Metabolismo Celular: Conceptos Fundamentales

Definición y Vías Metabólicas

El Metabolismo (Tema 9) es el conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula, todas ellas catalizadas por enzimas. Su objetivo principal es la obtención de materiales y energía para realizar las funciones vitales.

Una Ruta o Vía Metabólica es una secuencia ordenada de reacciones donde, desde un sustrato inicial, se llega a un producto final, pasando por una serie de compuestos intermedios (metabolitos). Cada reacción es catalizada por una enzima específica.

Para aumentar la eficacia de las rutas, las enzimas que participan se asocian y forman complejos multienzimáticos, situándose en un mismo compartimento celular.

Tipos de Vías Metabólicas

• Lineales: El sustrato inicial es distinto del producto final.
• Cíclicas: El sustrato inicial es igual que el producto final.

Tipos de Metabolismo: Catabolismo y Anabolismo

Catabolismo

Reacciones que descomponen moléculas complejas en otras más simples, liberando energía. Son procesos convergentes: a partir de compuestos distintos, se obtienen siempre los mismos compuestos finales (ej. CO₂, H₂O).

Anabolismo

Reacciones que sintetizan moléculas complejas a partir de otras más simples, consumiendo energía. Son procesos divergentes: a partir de unos pocos compuestos iniciales, se puede obtener una gran variedad de productos.

Intercambio de Energía en el Metabolismo

Los procesos catabólicos son, en su mayoría, reacciones en las que se libera energía. Los procesos anabólicos son reacciones para las que se requiere energía.

El ATP: Moneda Energética Celular

El ATP (Adenosín Trifosfato) es la moneda energética de la célula. Cuando se sintetiza, almacena energía, y cuando se hidroliza (se rompe), aporta energía.

La síntesis de ATP en las células se puede realizar mediante dos mecanismos distintos:

1. Fosforilación a Nivel de Sustrato: Una molécula fosforilada transfiere energía al ADP para formar ATP. Ejemplo: Glucólisis y Ciclo de Krebs.
2. Fosforilación Oxidativa y Fotofosforilación: Se realiza mediante complejos enzimáticos en la respiración y la fotosíntesis, respectivamente.

El ATP proporciona energía inmediata (aproximadamente 7.3 kcal/mol, aunque el texto original indica 0.014 kcal/g, que se mantiene como referencia inmediata). El aporte energético de los macronutrientes es:

• Glúcidos y Proteínas: 4 kcal/g.
• Grasas: 9 kcal/g.

Coenzimas Transportadoras de Electrones

Otro mecanismo de intercambio de energía se basa en la transferencia de electrones mediante reacciones de oxidación y reducción. Las coenzimas transportadoras de electrones, como el NAD⁺ y el FAD, se reducen y se oxidan alternativamente en la célula.

Clasificación Metabólica de los Seres Vivos

Los seres vivos se clasifican según la fuente de carbono y la fuente de energía que utilizan:

Según la Fuente de Carbono (Materia Usada)

• Autótrofos: Fabrican su materia orgánica a partir de CO₂.
• Heterótrofos: Captan directamente la materia orgánica.

Según la Fuente de Energía Usada

• Fotótrofos: Usan energía de la luz.
• Quimiótrofos: Usan energía que consiguen por reacciones de oxidación de materia.

Clasificación Combinada

• Fotoautótrofos: Luz + Moléculas inorgánicas (Plantas, algas, cianobacterias).
• Fotoheterótrofos: Luz + Moléculas orgánicas (Bacterias verdes y púrpuras no del azufre).
• Quimioautótrofos: Energía de reacciones químicas de oxidación de materia inorgánica + Moléculas inorgánicas (Bacterias del hierro, del azufre).
• Quimioheterótrofos (Heterótrofos): Oxidación de materia orgánica + Moléculas orgánicas (Animales, hongos, algunas bacterias).

Clasificación Adicional (Según el donador de Hidrógeno)

• Litótrofos: El hidrógeno procede de sustancias inorgánicas (como agua y sulfuro de hidrógeno).
• Organótrofos: El hidrógeno procede de moléculas orgánicas.

Catabolismo: Degradación y Obtención de Energía

Etapas del Catabolismo

1. Degradación Inicial del Sustrato hasta Ácido Pirúvico: Conjunto de vías metabólicas distintas según el tipo de sustrato a degradar:
   • Glúcidos: Glucólisis.
   • Lípidos: Beta oxidación de ácidos grasos.
   • Aminoácidos: Desaminación.
   Estas vías son convergentes, pues todas producen ácido pirúvico.
2. Destino Posterior del Ácido Pirúvico: Depende de la disponibilidad de O₂:
   • Con O₂: Respiración celular.
   • Sin O₂: Fermentación.

Glucólisis

Definición: La glucosa se divide en dos moléculas de ácido pirúvico, generando energía (ATP) por fosforilación a nivel de sustrato. Es una ruta que realizan todas las células vivas, produciendo una degradación parcial de la glucosa y generando escasa energía.

• Localización: Citosol.
• Requisito: No necesita oxígeno.

La glucólisis consta de 9 etapas que se dividen en dos fases:

• Fase Preparatoria: 4 reacciones en las que la glucosa se fosforila y se fragmenta.
• Fase de Degradación: 5 reacciones en las que el gliceraldehído se oxida hasta pirúvico.

Destino del Pirúvico y del NADH

Para evitar que la glucólisis se detenga por un exceso de ácido pirúvico, se necesitan otras vías metabólicas posteriores que eliminen los productos obtenidos y recuperen los sustratos imprescindibles:

• Si hay oxígeno: Ocurre la respiración celular.
• Si no hay oxígeno: Ocurre la fermentación.

Respiración Celular Aerobia

Definición: Es el proceso por el cual el ácido pirúvico se oxida de forma completa con oxígeno (O₂) para dar dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O) y ATP. Se produce en la mitocondria.

Pasos Previos a la Respiración

Tras la glucólisis, el ácido pirúvico pasa del citoplasma a la matriz mitocondrial, atravesando la membrana mitocondrial.

Conversión del Piruvato en Acetil Coenzima A (Acetil-CoA): El pirúvico sufre descarboxilación y oxidación, dando como resultado una molécula de CO₂ y un NADH. El grupo acetilo resultante se une a la Coenzima A, formando Acetil-CoA.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Acetil-CoA se une al ácido oxalacético para formar ácido cítrico. En el ciclo siguiente de 8 reacciones, el grupo acetilo de la molécula de Acetil-CoA se oxida totalmente, dando como resultado CO₂, poder reductor (NADH y FADH₂) y GTP. No hace falta oxígeno en el Ciclo de Krebs, que es una ruta anfibólica (participa tanto en catabolismo como en anabolismo).

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

Localización: Membrana mitocondrial interna. Es el destino final de los NADH y FADH₂ procedentes de la glucólisis y el Ciclo de Krebs. Al llegar aquí, estas coenzimas ceden sus protones y electrones, y pueden volver a ser utilizadas en la glucólisis y en el Ciclo de Krebs.

1. Transporte de Electrones

   La cadena transportadora está formada por una serie de proteínas transportadoras de membrana agrupadas en 4 complejos. Los electrones del NADH y FADH₂ fluyen por la cadena mediante reacciones de oxidación-reducción hasta llegar al oxígeno (aceptor final). Esto ocurre porque los electrones tienden a desplazarse desde compuestos con bajo potencial redox hasta compuestos con alto potencial redox.

2. Gradiente de Protones y Fosforilación Oxidativa

   Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, saltan a niveles energéticos inferiores y, paralelamente, se va liberando energía. Esta energía liberada es utilizada por los complejos transportadores para bombear protones (H⁺) desde la matriz hasta el espacio intermembranoso. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, estos se acumulan, lo que genera un gradiente electroquímico de protones entre el espacio intermembrana y la matriz. Este gradiente representa energía potencial acumulada.

   Los complejos ATP sintasas de la membrana contienen el único canal para permitir el flujo de protones. Son capaces de aprovechar la energía originada en el gradiente para realizar la fosforilación del ADP, formando ATP.

   Rendimiento Energético:

   • Por cada dos protones que vuelven a la matriz a través de la ATP sintetasa, se forma un ATP.
   • El NADH cede dos electrones al Complejo I, liberando energía para bombear 6 protones (por lo tanto, genera 3 ATP).
   • El FADH₂ cede sus electrones al Complejo II, que los pasa a la ubiquinona, bombeando 4 protones (por lo tanto, genera 2 ATP).

   Rendimiento total aproximado: Procariotas 38 ATP; Eucariotas 36 ATP.

Fermentación y Catabolismo de Lípidos

Fermentación

Proceso de oxidación incompleta de compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno. Ocurre en el citosol.

Fermentación Láctica

El ácido pirúvico se reduce con NADH para formar ácido láctico. Es realizada por bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus (usadas en la producción de derivados lácteos) y por células musculares cuando no reciben suficiente oxígeno.

Fermentación Alcohólica

Ocurre en dos pasos:

1. El ácido pirúvico se descarboxila y genera acetaldehído.
2. El acetaldehído se reduce y genera etanol.

Es realizada por levaduras del género Saccharomyces. Ejemplo: El CO₂ producido se usa para el pan, y el etanol para las bebidas alcohólicas.

Catabolismo de Lípidos (β-Oxidación)

El catabolismo de las grasas comienza por su hidrólisis, realizada por enzimas lipasas. Esto genera como productos:

• Glicerina: Se convierte fácilmente en gliceraldehído 3-fosfato (que entra en la glucólisis).
• Ácidos Grasos: Se someten al proceso llamado Beta Oxidación (β-oxidación) de Ácidos Grasos o Hélice de Lynen.

La β-oxidación consiste en un proceso de oxidación que origina moléculas de Acetil-CoA, las cuales se incorporan al Ciclo de Krebs. Ocurre en la matriz mitocondrial y en los peroxisomas de la célula vegetal.