MATERIAL COMPLEMENTARIO

Programa de estudios/programa CIENCIAS DEL DEPORTE Sesión N°2

Experiencia Curricular Bioquímica del Deporte y la Actividad Física
Contenido Temático Metabolismo Celular
Docente Dr. Luis Edinson Torres Cordova
Tipo de material informativo Lectura/artículos/otros

Metabolismo

Las células individuales o agrupadas en algún tejido, nunca están aisladas, continuamente
están intercambiando materia y energía con su alrededor o entorno. La materia y la energía
que entran o que salen de la célula son o han sido transformadas en su interior, con el
propósito de crear y mantener sus propias estructuras y proporcionar la energía necesaria
para sus actividades vitales.

El conjunto de intercambios y transformaciones que tienen lugar en el interior de la célula,

se realizan a través de procesos químicos catalizados por enzimas, los cuales constituyen el
metabolismo celular.

Entonces, se define el metabolismo como el conjunto de todas las reacciones químicas

catalizadas por enzimas que ocurren en la célula. Es una actividad coordinada y con
propósitos definidos en la que cooperan diversos sistemas multienzimaticos. En otras
palabras es el proceso global que abarca la suma total de todas las reacciones enzimáticas
que tienen lugar en la célula y en él participan muchos conjuntos enzimáticos mutuamente
relacionados los cuales permiten el intercambio de materia y energía entre la célula y su
entorno.

El metabolismo se realiza a fin de cumplir con cuatro funciones específicas:

1) Obtener energía química del entorno, a partir de la luz solar o de la degradación de

moléculas ricas en energía.

2) Transformar las moléculas nutrientes en precursores de las macromoléculas

celulares.

3) Sintetizar las macromoléculas celulares a partir de los precursores.

4) Formar y/o degradar las biomoléculas necesarias para las funciones especializadas
de las células (hormonas, neurotransmisores, etc.).
Las distintas reacciones químicas del metabolismo que se agrupan con una determinada
función se denominan vías o rutas metabólicas y las moléculas que en ellas intervienen se
llaman metabolitos.
Todas las reacciones del metabolismo están reguladas por enzimas, que son específicas
para cada compuesto llamado sustrato y para cada tipo de transformación. Las sustancias
finales de una vía metabólica se denominan productos. Tipos de metabolismo

Según la fuente de carbono que utilicen las células u organismos poseerán un metabolismo
autótrofo y se llamarán células u organismos autótrofos, o bien, un metabolismo
heterótrofo y se denominarán seres heterótrofos.

Las células o seres autótrofos se nutren exclusivamente de materia inorgánica y realizan

reacciones anabólicas para transformarla en materia orgánica a partir de la energía que
toman del medio. La fuente de carbono es el CO2 atmosférico.

Según la fuente de energía que utilicen, las células y los organismos autótrofos pueden ser:
a) Quimiosintéticos si la fuente de energía química (ATP) procede de la energía que se
desprende en reacciones químicas inorgánicas (ejemplo las bacterias quimiosintéticas) y b)
Fotosintéticos si utilizan la energía luminosa y la transforman mediante fotosíntesis la
transforman en energía química (ejemplos: bacterias fotosintéticas, cianofíceas, algas
verdes y las células vegetales fotosintéticas de las hojas). Por su parte las células y
organismos heterótrofos se nutren básicamente de materia orgánica que toman del medio
(proveniente de los autótrofos) y su fuente de energía es el ATP obtenido a través de sus
reacciones catabólicas. Es propia de (ejemplos las células de los animales, la mayoría de las
bacterias, hongos y células vegetales no fotosintéticas).

Con fines prácticos el metabolismo se ha dividido en dos grandes fases:

a) Catabolismo o fase degradativa: serie de reacciones mediante las cuales las

moléculas orgánicas complejas se desdoblan en otras más sencillas o inorgánicas
liberando energía que se almacena en el ATP.

b) Anabolismo o fase constructiva: serie de reacciones de formación de

moléculas orgánicas complejas a partir de otras sencillas utilizando el ATP obtenido
en el catabolismo o en otros procesos químicos como la fotosíntesis.

Las células autótrofas tienen dos tipos de anabolismo: uno autótrofo y otro heterótrofo. En
el primero se parte de sustancias inorgánicas (CO2 y H2O) para obtener sustancias orgánicas
sencillas (por ejemplo, glucosa) utilizando la energía libre (luminosa o producida en
reacciones químicas), En el segundo, se parte ya de sustancias orgánicas sencillas, como la
glucosa, para obtener otras más complejas como el almidón.

Las células heterótrofas sólo tienen un anabolismo heterótrofo, similar al de las autótrofas,
con la diferencia de que incorporan las moléculas orgánicas del exterior (alimentos).

El catabolismo se puede considerar idéntico en tanto en células autótrofas como en

heterótrofas.
En general existen algunas diferencias básicas que entre el anabolismo y el catabolismo, la
fase anabólica implica procesos de síntesis de compuestos, involucran principalmente
reacciones de reducción que consumen energía y a partir de unos cuantos sustratos se
pueden formar una gran variedad de compuestos. Hay divergencia en los productos. Por su
parte la fase catabólica implica procesos de degradación de compuestos, involucran
principalmente reacciones de oxidación acompañadas de liberación de energía y a partir de
una gran variedad de compuestos se generan casi siempre los mismos productos. Hay
convergencia en los productos (CO2, piruvato, alcohol etílico, agua y unos pocos más).

Catabolismo
Se define al catabolismo como el conjunto de reacciones metabólicas que tienen por
objeto obtener energía a partir de compuestos orgánicos complejos que se transforman en
otros más sencillos. La respiración celular aerobia y las fermentaciones alcohólica y láctica
son las principales vías catabólicas para la obtención de la energía contenida en las
sustancias orgánicas.

El mecanismo de la respiración celular para la producción de energía, implica una serie de

reacciones de oxido-reducción en las que se requiere una molécula receptora final de los
electrones y átomos de hidrogeno liberados, a fin de que no se interrumpa el proceso.
Existe un grupo mayoritario de células y organismos que utilizan al oxígeno molecular (O2)
como último aceptor de electrones de la cadena respiratoria, a estas células y organismos
se les denomina aerobios. Si una célula u organismo microbiano utiliza una molécula
diferente al O2, por ejemplo, H2, S2 o N2, como aceptor final de electrones, se llama
anaerobio.

Fases del catabolismo en organismos aeróbicos Fase I. Fase inicial o

preparatoria
Donde las grandes moléculas (nutrientes) presentes en los alimentos se degradan hasta
liberar sus principales componentes (los polisacáridos se desdoblan en monosacáridos; los
lípidos a ácidos grasos y glicerol y las proteínas en sus aminoácidos constituyentes).

Fase II. Fase intermedia

En esta etapa, los diversos productos formados en la fase I, son convertidos en una misma
molécula, más sencilla la Acetil-coenzima A (acetil-CoA). La degradación de los
monosacáridos y el glicerol, así como las reacciones de desaminación y transaminación de
los aminoácidos se realizan en el hialoplasma, mientras que la degradación de los ácidos
grasos ( -oxidación) ocurre en la matriz mitocondrial.

Fase III. Fase final

En la que las moléculas de acetil-CoA se incorporan al proceso de respiración (ciclo de
Krebs, transporte de electrones y fosforilación oxidativa) para dar lugar a moléculas
elementales CO2 y H2O.
Catabolismo de Carbohidratos

Los carbohidratos son la fuente esencial de energía para los seres vivos. Además de ser los
productos iniciales para la síntesis de grasas y aminoácidos no esenciales.

Fase I o Fase inicial o preparatoria del catabolismo. La Digestión y absorción de

carbohidratos en organismos heterótrofos
La digestión es un proceso de hidrólisis en la que las moléculas complejas presentes en los
alimentos son desdobladas en moléculas más sencillas a fin de que sean absorbidas y
posteriormente asimiladas por las células. El proceso de la digestión de los alimentos inicia
con la masticación, acción mecánica que pone a disposición de las enzimas las
macromoléculas del alimento.

En la dieta para la alimentación de animal las fuentes principales de carbohidratos son

almidón, sacarosa y lactosa. Existen otros carbohidratos que se ingieren en menores
proporciones como el glucógeno o derivados como el ácido láctico y pirúvico de origen
animal; además de las llamadas fibras como las pectinas, celulosa y hemicelulosa,
importantes para la nutrición de rumiantes.

La digestión de los carbohidratos inicia en

la cavidad bucal, mediante la acción de
una enzima con actividad de amilasa,
conocida como ptialina. La ptialina solo
alcanza a hidrolizar aproximadamente el
5% del almidón presente en la ingesta.
Esto se debe principalmente al
corto tiempo permanecen los alimentos
en la boca. En el caso de los animales
monogástricos ocurre una hidrólisis ácida
de los carbohidratos, en el estomago,
donde al cabo de una hora se habrán
hidrolizado entre el 30-40% del almidón
hasta maltosa.

La digestión continúa en el intestino

delgado donde el bolo alimentico entrara que
en contacto con una
secreción pancreática que contiene la
amilasa pancreática. Hasta aquí el
almidón queda reducido a maltosa y a
oligosacáridos de 3 a 9 unidades de
glucosa que se conocen
como dextrinas. Estructuras con ramas
cortitas llamadas α-dextrinas límite (con
terminales de isomaltosa, dos moléculas
de glucosa unidas por enlaces α(1-6).

Las células que se encuentran en las

vellocidades del intestino delgado,
llamadas enterocitos, secretan 5 enzimas
α-dextrinasa, isomaltasa, maltasa,
sacarasa y lactasa, cuya función es
desdoblar los oligosacaridos hasta sus
monosacáridos constituyentes, los cuales
son hidrosolubles y asimilables. Las
dextrinas se desdoblan unidades de glucosa e isomaltosa, la lactosa a glucosa y galactosa y
la sacarosa a glucosa y fructosa.

La glucosa es el monosacárido que se absorbe en

mayor abundancia, en animales puede llegar a
representar hasta el 80% de las calorías procedentes
de los carbohidratos. A mitad de la digestión la
concentración de glucosa en el intestino será mayor
que dentro del enterocito, por lo tanto será posible
el paso de glucosa a través de la mebrana luminal
mediante un sistema proteico de transporte pasivo
(GLUT= glucosa transporter).

En los momentos iniciales o finales de la digestión, o

en cualquier situación en la que haya menos
concentración de glucosa en el lumen intestinal que en el interior del enterocito,

el transporte tendrá que ser activo. Para

eso el transporte será más
complicado que por
transportadores GLUT, y será llevado a
cabo por bombas iónicas.

En la membrana basal del enterocito abundan los

sistemas proteicos de bomba Na+/K+: sacan 3 iones Na+
y meten 2 iones K+ en contra de gradiente gastando
(hidrolizando) ATP.

Esto hace que el nivel de Na+ en el enterocito sea más

bajo que en el lumen intestinal, por lo que entrarán
iones Na+ a través de la membrana luminal a favor del
gradiente, liberando energía, y esta energía es la que
utilizan los transportadores activos (SLG) de la membrana luminal, para meter la glucosa en
contra de su gradiente. De este modo la glucosa es transportada a la célula por medio de
un cotransporte activo conjuntamente con iones sodio.

Una vez que la glucosa ya está dentro del enterocito, esta se puede metabolizar para que
dicha célula obtenga su propia energía (exclusivamente anaeróbicamente por glucolisis) y
la mayor parte se envía al plasma a través de los sistemas de transporte pasivos
transmembranales (GLUT). El ácido láctico producido en la glucólisis también pasa al
plasma a través de dichos transportadores. El paso de la glucosa al plasma siempre es
pasivo (transportadores GLUT) por diferencia de concentraciones.

Una vez en el plasma el hígado recoge la glucosa rápidamente. El hígado la recibe (también
recibe la mayor parte de fructosa, galactosa, ácido láctico y los convierte en mas moléculas
de glucosa. Ya en el hígado, dependiendo de las necesidades del organismo, la glucosa
puede tener tres destinos:

a) Se puede almacenar en forma de glucógeno, mediante el proceso anabólico

conocido como glucogénesis. Este glucógeno estará disponible para cuando el
organismo lo necesite y se puede convertir nuevamente a unidades de glucosa,
mediante un proceso catabólico conocido como glucogenólisis.

b) Se puede utilizar catabólicamente para su propia obtención de energía.

c) Se envía al plasma (torrente sanguíneo) para que llegue al resto de los tejidos.

Dependiendo del tipo de tejido, existen tres mecanismos mediante los cuales las células
ingresan las moléculas de glucosa a su interior:

a) Difusión facilitada en el hígado. Esto es porque el hígado como principal “aceptor”,

“almacenador” y “dador” de glucosa, por lo tanto la captación de glucosa debe
ser sin barreras.

b) Difusión facilitada insulino-dependiente, en tejido muscular y tejido adiposo.

c) Sistemas de transporte activo secundario acoplado al gradiente de Na+, en el

intestino y en los tejidos renales.
La glucosa se moviliza por el organismo a través de la sangre, y su nivel (índice de glucemia)
en animales monogástricos sanos se mantiene dentro de los límites de 70 a 100 mg/100
ml.

El destino metabólico de la glucosa de la sangre es:

1. La síntesis y reserva de glucógeno. En este proceso actúa la enzima

glucógenosintetasa cuya producción y actuación se estimula tras una comida rica en
carbohidratos.

2. La conversión en grasa. Como la cantidad de glucosa que puede almacenarse

en forma de glucógeno es limitada, el exceso se convierte en grasa, esto supone la
degradación previa hasta piruvato.

3. La conversión en aminoácidos. Aminoácidos no esenciales que obtienen sus

cadenas carbonadas de la glucosa.

4. Hacia la producción de energía. Por oxidación completa hasta dióxido de

carbono y agua produciendo ATP como fuente de energía.

En el caso de los rumiantes, existen diversos microorganismos en la cavidad ruminal que les
permiten obtener energía a partir de los carbohidratos fibrosos (celulosa y hemicelulosa)
que están ligados a la lignina en las paredes de las células de plantas. La fibra da volumen al
alimento permitiendo que se retenga en el rumen, donde la celulosa y la hemicelulosa
fermentan lentamente. Adicionalmente, la presencia de material fibroso es necesaria para
estimular la rumia. La rumia aumenta la separación y posibilita una mayor fermentación de
la fibra, estimula las contracciones del rumen y aumenta el flujo de saliva hacia el rumen.
La saliva contiene bicarbonato de sodio y fosfatos que ayudan a mantener la acidez (pH)
del contenido del rumen en un pH aproximadamente neutro.

El almidón, los oligosacáridos, los disacáridos y los monosacáridos (azúcares no-fibrosos)

fermentan rápidamente y completamente en el rumen. El contenido de carbohidratos
nofibrosos incrementa la energía en la dieta, y así mejora la cantidad de proteína
bacteriana producida en el rumen. Sin embargo, debe existir un balance entre los
diferentes tipos de carbohidratos, porque los no fibrosos no estimulan la rumia o la
producción de saliva y cuando se encuentran en exceso pueden inhibir la fermentación de
fibra. A continuación se presenta una tabla donde se clasifica a las bacterias ruminales de
acuerdo a su actividad.
En los rumiantes el alimento permanece en rumen de 6 a 60 horas a 39-40 °C y pH entre
5.5 7.5, en abundante presencia de agua y materia orgánica y baja concentración de
oxígeno, condiciones ideales para el crecimiento de bacterias anaerobias y protozoos que
conviven de manera simbiótica con el animal.

En el rumen el almidón se degrada rápidamente a glucosa por acción de las amilasas

bacterianas. Por su parte la celulosa tiene un proceso lento de degradación más lenta,
generando unidades de glucosa, por efecto de las (1-4)-glicosidasas (celulasas ) de origen
microbiano. De la misma manera las
hemicelulosa se degrada lentamente a
oligosacáridos ricos en xilosa. Todas estas
moléculas de glucosa y xilosa, así como los
demás monosacáridos libres presentes en el
alimento se convierten rápidamente en
piruvato debido a la glicólisis.

El piruvato se convertirá posteriormente

en ácidos grasos volátiles (AGV) a través
de distintas rutas fermentativas en el
mismo rumen. Los principales AGV (el
95% aprox.) que se forman son ácido
acético (acetato), ácido
propiónico
(propionato) y ácido butírico (butirato).

Los 3 AGV principales tiene destinos

diferentes: el ácido acético se utiliza
mínimamente en el hígado, y pasa a los diferentes tejidos para oxidarse y producir ATP. De
igual forma una gran parte de acetato es como fuente principal de acetilCoA en la síntesis
de ácidos grasos de cadena larga.

El ácido propiónico es transferido, casi completamente, por la vena porta hacia el hígado.
Allí el propionato sirve como substrato para la gluconeogénesis, que es una ruta crítica
para los rumiantes, ya que la glucosa no suele alcanzar el intestino delgado para su
absorción. La gluconeogénesis genera las moléculas de glucosa que a través del torrente
sanguíneo llegarán a los tejidos para la respiración celular.
El ácido butírico, en su mayor parte sale del rumen como cetonas, las cuales se oxidan en
muchos tejidos para la producción de energía.

En el caso de las plantas, la fuente más importante para la producción de energía en su

catabolismo heterótrofo es el almidón. La degradación enzimática de la amilosa y la
amilopectina hasta glucosa se efectúa por dos vías: desdoblamiento fosforolítico y
desdoblamiento hidrolítico.

El desdoblamiento fosforolítico del almidón se realiza por medio de la enzima fosforilasa

(con actividad fosforolítica). Esta enzima utiliza ácido fosfórico para ir acortando la cadena
de los polisacáridos del almidón desde el extremo no reductor y cada vez se origina una
molécula de glucosa, el resto fosfórico del ácido pasa entonces a la glucosa liberada y el
hidrógeno es transferido a la unidad de glucosa de la cadena que ocupa la posición
terminal. El corte sigue en esa misma dirección generándose múltiples unidades de
glucosa-1-fosfato.

Las enzimas responsables del desdoblamiento hidrolítico son las amilasas, un grupo de
enzimas que pertenecen a la categoría de las hidrolasas. Debido a su modo de acción se
dividen en α-amilasa y -amilasa. La primera desdobla las macromoléculas de la amilosa y
la amilopectina, de las cuales se compone el almidón, en unidades de 6-7 moléculas de
Glucosa. Incluso, con más tiempo de exposición esa enzima logra desdoblar a estos
oligosacáridos llevándolos a maltosa. La cual es desdoblada a glucosas por medio de la
enzima maltasa.

δa -amilasa puede desdoblar las moléculas de amilosa y amilopectina pero solo a partir de
los extremos no reductores de estas moléculas. Cada vez son cortadas a dos unidades de
glucosa en forma de maltosa, para ser desdobladas enseguida por la maltasa. Las
moléculas de amilasa son desdobladas de esta forma pero las de amilopectina son solo
desdobladas en un 50% ya que la enzima no puede desdoblar los enlaces α(1-6)
presentes en los puntos de las ramificaciones propias de esta macromolécula. El
desdoblamiento total de la amilopectina ocurre por complemento con la acción α-
amilasa.

Fase II o Fase intermedia del catabolismo. La glicólisis y la formación de Acetil

Coenzima A
Glicólisis
Ya en las células, el proceso para la obtención de energía es la glucolisis o glicolisis. La
glucólisis, también llamada ruta de Embdem-Meyerhof-Parnas, es la ruta más primitiva de
producción de energía, es un conjunto de reacciones anaerobias que tienen lugar en el
hialoplasma celular, en ellas la glucosa (proveniente del almidón o del glicógeno), se
degrada transformándose en dos moléculas de ácido pirúvico o piruvato (3 C).

Su nombre deriva de los vocablos griegos “glykys” que significa dulce y “lysis” que
se traduce como separación o rompimiento. La glucólisis es utilizada por casi todas las
células como medio para obtener energía a partir de los azucares simples. Cualquiera que
sea la fuente de glucosa utilizada, el resultado final será la obtención de 2 moléculas de
ácido pirúvico (piruvato), 2 ATP y 2 NADH + 2 H+. El glicerol de los glicéridos y algunos
aminoácidos de las proteínas también pueden entrar a esta vía catabólica

Etapas de la glucólisis
Las 10 reacciones de la ruta entre la glucosa y el piruvato pueden dividirse en dos fases
distintas:

Fase I. Fase de inversión de energía o de Activación

Las 5 primeras de inversión de energía, en la que la glucosa se convierte en Glucosa-6-
fosfato, la cual se desdobla en dos moléculas de gliceraldehído-3-P (GAP, una triosa
fosfato), consumiendo dos moles de ATP.

Fase II. Fase de Cosecha de energía o Etapa de degradación

II. Las siguientes 5 reacciones son de cosecha o generación de energía, las 2 moléculas de
GAP se oxidan convirtiéndose en moléculas altamente energéticas que culminan con la
generación 4 moléculas de ATP y dos de piruvato.´

Las estructuras del acarreador de electrones Nicotinamida adenina dinucleótido (oxidada

NAD + y reducida NADH) se pueden estudiar en la figura siguiente:
En las figuras siguientes se describen las dos fases de la glicólisis:
Haciendo un balance global de la glicólisis se puede decir que por cada molécula de glucosa
que ingresa en esta vía se obtiene: 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 moléculas de NADH +
2H+ y 2 moléculas de ATP.

La glicólisis constituye la fase inicial del

catabolismo de los
carbohidratos, produciendo piruvato.

En condiciones anaeróbicas el piruvato puede

reducirse en las reacciones de fermentación
para formar etanol o lactato.

En condiciones aeróbicas el piruvato

puede oxidarse entrando al metabolismo
oxidativo, conocido como
Respiración, el cual involucra los
siguientes procesos: ciclo del ácido cítrico
(ciclo de Krebs), transporte de electrones
y fosforilación oxidativa.
Las células anaerobias mantienen un estado electrónico estacionario y por lo tanto ya no
tienen posibilidades de generar más energía, debido a que transfieren los electrones y los
átomos de hidrógeno obtenidos en la glicolisis, desde el NADH hasta compuestos
aceptores de electrones diferentes del oxígeno, en este caso, de nuevo hasta el piruvato,
formando productos tales como: lactato y etanol. A continuación se detallan dichas
reacciones.

En presencia de oxígeno, las células aeróbicas oxidan totalmente al piruvato hasta CO 2 y

H2O con la finalidad de generar más energía química en forma de moléculas de ATP. En el
proceso conocido como respiración que implica el ciclo de Krebs, el transporte de
electrones y la fosforilación oxidativa.

Previo a la respiración y dentro de la fase preparativa del catabolismo, el piruvato sufre una
primera descarboxilación para formar Acetil coenzima A.

Formación de Acetil Coenzima A

La reacción de descarboxilación oxidativa del piruvato con la respectiva formación de
Acetil coenzima A o "ácido acético activado", se presenta enseguida. Esta es una reacción
irreversible endergónica que genera 33.4 kJ/mol y que está catalizada por el complejo
enzimático de piruvato deshidrogenasa. La piruvato deshidrogenasa está conformada por 3
enzimas y 3 coenzimas de origen vitamínico (B1, B2 y B3). La coenzima A es un derivado de
la vitamina B5 (ácido pantoténico). En la reacción también interviene como cofactor el
lipoato (lipoamida, un derivado azufrado de ácido octanóico). La estructura de la Coenzima
A y el mecanismo de la reacción también se indican.
La descarboxilación del piruvato al igual que las reacciones de oxido reducción propias del
ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa se realizan
en las mitocondrias.

La mitocondria
Es el orgánulo u organelo de forma
ovoide donde se lleva a cabo la
respiración celular (el catabolismo
aerobio), en la mayoría de los
organismos eucariotas (con núcleo
verdadero). Una célula eucariota típica
contiene más de 2000
mitocondrias, lo que ocupa
alrededor de la quinta parte del
volumen celular. Esta cantidad es
necesaria porque este organelo es la
central energética de la célula.

El análisis de microscopía electrónica de las mitocondrias, ha revelado la presencia de dos

membranas, una de ellas lisa, en la parte externa del organelo y otra interna muy plegada,
a cada pliegue se le denomina cresta. El número de crestas varía con la actividad
respiratoria del tipo particular de célula. Lo anterior se debe a que las enzimas que llevan a
cabo el transporte de electrones y las fosforilación oxidativa, están unidas a esta
membrana.

La presencia de las dos membranas hace que se formen dos compartimientos la matriz
englobada por la membrana interna y el espacio intermembranal o intermembranoso,
situado entre ambas membranas.

La membrana interna contiene sistemas de transporte para el ingreso del NADH producido
por la glucólisis (necesario para la oxidación aeróbica en la cadena de transporte de
electrones), entrada de oxaloacetato, Acetil-CoA, ácidos grasos, ADP y grupos fosfato,
entre otros. También tiene proteínas transportadoras de ATP y otros metabolitos hacia el
citoplasma.

Las enzimas respiratorias, forman parte

tanto de la membrana interna, como de la
matriz gelatinosa (50% H2O). La
membrana interna está compuesta por
aproximadamente un 75% de proteínas y
25% lípidos. Es permeable solamente a
O2, CO2 y H2O. Así que además de las
proteínas de la cadena de transporte de
electrones, contiene numerosas proteínas
de transporte, que controlan el paso de
ATP, ADP, piruvato, Calcio y
fosfato. Esta impermeabilidad
controlada permite la
generación de gradientes, lo cual le da
una funcionalidad adicional.

El interior de la matriz mitocondrial es una solución

de proteínas, lípidos, ARN, ADN y sus propios
ribosomas (mitorribosomas) para la síntesis de
muchas de sus proteínas.

Cabe destacar que el ADN mitocondrial es similar al ADN de los procariotas. Esto es, está
formado por una doble cadena de ADN circular asociada a proteínas diferentes de las que
se encuentran en los eucariotas. Las mitocondrias, igual que los cloroplastos, tienen una
estructura similar a los organismos procariotas Según la teoría endosimbiótica las
mitocondrias y los cloroplastos eran organismos procariotas que establecieron una
simbiosis con las células eucariotas a las que proporcionarían energía a partir de sustancias
orgánicas.

Ciclo de Krebs
Una vez formada la acetil coenzima A, el grupo acetilo proveniente del piruvato ya ha sido
activado y está listo para ingresar al ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o
ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

Esta se considera la ruta central del

metabolismo catabólico, ya que además
del piruvato, muchos productos finales de
4 y 5 carbonos, de otros procesos
catabólicos previos, entran también en el
ciclo como combustibles oxidables
productores de energía. Además ciertos
intermediarios pueden ser retirados del
ciclo para servir de precursores en ciertas
rutas biosintéticas.

Consta de 8 reacciones básicas, que se realizan

en las mitocondrias de las células eucariotas y
en el citosol para el caso de las células aérobicas
procariotas.

Se divide en dos fases:

Fase I. Reacciones 1-4. Definida como las reacciones de adición y pérdida de dos átomos de
carbono.

Fase II. Reacciones 5-8. Definida como el grupo de reacciones para la regeneración del
oxaloacetato.

Este proceso, se inicia con la condensación irreversible de las moléculas de Acetil-CoA y

oxaloacetato, esta reacción es catalizada por la enzima citrato sintasa y su producto es el
citrato.

A partir del citrato, se despliega una serie de reacciones irreversibles, que culminan con la
generación de otra molécula de oxaloacetato. Para ello tienen que ocurrir dos reacciones
de descarboxilación sucesivas, primero la descarboxilación del isocitrato por la enzima
isocitrato deshidrogenasa para formar -cetoglutarato y después la transformación de este
en succinilCoA, reacción catalizada por un complejo enzimático denominado complejo del
-cetoglutarato deshidrogenasa. En ambos casos se liberan moléculas de NADH y CO2. En la
5a reacción se libera se rompe el enlace tioéster de la separándose la molécula de Succinil-
CoA en succinato y CoA, el rompimiento de este enlace genera energía libre para realizar la
fosforilación de una molécula de Guanidina difosfato (GDP) convirtiéndola en Guanidina
trifosfato (GTP) que es equivalente energéticamente a ATP. Enseguida el Succinato se
deshidrogena y convierte en Fumarato, los electrones y los átomos de H liberados en esta
reacción son atrapados por FAD el cual se reduce a FADH2. Después el Fumarato se satura
con molécula de agua y se convierte en Malato, el cual se vuelve a deshidrogenar para
regenerar el oxaloacetato inicial.

A continuación se ilustran las reacciones del ciclo de Krebs

Reacción 1. Condensación del oxalacetato con la Acetil-CoA

La enzima citrato sintasa condensa a la acetil-CoA (de 2C) con el oxalacetato (de 4C) para
dar una molécula de citrato (6C). Como consecuencia de esta condensación se libera la
coenzima A. La reacción es fuertemente exergónica e irreversible. En la reacción
intervienen las cadenas laterales del ácido aspártico en la posición 375 y las histidinas de
las posiciones 274 y 320. El análisis de la reacción a demostrado que la acetil-CoA se une
mediante un puente de hidrógeno con la histidina 274. Enseguida el grupo carboxilo
ionizado del ácido aspártico 375 gana un protón del grupo metilo de acetil ocasionando
una deslocalización electrónica que da como resultado un enolato Acetil-CoA altamente
inestable, este compuesto inmediatamente realiza un ataque nucleofílico sobre el carbono
del grupo ceto del oxalato, quedado enlazados los átomos de carbono antes mencionados
para formar Citril-CoA. Enseguida la enzima hidroliza la CitrilCoA, formando el citrato y
liberando la coenzima A.
Reacción 2. La isomerización del citrato a isocitrato
El citrato es convertido en isocitrato por medio de la enzima aconitasa (aconitato
hidratasa). La reacción tiene lugar en dos pasos: deshidratación hasta cis-aconitato (el cual
permanece unido a la enzima) y rehidratación hasta isocitrato.

Reacción 3: oxidación y descarboxilación del isocitrato

El isocitrato es oxidado por deshidrogenación, esta reacción es catalizada por la isocitrato
deshidrogenasa. La enzima requiere Mn++ que facilita la liberación de CO2. La reacción se
lleva a cabo en dos pasos: primero una deshidrogenación, en la que se forma
oxalosuccinato que permanece unido a la enzima liberando NADH + H+, después, una
descarboxilación e hidrogenación para formar el α-cetoglutarato o 2-oxoglutarato (5 C),
liberándose del ion Mn++ de la enzima.

Reacción 4. Oxidación de a-Cetoglutarato a Succinil-CoA y CO2.

Esta reacción es catalizada por la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa que convierte el
αcetoglutarato en succinil-CoA. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es un complejo
multienzimático, cuya acción es análoga a la piruvato deshidrogenasa y utiliza los mismos
cofactores: tiamina pirofosfato (TPP), ácido lipóico, NAD +, FAD y coenzima A. Esta enzima
también es un complejo de 3 subunidades y el mecanismo de la reacción es muy
semejante al de la descarboxilación oxidativa del piruvato.
Reacción 5. Oxidación de Succinil-CoA a Succinato
El Succinato y la coenzima A están unidos mediante un enlace tioéster de alta energía.
Cuando este enlace se rompe la energía liberada se utiliza para generar un enlace
fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar una molécula de GTP. En la reacción se
libera la HS-CoA. La reacción ocurre en tres pasos:

Reacción 6. Oxidación de Succinato a Fumarato

Por acción de la succinato deshidrogenasa, el succinato es deshidrogenado y convertido en
Fumarato. Esta enzima utiliza FAD como coenzima, el cual en estado reducido (FADH2)
constituye una fuente directa de electrones para la cadena respiratoria, introduciéndolos a
la coenzima Q. Esta es la única enzima del ciclo de Krebs integrada a la membrana
mitocondrial interna, por lo que está directamente ligada a la cadena respiratoria en el
caso de los eucariotas. Aquí queda integrada la unión anatómica y fisiológica existente
entre el ciclo de Krebs el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. Sin embargo
en procariotas la enzima se encuentra en la membrana citoplasmática, esto tiene efectos
en la producción total de ATP, como se explicará posteriormente.

Las estructuras oxidada y reducida del cofactor Flavina adenina dinucleótido (FAD y FADH 2)
se presentan a continuación. Obsérvese que el centro catalítico está en los electrones de
los dobles enlaces formados por los átomos de nitrógeno en las posiciones 1 y 5 del triple
anillo de Isoaloxacina.
Reacción 7. Hidratación de Fumarato a Malato
La enzima fumarasa cataliza la adición de agua, es decir la hidratación del fumarato. El
producto de la reacción es el malato.

Reacción 8. Oxidación (deshidrogenación) del malato para formar oxalacetato

La estequiometría del ciclo de Krebs es:

Cada mol de cofactor reducido de NADH tiene energía potencial suficiente para sintetizar
2.5 moles de ATP en los procesos siguientes: el transporte de electrones y la fosforilación
oxidativa. Análogamente cada mol de FAD2 puede generar 1.5 moles de ATP. Entonces cada
molécula de piruvato que entra al ciclo del ácido cítrico tiene una capacidad potencial de
generar 10 moléculas de ATP en total.

Si consideramos una molécula de glucosa entrando al

catabolismo el rendimiento energético total será de 30 a
32 moléculas de ATP, como se ilustra en la figura de
enseguida.

En los rumiantes, como ya se estableció con anterioridad,

los microorganismos del rumen producen por
fermentación ácidos grasos volátiles (AGV) a partir de los
carbohidratos ingeridos en los alimentos.

El AGV producido mayoritariamente es el acido

propiónico. Esta molécula se convierte en succinilCoA para
ingresar al ciclo de Krebs.

Adicionalmente, mediante el proceso de gluconeogénesis en el hígado, partir del ácido

propiónico se puede generar glucosa, la cual puede iniciar todo el proceso catabólico desde
la glicolisis.
Resumiendo el Ciclo de Krebs

• Carbohidratos, lípidos y proteínas son oxidados a CO2

• Los intermediarios del ciclo no son consumidos por completo; por cada
oxaloacetato consumido, uno es producido.
• Por cada Acetil-CoA oxidado, la energía ganada es de 3 NADH, un FADH2 y un
ATP.
• Además de Acetil-CoA, cualquier molécula con 4 o 5 carbonos e
intermediario del ciclo puede ser oxidado.
• El ciclo puede actuar tanto en el catabolismo como en el anabolismo.

Trasporte de electrones y fosforilación oxidativa

El ciclo de Krebs es la vía común para la oxidación aeróbica de los sustratos energéticos,
condición que convierte a este proceso enzimático en la vía degradativa más importante
para la posterior generación de ATP.

Las moléculas de NADH y de FADH2 liberados en el ciclo de Krebs, además de las liberadas
en la glicolisis y la descarboxilación del piruvato son reoxidadas por el sistema enzimático
de transporte de electrones, el flujo de electrones establecido se dirige hacia el O 2 como
aceptor final. Los productos de este proceso son moléculas de agua y una gran cantidad de
energía eléctrica liberada en forma de protones (H+), energía que es utilizada para
sintetizar ATP en el proceso final de la cadena respiratoria, conocido como fosforilación
oxidativa.

La cadena respiratoria está formada por una serie de transportadores localizados en las
crestas de la membrana interna de las mitocondrias. En ellas se realizan los procesos de
transporte electrónico y la fosforilación oxidativa. El transporte se inicia cuando una
coenzima reducida (NADH + H+ o FADH2) se oxida al ceder los dos hidrógenos a un
transportador de la cadena. Estos transportadores se agrupan en 3 complejos. Cada uno de
ellos tiene mayor afinidad que el anterior por lo que los electrones viajan en cascada a
niveles cada vez menores hasta llegar finalmente al oxígeno molecular para formar H 2O.
Entonces el transporte se realiza a través de una serie de reacciones de oxidación-
reducción.
Los electrones y los átomos de hidrógeno son arrancados de las moléculas de NADH + H +
por el complejo enzimático I (llamado NADH deshidrogenasa) y este se los pasa a la
coenzima Q.

El complejo enzimático I tiene cofactores asociados que le permiten el desplazamiento

interno de electrones (flavina mononucleotido y centros de fierro-azufre).

A continuación se indican las reacciones de oxido-reducción en la molécula de flavina

mononucleotido dentro del complejo enzimático I.
El FADH2 presente como cofactor en el complejo enzimático II (llamado succinato
deshidrogenasa), el cual tomó los electrones e hidrógenos de la reacción 6 del ciclo de
Krebs, durante la conversión de succinato a fumarato, los cede directamente a la coenzima
Q. Contribuyendo a la acumulación de coenzima Q reducida (Ubiquinol).

La coenzima Q es un derivado de quinona con una larga cadena isoprenoide. Es ubicua en

la mayoría de los sistemas biológicos por ello se denomina también ubiquinona. La
Coenzima Q puede aceptar átomos de hidrógeno y los electrones producidos por las
enzimas de los complejos I y II. A continuación se presentan las estructuras de la Coenzima
Q (oxidada y reducida), durante su reacción de oxido reducción.

El complejo enzimático II presenta otro tipo de actividades, una de ellas es glicerol-3-

fosfato deshidrogenasa, que consiste en tomar el NADH que viene del citoplasma (de la
glicólisis) en el espacio intermembranal, antes de que ingrese a la matriz de la mitocondria
y al mandar los electrones, a través de FADH2, a la Ubiquinona, entonces la energía
potencial liberada solo tendrá capacidad para sintetizar 3 moléculas de ATP por cada 2
moléculas de NADH , en lugar de
las 5 que producirían estas 2
moléculas de NADH si fueran
tomadas por el complejo
enzimático I (NADH-
deshidrogenasa).

La cada molécula de ubiquinona

reducida al reoxidarse, cede dos
protones a la matriz (2 H+) a la
matriz y dos electrones al
complejo III (citocromo c-
reductasa).

Por cada 2 moléculas de ubiquinona reducida que recibe el complejo enzimático II bombea
4 protones al espacio intermembranal y lleva los electrones hasta el citocromo c. El
citocromo c consta de una pequeña simple proteína unida a una conformación de anillos
llamado grupo heme, a través de moléculas de cisteína. El grupo heme contiene un centro
de fierro que es la parte que realiza el transporte de electrones. El citocromo c acepta
electrones del complejo III y los impulsa hasta el complejo IV. Hay otros tipos de
citocromos pero estos están presentes como cofactores en los complejos enzimáticos III y
IV. La figura siguiente presenta las estructuras de algunos de citocromos presentes en la
cadena respiratoria.
El complejo enzimático IV conocido también como citocromo oxidasa, consta de 3
subunidades proteicas que contienen los citocromos a y a 3 que a su vez contienen
los grupos heme con centros de fierro y cobre. Los electrones provenientes del
citocromo c viajan a través de este complejo enzimático para finalmente llegar al
oxígeno molecular (O2) reduciéndolo a moléculas de agua. Como podrá
observarse, el transporte de electrones es la única fase aeróbica del catabolismo.

También se puede observar en las figuras, que durante el transporte de electrones

los complejos I, III y IV realizan una translocación de protones (H +) desde la matriz
hacia el espacio intermembranal. Esto provoca la aparición de un gradiente
electroquímico, debido a que el espacio intermembranal se vuelve más ácido que la
matriz.

El retorno de protones a la matriz se realiza a través del complejo enzimático V,

conocido como ATP-sintasa, el cual aprovecha la energía del gradiente para
transformar ADP en ATP, y a este proceso se le llama fosforilación oxidativa. Todo
el mecanismo del transporte de electrones y la fosforilación oxidadiva se muestra
en la siguiente figura:
Fosforilación oxidativa
El complejo ATP sintasa es una enzima situada en
la cara interna de la membrana interna de las
mitocondrias y en la membrana de los tilacoides de
los cloroplastos, es la encargada de sintetizar ATP a
partir de ADP y un grupo fosfato, utilizando la
energía proporcionada por un flujo de protones (H+).
La síntesis de ATP por acción de esta enzima se
denomina fosforilación oxidativa (mitocondrias) y
fotofosforilación (cloroplastos).

La fosforilación oxidativa es el proceso mediante el

cual la energía liberada por la oxidación biológica de
los transportadores reducidos (NADH y FADH 2), en
el transporte de electrones, es utilizada y convertida
en energía química en forma de ATP. Según la
teoría quimiosmótica de Mitchell la energía liberada
al bombear los protones desde el espacio
intermembranal hacia la matriz, es la fuerza motriz
que se utiliza para formar el ATP. Las figuras
siguientes representan la estructura
y funcionamiento de la ATP sintasa.

La ATP sintasa se puede imaginar como un motor

molecular que produce una gran cantidad de ATP
cuando los protones fluyen a través de ella.
La tasa de síntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede
formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo.
Mediante experimentos in vitro se ha demostrado que la ATP sintasa actúa de
forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adición
de un ácido débil (por ejemplo ácido acético) a una suspensión de mitocondrias
aisladas es suficiente para inducir la biosíntesis de ATP in vitro.

Esta enzima está formada por dos complejos principales. Uno anclado a la
membrana mitocondrial interna mitocondrial llamado F0, (o anclado a la membrana
interna del tilacoide. llamado CF0. El otro sobresale por la cara interna de la
estructura es llamado F1 (CF1 en caso de los tilacoides).

El componente F0 es el motor impulsado por protones. Está formada por las

subunidades a, b2 y c. δas subunidades c forman el “anillo c”, que rota en sentido
de las manecillas del reloj en respuesta al flujo de protones por el complejo. Las
dos proteínas b inmovilizan el segundo complejo F 1, que está orientado hacia la
matriz mitocondrial. Las proteínas b están asociadas a F1 a Fo, mediante
interacciones electrostáticas.

F1 está formada por las subunidades α3, 3, , y . δa parte principal del complejo F1
está formado por tres subunidades de α y tres de , formando un hexámero. δa
actividad catalítica de este hexámero se da a través de las subunidades .

δas subunidades y están unidas al anillo c, y giran con él. Cada rotación de 640º
de la subunidad induce la aparición de cambios de conformación en los centros
catalíticos de las unidades , de los dímeros α-, provocando la alteración de los
centros de fijación de los nucleótidos situado en . El hexámero α3 y 3 finalmente
libera el ATP.

La síntesis de ATP se escribe algunas veces como:

ADP + Pi + nH+p → ATP + H2O + nH+p

El complejo F1 cataliza la síntesis endergónica, de ATP a partir de Pi y ADP.

Mecánicamente se impulsa la reacción catalítica con la fuerza del gradiente de
protones a través de la membrana mitocondrial causando el movimiento de giro del
anillo c, está unida al anillo c, provocándole movimientos de rotación. Cada
rotación de 1β0º de la subunidad induce la aparición de cambios de conformación
en los centros catalíticos de las unidades del los dímeros α-, de forma que los
centros de fijación de nucleótidos van alternando entre tres formas: abierta, libre y
ajustada.

Las tres subunidades interaccionan de tal modo que, cuando una adopta la
conformación abierta, otra ha de adoptar la conformación libre y la otra una
conformación ajustada.

La síntesis de ATP se inicia en el estado libre con la toma de ADP y Pi. El siguiente
estado es la conformación ajustada que sigue la condensación del ADP y Pi a ATP
con la formación de un enlace fosfodiéster. Finalmente, el estado abierto deja libre
el producto ATP, y vuelve nuevamente al estado L iniciando nuevamente la
siguiente ronda de síntesis.
Por lo tanto, una rotación completa de la subunidad provoca que cada subunidad
se cicle a través de sus tres conformaciones posibles y en cada rotación se
sintetizan y se liberan de la superficie del enzima tres moléculas de ATP. Este
proceso direccional y cíclico conducido por protones, donde se está pasando entre
los tres estados conformacionales, permite una producción continua de ATP.

Ciclo de Cori
Bajo condiciones de baja concentración de oxígeno (hipoxia) o de ausencia total de
oxígeno (anoxia), se inhibe parcial o totalmente el proceso de respiración celular en
los tejidos de los organismos superiores, a pesar de contar con células aerobias.

En el caso de los vegetales esta condiciones se presentan por ejemplo en suelos

inundados, en los que la concentración de oxígeno es muy baja, dificultando su
difusión a las raíces, que entonces operan desviando NADH hacia la formación de
ácido láctico o alcohol etílico.

En el caso de los tejidos animales la hipoxia ocurre cuando se dan contracciones

vigorosas por algún esfuerzo físico intenso, con la respectiva acumulación de ácido
láctico en el tejido muscular. El torrente sanguíneo recoge el ácido láctico y lo lleva
hasta el hígado donde, mediante el proceso de gluconeogénesis, se convierte de
nuevo en glucosa. La glucosa regresa del hígado pasa de nuevo al tejido muscular
a través de la sangre, estableciendo una especie de ciclo, que se conoce con el
nombre del ciclo de Cori. Las reacciones del ciclo de Cori se ilustran en la figura
siguiente.
REFERENCIA
https://dagus.unison.mx/smoreno/8%20metabolismo.pdf