Metabolismo Celular

El metabolismo comprende el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de una célula. Sus funciones principales son:

• Obtener energía química para realizar trabajo celular (mecánico, transporte activo, generación de calor, etc.).
• Sintetizar biomoléculas necesarias para construir y mantener las estructuras celulares o para almacenarlas como reserva energética.

El metabolismo consta de miles de reacciones químicas organizadas en una red compleja, ordenada e interconectada de vías o rutas metabólicas, que son secuencias de reacciones sucesivas, cada una catalizada por un enzima específico, donde participan moléculas llamadas metabolitos.

Tipos de Metabolismo

Catabolismo

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo. En este proceso, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en moléculas más simples, liberando energía que se almacena en forma de ATP.

Características de las reacciones catabólicas:

• Oxidativas: Las moléculas orgánicas se oxidan, liberando electrones y protones que son captados por coenzimas en su estado oxidado, como NAD⁺, que se reducen (por ejemplo, a NADH).
• Exergónicas: Liberan energía que se almacena en forma de ATP.
• Convergentes: Las rutas metabólicas catabólicas convergen en unos pocos productos finales, como CO₂ y piruvato.

Anabolismo

El anabolismo es la fase constructiva del metabolismo. En este proceso, se sintetizan moléculas más complejas a partir de otras más simples. La formación de enlaces químicos durante el anabolismo requiere energía, la cual generalmente proviene del ATP.

Características de las reacciones anabólicas:

• Reductivas: Las moléculas se reducen al captar electrones y protones cedidos por coenzimas reducidas como NADH o FADH₂.
• Endergónicas: Requieren un aporte de energía, que proviene de la hidrólisis del ATP.
• Divergentes: Las rutas metabólicas anabólicas son divergentes, ya que se puede obtener una gran variedad de productos a partir de unos pocos precursores.

Energía en las Reacciones Metabólicas

Bioenergética

Para determinar si una reacción química ocurre espontáneamente, se mide la variación de la energía libre de Gibbs (ΔG) a temperatura y presión constantes.

• Una reacción es espontánea (exergónica) cuando ΔG < 0 (hay una disminución de la energía libre de los productos respecto a los reactivos).
• Una reacción no es espontánea (endergónica) cuando ΔG > 0 (hay un aumento de la energía libre de los productos respecto a los reactivos).
• Una reacción está en equilibrio cuando ΔG = 0 (no hay variación en la energía libre entre productos y reactivos).

Obtención de Energía

• Organismos autótrofos: Obtienen energía del medio externo mediante procesos como la fotosíntesis o la quimiosíntesis. Esta energía se almacena en los enlaces químicos de moléculas transportadoras de energía, como el ATP, y se utiliza para la biosíntesis de sus propias moléculas orgánicas, que pueden ser posteriormente catabolizadas.
• Organismos heterótrofos: Obtienen energía a partir de moléculas orgánicas sintetizadas por otros seres vivos. El catabolismo de estos nutrientes libera energía que se almacena en transportadores de energía y se utiliza para la biosíntesis.

Transferencia de Energía

Reacciones Redox

La transferencia de energía en las células suele ir acompañada de un flujo de electrones. Las reacciones que implican este flujo se denominan reacciones de oxidación-reducción (reacciones redox).

• Oxidación: Pérdida de electrones (o ganancia de oxígeno).
• Reducción: Ganancia de electrones (o pérdida de oxígeno).

En el catabolismo, las moléculas orgánicas se oxidan, cediendo electrones a coenzimas que se reducen. En el anabolismo, las coenzimas reducidas se oxidan, cediendo electrones a otras moléculas que se reducen.

Agente reductor: Sustancia que se oxida, donando electrones a otra sustancia (la reduce).

Agente oxidante: Sustancia que se reduce, aceptando electrones de otra sustancia (la oxida).

Intermediarios Transportadores de Energía, Protones y Electrones

• Energía:
  • ATP: Almacena energía en sus enlaces fosfato.
  • Otros nucleótidos trifosfato: GTP, CTP, UTP.
• Electrones y protones:
  • Coenzimas de nicotinamida: NAD⁺ y NADP⁺.
  • Coenzimas de flavina: FAD y FMN.

Potencial Redox

El potencial redox (E) es la tendencia de una sustancia a ganar o perder electrones.

• Un par redox con E negativo tiene tendencia a ceder electrones (agente reductor).
• Un par redox con E positivo tiene tendencia a aceptar electrones (agente oxidante).

Cuando los electrones fluyen de un par redox con E negativo a uno con E positivo, se libera energía (como en la respiración celular). Cuando los electrones fluyen en sentido contrario, se requiere energía (como en la fotosíntesis).

La cadena transportadora de electrones es un sistema de moléculas embebidas en la membrana mitocondrial interna que permite la transferencia ordenada de electrones desde moléculas con E más negativo a moléculas con E más positivo, liberando energía que se utiliza para bombear protones y generar un gradiente electroquímico que impulsa la síntesis de ATP.

Intermediarios Transportadores de Otros Grupos

Ejemplo: La coenzima A (CoA) transporta grupos acilo. Cuando se une a un grupo acetilo, forma acetil-CoA, molécula clave en el metabolismo energético, participando en la β-oxidación de ácidos grasos y en el ciclo de Krebs.

Mecanismos de Hidrólisis y Síntesis de ATP

• Hidrólisis del ATP: Genera ADP (o AMP), un grupo fosfato (o pirofosfato) y libera energía que se utiliza para realizar trabajo celular, producir calor o impulsar reacciones anabólicas.
• Síntesis de ATP: Requiere ADP, un grupo fosfato y energía. Puede ocurrir por dos mecanismos principales:
  • Fosforilación a nivel de sustrato: Se utiliza la energía liberada en una reacción exergónica para transferir un grupo fosfato a una molécula de ADP, formando ATP.
  • Fosforilación oxidativa: Se utiliza la energía del gradiente electroquímico generado por la cadena transportadora de electrones para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Este proceso es catalizado por la ATP sintasa.

Mecanismos de Transporte de Electrones y Protones

• NAD⁺/NADH: El NAD⁺ acepta electrones y protones en reacciones de oxidación, principalmente en el catabolismo. El NADH dona electrones en la cadena transportadora de electrones.
• NADP⁺/NADPH: El NADPH dona electrones en reacciones de reducción, principalmente en el anabolismo.
• FAD/FADH₂: El FAD acepta electrones y protones en reacciones de oxidación, como en el ciclo de Krebs. El FADH₂ dona electrones en la cadena transportadora de electrones.
• FMN/FMNH₂: Actúan como coenzimas en algunas reacciones redox, como en la cadena transportadora de electrones y en algunos fotorreceptores.

Catabolismo

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la que se obtiene energía en forma de ATP, moléculas más simples, protones y electrones. Las reacciones catabólicas son generalmente oxidativas, donde los compuestos orgánicos ceden electrones a un aceptor final que se reduce.

Tipos de Catabolismo

Según el compuesto orgánico de partida:

• Glúcidos: Glicólisis, ciclo de Krebs, fermentación.
• Lípidos: β-oxidación.
• Proteínas: Transaminaciones, desaminación oxidativa, ciclo de Krebs.

Según el aceptor final de electrones:

• Respiración aerobia: El aceptor final es el oxígeno (compuesto inorgánico). La energía se obtiene mediante la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa.
• Respiración anaerobia: El aceptor final es un compuesto inorgánico diferente del oxígeno (como nitratos, sulfatos, etc.). La energía se obtiene mediante la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, pero se produce menos ATP que en la respiración aerobia.
• Fermentación: El aceptor final es un compuesto orgánico (como el piruvato). La energía se obtiene mediante la fosforilación a nivel de sustrato. Se produce menos ATP que en la respiración aerobia o anaerobia.

Glucosa: El Principal Combustible Metabólico

Fuentes de Glucosa

• Nutrientes de los alimentos: En organismos heterótrofos.
• Fotosíntesis: En organismos autótrofos.
• Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de otras moléculas orgánicas.
• Glucogenólisis: Degradación del glucógeno (reserva de glucosa en animales).
• Hidrólisis del almidón: Degradación del almidón (reserva de glucosa en plantas).

Oxidación de la Glucosa

La glucosa se oxida en una serie de reacciones que liberan energía en pequeñas cantidades, la cual se almacena en moléculas de ATP. Este proceso ocurre en dos fases principales:

1. Glicólisis: La glucosa se oxida a piruvato, generando ATP y NADH.
2. Oxidación del piruvato: El destino del piruvato depende de la presencia o ausencia de oxígeno:
   • Presencia de oxígeno: Respiración celular (ciclo de Krebs, cadena transportadora de electrones, fosforilación oxidativa).
   • Ausencia de oxígeno: Fermentación (alcohólica, láctica).

Glicólisis

La glicólisis es una ruta metabólica que ocurre en el citoplasma de todas las células. En este proceso, una molécula de glucosa se degrada a dos moléculas de piruvato, generando energía en forma de ATP y poder reductor en forma de NADH.

La glicólisis se divide en dos fases:

Fase 1: Preparación

La molécula de glucosa se fosforila dos veces, consumiendo 2 ATP, y se transforma en fructosa-1,6-bisfosfato. Luego, la fructosa-1,6-bisfosfato se rompe en dos moléculas de tres carbonos: gliceraldehído-3-fosfato (G3P) y dihidroxiacetona fosfato (DHAP). La DHAP se isomeriza a G3P, por lo que al final de esta fase hay dos moléculas de G3P.

Fase 2: Obtención de Energía

Las dos moléculas de G3P se oxidan a piruvato, generando 4 ATP (mediante fosforilación a nivel de sustrato) y 2 NADH.

Balance Energético de la Glicólisis

• Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

La glicólisis tiene un rendimiento neto de 2 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa.