Metabolismo Energético Celular
Glucólisis
La glucólisis es una ruta metabólica que ocurre en el citosol de todas las células, donde se oxida la glucosa. Consta de 10 reacciones enzimáticas que producen dos moléculas de piruvato.
La glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato, quedando atrapada en la célula. Las enzimas hexoquinasa y glucoquinasa (en hígado y páncreas) utilizan ATP. Luego, la fructosa-6-fosfato se genera por la enzima isomerasa y se transforma en fructosa-1,6-bifosfato por la enzima fosfofructoquinasa-1, utilizando también ATP. Un exceso de ATP inhibe la fosfofructoquinasa-1. Para producir más ATP, se utiliza la fosfofructoquinasa-2, que transforma la fructosa-6-fosfato en fructosa-2,6-bifosfato, activando nuevamente la fosfofructoquinasa-1.
La fructosa-1,6-bifosfato se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato (que se convierte en gliceraldehído-3-fosfato). El gliceraldehído-3-fosfato se transforma en 1,3-bifosfoglicerato por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, utilizando NAD+ y generando 2 NADH.
Se genera glicerato-3-fosfato por la enzima fosfoglicerato quinasa, produciendo 2 ATP a partir de ADP. Luego, se transforma en glicerato-2-fosfato por la mutasa.
Se produce fosfoenolpiruvato por la enolasa (el ADP se convierte en ATP), y finalmente, la piruvato quinasa lo convierte en piruvato.
En resumen, la glucólisis produce 2 NADH y 4 ATP.
Fermentación Láctica
La fermentación láctica ocurre en el citosol, produciendo 2 ATP en glóbulos rojos (sin mitocondrias) y músculos en ejercicio.
El piruvato se transforma en lactato mediante la enzima lactato deshidrogenasa, utilizando los 2 NADH para esta reacción, regenerando 2 NAD+ para que la glucólisis continúe.
Fermentación Alcohólica
En la fermentación alcohólica, se genera etanol y CO2. El piruvato, mediante la enzima piruvato descarboxilasa (generando 2 CO2), se transforma en 2 acetaldehído. Luego, la alcohol deshidrogenasa utiliza los 2 NADH para generar 2 etanol, regenerando NAD+. Este proceso es clave en la producción de bebidas alcohólicas, pan y bollería.
Ciclo de Krebs
El piruvato, por la piruvato deshidrogenasa (utilizando cofactores como tiamina B1, FAD B2, NAD B3, coenzima A B5 y ácido lipoico), se transforma en acetil-CoA, liberando NADH. Este proceso ocurre en la matriz mitocondrial. Un exceso de acetil-CoA inhibe el proceso. El acetil-CoA se une al oxalacetato para formar citrato por la citrato sintasa.
El citrato se convierte en isocitrato por la aconitasa, luego en alfa-cetoglutarato por la isocitrato deshidrogenasa, generando NADH y CO2. El alfa-cetoglutarato, por la enzima alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (utilizando cofactores), se convierte en succinil-CoA, generando NADH y CO2. La succinil-CoA, mediante la enzima succinato-CoA sintasa, se convierte en succinato, produciendo GTP. El succinato se convierte en fumarato por la enzima succinato deshidrogenasa, produciendo FADH2. El fumarato se convierte en malato por la fumarasa, y el malato por la malato deshidrogenasa genera NADH.
Por cada NADH se producen 3 ATP (18 ATP en total), por cada FADH2 se producen 2 ATP (4 ATP en total) y por cada GTP se produce 1 ATP (2 ATP en total).
Cadena de Transporte de Electrones
La cadena de transporte de electrones se produce por el gradiente electroquímico, con 4 complejos proteicos transportadores: Complejo I (NADH deshidrogenasa), Complejo II (succinato deshidrogenasa, sin gradiente de protones), Complejo III (citocromo bc1) y Complejo IV (citocromo oxidasa). Las bombas de protones transfieren protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. La fosforilación oxidativa produce ATP utilizando la energía del gradiente de protones, a través del complejo F0F1 en la membrana.
El Complejo I convierte NADH en NAD+, generando energía para bombear protones a la ubiquinona o coenzima Q. El Complejo II convierte FADH2 en FAD, generando hidrogeniones que, a través del Complejo III, se pasan a la ubiquinona y luego al citocromo c (Complejo IV). Este último pasa 4 electrones a la molécula de oxígeno, formando agua.
El aumento de protones en el espacio intermembrana disminuye el pH. Estos protones regresan a través de la ATP sintasa, generando energía para convertir ADP en ATP. Se producen entre 36 y 38 ATP.
Catabolismo de Lípidos
Los triglicéridos son la principal fuente de energía. La hidrólisis separa el glicerol de los ácidos grasos gracias a la lipasa. El glicerol va al hígado y se transforma en dihidroxiacetona fosfato gracias a ATP y la glicerol quinasa. Luego, con NAD+ y glicerol deshidrogenasa, se genera DHA-P para producir energía.
Los ácidos grasos son transportados por la albúmina a los tejidos por difusión pasiva. La beta oxidación de los ácidos grasos es clave en el catabolismo energético, gracias al acetil-CoA y su completa oxidación.
Primero, el ácido graso se activa en el citosol con la coenzima A, utilizando ATP y la enzima acil-CoA sintetasa, resultando en AMP y dos fosfatos (separados por la pirofosfatasa). Luego, debe entrar a la mitocondria gracias a la acil transferasa 1, que lo une a la carnitina, creando acil carnitina, que es permeable. En la matriz mitocondrial, la carnitina acil transferasa 2 separa la acil carnitina, obteniendo acetil-CoA libre.
En la beta oxidación, el acetil-CoA es deshidrogenado por la enzima acil-CoA deshidrogenasa (utilizando FAD y creando FADH2), luego se hidrata y crea un grupo hidroxilo mediante la enzima enoil-CoA hidratasa. Se deshidrogena de nuevo, dependiendo de NAD+ para generar NADH mediante la enzima 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, formando un grupo cetona. Finalmente, la enzima tiolasa fragmenta la molécula, liberando acetil-CoA para el ciclo de Krebs.
El lactato va a la sangre, luego al hígado o corazón, donde se genera inversamente piruvato para generar más NADH.
La glucólisis se regula por la glucoquinasa, fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa.
Ciclo de Pentosas
El ciclo de pentosas genera NADPH y pentosas para nucleótidos y ácidos nucleicos. La glucosa-6-fosfato, mediante la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, se transforma en ribulosa-5-fosfato (generando 2 NADPH) y luego en ribosa-5-fosfato.
La fase oxidativa, utilizada para la glucogenogénesis, genera 2 NADPH (síntesis de ácidos grasos) y es irreversible. La glucosa-6-fosfato sufre 2 oxidaciones y 1 descarboxilación, transformándose en ribulosa-5-fosfato. La fase no oxidativa es reversible y genera pentosas-fosfato y otros monosacáridos-fosfato. Si no se necesita más glucosa-6-fosfato, se realiza la glucólisis. La ribosa-5-fosfato, con dos carbonos de xilulosa gracias a la transcetolasa, se transforma en fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato, luego en piruvato. En la glucogenogénesis, la ribosa-5-fosfato se transforma en fructosa-6-fosfato o gliceraldehído para formar glucosa y generar más NADPH.