Metabolismo Celular y Bioenergética: Rutas, Regulación y Patología

Fundamentos de Bioenergética y Termodinámica

Anabolismo: moléculas simples a complejas (gasto de energía).

Catabolismo: moléculas complejas a simples (genera energía).

Anfibolismo: vía mixta; descompone para generar energía y usa productos intermedios para crear nuevas moléculas.

1.ª Ley Termodinámica: La energía total del sistema es constante; la energía no se pierde ni se gana, solo se transforma.

2.ª Ley Termodinámica: La entropía aumenta si el proceso se da de forma espontánea.

ΔG + (Endergónica / Anabolismo): Gasta energía. Se lleva a cabo solo si se obtiene energía libre; baja probabilidad de que ocurra espontáneamente.

ΔG - (Exergónica / Catabolismo): Alta probabilidad de que se lleve a cabo. Ocurre de forma espontánea con pérdida de energía.

Energía libre de Gibbs: Cambio de energía disponible para desempeñar trabajo. ΔG = ΔH - TΔS

Fosforilación a nivel de sustrato: Se genera ATP o GTP al transferir un grupo fosfato (Pi) a ADP o GDP.

Producción de Energía y Fosforilación Oxidativa

Reacciones Clave de Producción de ATP

• Glucólisis: Conversión de 1,3-bifosfoglicerato en 3-fosfoglicerato. (Enzima: fosfoglicerato cinasa)
• Ciclo de Krebs: Rompe el tioéster de alta energía de la succinil-CoA → energía liberada → GDP + Pi → GTP → ADP → ATP. (Enzima: succinil-CoA sintetasa)

Fosforilación oxidativa: Obtención de energía a partir de la oxidación de combustibles hacia ATP. Ocurre en la mitocondria; el O₂ se reduce a H₂O por transferencia de electrones.

Sistemas de Lanzaderas de Electronas

Lanzadera de Glicerol 3-Fosfato: Presente en el músculo esquelético y el cerebro. El NADH+H⁺ reduce la dihidroxiacetona fosfato a glicerol-3-fosfato mediante la enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa. Reduce el FAD a FADH₂ que ingresa a la cadena transportadora de electrones mediante la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial (rendimiento de 1.5 ATP).

Lanzadera de Malato-Aspartato: El oxalacetato se reduce a malato, cruza a la mitocondria, cede electrones y se convierte nuevamente en oxalacetato. Mediante transaminación (Enzima: AST mitocondrial), el glutamato dona un grupo NH₂ al oxalacetato, convirtiéndose en aspartato y el glutamato en alfa-cetoglutarato, los cuales salen al citosol para realizar la transaminación inversa.

Complejos de la Cadena Mitocondrial e Inhibidores

• Complejo I (NADH-oxidorreductasa): Inhibido por rotenona y barbitúricos (fenobarbital).
• Complejo II (Succinato Q reductasa): Inhibido por malonato (inhibidor competitivo del succinato).
• Complejo III (Q-citocromo c oxidorreductasa): Inhibido por antimicina A y dimecaprol.
• Complejo IV (Citocromo c oxidasa): Inhibido por monóxido de carbono y cianuro.
• ATPasa (Complejo V): Inhibida por oligomicina.
• Desacopladores: Termogenina (en tejido adiposo pardo) y 2,4-dinitrofenol.

Transporte de Monosacáridos y Regulación Hormonal

Transporte de glucosa dependiente de Na⁺: SGLT-1 (simporte Na⁺/Glucosa o Galactosa).

Transporte de glucosa independiente de Na⁺: Entrada de fructosa mediante uniporte.

Absorción intestinal de fructosa, galactosa y glucosa mediante cotransporte con sodio; salen al torrente sanguíneo a través de GLUT2. La Bomba Na⁺/K⁺-ATPasa mantiene el gradiente electroquímico impulsado por ATP.

Glucagón: Actúa principalmente en el hígado.

Adrenalina: Actúa en hígado y músculo esquelético.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

1. Condensación

Acetil-CoA (2C) + Oxalacetato (4C) → Citrato (6C) + CoA-SH

2. Isomerización

Citrato (6C) → Isocitrato (6C) | Enzima: Aconitasa.

3. Descarboxilación Oxidativa

Isocitrato (6C) → α-cetoglutarato (5C) + CO₂
NAD⁺ → NADH + H⁺ | Enzima: Isocitrato deshidrogenasa.

4. Descarboxilación Oxidativa

α-cetoglutarato (5C) → Succinil-CoA (4C) + CO₂
NAD⁺ → NADH + H⁺, participa CoA-SH | Enzima: Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa.

5. Fosforilación a Nivel de Sustrato

Succinil-CoA (4C) + GDP + Pi → Succinato (4C) + GTP + CoA-SH
Enzima: Succinil-CoA sintasa (GTP ≈ ATP).

6. Oxidación

Succinato (4C) → Fumarato (4C)
FAD → FADH₂ | Enzima: Succinato deshidrogenasa (Complejo II de la cadena respiratoria, ubicado en la membrana mitocondrial interna).

7. Hidratación

Fumarato (4C) + H₂O → L-malato (4C) | Enzima: Fumarasa.

8. Oxidación y Regeneración del Oxalacetato

L-malato (4C) → Oxalacetato (4C)
NAD⁺ → NADH + H⁺ | Enzima: Malato deshidrogenasa.

Inhibidores y Regulación del Ciclo de Krebs

Inhibidores Enzimáticos

• Malonato: Inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa (Complejo II).
• Fluoroacetato → Fluorocitrato: Inhibe la aconitasa, bloqueando la isomerización de citrato a isocitrato.
• Arsenito: Inhibe el complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa al unirse a grupos sulfhidrilo (lipoamida).

Regulación Alostérica

• Citrato sintasa: Activada por ↑ ADP; inhibida por ↓ ATP, NADH, citrato y succinil-CoA.
• Isocitrato deshidrogenasa: Activada por ↑ ADP y Ca²⁺; inhibida por ↓ ATP y NADH.
• α-cetoglutarato deshidrogenasa: Activada por ↑ Ca²⁺; inhibida por ↓ NADH y succinil-CoA.

Transportadores de Glucosa (GLUT y SGLT)

• SGLT2: Riñón (túbulo contorneado proximal); reabsorción de glucosa.
• SGLT1: Enterocito (intestino); absorción de galactosa y glucosa.
• GLUT1: Km ↓, alta afinidad por glucosa; presente en enterocitos y cerebro.
• GLUT2: Km ↑, baja afinidad; alta capacidad para concentraciones elevadas de glucosa. Presente en enterocitos, páncreas, hígado y riñón (transporta fructosa).
• GLUT3: Km ↓, alta afinidad; presente en neuronas.
• GLUT4: Insulino-dependiente; presente en músculo esquelético y tejido adiposo.
• GLUT5: Específico para fructosa; presente en enterocitos.

Vías Metabólicas de los Carbohidratos

Glucólisis Aerobia y Patologías Asociadas

Localización: Citosol. Enzimas clave: piruvato cinasa (su deficiencia causa anemia hemolítica) y fosfofructocinasa (su deficiencia causa fatiga).

Tumores: Glucólisis acelerada, derivando piruvato a lactato (efecto Warburg), generando un microambiente ácido.

Acidosis láctica: Actividad alterada de la piruvato deshidrogenasa o deficiencia de tiamina (Vitamina B1).

Secuencia Enzimática de la Glucólisis

• Glucosa → Glucosa-6-P (Gasta 1 ATP)
• Glucosa-6-P ⇌ Fructosa-6-P
• Fructosa-6-P → Fructosa-1,6-bisfosfato (Gasta 1 ATP)
• Fructosa-1,6-bisfosfato → G3P + DHAP (Ruptura de molécula de 6C en 2 triosas)
• DHAP ⇌ G3P (resultando en 2 moléculas de G3P)
• G3P → 1,3-bifosfoglicerato (Produce 2 NADH por glucosa, entra Pi)
• 1,3-bifosfoglicerato → 3-fosfoglicerato (Produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato)
• 3-fosfoglicerato ⇌ 2-fosfoglicerato
• 2-fosfoglicerato → Fosfoenolpiruvato (PEP)
• PEP → Piruvato (Produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato)

Glucólisis Anaerobia

Piruvato + NADH + H⁺ ⇌ Lactato + NAD⁺ (Catalizado por la lactato deshidrogenasa, LDH).

Objetivo: Regenerar NAD⁺ para que la glucólisis continúe cuando la disponibilidad de O₂ es insuficiente.

Rendimiento por 1 glucosa: 2 ATP netos, 2 lactatos, 2 H₂O.

Tejidos dependientes o tolerantes: Eritrocitos, músculo esquelético en ejercicio intenso, cerebro, tracto gastrointestinal, médula renal, retina y piel.

Vía de las Pentosas Fosfato

Ruta metabólica alternativa para el metabolismo de la glucosa localizada en el citosol. No genera ATP.

Funciones Principales:

• Formación de NADPH: Esencial para la síntesis de ácidos grasos y esteroides, además de mantener reducido el glutatión.
• Síntesis de Ribosa-5-P: Formación de nucleótidos y ácidos nucleicos.

Deficiencia clínica: La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (primera enzima de la vía) provoca lisis aguda de eritrocitos, desencadenando anemia hemolítica.

Fase Irreversible Oxidativa (Producción de NADPH)

• Glucosa-6-P → 6-Fosfogluconolactona (Glucosa-6-P deshidrogenasa) → Produce NADPH
• 6-Fosfogluconolactona → 6-Fosfogluconato (Gluconolactona hidrolasa)
• 6-Fosfogluconato → Ribulosa-5-P + CO₂ (6-Fosfogluconato deshidrogenasa) → Produce NADPH
• Ribulosa-5-P ⇌ Ribosa-5-P (Ribosa-5-P cetoisomerasa)

Fase Reversible No Oxidativa

• Ribulosa-5-P ⇌ Xilulosa-5-P (Ribulosa-5-P 3-epimerasa)
• Xilulosa-5-P + Ribosa-5-P → G3P + Sedoheptulosa-7-P (Transcetolasa + TPP/B1 + Mg²⁺)
• Sedoheptulosa-7-P + G3P → Fructosa-6-P + Eritrosa-4-P (Transaldolasa)
• Xilulosa-5-P + Eritrosa-4-P → Fructosa-6-P + G3P (Transcetolasa + TPP/B1 + Mg²⁺)
• Balance global: 3 Ribulosa-5-P ⇌ 2 Fructosa-6-P + G3P

Vía de los Ácidos Urónicos

Produce UDP-glucuronato, el cual se incorpora a proteoglucanos y conjuga con hormonas esteroides, bilirrubina y medicamentos para su excreción en orina o bilis en forma de glucurónidos.

• Glucosa-6-P → Glucosa-1-P (Fosfoglucomutasa)
• Glucosa-1-P + UTP → UDP-Glucosa + PPᵢ (UDP-Glc pirofosforilasa)
• UDP-Glucosa → UDP-Glucuronato (UDP-Glc deshidrogenasa) → Produce 2 NADH
• Xilitol → D-Xilulosa (D-Xilulosa reductasa) → Produce NADH

Vía del Sorbitol (Poliol)

Se activa en condiciones de hiperglucemia debido a que la aldosa reductasa tiene una Km elevada, por lo que no opera con concentraciones normales de glucosa.

• Cristalino: La acumulación de sorbitol provoca el desarrollo de cataratas diabéticas.
• Nervios periféricos: La acumulación de sorbitol asociada a hipoxia causa neuropatía diabética.
• Eritrocitos: Disminución en la fluidez y potencial de membrana, contribuyendo a la microangiopatía diabética.

Reacciones:
D-Glucosa → D-Sorbitol (Aldosa reductasa, usa NADPH → NADP⁺)
D-Sorbitol → D-Fructosa (Sorbitol deshidrogenasa, usa NAD⁺ → NADH)

Metabolismo del Glucógeno y Glucogenosis

Glucogenólisis

Degradación de glucógeno activada por glucagón en ayuno temprano (o adrenalina como hormona catabólica e hiperglucemiante).

• Glucógeno Fosforilasa: Enzima reguladora que rompe enlaces α-1,4, liberando un 90% como Glucosa-1-P.
• Glucosa-1-P → Glucosa-6-P (Fosfoglucomutasa).
• Enzima Desramificadora: Posee actividad de Glucano transferasa (transfiere un trisacárido) y α-1,6-Glucosidasa (rompe la ramificación, liberando 10% de glucosa libre).
• Hígado: Contiene glucosa-6-fosfatasa para convertir glucosa-6-P en glucosa libre y mantener la glucemia en ayuno (70–100 mg/dL). El músculo carece de esta enzima.

Glucogénesis

Síntesis del homopolisacárido glucógeno, activada por insulina en el estado postprandial. Ocurre principalmente en el hígado (libera glucosa en ayuno) y en el músculo esquelético.

• Glucosa → Glucosa-6-P (Glucocinasa en hígado / Hexocinasa en músculo).
• Glucosa-6-P → Glucosa-1-P (Fosfoglucomutasa).
• Glucosa-1-P + UTP → UDP-Glucosa + PPᵢ (UDP-Glucosa pirofosforilasa).
• Glucogenina: Actúa como cebador autocatalítico uniendo residuos de glucosa a un residuo de tirosina mediante enlaces α-1,4.
• Glucógeno Sintasa: Enzima reguladora que alarga la cadena lineal formando enlaces α-1,4.
• Enzima Ramificadora: Transfiere fragmentos para crear enlaces α-1,6.

Glucogenosis (Enfermedades por Depósito de Glucógeno)

• Tipo Ia (Enfermedad de Von Gierke): Deficiencia de Glucosa-6-Fosfatasa. Presenta hipoglucemia severa, hepatomegalia, hiperuricemia, acidosis láctica e hiperlipidemia.
• Tipo Ib: Deficiencia del transportador de Glucosa-6-P; se acompaña de neutropenia.
• Tipo II (Enfermedad de Pompe): Deficiencia de α-1,4 o α-1,6 glucosidasa lisosomal. Acumulación de glucógeno en lisosomas de corazón y músculo.
• Tipo IIIa (Cori / Forbes): Deficiencia de la enzima desramificadora (hepática y muscular). Causa dextrinosis límite, hipoglucemia y debilidad muscular.
• Tipo IIIb: Deficiencia de la desramificadora solo hepática. Cursa sin debilidad muscular.
• Tipo IV (Enfermedad de Andersen): Deficiencia de la enzima ramificadora. Estructura de glucógeno con pocas ramificaciones; hepatoesplenomegalia e insuficiencia hepática/cardíaca.
• Tipo V (Síndrome de McArdle): Deficiencia de la glucógeno fosforilasa muscular. Pobre tolerancia al ejercicio con niveles de lactato en sangre muy bajos tras el esfuerzo.
• Tipo VI (Enfermedad de Hers): Deficiencia de la glucógeno fosforilasa hepática. Hepatomegalia e hipoglucemia leve.
• Tipo VII (Enfermedad de Tarui): Deficiencia de la fosfofructocinasa (PFK-1) muscular y eritrocitaria. Pobre tolerancia al ejercicio y anemia hemolítica.

Fisiopatología Detallada de la Glucogenosis Tipo Ia

La deficiencia de glucosa-6-fosfatasa hepática y renal impide convertir Glucosa-6-P en glucosa libre, provocando hipoglucemia temprana en ayuno.

El exceso de glucosa-6-P acumulada se desvía hacia:

• Vía de las pentosas: ↑ Producción de ribosa y bases púricas → Hiperuricemia.
• Glucólisis: Producción masiva de piruvato y lactato → Acidosis láctica.
• Lipogénesis: El exceso de acetil-CoA estimula la síntesis de ácidos grasos y triglicéridos → Hiperlipidemia, aumento de VLDL, IDL, LDL e hígado graso (hepatomegalia junto con renomegalia).

Gluconeogénesis

Ruta metabólica activa en ayuno tardío para mantener la glucemia mediante la síntesis de glucosa nueva. Ocurre en el hígado y riñón, utilizando precursores como aminoácidos, lactato y glicerol. Requiere mitocondria, citoplasma y energía proveniente de la β-oxidación de ácidos grasos (los adipocitos proveen glicerol como materia prima y los ácidos grasos generan NADH, FADH₂ y Acetil-CoA).

Ciclos Metabólicos Auxiliares

• Ciclo de Cori: Músculo (Glucosa → Lactato) → Sangre → Hígado (Lactato → Piruvato → Glucosa).
• Ciclo de Cahill: Músculo (Proteínas → Alanina) → Sangre → Hígado (Alanina → Piruvato → Glucosa mediante la enzima ALT).

Pasos Enzimáticos Clave de la Gluconeogénesis

1. Primer rodeo (Conversión de Piruvato a PEP):
   - Piruvato + CO₂ + ATP → Oxalacetato (Piruvato carboxilasa), activada por altas concentraciones de Acetil-CoA.
   - Transporte de Oxalacetato al citosol: OAA → Aspartato → citoplasma → OAA (AST) o bien OAA → Malato → citoplasma → OAA (MDH).
   - OAA + GTP → Fosfoenolpiruvato (PEP) + CO₂ (Fosfoenolpiruvato carboxinasa, PEPCK).
2. Reversión de la glicólisis: PEP se convierte en 2-PG (Enolasa), luego en 3-PG (Fosfoglicerato mutasa), 1,3-BPG (Fosfoglicerato cinasa) y G3P (G3P deshidrogenasa).
3. Participación del Glicerol: Glicerol → Glicerol-3-P → DHAP (Glicerol cinasa y glicerol-3-P deshidrogenasa).
4. Etapas finales: G3P + DHAP → Fructosa-1,6-bisfosfato (Aldolasa).
   - Fructosa-1,6-BP → Fructosa-6-P (Fructosa-1,6-bisfosfatasa), inhibida por Fructosa-2,6-BP.
   - F6P ⇌ G6P (Fosfohexosa isomerasa).
   - G6P → Glucosa libre hacia la sangre (Glucosa-6-fosfatasa).

Regulación Alostérica y Hormonal

• Efecto de la Insulina (Glucólisis): La insulina desfosforila y activa la PFK-2, elevando los niveles de Fructosa-2,6-BP, lo que estimula a la PFK-1 y promueve la glucólisis.
• Efecto del Glucagón (Gluconeogénesis): El glucagón fosforila y activa a la Fructosa-2,6-bisfosfatasa, reduciendo los niveles de Fructosa-2,6-BP, inhibiendo la PFK-1 y estimulando la gluconeogénesis.