Introducción al Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de procesos, intercambios y transformaciones que tienen lugar en el interior de la célula, catalizados por enzimas. Estos procesos se organizan en rutas metabólicas. El metabolismo se divide en dos fases:

• Anabolismo: Es la fase constructiva. Consiste en la producción de moléculas orgánicas sucesivamente más complejas y reducidas, utilizando la energía y el poder reductor proporcionados por el ATP y NADPH obtenidos en el catabolismo o la fotosíntesis.
• Catabolismo: Es la fase destructiva. Consiste en la degradación de moléculas orgánicas reducidas en otras más oxidadas con transferencia de energía libre a intermediarios transportadores, como el ATP o transportadores de electrones. Cada tipo de molécula desemboca en las rutas centrales, ya que es un proceso convergente.

Ambos procesos están interconectados. El equilibrio se mantiene gracias a la regulación del metabolismo. La célula capta energía (E) en las reacciones exergónicas del catabolismo y la cede en las reacciones endergónicas del anabolismo.

Reacciones de Óxido-Reducción en el Metabolismo Celular

Los electrones poseen diferentes cantidades de energía (E) potencial dependiendo de su distancia al núcleo del átomo y de la atracción ejercida por el núcleo sobre ellos. En muchas reacciones, los electrones pasan de un átomo o molécula a otro. Estas reacciones se conocen como reacciones de óxido-reducción o redox.

• Oxidación: Pérdida de un electrón. El átomo o molécula que pierde el electrón se dice que se ha oxidado.
• Reducción: Ganancia de un electrón.

La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente.

Pares Redox Importantes en el Metabolismo

• Par NADH/NAD⁺: Actúa en el transporte de electrones en reacciones de oxidación-reducción. El NAD⁺ capta electrones en reacciones de deshidrogenación de alcoholes reduciéndose a NADH.
• Par FADH₂/FAD: Flavín adenín dinucleótido, derivado de la riboflavina. El FMN es un oxidante más fuerte que el NAD⁺.
• Par ATP/ADP: Actúa como transportador de grupo fosfato, enlace de alta energía cuya hidrólisis rinde 7,3 Kcal/mol. La formación de ATP a partir de ADP+Pi requiere energía y su hidrólisis la desprende.

Síntesis de ATP

La célula presenta dos mecanismos para sintetizar ATP:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Se forma primero un compuesto intermedio rico en energía, que se hidroliza para fosforilar ADP a ATP. Ocurre en la glucólisis y el ciclo de Krebs.
• Fosforilación en el transporte de electrones: Mediante proteínas específicas localizadas en la membrana mitocondrial interna (fosforilación oxidativa) o en la membrana tilacoidal (fosforilación fotosintética).

Catabolismo de Glúcidos

Los glúcidos se hidrolizan hasta formar glucosa.

Fases del Catabolismo de Glúcidos

• Glucólisis: Ruta anaerobia que degrada la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico.
• Respiración celular: Tiene lugar en la mitocondria.
• Fermentación: Oxidación incompleta de la glucosa.

Glucólisis

La glucólisis es una ruta anaerobia que incluye 10 etapas y da lugar a dos moléculas de ácido pirúvico. Tiene lugar en el citosol y su finalidad es la obtención de energía, tanto directamente como para la degradación total de la glucosa. El ácido pirúvico pasará a la mitocondria para la respiración celular.

Etapas de la Glucólisis

1. Fosforilación y rotura de la molécula para dar dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato.
2. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato hasta ácido pirúvico, reduciendo NAD⁺ y utilizando la energía para la obtención de ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

Sustratos iniciales: Glucosa, 2 ADP + 2 Pi y 2 NAD⁺.

Productos finales: 2 pirúvicos, 2 ATP y 2 NADH.

Respiración Celular

Los organismos eucariotas y la mayoría de los procariotas realizan la respiración celular aerobia, que supone la oxidación total de los carbonos de la glucosa a CO₂ y la síntesis de ATP.

Etapas de la Respiración Celular

1. Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico para formar acetil-CoA.
2. Ciclo de Krebs.
3. Fosforilación oxidativa.

Descarboxilación Oxidativa del Ácido Pirúvico

Tiene lugar en la matriz mitocondrial. La reacción es catalizada por la piruvato-deshidrogenasa, actuando como coenzima el NAD⁺ que se reduce. Se produce la pérdida del grupo carboxilo en forma de CO₂ y la oxidación del carboxilo que queda unido al CoA.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es una ruta metabólica con 8 reacciones que forman un ciclo en la que 2 átomos de carbono del ácido acético del acetil-CoA forman dos CO₂, 3 moléculas de NADH+H⁺, una de FADH₂ y una de GTP. Este ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial.

Productos iniciales: Ácido acético, 3 NAD⁺, FAD y GDP.

Productos finales: CO₂, 3 NADH, FADH₂ y GTP.

Los coenzimas se reoxidan en la cadena respiratoria. Este ciclo es una ruta de convergencia de todo el catabolismo aerobio, ya que el acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs puede proceder del catabolismo de glúcidos, lípidos o aminoácidos.

Este ciclo constituye una ruta anfibólica, ya que actúa también en la generación de precursores para las rutas anabólicas. El oxalacetato y el alfa-cetoglutarato sirven como precursores de los aminoácidos. El ácido cítrico actúa como precursor de acetil-CoA, destinado a la biosíntesis de ácidos grasos.

Los intermediarios pueden reponerse mediante unas reacciones anapleróticas (de relleno). La más importante es la carboxilación del piruvato para formar ácido oxalacético.

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

La cadena respiratoria es una cadena transportadora de electrones, formada por moléculas asociadas a la membrana mitocondrial interna que se reducen y oxidan, permitiendo la reoxidación de los coenzimas reducidos en el catabolismo. La liberación de energía (E) está acoplada a la síntesis de ATP mediante la fosforilación oxidativa.

Complejos de la Cadena Respiratoria

• Complejo I: NADH deshidrogenasa. Transfiere electrones desde el NADH hasta FMNH₂, asociado a complejos Fe y S, hasta la ubiquinona o coenzima Q.
• Complejo Q: El FADH₂ cede sus electrones al complejo II, quedando los protones en la matriz.
• Complejo III: b-c₁, proteínas con un grupo hemo. Fe²⁺ y Fe³⁺.
• Complejo IV: Citocromo a-a₃, que contiene cobre y cede los electrones al oxígeno, que se reduce formando agua.

Formación del Gradiente Quimiosmótico

Se produce mediante la fosforilación oxidativa en la membrana mitocondrial interna, catalizada por el complejo ATP-sintetasa. Según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, la energía liberada por el transporte electrónico se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembranal, a través de los transportadores localizados en los complejos enzimáticos de los sistemas I, III y IV.

Síntesis del ATP

Formación del ATP a partir de ADP + Pi.

Rendimiento de la Respiración Aerobia

Cada NADH permite la formación de 3 ATP y cada FADH₂ permite la formación de 2 ATP. El mecanismo de síntesis de ATP es la fosforilación a nivel de sustrato en las reacciones 7 y 10 de la glucólisis y la reacción 5 del ciclo de Krebs en forma de GTP, equivalente al ATP. El resto de ATP se sintetiza por la fosforilación oxidativa en la mitocondria.

Fermentación

La fermentación es un proceso de degradación de la glucosa en el que se lleva a cabo la glucólisis, pero los NADH no se reoxidan con oxígeno, sino que ceden los electrones a moléculas orgánicas sencillas como el ácido pirúvico o el acetaldehído. Se lleva a cabo en microorganismos y células anaerobias.

Tipos de Fermentación

• Fermentación láctica: Oxidación de la glucosa hasta ácido pirúvico y reoxidación del NADH y reducción del piruvato a ácido láctico. La glucosa más ADP es igual a 2 ácido láctico más 2 ATP.
• Fermentación alcohólica: El piruvato da lugar a etanol y CO₂. La producen algunas bacterias y levaduras. Etapas: glucólisis, descarboxilación del piruvato a acetaldehído y reoxidación del NADH y reducción de etanol.
• Fermentaciones pútridas: Desprenden ácidos que producen el mal olor de la putrefacción.

Diferencias entre Respiración y Fermentación

• La respiración es aerobia y la fermentación es anaeróbica.
• En la respiración hay una oxidación total y en la fermentación no es total.
• En la respiración el aceptor final es el oxígeno molecular y en la fermentación es una molécula orgánica.
• La fermentación tiene lugar en el citoplasma y la respiración en la mitocondria.
• En la respiración se producen 36 ATP y en la fermentación 2 ATP.

Catabolismo de Lípidos

Los triacilglicéridos se hidrolizan dando lugar a glicerina, que ingresa en la glucólisis, y a ácidos grasos, que sufren el proceso de beta-oxidación. La beta-oxidación es una ruta metabólica en la que los ácidos grasos, tras su activación con el coenzima A (acil-CoA) y mediante ciclos de cuatro reacciones que se repiten, se van degradando en moléculas de acetil-CoA. Se libera una molécula de acetil-CoA en cada ciclo, excepto en el último que se obtienen dos. En cada ciclo se libera una molécula de NADH+H⁺ y una de FADH₂.

Etapas de la Beta-oxidación

1. Deshidrogenación.
2. Hidratación.
3. Oxidación.
4. Tiolisis.

Los acetil-CoA se incorporan al ciclo de Krebs. Las coenzimas cederán electrones a la cadena respiratoria para la generación de ATP.

Catabolismo de Proteínas

La hidrólisis de proteínas mediante peptidasas produce aminoácidos. Aunque estos no son nutrientes que se utilicen habitualmente como energéticos, su catabolismo se produce si:

• Hay excedente de aminoácidos por una dieta rica en proteínas.
• Condiciones de ayuno o enfermedad en que no haya glúcidos disponibles.
• Renovación de proteínas celulares.

El catabolismo de aminoácidos implica dos etapas:

1. Eliminación del grupo amino por transaminación hasta formar glutámico y posterior desaminación de este.
2. Oxidación de la cadena carbonada.

Transaminación

Transferencia del grupo amino desde cualquier aminoácido hasta el alfa-cetoglutarato para formar el aminoácido glutamato. Los enzimas transaminasas llevan vitamina B₆ como coenzima. La transaminación se produce principalmente en el hígado.

Desaminación Oxidativa

En este proceso el grupo amino del glutamato se elimina en forma de amoníaco. Lo cataliza la glutamato-deshidrogenasa en hígado y riñón.

Oxidación de las Cadenas Carbonadas

Tras la eliminación del grupo amino, la cadena carbonada se incorpora a otra ruta metabólica: formación de pirúvico, glucosa, intermediarios del ciclo de Krebs, acetil-CoA, etc.