EL CATABOLISMO.
Entre los distintos tipos de biomoléculas orgánicas que forman parte de las células vivas hay que distinguir por un lado a las proteínas y los ácidos nucleicos, cuya misión fundamental es el almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética ("biomoléculas informativas"), y por otro a los glúcidos y lípidos ("biomoléculas energéticas") cuya principal misión es la de proporcionar energía para los distintos procesos celulares y que por lo tanto están llamados a ser los grandes protagonistas del catabolismo. De todos modos, dado que las células se encuentran en un continuo proceso de renovación de sus componentes moleculares, el catabolismo comprende rutas que permiten llevar a cabo la degradación de todas y cada una de las biomoléculas. En este capítulo analizaremos las distintas rutas catabólicas con especial incidencia en aquellas responsables de la degradación de glúcidos y lípidos, por ser éstas las que más frecuentemente utilizan las células.
1.-CATABOLISMO DE AZUCARES.
Por ser la glucosa el monosacárido más abundante en la naturaleza, la degradación de los azúcares se lleva a cabo "vía glucosa". Así, el catabolismo de los azúcares converge hacia una única ruta central de degradación de la glucosa.
Los grandes polisacáridos de reserva, mediante una reacción de fosforilación catalizada por la glucógeno-fosforilasao por la almidón fosforilasa según se trate de glucógeno o de almidón, liberan unidades de glucosa-1-fosfato, que a continuación, por acción de la fosfoglucomutasa se transforma en glucosa-6-fosfato, la cual es el primer intermediario de la ruta de degradación de la glucosa (Figura 16.1).
Los monosacáridos diferentes de la glucosa, que en ocasiones pueden proceder de la hidrólisis de distintos tipos de oligosacáridos, se transforman en glucosa o en algunos de los intermediarios de su degradación, mediante reacciones de isomerización.
Una vez transformados en glucosa los azúcares se pueden degradar completamente hasta CO2 Y H2O siguiendo un camino que incluye tres rutas metabólicas principales: Glucolisis, Ciclo de Krebs y Cadena respiratoria. Existe además una ruta alternativa, la Ruta de las pentosas.
1.1.-GLUCOLISIS (RUTA EMBDEN-MEYERHOF).
Es un conjunto de reacciones consecutivas que degradan la glucosa (6 at. de carbono), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (3 at. de C). Estas reacciones son anaerobias, es decir, no participa en ellas el oxígeno, y transcurren íntegramente en el hialoplasma celular. Concomitantemente parte de la energía química de la glucosa es recuperada en forma de ATP y NADH.
Probablemente la glucolisis haya sido, en el curso de la evolución biológica, la primera ruta metabólica de la que las células dispusieron para obtener energía. También fue la primera ruta que los bioquímicos conocieron en su totalidad.
Las 10 etapas de la glucolisis se detallan en el esquema de la Figura 16.2. Podemos agrupar estas 10 reacciones en dos fases bien diferenciadas:
1.- La glucosa se degrada para dar lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Para ello hace falta energía que es aportada por dos moléculas de ATP.
2.- Las dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico. La energía liberada en este proceso es recuperada en forma de cuatro moléculas de ATP y dos de NADH. Es fundamentalmente la oxidación del gliceraldehido-3-fosfato en la reacción 6 la que libera la energía química, que se recupera en parte en forma de NADH y en parte, mediante dos fosforilaciones a nivel de sustrato en las reacciones siguientes, en forma de ATP.
Así pues, la glucolisis parece necesitar de una primera fase de "cebado", en la cual se consume energía del ATP, para que la energía química de la glucosa pueda ser liberada en la segunda fase obteniéndose una cantidad mayor de ATP y también NADH.
Haciendo un balance de lo ocurrido durante la glucolisis, por cada molécula de glucosa degradada se obtienen 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP (4 obtenidas en la segunda fase menos 2 consumidas en la primera).
El rendimiento energético en moléculas de ATP de la degradación de la glucosa a ácido pirúvico a través de la glucolisis no es muy elevado. La glucosa contiene en sus enlaces mucha más energía química que la que pudo ser recuperada hasta ahora en forma de 2 moléculas de ATP. Parte de esa energía se habrá perdido en forma de calor en el transcurso de la glucolisis, pero otra parte importante permanece en los enlaces del ácido pirúvico y en el NADH, y sólo podrá ser extraída mediante la oxidación de estos compuestos en las reacciones aerobias de la respiración celular que tienen lugar en la mitocondria, en las cuales se producirá una cantidad mucho mayor de ATP.
Sin embargo, algunas formas de vida muy simples, tales como algunas bacterias y levaduras, pueden sobrevivir holgadamente con esta pequeña cantidad de energía que obtienen de la glucolisis, debiendo resolver entonces algunos problemas que analizaremos a continuación.
1.2.-FERMENTACIONES.
Por cada molécula de glucosa que se degrada en la glucolisis 2 moléculas de NAD+ se transforman en NADH. Puesto que la cantidad de NAD+ que poseen las células es limitada debe existir algún mecanismo que permita oxidar el NADHtransformándolo de nuevo en NAD+ para que pueda ser reutilizado en la glucolisis, de lo contrario todo el proceso se detendría.
En las células aerobias el NADH se oxida a NAD+ cediendo sus electrones al oxígeno (aceptor último de electrones en este tipo de células) a través de la cadena de transporte electrónico mitocondrial.
En las células anaerobias, que no pueden utilizar el oxígeno como aceptor último de electrones en sus oxidaciones metabólicas, el NADH se oxida a NAD+ cediendo sus electrones a una molécula orgánica aceptora, que puede ser el ácido pirúvico o algún producto de la transformación de éste, a través de una o más reacciones adicionales a la glucolisis. Estas etapas adicionales que tienen como único objeto reciclar el NADH obtenido en la glucolisis a NAD+ reciben el nombre defermentaciones.
Las fermentaciones consisten, pues, en la transformación del ácido pirúvico que se obtiene al final de la glucolisis, en algún otro producto orgánico sencillo que es diferente en cada tipo de fermentación. Existen muchos tipos de fermentación que dan lugar a toda una gama de productos, algunos de ellos de interés alimentario o industrial, pero los dos tipos principales son la fermentación homoláctica y la fermentación alcohólica.
a) Fermentación homoláctica.- Tiene lugar en una sola etapa: el ácido pirúvico acepta un par de electrones procedente del NADH con lo cual se reduce a ácido láctico, que es el producto final (Figura 16.3).
b) Fermentación alcohólica.- Tiene lugar en dos etapas. En la primera el ácido pirúvico pierde su grupo carboxilo en forma de CO2 para dar acetaldehido. En la segunda el acetaldehido acepta un par de electrones procedentes del NADH transformándose en alcohol etílico. Alcohol etílico y CO2 son los productos finales (Figura 16.4).
La fermentación heteroláctica es un tipo mixto en el que se obtiene una molécula de ácido láctico, una de alcohol etílico y una de CO2.
Existen células, llamadas anaerobias estrictas, que en ningún caso pueden utilizar el oxígeno como aceptor de electrones. En ellas la glucolisis, complementada por algún tipo de fermentación, es la única ruta disponible para la obtención de energía. Dado que cuando la vida se originó sobre la Tierra la atmósfera carecía de oxígeno, es de suponer que las primeras células vivas pertenecían a esta categoría. Prueba de ello es que la mayoría de las células actuales, incluidas las aerobias, conservan la capacidad de fermentar el ácido pirúvico a ácido láctico y la utilizan durante cortos períodos en los que el oxígeno no está disponible, obteniendo entonces energía exclusivamente a partir de la glucolisis. Así ocurre en las células del músculo esquelético, que aunque normalmente trabajan en condiciones aerobias, pueden obtener energía por este procedimiento en ocasiones, como por ejemplo durante un ejercicio muscular intenso, en las que el oxígeno aportado por la sangre resulta insuficiente. En la actualidad es práctica habitual en algunos deportes de alta competición medir de manera periódica durante los entrenamientos los niveles de ácido láctico en sangre de los deportistas, con el objeto de determinar en cada caso el umbral de esfuerzo a partir del cual el músculo comienza a trabajar en anaerobiosis y, en consecuencia, a disminuir su rendimiento.
1.3.-RUTA DE LAS PENTOSAS (RUTA DEL FOSFOGLUCONATO).
La glucolisis tiene como misión recuperar parte de la energía química de la glucosa en forma de ATP. Sin embargo, las células pueden necesitar en ocasiones degradar la glucosa con otros fines.
La ruta de las pentosas (Figura 16.5) es una vía alternativa a la glucolisis que tiene como finalidad la obtención de azúcares de 5 átomos de carbono, como la ribosa, necesarios para la biosíntesis de nucleótidos, y de coenzima reducidoNADPH necesario para diversos tipos de biosíntesis en el anabolismo (particularmente para la biosíntesis reductora de ácidos grasos).
En la ruta de las pentosas la glucosa-6-fosfato da lugar, mediante dos deshidrogenaciones y una descarboxilación en las que se obtiene NADPH, a una molécula de CO2 y a un azúcar de 5 átomos de carbono, la ribulosa-5-fosfato, que después se transforma en ribosa-5-fosfato.
Dado que los productos de esta ruta se emplean en procesos biosintéticos del anabolismo, podemos considerar que la ruta de las pentosas es una ruta típicamente anfibólica.
1.4.-OXIDACIONES RESPIRATORIAS.
Las células aerobias pueden oxidar el ácido pirúvico obtenido en la glucolisis en presencia de oxígeno molecular y obtener así una gran cantidad de energía en forma de ATP. El proceso completo de degradación de la glucosa en presencia de oxígeno se conoce como respiración celular.
Desde los tiempos del químico Lavoisier es sabido que el proceso respiratorio consiste en una reacción de la materia orgánica con el oxígeno para dar como productos dióxido de carbono y agua. Esta reacción es similar a la que se produce en la combustión de cualquier tipo de materia orgánica. Se suele decir que las oxidaciones respiratorias son combustiones a baja temperatura o "combustiones sin llama". El proceso de oxidación de la materia orgánica en presencia de oxígeno es fuertemente exergónico y parte de la energía química que en él se libera es recuperada en forma de ATP. La ecuación global de la respiración celular puede escribirse como sigue:
MATERIA ORGÁNICA + O2 → CO2 + H2O
Las reacciones aerobias de la respiración celular tienen lugar íntegramente en la mitocondria, más concretamente en la matriz mitocondrial y en la membrana mitocondrial interna. Veremos más adelante que estas oxidaciones respiratorias no son exclusivas del catabolismo de los azúcares, sino que en gran medida son comunes al catabolismo de otras biomoléculas como lípidos y proteínas. Sin embargo, vamos a centrarnos ahora en los procesos que conducen a la degradación total hasta CO2 y H2O del ácido pirúvico procedente de la glucolisis, a saber, la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, elciclo de Krebs, y la cadena respiratoria.
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