Metabolismo Celular: Procesos, Moléculas y Balance Energético

Consideraciones sobre Metabolismo

El metabolismo comprende el conjunto de transformaciones químicas y procesos energéticos que ocurren en el ser vivo. Una ruta o vía metabólica es un proceso formado por una cadena de reacciones enzimáticas sucesivas. El catabolismo es el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas, y, además, produce energía. El anabolismo es el metabolismo de síntesis de moléculas, requiere energía y es posible gracias al catabolismo. El término anfibolismo se aplica a procesos metabólicos en los que, gracias a unos sistemas enzimáticos y a unas biomoléculas preexistentes que se renuevan continuamente, se oxidan metabolitos y se almacena gran cantidad de energía, que después se utilizará en el anabolismo. En los procesos anabólicos, que son fuertemente endergónicos, la energía necesaria no puede proceder en último término del propio ser vivo, sino que la fuente primaria de energía procede del medio. En los procesos catabólicos y anfibólicos se desprende energía libre gracias a la consecución de sucesivos estados de mayor oxidación.

Moléculas que Intervienen en el Metabolismo

• Metabolitos: Son las moléculas que ingresan en las diferentes rutas del metabolismo. La glucosa y los ácidos grasos son ejemplos de metabolitos.
• Nucleótidos: Son las moléculas que posibilitan la oxidación o la reducción de los metabolitos según en qué ruta se encuentren.
• Moléculas con enlaces ricos en energía: Generalmente, los enlaces energéticos están vinculados al grupo fosfato. Al formarse, se almacena energía química; al romperse, se libera esa misma cantidad de energía. De este modo, acoplándose a determinadas reacciones del metabolismo, moléculas como el GTP y el ATP sirven de almacén.
• Moléculas extremas ambientales: Se encuentran al comienzo o al final de algún proceso metabólico. Proceden del ambiente celular o son cedidas a él.

Rendimiento y Balance Energético del Metabolismo

La cantidad de energía desprendida en un proceso exergónico depende del desnivel energético entre el estado inicial y el estado final del sistema. La energía química es la única que puede aprovechar el ser vivo, y este aprovechamiento puede realizarlo directamente mediante el acoplamiento energético o almacenando la energía en forma de enlaces ricos en energía. Un parámetro que permite medir la cantidad de energía intercambiada en un proceso metabólico es el balance energético, que se define como el número de moléculas con enlaces ricos en energía que se han producido por cada metabolito oxidado. Si la ruta es estrictamente anabólica, el balance será negativo; si es catabólica, positivo.

Balance Energético Positivo

Indica el número de moléculas de ATP que se han formado por cada molécula de metabolito oxidada. Este tipo de balance es el que se da en una ruta catabólica.

Balance de Energía Negativo

En una ruta anabólica, la célula necesita hidrolizar moléculas de ATP para utilizar su energía en la síntesis de biomoléculas complejas. Como no toda la energía que se desprende en un proceso metabólico se aprovecha por la célula, ya que buena parte de ella se transfiere al entorno en forma de calor, es necesario definir el rendimiento energético. Este parámetro indica el porcentaje de energía almacenada respecto a la cantidad total desprendida en un proceso catabólico.

Panorámica del Catabolismo Aeróbico

El catabolismo comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas cuya finalidad es la obtención de la energía necesaria para que la célula realice sus funciones. Según sea la naturaleza del aceptor de electrones, los seres vivos se pueden clasificar como aeróbicos o aerobios, si el aceptor es el oxígeno molecular; o anaeróbicos o anaerobios si es otra molécula.

Reacciones Redox

Todas las transformaciones moleculares que desprenden energía en los procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Las reacciones de este tipo son aquellas en las que se transfieren electrones de un átomo o molécula a otro. Las oxidaciones van acompañadas de pérdidas de átomos de hidrógeno. Las moléculas que ceden átomos de hidrógeno se oxidan, mientras que las que los aceptan se reducen. La transferencia de los electrones en un proceso catabólico se realiza en un orden preciso que viene determinado por el potencial de reducción de cada par redox. Un par redox está compuesto por las dos especies moleculares que intervienen en cada reacción de oxidación-reducción.

Procesos Catabólicos en Condiciones Aerobias

El catabolismo aerobio está formado por varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP. La energía que no se almacena se disipa en forma de calor. La glucosa y los ácidos grasos que entran en la célula son degradados mediante la glucólisis y la β-oxidación en sus aminoácidos constituyentes. Todos ellos entran en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.

Glucólisis

Ocurre en el citosol sin necesidad de oxígeno, y es una secuencia de reacciones en la que una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico.

Etapas de la Glucólisis

1. Fosforilación de la glucosa en una reacción endergónica que consume una molécula de ATP.
2. Isomerización de la glucosa 6-fosfato, que consiste en una reorganización de la molécula para formar el anillo pentagonal de fructosa.
3. Fosforilación de fructosa 6-fosfato con gasto de una molécula de ATP.
4. Escisión de la fructosa 1,6-bis-fosfato en dos triosas que coexisten en equilibrio. Se puede considerar que se obtienen dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. A partir de esta etapa, el número de moléculas que intervienen se duplica.
5. Oxidación y fosforilación del gliceraldehído 3-fosfato. Se emplea un fosfato inorgánico (Pi) y se reducen dos moléculas de NAD⁺.
6. Desfosforilación del ácido 1,3-bisfosfoglicérico, formándose una molécula de ATP por cada molécula de ácido 1,3-bisfosfoglicérico desfosforilada.
7. Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico, en el que el grupo fosfato cambia su posición del C3 al C2.
8. Formación de un doble enlace como consecuencia de la pérdida de un átomo de hidrógeno y un grupo -OH en el ácido 2-fosfoglicérico.
9. Desfosforilación del ácido fosfoenol pirúvico, obteniéndose ácido pirúvico y ATP (una molécula por cada molécula de ácido fosfoenolpirúvico).

Balance Energético de la Glucólisis

Las reacciones descritas tienen lugar, prácticamente, en todas las células vivas. Se necesita la energía de dos moléculas de ATP para iniciar el proceso; una vez iniciado, se producen dos moléculas de NADH y cuatro moléculas de ATP. Por tanto, el balance total es de dos moléculas de NADH y dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. La ecuación global de la glucólisis es:

Glucosa + 2ADP + 2P_i + 2NAD⁺ = 2 Ácido pirúvico + 2ATP + 2NADH + 2H⁺ + 2H₂O

Etapas Clave de la Glucólisis

El NADH extramitocondrial producido no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. El modo de oxidarse dependerá de la disponibilidad de oxígeno.

• En condiciones aerobias, las moléculas de NADH extramitocondrial ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónico mediante un intermediario: la dihidroxiacetona fosfato, que se reduce a glicerol fosfato. Este entra en la mitocondria, se reoxida mediante la reducción de un FAD, y sale al citosol de nuevo como dihidroxiacetona fosfato. A este proceso de ida y vuelta se le ha llamado la lanzadera de la dihidroxiacetona. El FAD mitocondrial reducido se reoxidará mediante una cadena respiratoria.
• En condiciones anaerobias, ya sea en bacterias o en células eucarióticas sometidas a condiciones de anoxia, el NADH extramitocondrial se oxida a NAD⁺ mediante la reducción del ácido pirúvico. Estas etapas hacen posible que se produzca energía de forma anaeróbica, denominándose fermentaciones, y ocurren en el citosol.

Ciclo de Krebs

Etapa Inicial: Oxidación del Ácido Pirúvico

El ácido pirúvico formado en la glucólisis pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna. Antes de comenzar el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico sufre una oxidación. El primer carbono y los dos oxígenos correspondientes se separan, liberándose una molécula de CO₂ y formándose un grupo acetilo. Esta reacción es catalizada por la piruvato-deshidrogenasa, que realmente es un complejo multienzimático de gran tamaño. En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de una molécula de NAD⁺. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto denominado coenzima A, una molécula de gran tamaño que también es un nucleótido. De esta forma se origina el acetil-CoA. La aparición de este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs consiste en una cadena cíclica de reacciones, en cada una de las cuales interviene una enzima específica. Al pH de la matriz mitocondrial, los diferentes metabolitos que intervienen en la ruta se encuentran en sus respectivas formas aniónicas.

1. Formación del ácido cítrico, la primera molécula de seis átomos de carbono.
2. Isomerización del ácido cítrico en ácido isocítrico.
3. Oxidación del ácido isocítrico. Pérdida de un átomo de carbono en forma de CO₂ y formación del ácido α-cetoglutárico.
4. Oxidación del ácido α-cetoglutárico con liberación de CO₂, para formar succinil-CoA. El NAD⁺ acepta electrones, reduciéndose a NADH + H⁺.
5. Rotura del enlace entre el ácido succínico y la coenzima A, liberándose la energía suficiente para sintetizar GTP.
6. Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico, y reducción de FAD a FADH₂.
7. Hidratación del ácido fumárico para formar ácido málico.
8. Oxidación del ácido málico para originar ácido oxalacético. El NAD⁺ se reduce formándose NADH + H⁺.