Glucólisis
La glucólisis, o ruta de Embden-Meyerhof, ocurre en el citosol de la célula. No necesita oxígeno y consiste en una secuencia de aproximadamente nueve etapas. En estas etapas, una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico. Este proceso se produce en todas las células vivas, desde procariotas hasta eucariotas animales y vegetales.
Se necesita la energía de 2 moléculas de ATP para iniciar el proceso, pero una vez iniciado se producen 2 moléculas de NADH y 4 de ATP, con un balance final de 2 NADH y 2 ATP por molécula de glucosa:
Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD+ ==> 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
En condiciones aerobias, las moléculas de NADH ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónico, que los lleva hasta el oxígeno, produciendo agua y regenerando NAD+, que se reutiliza en la glucólisis. En estas condiciones, el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transforma en Acetil-CoA, que ingresa en la respiración celular.
En condiciones anaerobias (sin oxígeno), el NADH se oxida a NAD+ mediante la reducción del ácido pirúvico. Así se produce energía de forma anaeróbica, un proceso llamado fermentación, que ocurre en el citosol.
Respiración Celular
Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico de la glucólisis se oxida completamente a CO2 y agua en presencia de oxígeno. Se desarrolla en dos etapas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, asociada a la fosforilación oxidativa.
Ciclo de Krebs
En las células eucariotas, el ciclo de Krebs ocurre en la matriz de la mitocondria en presencia de oxígeno. La membrana mitocondrial externa es permeable a la mayoría de las moléculas pequeñas, pero la interna tiene permeabilidad selectiva y controla el movimiento de iones hidrógeno.
Cadena Respiratoria
La cadena respiratoria ocurre en las crestas mitocondriales, donde se encuentran las enzimas necesarias para el acoplamiento energético y la transferencia de electrones. Este proceso requiere oxígeno.
Después de la glucólisis, el ácido pirúvico pasa del citoplasma a la matriz mitocondrial. El ácido pirúvico se oxida, liberando una molécula de CO2 y formando un grupo acilo (CH3-CO). Esta reacción produce una molécula de NADH. Como la glucólisis produce dos moléculas de ácido pirúvico, se forman dos de NADH por cada molécula de glucosa. Cada grupo acilo se une a un Coenzima A, formando acetil-CoA. En este punto comienza el ciclo de Krebs.
La molécula de glucosa inicial está completamente oxidada. Parte de su energía se ha utilizado para sintetizar ATP. Sin embargo, la mayor parte de la energía está en los electrones capturados por el NAD+ y el FAD. Estos electrones, procedentes de la glucólisis, la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs, tienen un alto nivel energético. En el transporte de electrones, estos son conducidos a través de una cadena con múltiples aceptores, cada uno capaz de aceptar electrones a un nivel ligeramente inferior al anterior. Los transportadores existen en dos estados de oxidación, cambiando según acepten o liberen electrones.
Cada par redox solo recibe electrones de otro par con potencial de reducción más negativo y solo los cede a un par con potencial menos negativo. El potencial más negativo es el NAD+ (-0,32 voltios), y en el otro extremo está el agua (+0,82 voltios). Cuando los electrones se mueven por la cadena, liberan energía, que se usa para fabricar ATP a partir de ADP en la fosforilación oxidativa. Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 ATP, y por cada dos que pasan del FADH2 al oxígeno se forman 2 ATP.
El mecanismo de producción de ATP se explica por la teoría del acoplamiento quimiosmótico. La célula es muy eficiente: cerca del 40% de la energía liberada de la combustión de la glucosa se usa para convertir ADP en ATP.
Balance Energético
- Glucólisis: 2 ATP + 2 NADH (6 ATP)
- Conversión de ácido pirúvico a Acetil-CoA: 2 NADH (6 ATP)
- Ciclo de Krebs: 2 GTP (2 ATP) + 6 NADH (18 ATP) + 2 FADH2 (4 ATP)
- Total: 36 ATP
Metabolismo de Ácidos Grasos
Los ácidos grasos son importantes depósitos de energía. Los triglicéridos se hidrolizan en el citoplasma por lipasas, produciendo glicerol y ácidos grasos. Los ácidos grasos se degradan en la mitocondria (β-oxidación) y el glicerol entra en la glucólisis. Antes de oxidarse, los ácidos grasos reaccionan con acetil-CoA en la membrana mitocondrial. En la matriz mitocondrial, se degradan mediante la hélice de Lynen. La carnitina transporta los ácidos grasos activados a través de la membrana interna.
Metabolismo de Proteínas
Las proteínas tienen funciones principalmente no energéticas. Sin embargo, en caso de necesidad, los aminoácidos se oxidan y sus derivados entran en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. Hay tres mecanismos de oxidación: transaminación, desaminación oxidativa y descarboxilación. Los aminoácidos excedentes no se almacenan ni excretan, sino que se usan como combustible. El grupo amino se convierte en urea, y la cadena carbonatada resultante genera intermediarios metabólicos que se incorporan a las rutas metabólicas principales.