PROCESOS CATABÓLICOS

En los procesos catabólicos las moléculas orgánicas se van degradando, paso a paso, hasta formar otras moléculas más simples y, finalmente, sustancias inorgánicas. Globalmente son procesos de oxidación en los que las moléculas orgánicas van perdiendo electrones que, tras pasar por una cadena transportadora, son captados por una molécula aceptora de electrones final. En esos procesos la energía liberada permite la formación de moléculas de ATP.

Según quien sea el aceptor final de electrones se pueden diferenciar dos modalidades:

§ Fermentación. El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico, por lo que se trata de una oxidación incompleta y un proceso anaerobio.

§ Respiración celular. El aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica.

Si es el O₂, se trata de una respiración aerobia que realizan la mayoría de los organismos; si es otro compuesto inorgánico (NO₃^-, SO₄^2-, CO₂), se trata de una respiración anaerobia, exclusiva de ciertos microorganismos.

Los procesos catabólicos se pueden iniciar a partir de varios sustratos orgánicos, especialmente glúcidos, lípidos y proteínas. En cualquier caso, al final, las diferentes rutas metabólicas de la respiración celular confluyen en el ciclo de Krebs, y los electrones liberados en el proceso pasan a la cadena respiratoria para formar ATP por fosforilación oxidativa. Una variante a este esquema general es el desvío o la ruta alternativa de las fermentaciones.

Esquema del catabolismo: al tiempo que los compuestos orgánicos se descomponen en CO₂ y H₂O, los electrones son transferidos a lo largo de la cadena respiratoria impulsando la fosforilación oxidativa

Los glúcidos se consideran nutrientes energéticos (1 gramo de glúcidos aporta como promedio 4 kcal). En su catabolismo, primero los polisacáridos se descomponen hasta formar finalmente glucosa. Concretamente, en los animales, el glucógeno acumulado en las células hepáticas o en las fibras musculares se va hidrolizando por un proceso de glucogenolisis.

La glucosa entra a continuación en una secuencia de reacciones.

Consiste en diez reacciones consecutivas (nueve etapas), que tienen lugar en el citosol, en las que se diferencian dos fases:

a) Fase preparatoria. Se consumen 2 moléculas de ATP para transformar una de glucosa en 2 de gliceraldehído 3-fosfato.

b) Fase de beneficio. Se obtienen 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, formándose al final de la glucólisis 2 de piruvato.

En el conjunto de la glucólisis, a partir de cada molécula de glucosa, se obtienen, por tanto, como rendimiento neto 2 ATP (por fosforilación a nivel de sustrato), y 2 NADH que luego podrán pasar a la cadena respiratoria.

El piruvato que se obtiene al final de la glucólisis se encuentra en un cruce metabólico en el que puede seguir dos destinos, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno y el tipo de célula: la vía anaerobia de las fermentaciones o la vía aerobia de la respiración celular.

La vía aerobia consiste en dos grupos de reacciones: el ciclo de Krebs, al que se incorpora una molécula de acetil-CoA proveniente del piruvato de la glucólisis; y la cadena de transporte de electrones, que va a servir para sintetizar ATP en un proceso de fosforilación oxidativa.

Antes de comenzar la vía aerobia el piruvato resultante de la glucólisis se tiene que transformar en acetil-CoA mediante una descarboxilación oxidativa.

El piruvato pasa al interior de la mitocondria, donde, mediante una reacción irreversible, se une a un coenzima y sufre una descarboxilación (pérdida de CO₂) y una oxidación, formándose: CO₂, NADH y acetil-CoA.

El NADH liberará su poder reductor en la cadena respiratoria, mientras que el acetil-CoA entrará en el ciclo de Krebs.

Casi todos los compuestos orgánicos (azúcares y grasas especialmente) se descomponen hasta formar acetil-CoA: un grupo acetilo de dos carbonos, unidos al coenzima A.

El acetil-CoA se incorpora a una secuencia cíclica de reacciones químicas que se conocen con el nombre de ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico. Este ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial y consiste en una secuencia de ocho reacciones consecutivas. En el conjunto de esas reacciones tienen lugar, básicamente, los siguientes acontecimientos:

§ Se liberan 2 moléculas de CO₂, que se puede considerar que proceden del grupo acetilo del acetil-CoA, con lo cual se consigue una oxidación completa de la materia orgánica. El CO₂ será, por tanto, el producto residual último de la respiración aerobia.

§ Los electrones más los protones (hidrógeno), que pierde el grupo acetilo al oxidarse, van a parar, en cuatro fases, a transportadores de electrones, formándose 3 moléculas de NADH + H⁺ y una molécula de FADH₂. El poder reductor de estas moléculas será transferido luego a través de la cadena respiratoria mitocondrial.

§ En un paso del ciclo tiene lugar una fosforilación a nivel de sustrato que origina una molécula de GTP (equivalente desde el punto de vista energético a un ATP).

Los transportadores de electrones NADH y FADH₂, originados fundamentalmente en el ciclo de Krebs, pero también en otros procesos catabólicos, albergan el poder reductor que les confieren los electrones “energéticos” que transportan.

Esa energía será liberada, poco a poco, a lo largo de la cadena respiratoria que tiene lugar en las crestas y en la membrana mitocondrial interna. En dicha membrana existen tres complejos enzimáticos transportadores de electrones:

- El complejo NADH deshidrogenasa
- El complejo citocromo b-c₁<
- El complejo citocromo oxidasa.

Tanto el NADH como el FADH₂ ceden los electrones “energéticos” a la cadena formada por esos tres transportadores y, a medida que pasan de un transportador a otro, los electrones van liberando energía. Esa energía (según la teoría quimiosmótica de Mitchell) permite el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso de la mitocondria. De este modo se genera un gradiente electroquímico de protones, con una concentración de protones mayor en el espacio intermembrana que en la matriz.

La fuerza protón-motriz generada, impulsa los protones a través de las ATP sintetasas presentes en la membrana mitocondrial interna, permitiendo la unión del ADP a un grupo fosfato, con la consiguiente formación de ATP. El conjunto de estos procesos, que culminan con la formación de ATP, constituyen la fosforilación oxidativa.

Con fines prácticos, aunque no es del todo exacto, se considera que una molécula de NADH permite la formación de 3 moléculas de ATP, mientras que una de FADH₂ sólo aportará 2 ATP.

Tanto los electrones como los protones, que han sido impulsados a lo largo de la cadena respiratoria, deben unirse a un aceptor final. En la respiración aerobia el aceptor último de electrones (y protones) es el O₂, que al unirse al H₂, forma H₂O como producto final.

Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa
en la cadena respiratoria mitocondrial

Balance energético global de la respiración aerobia de
una molécula de glucosa

El piruvato formado en la glucólisis no siempre sigue la vía de la respiración celular; en determinadas circunstancias puede pasar a la vía alternativa de las fermentaciones.

Las fermentaciones genuinas son procesos anaerobios, realizados por microorganismos que no toleran el oxígeno o por ciertas células animales o vegetales cuando no disponen de suficiente oxígeno. Son poco rentables desde el punto de vista energético, ya que la oxidación de la materia orgánica es incompleta y se forma mucho menos ATP que en la respiración celular aerobia. En general, únicamente 2 ATP por cada molécula de glucosa.

Dependiendo el producto final, se diferencian varios tipos de fermentaciones. Las más importantes son: la fermentación alcohólica y la fermentación láctica.

En la fermentación alcohólica o etílica, el piruvato se transforma en etanol y se desprende CO₂. La realizan, sobre todo, levaduras del género Saccharomyces que tienen interés en la industria alimenticia por los productos residuales de su metabolismo: el CO₂ para esponjar la masa en la fabricación del pan; y el etanol para producir diferentes bebidas alcohólicas (vino, sidra, cerveza...).

En ella el piruvato se transforma en lactato. La realizan diversas bacterias (Lactobacillus...) que fermentan la leche, y se utilizan para obtener derivados lácteos. Por otro lado, también la pueden llevar a cabo las células musculares cuando no reciben suficiente oxígeno. Así, cuando se realiza un esfuerzo intenso y prolongado, los músculos obtienen un poco de energía extra sin necesidad de oxígeno, recurriendo a la fermentación; pero las consecuencias de este proceso serán, posteriormente, las agujetas.

Los ácidos grasos son los carburantes metabólicos más energéticos con que cuentan las células y en los animales desempeñan un papel de reserva energética fundamental debido a la facilidad que tienen para transformarse en grasas y almacenarse en los tejidos adiposos. La hidrólisis de las grasas, realizada por enzimas lipasas específicas, suministra importantes cantidades de ácidos grasos que son distribuidos por la sangre al resto de los tejidos, excepto al cerebro, que sólo utiliza glucosa como carburante metabólico.

Una vez en el citosol, los ácidos grasos para ser metabolizados se activan previamente en la membrana mitocondrial externa mediante el coenzima A, transformándose en acil-CoA, reacción que necesita un aporte energético del ATP.

El acil-CoA debe atravesar las membranas mitocondriales y, una vez en la matriz mitocondrial, sufre el ataque sucesivo de 4 sistemas enzimáticos que, de forma cíclica, van cortando fragmentos de 2 átomos de carbono a la cadena del acil-CoA y convirtiéndolos en moléculas de acetil-CoA, que continúan su proceso oxidativo en el ciclo de Krebs. La serie de 4 reacciones se repite hasta que el acil-CoA se ha oxidado totalmente a moléculas de acetil-CoA. Al conjunto de reacciones se le llama b-oxidación, debido a que el acil-CoA es oxidado siempre en su carbono b, es decir, el segundo que sigue al grupo ácido carboxílico. La serie de 4 reacciones que se repite es la siguiente:

§ Deshidrogenación, por medio de un FAD, del acil-CoA formándose un doble enlace. Se obtiene un deshidroacil-CoA.

§ Hidratación por medio de una molécula de agua que se fija en el doble enlace. Se obtiene un b-hidroxiacilCoA.

§ Oxidación del grupo alcohol a cetona reduciéndose un NAD. El producto resultante se llama b-cetoacil-CoA.

§ El compuesto anterior sufre una ruptura que recibe el nombre de tiolisis, liberándose acetil-CoA y formándose un acil-CoA con 2 carbonos menos. La tiolisis ocurre porque se fija un CoA en el carbono b.

A partir del acil-CoA con dos carbonos menos obtenido, se continúa la b-oxidación repitiéndose las 4 reacciones hasta obtener otro acil-CoA, pero esta vez con 4 carbonos menos que el originario porque se forma un nuevo acetil-CoA. Y así sucesivamente hasta que el acil-CoA original se ha convertido en moléculas de acetil-CoA; en ese momento habrá completado la llamada hélice de Lynen.

El rendimiento energético de los ácidos grasos es muy superior al de los glúcidos. Como ejemplo pongamos el ácido palmítico. Este ácido tiene 16 carbonos, por tanto, para que se oxide completamente se necesitan siete vueltas del ciclo de la b-oxidación, de manera que en total se producen ocho moléculas de acetil-CoA. Teniendo en cuenta que cada molécula de acetil-CoA puede incorporarse al ciclo de Krebs, obtenemos lo que se representa en el siguiente cuadro:

Restando a esos 131 ATP obtenidos la molécula de ATP que se necesita para activar el ácido graso, resulta que un ácido palmítico puede proporcionar 130 ATP.

Las proteínas no son moléculas con una función energética fundamental. Pero en casos de necesidad, los aminoácidos producidos por la hidrólisis de las proteínas son degradados y sus derivados oxidados pueden entrar al ciclo de Krebs en algún punto determinado según el aminoácido.

§ Transaminación, consiste en el traspaso del grupo amino de un aminoácido a una molécula llamada α-cetoácido, que lo acepta y se transforma en otro aminoácido. Las transaminaciones son catalizadas por las transaminasas.

§ Desaminación oxidativa, es la liberación directa de los grupos amino de los aminoácidos en forma de NH₄⁺, y así se forman α-cetoácidos. Las desaminaciones son catalizadas por deshidrogenasas y producen coenzimas reducidos (NADH) que pueden entrar a la cadena respiratoria. El NH₄⁺ formado se convierte en urea en la mayoría de vertebrados terrestres (ureotélicos), por medio del ciclo de la urea, y posteriormente es excretado. Otra forma de excreción, que utilizan organismos como aves y algunos reptiles (uricotélicos) es el ácido úrico. Los organismos acuáticos (amoniotélicos) suelen excretar el NH₄⁺ directamente porque les es más fácil disolverlo en el medio.

§ Descarboxilación, es la pérdida del grupo carboxilo (-COOH) en forma de CO₂, gracias al CoA. Previamente el aminoácido debe haber perdido el grupo amino. El producto puede incorporarse al ciclo de Krebs.

8 Acetil-CoA X 12 ATP/c. Krebs-cad. Resp.	96 ATP
7 FADH₂ X 2	14 ATP
7 NADH X 3	21 ATP
TOTAL	131 ATP