La Glucólisis

Es la ruta catabólica que convierte la glucosa en ácido pirúvico (Piruvato), con la producción de  2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH. Tiene lugar en el citoplasma de las células, sin la participación del oxígeno, por lo que se da en condiciones anaeróbicas. Prácticamente todas las células son capaces de realizar este proceso e incluso en algunas de ellas es el único mecanismo para obtener energía.

Se trata de una ruta metabólica formada por 10 reacciones químicas consecutivas, que podemos separar en 2 partes.

• En la primera parte del proceso, se utiliza energía para descomponer la glucosa en 2 moléculas de gliceraldehido 3-fosfato. Esta fase ocurre en 4 reacciones consecutivas. El gliceraldehido 3-fosfato puede convertirse en dihidroxiacetona.
• En la siguiente fase, cada una de estas moléculas se convierte en ácido pirúvico, con la formación de 2 ATP y 1 NADH (por cada uno de ellos). Esta fase ocurre en 5 reacciones consecutivas, en una de las cuales se desprende una molécula de agua.

La ecuación global del proceso es la siguiente.

A partir de este punto, el ácido pirúvico puede seguir diferentes caminos dependiendo de si las células son capaces de utilizar O₂. Si pueden utilizarlo, el piruvato será transformado a Acetil-Co.A para ser degradado completamente hasta CO₂ y H₂O en las mitocondrias. En caso contrario se producirá una fermentación (energéticamente menos rentable para la célula que la degradación completa). 

Independientemente de cuál de los dos caminos siga el piruvato, para que la célula pueda continuar haciendo la glucólisis, es imprescindible que el NAD⁺ consumido en la oxidación de la glucosa sea regenerado en etapas posteriores del metabolismo. En el caso de la respiración celular aeróbea, esto sucede en la cadena de transporte de electrones y en el caso de las fermentaciones en la conversión del piruvato en los productos finales del proceso (etanol, ac.láctico,...)

En la respiración celular aerobia, el piruvato debe convertirse en Acetil-Co.A. Para ello se introduce en la mitocondria donde sufre una descarboxilación (liberándose CO₂) y se produciéndose una molécula de NADH. Esta reacción es irreversible por lo que el piruvato se dirige, irremediablemente, a su oxidación completa en el ciclo de Krebs (del que hablaremos en otro momento).

EL CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, es el núcleo central del metabolismo celular en el que convergen todas las rutas catabólicas destinadas a la obtención de energía (glúcidos, lípidos y proteínas). También es una ruta que puede funcionar de forma anabólica ya que las interconexiones metabólicas son muy complicadas y el recorrido que puede seguir una sustancia depende de las condiciones metabólicas de la célula.

El Acetil-Co.A es el compuesto que ingresa en esta ruta metabólica cíclica, el cual puede provenir de la degradación de los glúcidos, lípidos o proteína. La función del ciclo de Krebs es oxidar el grupo acetil del Acetil-Co.A hasta CO₂, al mismo tiempo que se reduce el NAD+ y el FAD (poder reductor), en una serie de 8 reacciones que ocurren en la matriz mitocondrial.

En cada ciclo se obtienen 3 NADH, 1FADH₂ y 1 GTP (equivalente al ATP en términos energéticos), además de desprenderse 2 moléculas de CO₂ y necesitarse 2 de H₂O.
En el caso de la glucosa, como por su degradación se producen dos ácidos pirúvicos y por cada uno de ellos un Acetil-Co.A, cada una produce la activación del ciclo de Krebs 2 veces, generándose un balance energético total de:

2GTP + 6 NADH +2 FADH₂



El Acetil-Co.A también puede provenir de la degradación de los ácidos grasos. La degradación de estos compuestos, que actúan como reserva energética en los vertebrados, comienza con la hélice de Lynen (ß-oxidación) que produce la liberalización sucesiva de 2 átomos de carbono en forma de Acetil-Co.A. Este ingresa en el ciclo de Krebs produciendo el mismo balance que en el caso de la degradación de la glucosa.

Para que los ácidos grasos puedan degradarse en la mitocondria en la ß-oxidación primero tienen que activarse. Ese proceso de activación requiere del gasto de 2ATP, pero de eso ya hablaremos en otro momento.

¿Como obtienen energía las células?

La mayoria de los seres vivos, unicelulares y pluricelulares, obtienen la energía necesaria para sus procesos vitales a partir de la oxidación de biomoléculas orgánicas. Sin embargo, no todos lo hacen de la misma manera.

En el caso más habitual, la oxidación de los compuestos orgánicos se realiza de forma completa (aunque gradualmente en diferentes pasos) hasta H₂O y CO₂. El último aceptor de los electrones de la oxidación de materia orgánica es el O₂presente en la atmosfera (motivo por el que necesitamos respirar). A este proceso se le llama Respiración celular aerobia, en el que es imprescindible la participación de la mitocondria, a las que se les suele denominar las centrales energéticas de las células (lugar donde se realiza la mayor parte de la degradación de los compuestos orgánicos y donde se produce la mayor parte de la energía).

Existe otro tipo de organismos en los cuales el aceptor de los electrones de la degradación de la materia orgánica no es el O₂, sino otra molécula orgánica o inorgánica (como el sulfato o nitrato). Los electrones son transferidos a estas moléculas en una cadena de transporte de electrones análoga a la que se produce en las mitocondrias de los organismos que realizan la respiración aerobia, aunque no tiene lugar en las mitocondrias.  Sin embargo, estos compuestos aceptores de los electrones de la degradación de la materia orgánica poseen un potencial de reducción menor que el del oxígeno, por lo que, partiendo de los mismos substratos, obtienen menos rendimiento energético en su metabolismo. Estos organismos realizan una Respiración celular anaeróbica.

 
Los organismos Fermentadores, determinadas bacterias y hongos, son incapaces de realizar la degradación completa de la materia orgánica hasta CO₂ y H₂O, por lo que realizan una degradación incompleta en la que el aceptor final de los electrones es siempre una molécula orgánica, obteniendo menos energía que en los casos en los que se produce una cadena de transporte de electrones (respiración anaeróbica y aeróbica).

Los diferentes tipos de células utilizan, en la mayoria de los casos, los glúcidos, lípidos y proteínas como combustible bioquímico. Cuál de ellos utilizar no depende tanto de la cantidad de energía que produzca su degradación como de la facilidad de su degradación y movilización dependiendo de las condiciones de la célula.

La glucosa es la principal fuente de energía para las células. Su degradación comienza con la glucólisis, que pueden realizar todas las células, y los pasos siguientes dependen del tipo de metabolismo que sea capaz de realizar la célula. En el caso de no disponer de glucosa, las células son capaces de utilizar otros monosacáridos, principalmente hexosas, previa conversión a glucosa. 

Cadena de transporte de electrones mitocondrial

La cadena respiratoria, cadena de transporte de electrones o fosforilación oxidativa, ocurre en la membrana interna de las mitocondrias y es el principal mecanismo de producción de ATP en los organismos heterótrofos. En este proceso, el ATP se forma a partir del ADP y  Pi acoplado al transporte de electrones desde el NADH y FADH2 hasta el O2, que actúa como ultimo aceptor de los electrones de la cadena respiratoria (este es el motivo por el que se le llama cadena de transporte de electrones).

 La cadena respiratoria comienza cuando el NADH cede sus electrones a una primera molécula aceptora (el complejo I). De este modo el NADH se oxida, quedando reducido a NAD⁺, y puede volver a participar en aquellas reacciones que lo necesitan (glucólisis, conversión del piruvato a Acetil-Co.A, ciclo de Krebs,…). El complejo I cede inmediatamente los electrones a otro complejo proteico (III), mediante una proteína intermediaria, la Ubiquinona. A su vez, el complejo III le cede los electrones al complejo IV, gracias a la participación del Citocromo c. Finalmente, el complejo IV cede los electrones al O₂, ultimo aceptor de los electrones de la cadena de transporte, el cual se une a H⁺para formar H₂O.

El flujo de electrones es energéticamente favorable a través de los diferentes integrantes de la cadena (cada componente tiene mayor potencial redox que el que le precede y menos que el siguiente, de modo que la cesión de los electrones es termodinámicamente posible). De esta manera, la energía se va liberando poco a poco.

Como se observa en el esquema, los complejos proteicos I,III y IV son capaces, gracias a la energía que se va perdiendo en el transporte de electrones, de transferir H⁺desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso (son proteínas transmembranosas). Con este mecanismo, se consigue crear un gradiente entre ambos lados de la membrana interna mitocondrial. La membrana intentará corregir este gradiente, dejando entrar los H+ a la matriz a favor de gradiente (proceso que no consume energía). Al hacerlo, los H+ se hacen pasar por una enzima, la ATP-asa, que utiliza la energía liberada en este proceso para unir Pi al ADP, formando ATP (fosforilación oxidativa del ATP).

La oxidación del FADH₂sigue un proceso ligeramente diferente. En este caso, los electrones se los cede al complejo II, que no es una proteína transmembranosa, la cual le cede los electrones a la ubiquinona, siguiendo entonces el mismo recorrido que en el caso anterior (complejo III, citocromo c, complejo IV y O₂).

Por cada NADH que cede sus electrones en la cadena respiratoria, la ATP-asa es capaz de formar 3 moléculas de ATP, mientras que por cada FADH2 solo se forman 2 ATP.

La teoría quimiosmótica, propuesta por Peter Michel, explica como la energía derivada del transporte de electrones en la cadena mitocondrial está acoplada a la síntesis de ATP (el mecanismo que se ha explicado). Es decir, que la energía acumulada en las moléculas con poder reductor, NADH y FADH2, no se transfiere directamente al ATP, sino que se utiliza para generar un gradiente de H+ entre ambos lados de la membrana interna mitocondrial, que es el que permite la formación de ATP por la ATP-sintetasa(aprovechando la energía generada por la entrada de los mismos H+ a favor de gradiente, proceso que no necesita del aporte externo de energía)