Rutas Metabólicas Centrales: Oxidación de Glucosa, Ciclo de Krebs y Producción de ATP

Metabolismo de la Glucosa: Vías de Producción de Energía y Precursores

Ruta de las Pentosas Fosfato (Ruta del Fosfogluconato)

Esta vía metabólica es crucial para la producción de NADPH y precursores de nucleótidos. Se desarrolla en el citosol y consta de las siguientes etapas:

1. Fosforilación inicial: Glucosa se convierte en Glucosa-6-Fosfato (Glucosa-6-P).
2. Fase Oxidativa: Oxidación de Glucosa-6-P a Ribulosa-5-Fosfato (Ribulosa-5-P) con la liberación de CO₂.
3. Producción de NADPH: En esta fase se genera Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato reducido (NADPH), esencial para las reacciones de biosíntesis y la defensa antioxidante.
4. Fase No Oxidativa: Ribulosa-5-P se transforma en una mezcla de azúcares fosfatados de 3 a 7 carbonos.
5. Reciclaje: Se producen Piruvato y Fructosa-6-P (precursores que pueden reingresar al ciclo glucolítico).

Por cada molécula de glucosa que ingresa, se obtiene 1 CO₂. La oxidación de 6 moléculas de glucosa supone la oxidación completa de 1 molécula de glucosa. Rendimiento energético total reportado: 1 ATP.

Glucólisis Específica en Procariotas

Ruta de Entner-Doudoroff

Esta ruta es específica de ciertos procariotas, especialmente bacterias Gram negativas (G⁻). A diferencia de la glucólisis clásica (Embden-Meyerhof-Parnas), su rendimiento energético es menor.

• Rendimiento: 1 ATP por molécula de glucosa.

Destino del Piruvato: Aerobiosis vs. Anaerobiosis

El Piruvato, producto final de la glucólisis, tiene dos destinos principales dependiendo de la disponibilidad de oxígeno:

• Aerobiosis: Oxidación completa a CO₂ y H₂O a través de la Respiración Aerobia (incluyendo el Ciclo de Krebs y la Cadena de Transporte de Electrones).
• Anaerobiosis: Reducción a diferentes compuestos orgánicos mediante la Fermentación.

Si el aceptor final de electrones (e⁻) es el oxígeno, se produce la Respiración Aerobia. Si es un compuesto inorgánico, se produce la Respiración Anaerobia. La respiración permite la oxidación completa de compuestos orgánicos hasta CO₂.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs es la vía central del metabolismo oxidativo, donde el Piruvato se oxida completamente hasta CO₂. Consta de dos etapas principales:

Etapa 1: Formación de Acetil-CoA

Proceso de descarboxilación oxidativa del Piruvato:

• Pérdida de 1 CO₂ (que se transforma en acetilo).
• Unión a la Coenzima A, formando Acetil-CoA.
• El NAD⁺ se reduce a NADH.

Etapa 2: El Ciclo Propiamente Dicho

Esta etapa se divide en subetapas basadas en el número de carbonos de los intermediarios:

1. Subetapa de 6 carbonos: Liberación de la Coenzima A.
2. Doble Descarboxilación: Liberación de 2 moléculas de CO₂.
3. Subetapa de 4 carbonos: Serie de oxidorreducciones que regeneran el Oxalacetato.

Balance Energético de la Oxidación de la Glucosa (Respiración Aerobia)

1. Glucólisis (Glucosa a 2 Piruvato)

• 2 Fosforilaciones iniciales: -2 ATP
• Fosforilación a nivel de sustrato: +4 ATP
• NADH producido (2 NADH): Se reoxida en la Cadena de Transporte de Electrones (CTE): 2 x 3 ATP = +6 ATP
• Total Neto Glucólisis: 8 ATP

2. De Piruvato a Acetil-CoA (2 moléculas)

• 2 Descarboxilaciones: -2 CO₂
• NADH producido (2 NADH): Se reoxida en la CTE: 2 x 3 ATP = +6 ATP
• Total Neto Transición: 6 ATP

3. Ciclo de Krebs (2 vueltas por glucosa)

Por cada molécula de glucosa (dos moléculas de Acetil-CoA):

• Descarboxilaciones: -4 CO₂
• NADH producido (6 NADH): Se reoxida en la CTE: 6 x 3 ATP = +18 ATP
• FADH₂ producido (2 FADH₂): Se reoxida en la CTE: 2 x 2 ATP = +4 ATP
• GTP producido (2 GTP): Equivalente a +2 ATP
• Total Neto Ciclo de Krebs: 24 ATP

Rendimiento Total de la Respiración Aerobia:

1 Glucosa → 6 CO₂. Total = 8 ATP (Glucólisis) + 6 ATP (Transición) + 24 ATP (Krebs) = 38 ATP.

Respiración Anaerobia

En algunas bacterias, la Cadena de Transporte de Electrones (CTE) puede operar utilizando aceptores de electrones inorgánicos distintos al oxígeno.

Ejemplos de Aceptores Inorgánicos

1. Reducción Desasimilatoria del Nitrato:
   • El nitrato (NO₃⁻) se reduce a nitrito (NO₂⁻).
   • Se requiere mucho nitrato para producir ATP.
   • El nitrito formado es tóxico y puede reducirse aún más hasta nitrógeno gaseoso (N₂).
2. Desnitrificación:
   • Pérdida de nitrógeno (N₂) del suelo, común en suelos ricos en nitrógeno.
   • Implica enzimas específicos acoplados a la CTE.
3. Utilización de CO₂ (o Carbonatos):
   • Aceptor de electrones en Bacterias Metanogénicas (anaerobias estrictas), produciendo metano (CH₄).
4. Reducción Desasimilatoria de Sulfatos:
   • El sulfato (SO₄²⁻) se reduce hasta sulfuro (S²⁻).
   • Característico de bacterias anaerobias estrictas.

Conclusiones sobre la Eficacia Energética

La respiración anaerobia no es tan eficaz en la síntesis de ATP como la respiración aerobia, ya que se dispone de menos energía libre para su síntesis. Esto se debe a que los aceptores de electrones inorgánicos poseen potenciales de reducción menos positivos que el oxígeno (E⁰' NADH + Nitrato < E⁰' NADH + Oxígeno).