Tema 4PROCESOS METABÓLICOS DE DESCOMPOSICIÓN

DE MATERIA ORGÁNICA

4.1. Procesos metabólicos de oxidación de materia orgánicaLos 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 ca-lor y el resto se conserva en forma de adenosintrifosfato (ATP), quedando así disponible para el movimiento, crecimiento y otras formas de trabajo. La oxidación total de un compuesto orgánico determinado produce dióxido de carbono (CO2) como producto final. El CO2 no constituye una fuente de energía por ser la forma más oxidada en la que se presenta el carbono en la naturaleza. Entre más próximo se encuentre el nivel de oxidación de un compuesto orgánico al del CO 2 menos energía se obtiene de su oxidación. Así, la oxidación del ácido acético (CH3-COOH) a CO2 produce 269 Kcal, mientras que la del etanol (CH3-CH2OH) origina 326 Kcal..

Las vías metabólicas de oxidación de la materia orgánica en el interior de los organismos y su conservación en forma de ATP son la respiración y la fermentación. La respiración se puede considerar como toda oxidación biótica que produce energía; es decir, es la oxidación de un compuesto orgánico, usado como fuente de energía, con un aceptor externo de electrones. La presencia de este aceptor externo permite oxidar a todas las moléculas de un com-puesto determinado hasta dióxido de carbono. Según sea el último aceptor utilizado se identifican dos tipos de respiración, a saber:

(1) Respiración aeróbica donde el oxígeno es el aceptor final externo de electrones; (2) Respiración anaeróbica, donde el aceptor final de electrones no es el O2 sino otro com-

puesto inorgánico, como son el nitrato y el sulfato, entre otros.La fermentación, es también un proceso anaerobio, pero es un compuesto orgánico el aceptor de

electrones. En este proceso, el compuesto orgánico no es oxidado totalmente hasta CO2, sino que es transformado hasta un compuesto que aún conserva parte de la energía presente en el compuesto inicial. Por tanto, la fermentación libera menos energía (en forma de ATP) que la respiración. Los productos de las diversas fermentaciones son, generalmente liberados al medio como productos de desecho.

4.2. Respiración aeróbicaEs 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 realización de trabajo. La respiración completa de un compuesto quí-mico produce CO2, H2O y energía en forma de ATP que puede ser utilizado para formar nuevo ma-terial celular. Así, la respiración de un hidrato de carbono como la glucosa se puede esquematizar de la siguiente manera:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 38ATP (4.1)

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Como se puede observar en la ecuación 4.1, el metabolismo de la glucosa implica la reduc-ción de seis moléculas de O2 por molécula de glucosa, es decir, la sustracción de doce pares de elec-trones o átomos de hidrógeno de cada glucosa. Generalmente, la respiración se explica usando a la glucosa como ejemplo.

La respiración consta, en esencia, de tres fases o procesos independientes que son: glucólisis (caso de oxidaciones de azúcares de seis átomos de carbono), ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT) y cadena respiratoria que consta de un transporte de electrones (CTE) acoplada a la fos-forilación oxidativa. En los organismos eucarióticos, la CTE y la fosforilación oxidativa, al igual que el CAT, ocurren en el interior de la mitocondria, la cual recibe del citoplasma una mezcla de materiales derivados del previo metabolismo parcial de los carbohidratos, lípidos y proteínas. En los procariotas, por el contrario, al no existir mitocondrias, la transferencia de electrones y la síntesis de ATP acoplada está íntimamente asociada con la membrana citoplasmática.

Otros 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 coenzima A.

4.2.1 GlucólisisEn el primer proceso, denominado glucólisis (fig. 3.1), en el citosol celular, la glucosa (y

otras hexosas) se fragmenta en dos triosas idénticas, cada una de las cuales es convertida en piruva-to (forma disociada del ácido pirúvico, PIR) por una secuencia de reacciones en la que se elimina sólo un par de electrones. En la glucólisis se pueden distinguir dos fases bien diferenciadas:

(a) Fase preparatoria: La glucosa después de ser fosforilada, sufre la lisis originándose dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (GA3P). Obsérvese en la fig. 3.1 que la dihidro-xiacetona fosfato(DHAP) se isomeriza a GA3P. Durante esta fase, se invierten dos molé-culas de ATP para activar la molécula de glucosa para su fragmentación en dos molécu-las de tres átomos de carbono.

(b) Fase de beneficios: Cada molécula de GA3P es transformada en PIR. En la primera reac-ción de esta fase el G3P es oxidado y fosforilado por fosfato inorgánico, con la participa-ción de la forma oxidada de la coenzima nicotin adenin dinucleótido (NAD+), originán-dose la forma reducida de la misma (NADH). En las transformaciones posteriores de es-ta fase se libera energía de la que se conserva una gran parte mediante la fosforilación acoplada de dos moléculas de ADP a ATP.

El rendimiento neto de la glucólisis es el de 2 moléculas de ATP y 2 de NADH por cada molécula de glucosa transformada. Las dos moléculas de NADH formadas tienen que ser reoxida-das a NAD+ con el objeto de que la glucólisis no se vea frenada por la disminución en la concentra-ción citosólica de la forma oxidada de la coenzima. En aerobiosis, la oxidación del NADH ocurre por transferencia de sus electrones a la cadena respiratoria, pasando finalmente al oxígeno. En con-diciones anaeróbicas, el NADH generado en la glucólisis no puede ser reoxidado por el oxígeno. La incapacidad para regenerar NAD+ dejaría a la célula sin aceptor de electrones para la oxidación del G3P, con lo que se detendrían las reacciones de la glucólisis que producen energía. Por tanto, el NAD+ ha de ser regenerado por otra reacción.

El PIR desempeña un papel central en el metabolismo de todos los organismos. Según sean las condiciones ambientales existentes, las condiciones metabólicas o el tipo de organismo o tejido en el que se produce la glucólisis, el PIR puede dirigirse hacia dos rutas catabólicas alternativas. En los procesos en los que se realiza la oxidación completa de la glucosa hasta CO2 (v. gr, presencia de oxígeno), se oxida perdiendo el grupo carboxilo en forma de CO2 originándose acetato. La segunda ruta alternativa es la que da lugar a las diversas fermentaciones conocidas, en las que el PIR se transforma en otro compuesto orgánico (lactato, etanol, etc.).

Además de las rutas catabólicas mencionadas anteriormente, el pirúvico puede también ser utilizado en rutas anabólicas proporcionando así el esqueleto carbonado necesario para la síntesis de otros compuestos (por ejemplo, la formación del aminoácido alanina). Esto puede ocurrir cuando,

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por ejemplo, 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 ecuación:

C6H12O6 + 2P + 2 ADP + 2 NAD+

2C3H4O3 + 2ATP + 2NADH + 2H++ 2H2O (4.2)

4.2.2. Descarboxilación oxidativa del piruvatoComo se mencionó más arriba, en condiciones

aeróbicas, el piruvato formado sufre, a continuación, una descarboxilación oxidativa originando la forma biológica-mente activa del ácido acético, es decir, el acetil coenzima A (AcCoA). En los eucariotas, el piruvato tiene que ser transportado al interior de la mitocondria con el fin de ser transformado. El acetato producido es el compuesto que entra en el CAT donde es transformado a CO2 y H2O.

La descarboxilación es el eslabón entre la glucóli-sis y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, también deno-minado ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. En esta reacción, catalizada por el complejo enzimático de la piru-vato deshidrogenasa, se produce una molécula de NADH por molécula de piruvato que se oxida:C3H4O3 + CoA + NAD+

AcCoA + CO2 + NADH + H* (4.3)El NADH formado en esta reacción libera un ion

hidruro con sus dos electrones (:H-) a la cadena respirato-ria, que transporta los electrones hasta el O2.

Fig. 4.1. Glucólisis.

4.2.3. Ciclo del ácido cítricoEl AcCoA es oxidado por las series de reacciones del ciclo de Krebs (fig. 4.2), liberándose

cuatro pares de electrones y dando lugar a la formación de 2 moléculas de CO2 por molécula de ace-tilo. En este ciclo, se produce, además, 1 molécula de GTP que es equivalente a 1 ATP. De los cua-tro electrones liberados, seis son transferidos a tres moléculas de NAD+, originándose tres molécu-las de NADH, mientras que los dos electrones restantes son transferidos al FAD dando FADH2. La reacción neta del ciclo se puede resumir como:

AcCoA + FAD + 3NAD++ GDP + P + 2H2OCO2 + FADH2 + 3NADH + 2 H++ GTP + CoA (4.4)

4.2.4. Transporte de electrones y fosforilación oxidativaLas coenzimas reducidas (NADH y FADH2) producidas en los procesos anteriores (glucóli-

sis, descarboxilación oxidativa del piruvato y CAT) entran en la cadena de transporte de electrones, regenerándose las formas oxidadas de las mismas por cesión de los electrones hasta el oxígeno a través de una serie de transportadores (fig. 4.3). La transferencia de electrones hasta el O2, que actúa como aceptor final, libera la suficiente energía como para permitir la producción de ATP mediante

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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. Se muestra los tres sitios propuestos donde ocurre la salida de protones que está acoplada a la fosforilación oxidativa o síntesis de ATP.

el proceso conocido como fosforilación oxidativa. La oxidación del FADH2 permite la producción de 2 ATP, mientras que la oxidación del NADH produce 2 ATP. La oxidación de las coenzimas y la formación de ATP por fosforilación oxidativa son procesos acoplados por el gradiente de protones que se crea a través de la membrana debido al bombeo de protones hacia el exterior a medida que transcurre la transferencia de electrones desde el FADH2 o el NADH hasta el O2.

En los seres eucariotas, el ciclo del ácido cítrico, la cadena de transporte electrónico y la fos-forilación oxidativa ocurren en las mitocondrias: el ATC en la matriz mitocondrial y los otros dos procesos en la membrana interna de la mitocondria. En los procariotas, los transportadores de la ca-dena respiratoria y las ATPasas involucradas en la fosforilación oxidativa se encuentran en la mem-brana citoplasmática interna.

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4.3. Respiración anaeróbicaEn cuanto a la respiración sin O2 se presenta en gran parte de los saprófagos (bacterias, leva-

duras, mohos, protozoos). La respiración anaeróbica implica en esencia las mismas rutas metabóli-cas que las de la respiración aeróbica diferenciándose principalmente en el compuesto que actúa co-mo aceptor final de electrones.

4.3.1. Respiración con nitratoAlgunas bacterias que generalmente son aerobias, pueden desarrollarse en ausencia de O2

pero en presencia de . En el caso del nitrato, por medio de un conjunto de tres respiraciones anaeróbicas, algunas bacterias producen nitrógeno gaseoso como producto final; el nitrato es el aceptor de la primera cadena, siendo el producto de la reducción el nitrito que, a su vez, es el acep-tor de la siguiente, y su producto de reducción, el óxido nitroso, es el aceptor de la última. Este pro -ceso se conoce también como desnitrificación ya que se convierte una forma no volátil del nitró-geno en una forma volátil, el N2, empobreciendo así el medio en nitrógeno, que es esencial para el crecimiento y desarrollo de la mayor parte de los organismos.

Fig. 4.4. Esquema propuesto de la cadena de transporte de electrones en los anaerobios que usan el nitrato como aceptor final de electrones.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 O2. Ejemplos de estos microorganismos son Thiobacillus denitrificans y algunas espe-cies de Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Achromobacter y algunos hongos. El proceso ocurre en aguas profundas y en sedimentos, y en aquellos lugares donde la degradación de materia orgáni-ca origina microhábitats anaeróbicos. La reacción está catalizada por un complejo enzima-cofactor ligado a partículas, la nitrato reductasa, que contiene molibdeno y que no es reprimida por amonio. Existe, generalmente, una competición entre esta enzima y la citocromo oxidasa, que depende de las concentraciones relativas de O2 y ; la cadena de transporte de electrones es común a las dos en-zimas hasta el citocromo b, pero el citocromo c es diferente para las dos rutas. El O2 es el aceptor de electrones preferido en la mayoría de los casos aunque algunos organismos, como Denitrobacter li-cheriformis, tienen una afinidad inusualmente alta por el . Desde el el proceso procede ha-cia óxido nítrico, óxido nitroso y N2 gaseoso. Los mecanismos e intermediarios no son de todo co-nocidos, pero un posible esquema, que no contradice las evidencias actuales, aunque no concluyen-tes, se ha propuesto. La ruta alternativa desde el al , es utilizada especialmente por orga-nismos fermentadores que pueden encontrarse en los sedimentos acuáticos. El puede ser reuti-lizado y no se pierde para el sistema como lo son los productos gaseosos de la desnitrificación.

(4.5)La ecuación 3.5 muestra el rendimiento energético de la oxidación de la glucosa con el nitra-

to como aceptor final de electrones. El rendimiento energético de esta oxidación en condiciones aeróbicas produce 674 Kcal/mol.

Las bacterias Desulfovibrio son ejemplos ecológicamente importantes de respiración anaero-bia, porque oxidan sustratos reducidos como el lactato reduciendo el sulfato, , en los sedimen-tos profundos a gas H2S que puede subir a sedimentos menos profundos, donde pueden actuar sobre él otros organismos (por ejemplo, las bacterias fotosintéticas). Las especies de este género crecen

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sobre un número limitado de fuentes de carbono y de energía, siendo el lactato el compuesto más frecuentemente utilizado.

La reducción desasimiladora del (y , tiosulfato y tetrationato) es una habilidad mucho menos común entre las bacterias; casi todos los trabajos se han realizado con la especie De-sulfovibrio desufuricans, que es un anaerobio obligado con un pH óptimo próximo a la neutralidad. También son importantes Clostridium y Desulfatomaculum (D. nitrificans). La mayor parte de la conversión del parece involucrar al adenosin-5’-fosfosulfato (APS) y parte del sistema de los citocromos (citocromo c y citocromo c3) con NAD+, NADP+ o ferredoxina. La ruta de la oxidación del lactato no produce piruvato como producto final, sino que sigue, a partir de éste, hacia la forma-ción de acetato:

2 Lactato 2 Piruvato + 4e- + 4H+ (4.6)2 Piruvato + 2 2 Acetilfosfato + 2 CO2 + 4e- + 2H+ (4.7)2 Acetilfosfato + AMP 2 Acetato + ATP (4.8)Los electrones y protones liberados en la oxidación anterior son usados en la reducción del

sulfato, que parece seguir la siguiente secuencia:(4.9)

(4.10)(4.11)(4.12)

El azufre orgánico es metabolizado durante la descomposición de las proteínas por muchas clases de bacterias y puede ser liberado como H2S o como , dependiendo de las condiciones de aireación. Los compuestos orgánicos volátiles del S tales como el dimetil sulfuro son producidos también durante el decaimiento anaeróbico. Algo de azufre es usado por los microorganismos y éste es inmovilizado aunque, el S es raramente limitante durante la descomposición y las relaciones C/S de hasta 200:1 pueden aparecer sin limitación alguna de la velocidad de respiración de los microor-ganismos que ocasionan la degradación.

Algunos autores han encontrado que el H2 gaseoso puede ser utilizado por Desulfovibrio co-mo fuente de energía si en el medio se encuentran los compuestos carbonados adecuados para llevar a cabo reacciones biosintéticas.

Las bacterias del metano (CH4) son ejemplos de anaerobios forzosos, que descomponen compuestos orgánicos con producción de CH4, mediante reducción de carbono orgánico o carbona-to. Las bacterias del metano intervienen también en la descomposición del forraje en el rumen del ganado y otros rumiantes. Las bacterias metanogénicas usan, por lo general, productos finales del metabolismo de otros grupos bacterianos que son liberados al medio (por ejemplo, acetato):

CH3-COOH CH4 + CO2 (4.13)

Esta reacción es considerada algunas veces como fermentación. Sin embargo, las bacterias metanogénicas pueden usar también el CO2 liberado en otras reacciones usando el H2 como agente reductor del dióxido de carbono:

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (4.14)

4.3. FermentaciónLa fermentación es un proceso constituido por reacciones biológicas de oxidación y reduc-

ción productoras de energía, en las que los aceptores terminales de electrones son compuestos orgá-nicos; entre los productos finales se encuentran tanto compuestos orgánicos reducidos como oxida-dos. En general, tanto el dador como el aceptor final de electrones se originan del mismo sustrato orgánico durante el metabolismo intermediario. Este proceso se realiza en condiciones de anaero-biosis tanto por organismos anaerobios facultativos como anaerobios obligados. En ausencia de O2, los anaerobios facultativos pueden usar el desdoblamiento de los compuestos orgánicos de la fer-mentación como fuente de energía. Estos anaerobios facultativos pueden usar dos mecanismos dife-

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rentes de producción de energía: la respiración aeróbica cuando hay O2 y la ruta fermentativa cuan-do no lo hay. Algunos microorganismos, los anaerobios estrictos dependen exclusivamente de la fermentación para la obtención de energía. De lo dicho, se puede deducir que, en la ruta fermentati-va, se produce una oxidación parcial del sustrato orgánico original y se libera únicamente una pe-queña parte de la energía presente en el sustrato, permaneciendo el resto de la energía en los pro-ductos finales de la fermentación.

Fig. 4.5. Tipos de fermentación y productos formados. En A) fermentación típica de Escherichia coli y en B) fermentación de Streptococcus lactis.

Para que un compuesto sea fermentable no puede ser ni muy oxidado ni muy reducido, ya que tiene que producir compuestos intermedios oxidables y reducibles. Esta condición la cumplen los azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos, purinas y pirimidinas. Los productos finales de una fermentación determinada dependen del tipo de organismo que la realiza, de la naturaleza del sus-trato fermentable y, posiblemente, de los factores ambientales. No todas las bacterias metabolizan el mismo sustrato de igual manera. Por ejemplo, Escherichia coli fermenta la glucosa dando una mez-cla de compuestos (etanol, gases y productos ácidos), mientras que Streptococcus lactis lo hace pro-duciendo únicamente ácido láctico (fig. 4.5).

En la glucólisis, una molécula de glucosa se escinde en dos moléculas de pirúvico con la producción concomitante de dos moléculas de ATP y dos de NADH a partir del NAD+, por cesión de dos electrones y dos protones por cada molécula de glucosa fermentada. Las fermentaciones son energéticamente poco rentables, si se compara con la respiración. A partir de la glucosa se obtienen 2 ATP, en comparación con los 38 producidos en la respiración aeróbica. Esto se debe al destino que sigue el NADH en la fermentación.

Las células tienen sólo una reserva limitada de NAD+, y si todo el NAD+ se convierte en NADH, la oxidación de la glucosa se debería detener. Este nucleótido de piridina reducido es oxida-do en la cadena respiratoria cuando el O2 está presente, permitiendo así que la glucólisis continúe. En la fermentación, es necesario que ocurra la oxidación del NADH a NAD+. La conversión del pi-

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rúvico en los productos finales de las diversas fermentaciones es el medio por el cual se logra la oxidación del NADH. Es a partir del ácido pirúvico donde se diferencian las distintas fermentacio-nes. Algunas de estas fermentaciones son mostradas en los ejemplos siguientes:

(a) Fermentación láctica: característica de los tejidos animales, principalmen-te en los tejidos musculares, cuando hay falta de O2, a partir de pirúvico dando lugar al ácido láctico. Además, la llevan a cabo ciertos protozoos, y algunos hongos y bacterias. Entre estas últimas se encuentran representantes de los géneros Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus y Leuconostoc. En esta fermentación el gliceraldehído-3- fosfato (ver esquema de la glucó-lisis) actúa como dador de electrones y el ácido pirúvico como aceptor de electrones. El rendimiento energético neto de esta fermentación (y de todas las fermentaciones) es de 2 moléculas de ATP por molécula de carbohidrato fermentada.

(b) Fermentación alcohólica: es característica de las levaduras, tejidos de plantas superiores, ciertos hongos y algunas bacterias. Entre las especies de levaduras destacan las especies del género Saccharomyces. El acetaldehído es el aceptor de electrones, y el dador, como en la fermentación láctica, es también el gliceraldehído-3-fosfato.

(c) Fermentación propiónica: realizada por las bacterias del género Propioni-bacterium. A partir de azúcares se obtienen ácidos propiónico, acético y CO2, acompañados a veces por ácido succínico. Además, la mayoría de las especies fermentan el ácido láctico, lo que les permite desarrollarse en la naturaleza como sucesores de las bacterias del ácido láctico.

Otros tipos de fermentaciones se muestran en la figura 4.6.Las levaduras son, por supuesto, ejemplos bien conocidos de fermentadores. Son no sólo in-

dustrialmente importantes, sino que abundan además en los suelos, donde desempeñan un papel im-portante en la descomposición de los residuos vegetales. También diversos grupos y géneros bacte-rianos realizan la fermentación. Entre éstos se encuentran las Enterobacteriaceas, Staphyloccoccus, Bacillus y Clostridium. Todas las especies de Clostridium son anaerobias obligadas; sólo pueden crecer fermentativamente y son sensibles incluso a muy pequeñas cantidades de oxígeno. Las bacte-rias del ácido propiónico son también anaerobias estrictas, aunque exhiben algún grado de toleran-cia al O2 y hay ciertas evidencias de que son capaces de realizar una limitada fosforilación ligada a una cadena respiratoria. El resto de organismos son todos anaerobios facultativos.

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Glucosa 2 Pirúvico 2 Láctico

2 ADP + 2 Pi 2 ATP

2 NAD+ 2 NADH2 2 NADH2 2 NAD+

C6H12O6Glucosa

2 NAD+ 2 NADH2

2 ADP + 2 Pi 2 ATP

2 (CH3-CO-COOH)Pirúvico

2 CO2

2 (CH3-CHO)Acetaldehído

2 NADH2 2 NAD+

2 (CH3-CH2OH)Etanol

Fig. 4.6. Diversos tipos de fermentaciones.

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