Metabolismo

Es el conjunto de reacciones químicas que producen y consumen energía, y que ocurren dentro de un ser vivo. Dentro del metabolismo se distinguen dos procesos principales: catabolismo y anabolismo.

• El catabolismo consiste en la degradación oxidativa de moléculas más complejas en moléculas más simples, lo que libera energía.
• El anabolismo es la construcción o síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples, lo que requiere un gasto de energía; es decir, en el anabolismo se consume energía.

Para que se produzcan el catabolismo y el anabolismo es necesaria la participación de un tipo especial de proteínas: las enzimas.

Enzimas

Estructura y Funcionamiento

Las enzimas son proteínas (o, en algunos casos, ARN con actividad catalítica llamados ribozimas) que catalizan de forma específica determinadas reacciones bioquímicas. Lo hacen uniéndose a la molécula que se va a transformar, denominada sustrato. La región tridimensional específica de la enzima donde se une y se transforma el sustrato es el centro activo.

El mecanismo general se puede representar como:

E (Enzima) + S (Sustrato) ⇌ ES (Complejo Enzima-Sustrato) → E (Enzima) + P (Producto)

La energía que se requiere para convertir un sustrato en producto (energía de activación) es significativamente menor cuando la reacción es catalizada por una enzima en comparación con la reacción no catalizada o catalizada por otros medios menos eficientes.

Funciones clave de las enzimas:

1. Disminuyen la energía de activación (energía mínima necesaria para que ocurra la reacción) y, por lo tanto, aceleran enormemente la velocidad de las reacciones bioquímicas.
2. Aumentan la velocidad de la reacción sin alterar el equilibrio químico de la misma.
3. Al finalizar la reacción, la enzima queda libre e intacta, pudiendo catalizar la misma reacción múltiples veces.

Factores que Influyen en la Actividad Enzimática

Una característica fundamental de las enzimas es que su actividad es máxima bajo condiciones específicas de pH y Temperatura, existiendo un valor óptimo para cada enzima.

• Temperatura: Las variaciones de temperatura afectan la estructura tridimensional (terciaria y cuaternaria) de las enzimas. Un aumento moderado de la temperatura generalmente incrementa la velocidad de reacción hasta alcanzar una temperatura óptima. Temperaturas superiores a la óptima provocan la desnaturalización de la enzima (pérdida de su estructura tridimensional funcional), alterando irreversiblemente su centro activo y anulando su actividad biológica. Temperaturas muy bajas inactivan la enzima, pero generalmente de forma reversible.
• pH: Las variaciones del pH del medio alteran el estado de ionización de los grupos ácidos y básicos de los aminoácidos de la enzima, especialmente los del centro activo y los que mantienen su estructura tridimensional. Esto modifica su conformación y su capacidad para unirse al sustrato y catalizar la reacción. Cada enzima tiene un pH óptimo de funcionamiento, y desviaciones significativas de este pH disminuyen o anulan su actividad.

Ejemplos:

• Pepsina: enzima digestiva presente en el estómago humano, cuyo pH óptimo es muy ácido (aproximadamente 1,5-2,5). Rompe enlaces peptídicos de las proteínas.
• Tripsina: enzima digestiva que actúa en el intestino delgado, donde el pH es básico o alcalino (pH óptimo alrededor de 8). También rompe enlaces peptídicos.

Cofactores Enzimáticos

Algunas enzimas requieren para su actividad la presencia de componentes no proteicos adicionales. Estas enzimas completas y activas se denominan holoenzimas y están formadas por dos partes:

• Apoenzima: Es la parte exclusivamente proteica de la holoenzima, por sí sola inactiva.
• Cofactor: Es la parte no proteica, esencial para la actividad catalítica.

Los cofactores pueden ser:

• Iones metálicos (activadores): Cationes como Zn²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, que se unen a la apoenzima y participan en la catálisis.
• Moléculas orgánicas complejas (coenzimas): Actúan generalmente como transportadores transitorios de grupos químicos o electrones. Se distinguen dos tipos según la fuerza de su unión a la apoenzima:
  • Grupos prostéticos: Se unen covalentemente o de forma muy estable y permanente a la apoenzima (ejemplo: el grupo hemo en los citocromos).
  • Coenzimas (o cosustratos): Se unen de forma más débil y transitoria a la apoenzima, asociándose y disociándose durante el ciclo catalítico. Muchas derivan de vitaminas. Ejemplos importantes son NAD⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido), FAD (Flavín Adenín Dinucleótido), NADP⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato) y la Coenzima A.

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción que catalizan:

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción (transferencia de electrones).
• Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos funcionales (ej. grupo metilo, amino, fosfato) de una molécula donadora a otra aceptora.
• Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces mediante la adición de una molécula de agua (hidrólisis).
• Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces (C-C, C-S, C-N, C-O) por mecanismos distintos a la hidrólisis o la oxidación, a menudo formando dobles enlaces o añadiendo grupos a dobles enlaces.
• Isomerasas: Catalizan la reorganización de átomos dentro de una molécula, transformando un isómero en otro (ej. L-aminoácido a D-aminoácido, aldosa a cetosa).
• Ligasas (o Sintetasas): Catalizan la unión de dos moléculas, formando nuevos enlaces (C-C, C-S, C-N, C-O), acoplada a la hidrólisis de un enlace de alta energía, generalmente ATP.

La Reacción Enzimática

Especificidad

Una característica distintiva de las enzimas es su alta especificidad. Esto significa que cada enzima cataliza generalmente un solo tipo de reacción química y actúa sobre un sustrato específico o un grupo reducido de sustratos muy relacionados estructuralmente. Esta especificidad se debe a la precisa complementariedad estructural y química entre el centro activo de la enzima y la molécula del sustrato.

Inhibición de la Actividad Enzimática

La actividad de una enzima puede ser disminuida o bloqueada por ciertas moléculas llamadas inhibidores.

• Inhibidores reversibles: Se unen a la enzima de forma no covalente y transitoria, pudiendo disociarse de ella y restaurando la actividad enzimática. Un tipo importante son los inhibidores competitivos, que tienen una estructura similar a la del sustrato y compiten con él por unirse al centro activo.
• Inhibidores irreversibles (venenos): Se unen de forma covalente o muy estable al centro activo o a otros grupos esenciales de la enzima, modificándola permanentemente y suprimiendo por completo su actividad. Muchos venenos y fármacos actúan como inhibidores irreversibles.

Catabolismo de la Glucosa

La glucosa es una fuente principal de energía para la mayoría de los organismos. Su degradación completa para obtener ATP se realiza principalmente a través de la respiración celular aerobia.

La Glucólisis

Es la ruta metabólica inicial de degradación de la glucosa. Ocurre en el citoplasma de prácticamente todas las células.

• Proceso: Una molécula de glucosa (6 carbonos) se rompe en dos moléculas de ácido pirúvico (o piruvato, 3 carbonos).
• Balance neto: Se produce una ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH (poder reductor) por cada molécula de glucosa.
• Organismos: La realizan organismos de todos los reinos (Monera, Protoctista, Fungi, Plantae, Animalia).
• Requerimiento de oxígeno: La glucólisis en sí misma es un proceso anaerobio (no requiere oxígeno). Es el primer paso tanto de la respiración celular (aerobia o anaerobia) como de la fermentación.

Aspectos clave de la glucólisis: molécula inicial (glucosa), producto final (piruvato), balance energético (2 ATP, 2 NADH) y localización celular (citoplasma).

Descarboxilación Oxidativa y Ciclo de Krebs

Si hay oxígeno disponible (en organismos aerobios), el piruvato producido en la glucólisis continúa su oxidación en la mitocondria (en eucariotas).

1. Descarboxilación Oxidativa del Piruvato: El piruvato entra en la matriz mitocondrial y es transformado en acetil-coenzima A (acetil-CoA, 2 carbonos) por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa. En este proceso se libera una molécula de CO₂ y se genera una molécula de NADH por cada piruvato (es decir, 2 CO₂ y 2 NADH por glucosa).
2. Ciclo de Krebs (o Ciclo del Ácido Cítrico): El acetil-CoA entra en este ciclo de reacciones, que también ocurre en la matriz mitocondrial. Por cada acetil-CoA que entra, el ciclo produce: 3 NADH, 1 FADH₂ (otro transportador de electrones), 1 ATP (o GTP, que es energéticamente equivalente) y libera 2 CO₂. Dado que una glucosa produce dos acetil-CoA, el rendimiento total del ciclo de Krebs por glucosa es: 6 NADH, 2 FADH₂, 2 ATP/GTP y 4 CO₂.

El CO₂ liberado en estos procesos es un producto de desecho.

Cadena de Transporte de Electrones (CTE) y Fosforilación Oxidativa (F.O.)

Es la etapa final de la respiración aerobia, donde se obtiene la mayor parte del ATP. Ocurre en la membrana interna de la mitocondria.

• Transporte de Electrones: El NADH y el FADH₂ generados en las etapas anteriores ceden sus electrones de alta energía a la Cadena de Transporte de Electrones (CTE). Esta cadena está formada por una serie de complejos proteicos y moléculas transportadoras (Complejos I-IV, Ubiquinona, Citocromo c) embebidos en la membrana mitocondrial interna. A medida que los electrones pasan a través de la cadena, liberan energía.
• Bombeo de Protones: La energía liberada por el flujo de electrones se utiliza para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso, creando un gradiente electroquímico (una diferencia de concentración de H⁺ y de carga eléctrica a través de la membrana interna).
• Fosforilación Oxidativa: Los protones acumulados en el espacio intermembranoso tienden a regresar a la matriz a favor de su gradiente. Lo hacen a través de un canal proteico asociado a una enzima llamada ATP sintasa. El flujo de protones a través de la ATP sintasa impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (P_i). Este proceso se denomina fosforilación oxidativa porque la síntesis de ATP está acoplada a la oxidación del NADH y FADH₂ y al transporte de electrones.
• Aceptor Final de Electrones: Al final de la CTE, los electrones de baja energía, junto con protones de la matriz, se combinan con el oxígeno molecular (O₂), que actúa como el aceptor final de electrones, para formar agua (H₂O), llamada agua metabólica.

Rendimiento Energético: Se estima que por cada NADH oxidado en la CTE se generan aproximadamente 2.5 ATP, y por cada FADH₂, aproximadamente 1.5 ATP. El rendimiento neto total de la oxidación completa de una molécula de glucosa por respiración aerobia es de unas 30-32 moléculas de ATP (este valor puede variar ligeramente según las lanzaderas usadas para transportar el NADH citosólico a la mitocondria y otros factores).

La respiración celular se denomina aerobia porque requiere oxígeno como aceptor final de electrones.

Fermentación

Las fermentaciones son procesos catabólicos de oxidación incompleta de la glucosa u otros compuestos orgánicos que ocurren en condiciones anaerobias (ausencia de oxígeno).

• No utilizan la cadena de transporte de electrones ni la fosforilación oxidativa.
• El aceptor final de los electrones del NADH generado en la glucólisis es una molécula orgánica derivada del propio sustrato (generalmente del piruvato).
• El objetivo principal es regenerar el NAD⁺ necesario para que la glucólisis pueda continuar produciendo ATP (aunque en pequeña cantidad).
• El rendimiento energético es bajo: solo los 2 ATP netos producidos en la glucólisis.

Fermentación Etílica o Alcohólica

• Proceso: El piruvato se descarboxila primero a acetaldehído (liberando CO₂) y luego el acetaldehído se reduce a etanol, oxidando el NADH a NAD⁺. La enzima clave del último paso es la alcohol deshidrogenasa.
• Organismos: Realizada por ciertas levaduras (como Saccharomyces cerevisiae) y algunas bacterias.
• Aplicaciones: Fabricación de bebidas alcohólicas (vino, cerveza) y panificación (el CO₂ liberado hace que la masa suba).

Fermentación Láctica

• Proceso: El piruvato se reduce directamente a ácido láctico (o lactato) por la enzima lactato deshidrogenasa, oxidando el NADH a NAD⁺.
• Organismos: Realizada por bacterias ácido-lácticas (géneros Lactobacillus, Streptococcus) y también en células animales (como las musculares) durante el ejercicio intenso cuando el aporte de oxígeno es insuficiente.
• Aplicaciones: Producción de derivados lácteos como yogur y queso (la acidificación por el ácido láctico provoca la coagulación de las proteínas de la leche). La acumulación de ácido láctico en los músculos contribuye a la fatiga muscular.
• Localización: Ocurre en el citoplasma.

Catabolismo de los Ácidos Grasos

β-Oxidación de los Ácidos Grasos

Los ácidos grasos, almacenados principalmente como triglicéridos, son una importante reserva energética, proporcionando más energía por gramo que los carbohidratos o las proteínas (aproximadamente 9 kcal/g).

1. Lipólisis: Primero, los triglicéridos almacenados (principalmente en el tejido adiposo) son hidrolizados por lipasas, liberando glicerol y ácidos grasos al torrente sanguíneo.
2. Destino del Glicerol: El glicerol puede ser convertido en dihidroxiacetona fosfato, un intermediario de la glucólisis, y seguir esa ruta metabólica en el hígado y otros tejidos.
3. Activación de los Ácidos Grasos: Antes de ser oxidados, los ácidos grasos deben activarse en el citosol. Esta reacción une el ácido graso a la Coenzima A (CoA) para formar acil-CoA, un proceso que consume el equivalente energético de 2 ATP (ATP → AMP + PPi).
4. Transporte a la Mitocondria: El acil-CoA debe ser transportado desde el citosol al interior de la matriz mitocondrial, donde ocurre la β-oxidación. Este transporte a través de la membrana mitocondrial interna se realiza mediante el sistema de la carnitina.
5. β-Oxidación: En la matriz mitocondrial, el acil-CoA sufre un proceso cíclico llamado β-oxidación. En cada ciclo:
   • La cadena del acil-CoA se acorta en dos átomos de carbono.
   • Se libera una molécula de acetil-CoA.
   • Se produce una molécula de FADH₂.
   • Se produce una molécula de NADH.

   El ciclo se repite hasta que todo el ácido graso se ha convertido en unidades de acetil-CoA.

Ejemplo: β-Oxidación de un Ácido Graso de 12 Carbonos (Acil-CoA 12C)

Consideremos un ácido graso saturado de 12 carbonos. Tras su activación a Acil-CoA (12C), entra en la β-oxidación:

• Número de ciclos de β-oxidación necesarios: (Número de carbonos / 2) – 1 = (12 / 2) – 1 = 5 ciclos.
• Productos generados en los 5 ciclos:
  • Acetil-CoA: Número de carbonos / 2 = 12 / 2 = 6 moléculas.
  • NADH: 1 por ciclo = 5 moléculas.
  • FADH₂: 1 por ciclo = 5 moléculas.

Recordar que la activación inicial consumió el equivalente a 2 ATP.

¿Dónde se produce la β-oxidación?

Principalmente en la matriz mitocondrial (aunque también existe una β-oxidación peroxisomal para ácidos grasos de cadena muy larga).

¿Cuál es el destino del Acetil-CoA formado?

El Acetil-CoA generado entra al Ciclo de Krebs para continuar su oxidación completa a CO₂, produciendo más NADH, FADH₂ y ATP/GTP.

¿Cuál es el destino del NADH y FADH₂ generados?

Tanto el NADH como el FADH₂ producidos durante la β-oxidación (y los del ciclo de Krebs) ceden sus electrones a la Cadena de Transporte de Electrones (CTE), impulsando la síntesis de ATP mediante fosforilación oxidativa.