Panorámica del Catabolismo Aeróbico

El catabolismo comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas cuya finalidad es obtener energía para que la célula realice sus funciones vitales.

Reacciones Redox

Las transformaciones que desprenden energía en los procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Las reacciones de este tipo son las que transfieren electrones de un átomo a otro. Toda oxidación requiere una reducción (redox). Las oxidaciones van acompañadas de pérdidas de H. Las moléculas que ceden H se oxidan, mientras que las que lo aceptan se reducen. Los átomos de H liberados van con gran cantidad de energía. Los transportadores de H son el NAD⁺, NADP⁺ o el FAD.

Procesos Catabólicos en Condiciones Aerobias

Conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP que se podrán usar en otros procesos. La glucosa y los ácidos grasos se degradan por glucólisis y β-oxidación, las proteínas se descomponen en aminoácidos y todos entran en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria formando CO₂, H₂O y ATP.

La Glucólisis

Ocurre en el citosol sin necesidad de O₂ y es una secuencia de reacciones en la que una molécula de glucosa se transforma en dos de ácido pirúvico.

Balance Energético de la Glucólisis

Las reacciones tienen lugar en todas las células. Se necesita la energía de 2 ATP para iniciar el proceso y una vez iniciado se producen 2 NADH y 4 ATP. Por ello, el balance es 2 NADH y 2 ATP por cada glucosa. Ecuación: glucosa + 2 ADP + 2 P + 2 NAD⁺ → 2 ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O.

Etapas Clave de la Glucólisis

La etapa 5. Si el NADH producido vuelve a oxidarse la ruta se detiene. En condiciones aerobias las moléculas de NADH extramitocondrial dan sus electrones a la cadena de transporte electrónico mediante la dihidroxiacetona fosfato que se reduce a glicerol fosfato. Este entra en la mitocondria y se reoxida y sale al citosol como dihidroxiacetona fosfato. El FAD mitocondrial reducido se reoxidará mediante una cadena respiratoria. En condiciones anaerobias el NADH extramitocondrial se oxida a NAD⁺. Esto hace posible que se produzca energía de forma anaeróbica.

Respiración Celular: Ciclo de Krebs

Mediante la respiración celular el ácido pirúvico formado durante la glucólisis se oxida completamente a CO₂ y H₂O en presencia de O₂. Este proceso de respiración se desarrolla en dos etapas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria.

Etapa Inicial: Oxidación del Ácido Pirúvico

El ácido pirúvico formado en la glucólisis pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna. Antes de comenzar Krebs el ácido pirúvico se oxida, formándose un grupo acetilo. Esta reacción es catalizada por la piruvato deshidrogenasa y en esta reacción se forma una molécula de NADH. Cada grupo acetilo se une a coenzima A, de esta forma sale el acetil CoA. Este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. La coenzima A une la oxidación del ácido pirúvico y Krebs.

El Ciclo de Krebs

También conocido como ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico. Consiste en una cadena cíclica de reacciones en cada una interviene una enzima específica.

Etapas del Ciclo de Krebs

1. Formación del ácido cítrico.
2. Isomerización del ácido cítrico.
3. Oxidación del ácido isocítrico, pérdida de un C.
4. Oxidación del ácido alfa-cetoglutárico.
5. Rotura del enlace entre el ácido succínico y la coenzima A.
6. Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico.
7. Hidratación del ácido fumárico para formar ácido málico.
8. Oxidación del ácido málico para originar ácido oxalacético.

Balance Energético del Ciclo de Krebs

Por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se forman dos moléculas de GTP, seis de NADH, y dos de FADH₂. El GTP transfiere su grupo fosfato al ADP, produciendo un ATP. En el ciclo de Krebs se obtiene mucha energía en forma de nucleótidos reducidos. En este ciclo no precisa O₂ directamente, pero sí lo necesitan en la cadena respiratoria.

Respiración Celular: Cadena Respiratoria

La mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que fueron aceptados por el NAD⁺ y el FAD. Durante el transporte electrónico los electrones son conducidos a través de una cadena formada por aceptores de distinto potencial de reducción al aceptor siguiente que esté en un nivel energético superior. Cada par redox solo puede recibir electrones de otro par que tenga un potencial de reducción más negativo.

Fosforilación Oxidativa: Proceso Quimiosmótico

Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora van saltando a niveles energéticos inferiores y se va liberando energía que se emplea en fabricar ATP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa.

Acoplamiento Quimiosmótico

Este mecanismo depende de la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Cuando los electrones van pasando a un nivel energético inferior los complejos enzimáticos emplean la energía que se libera para bombear los protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. El bombeo hace que se produzca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, este es capaz de generar una fuerza protomotriz. Las partículas F a través de los cuales pueden fluir los protones. Cada partícula F es un complejo enzimático ATP-sintetasa. Cuando el flujo de protones pasa a través de esta estructura hacia la matriz se produce una rotación en la partícula F y cataliza la síntesis del ATP a partir del ADP y fosfato. Este proceso tiene carácter quimiosmótico.

Balance de la Respiración Celular

Hay que tener en cuenta que el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna puede utilizarse para otros fines diferentes a la síntesis de ATP. El 40% de la energía se utiliza para convertir ADP y fosfato en ATP. El rendimiento medio que produce la oxidación completa de una glucosa es de 36 moléculas de ATP. La oxidación de la glucosa produce unas 680 kcal por mol, esto es un rendimiento de casi el 40%.

Catabolismo Anaeróbico: Fermentaciones

Cuando ocurre en condiciones anaeróbicas, es decir, cuando el último aceptor no es el O₂, las rutas de degradación de la glucosa se llaman fermentaciones.

Fermentación Etílica

La producción de etanol está asociada a vegetales, hongos, bacterias, etc. En estos organismos cataliza la reducción del acetaldehído a etanol, reoxidando el NADH. El efecto Pasteur consiste en que si hay O₂ molecular se inhibe el proceso fermentativo.

Fermentación Láctica

Se origina ácido láctico a partir del pirúvico de la glucólisis. Así se regenera el NAD⁺ necesario para seguir la glucólisis. Las bacterias suelen usar este tipo de fermentación.

Otras Rutas Metabólicas: Oxidación de Ácidos Grasos

Los ácidos grasos son importantes depósitos de energía metabólica. Primero se hidrolizan originándose glicerol y los correspondientes ácidos grasos. Los fosfolípidos también se hidrolizan para formar glicerol, ácido fosfórico y ácidos grasos. El glicerol se fosforila y oxida a dihidroxiacetona-fosfato.

β-Oxidación de Ácidos Grasos

Antes de ser activados, se activan en la membrana mitocondrial externa uniéndose a la coenzima A en una reacción catalizada por ácido graso tioquinasa. El catabolismo de ellos tiene lugar en la matriz mitocondrial y en los peroxisomas. El proceso se llama β-oxidación porque es el C3 el que se oxida. En el transporte de los ácidos grasos interviene la carnitina.

Oxidación de Aminoácidos

Los excedentes se usan para obtener energía. El grupo alfa-amino se separa y se convierte en urea que se excreta, mientras que el resto de la cadena carbonada resultante da origen a intermediarios metabólicos importantes que se incorporan a las rutas metabólicas.