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Metabolismo humano

Dentro de las células, los nutrientes se ven involucrados en una casi interminable cadena de reacciones bioquímicas. Al conjunto de todas estas reacciones se le conoce como metabolismo, un término genérico de amplio alcance que engloba todas las reacciones químicas necesarias para mantener la vida.

Los procesos metabólicos pueden ser tanto anabólicos (de síntesis de sustancias) como catabólicos (de descomposición de sustancias).

Anabolismo

El anabolismo incluye las reacciones en las que se construyen grandes moléculas o estructuras partiendo de moléculas o estructuras más pequeñas, por ejemplo, el enlace de amino ácidos para formar proteínas, o el vínculo de lípidos y proteínas para formar las membranas celulares.

Catabolismo

El catabolismo incluye al gran número de procesos y reacciones bioquímicas que descomponen estructuras o moléculas complejas en otras más simples. Son catabólicos los procesos de hidrólisis de los alimentos durante la digestión y también la llamada respiración celular que incluye un grupo de reacciones por las cuales los nutrientes energéticos, especialmente la glucosa, se descomponen dentro de las células liberando energía. Una parte de la energía liberada se captura para formar ATP, (trifosfato de adenosina) la divisa energética de la célula.

El uso del ATP como fuente motriz de la química celular, no se produce por la utilización directa del ATP como "combustible para la hoguera"; en su lugar, son las enzimas las que permutan sus grupos fosfato (PO4)3- altamente energéticos a otras moléculas, y tales moléculas receptoras se dice que han sido fosforiladas. La fosforilación energiza o prepara las moléculas receptoras incrementando su actividad química o mecánica.

El procesamiento metabólico de los nutrientes energéticos dentro del cuerpo se resume en la figura 1 a continuación. Note que todo el proceso sucede en tres etapas.
Figura 1
Figura 1. Las tres etapas del metabolismo de los nutrientes energéticos.


Primera etapa:
Los alimentos se degradan con el uso de enzimas (digestión) para ser absorbidos en el tracto gastrointestinal. Una vez en la sangre se transportan a las células de los tejidos. En esta etapa, las proteínas se descomponen en los amino ácidos constituyentes, los carbohidratos se llevan a azúcares simples, y las grasas se dividen en glicerina y ácidos grasos.


Segunda etapa: Sucede dentro del citoplasma de las células, y allí las sustancias nuevas que entran pueden coger dos caminos; (1) usarse como materia prima para la generación de sustancias celulares como lípidos, proteínas y glucógeno por vía anabólica, o, (2) degradarse por vía catabólica a través de la glucólisis y otras reacciones a ácido pirúvico y/o acetil CoA.

Tercera etapa: La tercera etapa es casi enteramente catabólica, requiere oxígeno y se desarrolla dentro de las mitocondrias de las células. Esta etapa completa la ruptura de los nuevos nutrientes digeridos, o de las reservas del cuerpo, generando dióxido de carbono y agua, mientras cosecha grandes cantidades de ATP. Dos eventos generales principales constituyen la tercera etapa: las rutas químicas del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa (las que se describirán más adelante). Durante el ciclo de Krebs, la acetil CoA se descompone; sus átomos de carbono se liberan como CO2 y los átomos de hidrógeno resultantes se llevan a una cadena de receptores (denominada cadena de transporte de electrones) la que al final los entrega como protones (más electrones libres) a átomos de oxígeno para forma agua.
 
Las reacciones de glucólisis de la etapa 2, así como las del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa, constituyen colectivamente la respiración celular, cuya función primaria es generar ATP al capturar parte de la energía química contenida en las moléculas de los nutrientes y agregarla a la energía contenida en los enlaces propios.

Mecanismos de síntesis del ATP

Se acepta que existen dos mecanismos para ello:

mitocondria

Figura 2. Mitocondria


Fosforilación a nivel de sustrato: Este proceso ocurre cuando los grupos fosfato de alta energía se transfieren directamente desde sustratos fosforilados, que funcionan como intermediarios metabólicos, al ADP (difosfato de adenosina). Tal traspaso de grupos fosfatos se realiza esencialmente porque los enlaces de alta energía que unen los fosfatos a los sustratos intermediarios son más inestables aun que los que se producen en el ATP. Esta ruta genera ATP en una de las etapas de la glucólisis y también una vez en cada vuelta de ciclo de Krebs. Las enzimas que catalizan esta fosforilación están presentes tanto en el citoplasma como dentro de la matriz mitocondrial (figura 2).

Fosforilación oxidativa: Esta fosforilación rinde mucho más ATP que la fosforilación a nivel de sustrato, ya que libera la mayoría de la energía que puede ser capturada en los enlaces del ATP durante la respiración celular. El proceso, de tipo osmoquímico, se lleva cabo por una cadena de proteínas transportadoras de electrones que están embebidas en las membranas de la cresta mitocondrial. Un proceso es osmoquímico cuando acopla el paso de sustancias a través de membranas con reacciones químicas, y para el caso que nos ocupa, alguna de la energía liberada durante la oxidación de los nutrientes energéticos se usa para bombear iones de hidrógeno (protones H+) a traspasar la membrana de la cresta mitocondrial hacia el espacio intermembranas, creando un gradiente de concentración que tiende a "empujar" los protones a cruzar de vuelta la membrana de la cresta. El regreso de los protones se hace por unos canales en la proteína ATP sintasa embebida en la membrana, la que captura parte del gradiente de energía para acoplar el tercer grupo fosfato al ADP.

En la figura 3 se representa esquemáticamente el trabajo de la ATP sintasa. El grupo fosfato se ha denominado Pi para recalcar que es un grupo inorgánico.

figura 1

Figura 3. La producción de ATP por la ATP sintasa.


Un paréntesis necesario para hablar de química

Las reacciones químicas que rinden energía (y con ello se consigue ATP) son reacciones de oxidación, es decir, en ellas alguna sustancia resulta oxidada lo que equivale a decir que pierde electrones. Sin embargo, para que una sustancia se oxide, necesariamente otra sustancia debe simultáneamente resultar reducida, esto es, ganar los electrones perdidos por la anterior, ya que no pueden "desaparecerse" electrones por métodos químicos. Por tal motivo, a este grupo de reacciones que necesariamente se producen acopladas se les llama reacciones de oxidación-reducción o reacciones redox.

De lo dicho anteriormente se desprende que las reacciones químicas involucradas en la cosecha de energía partiendo de los nutrientes energéticos en las células, son reacciones redox, y es clave comprender que en ellas, las sustancias que se oxidan pierden energía, mientras aquellas que se reducen ganan energía a medida que los electrones ricos en energía se transfieren de las primeras a las segundas. Consecuentemente, a medida que los nutrientes se van oxidando su energía se va tranfiriendo a un grupo de otras moléculas y finalmente al ADP para formar ATP.

Al igual que el resto de las reacciones en el cuerpo, las reacciones redox son consecuencia del trabajo de enzimas. Aquellas enzimas que catalizan las reacciones redox al eliminar hidrógeno se les llama dehidrogenasas, mientras que aquellas que catalizan la transferencia de oxígeno, oxidasas. En la mayoría de los casos, las enzimas que catalizan la extracción de átomos de hidrógeno para oxidar sustancias no pueden retener en su molécula el hidrógeno extraído y necesitan el apoyo de otras sustancias para ello. A estas últimas se les conoce como coenzimas. Las coenzimas actúan como receptores reversibles de hidrógeno aceptando su electrón por lo que resultan reducidas cada vez que se oxida un sustrato. Dos coenzimas muy importantes en las rutas químicas oxidativas son la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y la flavina adenina dinucleótido (FAD) que se deriva de la riboflavina (vitamina B2).

Metabolismo energético de los carbohidratos

Como tarde o temprano todos los carbohidratos se transforman a glucosa (C6H12O6), el metabolismo de estos se reduce al de la glucosa.

Empecemos por decir que las moléculas de glucosa entran a las células de los tejidos por difusión facilitada (acopladas a una proteína portadora de la membrana que "atrapa" las moléculas en el fluido extracelular y las libera en el citoplasma), y este proceso se acelera por la insulina. Inmediatamente al entrar a la célula, la glucosa resulta fosforilada a glucosa-6-fosfato al recibir un grupo fosfato inorgánico (PO43-) en su sexto carbono, transferido allí con el uso de ATP. La reacción puede representarse como sigue:

Glucosa + ATP -------> glucosa-6-PO4 + ADP

Solo las células de las mucosas intestinales, las células tubulares de los riñones, y las células del hígado tienen las enzimas necesarias para revertir esta reacción, y esto significa que tal fosforilación deja atrapada la glucosa dentro de las células del cuerpo. Además, como la molécula de glucosa-6-fosfato es una molécula diferente a la glucosa misma, la reacción también hace que los niveles de glucosa dentro de la célula sean bajos lo que implica que el gradiente de glucosa se mantiene "normal" facilitando la entrada de esta por difusión.

La presencia de las enzimas que revierten la reacción de fosforilación en las células mencionadas muestra como estas células juegan un rol protagónico en la toma y liberación de la glucosa. Las rutas químicas de catabolismo y anabolismo de los carbohidratos comienzan todas con la glucosa-6-fosfato.

Oxidación de la glucosa

La glucosa es un combustible esencial en la ruta química oxidativa de la producción de ATP. Esta ruta catabólica se puede resumir con la ecuación siguiente:

C6H12O6 + 6O2 ----> 6H2O + 6CO2+ 36 ATP +calor

El proceso total del catabolismo de la glucosa es complejo e incluye tres rutas químicas generales: (1) la glucólisis, (2) el ciclo de Krebs, y (3) la cadena de transporte de electrones.

La glucólisis

La glucólisis es una serie de 10 reacciones químicas que convierten la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico con un rendimiento neto de 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa. La figura 4 a continuación muestra un diagrama simplificado con las principales etapas de la glucólisis.
figura 4
Figura 4. Secuencia de las etapas principales de la glucólisis.



La glucólisis se lleva a cabo en el citosol de las células en donde la secuencia de reacciones químicas están catalizadas por enzimas solubles específicas. Como ya hemos dicho, cuando la glucosa entra a la célula rápidamente es fosforilizada a glucosa-6-fosfato y esta sustancia, que no puede revertirse en las células, es la materia prima de la glucólisis. El resto de las reacciones de la glucólisis son completamente reversibles. La glucólisis se puede realizar sin la presencia de oxigeno, es decir, es un proceso anaeróbico, pero esto no quiere decir que el oxígeno sea un impedimento para que se desarrolle el proceso, simplemente no es necesario para ello y lo mismo sucede en presencia como en ausencia de oxígeno.

El proceso puede describirse como sigue:

1.- En una primera fase, la glucosa-6-fosfato se fosforiliza de nuevo a fructuosa-1-6-difosfato utilizando dos moléculas de ATP. Estas reacciones con ATP proporcionan al azúcar la energía de activación (en este artículo de describe la energía de activación) necesaria para que se llevan a cabo las próximas reacciones químicas de la ruta. Como puede apreciarse, es una fase que consume energía, y por ello en ocasiones se le llama la fase de inversión energética.

2.- En una segunda etapa, la glucosa con seis carbonos y doblemente fosforilada se divide en dos moléculas de tres carbonos para existir en alguna de dos formas isoméricas: dihidroxiacetona fosfato o gliceraldehído fosfato.

3.- Por último en la fase 3 con seis etapas se producen dos eventos principales. Primero, los dos fragmentos de tres carbonos se oxidan por remoción de hidrógeno que es aceptado por la coenzima NAD+ con el consecuente "arrastre" de alguna de la energía inicial contenida en la glucosa en la molécula de NADH + H+. A continuación, los fragmentos oxidados se fosforilizan con la ayuda de enlaces altamente energéticos para luego, al retirarse los grupos fosfatos inorgánicos, capturar suficiente energía como para formar cuatro moléculas de ATP. Note que la formación de ATP por este método corresponde a la fosforilación a nivel de sustrato.

Finalmente, todo el proceso rinde dos moléculas ácido pirúvico y dos moléculas de NAD+ reducido a NADH + H+, así como dos moléculas netas de ATP. Vea que aunque se producen en la etapa final cuatro moléculas de ATP, dos de ellas se utilizan en la primera parte del proceso para activar la glucosa.

Si hacemos un balance de la reacción química hasta aquí, tendremos que: la glucosa, de fórmula C6H12O6 ha dado lugar a dos moléculas de ácido pirúvico de fórmula C3H4O3 , lo que significa que faltan cuatro átomos de hidrógeno que están ahora enlazados a las dos moléculas de NAD+. Note que aun se mantienen las cantidades de carbono y oxígeno ya que los otros dos subproductos de la oxidación de la glucosa, el CO2 y el H2O, no se han formado aun.

La mayoría de la energía química disponible contenida en la glucosa inicial se mantiene todavía en el ácido pirúvico, y el destino de este depende de la disponibilidad de oxígeno en el momento de su generación. Como la cantidad de NAD+ es limitada, la continuidad de la producción del acido pirúvico, y con ello su suministro a la próxima fase del proceso, el ciclo de Krebs, dependerá de que la coenzima reducida (NADH + H+) pueda liberarse del hidrógeno adquirido y se restituya su forma activa para adquirir nuevamente átomos de hidrógeno. Cuando existe oxígeno disponible el problema está resuelto, simplemente la NADH + H+ entrega su carga de hidrógeno a las enzimas de la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias las que lo combinan con oxígeno para formar agua.

Cuando la cantidad presente de oxígeno es insuficiente
, cosa que se produce, por ejemplo, durante ejercicios intensos, la NADH + H+ descarga su hidrógeno de vuelta al ácido pirúvico reduciéndolo. La adición de los dos hidrógenos al ácido pirúvico da lugar a ácido láctico, una parte del cual difunde fuera de la célula y se transporta al hígado, donde puede tomar varios caminos:

1.- Si el suministro de oxígeno se restablece, entonces el ácido láctico se vuelve a oxidar a ácido pirúvico y entra a la ruta aeróbica del ciclo de Krebs y a la cadena de transporte de electrones dentro de la mitocondria para oxidarse completamente a dióxido de carbono y agua.

2.- El hígado también puede revertir la glucolisis en todo momento y generar glucosa-6-fosfato partiendo del ácido láctico y almacenar esta última como glucógeno.

3.- Adicionalmente puede producir glucosa sin fosforilar desde el aćido láctico y liberarla a la sangre cuando su nivel es bajo allí.

Ciclo de Krebs

La etapa que continua en el proceso de oxidación de la glucosa es el ciclo de Krebs (nombrado así en honor a Hans Adolf Krebs, físico y bioquímico inglés de origen alemán), el que se desarrolla en el medio acuoso de la matriz mitocondrial alimentado principalmente con el ácido pirúvico generado durante la glucolisis, y por los ácidos grasos resultantes de la descomposición de las grasas. La figura 5 a continuación muestra una versión simplificada del ciclo de Krebs.
ciclo de Krebs
Figura 5. Diagrama simplificado del ciclo de Krebs.


Para que el ácido pirúvico entre al ciclo de Krebs este debe ser convertido a acetil CoA (véalo en la figura 5). Tal conversión en hace en tres etapas; primero se extrae uno de los tres carbonos del ácido pirúvico, etapa conocida como descarboxilación, este carbono eliminado se convierte en CO2 el que difunde fuera de la célula para entrar a la sangre y ser expulsado al exterior en los pulmones. Después, la molécula de dos carbonos resultante se oxida al quitarle átomos de hidrógeno dando lugar a ácido acético. Los hidrógenos eliminados se acoplan a NAD+. Por último, el ácido acético se combina con la coenzima A derivada del ácido pantoténico (viatmina B5) para dar a la acetil coenzima A o acetil CoA, poducto final del proceso preparatorio que sufre el ácido pirúvico para estar listo a entrar al ciclo de Krebs.


La coencima A "entrega" la molécula de dos carbonos del ácido acético a la enzima que la condensa con el ácido oxaloacético de cuatro carbonos, para dar lugar al ácido cítrico de seis carbonos que es el primer sustrato del ciclo, razón por la cual al ciclo de Krebs también se le llama ciclo del ácido cítrico.

Un total de 8 etapas sucesivas van reorganizando los átomos del ácido cítrico para producir diferentes moléculas intermedias cuyo resultado final es que la molécula de ácido acético que entró al ciclo, se descarboxila y oxida carbono por carbono de forma simultánea para generar NADH + H+ y FADH2. Al final del ciclo, el ácido acético queda totalmente procesado y el ácido oxaloacético se regenera y queda listo para "recoger" más acetil CoA y así continuar el ciclo. Un total de dos descarboxilaciones y cuatro oxidaciones se producen en cada vuelta del ciclo, por lo que los productos serían:

1.- Dos moléculas de CO2.

2.- Cuatro moléculas de coenzimas reducidas (3 de NADH + H+ y 1de FADH).

3.- Una molécula de ATP generada por la vía de la fosforilación a nivel de sustrato.

Analicemos ahora como es la situación partiendo de la molécula de ácido pirúvico que entra a la mitocondria producto de la glucólisis en el citosol de la célula (vea la figura 5). En total son:

1.- Tres moléculas de CO2.

2.- Cinco moléculas de coenzimas reducidas, una FADH2 y cuatro NADH + H+ correspondientes a la separación de diez átomos de hidrógeno.

3.- Una molécula de ATP.

Si nos vamos aun más atrás en el proceso, tendremos que el balance por cada átomo de glucosa procesada (recuerde que por cada átomo de glucosa se producen dos átomos de ácido pirúvico) es:

1.- Seis moléculas de CO2.

2.- Diez moléculas de coenzimas reducidas.

3.- Dos moléculas de ATP.

Note que estas reacciones del ciclo de Krebs son las que proporcionan el CO2que emana durante la oxidación de la glucosa, Las coenzimas reducidas, cargadas de electrones "extras" en enlaces químicos de alta energía deben oxidarse y estar nuevamente disponibles para que el ciclo de Krebs, y con ello la glucólisis, continúe y esta oxidación como veremos se llevará a cabo más adelante en la cadena de transporte de electrones.

Hasta aquí hemos vinculado el ciclo de Krebs con la glucólisis, y esto se ha hecho para facilitar la descripción, sin embargo, no solo los productos de la glucólisis (exclusiva de los carbohidratos) alimentan al ciclo de Krebs, también se oxidan en el ciclo, para extraer energía, los productos del rompimiento de proteínas y grasas.

Por otro lado, algunos de los productos intermedios del ciclo de Krebs pueden extraerse de él para la fabricación de ácidos grasos y amino ácidos no esenciales, de modo que, además de ser la ruta química final común para la oxidación de los nutrientes energéticos, es una fuente de "materiales de construcción" para las reacciones biosíntéticas (anabólicas).

La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa

Del ciclo de Krebs se obtienen varias coenzimas reducidas que son la materia prima para el trabajo de la cadena de transporte de electrones, lo que implica que ambas rutas forman parte de un todo. Por ello, aunque la única etapa de la oxidación de los nutrientes energéticos que utiliza directamente el oxígeno es la cadena de transporte de electrones, ambas fases se consideran dependientes del oxígeno o aeróbicas. La figura 6 a continuación es un diagrama esquemático que muestra el flujo de electrones a través de los tres más importantes complejos enzimáticos respiratorios.

figura 6
Figura 6. Esquema de como puede ser la fosforilación oxidativa.

En el diagrama de la figura 6 se representa el transporte de dos electrones desde NAD+ reducida al oxígeno. Las coenzimas Q  y citocromo c son móviles y sirven como transportistas entre los principales complejos (NAD dehidrogenasa, Citocromo b-c1  y Citocromo oxidasa).

Como resultado de la cadena de transporte de electrones, los hidrógenos extraídos durante la oxidación de los nutrientes energéticos se acoplan con oxígeno molecular, y la energía liberada durante esas reacciones se aprovecha para adicionar grupos fosfato inorgánicos (representados como Pi) al ADP. Tenga en cuenta que anteriormente habiamos dicho que a este tipo de proceso de fosforilación se le denomina fosforilación oxidativa. Veamos ahora las "intimidades" de este proceso algo complicado.

La mayoría de los integrantes de la cadena de transporte de electrones son proteínas que presentan átomos metálicos en su molécula y están embebidas en la membrana interna de la mitocondria, es decir la cresta. Estas proteínas son muy variables en su composición, algunas, las flavinas, contienen flavina mononucleótido (FMN) derivada de la riboflavina (vitamina B2); otras contienen azufre e hierro, pero la mayoría son pigmentos brillantes y coloreados portadores de hierro denominados citocromos. Las proteínas transportadoras vecinas se agrupan juntas para formar complejos enzimáticos. Los tres principales complejos enzimáticos respiratorios alternadamente se reducen y oxidan al aceptar electrones para luego pasarlos al próximo complejo en la secuencia. El primero de tales complejos acepta átomos de hidrógeno del NADH +H+ oxidándolo a NAD+. Por su parte el FADH2 entrega su carga de hidrógeno más adelante en la cadena.

El destino del hidrógeno entregado a la cadena de transporte es su división en protones (H+) y electrones. Los electrones son trasladados a lo largo de la membrana de un receptor al próximo. Los protones que quedan en el ambiente acuoso de la matriz resultan "bombeados" a través de la membrana hacia el espacio intermembranas por alguno de los tres complejos enzimáticos respiratorios. Al final, los pares de electrones  terminan entregados a moléculas de oxígeno (O2) las que se disocian en átomos de oxígeno individuales pero ionizados (O). Tales iones de oxígeno tienen gran afinidad por los iones de hidrógeno y forman agua con estos. Se puede decir que virtualmente toda el agua que se produce durante la oxidación de la glucosa proviene de la fosforilación oxidativa. Como las coenzimas NADH +H+ y FADH2 van perdiendo su carga de hidrógeno adquirido, a medida que se oxidan, la reacción neta de la cadena de transporte de electrones es:

coenzima-2H + ½O2 ====> coenzima + H2O

La transferencia de electrones de las coenzimas reducidas al oxígeno libera gran cantidad de energía. Si el hidrógeno reacciona directamente con el oxígeno molecular, como sucede cuando se quema hidrógeno en el aire, la energía se libera de forma explosiva y la mayoría de ella se disipa como calor al ambiente, cosa que a todas luces no es apropiado para el organismo vivo. En lugar de "quemar" el hidrógeno de golpe, lo que se hace dentro de la mitocondria es liberar pequeñas cantidades de energía de forma escalonada a medida que el flujo de electrones pasa de un receptor al próximo. Esta corriente de electrones se produce porque cada receptor de la cadena tiene más afinidad por estos que el receptor anterior, es decir, cada uno de los receptores de la cadena "arrebata" el electrón al receptor anterior y luego el que le sigue se lo arrebata a él, hasta que al final de la cadena, el más ávido de electrones, el oxígeno, termina apropiándoselo.

Cada uno de los saltos del electrón de un receptor al siguiente libera una cantidad moderada de energía lo que va progresivamente reduciendo su nivel energético hasta que finalmente se le entrega al oxígeno ya casi agotado.

De forma general la cadena de transporte de electrones utiliza la energía electrónica liberada paso a paso para bombear protones desde el fluido de la matriz hacia el espacio intermembranas, y debido a que la membrana de la cresta es casi impermeable a los iones H+ el proceso crea un gradiente electroquímico de protones entre ambos lados de la membrana. Este gradiente de protones tiene dos consecuencias importantes:

1.- Crea un gradiente de pH, ya que la concentración de iones de hidrógeno en la matriz es mucho menor que en el espacio intermembranas.

2.- Genera una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) ente ambos lados de la membrana ya que el lado de la matriz es negativo mientras el espacio entre las membranas es positivo.

Las dos cuestiones anteriores tienden a mover los protones con gran fuerza de vuelta a la matriz, pero como ya hemos dicho, la membrana es casi impermeable a los protones, y las únicas zonas por donde pueden transitar libremente los protones H+ para cruzar la membrana de vuelta es a través de grandes complejos de proteínas llamados ATP sintasas. Tales complejos de proteínas catalizan la adhesión de un grupo fosfato inorgánico al ADP para formar ATP funcionando como un diminuto motor eléctrico molecular que utiliza la corriente eléctrica que lo cruza por el núcleo para rotar y crear un "torbellino" que acopla el ADP y el grupo fosfato inorgánico para luego "expulsar" el ATP dando terminación a la fosforilación oxidativa.

Balance energético general

Cuando se dispone de oxígeno, la respiración celular es notablemente eficiente ya que del total de 686 kilocalorías contenidas en un mol de glucosa (180 g) se pueden capturar en los enlaces de las moléculas de ATP tanto como 262, lo que representa alrededor del 38%. El resto de la energía se disipa como calor. Tal eficiencia, es bastante mayor que la de cualquier máquina elaborada por el hombre, las que tienen eficiencias de entre 10 y 30%.

Durante la respiración celular la mayoría de la energía transita por la ruta siguiente:

Glucosa ---> NADH + H+ ----> cadena de transporte de electrones -----> fuerza electromotriz protónica ----> ATP

Ya habíamos contabilizado que se tiene una producción neta de cuatro moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato de cada molécula de glucosa; dos durante la glucólisis, y dos en el ciclo de Krebs. Veamos ahora cuantas se producen por fosforilación oxidativa:

1.- Cada molécula de NADH +Hque transfiere un par de electrones altamente energéticos a la cadena de transporte de electrones contribuye con suficiente energía como para generar entre 2 y 3 moléculas de ATP (consideremos 3).

2.- Cada FADH2  dona sus electrones en una zona de menos nivel de energía (no en la "cima" de la cadena de transporte) y por ello su oxidación es algo menos eficiente, de modo que por cada dos átomos de hidrógeno entregados por FADH2 solo se producen dos moléculas de ATP.

Totalizando ahora, tenemos que: las 8 moléculas de
NADH +H+ y las 2 de FADH2 elaboradas en el ciclo de Krebs representan 24 y 4 moléculas de ATP respectivamente, las que sumadas a las 4 de la glucólisis dan un total general de 36 moléculas de ATP por la oxidación a CO2 y H2O de cada molécula de glucosa.

La producción de glucosa partiendo de las reservas energéticas del cuerpo, y el proceso inverso, es decir, el almacenamiento en los tejidos como fuente de energía, aunque forman parte del metabolismo general de los carbohidratos, se tratan aparte en el artículo, Glucogénesis y glucogenólisis.

Metabolismo energético de los lípidos

La energía que rinden las grasas es algo más del doble de la que rinden los carbohidratos y las proteínas, 9 kcal por gramo contra 4 kcal por gramo de las proteínas y carbohidratos.

Los productos de la digestión de las grasas en su mayoría se transportan en la linfa en forma de gotitas graso-proteicas llamadas quilomicrones. Eventualmente, las enzimas del plasma (lipasa) hidrolizan los lípidos de los quilomicrones para producir ácidos grasos y glicerina que son los productos que entran a las células para procesarse por varias vías. En lo que sigue, nos centraremos en la oxidación de las grasas para obtener energía.

De los diferentes tipos de lípidos, usualmente solo las grasas neutras se procesan en busca de energía. Para ello se procesan separadamente los dos componentes que las forman: las cadenas de ácidos grasos y la glicerina.

Procesamiento de la glicerina

La mayoría de las células del cuerpo pueden procesar fácilmente la glicerina al convertirla a gliceraldehído fosfato, una sustancia incluida en la ruta de la glucólisis, de manera que entonces fluye hacia el ciclo de Krebs para su completa oxidación (figura 7). La molécula de gliceraldehído genera, una vez completamente oxidada, aproximadamente la mitad del ATP que la molécula de glucosa, es decir, unas 18 moléculas de ATP.
figura 7
Figura 7. Ruta metabólica de la parte alcohólica de las grasas.


Procesamiento de las cadenas de ácidos grasos

Las cadenas de ácidos grasos se someten a lo que se denomina oxidación beta. La oxidación β (o β-oxidación) se inicia en la mitocondria, y aunque están involucrados muchos tipos de reacciones (oxidación, deshidratación, y otras) el resultado final es que las largas cadenas de ácidos grasos se dividen en fragmentos de dos carbones como ácido acético con la producción adicional de coenzimas reducidas (HADH + H+ y FADH2).

Cada molécula de ácido acético se fusiona con la coenzima A, forma acetil CoA y se incorpora a la ruta de oxidación aeróbica llevada de la mano del ácido oxaloacético dentro del ciclo de Krebs (figura 8).
figura 8
Figura 8. Ruta metabólica de los ácidos grasos.

El nombre de β-oxidación deriva del hecho de que se oxida el carbono de la posisión β, el tercero contado desde el extremo carboxilo, –COOH de la molécula; de modo que se produce la ruptura de la cadena entre los carbonos α y β dando lugar al ácido acético de dos carbonos. La oxidación se repite hasta que toda la cadena queda desmembrada en moléculas de ácido acético.

La producción de glicerina y ácidos grasos partiendo de las reservas de lípidos del cuerpo, y el proceso inverso, es decir, el almacenamiento en los tejidos como triglicéridos (un tipo de grasa), aunque forman parte del metabolismo general de los lípidos, se tratan aparte en el artículo, Lipogénesis y lipolisis.

Metabolismo energético de las proteínas

De la misma forma que cualquier otra molécula biológica del cuerpo, las proteínas tienen una vida limitada y deberán descomponerse en los amino ácidos constituyentes antes de que comiencen a "funcionar mal", de modo que constantemente deben construirse nuevas proteínas para sustituir las que se desechan. Por otro lado, se ingieren nuevos amino ácidos en los alimentos, los que trasladados por la sangre entran a las células cruzando la membrana celular a través de procesos activos de transporte. Tales amino ácidos se usan para sustituir proteínas de los tejidos o para fabricar nuevos tejidos. Cuando se ingieren más proteínas que las que se necesitan para las necesidades anabólicas, la parte no utilizada se oxida para obtener energía o se convierte en grasa y se almacena.

Oxidación de los amino ácidos

Antes de que los aminoácidos puedan oxidarse deben ser desaminados, es decir, su grupo amino (NH2) debe ser eliminado. La molécula restante se convierte a ácido pirúvico o a alguno de los otros ácidos intermedios del ciclo de Krebs. La sustancia clave en esas inter-conversiones es el ácido glutámico un amino ácido no esencial. Los eventos que ocurren durante el proceso, al parecer, son los siguientes:

1.- Transaminación: un número de amino ácidos pueden transferir su grupo amino al ácido α-cetoglutárico (un cetoácido del ciclo de Krebs) para formar ácido glutámico. En este proceso se "invierten los papeles"; los aminoácidos que transfirieron su grupo amino se convierten en ceto ácidos (al tener un oxígeno donde antes estaba el  grupo amino), mientras el cetoácido (el ácido α-cetoglutárico) se convierte en un amino ácido (ácido glutámico). Esta reacción es completamente reversible.

2.- Desaminación oxidativa: en el hígado, el grupo amino del ácido glutámico se separa como amoníaco (NH3) regenerándose el ácido α-cetoglutárico. Debido a que el amoníaco es tóxico para las células del cuerpo, este se combina con CO2 para producir urea y agua. La urea se libera a la sangre y se desecha del cuerpo en la orina. La toxicidad del amoníaco hace que sea extremadamente importante que con facilidad el ácido glutámico lo canalice hacia el ciclo de la urea. Tal mecanismo no solo elimina del cuerpo el amoníaco producido durante la desaminación oxidativa, si no también, el que va en el torrente sanguíneo producido por las bacterias intestinales.

3.- Modificación de los ceto ácidos: la meta del proceso de degradación de los amino ácidos, es fabricar sustancias que puedan entrar al ciclo de Krebs para su oxidación, o convertirlos a glucosa. Para ello, los ceto ácidos que resultan de la transaminación se alteran lo necesario como para producir sustancias que pueden entrar al ciclo de Krebs. Los más importantes de tales metabolitos son el ácido pirúvico, una sustancia intermedia anterior a la ruta química del ciclo de Krebs, la acetil CoA, y el ácido oxaloacético. Como las reacciones de la glucólisis son reversibles, los amino ácidos desaminados y convertidos a ácido pirúvico puede también convertirse a glucosa.

La elaboración de nuevas proteínas, aunque forma parte del metabolismo general de ellas se trata aparte en el arículo, Síntesis de proteínas.



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