Fundamentos del Metabolismo Celular: Vías Bioquímicas y Regulación Energética

Metabolismo: Definición y Tipos Fundamentales

El Metabolismo (del griego “cambio”) es el conjunto de reacciones químicas y físicas que transforman energía dentro de un organismo.

Se divide en dos procesos principales:

• Catabolismo: Degrada moléculas complejas, liberando energía (ATP). Es un proceso exergónico (libera energía).

• Anabolismo: Sintetiza moléculas complejas a partir de precursores simples, requiriendo energía. Es un proceso endergónico (consume energía).

La glucosa se degrada mediante la respiración celular, que incluye la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.

Usos de la Energía Celular

La célula utiliza la energía (principalmente ATP) para:

• Sintetizar biomoléculas.

• Realizar transporte activo.

• Ejecutar trabajo mecánico.

• Producir calor.

Metabolismo Primario y Secundario

El metabolismo se clasifica según su función biológica:

• Metabolismo Primario: Vital para el crecimiento y la supervivencia (carbohidratos, lípidos, aminoácidos). Ocurre principalmente en la fase de crecimiento.

• Metabolismo Secundario: No esencial para el crecimiento, pero crucial para la defensa, comunicación y adaptación. Se produce más en la fase estacionaria.

Vías Centrales y Regulación Bioquímica

El ATP y Procesos Clave

• El ATP es la moneda energética universal de la célula.

• Procesos clave: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa.

• Mecanismos de control celular: apoptosis (muerte celular programada), homeostasis y ROS (especies reactivas de oxígeno).

Glucólisis: Degradación de la Glucosa

La glucólisis es la vía central para degradar la glucosa. Tiene 3 pasos irreversibles que están estrictamente regulados:

1. Hexoquinasa (glucosa → glucosa-6-P).

2. PFK-1 (fructosa-6-P → fructosa-1,6-BP).

3. Piruvato quinasa (fosfoenolpiruvato → piruvato).

Regulación de la Glucólisis

La vía se regula por:

• Inhibición: ATP y citrato.

• Activación: Glucagón y fructosa-2,6-BP.

Diferentes azúcares pueden ingresar a esta vía; un exceso de fructosa se convierte en grasa.

Rutas Opuestas de la Glucosa

• Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos como lactato, piruvato, glicerol o aminoácidos (excepto leucina y lisina). Ocurre en el hígado y el riñón.

• Glucogenólisis: Degradación de glucógeno para liberar glucosa, estimulada por glucagón y adrenalina.

• Glucogénesis: Síntesis de glucógeno en el hígado y el músculo, estimulada por insulina.

Nota: Ambas rutas (Glucogenólisis y Glucogénesis) son opuestas y nunca están activas al mismo tiempo.

Regulación Hormonal del Metabolismo de Carbohidratos

• Insulina: Activa la glucogénesis y la síntesis de macromoléculas.

• Glucagón: Activa la glucogenólisis y la gluconeogénesis.

• Adrenalina: Permite la rápida movilización de glucosa (respuesta al estrés).

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

• Ocurre en la mitocondria (eucariotas) o en el citoplasma (procariotas).

• Conecta la glucólisis con la respiración celular.

• Productos generados por cada molécula de acetil-CoA: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP y 2 CO₂.

Regulación del Ciclo de Krebs

• Enzimas clave: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa (DH) y α-cetoglutarato DH.

• Regulación: ATP y NADH inhiben; ADP y Ca²⁺ activan.

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

• Es la etapa final de la respiración celular, donde se produce la mayor cantidad de ATP.

• El NADH transfiere electrones al complejo I, lo que resulta en el bombeo de protones.

• El FADH₂ transfiere electrones al complejo II (el cual no bombea protones).

• El O₂ es el aceptor final de electrones, formando agua.

• Modelo quimiosmótico de Mitchell: El gradiente de protones impulsa la ATP sintasa para generar ATP.

Metabolismo de Lípidos y Aminoácidos

Metabolismo de Lípidos

• Los lípidos son cruciales como reserva energética, componentes estructurales y moléculas de regulación.

• β-oxidación: Proceso por el cual los ácidos grasos se descomponen en acetil-CoA, NADH y FADH₂.

• El transporte de ácidos grasos largos requiere la molécula de carnitina.

• Regulación: La adrenalina y el glucagón activan la lipólisis (degradación de lípidos).

Metabolismo de Aminoácidos

• Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas.

• Su síntesis ocurre mediante reacciones de condensación que forman el enlace peptídico.

• Las cadenas laterales definen las propiedades químicas y funcionales de cada aminoácido.

Vía de las Pentosas Fosfato

• Función principal: Producir NADPH (poder reductor, esencial para la síntesis de lípidos y la defensa antioxidante) y ribosa-5-P (precursor de nucleótidos).

• Fase oxidativa: Genera NADPH.

• Fase no oxidativa: Produce intermediarios que pueden ingresar a la glucólisis.

• Regulación: La vía es inhibida por altos niveles de NADPH.

Bioquímica de la Información Genética

Nucleótidos

• Compuestos por una base nitrogenada, un azúcar (ribosa o desoxirribosa) y un grupo fosfato.

• Bases: Purinas (Adenina, Guanina) y Pirimidinas (Citosina, Timina, Uracilo).

• Síntesis de novo: Las purinas se ensamblan sobre la ribosa; las pirimidinas se sintetizan primero como base y luego se unen a la ribosa.

• Importancia clínica: Fármacos como el 5-FU y el metotrexato inhiben la síntesis de ADN, actuando como antitumorales.

Ácidos Nucleicos y Expresión Génica

• El ADN está empaquetado en cromosomas.

• Los nucleosomas son estructuras formadas por ADN enrollado alrededor de histonas.

• El ARNm es procesado antes de la traducción: adición de la caperuza 5’, cola poli-A 3’ y splicing (eliminación de intrones).

• ORF (Marco de Lectura Abierto): Secuencia codificante entre el codón de inicio (AUG) y un codón de parada.

Traducción (Síntesis de Proteínas)

• Proceso: Conversión de la información del ARNm a una secuencia de proteína.

• Código genético: Es universal, degenerado (varios codones para un aminoácido) y no solapado.

• Codón de inicio: AUG (codifica para metionina).

• Codones de terminación: UGA, UAG, UAA.

• Etapas: Iniciación, elongación y terminación.