Conceptos Clave del Metabolismo Celular
Metabolismo: Conjunto de todas las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células y que permiten obtener energía y sintetizar las moléculas necesarias para mantener y desarrollar las funciones celulares.
Catabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas complejas, como glúcidos, lípidos y proteínas, se degradan formando moléculas más sencillas. Son reacciones generalmente oxidativas y exergónicas, por lo que liberan energía que se almacena principalmente en forma de ATP.
Anabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales se sintetizan moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más sencillas. Son reacciones generalmente reductoras y endergónicas, por lo que necesitan un aporte de energía, normalmente procedente de la hidrólisis del ATP.
ATP: Nucleótido que actúa como principal transportador de energía en las células. Almacena energía en sus enlaces fosfato y puede liberarla mediante su hidrólisis para que sea utilizada en procesos celulares.
NAD⁺: Coenzima que participa en reacciones de oxidación-reducción y que puede aceptar electrones y protones, reduciéndose a NADH.
NADP⁺: Coenzima similar al NAD⁺ que participa en reacciones de oxidación-reducción y que, al aceptar electrones y protones, se reduce a NADPH.
FAD: Coenzima que participa en reacciones de oxidación-reducción y que puede aceptar electrones y protones, transformándose en su forma reducida, FADH₂.
Glucólisis y Catabolismo de la Glucosa
La glucólisis es la primera etapa del catabolismo de la glucosa. Consiste en la degradación de una molécula de glucosa, que tiene 6 carbonos, hasta obtener dos moléculas de piruvato, de 3 carbonos cada una. Está formada por diez reacciones enzimáticas y tiene lugar en el citoplasma de la célula. Es una ruta que no necesita oxígeno, por lo que puede realizarse tanto en condiciones aerobias como anaerobias.
Primero, la glucosa se fosforila, incorporando grupos fosfato utilizando la energía de 2 moléculas de ATP. Después, la molécula de glucosa se divide en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, cada una de 3 carbonos, con un gasto de 2 ATP. Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se transforman en dos moléculas de piruvato. Durante este proceso se libera energía, que permite formar 4 moléculas de ATP. Además, los electrones liberados son captados por el NAD⁺, que se reduce y forma 2 NADH.
Balance: 1 glucosa + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvatos + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺
Respiración Celular Aerobia y Anaerobia
La respiración celular es el proceso mediante el cual una molécula de glucosa se oxida completamente en presencia de O₂, produciendo CO₂, H₂O y una gran cantidad de energía en forma de ATP (en las mitocondrias).
La respiración anaerobia es el proceso mediante el cual la glucosa se degrada y oxida en ausencia de oxígeno, siendo el aceptor final de electrones una molécula, por lo general inorgánica, distinta del O₂.
Descarboxilación Oxidativa del Piruvato
El piruvato obtenido en la glucólisis tiene 3 carbonos. En esta fase pierde un carbono en forma de CO₂ y los dos carbonos restantes forman un grupo acetilo, que se une a la coenzima A, formando acetil-CoA. Además, el NAD⁺ acepta los electrones liberados y se reduce a NADH + H⁺. La reacción está catalizada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial y es una etapa fundamental de la respiración celular. Comienza cuando el acetil-CoA, formado a partir del piruvato, se une al oxalacetato, formando una molécula de seis carbonos llamada citrato.
A partir de ahí, se producen una serie de reacciones en las que el citrato se va oxidando y se liberan moléculas de CO₂. Durante estas reacciones, el NAD⁺ y el FAD captan electrones e hidrógenos y se transforman en NADH y FADH₂, que posteriormente llevarán estos electrones a la cadena respiratoria. Además, se produce una pequeña cantidad de ATP y, al final del ciclo, se regenera el oxalacetato, por lo que puede comenzar de nuevo.
Como cada glucosa origina dos acetil-CoA, el ciclo de Krebs realiza dos vueltas por cada molécula de glucosa, produciendo en total 4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH₂ y 2 ATP.
Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
La cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa tienen lugar en la membrana interna de la mitocondria. En ella, el NADH y el FADH₂ ceden sus electrones a diferentes complejos de la cadena respiratoria.
El NADH entrega sus electrones al complejo I, mientras que el FADH₂ los entrega al complejo II. Desde ambos complejos, los electrones pasan a la coenzima Q (ubiquinona), que los lleva hasta el complejo III. Después, los electrones pasan al citocromo c, que los transporta hasta el complejo IV.
Durante este recorrido, los complejos I, III y IV utilizan la energía liberada para bombear H⁺ desde la matriz al espacio intermembranoso, creando un gradiente de protones. Los H⁺ vuelven a la matriz a través de la ATP sintasa, y la energía de este movimiento permite formar ATP a partir de ADP y Pi. Finalmente, en el complejo IV, los electrones son transferidos al O₂, que actúa como aceptor final y, junto con los H⁺, forma H₂O (rendimiento total aproximado de 38 ATP).
Metabolismo de Lípidos: Beta-Oxidación de Ácidos Grasos
Los ácidos grasos sufren la β-oxidación en la matriz mitocondrial. Primero deben activarse uniéndose a la CoA, formando acil-CoA, y después entran en la mitocondria mediante la carnitina, que actúa como molécula transportadora.
Una vez en la matriz, el acil-CoA comienza la β-oxidación, que consiste en una serie repetida de reacciones en las que el ácido graso se va cortando de dos en dos carbonos, formando moléculas de acetil-CoA. En cada vuelta se obtiene 1 acetil-CoA, 1 FADH₂ y 1 NADH, mientras que el acil-CoA queda con dos carbonos menos y vuelve a repetir el proceso. El acetil-CoA entra después en el ciclo de Krebs, mientras que el NADH y el FADH₂ llevan sus electrones a la cadena respiratoria, donde se produce ATP. Por eso, la oxidación de los ácidos grasos proporciona una gran cantidad de energía.
Las Cuatro Etapas de la Beta-Oxidación
- Deshidrogenación: el acil-CoA se oxida y se forma un doble enlace. El FAD acepta los hidrógenos y se transforma en FADH₂.
- Hidratación: se añade una molécula de H₂O al doble enlace.
- Oxidación: el grupo alcohol se oxida a un grupo cetona y el NAD⁺ se reduce a NADH + H⁺.
- Tiólisis: la molécula se rompe mediante la acción de la CoA, formando un acetil-CoA y un acil-CoA con dos carbonos menos, que vuelve a comenzar el ciclo.
Procesos de Fermentación
La fermentación alcohólica transforma el piruvato de la glucólisis en etanol y CO₂. Primero, la glucosa produce 2 piruvatos, 2 ATP y 2 NADH. El piruvato pierde CO₂ y forma acetaldehído, que después acepta los electrones del NADH y se convierte en etanol, regenerándose el NAD⁺. La realizan principalmente algunas levaduras.
La fermentación láctica transforma el piruvato en lactato. La glucólisis produce 2 piruvatos, 2 ATP y 2 NADH. Después, el piruvato acepta los electrones del NADH y se convierte en lactato, regenerándose el NAD⁺ para que pueda continuar la glucólisis. La realizan algunas bacterias y puede ocurrir en los músculos esqueléticos cuando el aporte de oxígeno es insuficiente.