Metabolismo Celular: Fundamentos y Procesos

El metabolismo celular es el conjunto de reacciones químicas que permiten la vida en la célula. Se divide en dos procesos principales:

• Catabolismo: Proceso de degradación de moléculas orgánicas para obtener energía (ATP) y poder reductor (NADH, NADPH).
• Anabolismo: Proceso de síntesis de biomoléculas esenciales para la estructura y función celular, utilizando la energía y el poder reductor generados en el catabolismo.

El metabolismo permite la renovación constante de biomoléculas y bioelementos, esenciales para el crecimiento, la reparación y la supervivencia de la célula.

Rutas Metabólicas

Las reacciones metabólicas ocurren en rutas metabólicas, que pueden ser:

• Lineales: Transformaciones directas de moléculas precursoras en productos finales.
• Cíclicas: Una molécula precursora se regenera en cada ciclo, como en el ciclo de Krebs o la glucólisis.

Catabolismo: Obtención de Energía

Es un proceso oxidativo donde las moléculas complejas se degradan en otras más simples, liberando energía en forma de ATP y poder reductor (NADH y NADPH). Estas pequeñas moléculas pueden actuar como:

1. Metabolitos precursores para reacciones anabólicas.
2. Carburantes metabólicos para la producción de energía.

Reacciones de Óxido-Reducción

Un compuesto se oxida cuando pierde electrones y se reduce cuando los gana.

Si la reacción implica la pérdida simultánea de electrones y protones (H⁺), se llama deshidrogenación, catalizada por enzimas deshidrogenasas.

En el catabolismo, los carburantes metabólicos (glúcidos y ácidos grasos) se oxidan, y los electrones se transfieren a coenzimas como:

• NAD⁺, que se reduce a NADH + H⁺.
• FAD, que se reduce a FADH₂.

Rutas Catabólicas Principales

1. Respiración celular:
   • Proceso catabólico oxidativo, mediado por deshidrogenasas.
   • Convierte la energía química de los enlaces C-C en ATP.
   • En la respiración aerobia, la glucosa se oxida completamente a CO₂ y H₂O en presencia de oxígeno.
2. Fermentación:
   • Oxida la glucosa parcialmente y genera menos ATP que la respiración aerobia.
   • Puede ocurrir en ausencia de oxígeno.
   • Ejemplos: fermentación alcohólica (produce etanol).

Anabolismo: Síntesis de Moléculas

El anabolismo es el proceso de síntesis de moléculas complejas a partir de otras más simples, utilizando energía (ATP), poder reductor (NADH y NADPH) y metabolitos precursores.

Tipos de Organismos Según su Fuente de Energía

• Autótrofos: Usan energía lumínica (fotosíntesis) o química (quimiosíntesis) para transformar compuestos inorgánicos (CO₂, H₂O, NO₃⁻) en biomoléculas.
• Heterótrofos: Dependen de los nutrientes ingeridos, obteniendo energía y metabolitos del catabolismo.

Compartimentación en la Célula Eucariota

La célula eucariota organiza su metabolismo en compartimentos celulares, permitiendo una mayor especialización y eficiencia. Cada orgánulo realiza funciones metabólicas específicas, optimizando el uso de energía y recursos.

Resumen: Reacciones Acopladas y el ATP

El anabolismo y el catabolismo están interconectados. Las reacciones catabólicas generan la energía que las reacciones anabólicas necesitan.

El ATP (Adenosín Trifosfato) actúa como un acumulador de energía. La energía del ATP se usa en:

• Síntesis de biomoléculas.
• Transporte activo de solutos.
• Movimiento celular (contracción muscular, cilios, flagelos, mitosis, endocitosis, etc.).

El ATP funciona como la moneda energética de la célula. NADH y FADH₂ actúan como «cheques de energía», que se convierten en ATP en la fosforilación oxidativa.

Degradación de la Glucosa: Rutas Principales

Degradación del Glucógeno

Se realiza en el citosol mediante la glucógeno-fosforilasa. Libera glucosa-1-fosfato, que se convierte en glucosa-6-fosfato para entrar en la glucólisis.

Vías de Degradación de la Glucosa

La glucosa puede degradarse por dos vías principales:

1. Fermentación (oxidación parcial, ocurre en el citosol):
   • No entra al ciclo de Krebs.
   • Aceptores finales de electrones: moléculas orgánicas (ácido pirúvico, acetaldehído, etc.).
2. Respiración (oxidación total, ocurre en la mitocondria):
   • Aerobia: El piruvato se convierte en CO₂ en el ciclo de Krebs. Los electrones del NADH y FADH₂ pasan a la cadena de transporte electrónico, donde el oxígeno (O₂) es el aceptor final y se convierte en H₂O.
   • Anaerobia (en microorganismos): Utiliza aceptores inorgánicos en lugar de oxígeno (NO₃⁻ → NO₂⁻, SO₄²⁻ → H₂S, CO₂ → CH₄, H⁺ → H₂).

Glucólisis: Ruta de Embden-Meyerhof

La glucólisis es una ruta metabólica lineal de diez reacciones enzimáticas, en la que una molécula de glucosa se degrada en el citosol para formar dos moléculas de piruvato.

• Genera 2 ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato.
• Ocurre en ausencia o presencia de oxígeno.

Fases de la Glucólisis

1. Fase de Preparación (Reacciones 1-5): La glucosa se rompe en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Se consumen 2 ATP.
2. Fase de Oxidación (Reacción 6): El gliceraldehído-3-fosfato se oxida por NAD⁺, formando ácido 1,3-bisfosfoglicérico.
3. Fase de Fosforilación (Reacciones 7-10): Se generan ATP y piruvato en la conversión de ácido 1,3-bisfosfoglicérico a ácido pirúvico.

Fermentaciones de la Glucosa

Las fermentaciones son procesos metabólicos anaerobios en los que la glucosa sufre una oxidación parcial, produciendo poca energía (2 ATP por molécula de glucosa).

• No requieren oxígeno, aunque pueden ocurrir en su presencia.
• El NADH cede electrones a una molécula orgánica para regenerar NAD⁺, permitiendo que continúe la glucólisis.
• Se diferencian por el producto final de la fermentación.

Fermentación Láctica

El piruvato actúa como aceptor final de electrones, reduciéndose a ácido láctico (lactato) y oxidando NADH a NAD⁺.

Ejemplos:

1. Bacterias ácido-lácticas (Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus casei): Fermentan la lactosa en la leche, produciendo ácido láctico (yogur).
2. Células musculares en condiciones anaerobias: Ocurre en ejercicio intenso. El ácido láctico se acumula, causando fatiga muscular.

Fermentación Alcohólica

Levaduras del género Saccharomyces convierten la glucosa en etanol y dióxido de carbono (CO₂) en dos etapas:

1. Descarboxilación del ácido pirúvico: El ácido pirúvico se convierte en acetaldehído y CO₂.
2. Reducción del acetaldehído: El acetaldehído se reduce a etanol al aceptar electrones de NADH, regenerando NAD⁺.

Este proceso es crucial en la producción de bebidas alcohólicas (vino, cerveza, güisqui).

Respiración Aerobia de la Glucosa

Proceso mediante el cual las células obtienen energía de la glucosa utilizando oxígeno. Etapas:

1. Glucólisis: En el citosol, la glucosa se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico.
2. Descarboxilación oxidativa: El ácido pirúvico se transporta a la mitocondria, donde se convierte en acetil-CoA, liberando CO₂ y NADH.
3. Ciclo de Krebs: En la matriz mitocondrial, el acetil-CoA se oxida completamente para formar CO₂.
4. Transporte de electrones y Fosforilación oxidativa: Los electrones del NADH y FADH₂ se transfieren a través de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna, donde el oxígeno actúa como aceptor final, generando ATP.

Etapas del Ciclo de Krebs

1. Formación de citrato: El acetil-CoA se combina con el oxaloacetato para formar citrato (6 carbonos).
2. Isomerización del citrato: El citrato se convierte en isocitrato.
3. Descarboxilación de isocitrato: El isocitrato se oxida y decarboxila, formando α-cetoglutarato (5 carbonos), liberando CO₂ y generando NADH.
4. Descarboxilación de α-cetoglutarato: El α-cetoglutarato se convierte en succinil-CoA (4 carbonos), liberando CO₂ y generando NADH.
5. Formación de succinato: El succinil-CoA se convierte en succinato, generando GTP (o ATP).
6. Oxidación de succinato: El succinato se convierte en fumarato, generando FADH₂.
7. Hidrólisis del fumarato: El fumarato se convierte en malato mediante una adición de agua.
8. Oxidación de malato: El malato se convierte en oxaloacetato, generando NADH, y regenerando el compuesto inicial del ciclo.

Cadena Transportadora de Electrones (Cadena Respiratoria)

Oxida el NADH y FADH₂ generados en el ciclo de Krebs, cediendo sus electrones al oxígeno para formar agua. Se lleva a cabo en la membrana interna de la mitocondria y consta de cuatro complejos proteicos:

1. Complejo I (NADH-deshidrogenasa): Recibe electrones del NADH y los transfiere a la coenzima Q (CoQ).
2. Complejo II (Succinato-deshidrogenasa): Transfiere electrones del FADH₂ a la CoQ.
3. Complejo III (Citocromo b-c₁): Transfiere electrones de la CoQ a los citocromos c.
4. Complejo IV (Citocromo-oxidasa): Recoge electrones de los citocromos c y los transfiere al oxígeno, formando agua (H₂O).

Este proceso es esencial para la fosforilación oxidativa, donde se genera ATP.

Fosforilación Oxidativa

Proceso de síntesis de ATP en la mitocondria, basado en el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria. Según la hipótesis quimiosmótica, la energía liberada se utiliza para bombear protones (H⁺), creando un gradiente electroquímico.

La ATP-sintasa utiliza este gradiente para sintetizar ATP. Cuando los protones fluyen de vuelta a la matriz, la ATP-sintasa rota, promoviendo la síntesis de ATP.

• Por cada NADH oxidado se producen 3 ATP.
• Por cada FADH₂ oxidado se producen 2 ATP.

Catabolismo de los Lípidos

Lipólisis de los Triglicéridos

Los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo se hidrolizan por enzimas que separan los ácidos grasos de la glicerina. La glicerina se incorpora a la glucólisis, mientras que los ácidos grasos se usan para producir energía.

Respiración Aerobia de los Ácidos Grasos

Los ácidos grasos se oxidan en un proceso de respiración aerobia que comienza con su activación (formación de acil-CoA). El acil-CoA entra en la mitocondria y pasa por β-oxidación, un proceso que corta los ácidos grasos en unidades de 2 carbonos (acetil-CoA). El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs. Cada ciclo de β-oxidación genera NADH y FADH₂, que se usan en la cadena respiratoria para producir ATP.

Catabolismo de las Proteínas

Las proteínas pueden ser catabolizadas en situaciones de ayuno o ejercicio prolongado. La degradación de las proteínas inicia con la acción de proteasas que hidrolizan los enlaces peptídicos, liberando aminoácidos.

Degradación de los Aminoácidos

• Descarboxilación: Algunos aminoácidos pierden su grupo carboxilo (CO₂), formando aminas biógenas.
• Transaminación: El grupo amino se transfiere a un cetoácido, generalmente ácido α-cetoglutárico, formando ácido glutámico.
• Desaminación oxidativa: El grupo amino se elimina del ácido glutámico en forma de ion amonio (NH₄⁺).

Oxidación de las Cadenas Carbonadas

Los aminoácidos liberan cadenas carbonadas (cetoácidos) que se degradan en rutas específicas:

• Aminoácidos glucogénicos: Se convierten en ácido pirúvico o intermediarios del ciclo de Krebs (síntesis de glucosa).
• Aminoácidos cetogénicos: Se convierten en acetil-CoA (ciclo de Krebs o síntesis de ácidos grasos).

Residuos Nitrogenados

La eliminación del grupo amino da lugar al ion NH₄⁺, una sustancia tóxica. Dependiendo del tipo de animal, estos residuos se eliminan de diferentes formas:

• Animales amoniotélicos: Animales acuáticos que eliminan directamente los iones NH₄⁺.
• Animales ureotélicos: Vertebrados terrestres y algunos acuáticos que excretan urea.
• Animales uricotélicos: Reptiles y aves, eliminan ácido úrico.

Principales Procesos Metabólicos Anabólicos

1. Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos (como ácido pirúvico), principalmente en el hígado.
2. Biosíntesis de aminoácidos y proteínas: Los aminoácidos esenciales se obtienen de la dieta y se usan para formar proteínas, ARN, ADN y nucleótidos.
3. Lipogénesis: Síntesis de ácidos grasos en el citosol a partir de acetil-CoA.
4. Fotosíntesis: Los organismos fotosintéticos convierten CO₂ y agua en azúcares usando energía solar.

Gluconeogénesis

Objetivo: Sintetizar glucosa cuando las reservas de glucógeno se agotan.

Etapas:

1. Formación de ácido oxalacético: El ácido pirúvico se convierte en ácido oxalacético (gasto de ATP).
2. Reducción a ácido málico: El ácido oxalacético se reduce a ácido málico en el citosol.
3. Formación de ácido fosfoenolpirúvico (PEP): El ácido málico se convierte en PEP, liberando CO₂.
4. Síntesis de glucosa: Se forman dos moléculas de glucosa a partir de PEP (ruta inversa a la glucólisis).

Fotosíntesis

Fase Lumínica

Ocurre en la membrana de los tilacoides, donde la energía lumínica se convierte en energía química (ATP y NADPH). El agua se descompone (fotólisis), liberando O₂.

Fotosistemas

Complejos de proteínas y pigmentos donde ocurre la captación de energía solar y liberación de electrones.

• Complejo antena: Formado por clorofila y otros pigmentos. Absorben luz y transfieren la energía al centro reactivo.
• Centro reactivo: Con dos moléculas de clorofila que liberan electrones hacia la cadena de transporte.

Tipos de Fotosistemas

• Fotosistema I (PS I): Clorofila P700.
• Fotosistema II (PS II): Clorofila P680. Fotólisis del H₂O, liberando O₂.

Pigmentos Fotosintéticos

• Clorofila: Principal pigmento que absorbe luz roja y azul (clorofila a y clorofila b).
• Carotenoides: Absorben luz verde y azul, protegen las clorofilas.
• Ficobilinas: Absorben luz en la parte media del espectro (algunas algas y bacterias).

Fotofosforilación No Cíclica (Oxigénica)

Los dos fotosistemas (PS I y PS II) trabajan en serie, generando un flujo lineal de electrones desde el H₂O hasta el NADP+, reduciéndolo a NADPH. Se genera ATP.

Hipótesis quimiosmótica: Los protones se acumulan en el espacio tilacoidal, generando un gradiente electroquímico que impulsa la síntesis de ATP mediante la ATP-sintasa.

Fotofosforilación Cíclica (Anoxigénica)

El fotosistema I funciona de forma independiente. Los electrones liberados regresan al PS I. Genera ATP pero no NADPH ni O₂.

Fase Biosintética (Ciclo de Calvin)

En el estroma, el CO₂ es reducido a moléculas orgánicas a través del ciclo de Calvin. Requiere ATP y NADPH formados en la fase lumínica.