Tema 4
PROCESOS METABÓLI METABÓLICOS COS DE DESCOMPOSICIÓN DESCOMPOSICIÓN DE MATERIA MATERIA ORGÁNICA 4.1. Procesos metabólicos de oxidación de materia orgánica Los organismos heterótrofos obtienen la energía que necesitan por medio de la oxidación de los compuestos orgánicos que asimilan. Una parte de la energía obtenida se pierde en forma de calor y el resto se conserva en forma de adenosintrifosfato (A!"# quedando así disponible para el movimiento# crecimiento y otras formas de traba$o. La oxidación total de un compuesto orgánico determinado produce dióxido de carbono (%& '" como producto final. l %& ' no constituye una fuente de energía por ser la forma más oxidada en la que se presenta el carbono en la naturale)a. ntre más próximo se encuentre el nivel de oxidación de un compuesto orgánico al del %& ' menos energía se obtiene de su oxidación. oxidación. Así# la oxidación oxidación del ácido ac*tico (%+,-%&&+" a %& ' produce '/ 0cal# mientras que la del etanol (%+ ,-%+'&+" origina ,' 0cal.. Las vías metabólicas de oxidación de la materia orgánica en el interior de los organismos y su conservación en forma de A A! son la respiración y la fermentación. La respiración se puede considerar como toda oxidación biótica que produce energía1 es decir# es la oxidación de un compuesto orgánico# usado como fuente de energía# con un aceptor externo de electro electrones. nes. La presen presencia cia de este aceptor aceptor extern externo o permit permitee oxidar oxidar a todas todas las mol*cu mol*culas las de un compue compuesto sto determ determina inado do hasta hasta dióxid dióxido o de carbon carbono. o. 2eg3n 2eg3n sea el 3ltimo 3ltimo aceptor aceptor utili)a utili)ado do se identifican dos tipos de respiración# a saber4 (5" Respiración aeróbica donde el oxígeno es el aceptor final externo de electrones1 Respiración anaeróbica anaeróbica# dond ('" Respiración dondee el acep acepto torr fina finall de elec electr tron ones es no es el &' sino sino otro compuesto inorgánico# como son el nitrato y el sulfato# entre otros. La fermentación# es tambi*n un proceso anaerobio# pero es un compuesto orgánico el aceptor de electrones. n este proceso# el compuesto orgánico no es oxidado totalmente hasta %& '# sino que es transformado hasta un compuesto que a3n conserva parte de la energía presente en el compuesto inicial. !or tanto# la fermentación libera menos energía (en forma de A!" que la respiración. Los productos de las diversas fermentaciones son# generalmente liberados al a l medio como productos de desecho.
4.2. Respiración aeróbica s el proceso metabólico por el cual todas las plantas y los animales superiores# así como la mayoría de las bacterias y hongos# obtienen la energía necesaria para la subsistencia y la formación de nuevo material celular y la reali)ación de traba$o. La respiración completa de un compuesto químico produce %& '# +'& y energía en forma de A! que puede ser utili)ado para formar nuevo material celular. Así# la respiración de un hidrato de carbono como la glucosa se puede esquemati)ar de la siguiente manera4 %+5'& 6 &' %&' 6 +'& 6 ,7A! (8.5"
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%omo se puede observar en la ecuación 8.5# el metabolismo de la glucosa implica la reducción de seis mol*culas de & ' por mol*cula de glucosa# es decir# la sustracción de doce pares de electrones o átomos de hidrógeno de cada glucosa. 9eneralmente# la respiración se explica usando a la glucosa como e$emplo. La respiración consta# en esencia# de tres fases o procesos independientes que son4 glucólisis (caso de oxidaciones de a)3cares de seis átomos de carbono"# ciclo de los ácidos tricarboxílicos (%A" y cadena respiratoria que consta de un transporte de electrones (%" acoplada a la fosforilación oxidativa. n los organismos eucarióticos# la % y la fosforilación oxidativa# al igual que el %A# ocurren en el interior de la mitocondria# la cual recibe del citoplasma una me)cla de materiales derivados del previo metabolismo parcial de los carbohidratos# lípidos y proteínas. n los procariotas# por el contrario# al no existir mitocondrias# la transferencia de electrones y la síntesis de A! acoplada está íntimamente asociada con la membrana citoplasmática. &tros compuestos tales como los ácidos grasos y algunos aminoácidos son oxidados# en una primera fase# para dar lugar a fragmentos de dos átomos de carbono en forma de grupo acetilo del acetil coen)ima A.
4.2.1 Glucólisis n el primer proceso# denominado glucólisis (fig. ,.5"# en el citosol celular# la glucosa (y otras hexosas" se fragmenta en dos triosas id*nticas# cada una de las cuales es convertida en piruvato (forma disociada del ácido pir3vico# !:;" por una secuencia de reacciones en la que se elimina sólo un par de electrones. n la glucólisis se pueden distinguir dos fases bien diferenciadas4 (a"
A= 6"# originándose la forma reducida de la misma (>A=+". n las transformaciones posteriores de esta fase se libera energía de la que se conserva una gran parte mediante la fosforilación acoplada de dos mol*culas de A=! a A!. l rendimiento neto de la glucólisis es el de ' mol*culas de A! y ' de >A=+ por cada mol*cula de glucosa transformada. Las dos mol*culas de >A=+ formadas tienen que ser reoxidadas a >A=6 con el ob$eto de que la glucólisis no se vea frenada por la disminución en la concentración citosólica de la forma oxidada de la coen)ima. n aerobiosis# la oxidación del >A=+ ocurre por transferencia de sus electrones a la cadena respiratoria# pasando finalmente al oxígeno. n condiciones anaeróbicas# el >A=+ generado en la glucólisis no puede ser reoxidado por el oxígeno. La incapacidad para regenerar >A=6 de$aría a la c*lula sin aceptor de electrones para la oxidación del 9,!# con lo que se detendrían las reacciones de la glucólisis que producen energía. !or tanto# el >A= 6 ha de ser regenerado por otra reacción. l !:; desempe?a un papel central en el metabolismo de todos los organismos. 2eg3n sean las condiciones ambientales existentes# las condiciones metabólicas o el tipo de organismo o te$ido en el que se produce la glucólisis# el !:; puede dirigirse hacia dos rutas catabólicas alternativas. n los procesos en los que se reali)a la oxidación completa de la glucosa hasta %& ' (v. gr# presencia de oxígeno"# se oxida perdiendo el grupo carboxilo en forma de %& ' originándose acetato. La segunda ruta alternativa es la que da lugar a las diversas fermentaciones conocidas# en las que el !:; se transforma en otro compuesto orgánico (lactato# etanol# etc.". Además de las rutas catabólicas mencionadas anteriormente# el pir3vico puede tambi*n ser utili)ado en rutas anabólicas proporcionando así el esqueleto carbonado necesario para la síntesis de otros compuestos (por e$emplo# la formación del aminoácido alanina". sto puede ocurrir cuando# 2
por e$emplo# una población de bacterias tiene un suministro de glucosa elevado y# por tanto# se tiene un aporte de carbono y energía altos# lo que permite el crecimiento de la población. La ecuación neta de la glucólisis se puede resumir en la siguiente ecuación4 %+5'& 6 '! 6 ' A=! 6 ' >A= 6 '%,+8&, 6 'A! 6 '>A=+ 6 '+ 66 '+'& (8.'"
4.2.2. Descarboxilación oxidativa del piruvato %omo se mencionó más arriba# en condiciones aeróbicas# el piruvato formado sufre# a continuación# una descarboxilación oxidativa originando la forma biológicamente activa del ácido ac*tico# es decir# el acetil coen)ima A (Ac%oA". n los eucariotas# el piruvato tiene que ser transportado al interior de la mitocondria con el fin de ser transformado. l acetato producido es el compuesto que entra en el %A donde es transformado a %&' y +'&. La descarboxilación es el eslabón entre la glucólisis y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos# tambi*n denominado ciclo del ácido cítrico o ciclo de 0rebs. n esta reacción# catali)ada por el comple$o en)imático de la piruvato deshidrogenasa# se produce una mol*cula de >A=+ por mol*cula de piruvato que se oxida4 %,+8&, 6 %oA 6 >A= 6 Ac%oA 6 %& ' 6 >A=+ 6 + @ (8.," l >A=+ formado en esta reacción libera un ion hidruro con sus dos electrones (4+-" a la cadena respiratoria# que transporta los electrones hasta el &'.
Fig. 4.1. Glucólisis.
4.2.. !iclo del ácido cítrico l Ac%oA es oxidado por las series de reacciones del ciclo de 0rebs (fig. 8.'"# liberándose cuatro pares de electrones y dando lugar a la formación de ' mol*culas de %& ' por mol*cula de acetilo. n este ciclo# se produce# además# 5 mol*cula de 9! que es equivalente a 5 A!. =e los cuatro electrones liberados# seis son transferidos a tres mol*culas de >A=6# originándose tres mol*culas de >A=+# mientras que los dos electrones restantes son transferidos al A= 66 9=! 6 ! 6 '+ '& %&' 6 A=+ 6 ' + 66 9! 6 %oA (8.8"
4.2.4. "ransporte de electrones # fosforilación oxidativa Las coen)imas reducidas (>A=+ y
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&'# que act3a como aceptor final# libera la suficiente energía como para permitir la producción de A! mediante
Fig. 4. 2. Ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos.
Fig. 4.3. Esquema de la cadena de transporte de electrones en los organismos aerobios. e muestra los tres sitios propuestos donde ocurre la salida de protones que está acoplada a la !os!orilación oxidati"a o síntesis de #$%.
el proceso conocido como fosforilación oxidativa. La oxidación del A=+ produce ' A!. La oxidación de las coen)imas y la formación de A! por fosforilación oxidativa son procesos acoplados por el gradiente de protones que se crea a trav*s de la membrana debido al bombeo de protones hacia el exterior a medida que transcurre la transferencia de electrones desde el A=+ hasta el & '. n los seres eucariotas# el ciclo del ácido cítrico# la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa ocurren en las mitocondrias4 el A% en la matri) mitocondrial y los otros dos procesos en la membrana interna de la mitocondria. n los procariotas# los transportadores de la
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cadena respiratoria y las A!asas involucradas en la fosforilación oxidativa se encuentran en la membrana citoplasmática interna.
4.. Respiración anaeróbica n cuanto a la respiración sin & ' se presenta en gran parte de los saprófagos (bacterias# levaduras# mohos# proto)oos". La respiración anaeróbica implica en esencia las mismas rutas metabólicas que las de la respiración aeróbica diferenciándose principalmente en el compuesto que act3a como aceptor final de electrones. 4..1. Respiración con nitrato Algunas bacterias que generalmente son aerobias# pueden desarrollarse en ausencia de & ' pero en presencia de >& , . n el caso del nitrato# por medio de un con$unto de tres respiraciones anaeróbicas# algunas bacterias producen nitrógeno gaseoso como producto final1 el nitrato es el aceptor de la primera cadena# siendo el producto de la reducción el nitrito que# a su ve)# es el aceptor de la siguiente# y su producto de reducción# el óxido nitroso# es el aceptor de la 3ltima. ste proceso se conoce tambi*n como desnitrificación ya que se convierte una forma no volátil del nitrógeno en una forma volátil# el > '# empobreciendo así el medio en nitrógeno# que es esencial para el crecimiento y desarrollo de la mayor parte de los organismos. −
La conversión desasimiladora del
−
>& ,
−
(respiración anaeróbica con >& , " se lleva a cabo −
principalmente por anaerobios facultativos que usan el >& , cómo aceptor final de electrones en la ausencia de &'. $emplos de estos microorganismos son Thiobacillus denitrificans y algunas especies de Pseudomonas# Bacillus# Micrococcus# Achromobacter y algunos hongos. l proceso ocurre en aguas profundas y en sedimentos# y en aquellos lugares donde la degradación de materia orgánica origina microhábitats anaeróbicos. La reacción está catali)ada por un comple$o en)imacofactor ligado a partículas# la nitrato reductasa# que contiene molibdeno y que no es reprimida por amonio. xiste# generalmente# una competición entre esta en)ima y la citocromo oxidasa# que depende de las concentraciones relativas de & ' y >& , 1 la cadena de transporte de electrones es com3n a las dos en)imas hasta el citocromo b# pero el citocromo c es diferente para las dos rutas. l &' es el aceptor de electrones preferido en la mayoría de los casos aunque algunos organismos# como Denitrobacter licheriformis# tienen una afinidad inusualmente alta por el >& , . =esde el −
−
−
el proceso procede hacia óxido nítrico# óxido nitroso y > 2 gaseoso. Los mecanismos e intermediarios no son de todo conocidos# pero un posible esquema# que no contradice las evidencias actuales# aunque no concluyentes# se ha propuesto. La ruta alternativa desde el >& ' al >+ 8 # es utili)ada especialmente por organismos fermentadores que pueden encontrarse en los sedimentos acuáticos. l >+ 8 puede ser reutili)ado y no se pierde para el sistema como lo son los productos gaseosos de la desnitrificación. % . + 5' & . + 5' >& , → .%& ' + . + ' & + 5' >& ' + 8''0cal (8." La ecuación ,. muestra el rendimiento energ*tico de la oxidación de la glucosa con el nitrato como aceptor final de electrones. l rendimiento energ*tico de esta oxidación en condiciones aeróbicas produce B8 0calCmol. >& '
−
+
+
−
−
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Las bacterias Desulfovibrio son e$emplos ecológicamente importantes de respiración -' anaerobia# porque oxidan sustratos reducidos como el lactato reduciendo el sulfato# 2& 8 # en los sedimentos profundos a gas + '2 que puede subir a sedimentos menos profundos# donde pueden actuar sobre *l otros organismos (por e$emplo# las bacterias fotosint*ticas". Las especies de este g*nero crecen sobre un n3mero limitado de fuentes de carbono y de energía# siendo el lactato el compuesto más frecuentemente utili)ado. '− ' La reducción desasimiladora del 2& 8 (y 2& , # tiosulfato y tetrationato" es una habilidad mucho menos com3n entre las bacterias1 casi todos los traba$os se han reali)ado con la especie Desulfovibrio desufuricans , que es un anaerobio obligado con un p+ óptimo próximo a la neutralidad. ambi*n son importantes Clostridium y Desulfatomaculum ( D. nitrificans". La mayor ' parte de la conversión del 2& 8 parece involucrar al adenosin-D-fosfosulfato (A!2" y parte del sistema de los citocromos (citocromo c y citocromo c3" con >A=6# >A=!6 o ferredoxina. La ruta de la oxidación del lactato no produce piruvato como producto final# sino que sigue# a partir de *ste# hacia la formación de acetato4 ' Lactato → ' !iruvato 6 8e- 6 8++ (8." , + → ' Acetilfosfato 6 ' %& ' 6 8e 6 '+ ' !iruvato 6 ' !& 8 (8.B" ' Acetilfosfato 6 AE! → ' Acetato 6 A! (8.7" Los electrones y protones liberados en la oxidación anterior son usados en la reducción del sulfato# que parece seguir la siguiente secuencia4 ' 8 2& 8 + A! → A!2 + !' & B (8./" −
−
−
−
−
8−
!' & B
+
A!2 + 'e '−
2& ,
,−
→ ' !& 8 + ' & −
.e
'−
→ 2&, −
.+
+
+
+
'+
+
(8.5F"
AE!
→ 2
'−
(8.55" ,+ ' &
(8.5'" l a)ufre orgánico es metaboli)ado durante la descomposición de las proteínas por muchas ' clases de bacterias y puede ser liberado como + '2 o como 2& 8 # dependiendo de las condiciones de aireación. Los compuestos orgánicos volátiles del 2 tales como el dimetil sulfuro son producidos tambi*n durante el decaimiento anaeróbico. Algo de a)ufre es usado por los microorganismos y *ste es inmovili)ado aunque# el 2 es raramente limitante durante la descomposición y las relaciones %C2 de hasta 'FF45 pueden aparecer sin limitación alguna de la velocidad de respiración de los microorganismos que ocasionan la degradación. Algunos autores han encontrado que el + ' gaseoso puede ser utili)ado por Desulfovibrio como fuente de energía si en el medio se encuentran los compuestos carbonados adecuados para llevar a cabo reacciones biosint*ticas. Las bacterias del metano (%+ 8" son e$emplos de anaerobios for)osos# que descomponen compuestos orgánicos con producción de %+ 8# mediante reducción de carbono orgánico o carbonato. Las bacterias del metano intervienen tambi*n en la descomposición del forra$e en el rumen del ganado y otros rumiantes. Las bacterias metanog*nicas usan# por lo general# productos finales del metabolismo de otros grupos bacterianos que son liberados al medio (por e$emplo# acetato"4 %+,-%&&+ → %+8 6 %&2 (8.5," +
+
+
−
sta reacción es considerada algunas veces como fermentación. 2in embargo# las bacterias metanog*nicas pueden usar tambi*n el %& ' liberado en otras reacciones usando el + ' como agente reductor del dióxido de carbono4 8+2 6 %&2 → %+8 6 '+'& (8.58"
4.. $ermentación La fermentación es un proceso constituido por reacciones biológicas de oxidación y reducción productoras de energía# en las que los aceptores terminales de electrones son compuestos orgánicos1 entre los productos finales se encuentran tanto compuestos orgánicos reducidos como 6
oxidados. n general# tanto el dador como el aceptor final de electrones se originan del mismo sustrato orgánico durante el metabolismo intermediario. ste proceso se reali)a en condiciones de anaerobiosis tanto por organismos anaerobios facultativos como anaerobios obligados. n ausencia de & '# los anaerobios facultativos pueden usar el desdoblamiento de los compuestos orgánicos de la fermentación como fuente de energía. stos anaerobios facultativos pueden usar dos mecanismos diferentes de producción de energía4 la respiración aeróbica cuando hay & ' y la ruta fermentativa cuando no lo hay. Algunos microorganismos# los anaerobios estrictos dependen exclusivamente de la fermentación para la obtención de energía. =e lo dicho# se puede deducir que# en la ruta fermentativa# se produce una oxidación parcial del sustrato orgánico original y se libera 3nicamente una peque?a parte de la energía presente en el sustrato# permaneciendo el resto de la energía en los productos finales de la fermentación. 9 ucosa
2uccínico
!ir3vico
cetil%oA
<órm co
%&' 6 +'&
tanol 6 Ac*tico
G"
Láct co
9lucosa
ir3vic
Láctico
!ara que un compuesto sea fermentable no puede ser ni muy oxidado ni muy reducido# ya que tiene que producir compuestos intermedios oxidables y reducibles. sta condición la cumplen los a)3cares# aminoácidos# ácidos orgánicos# purinas y pirimidinas. Los productos finales de una fermentación determinada dependen del tipo de organismo que la reali)a# de la naturale)a del sustrato fermentable y# posiblemente# de los factores ambientales. >o todas las bacterias metaboli)an el mismo sustrato de igual manera. !or e$emplo# scherichia coli fermenta la glucosa dando una me)cla de compuestos (etanol# gases y productos ácidos"# mientras que !tre"tococcus lactis lo hace produciendo 3nicamente ácido láctico (fig. 8.". n la glucólisis# una mol*cula de glucosa se escinde en dos mol*culas de pir3vico con la producción concomitante de dos mol*culas de A! y dos de >A=+ a partir del >A= 6# por cesión de dos electrones y dos protones por cada mol*cula de glucosa fermentada. Las fermentaciones son energ*ticamente poco rentables# si se compara con la respiración. A partir de la glucosa se obtienen
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' A!# en comparación con los ,7 producidos en la respiración aeróbica. sto se debe al destino que sigue el >A=+ en la fermentación. Las c*lulas tienen sólo una reserva limitada de >A= 6# y si todo el >A= 6 se convierte en >A=+# la oxidación de la glucosa se debería detener. ste nucleótido de piridina reducido es oxidado en la cadena respiratoria cuando el &' está presente# permitiendo así que la glucólisis contin3e. n la fermentación# es necesario que ocurra la oxidación del >A=+ a >A=6. La conversión del pir3vico en los productos finales de las diversas fermentaciones es el medio por el cual se logra la oxidación del >A=+. s a partir del ácido pir3vico donde se diferencian las distintas fermentaciones. Algunas de estas fermentaciones son mostradas en los e$emplos siguientes4 (a" $ermentación láctica4 característica de los te$idos animales# principalmente en los te$idos musculares# cuando hay falta de & '# a partir de pir3vico dando lugar al ácido láctico. Además# la llevan a cabo ciertos proto)oos# y algunos hongos y bacterias. ntre estas 3ltimas se encuentran representantes de los g*neros !tre"tococcus# Pediococcus# #actobacillus y #euconostoc. n esta fermentación el gliceraldehído-,- fosfato (ver esquema de la glucólisis" act3a como dador de electrones y el ácido pir3vico como aceptor de electrones. l rendimiento energ*tico neto de esta fermentación (y de todas las fermentaciones" es de ' mol*culas de A! por mol*cula de carbohidrato fermentada. ' A=! 6 ' !i
' A! ' Láctico
' !ir3vico
9lucosa ' >A=6
' >A=+'
' >A=+ '
' >A=6
(b" $ermentación alco%ólica4 es característica de las levaduras# te$idos de plantas superiores# ciertos hongos y algunas bacterias. ntre las especies de levaduras destacan las especies del g*nero !accharom$ces. l acetaldehído es el aceptor de electrones# y el dador# como en la fermentación láctica# es tambi*n el gliceraldehído-,-fosfato.
' A=! 6 ' !i %.+5'&. 9lucosa ' >A= 6
' A!
' %&'
' (%+,-%&-%&&+" !ir3vico ' >A=+ '
' (%+,-%+&" Acetaldehído ' >A=+ '
' (%+,-%+'&+" ' >A= 6
tanol
(c" $ermentación propiónica4 reali)ada por las bacterias del g*nero Pro"ionibacterium. A partir de a)3cares se obtienen ácidos propiónico# ac*tico y %&'# acompa?ados a veces por ácido succínico. Además# la mayoría de las especies fermentan el ácido láctico# lo que les permite desarrollarse en la naturale)a como sucesores de las bacterias del ácido láctico. &tros tipos de fermentaciones se muestran en la figura 8.. Las levaduras son# por supuesto# e$emplos bien conocidos de fermentadores. 2on no sólo industrialmente importantes# sino que abundan además en los suelos# donde desempe?an un papel importante en la descomposición de los residuos vegetales. ambi*n diversos grupos y g*neros bacterianos reali)an la fermentación. ntre *stos se encuentran las nterobacteriaceas# !ta"h$loccoccus# Bacillus y Clostridium. odas las especies de Clostridium son anaerobias obligadas1 sólo pueden crecer fermentativamente y son sensibles incluso a muy peque?as cantidades 8
de oxígeno. Las bacterias del ácido propiónico son tambi*n anaerobias estrictas# aunque exhiben alg3n grado de tolerancia al &' y hay ciertas evidencias de que son capaces de reali)ar una limitada fosforilación ligada a una cadena respiratoria. l resto de organismos son todos anaerobios facultativos.
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