El Metabolismo

El **metabolismo** está constituido por **reacciones metabólicas** en un ser vivo para realizar sus funciones vitales. Estas reacciones son numerosísimas, y el producto de una reacción sirve de sustrato a la siguiente. A estas sustancias se les llama **metabolitos**, y al conjunto de ellas, **rutas metabólicas**.

Las rutas metabólicas se ramifican y conectan con otras, lo que da lugar a una **estructura metabólica compleja**. Realizan procesos cíclicos, aunque hay una serie de rutas metabólicas que son comunes en casi todos los organismos.

Tipos de Metabolismo

Existen dos tipos principales de rutas metabólicas:

1. Rutas Catabólicas: Realizan la **degradación por oxidación** de sustancias complejas a otras más simples para obtener **energía (ATP)**. Son procesos **exergónicos** y reducen coenzimas (ejemplo: β-oxidación de ácidos grasos).

2. Rutas Anabólicas: Realizan la **síntesis de sustancias** por reducción a partir de otras más sencillas, consumiendo **energía (ATP)**. Son procesos **endergónicos**. Son utilizadas para el crecimiento, la renovación celular y la reserva, y necesitan protones (ejemplo: ciclo de Calvin en la fase oscura de la fotosíntesis).

Características de las Rutas Metabólicas

1. Las rutas son generalmente de un solo tipo, aunque a veces se mezclan (rutas **anfibólicas**). Estas últimas aseguran la energía para el metabolismo al ser catabólicas (ejemplo: ciclo de Krebs o ciclo de la urea).

2. Son **irreversibles** y están catalizadas por **enzimas** en un medio acuoso.

3. Destacan los **nucleótidos no nucleicos**, que pueden reducirse al captar y liberar electrones y protones, y oxidarse. También los **nucleótidos trifosfato**.

4. El **ATP** y el **GTP** actúan como moléculas recargables, liberando energía por fosforilación.

Mecanismos de Fosforilación de ATP y GTP

Existen dos mecanismos principales de fosforilación:

1. A nivel de sustrato: Transfiriendo un grupo fosfato (P) al ADP, lo que genera ATP (ejemplo: ciclo de Krebs).

2. Por enzimas ATP sintasas: Unión de ADP con un grupo P, utilizando la energía de protones a favor de gradiente desde el espacio intermembranal hasta la matriz mitocondrial, lo que acumula electrones de oxidación en ese espacio.

El Catabolismo

El **catabolismo** comprende las reacciones del metabolismo que realizan la **degradación de moléculas** para obtener energía y sustancias con capacidad reductora. Estas sustancias se incorporan a procesos posteriores que transforman la energía de los metabolitos, actuando como precursores metabólicos. Intervienen las **reacciones de óxido-reducción**, donde se desprenden iones H⁺ y electrones de las moléculas oxidadas, que se donan a las que se reducen.

Glucólisis

La **glucólisis** se produce en el **citosol** y **sin oxígeno (O₂)**. En este proceso, una molécula de glucosa se degrada hasta convertirse en dos moléculas de **ácido pirúvico**, con la producción neta de 2 ATP y 2 NADH. Tiene un carácter anaerobio, un escaso rendimiento energético, una gran antigüedad evolutiva y una tasa metabólica pequeña.

Características de la Glucólisis:

• Es un proceso de gran origen e importancia biológica.
• Tiene lugar en el citosol.
• Una molécula de glucosa se convierte en dos de piruvato.
• Produce 2 ATP y 2 NADH netos.
• Implica reacciones de óxido-reducción para formar NADH y fosforilación para formar ATP.
• Se produce la escisión de una hexosa en dos triosas, lo que duplica el proceso en las etapas posteriores.
• Las moléculas de NADH rinden más energía que las de ATP en procesos posteriores.

Fermentaciones

Las **fermentaciones** son procesos metabólicos primitivos y sencillos que no requieren seguir degradando el piruvato para obtener toda la energía. Se dan en condiciones de escasez de NAD⁺/NADH en el citosol. Para que la glucólisis pueda continuar, debe haber moléculas de NAD⁺ que capten los protones y electrones liberados en la oxidación. Las fermentaciones, aunque no aportan energía adicional por sí mismas, aseguran que el NADH formado se oxide rápidamente a NAD⁺, utilizando metabolitos que se reducen por el NADH, restituyendo así el NAD⁺ oxidado.

Las fermentaciones se dan en **microorganismos anaerobios o facultativos** (bacterias o levaduras), así como en organismos vegetales y animales para obtener energía en ausencia de O₂.

Tipos de Fermentación:

1. Fermentación Láctica: El piruvato se reduce mediante la oxidación de NADH a NAD⁺. Se da en bacterias con fermentación homoláctica (producción de yogur y queso) y fermentación heteroláctica (producción de ácido láctico). También ocurre en las **células musculares** en condiciones de falta de oxígeno, y en los **eritrocitos** al carecer de mitocondrias.

2. Fermentación Alcohólica: El ácido pirúvico se transforma en acetaldehído, y este se reduce a etanol. La levadura Saccharomyces cerevisiae es muy utilizada para elaborar alimentos (pan, bebidas alcohólicas). Algunas bacterias (como Sarcina) también la realizan.

Efecto Pasteur

**Pasteur** comprobó que los organismos aerobios, en presencia de O₂, producían hasta 19 veces más energía que en anaerobiosis para una misma cantidad de sustrato. Esto se debe a que, en presencia de oxígeno, realizan **respiración aerobia** (produciendo hasta 38 ATP por glucosa), en lugar de fermentación (que produce solo 2 ATP por glucosa).

Respiración Aerobia

La respiración aerobia es un proceso altamente eficiente para la obtención de energía.

Descarboxilación Oxidativa del Ácido Pirúvico

Cada molécula de piruvato se transforma en **acetil-CoA**, y se obtiene una molécula de NADH por cada una. Este proceso se produce en la **matriz mitocondrial**, tras el transporte del piruvato desde el citosol.

Ciclo de Krebs (Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos o del Ácido Cítrico)

El **ciclo de Krebs** tiene lugar en la **matriz mitocondrial**. Consiste en la oxidación del acetil-CoA por reducción de coenzimas. Por cada acetil-CoA, se producen 3 NADH, 1 FADH₂ y 1 GTP (que equivale a 1 ATP), una cantidad considerablemente mayor que los 2 ATP netos de la glucólisis. Se liberan 2 moléculas de CO₂ y se regeneran metabolitos. A partir de una molécula de glucosa, se forman dos de piruvato, lo que implica dos vueltas del ciclo de Krebs, multiplicando por dos la producción de NADH, FADH₂ y GTP.

Cadena Transportadora de Electrones y Fosforilación Oxidativa

La **cadena transportadora de electrones** está formada por moléculas transportadoras que recogen electrones de las sustancias oxidadas y los pasan de un transportador a otro hasta el oxígeno. Se encuentran en la **membrana mitocondrial interna**, ordenadas desde el mayor potencial de óxido-reducción al de menor potencial, creando un gradiente decreciente. El oxígeno capta los electrones y se une con protones (H⁺), liberando H₂O.

Los principales complejos de la cadena son:

• Complejo I (NADH deshidrogenasa)
• Complejo II (Succinato deshidrogenasa)
• Complejo III (Citocromo oxidorreductasa)
• Complejo IV (Citocromo oxidasa)

En los complejos I, III y IV se produce una caída de potencial (aproximadamente 300 mV), lo que genera energía para la síntesis de ATP por fosforilación. Así, 2 electrones de NADH (provenientes de glucólisis/Krebs) dan lugar a 3 ATP, mientras que los electrones de FADH₂ solo dan 2 ATP.

Fosforilación Oxidativa

En la **fosforilación oxidativa**, los electrones pasan por la cadena transportadora y liberan energía que se utiliza para fabricar ATP a partir de ADP. La **teoría del acoplamiento quimiosmótico** de Mitchell postula que la energía producida en los saltos de los electrones se emplea para bombear protones desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembranoso, lo que provoca un **gradiente electroquímico**.

En la membrana mitocondrial interna, existen canales para iones asociados a la **ATP sintasa**. Cuando estos canales se abren, la fuerza protonmotriz (a favor del gradiente) hace funcionar la ATP sintasa, fabricando ATP a partir de ADP (carácter quimiosmótico). El **rendimiento energético** es muy alto, con aproximadamente el 40% de la energía liberada utilizándose para formar ATP, debido a la liberación gradual de energía.

Catabolismo de Lípidos

Las **grasas** son una de las principales fuentes de energía para los seres vivos. Su catabolismo comienza con la **hidrólisis** en el citosol, que origina **glicerol** y **ácidos grasos**. Los ácidos grasos, una vez introducidos en la matriz mitocondrial, sufren la **β-oxidación** o **hélice de Lynen**. Este proceso también puede ocurrir en los peroxisomas.

β-Oxidación de Ácidos Grasos (Hélice de Lynen)

La β-oxidación requiere la **carnitina** como transportador para los ácidos grasos hacia la matriz mitocondrial y el consumo de una molécula de ATP por cada ácido graso activado. En el interior de la mitocondria, el ácido graso se une a la coenzima A (CoA) formando **acil-CoA**, que luego se degradará en una serie de etapas cíclicas:

1. Oxidación 1: Afecta a la molécula de acil-CoA y provoca la reducción de FAD a FADH₂.

2. Hidratación: Se añade una molécula de agua a la molécula formada en la reacción anterior.

3. Oxidación 2: Oxida la molécula formada y provoca la reducción de NAD⁺ a NADH.

4. Escisión o Tiolisis: Rompe la molécula formada, dando lugar a una molécula de **acetil-CoA** y una molécula de acil-CoA dos carbonos más corta que la inicial.

La sucesión de estas cuatro reacciones corta la cadena de acil-CoA de dos en dos átomos de carbono hasta su degradación total. Cada NADH y FADH₂ producido genera 3 y 2 ATP, respectivamente, por fosforilación oxidativa. Cada molécula de acetil-CoA generada entra en el ciclo de Krebs, donde origina 1 GTP, 3 NADH y 1 FADH₂, lo que equivale a aproximadamente 12 ATP.

Para calcular el **balance energético**, tomemos como ejemplo el **ácido palmítico** (16 carbonos). Tras 7 vueltas de la hélice de Lynen, se obtienen aproximadamente 130 ATP.

Catabolismo de Proteínas

La degradación de las proteínas se produce en tres fases:

1. Separación de aminoácidos: Las proteínas se hidrolizan en sus aminoácidos constituyentes por acción de enzimas.

2. Eliminación del grupo amino de los aminoácidos:

   • Transaminación: Catalizada por enzimas transaminasas en el citoplasma y en la matriz mitocondrial. Se encuentran abundantemente en el tejido hepático y muscular. Un aminoácido transfiere su grupo amino a un α-cetoácido, dando lugar a un nuevo aminoácido (frecuentemente glutamato) y un nuevo α-cetoácido. El glutamato puede actuar como reserva de grupos amino.

   • Desaminación oxidativa: El glutamato separa su grupo amino, formando **amoniaco (NH₃)**. El amoniaco es muy tóxico y se transforma en **urea** a través del **ciclo de la urea** en el hígado, para ser excretado.

3. Oxidación de la cadena carbonada: La cadena carbonada restante de los aminoácidos puede seguir diferentes rutas:

   • Los **aminoácidos glucogénicos** rinden piruvato o metabolitos del ciclo de Krebs, que pueden ser utilizados para la gluconeogénesis o para producir energía.
   • Los **aminoácidos cetogénicos** rinden acetil-CoA, que puede ser utilizado para producir energía (vía ciclo de Krebs) o para fabricar ácidos grasos y cuerpos cetónicos.