Rutas Centrales del Metabolismo Energético: Glucólisis, Ciclo de Krebs y Fosforilación Oxidativa

Rutas Metabólicas Fundamentales

Una ruta metabólica es una serie de reacciones químicas que ocurren dentro de la célula para transformar una sustancia.

Conceptos Energéticos Clave

• Ruta Catabólica: Degradan moléculas complejas para obtener energía.
• ATP (Adenosín Trifosfato): Molécula de energía de la célula. Se libera energía cuando pierde un grupo fosfato (convirtiéndose en ADP).
• NADH y FADH₂: Transportadores de electrones. El NADH genera aproximadamente 2.5 ATP, y el FADH₂ genera aproximadamente 1.5 ATP.

Rendimiento y Condiciones

• Rendimiento de la Glucólisis (por cada glucosa): 2 piruvatos, 4 ATP brutos (2 ATP de ganancia neta) y 2 NADH.
• Rendimiento del Ciclo de Krebs (por cada Acetil-CoA): 3 NADH, 1 ATP (o GTP), 2 CO₂, y 1 FADH₂.
• Glucógeno: Al entrar en la glucólisis, forma 3 ATP netos.
• Condiciones Anaeróbicas: El piruvato no entra al Ciclo de Krebs; se transforma en lactato, etanol y CO₂ (dependiendo del organismo).
• Irreversibilidad: Las reacciones son irreversibles porque liberan, consumen o producen ATP.

Glucólisis: Degradación de la Glucosa

La glucólisis es el inicio de la respiración celular, la degradación de la glucosa en dos moléculas de piruvato.

Ubicación: Citoplasma.

Fases de la Glucólisis

1. La Hexoquinasa agrega un grupo fosfato (proveniente del ATP) a la glucosa, formando Glucosa-6-fosfato.
2. La isomerasa convierte la Glucosa-6-fosfato en Fructosa-6-fosfato.
3. La Fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) agrega un grupo fosfato (proveniente del ATP) al carbono 1 de la Fructosa-6-fosfato, convirtiéndola en Fructosa-1,6-bifosfato.
4. La liasa (*Aldolasa*) divide la Fructosa-1,6-bifosfato en dos azúcares de 3 carbonos: Gliceraldehído-3-fosfato (G3P) e Hidroxiacetona fosfato (DHAP).
5. La Hidroxiacetona fosfato se convierte en Gliceraldehído-3-fosfato (2 moléculas de G3P en total).
6. Ambos Gliceraldehído-3-fosfato se oxidan a 1,3-Bifosfoglicerato y producen un NADH cada uno (total 2 NADH).
7. Una enzima kinasa (*Fosfoglicerato quinasa*) transfiere un fosfato del 1,3-Bifosfoglicerato al ADP, formando ATP y 3-Fosfoglicerato.
8. Una enzima mutasa (*Fosfoglicerato mutasa*) mueve de lugar el fosfato, convirtiendo el 3-Fosfoglicerato en 2-Fosfoglicerato.
9. Una enzima enolasa elimina H₂O del 2-Fosfoglicerato, convirtiéndolo en Fosfoenolpiruvato (2 moléculas en total).
10. Una enzima kinasa (Piruvato Quinasa) elimina el grupo fosfato del Fosfoenolpiruvato y lo dona al ADP para formar ATP y Piruvato.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Ubicación: Matriz mitocondrial.

Función: Ruta metabólica clave de la respiración aeróbica. Su función es oxidar el Acetil-CoA para producir ATP (o GTP), FADH₂, NADH y CO₂ como producto de desecho.

Conceptos Clave

Descarboxilación: Proceso donde una molécula pierde un grupo de carbono, que sale en forma de CO₂. A menudo, este proceso está acoplado a la producción de NADH.

Fases del Ciclo de Krebs

1. El Acetil-CoA se une al Oxalacetato para formar Citrato (molécula de 6 carbonos), catalizado por la Citrato Sintasa.
2. El Citrato se reorganiza y se convierte en Isocitrato.
3. El Isocitrato se descarboxila y forma el Alfa-cetoglutarato (5C). Se produce 1 NADH.
4. El Alfa-cetoglutarato se descarboxila y forma el Succinil-CoA (4C). Se produce 1 NADH adicional.
5. El Succinil-CoA se transforma en Succinato. Se forma 1 ATP (o GTP), catalizado por la Succinil-CoA Sintetasa.
6. El Succinato se oxida y se convierte en Fumarato. Se forma 1 FADH₂, catalizado por la Succinato Deshidrogenasa.
7. Al Fumarato se le agrega H₂O y forma Malato.
8. El Malato se oxida y forma Oxalacetato, completando el ciclo. Se produce 1 NADH.

Importancia y Regulación

• Importancia: Genera coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) esenciales para la Cadena de Transporte de Electrones, conecta con distintas rutas metabólicas y elimina CO₂.
• Activación: Se activa cuando hay altas concentraciones de ADP y NAD⁺.
• Inhibición: Se inhibe cuando hay altas concentraciones de ATP y NADH.

Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Ubicación: Membrana interna de la mitocondria.

Proceso: Toma los electrones (e⁻) del NADH y FADH₂ y los transfiere a través de complejos proteicos que bombean protones (H⁺), creando un gradiente electroquímico utilizado para sintetizar ATP.

Componentes y Flujo de Electrones

• Complejo I: Recibe e⁻ del NADH y los pasa a la Coenzima Q (Ubiquinona), liberando NAD⁺.
• Complejo II: Recibe e⁻ del FADH₂ y los pasa a la Coenzima Q (Ubiquinona), liberando FADH₂.
• Coenzima Q (Ubiquinona): Transportador móvil de e⁻ (del Complejo I y II al III).
• Complejo III: Recibe e⁻ de la Coenzima Q y los transfiere al Citocromo C.
• Citocromo C: Transportador móvil de e⁻ (del Complejo III al IV).
• Complejo IV: Recibe e⁻ del Citocromo C y los transfiere al O₂, que actúa como aceptor final, formando H₂O.
• ATP Sintasa: Utiliza la energía liberada por el flujo de protones (H⁺) de vuelta a la matriz para catalizar la formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pᵢ).

Mecanismos y Regulación

• Espacio Intermembranoso: Lugar donde se acumulan los protones (H⁺), creando el gradiente.
• Teoría Quimiosmótica: Explica el acoplamiento entre el transporte de electrones y la síntesis de ATP.
• Rendimiento: Se requieren aproximadamente 4 protones (H⁺) para sintetizar un ATP.

Inhibidores y Desacoplantes

• La Oligomicina A inhibe la ATP Sintasa.
• El DNP (Dinitrofenol) es un agente desacoplante de la fosforilación oxidativa.
• La Termogenina libera la energía del gradiente de protones en forma de calor (proceso de termogénesis).