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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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http://es.wikipedia.org/wiki/Dipodomyshttp://es.wikipedia.org/wiki/Dipodomys

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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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http://es.wikipedia.org/wiki/Camelushttp://es.wikipedia.org/wiki/Camelus

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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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