Rutas Catabólicas de Macronutrientes: Producción de Energía (ATP) en la Célula

Catabolismo de Glúcidos (Carbohidratos)

Reacción general de oxidación de la glucosa: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + 686 \text{kcal/mol}$

Glucólisis

Proceso universal de catabolismo de la glucosa, donde la glucosa ($\text{C}_6$) es desdoblada en dos moléculas de ácido pirúvico ($\text{C}_3$). Si es aeróbica, el pirúvico se degrada hasta $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$; si es anaeróbica, termina en fermentación.

Fase Preparatoria (Inversión de Energía)

Transformación de la hexosa en gliceraldehído-3-fosfato. Se necesitan 2 ATP.

Fase de Producción de Energía (Ganancia Neta)

• Oxidación del gliceraldehído, liberando electrones que forman $\text{NAD}^+ \rightarrow \text{NADH} + \text{H}^+$.
• Transferencia de fosfato, obteniendo ATP a partir de ADP (fosforilación a nivel de sustrato).

A partir de 1 molécula de glucosa, esta fase produce: 2 ATP (netos), 2 $\text{NADH} + \text{H}^+$, y 2 ácidos pirúvicos.

Respiración Celular Aerobia

Implica la oxidación completa del pirúvico, obteniéndose $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$.

Oxidación del Ácido Pirúvico (Formación de Acetil-CoA)

El ácido pirúvico sufre una descarboxilación, eliminando un grupo $\text{CO}_2$. Se liberan 2 átomos de hidrógeno captados por $\text{NAD}^+$. Se le une la Coenzima A ($\text{CoA}$).

Por cada glucosa se obtienen: 2 Acetil-CoA, 2 $\text{CO}_2$, y 2 $\text{NADH} + \text{H}^+$.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Acetil-CoA se une al ácido oxalacético, separándose la $\text{CoA}$ y formándose ácido cítrico. Esta serie de reacciones da lugar, por cada molécula de glucosa (dos vueltas del ciclo), a:

• 6 $\text{CO}_2$ (total, incluyendo la oxidación del pirúvico).
• 24 átomos de hidrógeno (transportados por coenzimas): 2 $\text{FADH}_2$ y 10 $\text{NADH} + \text{H}^+$ (contando la oxidación del pirúvico y el ciclo de Krebs).

Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Los átomos de hidrógeno liberados se encuentran en los aceptores ($\text{NADH}$ y $\text{FADH}_2$). Estos se unen al oxígeno, formando agua ($\text{H}_2\text{O}$).

• Por cada glucosa (24 H), se necesitan 6 $\text{O}_2$.
• La energía se libera gradualmente a través de la cadena transportadora de electrones.
• Los componentes de la cadena se reducen y oxidan alternativamente. El $\text{O}_2$ es el aceptor final de electrones.
• Los electrones saltan a niveles energéticos inferiores, liberando energía que se utiliza para sintetizar ATP mediante la Fosforilación Oxidativa.

Total de la respiración celular: Producción máxima de ATP.

Fermentación (Catabolismo Anaerobio)

Proceso de oxidación anaerobia de materia orgánica para la obtención de energía (ATP). El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico.

• Organismos estrictos: Solo pueden vivir sin $\text{O}_2$.
• Organismos facultativos: Pueden fermentar y respirar.

En la mayoría de las fermentaciones, el primer sustrato es la glucosa, y la primera fase es la glucólisis.

Fermentación Láctica

Degradación anaerobia de la glucosa a ácido láctico, obteniendo un total de 2 ATP. En esta reacción, el ácido pirúvico actúa como aceptor final de protones y electrones, originándose como producto final el ácido láctico.

Fermentación Alcohólica

Degradación anaerobia de la glucosa a etanol, obteniéndose 2 ATP (provenientes de la glucólisis).

1. Comienza con la glucólisis.
2. El pirúvico sufre descarboxilación, formando acetaldehído y liberando $\text{CO}_2$.
3. Posterior reducción del acetaldehído a etanol. El acetaldehído actúa como aceptor final de protones y electrones que proceden del $\text{NADH}$ de la glucólisis, originando el producto final: etanol.

Catabolismo de Lípidos

Los triglicéridos son hidrolizados, dando lugar a glicerina y ácidos grasos.

• La glicerina se transforma en gliceraldehído-3-fosfato y se incorpora a la glucólisis.
• Los ácidos grasos siguen el proceso de Beta-Oxidación.

Beta-Oxidación de Ácidos Grasos

Serie de reacciones que tienen lugar principalmente en la matriz mitocondrial. La molécula de ácido graso se rompe cada 2 carbonos, liberando fragmentos de 2 átomos de carbono que forman Acetil-CoA.

Durante cada ciclo de Beta-Oxidación se forma:

• 1 Acetil-CoA
• 1 Acil-CoA acortado
• 1 $\text{FADH}_2$
• 1 $\text{NADH} + \text{H}^+$

Los aceptores de electrones ($\text{FADH}_2$ y $\text{NADH}$) se oxidan en la cadena respiratoria, obteniendo ATP.

Catabolismo de Proteínas

La hidrólisis de proteínas produce aminoácidos, los cuales se degradan mediante:

1. Desaminación

Transaminación

Reacciones catalizadas por enzimas (aminotransferasas). Cataliza la transferencia del grupo amino. El resultado es la obtención de un cetoácido correspondiente al aminoácido que interviene. El objetivo final es la obtención del ácido glutámico.

Desaminación Oxidativa

El ácido glutámico pierde el grupo amino, regenerándose el ácido alfa-cetoglutárico y desprendiendo electrones que van al $\text{NAD}^+$.

Los esqueletos carbonados resultantes pueden transformarse en glucosa, ácidos grasos o Acetil-CoA, oxidándose completamente en las vías metabólicas correspondientes.

2. Excreción del Nitrógeno (Amoniaco)

El amoniaco es tóxico y debe ser expulsado. Los organismos se clasifican según su método de excreción:

• Ammonotélicos: Expulsan amoniaco directamente (ej. por la piel o branquias).
• Ureotélicos: El amoniaco es transformado en urea y eliminado mediante la orina.
• Uricotélicos: Convierten el amoniaco en ácido úrico (excretado como pasta semisólida).