Metabolismo: catabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula para mantener la vida. Se divide en dos fases interconectadas: el anabolismo (síntesis de moléculas complejas con gasto de energía) y el catabolismo.

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo. Su objetivo es transformar moléculas orgánicas complejas (glúcidos, lípidos, proteínas) en moléculas más sencillas ($CO_2$, $H_2O$, $NH_3$) para liberar la energía química contenida en sus enlaces. Las rutas catabólicas son convergentes: a partir de muchos sustratos diferentes, se obtienen unos pocos productos finales comunes.

La energía liberada no se disipa totalmente como calor, sino que se captura en forma de ATP (Adenosín Trifosfato). El ATP actúa como la moneda energética universal de la célula, permitiendo el acoplamiento entre las reacciones que liberan energía (exergónicas) y las que la requieren (endergónicas).

En el catabolismo, la energía se obtiene principalmente mediante reacciones de oxidación-reducción (redox). Oxidarse significa perder electrones (o hidrógeno), mientras que reducirse significa ganarlos.

Como las células no pueden tener electrones libres, utilizan coenzimas transportadores:

• $NAD^+$ / $NADH$: Principal transportador en la respiración celular.
• $FAD$ / $FADH_2$: Utilizado en el ciclo de Krebs.
• $NADP^+$ / $NADPH$: Principalmente usado en procesos anabólicos.

El flujo de electrones desde moléculas con bajo potencial de reducción (como la glucosa) hacia moléculas con alto potencial (como el oxígeno) es lo que genera la energía necesaria para sintetizar ATP.

Las reacciones metabólicas no ocurren espontáneamente a una velocidad útil; requieren enzimas. Estas proteínas actúan disminuyendo la energía de activación, permitiendo que la reacción suceda rápidamente a temperatura corporal.

La regulación es vital para evitar el caos metabólico. Se realiza mediante:

1. Regulación alostérica: Moléculas que se unen a un sitio distinto del activo para activar o inhibir la enzima.
2. Control hormonal: Hormonas como la insulina o el glucagón que señalizan el estado energético del organismo.

La glucólisis es la ruta inicial de degradación de la glucosa y ocurre íntegramente en el citosol de la célula, sin necesidad de oxígeno. Se divide en dos etapas principales:

1. Fase de inversión de energía: Se consumen 2 moléculas de ATP para "activar" la glucosa y dividirla en dos moléculas de tres carbonos (Gliceraldehído-3-fosfato).
2. Fase de beneficio energético: Las dos moléculas de tres carbonos se oxidan, permitiendo la síntesis de ATP y NADH.

Por cada molécula de glucosa ($C_6H_{12}O_6$) que entra en la glucólisis, se obtiene:

• 2 Piruvatos ($CH_3-CO-COOH$).
• 2 ATP (netos), formados por fosforilación a nivel de sustrato.
• 2 NADH + 2 $H^+$.

El destino del piruvato dependerá de la disponibilidad de oxígeno: si hay oxígeno, irá a la mitocondria; si no, realizará una fermentación.

El principal punto de control es la enzima Fosfofructoquinasa-1 (PFK-1). Esta enzima es inhibida por altos niveles de ATP (la célula tiene energía de sobra) y activada por el AMP. El Efecto Pasteur describe cómo el consumo de glucosa disminuye drásticamente cuando una célula pasa de condiciones anaeróbicas a aeróbicas, debido a la mayor eficiencia de la respiración.

Para entrar en el ciclo de Krebs, el piruvato debe viajar del citosol a la matriz mitocondrial. Allí, el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa realiza tres pasos:

1. Elimina un grupo carboxilo (libera $CO_2$).
2. Oxida el grupo restante (reduce $NAD^+$ a $NADH$).
3. Une el grupo acetilo resultante a la Coenzima A, formando Acetil-CoA.

El ciclo de Krebs es una ruta cíclica donde el Acetil-CoA ($2C$) se condensa con el oxalacetato ($4C$) para formar citrato ($6C$). A lo largo del ciclo, ocurren descarboxilaciones y oxidaciones. Por cada vuelta del ciclo (una por cada acetilo) se produce:

• 2 $CO_2$ (residuos).
• 3 NADH y 1 $FADH_2$.
• 1 GTP (equivalente a ATP).

Se dice que el ciclo de Krebs es anfibólico porque tiene una doble función:

• Catabólica: Oxida grupos acetilo para obtener energía.
• Anabólica: Sus intermediarios (como el $\alpha$-cetoglutarato) sirven como precursores para sintetizar aminoácidos o ácidos grasos. Las reacciones anapleróticas son aquellas que reponen los intermediarios del ciclo cuando estos se agotan por las rutas biosintéticas.

Los electrones capturados por el NADH y $FADH_2$ son cedidos a una serie de transportadores situados en la membrana mitocondrial interna. Estos incluyen los Complejos I, II, III y IV, además de la ubiquinona y el citocromo c. El aceptor final de electrones es el oxígeno, que al reducirse y unirse a protones forma agua ($H_2O$).

A medida que los electrones saltan de un complejo a otro, se libera energía. Esta energía se utiliza para bombear protones ($H^+$) desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Esto crea un gradiente electroquímico (diferencia de carga y concentración). La acumulación de protones genera una fuerza protón-motriz que busca regresar a la matriz.

Los protones solo pueden volver a la matriz a través de un canal especial: la ATP-sintasa. Esta enzima funciona como una turbina molecular: el paso de protones hace girar la subunidad $F_1$, lo que provoca un cambio conformacional que une ADP y Pi para formar ATP.

El rendimiento total teórico de la oxidación completa de una glucosa es de aproximadamente 36-38 ATP, una eficiencia mucho mayor que la de la fermentación.

Cuando no hay oxígeno, la cadena de transporte se detiene y el NADH no puede oxidarse allí. Para que la glucólisis no se pare por falta de $NAD^+$, la célula realiza la fermentación. Es un proceso de oxidación incompleta donde el aceptor final es un compuesto orgánico. Su rendimiento es muy bajo: solo 2 ATP por glucosa.

El piruvato se reduce directamente a lactato gracias a la enzima lactato deshidrogenasa, oxidando el NADH en el proceso.

• Ejemplo: Ocurre en nuestras células musculares durante un ejercicio intenso cuando el aporte de oxígeno es insuficiente, y en bacterias como Lactobacillus (yogur).

El piruvato se descarboxila primero a acetaldehído (liberando $CO_2$) y luego este se reduce a etanol.

• Ejemplo: Realizada por levaduras como Saccharomyces cerevisiae. Es la base de la industria del pan (por el $CO_2$) y de las bebidas alcohólicas.

Los triglicéridos se hidrolizan en glicerina y ácidos grasos. Los ácidos grasos entran en la mitocondria (ayudados por la carnitina) y sufren la $\beta$-oxidación. En este proceso, la cadena de carbono se va cortando de dos en dos, produciendo una molécula de Acetil-CoA en cada ciclo, además de NADH y $FADH_2$.

• Rendimiento: Es mucho más elevado que el de los glúcidos. Un ácido graso de 16 carbonos puede generar más de 100 ATP.

Las proteínas no suelen usarse como fuente de energía salvo en caso de ayuno prolongado. El proceso incluye:

1. Transaminación: Transferencia del grupo amino a un cetoácido.
2. Desaminación oxidativa: Liberación del grupo amino en forma de amoníaco ($NH_3$), que es tóxico y se elimina mediante el ciclo de la urea.
3. El esqueleto carbonado resultante entra en diferentes puntos del ciclo de Krebs.

El metabolismo no es una serie de vías aisladas, sino una red interconectada. El Acetil-CoA es la encrucijada metabólica más importante, donde convergen glúcidos, lípidos y aminoácidos. La célula adapta sus rutas según las necesidades: en estado de saciedad activa el anabolismo, y en estado de necesidad energética prioriza el catabolismo para mantener los niveles de ATP constantes.