Metabolismo celular: rutas metabólicas, glucólisis, Krebs y gluconeogénesis

Objetivos del Metabolismo Celular

Los principales objetivos del metabolismo son la producción de:

• ATP: Principal fuente de energía celular.
• NADPH: El dador electrónico más importante en las biosíntesis reductoras.
• Precursores de macromoléculas: Componentes básicos para la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos.

Enzimas Reguladoras

Las enzimas reguladoras, además de su función catalítica, pueden aumentar o disminuir su actividad en respuesta a señales específicas. Es importante recordar que siempre son catalíticas y, por lo tanto, enzimas.

Degradación Total de la Glucosa

La degradación total de la glucosa produce CO₂ + H₂O + ATP.

Formas de Obtener Energía Metabólica

La energía metabólica se obtiene a través de:

• La cadena de transporte de electrones.
• La síntesis a nivel de sustrato.

Digestión de Carbohidratos

La digestión de carbohidratos involucra las siguientes enzimas:

• α-amilasa salival (actúa sobre enlaces 1-4).
• α-amilasa pancreática (actúa sobre enlaces 1-4).
• α-1,6-glucosidasa.
• Disacaridasas (en el intestino delgado).

Cadena de Transporte de Electrones

La cadena de transporte de electrones es una serie de transportadores de electrones ubicados en la membrana interna mitocondrial. A través de reacciones redox, producen ATP, el compuesto energético utilizado por los seres vivos para los procesos que requieren energía.

Absorción de Glucosa

La absorción de glucosa es un transporte activo secundario (dependiente de [2Na⁺]) en el borde en cepillo, mediado por SGLT1.

Retorno de H⁺ a la Matriz Mitocondrial

A medida que los electrones pasan a través de la cadena de transporte, los complejos bombean protones (H⁺) al espacio intermembrana, generando una fuerza protonmotriz que impulsa el retorno de los protones a través de la ATPasa.

Anión Superóxido

El anión superóxido (O₂^-) puede causar:

• Mutaciones en el ADN.
• Cáncer.
• Efectos nocivos en proteínas, lípidos y enzimas.

Los radicales libres producen reacciones en cadena. Los mecanismos de defensa incluyen:

1. Protonación: O₂^- + O₂^- + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂
2. Enzima superóxido dismutasa.
3. Catalasa (enzima): Descompone el H₂O₂. 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
4. Peroxidasa: También posee un grupo hemo y cataliza la reducción del peróxido de hidrógeno a agua mediante un agente reductor (AH₂), como el citocromo C, vitamina C, vitamina E, H₂O... H₂O₂ + AH₂ → 2H₂O + A

Enzima Desramificante

La glucotransferasa (α-1-4) desprende el trisacárido terminal de la ramificación y lo transfiere al extremo de una rama vecina mediante enlaces (α-1-4). La hidrólisis de uniones glucosídicas α-1-6 es catalizada por la glucosidasa, que libera glucosa (G).

Glucogénesis (Citoplasma)

1. Hexoquinasa (ATP → ADP)
2. Fosfoglucomutasa (Mg⁺²)
3. UDP-Pirofosforilasa
4. Pirofosfatasa (entra H₂O)
5. Glucógeno sintasa (sale UDP)
6. Enzima ramificante

Glucogenólisis (Citoplasma)

1. Glucógeno fosforilasa
2. α-1,4 glucanotransferasa
3. Amilo 1-6 glucosidasa
4. Fosfoglucomutasa (Mg⁺² + G-1,6bisP)
5. Glucosa-6-fosfatasa (H₂O → Pi)

Reacción total: Glucógeno → G + G-1-P

Glucólisis (Citoplasma)

1. Hexoquinasa (ATP → ADP)
2. Fosfoglucoisomerasa
3. Fosfofructoquinasa (ATP → ADP)
4. Aldolasa
5. Triosa fosfato isomerasa
6. Gliceraldehído-3-P-deshidrogenasa (NAD⁺ → NADH + H⁺) (entra Pi)
7. Fosfoglicerato quinasa (ADP → ATP)
8. Fosfogliceromutasa
9. Enolasa (sale H₂O)
10. Piruvato quinasa (ADP → ATP)

Reacción total: G + 2NAD⁺ + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2ATP + 2H₂O + 2NADH + 2H⁺

Regeneración del NAD⁺

Piruvato → Lactato (NADH + H⁺ → NAD⁺) (Lactato deshidrogenasa)

Lanzadera Malato-Aspartato (Hígado y Corazón)

Aspartato → Oxalacetato (Transaminasa, α-cetoglutarato → glutamato)
Oxalacetato → Malato (NADH + H⁺ → NAD⁺, Malato deshidrogenasa)
Mismo orden pero al revés para la mitocondria.

Lanzadera Glicerol-3-P (Cerebro y Músculo)

DHAP → Glicerol-3-P (NADH + H⁺ → NAD⁺, Glicerol-3-P-deshidrogenasa)
Lo mismo pero al revés para la mitocondria PERO (FAD⁺ → FADH₂)

Complejo Piruvato Deshidrogenasa (Matriz Mitocondrial)

PDH:

1. Piruvato descarboxilasa (Cofactor: TPP)
2. Dihidrolipoil transacetilasa (Cofactor: Ácido Lipoico, CoA-SH)
3. Dihidrolipoil deshidrogenasa (Cofactor: FAD, NAD⁺)

Reacción total: Piruvato + CoA-SH + NAD⁺ → Acetil-SCoA + NADH + H⁺ + CO₂

Ciclo de Krebs (Membrana Interna Mitocondrial)

(Obtener energía y regenerar cofactores, son procesos acoplados)

1. Citrato sintasa (Acetil-SCoA → CoA-SH)
2. Aconitasa
3. Isocitrato deshidrogenasa (NAD⁺ → NADH + H⁺ y sale CO₂)
4. α-cetoglutarato deshidrogenasa: similar a la PDH (NAD⁺ → NADH + H⁺ y sale CO₂)
5. Succinil-SCoA sintasa (GDP → GTP entra Pi, sale CoA-SH)
6. Succinato deshidrogenasa (FAD⁺ → FADH₂)
7. Fumarato hidratasa (entra H₂O)
8. Malato deshidrogenasa (NAD⁺ → NADH + H⁺)

Gluconeogénesis

Es la vía metabólica que sintetiza glucosa a partir de compuestos no glucídicos (corteza renal, hígado y epitelio intestinal). Su fin es generar glucosa para los órganos dependientes (cerebro, eritrocitos y retina).

Precursores: Aminoácidos → oxalacetato, lactato → piruvato, alanina → piruvato, glicerol-3-p → DHAP, ácidos grasos de cadena impar → succinil CoA → oxalacetato.

Reacción total: 2 Piruvato + 4ATP + 2GTP + 4H₂O + 2NADH + 2H⁺ → Glucosa + 2NAD⁺ + 4ADP + 2GDP + 2Pi

La glucosa es la molécula representativa de los hidratos de carbono porque la galactosa y la fructosa, cuando se degradan, se convierten en metabolitos del metabolismo de la glucosa.

Las células B de los islotes de Langerhans del páncreas detectan la hiperglucemia y liberan insulina para aumentar la captación por todas las células.