Procesos Metabólicos Celulares: Glucólisis, Respiración Aerobia y Fosforilación
Introducción al Catabolismo Celular
El catabolismo comprende el conjunto de reacciones degradativas, oxidativas, exergónicas y convergentes que ocurren en la célula.
- Fermentación: Fosforilación a nivel de sustrato, oxidación incompleta donde el producto es una molécula orgánica y el aceptor final es un compuesto orgánico. Se produce en el citoplasma y genera ATP unido a ADP.
- Respiración Celular: Fosforilación oxidativa, oxidación completa. Si el aceptor es el oxígeno se denomina respiración aerobia (ocurre en la mitocondria); si es distinto, anaerobia. La energía es liberada a través del transporte de electrones, impulsado por un gradiente quimiosmótico acoplado al ADP y a la ATP sintasa.
La Glucólisis
Es la ruta metabólica que degrada la glucosa sin necesidad de $\text{O}_2$. Se trata de una ruta antigua y universal que ocurre en el citoplasma.
Por cada molécula de glucosa, se obtienen: 2 ATP a nivel de sustrato, 2 NADH, $2 \text{H}_2\text{O}$ y 2 piruvatos.
Fases de la Glucólisis
- Fosforilación: Requiere ATP para la activación energética. A la glucosa se le añade un grupo fosfato (formando glucosa-6-fosfato) y después se isomeriza a fructosa-6-fosfato. Se le añade otro fosfato (fructosa-1,6-difosfato) y se divide en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona-fosfato. Este último se isomeriza al anterior, igualando ambas vías.
- Oxidación: El gliceraldehído se deshidrogena mediante la enzima gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa. Se añade un fosfato y se forma NADH, obteniendo 1,3-difosfoglicerato. A continuación, se forma ATP y 3-fosfoglicerato. Se cambia de sitio el grupo fosfato para dar 2-fosfoglicerato.
- Restitución del ATP Consumido: Se deshidrata la molécula para obtener fosfoenolpiruvato. Finalmente, se forma ATP y se obtiene piruvato.
Respiración Aerobia
En la respiración aerobia, el piruvato se oxida completamente para dar $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$ en organismos procariotas y eucariotas. Los electrones obtenidos de la glucosa se ceden al $\text{NAD}^+$ o $\text{FAD}$, los cuales los transfieren a los transportadores de electrones hasta llegar al $\text{O}_2$.
Formación de Acetil-CoA
Ocurre en la matriz mitocondrial mediante la descarboxilación oxidativa del piruvato. Este debe ser conducido desde el citoplasma hacia la mitocondria, uniéndose a transportadores específicos (consumiendo ATP por cada piruvato). El complejo enzimático piruvato deshidrogenasa actúa para desprender el grupo carboxilo en forma de $\text{CO}_2$ y produce la oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo.
Rendimiento: Se obtienen 2 acetil-CoA, $2 \text{CO}_2$ y 2 NADH.
El Ciclo del Ácido Cítrico (CAT)
Se desarrolla en la matriz mitocondrial y realiza la oxidación completa del acetil-CoA hasta $\text{CO}_2$. Los electrones son cedidos al $\text{NAD}^+$ y $\text{FAD}$, liberando NADH y $\text{FADH}_2$. Se obtiene poder reductor, precursores metabólicos y energía en forma de GTP mediante fosforilación a nivel de sustrato.
Secuencia de Reacciones del CAT
- El acetil-CoA (2C) se une al oxalacetato (4C) para formar citrato.
- Se isomeriza para formar isocitrato.
- Se descarboxila (liberando $\text{CO}_2$), formando NADH y $\alpha$-cetoglutarato.
- Se vuelve a descarboxilar (liberando $\text{CO}_2$), se añade una molécula de $\text{CoA-SH}$, formando NADH y succinil-CoA.
- Se pierde la $\text{CoA}$, formándose GTP y succinato.
- La succinato deshidrogenasa (con FAD como coenzima) forma fumarato y $\text{FADH}_2$.
- Se hidrata la molécula para formar malato.
- Se oxida transformando el grupo alcohol en grupo carbonilo, regenerando el oxalacetato y produciendo NADH.
Balance neto por vuelta: 1 GTP, $2 \text{CO}_2$, 3 NADH y 1 $\text{FADH}_2$. Se necesitan dos vueltas por cada molécula de glucosa inicial (debido a los dos piruvatos).
Fosforilación Oxidativa
Tiene lugar en la membrana interna mitocondrial. La ATP sintasa forma ATP utilizando la energía procedente del transporte de electrones (liberada en las oxidaciones previas) y la formación de un gradiente quimiosmótico en la membrana.
Transporte de Electrones
Los electrones del NADH y del $\text{FADH}_2$ se ceden a moléculas transportadoras, pasando de unas a otras a favor de un gradiente de potenciales de redox. El descenso a niveles energéticos más bajos libera energía, la cual se emplea en crear un gradiente quimiosmótico entre ambos lados de la membrana.
Participan los siguientes complejos: Complejo NADH-deshidrogenasa mitocondrial, Coenzima Q, Complejo Citocromo $B-C_1$ y Complejo Citocromo oxidasa (el cual cede los electrones al $\text{O}_2$ para formar $\text{H}_2\text{O}$).
Formación del Gradiente Quimiosmótico
La energía que los electrones pierden al atravesar los complejos se emplea para bombear protones ($ ext{H}^+$) a través de la membrana mitocondrial interna. Estos protones se acumulan en el espacio intermembranoso, el cual queda cargado positivamente, creando un potencial eléctrico de membrana y estableciendo el gradiente.
Síntesis de ATP
Los protones vuelven a la matriz mitocondrial a través de las ATPasas, aprovechando la energía liberada para impulsar la síntesis de ATP.