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CAMINOS CATABLICOS
Adrin F. Fernndez(Lic .en Ciencias Biolgicas, Docente de Biologa CBC-UBA)
La degradacin de molculas orgnicas provee a los seres vivos, tanto hetertrofos como auttrofos, de energa qumica,
que podr ser utilizada principalmente para la sntesis de otras molculas. La supervivencia puede radicar en optimizar o
bloquear esas vas catablicas.
IntroduccinEl metabolismo es el conjunto de
procesos fisicoqumicos que permiten a un ser
vivo mantener su orden y complejidad. Los
procesos metablicos abarcan vas catalizadas
por gran variedad de enzimas, transporte de
sustancias a travs de membranas, transporte de
electrones por un potencial de xido-reduccin,
conversin de potenciales electroqumicos en
energa qumica, excitacin de electrones por
captacin de energa lumnica, etc. Con su
complejo entramado de reacciones qumicas yprocesos fsicos, los seres vivos luchan contra la
natural tendencia de todas las estructuras del
universo a desordenarse. Los seres vivos son la
ms clara evidencia de la licencia que el
Segundo Principio de la Termodinmicaotorga a aquellos sistemas que en vez de
desordenarse, mantienen o aumentan su orden, y
que sobrecompensan desordenando mucho su
entorno, al extraer energa de l: la entropa(desorden) del Universo siempre aumenta.
Para obtener energa, los hetertrofosincorporan molculas orgnicas, comiendo o
absorbiendo, a las cuales degradan extrayndoles
energa. La manera de conseguir materia
orgnica por parte de los auttrofos essintetizndola, a partir de materia inorgnica. La
mayora de ellos utiliza energa lumnica, y
realiza fotosntesis (fotoauttrofos). Unas pocasbacterias utilizan energa proveniente de la
oxidacin de sustancias inorgnicas
(quimioauttrofas). Una vez sintetizada lamateria orgnica, podr ser degradada para quese libere su energa. La degradacin de
molculas orgnicas en los seres vivos es lo que
denominamos catabolismo. Son procesosexergnicos, es decir, que liberan energa. Lacontraparte est dada por el anabolismo, elconjunto de procesos de sntesis, los cuales son
endergnicos.
Respiracin y fermentacinSon los procesos catablicos que
permiten a una clula degradar molculas
orgnicas para extraerles energa qumica.En la bibliografa existe una gran
confusin en cuanto a ciertos trminos y los
procesos o etapas que ellos designan. Por ello es
que aclararemos a qu nos vamos a referir en
este artculo. Definiremos respiracin como elproceso de degradacin completa de molculasorgnicas. Y fermentacin, como proceso dedegradacin parcial de molculas orgnicas. Larespiracin generalmente es aerbica ya queutiliza O2 como ltimo aceptor de electrones,
pero existe la respiracin anaerbica, en la quese usan otros aceptores, y que no debe
confundirse con la fermentacin, que aunque es
anaerbica, es una degradacin parcial.
Varias molculas pueden respirarse:
glucosa, cidos grasos, aminocidos. A la
respiracin de la glucosa la dividiremos en 5
etapas: gluclisis, decarboxilacin oxidativa del
piruvato (DOP), ciclo de Krebs (CK), cadena
respiratoria (CR), y fosforilacin oxidativa (FO).
En la gluclisis, una molcula de glucosa
es oxidada y rota en dos molculas de piruvato
obtenindose dos molculas de ATP y dos de
NADH. Luego, en la DOP, por cada molcula de
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piruvato se obtiene una molcula de acetil-CoA
y una de NADH. En el ciclo de Krebs, cada
molcula de acetil-CoA es oxidada
completamente y se obtienen 3 molculas deNADH, 1 de FADH2, 1 de GTP y 2 de CO2.
Finalmente, en la CR, con el poder reductor de
los NADH y FADH2, se bombean protones
creando un gradiente, o fuerza protnico-motora, el cual impulsa a los protones a pasar
por la ATP-sintetasa, obtenindose gran cantidad
de ATP, en la FO. Recordemos que cada NADH
rinde 3 ATP, en CR y FO, mientras que cada
FADH2, rinde 2 ATP. Por ello es que, haciendo
el balance de todo el proceso, la gluclisis rinde
8 ATP, la DOP rinde 3 ATP (x 2 piruvato= 6) yel ciclo de Krebs, 12 ATP (x 2 acetil-CoA= 24),
lo que da un total de 38 ATP por molcula de
glucosa (8+2x3+2x12 =38). Hay que destacar
que en la respiracin aerbica la CR y la FO
ocurren gracias a que el O2 acepta los electrones
de la CR. Al reducirse, el O2 forma agua, a la
que se denomina agua metablica, paradistinguirla de la de la dieta.
Por su parte, a la respiracin de los cidos
grasos la dividiremos en 5 etapas: activacin del
cido graso, -oxidacin, y las 3 ltimas
idnticas a las de la respiracin de la glucosa:
ciclo de Krebs, cadena respiratoria, y
fosforilacin oxidativa. En la activacin del
cido graso, se gasta un ATP para unirlo a la
coenzima A, produciendo acil-CoA.
La -oxidacin consiste en la oxidacin
y ruptura de la larga molcula de acil-CoA, lo
que genera un nmero variable de molculas de
acetil-CoA, NADH y FADH2. Las numerosasmolculas de acetil-CoA provenientes de la -
oxidacin, ingresan al ciclo de Krebs, generando
12 ATP cada una. Debido a que los cidos grasos
son muy largos, y a que sus carbonos estn muy
reducidos, se generan muchas molculas de
acetil-CoA, NADH y FADH2, lo cual explica el
gran nmero de molculas de ATP resultantes de
la respiracin de un cido graso. La degradacin
de un cido graso de 16 carbonos origina unos
130 ATP, casi 3,5 veces la cantidad de ATP que
surgen de la respiracin de la glucosa. Sinembargo, si se hace la comparacin por unidad
de peso seco, los cidos grasos originan poco
ms que el doble de ATP, por gramo de peso,
que la glucosa. Los cidos grasos se almacenan
como grasa principalmente en las clulas del
tejido adiposo. Por ser totalmente hidrofbica,la grasa se acumula anhidra, es decir, sin agua.
La glucosa, por su parte, se almacena en forma
de glucgeno, principalmente en los hepatocitos,
las clulas del hgado. Por su alta hidrofilia, elglucgeno est totalmente hidratado,
conteniendo el doble de su peso en agua. Queda
clara entonces la doble ventaja de la grasa como
reserva de energa sobre el glucgeno: ms
energa en menos volumen.
Figura N 1. Principales procesos catablicos
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La fermentacin de la glucosa slo tiene
2 etapas: una gluclisis seguida de la reduccin
del piruvato. La gluclisis produce 2 molculas
de piruvato, 2 de ATP y 2 de NADH, como yahemos visto. Una diferencia importante con la
respiracin es que la fermentacin no utiliza un
aceptor final de electrones inorgnico externo(como el O2), sino a la misma molcula de
piruvato. As, las molculas de NADH de la
gluclisis, ceden sus electrones al piruvato,
reducindolo, y formndose lactato, a la vez que
el NADH se oxida a NAD+. A diferencia de esta
fermentacin lctica, existen otros tipos, comola fermentacin alcohlica, en la que el
producto de la reduccin del piruvato es etanol ydixido de carbono. En cualquier caso, la clula
consigue recuperar las coenzimas oxidadas
utilizando un aceptor interno, el piruvato, lo que
permite la oxidacin de la glucosa an en
ausencia de un oxidante externo poderoso como
el O2. Esta es la gran ventaja que tienen los
organismos fermentadores sobre los respiradores
en los ambientes anaerbicos. La desventaja es
clara: mientras la respiracin rinde 38 ATP, la
fermentacin apenas da 2 molculas de ATP,
producidas en la gluclisis, por lo que la
respiracin es 19 veces ms eficiente que la
fermentacin.
Existen bacterias facultativas, las cualespueden degradar glucosa con o sin uso de O2.
Cuando hay O2 presente respiran aerbicamente,
cuando no lo hay, algunas de ellas fermentan,
mientras que otras hacen respiracinanaerbica. Todas estas bacterias tienen ladoble ventaja de obtener alto rendimiento
energtico cuando hay O2, y poder sobrevivir enanaerobiosis.
En su enorme mayora, las clulas
humanas son respiradoras (aerbicas) estrictas,
es decir que no pueden tolerar la ausencia de O2.
En cambio, las clulas musculares son
facultativas, por lo que pueden fermentar cuando
la presin de O2 es baja, durante un ejercicio
fsico intenso. Ese ejercicio anaerbico es
necesariamente breve ya que la clula muscular
no puede seguir contrayndose cuando se
inunda con el lactato resultante de lafermentacin. Por ltimo, una clase de clula
humana es fermentadora estricta: el eritrocito o
glbulo rojo. No utiliza O2 porque no tiene
mitocondrias, y para no gastar el que transporta
en su hemoglobina.
Nunca bebe?Para un ser humano, la cantidad de agua
metablica comparada con la ingerida en
comidas y bebidas es insignificante. Pero en
organismos que habitan en desiertos, el agua
metablica puede llegar a ser la nica fuente de
agua (sin considerar la poca que acompaa a sus
alimentos). Obviamente deben ser
extremadamente ahorrativos. Tal es el caso de la
rata canguro: sus hbitos son nocturnos, viven enprofundas madrigueras frescas, no transpira, y su
orina es una pasta. Con tan poca prdida de agua,
la rata canguro consigue sobrevivir en las
regiones ridas de Amrica del Norte,
nicamente con el agua resultante de su
metabolismo.
Figura N 2. Rata canguro (Dipodomys). De:
http://es.wikipedia.org/wiki/Dipodomys
Jorobas de camelloMuchas personas creen que en las jorobas
el camello lleva agua, y por eso, sostienen, este
animal puede estar semanas sin beber, mientras
vaga por el desierto.
Se trata de un error. Los camellos (tanto
el bactriano, de dos jorobas, como el dromedario,
de una) almacenan grasa en sus jorobas, la cual
provee tanto de energa qumica como de agua
metablica. Esto, combinado con una estrategia
de ahorro de agua, y sumado a la capacidad de
beber ms de 100 litros de una vez, le permite
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sobrevivir a largos perodos de abstinencia
hdrica.
Figura N 3. Camello bactriano, Camelus bactrianus.
De: http://es.wikipedia.org/wiki/Camelus
Fermentacin y Respiracin anaerbica enbacterias
Muchas bacterias degradan glucosa por
medio de la fermentacin lctica. Algunos
lactobacilos son utilizados para la obtencin de
yogur por fermentacin de la leche. El cido
lctico resultante explica por qu el yogur es
cido (ver Alimentos, microorganismos yfermentacin).Otros lactobacilos (Lactobacillus
vaginalis) forman parte de la flora vaginal
normal, creando un ambiente cido desfavorable
para la proliferacin de bacterias y hongos
perniciosos. Pero, a la vez, esa acidez es
perjudicial para los espermatozoides. La
Seleccin Natural favoreci en nuestros
antepasados, a las hembras que posean
lactobacilos vaginales, y a la vez, a los machos
cuyo semen era alcalino, pudiendo as
contrarrestar la acidez vaginal, lo que permitique un mayor nmero de espermatozoides
pudiera pasar hasta el tero y las trompas de
Falopio, facilitando la fecundacin.
Otras bacterias hacen respiracin celular,
pero a diferencia de la mayora de los
organismos respiradores, no utilizan O2 como
ltimo aceptor de electrones en la cadena
respiratoria, sino que usan otras sustancias:
azufre, sulfato, nitrato, dixido de carbono, etc.
As es que aparecen otros subproductos de la
respiracin adems de agua. Dentro de estavariedad de bacterias se encuentran las llamadas
metangenas (ver Evolucin y metabolismocelular: las primeras vas metablicas), que
utilizan CO2 como ltimo aceptor de electrones,
siendo el resultado de esa reduccin, el metano(CH4). Son las responsables del metano que se
libera en los pantanos, as como del que
compone a las flatulencias humanas y los eructos
vacunos. Un uso ecolgicamente importante de
las bacterias metangenas para la produccin de
bio-gas a partir de la materia orgnica de la
basura.
Otro caso muy interesante es el de las
bacterias desnitrificantes, las cuales utilizannitrato (NO3
-) como ltimo aceptor de
electrones, obtenindose nitrito (NO2-), y otrasque reducen ese nitrito a nitrgeno gaseoso (N2).
Estas bacterias son fundamentales dentro del
ciclo del nitrgeno en la naturaleza, el cual
incluye un caso extremadamente raro: las
bacterias auttrofas (sintetizan sus biomolculas
a partir de CO2), pero que no utilizan energa de
la luz sino de la oxidacin de amonio (NH4+) a
nitrito. Son quimioauttrofas obtienen energa
oxidando una sustancia inorgnica, proceso
equivalente a la oxidacin de molculas
orgnicas de la respiracin celular de otros
organismos.
Anabolismo en el ciclo de KrebsEl ciclo de Krebs es casi siempre visto
como una etapa catablica de la respiracin
celular. Al ciclo de Krebs ingresan las molculas
de acetilo, de 2 carbonos (2C), en forma de
acetil-CoA, y de l salen dos molculas de CO2.
En otros trminos, entran dos carbonos unidos y
levemente oxidados, y salen dos carbonos
separados y totalmente oxidados. Es evidente sufuncin catablica. Lo que no es muy sabido, es
el papel que cumple el ciclo de Krebs en rutas
anablicas. A l pueden ingresar molculas de
oxalacetato (4C), provenientes de la
desaminacin de algunos aminocidos, y de l
pueden salir molculas de citrato (6C), desviados
hacia la sntesis de cidos grasos. La sntesis de
porfirinas requiere de succinil-CoA (4 C),
formado en el CK a partir de acetil-CoA (2C).
Lo mismo ocurre con el
-cetoglutarato y eloxalacetato que se utilizan para la sntesis de
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algunos aminocidos. Esta doble funcin
catablica y anablica es denominada anfiblica.
Interferencias catablicasEn los organismos respiradores estrictos,el bloqueo de la respiracin impide la formacin
de ATP, con lo que no tiene lugar ningn
proceso endergnico: no habr sntesis de
biomolculas, ni impulsos nerviosos ni latidos.
Sobreviene el desorden metablico y la muerte:
la entropa aumenta una vez ms.
Tal oportunidad no ha sido
desaprovechada por la naturaleza: muchas
especies sintetizan sustancias capaces de
interferir con el metabolismo de otros seres yprovocarles la muerte, ya sea para alimentarse de
ellos, o simplemente para defenderse de un
ataque. Los venenos metablicos, como elcianuro (NC-), interfieren directamente en la
respiracin celular. Algunas plantas sintetizan en
sus brotes sustancias que al ser digeridas liberan
cianuro. Una vez incorporado, difunde hacia los
tejidos, penetra en las mitocondrias, e inhibe
irreversiblemente al complejo IV de la cadena
respiratoria. La imposibilidad de la transferencia
de electrones desde el complejo IV hacia el O2detiene la cadena respiratoria, por lo que deja de
funcionar la fosforilacin oxidativa: el principal
mecanismo de sntesis de ATP. A la vez dejan de
recuperarse las coenzimas oxidadas, NAD+ y
FAD, con lo cual se interrumpen todos los
procesos que requieren de dichas coenzimas,
como gluclisis y ciclo de Krebs, y as se anulan
todas las vas que producen ATP, y la muerte es
inevitable. El efecto es el mismo que el
producido por la ausencia de O2: el complejo IV
se ve imposibilitado de transferir los electrones.Tal vez la muerte por cianuro sea tan
desagradable como la ocasionada por ausencia
de O2: ambas llevan a un paro
cardiorrespiratorio. En la 2da. Guerra Mundial
Alemania us cianuro como parte de su
maquinaria de exterminio.
Las sustancias neurotxicas interfieren
indirectamente en el catabolismo: afectan el
funcionamiento de las neuronas motoras, lo que
lleva a una parlisis de msculos respiratorios y
cardacos, producindose la muerte por asfixia.
Gran variedad de organismos sintetizan
neurotoxinas. Las serpientes venenosas elaboran
verdaderos ccteles de sustancias txicas,
destacando las neurotoxinas. La tetradotoxina del
pez globo, inhibe canales de Na+
en las neuronasmotoras paralizando los msculos respiratorios.
Efecto similar produce la ouabana, extrada de
una liana africana, que inhibe la bomba de Na+ y
K+, por lo que es usada por los nativos para
envenenar la punta de sus flechas. Del mismo
modo, aborgenes sudamericanos han usado, el
curare, veneno extrado de varias plantas, o la
batracotoxina, obtenida de las ranas dardo. El
veneno de la cicuta (Conium maculatum) acta
de manera similar al curare. La toxina botulnica,
extrada de la bacteria Clostridium botulinum,bloquea la liberacin de acetilcolina en los
terminales en la sinapsis neuro-motora,
paralizando la musculatura respiratoria, con la
consecuente asfixia. La lista es extenssima,
incluyendo neurotoxinas de araas, escorpiones,
medusas, anmonas, hongos, etc.
Otras sustancias tambin terminan
produciendo asfixia, pero por mecanismos
diferentes. As, el monxido de carbono (CO), al
unirse muy fuertemente a la hemoglobina,
impide que el O2 pueda ser transportado a los
tejidos. Por su parte, los organofosforados
inhiben irreversiblemente a la enzima
acetilcolinesterasa, que es la encargada de
degradar al neurotransmisor acetilcolina en la
sinapsis neurona-motora, por lo que se
desencadena una contraccin continua de los
msculos, lo que lleva a un paro
cardiorrespiratorio. Entre los organofosforados
estn los componentes de muchos insecticidas,
as como los tristemente clebres gases Sarn, yVX, usados por Alemania en la Segunda Guerra
Mundial. El fosgeno (COCl2) fue usado como
arma qumica en la Primera Guerra Mundial, y
su efecto asfixiante consiste en irritar y producir
edemas en los pulmones.
Desacoplantes de cadenaLos desacoplantes de cadena actan,
como su nombre lo indica, separando la cadena
respiratoria de la fosforilacin oxidativa, de
modo que la energa de la fuerza protnico-
motora no es usada para la sntesis de ATP sino
que es liberada como calor. Esto se logra porque
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las molculas de los desacoplantes, como el 2,4-
dinitrofenol (DNP), se ubican en la membrana
interna hacindola ms permeable a los protones,
los cuales pasan libremente hacia la matrizmitocondrial, en vez de hacerlo por la ATP-
sintetasa. A medida que se disipa el gradiente de
protones, su energa se libera como calor, no
sintetizndose ATP. El efecto de los
desacoplantes es anlogo al de colocar una
bicicleta sobre rodillos: se puede seguir
pedaleando pero no se avanza.
En la dcada de los aos 30, el DNP fue
utilizado como adelgazante. Como una
importante cantidad de caloras de los alimentos
consumidos no termina en forma de ATP sinoliberada como calor, muchas ms molculas de
glucosa y cidos grasos deben ser respiradas para
obtener ATP, lo que lleva al cuerpo a degradar
reservas, y as adelgazar. Finalmente, fue sacado
del mercado debido a sus efectos colaterales:
neuropata, cataratas, excesivo calor, incluso la
muerte. Sin embargo, en el mbito del fsico-
culturismo sigue usndose, a pesar de los
riesgos.
La termogenina es un desacoplante
natural. Su nombre deriva de termognesis,proceso de generacin de calor. Es una protena
canal que est presente en la membrana
mitocondrial interna de las clulas del tejido
adiposo llamado grasa parda. A su travs pasan
los protones evitando pasar por la ATP-sintetasa.
Figura N 4. Oso pardo (Ursus arctos). De:
http://es.wikipedia.org/wiki/Oso_pardo
Cuando los osos terminan su etapa de
hibernacin deben aumentar rpidamente su
temperatura corporal para ponerse en actividad,
y lo logran quemando grasas y liberando granparte de su energa en forma de calor.
Los bebs humanos presentan una
relacin superficie-volumen mucho mayor que la
que poseen los adultos. Por ello es que tienen,
proporcionalmente, menor produccin de calor y
mayor prdida, que los adultos. Para un recin
nacido la situacin es extrema, por ello es que
deben ser abrigados inmediatamente al nacer.
Los bebs cuentan con una pequea capa de
grasa parda en su pecho, resabio evolutivo de la
nica posibilidad de afrontar un enfriamiento porparte de un recin nacido.
Debe destacarse que la ms importante
organela termognica es el peroxisoma. All,
todo el tiempo, se degradan cidos grasos,
desprendindose gran cantidad de energa que, al
no estar acoplada a ningn mecanismo de
formacin de ATP, se libera 100% como calor.
El peroxisoma es el responsable del calor basal
que mantiene la temperatura corporal de los
mamferos y aves, alta y constante, favoreciendo
la actividad de las enzimas.
Bibliografa- Brock. Biologa de los microorganismos. 2004.
Madigan, Martinko, Parker. Editorial Pearson
Educacin. Madrid.
- Cuadernos de Biologa. 1997. Capozzo A. yFernndez A. EUDEBA. Buenos Aires.
- Obesidad. Un enfoque multidisciplinario. 2010.Jos Antonio Morales Gonzlez. Universidad
Autnoma del Estado de Hidalgo. Mxico. Puede
leerse en:- http://www.uaeh.edu.mx/investigacion/productos
/4823/libro_de_obesidad.pdf
Wikipedia: http://es.wikipedia.org
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http://es.wikipedia.org/wiki/Oso_pardohttp://www.uaeh.edu.mx/investigacion/productos/4823/libro_de_obesidad.pdfhttp://www.uaeh.edu.mx/investigacion/productos/4823/libro_de_obesidad.pdfhttp://es.wikipedia.org/http://es.wikipedia.org/http://www.uaeh.edu.mx/investigacion/productos/4823/libro_de_obesidad.pdfhttp://www.uaeh.edu.mx/investigacion/productos/4823/libro_de_obesidad.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Oso_pardo