Bioenergética y Metabolismo Celular: Termodinámica, Glucólisis, Ciclo de Krebs y Metabolismo del Glucógeno

Conceptos básicos de bioenergética

Energía: capacidad para producir trabajo.

Sistema: parte del universo aislada para su estudio.

Proceso: acciones que generan cambios en el estado.

Estado: condición de un sistema determinada por el valor de sus propiedades.

Termodinámica: estudio de los cambios de energía.

Bioenergética: estudio de las transformaciones de energía que se generan en los seres vivos.

Leyes de la termodinámica

Primera ley

En cualquier transformación física o química, la cantidad total de energía del universo permanece constante. Durante cualquier proceso termodinámico, la energía no se crea ni se destruye.

Entropía

Magnitud física que determina la cantidad de energía no disponible para realizar trabajo. Describe los cambios de energía en las reacciones químicas.

Segunda ley

En cualquier cambio físico o químico, una cierta cantidad de energía útil se transforma de modo irreversible. Los sistemas tienden a proceder de estados ordenados a estados más desordenados.

Tipos de reacciones

Reacciones exergónicas

El incremento de energía libre es negativo. Corresponden a procesos catabólicos, como la respiración celular.

Reacciones endergónicas

El incremento de energía libre es positivo. Corresponden a procesos anabólicos, en los que se debe añadir energía.

ATP: moneda energética de la célula

El ATP es la fuente de energía inmediata para los trabajos biológicos, como la contracción muscular, el transporte celular, la digestión, la reproducción y la reparación de tejidos. También participa en la señalización intracelular y extracelular.

Producción celular del ATP

• Metabolismo anaerobio: sistema ATP-PC (fosfágenos) y glucólisis anaerobia.
• Metabolismo aerobio: fosforilación oxidativa.

Fosfágenos

Almacén de fosfato, compuesto por fosfocreatina y fosfoarginina. Ventaja: fuente de energía rápida de ATP para el músculo. Desventaja: cantidad limitada de moléculas de ATP.

Metabolismo intermedio

Conjunto de reacciones químicas y procesos metabólicos que transforman moléculas en etapas intermedias.

• Catabolismo: descomposición de moléculas complejas en formas simples para liberar energía, como la glucólisis y el ciclo de Krebs.
• Anabolismo: construcción de moléculas complejas, como la síntesis de proteínas.

Intermediarios clave

• Glucosa 6-fosfato: intermediario de la glucólisis y de la vía de las pentosas fosfato.
• Piruvato: producto final de la glucólisis, que se convierte en acetil-CoA para el ciclo de Krebs.
• Acetil-CoA: producción de energía y biosíntesis de lípidos.

Rutas metabólicas

• Glucólisis: convierte la glucosa en piruvato, produciendo ATP y NADH.
• Ciclo de Krebs: oxida el acetil-CoA para obtener NADH, FADH₂ y GTP.
• Cadena de transporte de electrones: genera ATP a partir de NADH y FADH₂.

Coenzimas y moléculas energéticas

• NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) y FADH₂ (flavina adenina dinucleótido): transportan electrones a la cadena de transporte de electrones para producir ATP.
• GTP (guanosín trifosfato): molécula energética que se convierte en ATP.
• Acetil-CoA: compuesto intermediario con un grupo acetilo de dos carbonos; su enzima asociada es una proteína compleja que cataliza la reacción.
• Coenzima: molécula orgánica derivada de vitaminas que se une a una enzima.

Alosterismo

Unión de una molécula a un sitio distinto del sitio activo de una enzima.

Hormonas

• Hormonas esteroideas: atraviesan la membrana por su naturaleza lipídica.
• Hormonas proteicas: por su gran tamaño molecular no entran al interior celular.

Transformaciones del nitrógeno

• Transaminación: proceso bioquímico del metabolismo de aminoácidos que transforma un aminoácido en un alfa-cetoácido.
• Desaminación: eliminación de los grupos amino de los aminoácidos, que libera amoníaco, amonio y urea.

Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico)

También llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Comienza cuando la enzima amilasa salival descompone los polisacáridos, que son transportados a través de la membrana intestinal hacia el torrente sanguíneo y los tejidos corporales (C₆H₁₂O₆).

• En presencia de oxígeno, el piruvato puede entrar al ciclo, donde se produce energía en forma de NADH y CO₂ como producto de desecho.
• Cuando el oxígeno es limitado, el piruvato entra en una vía anaerobia y se convierte en ácido láctico. Esto genera ATP adicional, mantiene baja la concentración de piruvato y oxida el NADH a NAD⁺.

Etapas principales

• Glucólisis: ocurre en el citosol y convierte la glucosa en piruvato.
• Transformación de piruvato a acetil-CoA: el piruvato entra a la mitocondria y es transformado por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa.
• Ciclo de Krebs: oxidación aerobia de sustratos energéticos.
• Fosforilación oxidativa: los 3 NADH y el FADH₂ liberados en el ciclo son reoxidados, produciendo agua y gran cantidad de energía.

Energía generada en la oxidación de la glucosa

La oxidación completa de la glucosa genera una cantidad considerable de ATP a través de la glucólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

Vitamina B1 y fuentes alimentarias

La vitamina B1 (tiamina) participa en la conversión de carbohidratos en energía. Se encuentra en trigo, carne, trucha, huevo, legumbres y nueces.

Glucólisis

Proporciona ATP en ausencia de oxígeno y es el primer paso de la respiración celular. A partir de una molécula de glucosa se obtienen dos moléculas de ácido pirúvico y una ganancia neta de ATP.

Glucólisis anaerobia

Consiste en la degradación de una molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos cada una. La acumulación de ácido láctico en el tejido da lugar a la fermentación láctica y alcohólica.

• Fermentación láctica: presente en bacterias y en el músculo esquelético. Puede provocar acidosis.
• Fermentación alcohólica: presente en levaduras y hongos, se desarrolla en dos reacciones consecutivas.

Metabolismo del glucógeno

El glucógeno es un polímero ramificado de glucosa.

Enfermedades por almacenamiento de glucógeno

• GSD V (McArdle): afecta al músculo.
• GSD VI (Hers): afecta al hígado.
• GSD VII (Tauri): intolerancia al ejercicio.
• GSD VIII-IX: afectan al hígado y a los riñones.

Manifestaciones clínicas: hepatomegalia, hipoglucemia, acidosis láctica, retraso del crecimiento, convulsiones e insuficiencia renal.

Glucogénesis

Vía anabólica que sintetiza glucógeno a partir de glucosa 6-fosfato. La UDP-glucosa (uridín difosfato glucosa) es un intermediario clave del metabolismo de carbohidratos y precursor del glucógeno.

Glucogenólisis

Degradación del glucógeno, estimulada por el glucagón en el hígado y por la epinefrina en el músculo.

Otras vías relacionadas

• Oxidación de la glucosa: fuente de energía celular.
• Formación de lactato: en el músculo esquelético, la sangre y otros tejidos. Cuando hay deuda de oxígeno, el ácido láctico se difunde en la sangre y es llevado al hígado.
• Metabolismo del glucógeno: los residuos de glucosa se unen mediante enlaces α-1,4 y α-1,6.
• Vía de las pentosas fosfato: convierte la glucosa 6-fosfato en ribosa 5-fosfato, azúcar utilizado para sintetizar nucleótidos y ácidos nucleicos. Genera NADPH pero no ATP.

Enzimas y hormonas reguladoras

• Glucógeno sintasa: sintetiza glucógeno.
• Glucógeno fosforilasa: degrada glucógeno.
• La adrenalina y el glucagón degradan el glucógeno, mientras que la insulina estimula su síntesis.