8 metabolismo

Temas Selectos de Bioquímica General
Elaborado por: Sergio F. Moreno Salazar
Material exclusivamente para uso educativo y no de lucro
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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

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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 mas).
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

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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.

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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 que
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 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.

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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.

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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 glucógeno-
sintetasa 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 no-
fibrosos 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.

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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 acetil-
CoA 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.

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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

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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:

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En las figuras siguientes se describen las dos fases de la glicólisis:

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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

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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 CO2 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.

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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.

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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.

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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 succinil-
CoA, 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.

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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 Citril-
CoA, formando el citrato y liberando la coenzima A.

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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 α-
cetoglutarato 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.

150
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.

151
Las estructuras oxidada y reducida del cofactor Flavina adenina dinucleótido (FAD y FADH2) 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.

152
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 succinil-
CoA para ingresar al ciclo de Krebs.

153
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 O2 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

154
finalmente al oxígeno molecular para formar H2O. 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).

155
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.

156
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.

157
El complejo enzimático IV conocido también como citocromo oxidasa, consta de 3 subunidades
proteicas que contienen los citocromos a y a3 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:

158
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 FADH2),
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.

159
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 F1, 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

160
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.

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