Glucólisis
Entre las rutas metabólicas más importantes se encuentra la conversión de una molécula de glucosa, de seis átomos de carbono, en dos moléculas de piruvato, de tres átomos de carbono cada una. Este proceso se denomina glucólisis, tiene lugar en el citoplasma celular y no requiere presencia de oxígeno. Es una ruta universal, pues la realizan prácticamente todos los seres vivos.
Se suele dividir en tres etapas:
1. Etapa de fosforilación que requiere aporte energético
Consiste en la conversión de la molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, con tres átomos de carbono cada una.
La molécula de glucosa se une a un grupo fosfato, procedente de una molécula de ATP. Tras sufrir una isomerización a fructosa-6-fosfato, vuelve a reaccionar con el ATP, quitándole otro grupo fosfato, formándose fructosa-1,6-difosfato. Estas dos fosforilaciones proporcionan la energía necesaria para que se den las siguientes etapas. Este último compuesto se escinde en dos compuestos de tres átomos de carbono cada uno: gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. La dihidroxiacetona se transforma rápidamente en gliceraldehído-3-fosfato, obteniéndose como producto final dos moléculas de ésta.
2. Etapa de oxidación que rinde energía y poder reductor
En esta etapa tiene lugar la oxidación del grupo aldehído a grupo carboxilo.
A partir de este momento todas las reacciones ocurren dos veces ya que partimos de dos moléculas iguales que van reaccionando de la misma forma. El gliceraldehído-3-fosfato se oxida hasta 1,3-difosfoglicerato. Esta reacción requiere Pi y la enzima necesaria para que se dé, requiere como coenzima el NAD y, éste, al reducirse, forma NADH (poder reductor). El 1,3-difosfoglicerato pierde un grupo fosfato al que estaba unido por un enlace de alta energía, transformándose en 3-fosfoglicerato. Esta energía se transfiere al ADP mediante una fosforilación a nivel de sustrato, creando ATP.
3. Etapa en la que se restituye a la célula el ATP consumido en la primera fase
El 3-fosfoglicerato se transforma en piruvato y se libera un grupo fosfato de cada una de las dos moléculas. Los dos fosfatos se emplean para producir dos moléculas de ATP mediante fosforilaciones a nivel de sustrato.
La eficacia de la glucólisis como ruta energética es muy baja, puesto que únicamente tiene un rendimiento energético neto de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. También se generan dos moléculas de NADH que originarán más ATP en las siguientes fases de la respiración. La reacción general de la glucólisis es:
Glucosa → 2 piruvatos + 2 NADH + 2 ATP
Ciclo de Krebs o de los Ácidos Tricarboxílicos
Es un conjunto cíclico de reacciones que producen la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2. Los electrones cedidos en esta oxidación son captados por las coenzimas NAD y FAD, liberándose las correspondientes moléculas reducidas, NADH y FADH2. El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y desempeña las siguientes funciones:
- Obtención de poder reductor: NADH y FADH2
- Obtención de precursores metabólicos.
- Obtención de energía en forma de GTP por fosforilación a nivel de sustrato
Antes de comenzar el ciclo de Krebs, hay una etapa intermedia entre la glucólisis y el propio ciclo. En esta etapa, el piruvato obtenido en la glucólisis se introduce en la mitocondria. Un complejo multienzimático que se encuentra en la matriz mitocondrial produce una reacción con el piruvato en la que ocurren dos hechos:
- Descarboxilación del piruvato que conlleva la pérdida del grupo carboxilo en forma de CO2.
- Oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo. La energía liberada en esta reacción sirve para unir el resto acetilo y la coenzima A, formándose en acetil-CoA (dos átomos de carbono). Esta reacción produce también una molécula de NADH.
El ciclo de Krebs consta de ocho pasos. De estas reacciones nos interesan, fundamentalmente, los productos que van saliendo del ciclo, más que los propios intermediarios del mismo, ya que estos se reciclan.
El acetil-CoA (2C) se une a una molécula de oxalacetato (4C) (el oxalacetato se regenera al final del ciclo) formando una molécula de citrato (6C). La molécula de 6C sufre una descarboxilación oxidativa y pierde un carbono en forma de CO2. En esta oxidación se genera también poder reductor en forma de NADH. Nos queda, por tanto, una molécula de 5C. Ésta, vuelve a sufrir otra descarboxilación, generando otra molécula de CO2 y de NADH. En esta reacción participa otra CoA por lo que el número de átomos de carbono de la molécula resultante, no disminuye.
La hidrólisis de esta molécula genera GTP, por fosforilación a nivel de sustrato, CoA y una nueva molécula con 4C. Después de varias reacciones se vuelve a generar oxalacetato para poder empezar de nuevo el ciclo. En estas últimas reacciones se genera más poder reductor: una molécula de FADH2 y una de NADH.
Por lo tanto, en una vuelta completa del ciclo de Krebs, se obtiene:
- Una molécula de GTP
- Tres moléculas de NADH
- Una molécula de FADH2
- Dos moléculas de CO2, que corresponden a los carbonos de una molécula de acetil-CoA, completamente oxidados.
Si tenemos en cuenta la etapa previa al ciclo de Krebs, también obtenemos otro NADH y otra molécula de CO2.
La reacción global de la etapa previa y del ciclo de Krebs es:
Piruvato → GTP + 4 NADH + FADH2 + 3 CO2
Conviene no olvidar que de una molécula de glucosa se formaban dos piruvatos, por lo que la reacción global habría que multiplicarla por dos.
El ciclo de Krebs es el núcleo del metabolismo. Algunos compuestos procedentes de otras rutas metabólicas se incorporan, en algunos de los pasos, a este ciclo. Algunas moléculas del ciclo sirven también como punto de partida de algunas rutas biosintéticas (anabolismo).