Glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa: metabolismo energético celular

Glucólisis

La glucólisis es una secuencia de reacciones en el citosol que no precisa O₂. A partir de 1 mol de glucosa se obtienen 2 ácidos pirúvicos. Balance total: 2 ATP y 2 NADH. Ocurre en etapas donde se transforman metabolitos fosforilados:

Etapas

1. 1º. Fosforilación de la glucosa en una reacción endergónica que consume 1 mol de ATP.
2. 2º. Isomerización de la glucosa: reorganización de la molécula para formar un anillo pentagonal de fructosa.
3. 3º. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato con gasto de 1 mol de ATP.
4. 4º. Escisión de la fructosa-1,6-bisfosfato en 2 triosas que coexisten en equilibrio. El número de moléculas que intervienen se duplica.
5. 5º. Oxidación y fosforilación del gliceraldehído-3-fosfato. Se emplea fosfato inorgánico (Pi) y se reducen 2 moléculas de NAD⁺. Si el NAD⁺ no vuelve a oxidarse, se detiene el proceso, dependiendo del O₂. En condiciones anaerobias (fermentación y balance de ATP) y condiciones aerobias (respiración celular, ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
6. 6º. Desfosforilación del ácido 1,3-bisfosfoglicérico, formando una molécula de ATP por cada molécula de ácido desfosforilada.
7. 7º. Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico.
8. 8º. Formación de un enlace doble con pérdida de una molécula de agua en el ácido 2-fosfoglicérico.
9. 9º. Desfosforilación del ácido fosfoenolpirúvico, obteniendo ácido pirúvico y ATP.

Balance: se necesita el equivalente a 2 moléculas de ATP para iniciarlo y se producen 2 NADH y 2 ATP por cada molécula de glucosa.

Balance total.

Ciclo de Krebs

Se desarrolla en la matriz mitocondrial.

Balance: en cada vuelta se consume 1 grupo acetilo y se regenera 1 ácido oxalacético, que puede iniciar un nuevo ciclo. Se necesitan 2 vueltas de ciclo para oxidar al máximo una molécula de glucosa (de cada glucosa se obtienen 2 piruvatos en la glucólisis). Por cada molécula de glucosa se forman 2 GTP (que se transfieren al ATP), 6 NADH y 2 FADH₂. No requiere oxígeno, las electronas se transfieren a coenzimas transportadoras de electrones. No libera mucha energía, pero sí poder reductor.

Fosforilación oxidativa

Los electrones se mueven a través de la cadena saltando a niveles energéticos inferiores, de forma que van liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP y Pi.

• Por cada 2 electrones que pasan del NADH al O₂ se forman 3 moles de ATP.
• Por cada 2 electrones que pasan del FADH₂ al O₂ se forman 2 moles de ATP.

El modelo que explica la síntesis de ATP se denomina acoplamiento quimiosmótico. Los componentes de la cadena transportadora de electrones están ordenados en la membrana formando 3 complejos enzimáticos distintos (sistema I, sistema II y sistema III). Estos complejos son bombas de protones (H⁺).

Los complejos enzimáticos emplean la energía liberada por los electrones (al pasar de un nivel energético superior a otro inferior) para bombear H⁺ desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembrana (por cada par de electrones desde NADH se bombean 10 H⁺). La membrana interna es impermeable a los H⁺, por eso se crea un gradiente de H⁺ entre la matriz y el espacio intermembrana. Esto genera una fuerza protón-motriz (230 mV) que proporciona energía aprovechable para activar cualquier proceso acoplado a un canal por el que puedan circular los H⁺ hasta la matriz mitocondrial, recuperando así el gradiente (equilibrio). Las partículas F forman estos canales y utilizan esta recuperación del gradiente (bomba de H⁺ hacia la matriz) para sintetizar ATP.

Por cada 3 H⁺ que atraviesan el canal se forma 1 ATP. Como este flujo de protones es impulsado por un gradiente electroquímico, el proceso se denomina quimiosmótico.

Los componentes de la cadena respiratoria están ordenados formando 3 complejos enzimáticos que actúan como bombas de H⁺. Cuando los electrones van pasando a un nivel inferior, se bombean H⁺ desde la matriz al exterior (espacio intermembrana) y este flujo se aprovecha para sintetizar ATP. Por cada par de electrones que pasa, se bombean 10 H⁺ fuera de la matriz.

NADH → 3 ATP

FADH₂ → 2 ATP

Catabolismo de los lípidos

Los seres vivos almacenan grasas como reserva energética. En los animales, las grasas del tejido adiposo, mediante lipasas (que hidrolizan los enlaces tipo éster de los lípidos), liberan glicerina y ácidos grasos, que suministran energía a todos los tejidos, excepto al cerebro, que solo puede utilizar glucosa como fuente de energía.

• Triglicérido → glicerina + 3 ácidos grasos
• Fosfolípido → glicerina + 2 ácidos grasos + 1 compuesto alcohólico

La glicerina se transforma fácilmente en dihidroxiacetonafosfato y se incorpora a la glucólisis, mientras que los ácidos grasos sufren el proceso de la β-oxidación.

La β-oxidación de los ácidos grasos (ciclo de Lynen)

Los ácidos grasos saturados con un número par de átomos de carbono y libres sufren el proceso de la β-oxidación en la matriz mitocondrial. Consiste en la liberación sucesiva de fragmentos de 2 átomos de carbono (acetil-CoA) a partir del extremo carboxílico del acil-CoA.

En el citosol, los ácidos grasos se activan combinándose con la CoA, en una reacción que requiere energía del ATP. Los acil-CoA formados atraviesan las membranas mitocondriales y sufren un conjunto de 4 reacciones, denominado β-oxidación, en la matriz mitocondrial:

1. Primera deshidrogenación, en la que el FAD acepta hidrógenos.
2. Hidratación del doble enlace.
3. Segunda deshidrogenación (un carbono alcohólico se convierte en cetona), en la que el NAD⁺ acepta los hidrógenos.
4. Rotura, por interacción con una CoA libre. Se obtiene una acetil-CoA y otro acil-CoA con 2 carbonos menos que el inicial.

El acetil-CoA puede seguir la ruta del ciclo de Krebs, mientras que el acil-CoA (n-2) puede sufrir otra β-oxidación y originar otra molécula de acetil-CoA y acil-CoA (n-4), etc. La oxidación completa del ácido palmítico (de 16 carbonos) requiere 7 ciclos de β-oxidación, y se producen 8 moléculas de acetil-CoA, que pueden incorporarse al ciclo de Krebs.

Catabolismo de las proteínas

En general, las células no utilizan las proteínas como fuente de energía. En caso de hacerlo, es necesario, en primer lugar, hidrolizar las proteínas y polipéptidos extracelulares a aminoácidos para que puedan entrar en las células. Los mecanismos de oxidación que pueden sufrir los aminoácidos son los siguientes:

• Transaminación: consiste en el traspaso del grupo amino del aminoácido a un cetoácido (normalmente el ácido α-cetoglutárico), que lo acepta. De este modo, los grupos amino de los aminoácidos se recogen en un solo aminoácido (ácido glutámico), mientras que los esqueletos carbonados de los aminoácidos se transforman en compuestos que pueden incorporarse al ciclo de Krebs para ser oxidados.
• Desaminación oxidativa: es la liberación directa de los grupos amino de los aminoácidos, en forma de NH₄⁺, que son transformados por las mitocondrias y eliminados por la orina en forma de compuestos amoniacales. Esta reacción está catalizada por deshidrogenasas específicas que se encuentran en el citoplasma y en las mitocondrias hepáticas, con intervención del NAD⁺ o el NADP⁺.

El nitrógeno amínico puede ser liberado como:

• Urea: en los animales ureotélicos (mamíferos terrestres y anfibios). Se realiza en el hígado mediante un proceso denominado ciclo de la urea.
• Amoniaco: en los animales amoniotélicos (peces). Se forma en el riñón por hidrólisis de la glutamina.
• Ácido úrico: en los animales uricotélicos (aves y reptiles terrestres). Es un derivado de la purina.