Catabolismo: La Obtención de Energía Celular

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, y su finalidad es la obtención de energía. En él, las moléculas orgánicas complejas y ricas en energía se transforman en otras más sencillas y menos energéticas, liberando energía que será almacenada en forma de ATP y empleada por el organismo para la realización de todas sus actividades. Los procesos catabólicos son similares en los organismos autótrofos y heterótrofos. Ambos son procesos oxidativos y exergónicos.

Tipos de Procesos Catabólicos

• Respiración celular: Los compuestos orgánicos se oxidan completamente y la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico. Se libera mucha energía.

  • Aeróbica:

    Si el aceptor final de electrones es el oxígeno y se forma agua.

  • Anaeróbica:

    Si el aceptor final es una sustancia distinta al oxígeno (NO₃⁻, SO₄²⁻).

• Fermentación: Los compuestos orgánicos sufren una oxidación incompleta y la molécula que se reduce es siempre orgánica. Se obtiene menos energía que en la respiración y siempre se obtiene un compuesto orgánico.

Catabolismo de Glúcidos: La Ruta de la Glucosa

En primer lugar, se hidrolizarán los polisacáridos y disacáridos ingeridos, o bien el glucógeno o almidón en el que se almacenan los monosacáridos. La glucosa es el más abundante de ellos, por lo que su degradación se tomará como ejemplo.

Glucólisis: El Inicio de la Degradación de Glucosa

La glucólisis es una ruta catabólica anaerobia, pues no se necesita oxígeno para llevarla a cabo, y ocurre en el citosol. En ella, una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico, generando dos ATP y dos NADH + H⁺ (poder reductor). Este proceso se lleva a cabo en 9 pasos, los cuales se pueden agrupar en dos etapas: una preparatoria, en la que la glucosa se fosforila y fragmenta hasta obtener dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato; y una de degradación, en la que se produce la oxidación que formará el ácido pirúvico, el ATP y el poder reductor.

Así, el balance global de la glucólisis será:

1 Glucosa (C₆H₁₂O₆) + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pᵢ → 2 Ácido Pirúvico + 2 NADH + H⁺ + 2 ATP

Estos productos de la glucólisis seguirán distintas vías según se encuentren en condiciones aerobias o anaerobias:

• En condiciones aerobias: Los productos van a la mitocondria: el ácido pirúvico al ciclo de Krebs y el NADH + H⁺ a la cadena respiratoria. Esta es la ruta más común en las células.
• En condiciones anaerobias: Sigue la vía de las fermentaciones, en el citosol. Ocurre en levaduras y bacterias, y en ocasiones en células musculares.

Ciclo de Krebs: El Centro del Metabolismo Aerobio

Si las condiciones son aerobias, el ácido pirúvico va a la mitocondria, donde continúa su oxidación. Pero para entrar en la mitocondria, debe atravesar su doble membrana, para lo cual sufre un proceso denominado descarboxilación oxidativa y se convierte en acetil-CoA.

Este proceso es catalizado por el complejo piruvato deshidrogenasa, obteniéndose NADH + H⁺ y liberándose CO₂.

El acetil-CoA ya puede entrar en el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. Primero, se une a una molécula de cuatro carbonos, el ácido oxalacético, formándose ácido cítrico (6 carbonos). Como penetra una molécula de dos carbonos, se producen dos descarboxilaciones, quedando así completamente degradada y con la consiguiente liberación de dos moléculas de CO₂. También se producen cuatro oxidaciones o deshidrogenaciones, con lo que se obtienen cuatro moléculas de poder reductor: 3 NADH + H⁺ y 1 FADH₂. Y se obtiene energía: una molécula de GTP.

Como en la glucólisis se produjeron dos moléculas de ácido pirúvico, serán necesarias dos vueltas del ciclo de Krebs para degradar completamente una molécula de glucosa. Con lo cual, por cada molécula de glucosa se obtienen en este ciclo:

4 CO₂ + 6 NADH + H⁺ + 2 FADH₂ + 2 GTP

Las coenzimas irán a la cadena respiratoria, el CO₂ se elimina del organismo y el GTP se emplea para las actividades de la célula.

En el ciclo de Krebs confluyen distintas vías catabólicas, e incluso anabólicas, por lo que se considera el centro del metabolismo aerobio. Es un ciclo anfibólico, es decir, tanto catabólico (porque se degrada el ácido pirúvico) como anabólico (porque es el punto de partida para la síntesis de otras biomoléculas, como los aminoácidos).

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa: La Gran Producción de ATP

La cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones se localiza en las células eucariotas en las crestas de la membrana interna de las mitocondrias y en las bacterias en los mesosomas. Está formada por una serie de proteínas a través de las cuales son transportados los electrones, liberados en las oxidaciones, hasta el oxígeno molecular, que es el aceptor final de los mismos, formándose agua al unirse a los hidrógenos. Los electrones proceden de las coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) y son cedidos al primer transportador. Cada transportador de la cadena se oxida al ceder electrones, y el siguiente se reduce al aceptarlos. Como la energía liberada durante la oxidación es mayor que la consumida para la reducción, en cada paso hay un sobrante de energía que se invierte en la síntesis de ATP.

En la actualidad, el modelo más aceptado para explicar esto es la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, según la cual la energía liberada en el transporte de electrones se emplea para bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana, donde se acumulan, creándose así un gradiente electroquímico. Cuando estos protones vuelven a la matriz mitocondrial a favor de gradiente, lo hacen atravesando las partículas F o complejos enzimáticos ATP sintasas, suministrándoles la energía necesaria para la síntesis de ATP. A este proceso se le denomina fosforilación oxidativa. Se ha calculado que por cada NADH + H⁺ que ingresa en la cadena respiratoria se obtienen 3 ATP, mientras que por cada FADH₂ solo se obtienen 2 ATP.

Es interesante mencionar que puede existir un desacoplamiento en el transporte electrónico de la fosforilación oxidativa, reduciéndose la energía obtenida en el proceso y liberándose en forma de calor. En las mitocondrias de los cuerpos pardos de los osos hibernantes y de los mamíferos recién nacidos, existen unos canales por los que pasan los protones a favor de gradiente, pero la energía que se libera es en forma de calor, en vez de ser empleada para la obtención de ATP.

Rendimiento Energético de la Respiración de una Molécula de Glucosa

• En la glucólisis:

  1 Glucosa + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pᵢ ⟶ 2 Ácido Pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + H⁺

• En la descarboxilación oxidativa:

  2 Ácido Pirúvico + 2 CoA-SH + 2 NAD⁺ ⟶ 2 Acetil-CoA + 2 CO₂ + 2 NADH + H⁺

• En el ciclo de Krebs:

  2 Acetil-CoA + 6 H₂O + 6 NAD⁺ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pᵢ ⟶ 4 CO₂ + 6 NADH + H⁺ + 2 FADH₂ + 2 GTP + 2 CoA-SH.

• Cadena respiratoria:

  10 NADH + H⁺ + 30 ADP + 30 Pᵢ + 5 O₂ ⟶ 10 NAD⁺ + 30 ATP + 10 H₂O2 FADH₂ + 4 ADP + 4 Pᵢ + O₂ ⟶ 2 FAD + 4 ATP + 2 H₂O

Si se suman y se simplifican, se obtiene el balance global de la respiración aerobia de una molécula de glucosa:

1 C₆H₁₂O₆ (Glucosa) + 6 O₂ ⟶ 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 ATP + 2 GTP