El metabolismo: catabolismo y anabolismo

Ingestión, digestión y egestión celulares
Muchas células introducen nutrientes en su interior, los reducen (si procede) a monómeros y, a veces, eliminan los residuos. Por analogía con los procesos digestivos de un organismo, se puede hablar de ingestión, digestión y egestión celulares.
·Ingestión. Los iones y moléculas pequeñas pueden atravesar la membrana plasmática por difusión o por transporte activo, pero las partículas de elevada masa molecular deben penetrar en el interior celular por endocitosis. Algunos protozoos ingieren grandes objetos, como bacterias, merced a una variante de la endocitosis: la fagocitosis. Pero en los vertebrados, solo ciertas células como los neutrófilos y los macrófagos llevan a cabo este proceso para eliminar células moribundas o microorganismos infecciosos, nunca con fines nutritivos.
·Digestión. En términos químicos, digerir es hidrolizar, es decir, romper enlaces específicos por reacción con agua. En las células eucariotas este proceso ocurre en los lisosomas, gracias a proteínas especiales conocidas como hidrolasas.
·Egestión. Dependiendo del tipo de célula, el material que no ha podido ser digerido por las hidrolasas puede ser expulsado por exocitosis o retenido indefinidamente, en cuyo caso la célula se hallará en estado de «estreñimiento crónico».
Formas de obtención de energía
Los organismos fotótrofos capturan una pequeña fracción de la energía solar que alcanza la Tierra y la «concentran» en forma de moléculas complejas; el resto se refleja o se reemite en forma de radiación infrarroja, y se disipa en el espacio. La cantidad dispersada es superior a la concentrada, por lo que no se quebranta la segunda ley de la termodinámica. Son ejemplos las células del parénquima clorofílico de las plantas y las células de las algas.

Por su parte, los organismos quimiótrofos extraen energía almacenada en los enlaces químicos de las moléculas nutritivas. También en este caso disipan una fracción importante de la energía recibida, y desvían una pequeña parte para realizar todo tipo de trabajos celulares, incluyendo la síntesis de macromoléculas complejas. Las células conocidas como quimiótrofas, entre las que se incluyen todas las células de los animales y la mayoría de los protozoos, obtienen la energía libre a partir de energía química, esto es, asociada a moléculas que, siguiendo con la analogía anterior, son como muelles parcialmente comprimidos. Las células quimiótrofas ingieren estas moléculas y las degradan paulatinamente a moléculas menores, liberando así la energía de esos «muelles comprimidos».

Formas de obtención de electrones
El flujo de electrones en las reacciones redox es responsable, directa o indirectamente, de todo el trabajo realizado por las células. De hecho, en las rutas catabólicas los dadores de electrones actúan menudo como fuentes de energía. En la naturaleza existen muchos dadores de electrones, y según su naturaleza los organismos pueden ser:
·Litótrofos. Son aquellos organismos que extraen electrones de moléculas inorgánicas. Por ejemplo, las plantas oxidan el agua, generando O₂ como subproducto.
·Organótrofos. Son los organismos que, como los animales, oxidan materiales orgánicos, de los que obtienen electrones además de energía química.
Hay que tener en cuenta que lo que realmente libera energía no es el dador de electrones por sí mismo, sino la reacción química por la cual se oxida. Si el dador tiene menor afinidad por los electrones que el aceptor, esos electrones fluirán espontáneamente desde el primero al segundo, y se liberará energía en el proceso. Las células poseen diversos mecanismos para aprovechar dicha energía y realizar trabajo biológico.
Metabolismo
Se llama metabolismo a la suma de todas las transformaciones químicas que ocurren en las células.

El metabolismo es una actividad celular muy coordinada, formada por series de reacciones químicas llamadas rutas metabólicas. Una ruta metabólica consta de entre 2 y 20 reacciones consecutivas, organizadas de tal manera que el producto de la primera reacción se transforma en el reactante de la segunda, y así sucesivamente.

En cada etapa de la ruta metabólica se produce un pequeño cambio químico, normalmente la adición, transferencia o eliminación de un átomo o grupo funcional. El resultado global es la transformación de una molécula llamada precursor en el producto final a través de una serie de intermediarios metabólicos o metabolitos.

Algunas rutas metabólicas son lineales, otras son ramificadas (por ejemplo, se forman varios productos a partir de un precursor) y otras son cíclicas (uno de los componentes de la ruta se regenera durante la transformación del precursor en producto).

La ecuación global de una ruta metabólica se obtiene sumando miembro a miembro las ecuaciones químicas que la forman (esto es, escribiendo todos los reactantes a la izquierda y todos los productos a la derecha), y eliminando los metabolitos que aparecen en igual cantidad a ambos lados de la ecuación. Así en la ruta cíclica de la figura de la derecha las ecuaciones serán:
1.A + X₁ -> B
2.B -> C + Y
3.C + X₂ -> D
4.D -> 2A
La ecuación global es X1 + X2 -> Y + A

Se pueden clasificar las rutas metabólicas en dos categorías:
·Catabolismo. Es la fase de degradación del metabolismo: las moléculas complejas, como polisacáridos o proteínas, se convierten en moléculas sencillas (etanol, CO₂, NH₃...). Las rutas catabólicas liberan energía; parte de ella se recupera, principalmente, en forma de ciertos nucleótidos como ATP, NADH o FADH2, y el resto se disipa como calor. Suelen ser rutas convergentes, es decir, a partir de varios precursores diferentes se forman los mismos productos.
·Anabolismo. Es la fase de biosíntesis: a partir de precursores sencillos y nutrientes se obtienen moléculas complejas (proteínas, ácidos nucleicos...). Las rutas anabólicas requieren la energía aportada por moléculas como el ATP o el NADPH o por fuentes de energía externas, como la lumínica. En general, son rutas divergentes: a partir de metabolitos concretos se forman muchos productos finales.
Enzimas
Una característica común a todas las reacciones metabólicas es que tienden a transcurrir con gran lentitud, incluso aunque estén energéticamente favorecidas; esto es, aunque los productos de la reacción (P) posean una energía libre inferior a la de los reactantes o sustratos (S).

Ello se debe a que, para que la reacción culmine en cualquiera de los dos sentidos (S ? P o P ? S), es preciso alcanzar un estado de transición en el que se alineen grupos químicos, se formen cargas eléctricas, se reordenen enlaces y se lleven a cabo otros cambios que demandan una elevada energía de activación.

La velocidad de una reacción puede incrementarse de dos maneras:
·Subiendo la temperatura, es decir, aumentando la energía cinética media de las moléculas (su energía térmica). Este método eleva la fracción de moléculas cuya energía excede a la de activación; pero es poco práctico, ya que las células son esencialmente máquinas isotérmicas, es decir, operan a temperatura constante.
·Buscando caminos de la reacción alternativos con menor energía de activación. Este método depende de moléculas conocidas como catalizadores, que rebajan la «altura» del estado de transición y permiten que puedan acceder a él muchas moléculas que tienen poca energía. Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción sin consumirse en el proceso y sin alterar el balance final de energía libre de la reacción: si una reacción no es espontánea sin catalizador, tampoco lo será con él.
La mayoría de los catalizadores tienen naturaleza proteínica y se conocen como enzimas, aunque también se han descubierto moléculas de ARN catalíticas denominadas ribozimas.

Algunas enzimas poseen un nombre clásico que, generalmente, se forma añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato. Así, la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea. El llamado nombre sistemático, en cambio, identifica tanto el sustrato como el tipo de reacción catalizada. Según dicha reacción, las enzimas se catalogan en seis clases y sus subdivisiones, todas ellas numeradas de una forma específica.
Propiedades de los enzimas
Para entender cómo reducen las enzimas la energía de activación es necesario conocer especialmente 4 de sus características:
·Centro activo. Las reacciones metabólicas tienen lugar en hendiduras de la superficie de las enzimas llamadas centros activos. Toda enzima posee uno o más centros activos; por lo general, abarcan no más de tres o cuatro aminoácidos, que a veces se hallan muy separados en la estructura primaria de la enzima. El punto clave en la acción de una enzima es la unión del sustrato (S) a los aminoácidos del centro activo, con lo que se forma un complejo enzima-sustrato (ES). Tras producirse la reacción química se origina un complejo enzima-producto EP). Finalmente, se libera el producto P, lo que deja a la enzima lista para un nuevo ciclo:
Estas tres etapas son reversibles: puede haber moléculas de S que se transformen en P, moléculas de P que se conviertan en S y moléculas de S o de P que se unan a la enzima y se liberen antes de sufrir cambio alguno. El que predomine una reacción u otra dependerá de la proporción final de S y P que haga mínima la energía libre del sistema; la enzima simplemente acelera la consecución de dicho equilibrio.

·Saturación con el sustrato. La formación de complejos ES se dedujo a raíz de experimentos en los que se preparaban varios tubos de ensayo con la misma cantidad de enzima libre E y se les añadían cantidades progresivamente crecientes de su sustrato S. Sería entonces esperable que la velocidad inicial de la reacción de cada tubo (medida por la cantidad de producto P formado en los primeros instantes) aumentara también progresivamente, ya que el equilibrio de la reacción se desplazaría hacia la derecha a medida que creciese la concentración [S].
Sin embargo, cuando [S] es muy alta, todas las moléculas de enzima forman rápidamente complejos ES, y un aumento adicional de [S] no tiene efecto sobre la velocidad inicial: las moléculas de S extra tendrán que esperar a que se libere el producto P y las enzimas queden disponibles para unirse a ellas. Se ha llegado a una velocidad máxima, y se dice entonces que la enzima se ha saturado con su sustrato.
·Efectividad. Las reacciones catalizadas por enzimas son de 10⁵ a 10¹⁷ veces más rápidas que las correspondientes reacciones no catalizadas.

·Especificidad. Las enzimas son muy específicas, en un doble sentido:
oLa enzima solo actúa sobre un determinado sustrato o sobre un grupo de ellos con algún común denominador. Por el contrario, los catalizadores inorgánicos pueden actuar sobre muchas sustancias diferentes. Añadir especificidad de acción y aclarar sustrato

oÚnicamente tiene lugar una reacción química, sin que se produzcan reacciones laterales o subproductos. Esto es, en las reacciones enzimáticas se da un rendimiento del 100 %. En cambio, un catalizador artificial rara vez alcanza un rendimiento del 90 %.
Cinética enzimática

Para una concentración fija de enzima, la velocidad inicial V₀ de muchas reacciones enzimáticas (la cantidad de producto formado en el primer minuto) varía de forma hiperbólica con la concentración de sustrato [S]
A medida que se incrementa [S], la V₀ también aumenta. Al principio aumenta casi linealmente, pero cuando [S] es alta la enzima se halla saturada con el sustrato, y la V₀ apenas crecerá: se ha alcanzado la velocidad máxima (V_máx) de la reacción.

La relación entre V₀ y [S] se puede expresar mediante la ecuación matemática formulada en 1913 por el bioquímico alemán Leonor Michaelis (1875-1949) y la médica canadiense Maud Leonora Menten (1879-1960):

En esta ecuación, K_M es una constante característica de la enzima y de su sustrato, conocida como constante de Michaelis. Para reacciones sencillas, se puede interpretar K_M como una medida de la afinidad de la enzima hacia su sustrato: valores bajos de K_M indican que el complejo ES está muy unido, y raramente se disocia sin que el sustrato reaccione y forme el producto.

Como se puede comprobar en la ecuación, cuando [S] = K_M, V₀ = 1?2 V_máx.
Mecanismo de acción enzimática
La enumeración de las propiedades de las enzimas plantea varios interrogantes: ¿por qué su efectividad y su especificidad son tan llamativas? Si el centro activo es el responsable de la actividad enzimática, ¿para qué se necesita el resto de la molécula? La respuesta a estas preguntas tiene dos partes, distintas pero complementarias:
·Reordenaciones de enlaces covalentes. En muchas enzimas se forman enlaces covalentes transitorios entre los restos de aminoácidos del centro activo y el sustrato, que elevan el nivel energético de este último y lo acercan al estado de transición. También es frecuente que se transfieran protones o grupos funcionales entre la enzima y el sustrato para estabilizar un intermediario de reacción que, de otro modo, se descompondría a gran velocidad, formando reactantes en lugar de productos.
·Interacciones no covalentes. La efectividad de una enzima se basa en la disminución drástica de la energía de activación (ÄG^‡) de la reacción que cataliza. Pero para reducir ÄG^‡ en una determinada cantidad el sistema deberá adquirir energía en una cantidad equivalente. La mayor parte de dicha energía procede de la llamada energía de fijación (ÄG^B), que se libera al formarse un gran número de interacciones débiles, como enlaces iónicos o de hidrógeno, entre el sustrato y la enzima.
La necesidad de múltiples enlaces no covalentes explica que una enzima sea mucho más que su centro activo: la enzima debe aportar grupos funcionales que establezcan los enlaces, repartidos por su estructura terciaria. También da cuenta de su especificidad: solo los sustratos que tengan una estructura particular podrán interactuar con los grupos funcionales ordenadamente dispuestos de la enzima.

En este diagrama se reflejan los cambios de energía de una reacción en ausencia (azul) y en presencia (rojo) de enzima. La energía de activación necesaria para alcanzar el estado de transición, representado por ‡, es menor en el segundo caso (ÄG^‡_cat) que en el primero (ÄG^‡_nocat).
La diferencia entre ambas es la energía de fijación ÄG^B.
Factores que afectan a la actividad enzimática
Las actividad de las enzimas puede verse alterada por diversos factores físicos, como el pH o la temperatura.

Un cambio de pH puede afectar a la carga eléctrica de cadenas laterales de aminoácidos que deben interactuar con el sustrato, por lo que toda enzima tiene un pH óptimo o un intervalo de pH en el que su actividad es máxima. Un pH o una temperatura extremos pueden desnaturalizar la proteína.

También puede variar la actividad enzimática por la presencia de inhibidores, moléculas que ralentizan o detienen las reacciones y que se clasifican en dos categorías:
·Inhibidores irreversibles. Se unen para su actividad, casi siempre covalentemente, a un grupo de la enzima esencial al que destruyen o inutilizan de forma permanente. Incluyen muchos fármacos y venenos, como los gases neurotóxicos.
·Inhibidores reversibles. Forman uniones no covalentes. Pueden ser:
oInhibidores competitivos. Se asemejan al sustrato y se unen al centro activo de la enzima, pero no reaccionan. Reducen la afinidad de la enzima por su sustrato (aumenta la K_M), aunque no afectan a la velocidad máxima de la reacción: basta con incrementar la concentración de sustrato para que la enzima opere con normalidad.
oInhibidores acompetitivos. Se fijan solo al complejo ES, no a la enzima libre E. El complejo enzima-sustrato-inhibidor (ESI) es catalíticamente inactivo, por lo que la velocidad máxima disminuye, aunque también disminuye la KM.
oInhibidores mixtos. Se unen tanto a E como a ES, pero nunca al centro activo. La unión del inhibidor disminuye tanto la afinidad de la enzima por su sustrato (es decir, aumenta la KM) como la velocidad máxima de la reacción.

Cofactores y coenzimas
La actividad enzimática puede resultar afectada no solo por factores físicos o químicos, sino también por la presencia de sustancias no proteínicas, por lo general de baja masa molecular, denominadas cofactores.

Si los cofactores son imprescindibles para la actividad enzimática, la enzima completa recibe el nombre de holoenzima, y su parte proteínica (catalíticamente inactiva por sí sola) el de apoenzima.

Un cofactor puede ser de naturaleza inorgánica u orgánica; algunas enzimas requieren ambos.
·Cofactores inorgánicos. Se trata de iones metálicos como Fe²⁺, Cu⁺, Mg²⁺ o Zn²⁺, que solo se precisan en cantidades diarias de miligramos o de microgramos. Algunos pueden actuar como grupos puente, uniéndose simultáneamente al sustrato y al centro activo de la enzima. Otros pueden atraer electrones de un sustrato (cambiando, por ejemplo, de ion Fe³⁺ a Fe²⁺) para cederlos a otra molécula. Por último, algunos iones, como el hierro o el cobre, poseen de por sí cierta actividad catalítica, la cual, sin embargo, resulta muy amplificada por la proteína.
·Cofactores orgánicos u organometálicos. Se conocen como coenzimas si son moléculas débilmente unidas a la apoenzima; si la unión es fuerte (covalente) se llaman grupos prostéticos.
Por lo general, estas moléculas actúan como transportadores intermediarios entre enzimas que catalizan reacciones de transferencia de electrones o de grupos funcionales. Cada clase de reacción tiene su particular coenzima, que se consume gracias a un conjunto de enzimas y se regenera por un conjunto distinto.
Muchas coenzimas son vitaminas hidrosolubles modificadas, pero también son coenzimas sustancias no vitamínicas como el ATP o el coenzima Q que además no es hidrosoluble.
Regulación de la actividad enzimática
Toda la compleja red de reacciones metabólicas se produce en una minúscula célula, y cada reacción requiere una enzima distinta. A menudo, un mismo metabolito forma parte de diferentes rutas metabólicas; si todas ellas funcionasen al mismo tiempo competirían entre sí, lo que las haría ineficientes. Además, la velocidad de consumo de nutrientes o de biosíntesis de macromoléculas debe adaptarse en cada momento a las necesidades de la célula. Por último, la diferenciación celular en un organismo pluricelular exige que en cada tipo de célula funcionen enzimas diferentes.

Por todas estas razones, la actividad de las enzimas ha de estar convenientemente regulada. Dicha regulación ocurre a dos niveles diferentes:

• Modificación de la actividad de enzimas clave. La acción reguladora del metabolismo suele localizarse en las enzimas que catalizan reacciones que se hallan al comienzo de una ruta metabólica. Existen dos mecanismos principales:

oTransiciones alostéricas. La estructura tridimensional de la enzima experimenta modificaciones inducidas por la unión de una molécula, el efector o modulador, a un centro distinto de su centro activo. En ocasiones, el modulador estimula la actividad enzimática, y se habla de un modulador positivo o activador; más a menudo, el modulador actúa como un inhibidor mixto, y se conoce como modulador negativo. Frecuentemente, el modulador positivo es el propio sustrato, y el negativo el producto final de la ruta metabólica.
oModulación covalente. Es propia de enzimas que pueden existir en dos formas, inactiva y activa, interconvertibles por la unión covalente de, por ejemplo, grupos fosforilo; dicha unión está catalizada por enzimas llamadas quinasas.

• Modificación de la cantidad de enzima. Un segundo nivel de regulación consiste en destruir en los lisosomas o en estructuras llamadas proteasomas a las enzimas responsables de la fabricación en exceso de un producto, así como en fabricar en los ribosomas las enzimas que la célula precisa en cada momento.

Respiración y fermentación
Tradicionalmente, los procesos catabólicos se han agrupado en dos grandes categorías, conocidas como respiración y fermentación.

Sin embargo, no se trata de una clasificación formal, ya que muchas reacciones metabólicas son comunes a las fermentaciones y a la respiración.

La respiración es un proceso químico que ocurre en todas las células y que consiste en la combustión de compuestos orgánicos hidrocarbonados, preferentemente glucosa, que puede simbolizarse mediante la siguiente ecuación global:

Sobre la ecuación global de la respiración de la glucosa se pueden anotar los estados de oxidación de los átomos de carbono involucrados, calculados como el número de enlaces directos con el oxígeno menos el número de enlaces directos con el hidrógeno:

El estado de oxidación neto de la glucosa, por lo que se refiere a sus átomos de carbono, es 0, mientras que el de las seis moléculas de CO₂ es 6 × (+4) = +24. Esto significa que los átomos de carbono se han oxidado: sus enlaces han cedido un total de 24 electrones, que han ido a parar a otros enlaces con más «avidez» por dichos electrones.

La «avidez» o afinidad por los electrones puede cuantificarse mediante el potencial redox, que no es más que un voltaje, una medida de la energía potencial capaz de desplazar electrones de unos enlaces a otros. Los electrones, al tener carga negativa, tienden a transferirse a moléculas con un potencial redox más positivo.

Una sustancia que puede existir en dos formas, una oxidada (por ejemplo, NAD⁺) y una reducida (NADH), es un par redox (el par NAD⁺/NADH en este caso). La tendencia de la forma oxidada a adquirir electrones y convertirse en la reducida se mide por su potencial de óxido-reducción o potencial redox, que se representa mediante una E y se expresa en milivoltios (mV).

Si la respiración fuese una mera combustión los electrones darían un único y gran salto entre la glucosa y el O₂, siendo este gran salto el responsable de la brusca liberación de energía en forma de calor y luz. Esto no es así, ya que en la respiración la glucosa se degrada en pequeños pasos controlados enzimáticamente y los electrones que ceden «bajan» escalón a escalón, a través de coenzimas como NAD⁺ y citocromos, distanciados entre sí por pequeñas diferencias de potencial redox. De esta manera, liberan energía en una cantidad comparable a la necesaria para la síntesis de ATP.
En consecuencia, la respiración implica la degradación de moléculas orgánicas hasta que sus átomos de carbono alcanzan el estado de máxima oxidación -correspondiente al CO2-, a lo largo de varias etapas que liberan energía en pequeñas cantidades.

El papel del O₂ es servir como aceptor final de los electrones procedentes de los enlaces C - H del nutriente orgánico, e incorporarlos a los enlaces O - H del agua. Es la llamada respiración aerobia.

Algunas bacterias emplean aceptores finales alternativos, como el SO4^2- (que se reduce a S o a H₂S), el ion Fe³⁺ (que pasa a Fe²⁺), el NO^3- (que se reduce a NO^2-, e incluso a NH₃) o el CO₂ (que se reduce a CH₄). El tipo de respiración que llevan a cabo estas bacterias se conoce como respiración anaeróbica.

Si el aceptor final de electrones no fuese una sustancia inorgánica, como el 02 o los aceptores alternativos citados, sino otra sustancia orgánica obtenida a partir de la propia molécula dadora de electrones el proceso catabólico sería lógicamente anaerobio y se denominaría fermentación.

Entre las fermentaciones más importantes destacan la alcohólica y la láctica, que responden a las siguientes ecuaciones globales ajustadas:

Las reacciones del catabolismo se incluyen esencialmente en tres rutas principales: la glucólisis, la ruta de las pentosas fosfato y el ciclo de Krebs. Uno de los descubrimientos más notables de la primera mitad del siglo XX fue que la respiración y las fermentaciones alcohólica y láctica comparten las reacciones de la primera de tales rutas.
Glucólisis
La glucólisis es la ruta metabólica más universal; se detecta en prácticamente la totalidad de las células, tanto procariotas como eucariotas. Debido a sus descubridores, también se la conoce a menudo como ruta de Embden-Meyerhof-Parnas o ruta EMP.

En la glucólisis, una molécula de glucosa se escinde en dos de piruvato -la forma ionizada del compuesto de tres carbonos llamado ácido pirúvico- a través de una cadena de diez reacciones catalizadas por enzimas (de la E1 a E10).
Mediante la glucólisis, la célula obtiene moléculas de alta energía, como NADH y ATP, a partir de la oxidación de glucosa. Dicha oxidación afecta a un grupo aldehído (- CHO) que, en el curso de las reacciones centrales catalizadas por las enzimas E6 y E7 de la secuencia anterior, cede dos electrones en forma de ion hidruro :H- y acepta un anión óxido O2-, transformándose en un grupo carboxilato (- COO-):

El NAD+ puede entonces recoger el ion :H- y formar NADH, en tanto que la energía restante puede usarse para convertir una molécula de ADP en ATP.

Para que tenga lugar la reacción de oxidación, la molécula de glucosa debe escindirse en dos triosas. Esto se debe a que la glucosa posee un único grupo aldehído en su carbono 1; si solo se oxidara dicho carbono, la molécula resultante retendría la casi totalidad de la energía de la glucosa original. La ruptura de la hexosa proporciona dos grupos aldehído oxidables, lo que duplica el rendimiento del proceso.

Los intermediarios de la glucólisis (las moléculas situadas entre glucosa y piruvato) se hallan unidos covalentemente a grupos fosforilo (PO^3-), lo que les confiere carga negativa y así no pueden atravesar la membrana plasmática -que carece de transportadores para azúcares fosforilados- ni abandonar la célula. Además, la unión de los grupos fosforilo a los centros activos de las enzimas suministra energía de fijación que contribuye a rebajar la energía de activación, aumentando asimismo la efectividad de las reacciones.

La escisión y fosforilación de la hexosa produce intermediarios, incluyendo 6 de los 13 precursores metabólicos necesarios para la síntesis de macromoléculas. De hecho, la glucólisis es una ruta anfibólica -esto es, participa en procesos catabólicos y anabólicos-, ya que la mayoría de sus reacciones son reversibles y pueden ser utilizadas en procesos que generan hexosas a partir de moléculas pequeñas.

En la glucólisis podemos distinguir dos fases:
1.Fase preparatoria
A lo largo de esta fase las hexosas se «preparan» para la reacción clave de la ruta, esto es, para la oxidación de los grupos aldehído de dos fosfatos de triosa, mediante los siguientes pasos:
oFosforilación de la glucosa
La glucosa entra en la célula por difusión facilitada (transporte pasivo) y al hacerlo el grupo hidroxilo -OH del carbono 6 recibe un grupo fosfato del ATP convirtiéndose en glucosa 6-fosfato (no podrá salir ya de la célula).
oPreparación de la escisión de la hexosa
Para que la molécula de hexosa se escinda en dos triosas fosforiladas en posición 3 previamente ha de estar fosforilada no solo en el carbono 6, sino también en el 1.
Esto exige:
- que la glucosa 6-fosfato se isomerice a fructosa 6-fosfato
- que se produzca una segunda fosforilación, en la que se gasta
otra molécula de ATP y se forma la fructosa 1,6-bisfosfato
oFormación de dos triosas fosforiladas
Se abre el anillo de la fructosa 1,6-bisfosfato, y seguidamente se rompe por el enlace entre los carbonos 3 y 4. Se originan así el gliceraldehído 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato.
El grupo carbonilo de la cetona no se oxida tan fácilmente como el del aldehído, al carecer de un enlace C - H. Por ello, la dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a una segunda molécula de gliceraldehído 3-fosfato.
2.Fase de beneficios
Paradójicamente, una ruta como la glucólisis, destinada a producir ATP, comienza gastándolo: en la primera fase se invierten dos moléculas de ATP, que elevan el contenido en energía libre de los intermediarios. Dicha inversión inicial debe recuperarse en la segunda fase, junto con los correspondientes «intereses»; de ahí que se conozca como fase de beneficios a este conjunto de cinco reacciones que ocurre por partida doble, ya que una molécula de glucosa se ha escindido en dos de gliceraldehído 3-fosfato.
Es una secuencia de dos acontecimientos:
oEl gliceraldehído 3-fosfato se oxida mediante la transferencia enzimática de un ion hidruro (:H^-) desde su grupo aldehído al NAD⁺. El NAD⁺ se reduce así a NADH; pero el grupo aldehído no se oxida directamente a un grupo carboxilato, sino al grupo acil fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato.
El grupo acil fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato se convierte en el grupo carboxilato del 3-fosfoglicerato al transferir un fosforilo al ADP, formándose ATP.
oEl enlace fosfoester que queda en el tercer carbono del 3-fosfoglicerato posee una energía de hidrólisis relativamente baja. Para poder transferir el grupo fosforilo al ADP y recuperar el ATP consumido en la fase preparatoria es necesario, previamente, desplazar dicho enlace desde el carbono 3 al carbono 2, convirtiendo al 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato.
Tras esta reordenación se oxida el carbono central del 2-fosfoglicerato, que se convierte en fosfoenolpiruvato, compuesto fosforilado de alta energía.
A continuación se transfiere el grupo fosforilo desde este compuesto de alta energía al ADP, con lo que se forman ATP y piruvato
Se puede obtener la ecuación global de la glucólisis sumando miembro a miembro las reacciones de que consta y simplificando los términos comunes a ambos lados de la misma. Teniendo en cuenta que en la fase preparatoria se consumen dos moléculas de ATP, pero en la fase de beneficios, que se da por duplicado, se producen cuatro, el resultado es:
El tipo de glucólisis descrito tiene lugar en el citosol de la mayoría de las células procariotas y eucariotas. La excepción más destacada concierne a las plantas, donde se da, además, en los cloroplastos. Aunque las enzimas que catalizan las reacciones de la ruta pueden diferir de una célula a otra, el resultado final es el mismo en todas ellas.

Muchos glúcidos distintos de la glucosa ingresan en último término en la glucólisis, tras haber sido transformados en alguno de los intermediarios de la ruta:
·Los polisacáridos intracelulares de reserva, como el glucógeno, se movilizan dentro de la propia célula por medio de enzimas que extraen sus restos de glucosa, uno a uno, en forma de glucosa 1-fosfato, la cual se convierte en glucosa 6-fosfato.
·Los glúcidos ingeridos en la dieta, como el almidón, la lactosa o la sacarosa, se hidrolizan por acción de enzimas del aparato digestivo llamadas hidrolasas. Los monosacáridos resultantes, como la fructosa, galactosa... atraviesan el epitelio intestinal y, tras ser transportados a las células, se incorporan a la glucólisis y se fosforilan y se convierten, finalmente, en glucosa 6-fosfato o en fructosa 6-fosfato.
Rutas tras la Glucolisis
Los productos de la glucolisis: piruvato, NADH y algunas sustancias intermediarias como la Glucosa 6-fosfato pueden seguir varios caminos:

1.Ruta de las pentosas fosfato o del fosfogluconato
En ella una parte de la glucosa 6-fosfato generada en la glucólisis es «desviada» de dicha ruta y oxidada exclusivamente en el citosol con las siguientes funciones:
oUtilizar cinco de los seis carbonos de la glucosa para sintetizar una pentosa, la ribosa 5-fosfato, que es un componente esencial de los nucleótidos y ácidos nucleicos.
oProducir NADPH como fuente de electrones necesarios para sintetizar ácidos grasos, colesterol y hormonas esteroideas.
oMetabolizar las pentosas procedentes de la digestión de los ácidos nucleicos y transformarlas en intermediarios de la glucólisis, como el gliceraldehído 3-fosfato.

2.Camino del piruvato y del NADH en anaerobiosis
En los procesos de oxidación de los compuestos orgánicos se liberan electrones que reducen al NAD⁺ a NADH. Dado que las células tienen una escasa cantidad de NAD⁺, el NADH debe ser reciclado para regenerarlo. Si hubiese O₂ éste se reduciría tomado los electrones del NADH que así se oxidaría a NAD⁺, pero en anaerobiosis las células carecen de oxígeno y usan el mismo piruvato como aceptor de electrones (fermentación) que queda reducido a productos como lactato (fermentación láctica), etanol (fermentación alcohólica), propionato o acetona

3.Camino del piruvato y del NADH en aerobiosis
La mayor parte de las células eucariotas y un gran número de bacterias son aeróbicas. Para estos organismos, la glucólisis constituye solamente la primera etapa de la degradación completa de la glucosa mediante respiración, proceso en el cual el piruvato formado en la glucólisis, en lugar de ser reducido a lactato u otro producto de la fermentación, es oxidado hasta formar CO2. En consecuencia, se liberan aún más electrones que son recogidos por aceptores como NAD⁺. El NAD⁺ consumido se regenera al transferir el NADH sus electrones a lo largo de una secuencia de transportadores, llamada cadena respiratoria, hasta llegar al O₂. En el proceso se libera gran cantidad de energía, que se aprovecha como ATP.
La oxidación del piruvato tiene lugar a través del ciclo de Krebs que en las células eucariotas ocurre en la matriz mitocondrial.

Además, el carbono «entra» en este ciclo en forma de un grupo acetilo unido a la coenzima A mediante un enlace tioester; la molécula resultante es la acetil-coenzima A (abreviadamente, acetil-CoA).

Así pues, el piruvato formado en el citosol debe ser transportado al interior de la mitocondria. Puede difundir libremente a través la membrana mitocondrial externa gracias a las porinas, pero para atravesar la membrana interna requiere el concurso de un transportador activo, la piruvato translocasa, que intercambia piruvato por iones OH^-.

Posteriormente, el piruvato se transforma en acetil-CoA gracias a la piruvato deshidrogenasa (complejo formado por tres enzimas y varias coenzimas), proceso conocido como descarboxilación oxidativa, cuya ecuación global es:

La descarboxilación oxidativa comienza con la eliminación del carbono 1 del piruvato en forma de CO2. El carbono 2 se convierte entonces en un grupo aldehído «activado» que, como en la glucólisis, se oxida, cediendo electrones al NAD+. La energía liberada en la oxidación se conserva en el enlace tioester del acetil-CoA.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs ocupa un lugar central en la red metabólica de la célula. No solo es la vía de entrada para la degradación aeróbica de todas las moléculas que puedan convertirse en un grupo acetilo; también es una importante fuente de precursores metabólicos de moléculas tales como aminoácidos, bases nitrogenadas o colesterol.

El nombre del ciclo se debe a su principal descubridor, el bioquímico germano-británico Hans Adolf Krebs (1900 -1981) que lo bautizó como ciclo del ácido cítrico, por ser la primera molécula que se forma en la ruta. Se trata de un ácido que posee tres grupos carboxilo, por lo que la ruta también recibió el nombre de ciclo del ácido tricarboxílico. El ciclo de Krebs consta de una secuencia de ocho reacciones, organizadas de tal modo que un sustrato de la primera de ellas, el oxalacetato, es el producto de la última.

En cada vuelta del mismo ocurren los siguientes procesos:

• Entran dos átomos de carbono relativamente reducidos en forma de acetil-CoA, así como dosmoléculas de H₂O en reacciones de condensación e hidratación. Salen, a cambio, dos átomos de carbono oxidados en forma de CO₂ y dos protones H⁺.

·Se ceden tres pares de electrones al NAD⁺, tras lo que se forman tres NADH. A veces, en lugar de NADH se produce NADPH.
·Un cuarto par de electrones son menos energéticos que los anteriores y no pueden reducir al NAD⁺; pero sí a la ubiquinona o coenzima Q, dando (QH2). Se usa una enzima que utiliza FAD como cofactor y que está anclada a la membrana mitocondrial interna de los eucariotas o a la membrana plasmática de los procariotas; en cambio, las restantes enzimas del ciclo son solubles en la matriz mitocondrial o en el citosol, respectivamente.
·Una de las oxidaciones se acopla a un proceso de fosforilación en el que se genera ATP. En su lugar, en las células animales puede formarse GTP, si bien esta molécula cede a menudo su grupo fosforilo a una molécula de ADP, dando ATP.
El resultado global del ciclo de Krebs es:

Y hasta ahora, la ecuación global de la oxidación de una molécula de glucosa a seis de CO₂ por el ciclo de Krebs será:

Los intermediarios del ciclo se utilizan como precursores en diversas rutas anabólicas. Por ejemplo, el succinil-CoA es un intermediario en la síntesis de hemoglobina y de clorofila. Es decir, el ciclo de Krebs es una ruta anfibólica.

Los intermediarios que se utilizan en los procesos del anabolismo han de reponerse o, de lo contrario, no se cerraría el ciclo. De ello se encargan ciertos procesos conocidos como reacciones anapleróticas (literalmente, «de relleno»), que transforman piruvato o fosfoenolpiruvato en oxalacetato o malato.
Catabolismo de lípidos y proteínas
El acetil-CoA representa un punto en el que convergen otros procesos catabólicos, además de la degradación de los glúcidos.
1.Catabolismo de ácidos grasos
La oxidación de los ácidos grasos ocurre principalmente en los peroxisomas de los vegetales y en las mitocondrias de los animales. El proceso comprende tres etapas:
oActivación. Los ácidos grasos con 12 carbonos o menos entran libremente en la mitocondria, y allí son activados. Pero la activación de los que tienen 14 carbonos o más tiene lugar normalmente en el lado citosólico de la membrana mitocondrial externa. Para superar la relativa estabilidad de los enlaces C - C en un ácido graso, su grupo carboxilo es activado por formación de un enlace tioester con la coenzima A, lo que genera un acil-CoA (no acetil-CoA). En el proceso se produce la hidrólisis de dos enlaces de alta energía del ATP y se forma pirofosfato (PPi), cuya inmediata hidrólisis en dos fosfatos (Pi) libera gran cantidad de energía que impulsa a la reacción en el sentido de la formación del acil-CoA.
oTransporte. Los ácidos grasos activados en el lado citosólico de la membrana mitocondrial externa deben atravesar la membrana mitocondrial interna, para lo que el acil-CoA formado se une transitoriamente a la carnitina, difundiendo mediante el llamado transportador de acil-carnitina a la matriz mitocondrial.
oâ?oxidación. Es un ciclo recurrente de cuatro pasos. Los tres primeros implican la oxidación del carbono â del acil-CoA -el segundo carbono tras el del grupo carboxilo. El cuarto paso, la escisión entre los carbonos á y â, genera una molécula de acetil-CoA y un acil-CoA con dos carbonos menos.
2.Catabolismo de triacilglicéridos o grasas
Los ácidos grasos que sirven de combustible a las células animales pueden proceder de los triacilgliceroles ingeridos, de los almacenados en tejidos de reserva como el adiposo o de los fabricados en el hígado a partir del excedente de glúcidos en la dieta.
Las grasas constituyen la principal reserva energética del organismo, debido a que sus átomos de carbono están casi totalmente reducidos en comparación con los de los azúcares o los aminoácidos, por lo que su oxidación proporciona más ATP. Al ser insolubles en agua no se hidratan, y se pueden «empaquetar» más en los tejidos de reserva.
Para poder entrar en las células, los triacilgliceroles deben ser hidrolizados por enzimas llamadas lipasas, dando glicerol y ácidos grasos:

triacilglicerol + 3 H₂O ? glicerol + 3 ácidos grasos

Los ácidos grasos son transportados al interior de la célula, donde experimentan la â-oxidación.
Por su parte, el glicerol se fosforila gracias a un ATP y el glicerol 3-fosfato resultante se oxida formando NADH y dihidroxiacetona fosfato, que se incorpora a la glucólisis.
3.Catabolismo de las proteínas
En los animales los aminoácidos pueden contribuir también a la producción de energía. Las plantas, en cambio, nunca utilizan aminoácidos como fuente de energía.
En los seres humanos, la oxidación de los aminoácidos se da en tres situaciones diferentes:
oDurante el recambio normal de proteínas celulares
La mayoría de las proteínas de la célula tiene una vida limitada y acaba siendo degradada. Este reciclaje permite renovar estructuras celulares y rejuvenecer la célula, así como deshacerse de proteínas extrañas y de proteínas desnaturalizadas o mal plegadas. Estas últimas y las de vida corta se degradan en el citosol, en complejos proteínicos llamados proteasomas, mientras que las proteínas de vida más larga acaban siendo digeridas por lisosomas.
oDieta rica en proteínas
Las proteínas de la dieta se degradan a aminoácidos en el tracto intestinal mediante enzimas llamadas proteasas. Si los aminoácidos ingeridos sobrepasan las necesidades corporales para la síntesis de proteínas, el excedente se cataboliza, ya que los aminoácidos no se pueden almacenar.
oDurante la inanición o en enfermedades como la diabetes mellitus
En situaciones de este tipo no hay reserva de glúcidos o estos no pueden ser utilizados adecuadamente, y se recurre a las proteínas celulares como combustible.

El primer paso en la degradación de los aminoácidos es la separación de su grupo amino y su esqueleto carbonado.
Generalmente el grupo amino se transfiere al á-cetoglutarato, gracias a enzimas llamadas transaminasas, y se forma glutamato que llega a las mitocondrias del hígado, en donde el grupo amino se libera en forma de ion amonio (NH₄⁺ ) que es tóxico, y en el hígado de muchos animales se convierte en urea (H₂N - CO - NH₂) mediante un proceso conocido como ciclo de la urea. La urea pasa al torrente sanguíneo, llega a los riñones y se excreta en la orina.
El esqueleto carbonado se oxida dando intermediarios del ciclo de Krebs, en concreto acetil-CoA, á-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato. Algunos aminoácidos también se degradan a piruvato.
Cadena respiratoria: Transporte de electrones y Fosforilación oxidativa
El ATP se forma por adición de un grupo fosforilo -es decir, por fosforilación- al ADP. Este proceso siempre se acopla a la transferencia de un par de electrones entre dos sustancias separadas por una diferencia de potencial redox de al menos 300 mV.

En la fosforilación a nivel de sustrato el dador de electrones es un metabolito como el gliceraldehído 3-fosfato, y es un compuesto fosforilado de alta energía, el que transfiere un grupo fosforilo al ADP. La cantidad de ATP que se obtiene por este método es pequeña.

La mayor parte del ATP formado en la respiración celular procede de la reducción del O₂ con los electrones cedidos por el NADH u otras coenzimas (FADH2, Quinonas...) a través de un sistema de transportadores de membrana llamado cadena respiratoria. El proceso se conoce como fosforilación oxidativa y depende del flujo de iones H⁺ o Na⁺ a través de membranas.

La cadena respiratoria se sitúa en la membrana plasmática de las bacterias o en la membrana mitocondrial interna de las células eucariotas. Consta de transportadores de electrones que actúan secuencialmente, la mayoría de los cuales son proteínas integrales de membrana con grupos prostéticos capaces de ceder y aceptar uno o dos electrones.
Se reconocen cuatro clases de estos transportadores: Flavoproteínas (FAD), Ubiquinona o Coenzima Q (el único transportador de electrones que no forma parte de proteínas, y se mueve con libertad por la bicapa fosfolipídica de la membrana interna mitocondrial), Citocromos (a, a₃, b, c o c₁) y Centros ferrosulfurados.

Salvo la ubiquinona, que se difunde por la bicapa lipídica, y el citocromo c, que se encuentra en el espacio intermembranal, los transportadores de electrones de la cadena respiratoria forman complejos supramoleculares en la membrana mitocondrial interna. En la mitocondria de las células animales se localizan cuatro complejos principales:
·Complejo I o NADH deshidrogenasa. Es mayor que un ribosoma, y transfiere electrones desde el NADH a la ubiquinona. Contiene como grupos prostéticos FMN y al menos seis centros FeS.
·Complejo II o succinato deshidrogenasa. Es la enzima que cataliza el paso de suucinato a fumarato en el ciclo de Krebs y cede electrones a la ubiquinona. Posee FAD y tres centros FeS como grupos prostéticos.
·Complejo III o complejo bc1. El segundo nombre de este complejo obedece a que incluye los citocromos b y c1, además de un centro ferrosulfurado especial llamado Centro Rieske. Transfiere electrones desde la ubiquinona al citocromo c.
·Complejo IV o citocromo oxidasa. Contiene los citocromos a y a3 y átomos de cobre capaces de pasar del estado oxidado (Cu²⁺) al reducido (Cu⁺). Transfiere electrones desde el citocromo c hasta el O₂.

En las células vegetales existe una deshidrogenasa orientada hacia el citosol que transfiere electrones directamente desde el NADH formado en la glucólisis a la ubiquinona. Esta enzima no existe en las células animales.

Esta carencia crea un problema en las células animales: el complejo I solo recoge los electrones del NADH si este se halla en la matriz mitocondrial; por tanto, el NADH generado en la glucólisis no podría, en principio, ser reoxidado por la cadena respiratoria, ya que se produce en el citosol y la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH. Sin embargo, existen sistemas de lanzadera que transportan electrones desde el NADH citosólico a la cadena respiratoria mediante una vía indirecta. El más activo de ellos, llamado lanzadera del malato-aspartato, transfiere electrones desde el NADH citosólico a una molécula de NAD⁺ de la matriz, que se reduce a NADH y cede luego sus electrones al complejo I. La lanzadera del glicerol 3-fosfato, propia del músculo esquelético y del cerebro, pasa los electrones directamente a la ubiquinona, «saltándose» el complejo I.

Los electrones fluyen desde un transportador a otro con un potencial redox más positivo, y en este proceso se desprende energía que se puede acoplar a la síntesis de ATP. Dicho acoplamiento tiene lugar mediante el mecanismo sugerido en 1961 por el bioquímico británico Peter Dennis Mitchell quien bautizó su propuesta con el nombre de hipótesis quimiosmótica, proceso que ocurre en dos etapas:
·Formación de un gradiente de protones
Los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria actúan como bombas de protones: aprovechan la energía proporcionada por el flujo de un par de electrones para expulsar de la mitocondria 4, 4 y 2 H⁺, respectivamente. En total, se bombean 10 H⁺ por cada NADH que cede electrones a la cadena respiratoria, y 6 H⁺ si se ceden directamente a
la ubiquinona. El resultado es la formación de un gradiente en la concentración de protones a un lado y otro de la membrana mitocondrial interna.
·Utilización del gradiente de protones para formar ATP
Dado que los H⁺ llevan carga eléctrica, al acumularse a un lado de la membrana originan tanto una diferencia de potencial eléctrico con respecto al otro lado como una diferencia de pH, lo que representa una acumulación de energía. Dicha energía se libera cuando los H⁺ fluyen pasivamente de regreso a la matriz. Este retorno ocurre a través de un complejo de la membrana interna llamado ATPasa o ATP sintasa.

Comparando el número de H⁺ que se bombean por la cadena respiratoria y el número de H⁺ que se necesitan para fabricar ATP, se concluye que por cada NADH que cede sus electrones se generan 3 ATP. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el gradiente de H⁺ no se usa únicamente para fabricar ATP. Muchos transportadores que operan en la membrana mitocondrial interna obtienen directamente su energía del gradiente de H⁺, y no del ATP. Es el caso de los transportadores que han de introducir en la matriz mitocondrial las moléculas de Pi y de ADP necesarias para la síntesis de ATP, al tiempo que dejan salir el ATP recién formado. Tales procesos consumen un H⁺ adicional, por lo que la síntesis de 3 ATP precisará, en realidad, del flujo de 13 H⁺ (10 para completar una vuelta del rotor y 3 para obtener los correspondientes ADP y Pi).

Cada día se descubren más procesos celulares cuya fuente de energía no es la hidrólisis de ATP, sino el flujo de iones H⁺ a favor del gradiente de concentración o, en muchas ocasiones, el flujo de iones Na⁺. Se puede, pues, extender la analogía de Lipmann y concluir que todas las células conocidas disponen de dos monedas energéticas, una soluble -el ATP o, a veces, el GTP- y otra asociada a membranas -el gradiente de protones y/o de iones sodio-. La ATP sintasa vendría a ser una especie de «oficina de cambio», capaz de convertir una moneda en la otra.