa 2 a b) 3 fosfoglucomutasa

CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS La oxidación de la glucosa no se produce directamente sino que requiere varias fases: 1. Glucolisis, rinde ATP y ácido pirúvico. 2. Oxidación del ácido pirúvico, de dos formas: a) Fermentación. b) Respiración. Glucólisis 1 2 2 3 4 El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica 1 4 3

OXIDACIÓN GLUCOSA (a*)Paso Ácido pirúvico a Acetil. Co. A (2*) RESPIRACIÓN AEROBIA: Oxidación total (b*) Ciclo Krebs GLUCÓLISIS (1*) (3*) FERMENTACIÓN: Oxidación parcial (c*) Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

(1*) GLUCÓLISIS (VÍA DE EMBDER-MEYERHOF) (I) • • • 1. Proceso catabólico. En el citoplasma. Conjunto de reacciones que degradan una molécula de glucosa (6 C) a dos moléculas de ácido pirúvico (3 C) Por cada molécula de glucosa se obtienen 2 ATP y 2 (NADH + H+) Común a la respiración y fermentación, no necesita oxígeno. Dos fases: Fase A, preparatoria o de 6 C: activación de la glucosa que se convierte en Gliceraldehído-3 -P ( 2 moléculas) consumo de ATP (2 moléculas) 1 Glucosa + 2 ATP → 2 Gliceraldehído-3 -P + 2 ADP 2. Fase B, de beneficios o de 3 C: el Gliceraldehído-3 -P se convierte en Ácido Pirúvico, con producción de 1 NADH, 2 ATP, 1 H 2 O por cada uno. 2 Gliceraldehído-3 -P + 2 NAD+ + 2 Pi + 4 ADP → 2 Ácido Pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 H 2 O + 4 ATP

GLUCÓLISIS (VÍA DE EMBDER-MEYERHOF) (II) Fosforilación a nivel de sustrato 1 (1*) 10 (1*) 9 2 8 GLUCÓLISIS 3 4 (1*) 5 7 6 (1*) Fosforilación a nivel de sustrato: un sustrato que contiene un grupo fosfato se lo cede al ADP formándose ATP (reacciones 7 y 10)

REACCIÓN GLOBAL DE LA GLUCÓLISIS (III) 2 NADH+2 H+ + 2 H 2 O + 2 Pi Dos puntualizaciones: 1. Si la glucosa viene de la glucogenolisis, ya está fosforilada, pues se obtiene glucosa-6 -fosfato, luego el ATP de la primera reacción de la glucolisis no se necesita por lo que esta rinde un ATP más, 3 en vez de 2. 2. El NADH debe volver a oxidarse para tener NAD+ suficiente para seguir degradando glucosas. Este se obtiene tanto en la respiración como en la fermentación.

(2*) RESPIRACIÓN AEROBIA: FASES B Respiración aerobia: 1 Descarboxilación NADH + H+ y FADH 2 Glucolisis A 1 oxidativa del ácidopirúvico a acetil. Co. A (matriz mitocondrial eucariota, citosol procariota) (a*) 2 NADH + H+ Acetil-Co. A Respiración aerobia 3 B Glucólisis (citosol A procariotas y eucariotas) 2 Ciclo de Krebs (matriz mitocondrial eucariota, citosol procariota) (b*) 3 Transporte electrónico en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa (membrana plasmática procariotas, crestas mitocondriales eucariotas) (c*)

(a*) DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO PIRÚVICO Piruvatodescarboxilasa-oxidasa + H+ Por cada pirúvico se obtiene un acetil. Co. A, un NADH + H+ y un CO 2 , pero debemos tener en cuenta que por cada glucosa se obtienen dos pirúvicos. Debido a la elevada estabilidad del Acetil. Co. A no se oxida directamente en la célula sino que lo hace mediante el ciclo de Krebs.

(b*) CICLO DE KREBS (I) El acetil. Co. A que penetra en el ciclo de Krebs es un punto de conexión de diferentes rutas catabólicas ya que proviene de la degradación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.

CICLO DE KREBS (II) H 2 O

CICLO DE KREBS (III) • Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. • En la matriz mitocondrial. • Oxidación total del acetil. Co. A. • Dos fases, por cada acetil. Co. A (se producen 2 por glucosa): 1. Descarboxilativa, se producen dos descarboxilaciones oxidativas, con desprendimiento de dos CO 2 y producción de 2 NADH 2. Regenerativa, se regenera el ácido oxalacético y se produce 1 NADH, 1 FADH 2 y 1 ATP. • En resumen: 1. Entra un grupo acetilo con 2 C y salen dos CO 2 2. 3 NAD+ se reducen a NADH 3. 1 FAD se reduce a FADH 2 4. Se genera 1 GTP que se transforma en ATP. 5. Se regenera el ácido oxalacético de la matriz mitocondrial. REACCIÓN GLOBAL CICLO KREBS (Por cada acetil. Co. A) Acetil. Co. A + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H 2 O → 2 CO 2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH 2+ATP + Co. A-SH Por cada glucosa se obtienen dos acetil. Co. A, luego hay que multiplicar por 2.

CICLO DE KREBS (IV): Carácter anfibólico CARÁCTER ANFIBÓLICO: actúa a nivel catabólico y anabólico, así: 1. Función catabólica: el Acetil. Co. A que penetra en el ciclo procede de la degradación de la glucosa, la βoxidación de los ácidos grasos y la degradación de aminoácidos. 2. Función anabólica: punto de partida de reacciones de biosíntesis al producir intermediarios: a. Ácido oxalacético: aminoácidos y glucosa. b. Ácido α-cetoglutárico: purinas y aminoácidos. c. Ácido cítrico: ácidos grasos. d. Succinil. Co. A: grupos hemo. e. Ácido succínico: glúcidos en glioxisomas.

(c*) CADENA RESPIRATORIA (I) El FADH 2 y NADH producidos en las otras fases de la respiración por cada molécula de glucosa: 1. Glucólisis: 2 NADH 2. Paso de pirúvico a acetil. Co. A: 2 NADH 3. Ciclo de Krebs: 2 FADH 2 y 6 NADH Poseen un elevado poder reductor, es decir, baja afinidad por los electrones por lo que los van a conducir hasta el oxígeno que se reducirá a H 2 O a través de una serie de transportadores electrónicos situados en la cadena respiratoria y agrupados en 6: 1. Complejos proteicos I, II y IV: a) Complejo I: NADH-deshidrogenasa b) Complejo II: Succinato-deshidrogenasa c) Complejo III: Citocromo b-c 1 d) Complejo IV: Citocromo oxidasa 2. Ubiquinona, de naturaleza lipídica 3. Citocromo C, de naturaleza proteica Succinato-deshidrogenasa Citocromo b-c 1 NADH-deshidrogenasa Citocromo oxidasa

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO (II) 2 H+ + 2 e- + ½ o 2 MATRIZ • El NADH reduce al complejo I, le cede electrones, y el FADH 2 al complejo II. • La ubiquinona transporta los electrones del complejo I y II hasta el III. • El citocromo C los transporta hasta el IV. • El complejo IV se los cede al oxígeno formando H 2 O.

ATP-ASA Espacio intermembrana H+ H+ Durante la cadena de transporte electrónico: • El paso de los electrones de un complejo a otro conlleva una disminución de su nivel energético. • Se libera energía que se va a utilizar para la síntesis de ATP o FOSFORILACIÓN OXIDATIVA según la hipótesis quimiosmótica. H+ H+ Matriz ADP + Pi ATP-asa: con una parte integrada en la bicapa lipídica (patícula Fo) y otra periférica (partícula F 1) ATP HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA: 1. La energía liberada en las reacciones redox es utilizada por los complejos I, III y IV (el II no) para bombear protones al espacio intermembrana 2. Se crea un gradiente electroquímico de H+ 3. Al regresar a la matriz a favor de gradiente lo hacen a través del complejo ATP-asa. 4. La energía liberada es utilizada por la ATP-asa para fosforilar el ADP a ATP, FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

OXIDACIÓN DEL NADH + H+ 10 H+ 4 H+ 2 H+ 10 H+

OXIDACIÓN DEL FADH 2 6 H+ 4 H+ 2 H+ + + 6 HH

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (I) (teórico) /4 ATP (1*) Glucolisis /4 ADP Paso pirúvico a acetil. Co. A (36 ATP) (32 ATP)

(1*) LANZADERAS DE H+ • • Los dos NADH de la glucolisis originados en el citosol deben llegar a la matriz para intervenir en la cadena respiratoria. Pero la membrana mitocondrial interna es impermeable a estos NADH. Solución: lanzaderas que trasladan los protones en forma de moléculas reducidas. Dos lanzaderas: 1. LANZADERA DE MALATO, en corazón, riñón e hígado. Sigue siendo el NADH el dador de protones por lo que rinde 3 ATP por NADH. 2. LANZADERA DE GLICEROL FOSFATO, en músculo y cerebro. Cede los protones al FADH 2 por lo que rinde solo 2 ATP por cada NADH

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (II) (teórico) 34

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (III) (teórico) Balance de los procesos de la respiración aerobia Proceso Glucolisis Descarboxilación del ácido pirúvico Ciclo de Krebs Balance global Sustancia inicial Sustancia final Coenzimas reducidas y ATP totales Glucosa 2 Ácido pirúvico 2 NADH 2 ATP 6 (4)ATP (c. t. e) 2 ATP 2 Ácido pirúvico 2 Acetil Co-A 2 CO 2 2 NADH 6 ATP (c. t. e) 6 NADH 2 FADH 2 2 GTP 18 ATP (c. t. e) 4 ATP (c. t. e) 2 ATP 2 Acetil-Co A Glucosa 6 O 2 4 CO 2 6 H 2 O 38 ATP procariota 38(36) ATP eucariota

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (IV) (más realista) Rendimiento: • Glucólisis: 2 ATP. • Ciclo de Krebs: 2 ATP • Resto de moléculas de ATP se generan en la fosforilación oxidativa: 1. Se necesita que pasen 4 H+ hacia la matriz a través de la ATP sintetasa para producir la síntesis de 1 ATP. 2. Cuando los electrones del NADH se mueven a través de la cadena de transporte se bombean 10 H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana, por lo que cada NADH resulta en 2. 5 ATP, aproximadamente, (10 H+/4 H+) = 2, 5 ATP 3. Los electrones del FADH 2, que se incorporan a la cadena en una etapa posterior, impulsan el bombeo de solo 6 H+ , lo que lleva a la producción de casi 1. 5 ATP, (6 H+/4 H+) = 1, 5 ATP

FERMENTACIÓN 3 1 Proceso catabólico 2 Aceptor final de electrones molécula orgánica No cadena de transporte electrónica 5 4 Degradación parcial de la glucosa Rendimiento energético: 2 ATP de la glucólisis 6 Regenera el NAD+ del citoplasma Organismos que la utilizan: 1. Anaerobios estrictos, única vía. 2. Anaerobios facultativos, si hay oxígeno utilizan la respiración aerobia pues: a) Los enzimas de la cadena respiratoria son más afines al NADH que los de la fermentación, por lo que el NADH seguirá la vía aerobia. b) El rendimiento energético de la respiración aerobia es más ventajoso (38/36 ATP) frente al de la fermentación (2 ATP)

FERMENTACIÓN LÁCTICA • • • El ácido pirúvico procedente de la glucólisis se reduce a ácido láctico, siendo el dador de electrones el NADH + H+ El enzima que actúa es la lactatodeshidrogenasa. Se obtienen 2 ATP procedentes de la glucolisis. Lactatodeshidrogenasa Streptococcus Células que la llevan a cabo: 1. Fibras musculares: en ejercicios intensos con bajo aporte de oxígeno, este es insuficiente para la respiración aerobia, se produce la fermentación láctica y la consiguiente producción de ácido láctico que provoca la disminución del p. H, interfiere en la contracción muscular provocando las dolorosas agujetas. Cuando el ácido láctico llega al hígado se transforma en glucosa (gluconeogénesis). 2. Bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus, que al fermentar la leche producen sus derivados como yogur o queso.

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA • Piruvatodescarboxilasa Alcoholdeshidrogenasa • (acetaldehído) • • • La llevan a cabo levaduras del género Saccharomyces. Se producen bebidas alcohólicas como cerveza, vino, etc y pan (el CO 2 y el alcohol se eliminan en su cocción) El ácido pirúvico, procedente de la glucólisis, se descarboxila perdiendo una molécula de CO 2 y se transforma en acetaldehído. El acetaldehído se reduce a etanol siendo el NADH + H+ la molécula reductora. Se obtienen 2 ATP procedentes de la glucolisis

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA FERMENTACIÓN LÁCTICA

ECUACIONES GLOBALES DE LAS DIFERENTES VÍAS DE DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA Y RENDIMIENTO ENERGÉTICO (38/36 ATP)

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS: Β-OXIDACIÓN O HÉLICE DE LYNEN • • Secuencia repetida de β-oxidaciones que van separando del ácido graso fragmentos de 2 C en forma de acetil. Co. A. Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. (A) 2 3 1 (B) 4 (A) En el citosol el ácido graso se activa uniéndose a la Co. A formándose el Acil. Co. A, se consume ATP que se hidroliza a AMP por lo que energéticamente se considera el consumo de 2 ATP. (B) El acil. Co. A penetra en la matriz mitocondrial ayudado por la carnitina (derivado de la lisina) que se libera. En la matriz mitocondrial el acil. Co. A sufre la β-oxidación que comprende 4 reacciones enzimáticas que se repiten hasta la oxidación total del acil. Co. A. En cada β-oxidación se producen: 1. 1 Acetil. Co. A que se incorpora al ciclo de Krebs donde se obtiene 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH 2 2. 1 FADH 2 3. 1 NADH. Todos los FADH 2 y NADH pasan a la cadena respiratoria. En definitiva se obtienen 17 ATP por cada β-oxidación.

Β-OXIDACIÓN ÁCIDO PALMÍTICO: RENDIMIENTO ENERGÉTICO 1. El ácido palmítico posee 16 C, luego va a sufrir (16/2) – 1 = 7 β-oxidaciones. 2. Por cada β-oxidación, 17 ATP de: a) 1 acetil. Co. A que en el ciclo de Krebs y cadena de transporte electrónico produce 12 ATP (1 ATP + 3 NADH ( 3 x 3= 9 ATP) + 1 FADH 2 (1 x 2=2 ATP)) b) 1 NADH x 3 ATP =3 ATP c) 1 FADH 2 x 2 ATP= 2 ATP 3. El último acetil. Co. A ingresa en el ciclo de Krebs luego otros 12 ATP. 4. Restar los 2 ATP de la activación inicial en el citosol. 5. Total: (17 x 7 + 12 – 2) ATP = 129 ATP