El Metabolismo Celular: Fundamentos y Procesos Vitales
El metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones químicas que mantienen la vida de la célula. Las reacciones metabólicas consisten en una serie de caminos intrincados de ida y vuelta, anabólicos y catabólicos, donde un gran número de moléculas se transforman en otras en el interior de la célula.
Una ruta o vía metabólica es una sucesión de reacciones encadenadas en las que se generan intermediarios metabólicos o metabolitos. Cada reacción está catalizada por una enzima diferente y específica, ayudada en numerosas ocasiones por cofactores y coenzimas. Unas rutas conducen a la degradación de las moléculas orgánicas (catabolismo) y otras a su biosíntesis (anabolismo).
Catabolismo: Degradación y Liberación de Energía
El catabolismo es el conjunto de reacciones metabólicas que rompen los enlaces de las moléculas complejas para transformarse en otras más sencillas. Se caracteriza por ser un proceso de degradación oxidativo que proporciona varias moléculas: unas actúan como metabolitos precursores y otras son carburantes metabólicos de energía y poder reductor.
Reacciones de Óxido-Reducción
Un compuesto se oxida cuando pierde electrones y se reduce cuando los acepta. Las reacciones de óxido-reducción, cuando transcurren con la pérdida de electrones, se denominan deshidrogenaciones, porque están catalizadas por enzimas deshidrogenasas. Estas reacciones de óxido-reducción, características de las oxidaciones biológicas, precisan de:
- Sustratos dadores de electrones: que son carburantes metabólicos.
- Aceptores de electrones: que suelen ser nucleótidos como NAD+ (que se reduce a NADH) o FAD (que se reduce a FADH2). Ambos actúan como coenzimas de las enzimas deshidrogenasas.
Rutas Catabólicas Principales
Las principales rutas catabólicas incluyen:
- Respiración Celular: Consiste en un conjunto de reacciones catabólicas oxidativas que tienden a convertir la energía química de los enlaces C-C en ATP, energía utilizable por la célula. Ejemplo: respiración aerobia de la glucosa.
- Fermentaciones: Son procesos de oxidación parcial que se producen en ausencia de oxígeno. Ejemplo: fermentaciones de glucosa.
Anabolismo: Síntesis y Consumo de Energía
El anabolismo es el conjunto de reacciones que crean nuevos enlaces C-C entre moléculas sencillas para formar moléculas más complejas. Esto ocurre a expensas de energía (ATP), poder reductor y metabolitos sencillos, denominados precursores.
- Los organismos autótrofos utilizan energía para transformar moléculas inorgánicas sencillas como CO2 y H2O en moléculas orgánicas más sencillas.
- Los organismos heterótrofos obtienen estos precursores de las reacciones catabólicas que degradan los nutrientes orgánicos ingeridos en la dieta.
Estructura-Función: Localización de Procesos Metabólicos
Los procesos metabólicos se localizan en diferentes compartimentos celulares:
- En el citosol: degradación de aminoácidos, glucosa y glucógeno; biosíntesis de glucosa de novo, nucleótidos y ácidos grasos.
- En el núcleo: biosíntesis de ARN.
- En la mitocondria: degradación de ácidos grasos, ciclo de Krebs y cadena respiratoria.
- En el RER (Retículo Endoplasmático Rugoso): biosíntesis de ADN.
- En los cloroplastos: biosíntesis de glucosa mediante fotosíntesis.
Vías Metabólicas Específicas
Glucogenólisis: Degradación del Glucógeno
La glucogenólisis es la degradación del glucógeno que tiene lugar en el citosol por acción de la enzima glucógeno-fosforilasa. Esta enzima libera moléculas de glucosa-1-fosfato que se pueden incorporar a la glucólisis previa transformación en glucosa-6-fosfato.
Degradación de la Glucosa: Fermentación y Respiración
En la glucólisis, la glucosa es oxidada para formar dos moléculas de ácido pirúvico y sintetizar ATP. A partir de este punto, se pueden dar dos posibilidades de destino:
- Fermentación: Son oxidaciones parciales que transcurren en el citosol. Los últimos aceptores de los electrones y protones que suministran los NADH generados por la glucólisis son moléculas orgánicas.
- Respiración: Se produce una oxidación total y los electrones y protones son transferidos a un último aceptor.
- En la respiración aerobia, el ácido pirúvico se oxida hasta formar CO2 mediante procesos de descarboxilación oxidativa y del ciclo de Krebs. El NADH y FADH2 del ciclo de Krebs transfieren los electrones al oxígeno, que se reduce a H2O.
- En la respiración anaerobia, los aceptores finales son sustancias inorgánicas como el NO3– (que se reduce a NO2–) o los H+ (que se reducen a H2).
Catabolismo de Lípidos
Lipólisis de los Glicéridos
Los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo son hidrolizados en el citosol por enzimas que separan los ácidos grasos de la glicerina. El catabolismo de la glicerina se lleva a cabo mediante su incorporación a la glucólisis.
Respiración Aerobia de Ácidos Grasos
Los ácidos grasos almacenan energía que se libera mediante un proceso de respiración aerobia que se inicia con su activación y continúa con la β-oxidación, que convierte los ácidos grasos en acetil-CoA.
- Activación de ácidos grasos: Consiste en la unión del ácido graso con una molécula de coenzima A para formar un acil-graso-CoA.
- β-Oxidación de los ácidos grasos: Es la degradación por etapas de los ácidos grasos para formar moléculas de acetil-CoA, que pueden ser oxidadas en el ciclo de Krebs.
Balance Energético de la Respiración Aerobia (Ejemplo)
Un ejemplo de balance energético para la respiración aerobia de un ácido graso podría ser:
- Formación de acil-CoA: -2 ATP
- 7 etapas de la β-oxidación: 14 ATP (NADH y FADH2 generados)
- 8 moléculas de acetil-CoA en el ciclo de Krebs: 8 ATP (GTP) + 72 ATP (NADH) + 17 ATP (FADH2)
- Total: 129 ATP
Degradación de Aminoácidos
La degradación de aminoácidos se basa en la oxidación de sus cadenas carbonadas tras haberse desprendido de los grupos amino por un proceso de transaminación. También puede desprenderse mediante descarboxilación.
Procesos Anabólicos Clave
Entre los procesos anabólicos más importantes se encuentran:
- La biosíntesis de algunos aminoácidos y la biosíntesis de proteínas, ARN y ADN.
- La biosíntesis de ácidos grasos, que se lleva a cabo en el citosol a partir de moléculas de acetil-CoA, y la síntesis de otros lípidos.
- La biosíntesis de glucógeno, que se produce en el citosol a partir de moléculas de glucosa-6-fosfato.
- La gluconeogénesis, un proceso de síntesis de glucosa a partir de otras moléculas sencillas. Permite obtener glucosa a partir de ácido pirúvico, el cual puede proceder del catabolismo de aminoácidos o de metabolitos del ciclo de Krebs. En los mamíferos, sucede principalmente en el hígado y el riñón.
Glucólisis y Fosforilación Oxidativa
Glucólisis: Ruptura de la Glucosa
La glucólisis es la ruptura de la glucosa mediante una ruta metabólica lineal de diez reacciones, catalizadas por enzimas, en la que una molécula de glucosa es degradada en el citosol para formar dos moléculas de ácido pirúvico. La glucólisis permite sintetizar dos moléculas de ATP.
En la glucólisis se pueden considerar dos fases consecutivas:
- Fase de preparación: Consta de cinco reacciones mediante las cuales la molécula de glucosa se rompe en dos de gliceraldehído-3-fosfato, lo cual se hace con el consumo de dos moléculas de ATP.
- Fase de oxidación: Las moléculas de gliceraldehído-3-fosfato son oxidadas por NAD+ para formar ácido pirúvico, generando ATP y NADH.
Fosforilación Oxidativa: La Gran Productora de ATP
Según la hipótesis quimiosmótica propuesta por Peter Mitchell, la energía que se libera en el transporte de los electrones es empleada para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. La fosforilación oxidativa es un proceso de síntesis de ATP que se produce como consecuencia de la entrada de protones en la matriz a favor del gradiente electroquímico, conocido como fuerza protón-motriz.
Mecanismo de la ATP Sintasa
La ATP sintasa tiene una parte F0 que atraviesa la capa lipídica y forma un canal de protones, y una parte F1 que se proyecta hacia la matriz y tiene actividad enzimática como ATPasa, catalizando la reacción de síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. La oxidación en la cadena respiratoria de una molécula de NADH produce tres moléculas de ATP, mientras que la de una de FADH2 produce dos moléculas de ATP.
Proceso de la Fosforilación Oxidativa
El NADH cede sus electrones al complejo I y de este pasan a la CoQ, que también recibe los electrones del complejo II (recogidos por el FADH2). Desde la CoQ, los electrones llegan hasta el complejo III y luego al citocromo c y al complejo IV, desde donde pasan al O2 para formar H2O. En el paso de los electrones por los complejos, se bombea H+ desde la matriz al espacio intermembranoso. Cada molécula de NADH genera 3 de ATP y cada molécula de FADH2 genera 2 de ATP.