Metabolismo celular: catabolismo, anabolismo y rutas de producción de energía (ATP)

El Metabolismo: Definición y Fases Fundamentales

El Metabolismo (MET) es el conjunto de intercambios y transformaciones que tienen lugar en el interior de la célula, debidos a procesos químicos catalizados por enzimas.

Fases del Metabolismo

El metabolismo debe considerarse como una unidad, aunque su complejidad nos obliga a estudiarlo fragmentado en las rutas metabólicas, que son secuencias de reacciones químicas que relacionan entre sí dos compuestos o metabolitos importantes.

1. Catabolismo (Cato)

• En él, las moléculas complejas son degradadas a moléculas más sencillas.
• Esta degradación oxidativa va acompañada de una liberación de energía que se almacena en forma de ATP (Adenosín Trifosfato).

2. Anabolismo (Ana)

• Se fabrican moléculas complejas a partir de moléculas más sencillas.
• Esta síntesis requiere energía, que será aportada en forma de ATP y poder reductor.

Mecanismos Catabólicos de Obtención de Energía

Oxidación y Reducción

Una molécula se oxida al perder electrones; por eso, cuando pierde hidrógenos, se dice que se ha oxidado, ya que $H = H^+ + e^-$.

Tipos de Catabolismo

Existen dos tipos principales de catabolismo para la obtención de energía:

1. Fermentación

• Tanto el dador como el aceptor final de electrones son dos compuestos orgánicos.
• La fosforilación del ADP para formar ATP se efectúa solo a nivel de sustrato.

2. Respiración

• El aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica y el dador suele ser un compuesto inorgánico.
• La fosforilación se lleva a cabo, además, en la cadena respiratoria.

Tipos de Respiración

• Respiración Aerobia: Cuando es el oxígeno molecular ($O_2$) el que acepta los hidrógenos.
• Respiración Anaerobia: Cuando la sustancia que se reduce es diferente del oxígeno.

Rutas Centrales del Catabolismo de Glúcidos

Glucólisis

La glucólisis es la ruta inicial para la degradación de la glucosa. Su fórmula general es:

$$1 \text{ Glucosa} + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ ADP} + 2 \text{ P}_i \rightarrow 2 \text{ Ácido Pirúvico} + 2 \text{ NADH} + 2 \text{ ATP}$$

Destino del NADH y el Ácido Pirúvico

Condiciones Anaeróbicas

El ácido pirúvico se fermenta en el hialoplasma (citosol). Este proceso ocurre en levaduras, bacterias y células del músculo esquelético.

Condiciones Aeróbicas

Este camino es más rentable desde el punto de vista energético. La degradación del ácido pirúvico se realiza en las mitocondrias.

El ácido pirúvico formado en la glucólisis atraviesa la membrana mitocondrial y penetra en la mitocondria, donde se transforma en Acetil-S-CoA mediante un proceso de oxidación y de descarboxilación que requiere varias enzimas y coenzimas, denominadas en conjunto sistema de la piruvato-deshidrogenasa.

El Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs es una ruta anfibólica (participa tanto en el catabolismo como en el anabolismo).

• Está constituido por una serie de reacciones mediante las cuales se completa la degradación total de los productos de la glucólisis.
• Las enzimas están localizadas en la matriz mitocondrial.
• Sus productos iniciales son: Acetil-CoA, NAD$^+$, FAD y GDP.
• Los productos finales son: $CO_2$, $3 \text{ NADH} + 3 \text{ H}^+$, $FADH_2$ y GTP.
• Son reacciones por las que el Acetil-CoA se oxida para formar $CO_2$ y generar poder reductor (NADH y FADH$_2$).