Características Generales de las Rutas Metabólicas

Las reacciones de las rutas metabólicas presentan las siguientes características:

• Se producen en un medio **acuoso**.
• Si liberan energía se denominan **exergónicas** y si la consumen son **endergónicas**.
• En las células eucariotas se localizan en **compartimentos celulares específicos**, lo que facilita su regulación.
• Cada reacción de una ruta metabólica está catalizada por una **enzima específica**.

Procesos Metabólicos Fundamentales

En el metabolismo se diferencian dos procesos principales: el **catabolismo** y el **anabolismo**. Ambos ocurren de forma simultánea en la célula y se encuentran interconectados a través de las rutas catabólicas y anabólicas. En ocasiones, el límite entre anabolismo y catabolismo no es preciso; por esta razón, existen las **rutas anfibólicas**, que pertenecen a ambos procesos.

1. Catabolismo

Es la fase de **degradación** del metabolismo: las moléculas complejas se oxidan y forman moléculas sencillas. El catabolismo genera **energía**, que se emplea en el trabajo celular y en las reacciones del anabolismo.

Rutas Catabólicas

• Son rutas **oxidativas**.
• Liberan energía en forma de **ATP**.
• Generan poder reductor en forma de **coenzimas reducidas**.
• Son rutas **convergentes**.
• Son ejemplos la **glucólisis** y la β-oxidación.

2. Anabolismo

Es la fase de **biosíntesis** del metabolismo: las moléculas sencillas se reducen y dan lugar a moléculas complejas. Las biomoléculas sintetizadas en el anabolismo se utilizan para el **crecimiento** y la **renovación celular**. También se almacenan a modo de reserva, para su posterior uso en el catabolismo.

Rutas Anabólicas

• Son rutas **reductoras**.
• Requieren energía en forma de **ATP**.
• Precisan una fuente de **poder reductor**, que aportan los electrones de las coenzimas reducidas.
• Son rutas **divergentes**.
• Un ejemplo es el **ciclo de Calvin**.

3. Rutas Anfibólicas

Son rutas mixtas, catabólicas y anabólicas:

• Poseen reacciones oxidativas.
• Generan precursores para la biosíntesis de moléculas en las rutas anabólicas.
• Son ejemplos el **ciclo de Krebs** y el **ciclo de la urea**.

Procesos Energéticos del Metabolismo

Las reacciones metabólicas son impulsadas por la energía química que proporcionan dos grupos de biomoléculas esenciales en el metabolismo: las coenzimas **NADH**, **NADPH** y **FADH₂**, que suministran la energía de óxido-reducción.

Tipos de Catabolismo según el Aceptor de Electrones

El catabolismo comprende reacciones degradativas de oxidación que requieren compuestos orgánicos de partida y un aceptor final de los electrones que se liberan en las oxidaciones catabólicas. Existen varios tipos:

Respiración Aeróbica

• Se usa el **oxígeno** (O₂) como aceptor final de los electrones, que se reduce y da agua.
• Produce síntesis de ATP mediante los procesos de **fosforilación a nivel de sustrato** y **fosforilación oxidativa**.
• Es el catabolismo más extendido y el de mayor **eficiencia energética**.

Respiración Anaeróbica

• Se usan **compuestos inorgánicos** (diferentes del oxígeno) como aceptores de los electrones.
• Produce síntesis de ATP mediante los procesos de fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa.
• Solo existe en algunos grupos de bacterias y tiene menor eficiencia energética que la aeróbica.

Fermentación

• Se usa un **compuesto orgánico** (como el piruvato) como aceptor final de los electrones.
• Solo produce ATP mediante **fosforilación a nivel de sustrato**.
• Posee mucho menor rendimiento energético que la respiración.
• Existe en algunos grupos de bacterias y en las células musculares esqueléticas de los vertebrados.

El Catabolismo de los Glúcidos

La **glucosa** es el glúcido que más se emplea para obtener energía en las rutas catabólicas. Se obtiene energía a partir de la glucosa a través de la respiración o mediante la fermentación. Ambos procesos comparten la **glucólisis**.

El Catabolismo de la Glucosa por Respiración

Consiste en un flujo de electrones desde la molécula de glucosa hasta CO₂ y H₂O en un proceso acoplado a la síntesis de ATP.

Fórmula General: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 38 (o 36) ATP

La degradación de la glucosa por respiración aeróbica comprende 3 rutas metabólicas consecutivas:

1. Glucólisis

• Es la oxidación citoplasmática de la glucosa para obtener **piruvato**, **ATP** y **NADH**.
• Es una ruta citosólica.

2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

• Es la oxidación completa del **acetil-CoA**, que se obtiene por descarboxilación oxidativa del piruvato.
• Genera CO₂, ATP, NADH y FADH₂.
• En las células eucariotas, se produce en la **matriz de las mitocondrias**.
• En las células procariotas, se desarrolla en el citosol.

3. Cadena Respiratoria

• Es la reoxidación de los NADH y FADH₂.
• Ocurre a través de una cascada de reacciones de óxido-reducción.
• Participan los transportadores de electrones de la membrana mitocondrial interna o de la membrana plasmática.
• La energía que se libera está acoplada a la síntesis de **ATP**.

El Ciclo de Krebs

Características principales:

• Es una ruta metabólica **cíclica** mediante la cual el piruvato que se genera en la glucólisis se oxida completamente en condiciones aeróbicas, produciendo CO₂ y energía química.
• En ella confluyen las rutas del catabolismo de ácidos grasos y de aminoácidos.
• Se considera una **ruta anfibótica**.
• Sucede en la matriz de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas aeróbicas.
• Es un proceso **aeróbico**.

La Cadena Respiratoria y la Fosforilación Oxidativa

Ambos procesos se sitúan en la membrana plasmática de las células procariotas o en la **membrana mitocondrial interna** de las células eucariotas. Su función es doble: regenerar las formas oxidadas de las coenzimas reducidas y sintetizar ATP de forma acoplada al transporte electrónico de la cadena respiratoria.

La Cadena Respiratoria

Está formada por una serie de **transportadores de electrones**. Estos ceden o captan electrones secuencialmente, de tal modo que originan una cascada de óxido-reducción. Esta cascada se inicia en las coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) que proceden de la glucólisis y del ciclo de Krebs, y culmina en el aceptor final: el **oxígeno molecular**, que se reduce y da agua. En la mitocondria de las células animales se localizan 5 complejos principales: Complejo I, II, III, IV y V o **ATP sintasa**.

La Fosforilación Oxidativa

Es la síntesis de **ATP** mediante la fosforilación de ADP. La **hipótesis quimiosmótica** establece que la fosforilación oxidativa ocurre según fases acopladas:

1. Formación del Gradiente de Protones

El transporte electrónico de la cadena respiratoria provoca un bombeo de protones (H⁺) hacia el espacio intermembrana. La acumulación de los H⁺ en el espacio intermembrana genera un **gradiente electroquímico de protones**.

2. Uso del Gradiente de Protones para Sintetizar ATP

Se consigue mediante el regreso de los protones a la matriz. La energía que se libera la usa el **Complejo V (ATP sintasa)** para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.

Balance Energético de la Fosforilación Oxidativa

La reoxidación del NADH genera energía electroquímica suficiente para sintetizar **3 ATP** por cada NADH. La reoxidación de los FADH₂ genera energía electroquímica suficiente para sintetizar **2 ATP** por cada FADH₂.