Conceptos Fundamentales del Metabolismo

METABOLISMO: Conjunto de reacciones químicas y procesos energéticos que tienen lugar en una célula. Las reacciones del metabolismo se llevan a cabo en medio acuoso.

Rutas Metabólicas

RUTA METABÓLICA: Secuencia de reacciones encadenadas catalizada por una enzima específica, donde los productos de una de las reacciones son los reactivos de la siguiente.

• Metabolito: Sustancia que interviene en las reacciones de la ruta.
• Precursor: El reactivo inicial.
• Producto final: El producto obtenido.

Clasificación de las Rutas Metabólicas

Catabolismo

CATABOLISMO: Degradación oxidativa de moléculas complejas a moléculas sencillas. Genera electrones y energía. Ejemplos incluyen: glucólisis, fermentaciones, cadena de transporte electrónico, beta-oxidación de ác. grasos.

El catabolismo comprende aquellas rutas metabólicas que oxidan moléculas orgánicas con la finalidad de obtener energía en forma de ATP. Los electrones obtenidos son llevados hasta un aceptor final:

• Oxígeno (catabolismo aeróbico).
• Sustancias inorgánicas como sulfatos o nitratos (catabolismo anaeróbico).
• Sustancias orgánicas (fermentación anaeróbica).

Anabolismo

ANABOLISMO: Síntesis de moléculas complejas mediante reducción de moléculas sencillas. Emplea la energía y electrones del catabolismo. Ejemplo: fotosíntesis y ciclo de Calvin.

Anfibolismo

ANFIBOLISMO: Rutas que son a la vez catabólicas y anabólicas. Generan precursores para otras rutas metabólicas. Ejemplo: ciclo de Krebs.

Catabolismo de los Glúcidos

Glucólisis

• Sucede en el citoplasma de todas las células y en el estroma de los cloroplastos.

• Cada reacción está catalizada por su correspondiente enzima.

• Es una ruta que puede llevarse a cabo en ausencia de oxígeno en el medio (glucólisis anaerobia), ya que este no interviene directamente en la ruta, aunque sí en el proceso degradativo final de la glucosa.

Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en reacciones enzimáticas que convierten la glucosa (6 átomos de C) en piruvato (3 átomos de C cada uno), capaces de seguir otras vías metabólicas para continuar produciendo energía (E) para el organismo.

Fases de la Glucólisis

Se divide en dos fases principales:

1. Fase de inversión energética: Consiste en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Es una etapa degradativa, no se produce oxidación. Se gastan 2 moléculas de ATP por cada glucosa.
2. Fase de generación de E: En la que se reduce el NAD+ que se transforma en NADH, formándose 4 moléculas de ATP por transferencia del grupo fosfato al ADP. Se obtienen 2 moléculas de piruvato por glucosa.

Balance Energético de la Glucólisis

• Fase de inversión de E: Por cada mol. de glucosa se gastan 2 ATP y se obtienen 2 gliceraldehído 3-fosfato.
• Fase de obtención de E: Por cada molécula de glucosa: 2 NADH+H+, 4 ATP y 2 piruvatos.
• Balance neto por glucosa: Se obtienen 2 ATP netos, 2 NADH y 2 piruvatos.
• Rendimiento energético: 2 ATP netos + 2 NADH (2 x 3 ATP) = 8 ATP (Total teórico).

Destino del Piruvato y NADH

• En condiciones aerobias: El NADH cede sus electrones a la cadena de transporte electrónico, que los llevará hasta el O2, obteniéndose H2O y regenerándose NAD+, que se volverá a utilizar en la glucólisis. El piruvato entrará en la mitocondria y se transformará en Acetil CoA, que participará en la respiración celular.
• En condiciones anaerobias (anoxia): El NADH se oxida a NAD+ reduciéndose el piruvato, dándose lugar a la fermentación (siendo el aceptor un compuesto orgánico).

Funciones de la Glucólisis

• Generación de ATP y NADH como fuente de E celular en procesos de respiración aeróbica y fermentación.
• Generación de piruvato que irá al ciclo de Krebs.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

• Se produce en la matriz mitocondrial o en el citoplasma de las células procariotas.

• Es un proceso aeróbico, ya que en ausencia de oxígeno no tiene lugar.

• Es una ruta anfibólica central, ya que también confluyen las rutas catabólicas de los aminoácidos y de los ácidos grasos.

Desarrollo del Ciclo

La primera molécula que se utiliza para iniciar el ciclo de Krebs es el piruvato obtenido de la glucólisis. Este se transforma en AcetilCoA por un complejo de 3 enzimas llamado piruvato-deshidrogenasa, produciendo 1 NADH. El piruvato (3 C) pierde 1 carbono en forma de CO2 para transformarse en AcetilCoA (2 C).

El ciclo de Krebs comienza cuando la molécula oxalacetato (4 C) se combina con el AcetilCoA (2 C) produciendo una molécula de 6 carbonos (citrato).

A medida que el ciclo avanza:

• Al pasar de 6 a 5 carbonos, el carbono perdido se libera como CO2, produciéndose además un NADH.
• En el siguiente paso también se pierde un carbono en forma de CO2, produciéndose también un NADH.
• En el siguiente paso se obtiene 1 GTP (equivalente a ATP).
• En el siguiente paso se formará un FADH2.
• Se incluirá agua y después se formará otra vez el oxalacetato, produciendo un NADH,H+.

El oxalacetato queda disponible para combinarse con otro AcetilCoA y reiniciar el ciclo.

Balance Energético del Ciclo de Krebs (Por cada piruvato)

• Del paso de piruvato a AcetilCoA: 1 NADH+H+ y 1 CO2.
• Dentro del ciclo: 2 CO2, 1 GTP, 1 FADH2 y 3 NADH.

Balance Total por Glucosa (Multiplicado por dos)

Recuerda que por cada glucosa se procesan dos piruvatos:

• ATP/GTP: 2 ATP (2 GTP).
• FADH2: 2 FADH2 (equivalente a 2 x 2 ATP = 4 ATP, usando el factor de conversión antiguo).
• NADH: 2 NADH (del paso piruvato a AcetilCoA) + 6 NADH (del ciclo) = 8 NADH. Si consideramos 3 ATP por NADH, son 8 x 3 = 24 ATP.
• Total Glucólisis: 2 ATP netos + 2 NADH (2 x 3 ATP = 6 ATP).
• Total teórico Aeróbico: 38 ATP por cada mol de glucosa (2 ATP glucólisis + 6 ATP glucólisis NADH + 30 ATP ciclo/oxidativa).

Cadena de Transporte Electrónico (CTE)

• Sucede en la membrana mitocondrial interna de las células eucariotas y en las membranas citoplasmáticas de las células procariotas.

• Recoge los electrones desde las moléculas coenzimáticas reducidas (fundamentalmente NADH y FADH2) y los transporta hasta un aceptor final de electrones (oxígeno en el caso del metabolismo aeróbico).

• Es una ruta acoplada con la fosforilación oxidativa.

Fosforilación Oxidativa

• Proceso acoplado a la cadena de transporte electrónico.

• Empleando la energía liberada en cada oxidación/reducción, se sintetiza ATP.

• Sucede también en la membrana mitocondrial interna, en las crestas mitocondriales.

• Interviene la ATP sintasa, que es un complejo multienzimático (partículas F).

Hipótesis Quimiosmótica de Mitchell

1. La energía de los electrones transportados se emplea en bombear protones (H+) al espacio intermembrana.
2. Se genera un gradiente electroquímico que acumula energía potencial electroquímica.
3. Los protones entran de nuevo a la matriz a través del complejo ATP sintasa, que transforma la energía del potencial electroquímico de los protones en energía química de un enlace éster fosfórico, obteniéndose ATP.

Mecanismo de la CTE y Bombeo de Protones

En la CTE, los electrones procedentes del NADH y FADH2 se mueven a través de eslabones entrelazados (complejos proteicos del I al IV) para generar ATP.

• NADH: Se oxida a NAD+ y cede 2 electrones al Complejo I. La energía liberada permite el bombeo de protones. Los electrones pasan a un transportador, luego al Complejo III (baja E, bombea protones), y finalmente al Complejo IV.
• El Complejo IV utiliza la energía de los electrones para unirse a media molécula de O2 y 2 protones (2H+), produciendo agua (H2O). El O2 es el aceptor final.
• FADH2: Se oxida a FAD+ y cede 2 electrones al Complejo II. Estos electrones pasan por los complejos subsiguientes y bombean protones, pero como no participa en el Complejo I, el FADH2 bombea menos protones que el NADH.

El transporte de electrones a través de los complejos libera energía que permite bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana, creando el gradiente electroquímico. Estos protones regresan a la matriz gracias al complejo ATP sintasa, que utiliza este flujo para generar ATP.

Nota sobre Fosforilación Oxidativa: Es la adición de un grupo fosfato inorgánico a una molécula (ADP) para producir ATP, y está directamente relacionada con la cesión de electrones en la cadena.