Metabolismo Energético Celular: Glucólisis, Ciclo de Krebs y Respiración

Metabolismo de la Glucosa: Obtención de Energía Celular

Glucólisis: La Ruptura Inicial de la Glucosa

La glucólisis es la secuencia de reacciones que convierten una molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico (o piruvato). Este proceso es fundamental y se lleva a cabo en el citoplasma de prácticamente todas las células vivas, tanto procariotas como eucariotas.

Durante la glucólisis ocurren eventos clave:

• En cierto momento, se reduce una molécula de NAD+ a NADH + H+, almacenándose parte de la energía liberada de la oxidación parcial de la glucosa.
• En los pasos finales, moléculas de ADP toman energía del sistema, fosforilándose a ATP (fosforilación a nivel de sustrato).

La ganancia neta de la glucólisis, es decir, la energía recuperada por cada molécula de glucosa, es:

• Dos moléculas de ATP.
• Dos moléculas de NADH.

Las dos moléculas de ácido pirúvico resultantes contienen todavía una gran parte de la energía química que se encontraba almacenada en la molécula de glucosa original.

Ciclo del Ácido Cítrico o Ciclo de Krebs

¿Qué ocurre en el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs? ¿En dónde se da este ciclo?

El Ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico) es una ruta metabólica clave que se desarrolla dentro de la matriz mitocondrial en las células eucariotas. Antes de ingresar al ciclo, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis se convierte en Acetil-CoA.

En cada vuelta del ciclo:

• El grupo acetilo del Acetil-CoA se oxida completamente a CO2.
• Se produce una molécula de ATP (o GTP, que es energéticamente equivalente).
• Se generan tres moléculas de NADH.
• Se genera una molécula de FADH2.

Estas moléculas (ATP, NADH y FADH2) representan la producción de energía de este ciclo. Dado que una molécula de glucosa produce dos moléculas de ácido pirúvico (y por tanto, dos de Acetil-CoA), se necesitan dos vueltas del ciclo para completar la oxidación de una molécula de glucosa.

Así, el rendimiento energético total del Ciclo de Krebs para una molécula de glucosa es:

• Dos moléculas de ATP (o GTP).
• Seis moléculas de NADH.
• Dos moléculas de FADH2.

Cadena Transportadora de Electrones y Fosforilación Oxidativa

¿Cuál es el producto final de la cadena transportadora de electrones? ¿Dónde ocurre?

La etapa final de la respiración aeróbica es el transporte terminal de electrones, acoplado a la fosforilación oxidativa. Este proceso ocurre en la membrana interna de la mitocondria.

Involucra a una cadena de transportadores de electrones y enzimas embebidas en esta membrana. A lo largo de esta cadena:

• Los electrones de alta energía transportados por el NADH (de la glucólisis y del Ciclo de Krebs) y por el FADH2 (del Ciclo de Krebs) van "cuesta abajo" energéticamente.
• Los electrones son transferidos de molécula en molécula hasta llegar al aceptor final de electrones, que es el oxígeno (O2).
• Al aceptar los electrones y combinarse con protones (H+), el oxígeno se reduce para formar agua (H2O).
• La energía liberada durante el transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico.
• Este gradiente impulsa la síntesis de grandes cantidades de ATP a través de la enzima ATP sintasa (fosforilación oxidativa).

Por lo tanto, aunque el agua es un subproducto químico, el resultado energético principal y crucial de la cadena transportadora de electrones es la producción de la mayor parte del ATP celular generado en la respiración aeróbica.

Diferencias entre Respiración Aeróbica y Fermentación

Diferenciar respiración y fermentación.

La principal diferencia radica en la presencia o ausencia de oxígeno y el destino del ácido pirúvico:

• Respiración Aeróbica: Requiere oxígeno como aceptor final de electrones. Oxida completamente la glucosa a CO2 y H2O, pasando por la glucólisis, el Ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones. Genera una gran cantidad de ATP (hasta 38 moléculas teóricas por glucosa).
• Fermentación: Ocurre en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno). Solo incluye la glucólisis. El ácido pirúvico se transforma en otros compuestos orgánicos (como etanol o ácido láctico) para regenerar el NAD+ necesario para que la glucólisis continúe. La fermentación no produce ATP adicional más allá del generado en la glucólisis (2 ATP netos), pero es esencial para mantener la producción de ATP en ausencia de oxígeno.

Regulación del Metabolismo Energético

Los procesos de oxidación de la glucosa y la respiración aeróbica están finamente regulados para que la célula disponga siempre de cantidades adecuadas de ATP según sus necesidades energéticas.

• Control Enzimático Clave: La regulación se lleva a cabo mediante el control de enzimas que participan en pasos clave de estas vías metabólicas (ej. fosfofructoquinasa en la glucólisis).
• Retroalimentación (Feedback): La regulación enzimática por retroalimentación permite controlar las velocidades de reacción de forma casi instantánea en respuesta a fluctuaciones en el metabolismo (ej. altos niveles de ATP inhiben pasos tempranos).
• Regulación a Largo Plazo (Fosforilación): Las células tienen mecanismos de regulación enzimática a más largo plazo que involucran la fosforilación (adición de grupos fosfato) llevada a cabo por las quinasas, y la desfosforilación (remoción de grupos fosfato) por parte de las fosfatasas. La fosforilación de enzimas específicas puede activarlas o inactivarlas, regulando así los procesos metabólicos.

La actividad de la glucólisis y la respiración están, por tanto, sincronizadas con las necesidades energéticas de la célula.

Metabolismo del Glucógeno y Gluconeogénesis

Explicar en qué consiste la glucogenogénesis y la glucogenolisis. ¿Bajo qué circunstancias se da cada una de ellas? Explicar a qué se llama gluconeogénesis.

Glucogenogénesis

La glucogenogénesis es la ruta metabólica anabólica para la síntesis de glucógeno (un polisacárido de reserva) a partir de glucosa. Se activa principalmente cuando hay exceso de glucosa en sangre (ej. después de una comida rica en carbohidratos), permitiendo almacenar la glucosa para uso futuro, sobre todo en el hígado y el músculo.

Glucogenolisis

La glucogenolisis es el proceso catabólico que hace referencia a la degradación de glucógeno almacenado para liberar glucosa (o glucosa-6-fosfato). Se activa cuando los niveles de glucosa en sangre bajan (ej. durante el ayuno o el ejercicio), proporcionando glucosa rápidamente disponible para mantener la glucemia (hígado) o para la contracción muscular (músculo).

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es una ruta metabólica, principalmente anabólica, que permite la biosíntesis de glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos, como lactato, piruvato, glicerol y ciertos aminoácidos. Ocurre fundamentalmente en el hígado y, en menor medida, en el riñón.

Circunstancias: La gluconeogénesis es crucial para cubrir las necesidades corporales de glucosa cuando no está disponible en cantidades suficientes en la alimentación (ej. ayuno prolongado) o cuando las reservas de glucógeno se agotan. Es esencial porque:

• Se requiere un suministro constante de glucosa como fuente de energía para el sistema nervioso y los eritrocitos.
• La glucosa es el combustible principal que suministra energía al músculo esquelético en condiciones de anaerobiosis (aunque el músculo no exporta glucosa).

Rendimiento Energético Global

Es posible calcular el rendimiento energético global de la oxidación completa de la glucosa. Considerando todos los pasos (glucólisis, oxidación del piruvato, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa), la degradación aeróbica de una molécula de glucosa puede dar como resultado un máximo teórico de aproximadamente 30 a 38 moléculas de ATP, dependiendo de los mecanismos de lanzadera utilizados para transportar el NADH citosólico a la mitocondria y otros factores.