Metabolismo Energético: Respiración Celular
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs (conocido también como ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico) es un ciclo metabólico de importancia fundamental en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular. En estos organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es el anillo de conjunción de las rutas metabólicas responsables de la degradación y desasimilación de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en anhídrido carbónico (CO₂) y agua, con la formación de energía química.
Fosforilación Oxidativa
Es un proceso bioquímico que ocurre en las células. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración celular, posterior a la glucólisis y al ciclo del ácido cítrico. De una molécula de glucosa se pueden obtener hasta 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa. Dentro de las células, la fosforilación oxidativa se produce en las membranas biológicas. En procariotas, ocurre en la membrana plasmática, y en eucariotas, se lleva a cabo en la membrana interna mitocondrial.
El NADH y el FADH₂, moléculas donadoras de electrones que se generaron durante el ciclo del ácido cítrico, se utilizan en un mecanismo intrincado (que implica a numerosas enzimas como la NADH-Q reductasa, la citocromo c oxidasa y la citocromo reductasa), gracias a la bomba H⁺ que moviliza los protones contra un gradiente de membrana.
Cadena Respiratoria (Cadena de Transporte de Electrones)
La cadena de transporte de electrones está embebida en la membrana interna mitocondrial, y la constituyen cinco complejos multienzimáticos (I, II, III, IV y V o ATP sintasa) y dos transportadores de electrones móviles (coenzima Q o ubiquinona y citocromo c).
Su principal función es el transporte coordinado de protones y electrones para producir energía en forma de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. El transporte de electrones genera energía que es utilizada para transportar protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Este proceso genera un gradiente electroquímico de protones, que es utilizado por el complejo V (ATP sintasa) para generar ATP a medida que los protones fluyen de nuevo desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial. El ATP generado es exportado al citoplasma a través del transportador de nucleótidos de adenina (ANT).
Metabolismo de Glúcidos
Digestión de Carbohidratos
La digestión se lleva a cabo gracias a la ayuda de las enzimas digestivas, lo que permite la absorción de sales minerales, vitaminas, etc. Los principales puntos de acción enzimática son:
- Boca: La saliva contiene amilasa salival o ptialina, que inicia la degradación del almidón y el glucógeno a maltosa.
- Páncreas exocrino: Produce amilasa pancreática, que continúa la degradación del almidón a maltosa.
- Intestino delgado: Contiene disacaridasas (lactasa, maltasa, sacarasa) que rompen la lactosa, maltosa y sacarosa en monosacáridos.
La absorción de los monosacáridos se da en el intestino delgado, desde donde irán al hígado y serán distribuidos según las necesidades metabólicas del organismo.
Rutas Catabólicas de Glúcidos
Glucólisis
La glucólisis es una ruta catabólica que forma parte de la respiración celular. Consiste en una serie de reacciones que constituyen la primera fase del catabolismo de los hidratos de carbono (ruptura de moléculas grandes en otras más pequeñas). Este proceso rompe la glucosa y forma piruvato, con la producción neta de dos moléculas de ATP.
El producto final de la glucólisis, el piruvato, puede ser utilizado tanto en la respiración anaeróbica (si no hay oxígeno disponible) o en la respiración aeróbica a través del ciclo de Krebs, que produce mucha más energía útil para la célula.
Glucogenólisis
La glucogenólisis tiene lugar cuando la glucemia (nivel de glucosa en sangre) baja. Ocurre principalmente en el hígado y sirve para regular la glucemia. Es la vía por la cual se degrada el glucógeno para la obtención de glucosa de forma rápida. Esta vía se estimula por niveles bajos de glucosa, glucagón y catecolaminas (adrenalina, noradrenalina y norepinefrina).
El proceso se desarrolla en los siguientes pasos:
- El glucógeno es degradado a glucosa-1-fosfato por la enzima glucógeno fosforilasa (que es la enzima reguladora de esta vía) y la enzima desramificante (que rompe los enlaces alfa 1-4 y alfa 1-6).
- La glucosa-1-fosfato pasa a glucosa-6-fosfato por acción de la enzima fosfoglucomutasa.
- La glucosa-6-fosfato pasa a glucosa libre por la enzima glucosa-6-fosfatasa (presente en el hígado, pero no en el músculo).
Vía de las Pentosas Fosfato (Ciclo Pentosa Fosfato)
Esta es una vía catabólica de la glucosa que no es una vía para obtener energía (ATP). Su función principal es obtener gran cantidad de material reducido, específicamente NADPH + H⁺, que se utilizará para muchos procesos anabólicos (como la síntesis de ácidos grasos y esteroides). La reacción global simplificada es:
3 G6P + 6 NADP⁺ → 3 CO₂ + 2 G6P + gliceraldehído-3-P + 6 NADPH + H⁺.
Rutas Anabólicas de Glúcidos
Glucogénesis
La glucogénesis es la ruta anabólica por la que tiene lugar la síntesis de glucógeno a partir de un precursor más simple, la glucosa-6-fosfato. Se lleva a cabo principalmente en el hígado y, en menor medida, en el músculo. El glucógeno se forma por la incorporación repetida de unidades de glucosa. La glucogénesis es estimulada por la hormona insulina.
Gluconeogénesis
La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa nueva (es decir, glucosa que no proviene del glucógeno). La producción de glucosa a partir de otros metabolitos es necesaria para el uso como fuente de energía para el cerebro, testículos, eritrocitos y médula renal, ya que la glucosa es la única fuente de energía para estos órganos en condiciones normales. Durante la hambruna, sin embargo, el cerebro puede obtener energía a partir de cuerpos cetónicos, que se convierten en acetil-CoA.
Los esqueletos de carbono primarios utilizados para la gluconeogénesis se derivan de piruvato, lactato, glicerol y los aminoácidos alanina y glutamina. El hígado es el sitio principal de la gluconeogénesis, aunque el riñón también desempeña un papel importante en esta vía.
Desde el punto de vista energético, producir glucosa a partir de precursores no glucídicos cuesta más energía de la que se produjo en su degradación. La ecuación neta de la gluconeogénesis (a partir de piruvato) es:
2 ac. pirúvico + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 7 H₂O → Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pᵢ + 2 NAD⁺
Nota: El proceso de gluconeogénesis se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y el citoplasma de las células hepáticas y renales.
Metabolismo de Lípidos
Rutas Anabólicas de Lípidos
Lipogénesis
La lipogénesis es la reacción bioquímica por la cual son sintetizados los ácidos grasos y esterificados o unidos con el glicerol para formar triglicéridos o grasas de reserva.
La lipogénesis es el proceso por el cual los azúcares simples como la glucosa se convierten en ácidos grasos, que posteriormente se esterifican con glicerol para formar los triglicéridos que son empaquetados en VLDL y secretados por el hígado.
Formación de Cuerpos Cetónicos (Cetogénesis)
Los cuerpos cetónicos son compuestos químicos producidos por cetogénesis en las mitocondrias de las células del hígado. Su función es suministrar energía al corazón y al cerebro en ciertas situaciones excepcionales (como el ayuno prolongado o la hambruna).
En la diabetes mellitus tipo 1, se puede acumular una cantidad excesiva de cuerpos cetónicos en la sangre, produciendo cetoacidosis diabética.
Los compuestos químicos son el ácido acetoacético (acetoacetato) y el ácido betahidroxibutírico (β-hidroxibutirato). Una parte del acetoacetato sufre descarboxilación no enzimática dando acetona (una cantidad insignificante en condiciones normales). Los dos primeros son ácidos y el tercero, una cetona.
Rutas Catabólicas de Lípidos
Lipólisis
La lipólisis es el proceso metabólico mediante el cual los lípidos del organismo son transformados para producir ácidos grasos y glicerol para cubrir las necesidades energéticas. La lipólisis es el conjunto de reacciones bioquímicas inversas a la lipogénesis.
Beta-Oxidación (ß-Oxidación)
La ß-oxidación es un proceso del metabolismo aerobio; se trata de una ruta catabólica espiral en la que, cada vez que se repite una secuencia de cuatro reacciones, la cadena del ácido graso se acorta en dos átomos de carbono, que salen en forma de acetil-CoA.
El nombre del proceso se debe a que la introducción del oxígeno tiene lugar en el carbono ß del ácido graso (tradicionalmente denominado carbono α al adyacente al grupo carboxilo).
Las cuatro reacciones de la ß-oxidación son:
- Oxidación: Del acil graso-CoA a trans-Δ²-enoil-CoA por acción de una acil-CoA deshidrogenasa, una flavoenzima cuyo FAD se reduce a FADH₂.
- Hidratación: Incorporación de una molécula de agua al doble enlace (entre los carbonos 2 y 3) catalizada por la enoil-CoA hidratasa para dar L-3 hidroxiacil-CoA.
- Oxidación: Catalizada por la hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, con NAD⁺ como coenzima, que transforma el grupo hidroxilo en carbonilo y produce 3-cetoacil-CoA y NADH + H⁺.
- Tiólisis: Ruptura entre los carbonos α y ß, catalizada por la tiolasa, que libera una molécula de acetil-CoA al tiempo que la entrada de coenzima A permite que se forme un acil graso-CoA con dos carbonos menos que el de partida.