Bioquímica Celular: Vías Metabólicas Clave y Moléculas Esenciales

Conceptos Fundamentales de Bioquímica

1. Moléculas y Procesos Clave

1. Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)

   • Radical superóxido
   • Peróxido de hidrógeno
   • Radical hidroxilo
   • Oxígeno singlete

2. Complejos Enzimáticos Antioxidantes

   • Superóxido dismutasa
   • Glutatión peroxidasa
   • Catalasa (peroxisomas)

3. Enzimas Importantes en la Síntesis de Amoniaco

   • L-aminoácido oxidasa
   • Serina-treonina deshidrasa
   • Ureasa bacteriana
   • Desaminasa de adenosina

4. Transporte de Carbono para la Síntesis de Moléculas Nitrogenadas

   • S-adenosil metionina
   • Ácido fólico

5. Sustratos del Ciclo de la Urea

   • Amoniaco
   • Aspartato
   • CO₂

6. Esqueletos Carbonados en la Síntesis de Aminoácidos

   • Glicerato 3-fosfato
   • Piruvato
   • Alfa-cetoglutarato
   • Oxalacetato

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, es una ruta metabólica central en todas las células aeróbicas que utiliza la oxidación de grupos acetilo derivados de carbohidratos, grasas y proteínas en dióxido de carbono y agua, liberando energía química en forma de ATP, NADH y FADH₂.

1. Formación de Citrato

   Introducción de dos carbonos en forma de acetil-CoA. El acetil-CoA se condensa con el oxalacetato para formar citrato, una reacción catalizada por la enzima citrato sintasa. Este paso es un punto de regulación importante, influenciado por los niveles de ATP y ADP.

2. Isomerización a Isocitrato

   El citrato se isomeriza para formar un alcohol secundario más fácil de oxidar. El citrato se convierte en isocitrato mediante la enzima aconitasa.

3. Oxidación del Isocitrato

   El isocitrato (molécula de 6 carbonos) se oxida para formar NADH y liberar CO₂. Esta reacción es catalizada por la isocitrato deshidrogenasa, que convierte NAD⁺ en NADH. El producto resultante es alfa-cetoglutarato (molécula de 5 carbonos).

4. Oxidación del Alfa-Cetoglutarato

   El alfa-cetoglutarato (molécula de 5 carbonos) se oxida, formando más NADH y liberando otra molécula de CO₂. La enzima responsable es la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, que también utiliza NAD⁺ para producir NADH. Esta descarboxilación oxidativa implica la incorporación de una coenzima A, formando succinil-CoA.

5. Formación de Succinato

   La ruptura del succinil-CoA está acoplada a una fosforilación a nivel de sustrato. El GTP (guanosín trifosfato) se desfosforila en GDP y fosfato inorgánico (Pi), y esta energía se utiliza para formar ATP. El producto de esta reacción es el succinato.

6. Oxidación del Succinato

   El succinato se oxida para formar fumarato. Esta reacción es catalizada por la enzima succinato deshidrogenasa, que utiliza FAD para producir FADH₂. Esta enzima es parte de la cadena de transporte de electrones.

7. Hidratación del Fumarato

   El fumarato se hidrata mediante la adición de una molécula de H₂O, formando L-malato. La enzima que cataliza esta reacción es la fumarasa.

8. Oxidación del L-Malato

   El L-malato se oxida para regenerar oxalacetato, completando el ciclo. Esta reacción es catalizada por la L-malato deshidrogenasa, que utiliza NAD⁺ para producir NADH.

Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es el proceso metabólico final de la respiración celular, donde la energía liberada por la cadena de transporte de electrones se utiliza para generar ATP. En este proceso, los electrones de alta energía (provenientes de NADH y FADH₂) son transferidos a través de una serie de complejos proteicos en la membrana mitocondrial interna, creando un gradiente de protones. Este gradiente impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico, catalizada por la ATP sintasa. La regulación de este proceso se da, en parte, a través de una proteína llamada translocador ADP-ATP, que facilita el intercambio de ADP y ATP a través de la membrana mitocondrial.

Metabolismo del Nitrógeno

El metabolismo del nitrógeno es un conjunto de procesos bioquímicos esenciales para la vida, que involucra la transformación del nitrógeno entre sus diversas formas. En el suelo, ciertas bacterias poseen el complejo enzimático nitrogenasa, capaz de fijar o reducir el nitrógeno atmosférico (N₂) a amoniaco (NH₃). Este amoniaco es absorbido por las plantas del suelo y se convierte en grupos amino, que son incorporados en la síntesis de aminoácidos y otras moléculas orgánicas.

Los animales, al consumir plantas u otros organismos, incorporan estos grupos amino y otras moléculas nitrogenadas en sus propios tejidos. El nitrógeno es un componente fundamental de diversas biomoléculas, incluyendo:

• Aminoácidos y proteínas
• Grupos hemo (presentes en la hemoglobina y otras proteínas)
• Bases nitrogenadas (componentes del ADN y ARN)
• Algunos lípidos

Cuando estas moléculas nitrogenadas se degradan en los organismos, el nitrógeno se libera nuevamente, a menudo en forma de amoniaco o urea, que luego puede ser excretado o reciclado en el ecosistema, cerrando el ciclo del nitrógeno.