Catabolismo:

CATABOLISMO DE GLÚCIDOS:

La glucolisis es la ruta de degradación de los glúcidos en ausencia de oxígeno, se realiza en el hialoplasma.

Los primeros seres vivos no podían oxidar la materia orgánica puesto que no había oxígeno en la atmósfera. La mayoría de los seres vivos en la actualidad oxidamos completamente la glucosa produciendo CO₂ y H₂O y energía, la mayor parte de esta oxidación se realiza en la mitocondria, pero es necesaria la glucolisis como fase previa para poder oxidarla completamente.

En otros seres vivos (principalmente bacterias y hongos) que se han adaptado a condiciones anaerobias, la glucolisis es la única degradación de la glucosa que realizan, sin llegar a oxidarla completamente, producen moléculas orgánicas como sustancias de deshecho, tales como ácido láctico, etanol, ácido butírico, etc; que tienen todavía una gran cantidad de energía interna. Estos procesos son las fermentaciones.

Se podría concluir que a lo largo de la evolución, la primera ruta de degradación de los glúcidos que apareció fue la glucolisis y que todos los seres vivos la siguen utilizando, después algunos se adaptaron a extraer toda la energía disponible oxidando los productos de la glucolisis en la mitocondria y otros se adaptaron a vivir en ausencia de oxígeno y por ello no pueden completar la oxidación, son fermentadores.

La glucolisis

Tiene una serie de reacciones que se agrupan en dos grandes bloques, el primero son la serie de reacciones que activan energéticamente las moléculas, en esta fase se consume energía; la segunda fase es la de rendimiento, donde se rinde la energía gastada en la fase anterior:

En la fase de activación se consumen dos ATP, en la fase de rendimiento se producen dos ATP por cada molécula de Gliceraldehido-3-P, en las reacciones 6 y 9, por tanto el balance positivo son 2 moléculas de ATP que se forman al transformar la glucosa en piruvato.

Es muy importante destacar que también se ha producido 2 moléculas de NADPH₂ además de dos moléculas de H₂O.

CATABOLISMO ANAEROBIO:

Una vez obtenido el piruvato, pueden ocurrir dos cosas, según esté adaptado el individuo:

-Si el individuo es aerobio, el piruvato de oxidará y se descarboxilará, como ya veremos, transformándose en acetilCoA en el interior de la mitocondria, para su completa oxidación. El NADPH₂ producido al oxidarse el gliceraldehido-3-P en la glucolisis también entrará en la mitocondria y cederá sus electrones a la cadena de transportadores (llamada cadena respiratoria) que los conducirán al oxígeno para formar agua.

-Si por el contrario el individuo está adaptado a condiciones de vida anaerobias, no utiliza oxígeno como receptor final de los electrones producidos en la glucolisis. Necesita regenerar NADP oxidado para poder continuar la glucolisis, de lo contrario llegaría un momento en que todas las moléculas de NADP se encontrasen reducidas formando NADPH₂; si no hay NADP oxidado, la oxidación del gliceraldehido-3-P (reacción 6) no se puede realizar porque falta el substrato.

Los individuos anaerobios utilizan el propio piruvato como aceptor de los electrones producidos en la glucolisis. Este es el fundamento de todos los tipos de fermentaciones, después cada especie realiza diversas reacciones y produce distintos productos de desecho.

Fermentación láctica:

El ácido pirúvico se reduce directamente y se forma ácido láctico. También se realiza esta fermentación en los individuos aerobios en casos de ejercicios físicos rápidos e intensos que requieren un aporte rápido de energía, poco a poco, el ácido láctico vuelve a ser reutilizado como combustible cuando cesa la necesidad de obtención rápida de energía.

Fermentación alcohólica:

El ácido pirúvico se descarboxila a la vez que se reduce produciendo alcohol etílico y CO₂ , en las bebidas alcohólicas y en la masa del pan, en este caso el alcohol se evapora en el horno y lo que se aprovecha es la producción de CO₂ que se utiliza para levantar la masa.

Descarboxilación y oxidación del piruvato

En el apartado anterior veíamos como la glucolisis acababa con la formación de piruvato, que en los organismos anaerobios se reduce y forma lactato. En los organismos aerobios, hemos comentado que el piruvato se oxida completamente, esta oxidación se produce en la mitocondria, el piruvato entra a la mitocondria y con un complejo enzimático llamado piruvato-deshidrogenasa se transforma en Acetil-Coenzima A. A la vez que se oxida y produce NADPH₂, también se descarboxila.

El espacio que queda dentro de la membrana interna se llama matriz y en el se desarrollan las reacciones catabólicas del ciclo de Krebs de degradación del AcetilCoA y la hélice de Linen de degradación de los ácidos grasos.

CICLO DE KREBS:

El ciclo de krebs, como otros ciclos se puede dividir en dos partes. En la primera parte se producen una serie de reacciones encaminadas a la oxidación del ácido acético, eliminación de los dos carbonos que han entrado al ciclo. La segunda parte está encaminada a restaurar las concentraciones del primer substrato, el ácido oxalacético, pues si se agotara no podría volverse a degradar ácido acético.

Balance energetico:

En el paso de piruvato a acetilCoA se produce una molécula de NADH₂ y una molécula de CO_2.sustancias de deshecho dos moléculas de CO₂ pero también se producen 4 moléculas con gran potencial reductor; 3 de NADH₂ y 1 de FADH₂, estas moléculas tienen energía acumulada como potencial reductor y la liberaran en la cadena respiratoria. También se produce una molécula altamente energética, el GTP interconvertible en ATP.

CATABOLISMO DE LÍPIDOS:

β-Oxidación o hélice de Lynen

Los ácidos grasos no se encuentran libres en la célula, se encuentran formando triglicéridos, para poderse metabolizar, las grasas tienen que hidrolizarse en el citoplasma, activarse cada ácido graso y ser transportados al interior de la mitocondria. Una vez producida la hidrólisis se gasta una molécula de ATP para unir cada ácido graso con un CoA, formándose los acilCoA. Estos AcilCoA se rompen cediendo el Acil graso a la carnitina de la membrana interna mitocondrial, una vez en el lado interno de la membrana mitocondrial, la carnitina vuelve a ceder el acilgraso a un CoA intramitocondrial. de esta manera se produce el transporte desde el exterior al interior de la mitocondria.

Balance energetico:

para activar el ácido graso e introducirlo en la mitocondria se gasta un ATP, luego en el interior de la mitocondria, por cada dos carbono se produce un FADH₂ y un NADH₂ que rendirán su energía en la cadena respiratoria, el ácido palmítico de 16 carbonos rendirá mediante esta ruta: 8 acetilCoA + 7 NADH₂ + 7 FADH₂. 

Los AcetilCoA entrarán al ciclo de Krebs y rendirán 3 NADH2 + 1 FADH2 + 1 GTP cada uno.

CATABOLISMO DE PROTEÍNAS:

Antes de pasar a la cadena respiratoria, las proteinas no suelen degradarse para producir energía, pero en caso de hacerlo, después de hidrolizarse los enlaces peptídicos y eliminarse en nitrógeno que pasa a formar amoníaco, urea o ácido úrico en diferentes seres vivos, las cadenas carbonadas de los aminoácidos entran por diferentes rutas al ciclo de Krebs.

CADENA RESPIRATORIA:

Todas las moléculas reducidas, ricas en electrones que se han ido produciendo en las diversas rutas metabólicas liberan su energía en la cadena respiratoria.

La cadena respiratoria es un transporte ordenado de electrones desde moléculas con bajo potencial de oxidoreducción hasta el aceptor final de electrones, que en la mayoría de los organismos es el oxígeno.

El potencial de oxidoreducción es la capacidad que tiene una molécula de donar electrones, por convención, será más negativo cuanto más facilidad tenga una molécula para donar electrones y positivo cuando una molécula tenga afinidad por los electrones.

En la mitocondria estas oxidaciones y reducciones se realizan en enzimas apoyadas en la membrana interna de la mitocondria.

Se calcula que, como media, el trasporte de dos electrones del NADH2 producido en la mitocondria hasta el oxígeno produce 3 ATP y el transporte de dos electrones desde el FADH2 hasta el oxígeno 2 ATP. El NADH2 producido en el citoplasma durante la glucolisis solo rinde 2 ATP porque al donar los electrones desde el espacio intermembranoso y liberar los protones también al espacio intermenbranoso no hay un transporte neto de protones.

Metabolismo:

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en un ser vivo. Están plenamente conectadas unas con otras y se pueden clasificar en dos tipos:

•  Catabolismo: son las reacciones de degradación de materia orgánica altamente organizada, exergónicas, que rinden energía que generalmente se acumula en forma de ATP y que será utilizada por los seres vivos cuando lo necesiten, estas reacciones convierten materia orgánica compleja en materia orgánica más sencilla o en materia inorgánica.

• Anabolismo: son las reacciones endergónicas que consumen energía para formar moléculas orgánicas complejas con gran cantidad de energía interna (Entalpía) en sus enlaces a partir de moléculas más sencillas, inorgánicas u orgánicas. Estos dos conceptos; aunque válidos, son limitados. Sólo sirven para hacernos una idea del metabolismo general en los organismos heterótrofos.

Los conceptos de metabolismo energético y metabolismo plástico son más universales:

•  Metabolismo energético: son aquellas reacciones exergónicas encaminadas a acumular energía. En este concepto se engloban tanto el catabolismo como la absorción de energía por transporte de electrones, que no necesariamente degrada moléculas complejas, sinó que consiste en oxidar moléculas captando sus electrones. Estos electrones proceden de la degradación de moléculas complejas en el caso de la respiración celular  o bien de moléculas inorgánicas como el agua en la fotosíntesis normal o de otros compuestos inorgánicos en el caso de la quimiosíntesis.

•  Metabolismo plástico: son las reacciones endergónicas formadoras de moléculas complejas, es sinónimo de anabolismo.

Enzimas:

Los enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Los enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que sólamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse. Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH.

Todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Los enzimas son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por un enzima: -La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato. -El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada centro activo. El centro activo comprende un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato y un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción -Una vez formados los productos el enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción. PROPIEDADES: Especificidad: las enzimas son específicas para un sustrato determinado, pero el rango de especificidad puede variar: Absoluta: cuando un enzima sólo actúa sobre un sustrato, ejemplo la ureasa sólo actúa descomponiendo la urea. Completa de grupo: cuando la enzima es específica para cierto enlace y para un grupo de moléculas que mediante él se unen, ejemplo la hexoquinasa fosforila cualquier hexosa en el carbono 6. Relativa de clase; actúan con mayor actividad sobre un grupo de moléculas pero también actúan en otros, ejemplo la lipasa que actúa rompiendo los enlaces ésteres de las grasas pero puede actuar sobre otro tipo de lípidos. Estereoquímica: Cuando solo actúan sobre isómeros de la serie L o D pero nunca en ambos, ejemplo cualquier activadora de aminoácidos (Aminoacil-ARNttransferasas) que solo actúa en el isómero L de un aminoácido en concreto. como veremos al estudiar el tema de genética molecular hay una enzima para activar cada aminoácido.

CINETICA ENZIMATICA:
La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Estos estudios proporcionan información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especifidad del enzima.
La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es aislar el enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (V_max). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.

Para estudiar la cinética enzimática se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante. Si representamos v₀ frente a [S]₀ obtenemos una gráfica como la de la Figura de la derecha. Cuando [S]₀ es pequeña, la velocidad inicial es directamente proporcional a la concentración de sustrato, y por tanto, la reacción es de primer orden. A altas [S]₀, el enzima se encuentra saturada por el sustrato, y la velocidad ya no depende de [S]₀. En este punto, la reacción es de orden cero y la velocidad es máxima (V_max).

FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS ENZIMAS:

-Temperatura: Se ha demostrado que en general, en cualquier reacción, catalizada o no, aumenta la velocidad el doble al aumentar 10 la temperatura. Al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de las partículas reaccionantes, pero las enzimas tienen un óptimo de temperatura después del cual la actividad desciende rápidamente hasta anularse, esto es debido a la estructura proteica del enzima, que a altas temperaturas se desnaturaliza irreversiblemente.

-pH: Las proteínas y por tanto las enzimas son moléculas anfóteras, que pueden comportarse como ácidos en pH básico y como bases en pH ácido, esta propiedad hace que la proteína sea más activa en un punto determinado de la escala de pH en la que consigue la estructura más idónea.

Además de estos factores puramente fisicoquímicos, hay factores biológicos que modifican la cinética enzimática.

-Inhibidores: Hay sustancias que se unen al enzima impidiendo su actividad por tres causas principalmente.

Inhibidores competitivos, tienen una estructura similar al sustrato y compiten con el por el centro activo, de esta manera aumentan la K_m, la velocidad máxima no varía pero se necesita más sustrato para saturar al enzima.

Inhibidores no competitivos, no compiten con el sustrato por el centro activo, se unen al enzima o al complejo enzima-sustrato modificando su actividad, se detectan por que disminuye la velocidad máxima de la reacción.

Inhibidores acompetitivos , se unen al enzima alterándolo de forma que pierde su afinidad por el sustrato (aumenta la K_m) y disminuyen la velocidad de la reacción.

-Venenos. Son sustancias que desnaturalizan de forma irreversible la estructura del enzima, suelen ser disoluciones salinas.

-Inductores e inhibidores Feed-back. En una ruta metabólica, el producto final se une a una enzima del principio de la ruta en un centro diferente del activo, llamado centro alostérico, reduciendo su actividad, de esta forma ningún metabolito se produce en exceso, cuando aumenta la concentración del producto final éste actúa como inhibidor feed-back de la ruta; Los enzimas que se regulan de esta forma se llaman enzimas alostéricos, son muy importantes en las rutas de síntesis de aminoácidos debido a la economía del nitrógeno. También pueden existir activadores alostéricos que al unirse al enzima aumentan su actividad.