Rutas Clave del Metabolismo Energético: Piruvato, Ciclo de Krebs y Producción de ATP

Descarboxilación Oxidativa del Ácido Pirúvico: Un Paso Crucial en el Metabolismo

La descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico es un proceso fundamental en el metabolismo energético celular. El ácido pirúvico, obtenido en la glucólisis y en otros procesos catabólicos, atraviesa la membrana de la mitocondria y, en la matriz mitocondrial, sufre una transformación química que se desarrolla en dos fases principales:

1.ª Fase: Descarboxilación

El ácido pirúvico pierde una molécula de CO₂, correspondiente al primer carbono, el cual posee la función ácido. Este paso es esencial para la preparación de la molécula para la siguiente etapa.

2.ª Fase: Oxidación

Al perderse el primer carbono, el segundo carbono de la molécula pasa de tener un grupo cetona a un grupo aldehído. Este grupo se oxida a un grupo carboxilo (formando ácido acético) mediante la reducción de NAD⁺ a NADH + H⁺. En este proceso, interviene la coenzima A (HS-CoA), que se une al ácido acético para formar acetil-coenzima A (Acetil-CoA).

Como resultado de la descarboxilación oxidativa de las dos moléculas de piruvato procedentes de una molécula de glucosa, se producen 2 moléculas de NADH + H⁺ y se originan las primeras 2 moléculas de CO₂.

Importancia Biológica de la Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

La descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico se realiza íntegramente en la matriz mitocondrial. El ácido pirúvico, proveniente de la glucólisis en el citosol, es transportado a la matriz de la mitocondria, donde pierde una molécula de CO₂ y es oxidado para formar ácido acético. Este ácido acético es inmediatamente transferido a una molécula de coenzima A para formar acetil-CoA. Este proceso es catalizado por el complejo enzimático piruvato-deshidrogenasa de la matriz mitocondrial. Los electrones liberados en esta reacción son recogidos por el NAD⁺, que se reduce para formar NADH + H⁺.

La relevancia de este proceso radica en la obtención de la molécula de acetil-coenzima A. Esta molécula es la puerta de entrada al ciclo de Krebs, permitiendo que el proceso de degradación de la glucosa y otras biomoléculas continúe, liberando así una mayor cantidad de energía.

Ciclo de Krebs y Cadena de Transporte de Electrones: Motores de la Energía Celular

El Ciclo de Krebs: Centro Metabólico de Oxidación

El ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. Consiste en una serie de reacciones cíclicas en las cuales los dos átomos de carbono del acetil-CoA se oxidan completamente para formar dos moléculas de CO₂. El acetil-CoA que inicia este ciclo puede proceder no solo de la oxidación de la glucosa, sino también de los ácidos grasos o de los aminoácidos. El ciclo se regula finamente, deteniéndose cuando faltan sustratos o cuando hay un exceso de productos (inhibición enzimática). Por cada molécula de acetil-CoA que es oxidada en el ciclo de Krebs, se forman 3 moléculas de NADH, 1 de FADH₂ y 1 de GTP (un nucleótido energéticamente equivalente al ATP).

La Cadena de Transporte de Electrones: Producción de ATP

La cadena de transporte de electrones (o cadena respiratoria) consiste en un flujo de electrones desde las coenzimas reducidas (NADH + H⁺ o FADH₂) hasta el oxígeno, que actúa como aceptor final. Este transporte se realiza en las crestas mitocondriales, donde se encuentran los complejos proteicos de la cadena. La energía liberada durante este transporte se almacena eficientemente en forma de ATP (adenosín trifosfato), el principal "moneda" energética de la célula. Simultáneamente, las coenzimas transportadoras de electrones se recuperan en su forma oxidada (NAD⁺ y FAD), lo que permite la oxidación continua de nuevas moléculas de glucosa y otras sustancias orgánicas. Como producto final de desecho de este proceso, se obtiene agua.

Procesos Metabólicos Complementarios: Las Fermentaciones

Además de la respiración celular aeróbica, existen otras rutas metabólicas que permiten la obtención de energía en ausencia de oxígeno. A continuación, se listan algunos procesos clave:

• 1. Glucólisis: Ocurre en el hialoplasma (citosol).
• 2. Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria: Se llevan a cabo en la matriz mitocondrial y las crestas mitocondriales, respectivamente.
• 3. Fermentación Láctica: Ocurre en el hialoplasma.
• 4. Fermentación Alcohólica: Ocurre en el hialoplasma.

Fermentación Láctica: Una Estrategia de Supervivencia Celular

En la fermentación láctica, el ácido pirúvico es reducido a ácido láctico por medio del NADH + H⁺. De esta manera, el NAD⁺ se recupera, permitiendo la degradación de nuevas moléculas de glucosa a través de la glucólisis, incluso en condiciones anaeróbicas.

La fermentación láctica también es realizada por las células del músculo esquelético cuando el aporte de oxígeno es insuficiente, como ocurre durante un ejercicio físico intenso. En estas condiciones, las células musculares utilizan la glucosa como combustible, fermentándola a ácido láctico.

Nuestras células musculares emplean la fermentación láctica cuando alcanzamos aproximadamente el 90% de la FCM (frecuencia cardíaca máxima). Si este ácido láctico no se elimina eficientemente, puede acumularse, produciendo fatiga muscular y una sensación de ardor.