Anabolismo

El anabolismo es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual utiliza energía del ATP. El metabolismo se clasifica en función de la fuente de carbono en:

• Metabolismo autótrofo: La fuente de carbono es el CO₂ atmosférico (carbono inorgánico).
• Metabolismo heterótrofo: La fuente de carbono son biomoléculas orgánicas.

Catabolismo

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo de la célula, donde se libera energía. Las moléculas orgánicas son transformadas en otras más sencillas para dar lugar a los productos finales, muchos de los cuales son productos de excreción. La energía liberada se almacena en los enlaces del ATP y luego se utiliza para diversas funciones celulares.

Las reacciones catabólicas son reacciones rédox (reacciones de transferencia de electrones), en las que la sustancia que se oxida pierde electrones y la que se reduce los acepta. El agente reductor cede electrones y el agente oxidante los acepta. En el catabolismo por respiración, la liberación de energía es gradual y en forma de energía química mediante:

• Reacciones sucesivas.
• Transporte de H⁺.
• Cadena de transporte de electrones.

Tipos de Catabolismo

• Respiración: Interviene la cadena de transporte de electrones, que los transfiere de un compuesto orgánico inicial a un compuesto inorgánico final.
  • Aeróbica: El aceptor final de electrones es el oxígeno molecular (O₂).
  • Anaeróbica: El aceptor final de electrones no es el oxígeno.
• Fermentación: No interviene la cadena de transporte de electrones. El producto final es un compuesto orgánico.

Catabolismo de Glúcidos

Puede ocurrir por respiración o fermentación. En el aparato digestivo, los polisacáridos se degradan hasta disacáridos y luego a monosacáridos. También las reservas de glucógeno del tejido muscular se pueden hidrolizar en glucosa.

Glucólisis (Ruta de Embden-Meyerhof)

Se produce en el citoplasma de la célula. La glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico y la energía liberada se utiliza para sintetizar dos moléculas de ATP mediante una fosforilación a nivel de sustrato. Se lleva a cabo en 9 etapas.

La glucólisis es el primer paso en la degradación de la glucosa para extraer energía para el metabolismo celular. Se compone de una fase que requiere energía, seguida de una fase que la libera.

Catabolismo de Proteínas

Los aminoácidos procedentes de la digestión de los alimentos proteicos se utilizan para sintetizar proteínas, pero si se encuentran en exceso se utilizan como fuente de energía. Ocurren tres procesos principales:

1. Separación de grupos amino: Ocurre en dos etapas:
   • Transaminación: Transferencia del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido.
   • Desaminación oxidativa: Separación del grupo amino de un aminoácido y su liberación al medio como NH₃. Se regenera el α-cetoglutárico.
2. Transformación del resto resultante: El esqueleto carbonado se transforma en ácido pirúvico, acetil-CoA o en algún compuesto del ciclo de Krebs. La cadena hidrocarbonada será completamente degradada.
3. Eliminación de los grupos amino: Forman NH₃ que en el agua constituye NH₄⁺. Como el NH₄⁺ es muy tóxico, debe ser eliminado o transformado en otras sustancias.

Respiración Celular

Durante este proceso, la célula utiliza como combustible moléculas orgánicas que se oxidan hasta CO₂ y H₂O en presencia de O₂. Ocurre en la mitocondria a través de dos procesos fundamentales:

Ciclo de Krebs

También se conoce como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Tiene lugar en la matriz mitocondrial. Los acetil-CoA se incorporan al ciclo transfiriendo su grupo acetilo al ácido oxalacético, que se transforma en ácido cítrico. A partir de él, se suceden una serie de reacciones en las que se degrada completamente el grupo acetilo.

En cada vuelta del ciclo de Krebs se obtienen:

• 2 CO₂
• 3 (NADH + H⁺) y 1 FADH₂
• 1 GTP

Los NADH y FADH₂ se incorporan a la fosforilación oxidativa. Como en la glucólisis por cada glucosa se forman dos moléculas de ácido pirúvico, son necesarias dos vueltas del ciclo de Krebs para la degradación completa de una molécula de glucosa.

Fosforilación Oxidativa

Es la segunda y última etapa de la respiración. Tiene lugar en la membrana mitocondrial interna y es el mecanismo de síntesis de ATP gracias a la oxidación de los coenzimas reducidos NADH y FADH₂. Se distinguen dos procesos:

1. Transporte de electrones

La cadena respiratoria está formada por moléculas ordenadas en la membrana interna mitocondrial. Cada molécula acepta electrones de la anterior y los transfiere a la siguiente. Los electrones proceden de NADH y FADH₂, que se convierten en NAD⁺ y FAD. Está formada por 6 componentes:

• Complejos proteicos I, II, III y IV.
• Ubiquinona: Traslada electrones de los complejos I y II al III.
• Citocromo c: Transporta electrones del complejo III al IV.

La energía perdida por los electrones se utiliza para bombear H⁺ desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

2. Quimiosmosis

Cuando la concentración de H⁺ en el espacio intermembrana es elevada, estos vuelven a la matriz a través de las ATP-sintasas. Estas enzimas tienen un rotor que, al girar por el paso de protones, provoca la unión de ADP y P_i para generar ATP. Se sintetizan 3 ATP por cada NADH que llega al complejo I y 2 ATP cuando el FADH₂ se incorpora al complejo II.

Fermentación

Proceso catabólico en el que no interviene la cadena respiratoria. Sus características principales son:

• Es un proceso anaerobio (no utiliza O₂).
• El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico.
• Solo hay síntesis de ATP a nivel de sustrato (baja producción energética).

Tipos de Fermentación

• Fermentación alcohólica: Transformación de ácido pirúvico en etanol y CO₂. Realizada por hongos (anaerobios facultativos) cuando agotan el oxígeno.
• Fermentación láctica: Formación de ácido láctico a partir de la glucosa. Realizada por bacterias (Lactobacillus, Streptococcus) y por células musculares animales durante un sobreesfuerzo físico sin suficiente oxígeno. El lactato es posteriormente reconvertido en piruvato en el hígado.

Catabolismo de Lípidos

La principal vía de obtención de energía a partir de los lípidos es la oxidación de los ácidos grasos, procedentes de la hidrólisis de los triglicéridos mediante lipasas. La glicerina obtenida se transforma en dihidroxicetona-3-fosfato, incorporándose a la glucólisis. Los ácidos grasos requieren la β-oxidación.

β-oxidación de ácidos grasos

Los ácidos grasos se activan uniéndose a la CoA y utilizan la carnitina para entrar en la mitocondria. El proceso ocurre en la matriz mitocondrial. El rendimiento energético es muy elevado; por ejemplo, el ácido palmítico (16 carbonos) precisa 7 vueltas de β-oxidación, generando un balance neto de 129 ATP tras la incorporación de los acetil-CoA al ciclo de Krebs y de los coenzimas reducidos a la cadena respiratoria.