Catabolismo de la Glucosa: Degradación y Obtención de Energía

Catabolismo de Glúcidos: La Glucólisis

Es la degradación de la glucosa a 2 moléculas de ácido pirúvico.

Objetivo

Degradar la molécula para obtener ATP y suministrar moléculas sencillas para las reacciones de biosíntesis. En organismos aerobios, la glucólisis es el preámbulo del ciclo de Krebs y la cadena de transporte electrónico, donde se recoge la mayoría de la energía de la glucosa. Las 10 reacciones de la glucólisis ocurren en el hialoplasma (citosol).

Fases de la glucólisis

1. Fase preparatoria

   La glucosa se transforma en 2 moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. En la primera etapa, la glucosa se convierte en fructosa-1,6-bifosfato por una reacción de fosforilación, una isomerización, y otra fosforilación. Se consumen 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa. En la segunda etapa, se convierte en dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato.

2. Fase de beneficios

   Las 2 moléculas de gliceraldehido-3-fosfato se convierten en 2 moléculas de piruvato. El gliceraldehido-3-fosfato se oxida y fosforila, generando ATP por fosforilación. Se fosforila incorporando fosfato inorgánico (Pi) del medio celular, y se oxida, aceptando hidrógeno el NAD⁺ y pasando a su forma reducida NADH + H⁺. Siguen las reacciones, generándose otro ATP en otra fosforilación, hasta obtenerse al final el ácido pirúvico.

Ecuación global

glucosa → 2 pirúvico + 2 NADH + H⁺ + 2 ATP

Es decir, por cada molécula de glucosa, el rendimiento energético es de 2 ATP, ya que a los 4 ATP formados hay que restar los 2 consumidos en la primera etapa. Estas 2 fases comprenden 10 reacciones, en total. El piruvato formado se encuentra en una encrucijada metabólica, ya que seguirá un camino u otro según la disponibilidad de oxígeno.

• En ausencia de oxígeno seguirá la vía anaerobia de las fermentaciones.
• En presencia de oxígeno, la vía aerobia de la respiración celular.

En presencia de oxígeno, este piruvato es transportado al interior de la mitocondria y es transformado en acetil-CoA por una descarboxilación oxidativa, catalizada por la enzima piruvato deshidrogenasa, cuyas coenzimas son el NAD⁺ que pasa a NADH + H⁺ y la coenzima A, que provoca la liberación de un carbono en forma de CO₂, y queda unido al producto de la reacción, formando el acetil-CoA. Este acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, donde será oxidado.

Ciclo de Krebs

Ocurre en la matriz mitocondrial. La descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA es el eslabón entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. Hay 2 tipos de reacciones importantes:

• Descarboxilación (2)
• Oxidación (4). En 3 coge H el NAD⁺, y en 1 coge H el FAD.

De cada reacción que tiene lugar, se desprende un producto del ciclo. Partimos de la condensación del oxalacetato (4C) con el acetil-CoA (2C) para dar citrato o ácido cítrico (6C), que se isomeriza hasta isocitrato (6C). Después se producirán 4 oxidaciones (3 el NADH + H⁺ y 1 el FADH₂). Primero ocurre una descarboxilación oxidativa: se libera CO₂ e hidrógenos, captados por el NADH + H⁺. El ácido de 5C resultante sufre otra descarboxilación oxidativa, liberando otro CO₂ y NADH + H⁺. El ácido de 4C resultante incorpora Pi del medio y lo cede al GDP. Se forma GTP por fosforilación a nivel de sustrato. Éste también puede transformarse en ATP. Después ocurre una oxidación, en la cual el FAD pasa a FADH₂, y una última oxidación en la que el NAD⁺ recoge hidrógenos y pasa a NADH + H⁺. Finalmente se obtiene oxalacetato (4C), para cerrar el ciclo y volver a empezar. La verdadera finalidad del ciclo es que el compuesto entrante de 2C, acetil-CoA se degrade totalmente, liberando sus C en forma de CO₂, y sus hidrógenos son captados por las coenzimas. Esto es, la degradación del acetil-CoA para obtener energía. El NAD⁺ toma H en 3 ocasiones, y el FAD en una. De un ciclo de Krebs se obtienen:

• 3 NADH + H⁺ x 3 = 9 ATP
• 1 FADH₂ x 2 = 2 ATP
• 1 GTP x 1 = 1 ATP
• Total = 12 ATP

Hacemos balance energético hasta este punto, de los ATP generados en la oxidación de una molécula de glucosa:

• De la glucólisis salen 2 ATP.
• De cada molécula obtenida del Ciclo de Krebs, multiplicamos los ATP x 2, porque la glucosa produce 2 ciclos de Krebs: 12 x 2 = 24 ATP

Recordad que cada NADH + H⁺ forma 3 ATP, y cada FADH₂ forma 2 ATP. El ciclo de Krebs no consume oxígeno, pero solo funciona en presencia de éste, ya que las coenzimas ceden los hidrógenos y se regeneran para seguir realizando oxidaciones en el ciclo.

Fosforilación oxidativa: la cadena respiratoria y el transporte de electrones

La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza la energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir ATP. Produce ATP con mayor rendimiento que las fosforilaciones a nivel de sustrato. Consta de 2 etapas:

1. En la primera, la cadena transportadora de electrones, la energía libre generada mediantes reacciones redox en complejos multiproteicos, se emplea para producir un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana: proceso de quimiosmosis.
2. La cadena respiratoria es un conjunto de moléculas en la membrana interna de la mitocondria. Permiten, mediante una serie de reacciones de oxidorreducción, transportar los electrones desde las coenzimas reducidas (NADH + H⁺, FADH₂) hasta el oxígeno.

Sus componentes son 3 complejos de proteínas principales (I, III, IV) y varios auxiliares. La cadena empieza siendo transportadora de electrones y protones y pasa a serlo solo de electrones. Transfiere electrones de donantes a aceptores, y transporta protones a través de membrana. Los electrones son transferidos dentro del espacio intermembrana por el citocromo c. Los complejos moleculares de la cadena (sus componentes) hacen de escalones intermedios, de modo que el proceso de transferencia es como si los electrones fueran cayendo por una serie de peldaños, liberando en cada salto solo una cierta cantidad de energía. Así se evita la liberación brusca de energía entre 2 niveles muy alejados.

Pasos

1. Complejo I: NADH deshidrogenasa: el NADH + H⁺ cede 2 hidrógenos y 2 electrones al complejo I. (aquí se formaría un ATP). El complejo I transfiere los electrones y los hidrógenos a la ubiquinona o coenzima Q.

2. La coenzima Q cede los electrones al complejo III (con los citocromos b y c1). Este complejo ya no acepta los protones, quedando fuera de la cadena, en el medio interno de la matriz mitocondrial. El FADH₂ (entra más tarde que el NADH + H⁺) también cede hidrógenos al complejo II, que los cede también a la coenzima Q.

3. Los electrones pasan del complejo III al citocromo c, (otro salto energético suficiente para formar otro ATP) que los lleva al complejo IV o citocromo oxidasa, el cual transfiere estos electrones del citocromo c al oxígeno (se puede formar otro ATP)

4. ½ O₂ capta 2 electrones, formándose oxígeno reducido (O₂^-), que tiene gran afinidad por los protones libres en la matriz y forma H₂O. Éste es el momento en el que se consume oxígeno en la respiración aerobia.

5. Por cada NADH + H⁺ se pueden formar 3 ATP.
6. Por cada FADH₂ solo 2 ATP, ya que en el paso del complejo II a la coenzima Q no hay suficiente energía (entra más tarde).