TRANSPORTE Y METABOLISMO CELULAR

La UNED tiene muchas luces y sombras (seguramente más sombras que luces), el Curso cero de Fundamentos de Biología para Psicólogos es una de esas luces. En esta entrada reproducimos textualmente la última unidad didáctica de dicho curso, que corresponde con el excelente manual “Abril Alonso, A. (2005). Fundamentos biológicos de la conducta (2ª ed., 2ª reimp. ed.). Madrid: Sanz y Torres”.

INTRODUCCIÓN

Vivir, sea una célula o un ser humano, implica extraer energía de fuentes externas para mantener las actividades fisiológicas que definen la vida y que implican el mantenimiento de la estructura interna (homeostasis), desarrollo y crecimiento y reproducción. Vivir supone utilizar energía pero, puesto que la energía ni se crea ni se destruye, según la 1ª ley de la termodinámica, en realidad implica la trasformación de un tipo de energía en otro u otros. La energía de que se sirven los seres vivos la utilizan para organizar su estructura interna y mantenerla constante en contra de la tendencia natural de los sistemas donde se da intercambio de energía a desordenarse y desorganizarse, lo que se conoce como entropía (es la 2ª ley de la termodinámica). Esta capacidad de ganar orden en contra de la tendencia natural del mundo físico se conoce como entropía negativa. Obviamente, el incremento de orden en el interior de los seres vivos implica un aumento del desorden en el exterior o, dicho de otra manera, la acumulación de energía por parte de los seres vivos conlleva una reducción de energía en su entorno, puesto que la cantidad total de energía es constante: así como el enfriamiento del radiador de la calefacción es equivalente al aumento de la temperatura de la habitación, así también la acumulación de energía/orden por parte de los seres vivos es equivalente a la cantidad de energía/orden perdida por su entorno.

La energía de que se sirven los seres vivos está almacenada en los enlaces químicos de diferentes sustancias orgánicas. Al hablar del origen de la vida, observamos que muchas sustancias orgánicas se sintetizan espontáneamente cuando sus componentes inorgánicos son sometidos a descargas eléctricas o a la luz del sol. También sabemos que las bacterias han colonizado ambientes aparentemente inhóspitos porque han aparecido variedades que utilizan casi cualquier tipo de fuente de energía para vivir. Finalmente, los organismos fotosintéticos son capaces con sólo agua, dióxido de carbono y la energía proporcionada por la luz solar, de acumular energía en forma de enlaces químicos sintetizando hidratos de carbono y otras moléculas. Los seres vivos se sirven de esta energía química transformándola en movimiento, electricidad, calor y todas las demás formas de energía inherentes a la vida: el paso clave es la síntesis de ATP, un nucleótido cuya degradación a ADP y fosfato libera la energía necesaria para diferentes reacciones químicas imprescindibles para la vida, tales como síntesis de compuestos químicos estructurales, catalíticos, de secreción, trasporte desde y hacia el interior celular, etc. Así pues, en realidad, la energía de uso inmediato dentro de la célula, tanto en el trasporte dependiente de energía como en la síntesis de moléculas celulares, es la acumulada en las moléculas de ATP a partir de la degradación de la glucosa y otras moléculas orgánicas, como se verá en el apartado sobre metabolismo celular; la energía acumulada en el ATP se libera al hidrolizarse trasformándose en ADP más fosfato inorgánico; hidrólisis significa rotura mediante agua: para romper de esta manera el ATP hay que añadir una molécula de agua.

En el capítulo anterior se ha descrito la estructura general de la célula y la relación funcional entre sus diferentes componentes. En algún momento se ha hecho notar que la vitalidad de cada célula depende de una adecuada interacción con su entorno. Lo cierto es que los contenidos intracelulares son cualitativa
y cuantitativamente diferentes del medio que rodea y circunda a las células; separando unos de otros como barrera filtradora está la membrana plasmática cuyas características bioquímicas esenciales ya están descritas. Ahora vamos a tratar sobre cómo las células se relacionan con su ambiente externo con el fin de explicar de qué manera consiguen mantener íntegra su estructura y, a la vez, incorporar y transformar adecuadamente los elementos necesarios para vivir.

LA CÉLULA EN SU AMBIENTE: EL COMERCIO CELULAR

Difusión y Ósmosis

Puesto que las células están rodeadas de líquido, fundamentalmente agua y, a su vez, su contenido es principalmente líquido, sobre todo agua, se cumplen en ellas las leyes físicas de las disoluciones, siendo el líquido exterior una disolución y el interior otra. Una característica de las disoluciones es que sus elementos componentes, el disolvente y la o las sustancias disueltas (solutos), tienden a distribuirse homogéneamente. Esto significa que la proporción de disolvente y soluto es la misma en cualquier punto de la disolución. Si echamos una cucharada de sal en un vaso de agua vemos que al poco rato la sal deja de ser visible, se ha disuelto. Ese proceso recibe el nombre de difusión.

La difusión consiste en que las moléculas que se disuelven en un líquido tienden a desplazarse de la zona de mayor concentración a la zona donde la presencia de esas moléculas es menor. El soluto, representado
por bolitas marrones (podría ser un colorante o sal) se dispersa espontáneamente por todo el recipiente de agua. En este caso, el movimiento de las moléculas es al azar pero, dado que al principio hay más moléculas a la izquierda que a la derecha, hay mayor probabilidad de que sean más las que se desplacen hacia la derecha, resultando en un movimiento o flujo neto de moléculas de colorante hacia la derecha. Cuando las moléculas de una disolución se desplazan de la zona de mayor concentración a la de menos concentración se dice que van a favor de gradiente. Así que una sustancia que se difunde espontáneamente en una disolución lo hace a favor de gradiente.

Por su parte, la tendencia natural del agua a desplazarse en un sentido, bien por desnivel en el terreno (río abajo), bien por la acción de fuerzas mecánicas (p.ej. bombeo) o bien, como ocurre en las disoluciones, por su apetencia natural por homogeneizar la concentración de soluto en todos los puntos de la disolución, se conoce como potencial hídrico. La presión que ejerce el potencial hídrico sobre cualquier barrera que se oponga a su paso recibe el nombre de presión hidrostática. El movimiento en masa del agua (o de cualquier líquido) se llama corriente de flujo. En el ejemplo de la Figura 4.1, a la vez que el soluto se desplaza hacia la derecha, la corriente de flujo del agua se desplaza hacia la izquierda. Este movimiento se realiza a favor de potencial hídrico. Estos fenómenos físicos propios de las disoluciones ocurren también en el interior de las células, puesto que una gran parte del volumen celular es una disolución y lo mismo se aplica al líquido extracelular (sangre y líquido intersticial en los organismos pluricelulares, y agua dulce o salada en el caso de los seres unicelulares).

Lo interesante de estas dos disoluciones, la intra y la extracelular, es que están muy próximas la una a la otra, puesto que sólo las separa la membrana celular. Si esta membrana fuera impermeable, ni el agua ni las sustancias disueltas podrían pasar de un lado a otro de la membrana celular. Sin embargo, la membrana plasmática es semipermeable, lo que significa que determinadas moléculas de pequeño tamaño, como el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono, pueden atravesarla espontáneamente y desplazarse por simple difusión. Pero la mayoría de iones, junto con los nutrientes (azúcares, aminoácidos…), no pueden entrar ni los productos de desecho salir por difusión. Al tratar del trasporte a través de la membrana explicaremos qué es lo que hace la célula para adquirir lo necesario y expulsar los desechos. Ahora vamos a analizar en qué medida las células y su entorno se relacionan a través de una membrana naturalmente semipermeable. Para ello nos vamos a servir de modelos experimentales, partiendo del supuesto de que las disoluciones intra y extracelular tienen diferentes concentraciones de diferentes solutos, entre otras cosas porque la vitalidad y funcionalidad de la célula depende de esa diferencia.

La membrana semipermeable permite el paso del agua pero no el de las sustancias disueltas. La difusión del agua en este caso recibe el nombre de ósmosis. Si la concentración de solutos a ambos lados de la membrana es igual (disoluciones isotónicas), no habrá flujo neto de agua y la presión osmótica será nula. Sin embargo, cuando una de las dos disoluciones es hipertónica, es decir, está más concentrada que la otra (que será hipotónica con respecto a ella), el agua de la disolución hipotónica tenderá a cruzar la membrana hacia el otro lado para entrar en la disolución hipertónica hasta que la concentración de ambas disoluciones se equilibren y se hagan isotónicas (o bien, cuando la presión hidrostática compense la presión osmótica). Hasta que se consiga el equilibrio existirá flujo neto de agua producto de la presión osmótica desde el recipiente 2 al recipiente 1 (a medida que aumenta el volumen del agua del recipiente 1, aumenta la presión hidrostática del agua de este recipiente 1 sobre la membrana). Procesos osmóticos de este tipo explican por qué sufrimos una sed tan intensa tras una comida muy salada: con la digestión, la sal pasa a la sangre y a los líquidos intersticiales de nuestro cuerpo (que en situaciones normales son isotónicos respecto al interior celular) pero no entra dentro de las células, de forma que se produce una gran diferencia de concentración de sal entre el exterior y el interior de las células, con lo que el agua intracelular, que sí puede atravesar la membrana plasmática, sale de las células para tratar de equilibrar ambas disoluciones; la consecuencia directa de este proceso es la deshidratación celular. Afortunadamente, esta deshidratación celular sirve como estímulo para beber agua y su ingestión permite equilibrar las dos disoluciones antes de que la deshidratación celular tenga efectos funestos. Otro ejemplo de los efectos de las diferencias de concentración de solutos en las disoluciones biológicas se pone de manifiesto cuando dejamos caer una gota de sangre en un vaso de agua del grifo: al principio, la sangre parece una mancha que se mantiene agrupada pero, al cabo de breves instantes, empieza a difuminarse y a enturbiar toda el agua del vaso. La explicación está en que los glóbulos rojos, principal componente de la sangre, son células y, como tales, sus líquidos internos están embolsados dentro de la membrana: cuando el agua del vaso, sin apenas sustancias disueltas, entra en ellos para equilibrar ambas disoluciones, su membrana se rompe porque entra más agua de la que pueden contener; es entonces cuando el líquido rojo de su interior empieza a difundir y a enturbiar toda el agua.

El Trasporte a Través de la Membrana Celular

La bicapa lipídica que constituye la mayor parte de la membrana celular es hidrofóbica y no permite el paso de moléculas hidrosolubles, así que las moléculas hidrosolubles necesarias para la supervivencia y crecimiento de las células (azúcares, aminoácidos) han de penetrar en ellas por alguna vía. Además, puesto que la funcionalidad de las células depende de la adecuada concentración de determinados iones (H+, Na+, K+, Ca2+…) dentro y fuera de ellas, su adecuada distribución exige que puedan entrar y salir.

Una de las razones por las que las células expelen sodio (Na+) y mantienen una concentración intracelular de este ion tan baja es porque la presencia de Na+ fuera de la célula permite mantener la presión osmótica dentro de unos márgenes tolerables, como lo demuestra el hecho de que cuando falla el trasporte de Na+, el agua extracelular penetra en las células hasta explotarlas. Además, el paso de iones a uno y otro lado de la membrana es fundamental para el funcionamiento de las neuronas, que, como todas las células, mantiene activamente una diferencia de potencial eléctrico (potencial electroquímico) entre el interior y el exterior de su membrana. Así que, junto a las fuerzas osmóticas descritas, hay que considerar las interacciones trasmembranales de las cargas eléctricas de los diferentes iones.

Las células, por tanto, han de contar con vías de paso especiales, vías proporcionadas por las llamadas proteínas membranales de trasporte, de las que pueden distinguirse dos tipos esenciales: proteínas trasportadoras, que ligan un determinado tipo de soluto en un lado de la membrana (dentro o fuera de la célula) y lo trasladan al otro lado, y proteínas formadoras de canales, que se disponen en la membrana formando poros o túneles por donde pueden cruzar las sustancias hidrofílicas. El trasporte de macromoléculas implica procesos de exocitosis y endocitosis.

Proteínas Trasportadoras

Casi todas las pequeñas moléculas necesarias para la vida de la células excepto el agua, los ácidos grasos, el oxígeno y el dióxido de carbono, que atraviesan sin problemas la bicapa lipídica, son trasportadas por proteínas especializadas, las proteínas trasportadoras que, obviamente, atraviesan varias veces la bicapa lipídica. Cada tipo de molécula cuenta con su propia proteína trasportadora: en la membrana plasmática hay trasportadores de azúcares, aminoácidos, nucleótidos, aniones y cationes; en la membrana mitocondrial existen importadores de piruvato y ADP y exportadores de ATP, etc.

Sucede que la concentración de unas moléculas es mayor fuera que dentro, mientras que otras están más concentradas dentro que fuera. Añadido al grado de concentración está el hecho de que muchas moléculas están eléctricamente cargadas, con lo que hay que contar con las interacciones entre las cargas positivas y negativas (sabiendo que las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen). Así que el trasporte de moléculas a través de la membrana se ve afectado por dos tipos de fuerzas, eléctricas y osmóticas (electroquímicas), fuerzas que unas veces favorecen el trasporte, pero otras ejercen una fuerza de oposición. El movimiento de una molécula a favor de gradiente, de concentración o eléctrico o, cuando ambos gradientes intervienen a la vez (electroquímico) recibe el nombre de trasporte pasivo o difusión facilitada, porque no hace falta energía extra, mientras que cuando las moléculas tienen que pasar de un lado a otro en contra de gradiente, hablamos de trasporte activo. En este segundo caso las proteínas trasportadoras tienen que ser capaces de canalizar la energía de la degradación del ATP a ADP para realizar el traslado de la molécula trasportada, proceso catalizado por las llamadas ATPasas.

Canales Iónicos

Para conseguir que las pequeñas moléculas hidrosolubles salgan de la célula o entren en ella bastaría con la apertura de poros hidrofílicos a través de la membrana. Efectivamente, existen proteínas trasmembranales que, por su conformación tridimensional, forman canales por los que el agua puede moverse libremente y con ella las sustancias que lleva disueltas. Los canales formados en la membrana externa de la mitocondria por las porinas, o los que quedan entre dos células constituidos por las proteínas que forman las uniones de portillo o hendidas (gap junctions), son amplios y permiten el intercambio intenso de líquidos. Pero si estos amplios canales conectaran el citoplasma con los líquidos extracelulares podrían comprometer las propiedades de la disolución intracelular. Por eso, la mayoría de los canales proteínicos de la membrana son estrechos y selectivos, siendo la mayoría canales iónicos que sólo permiten el paso de iones inorgánicos (Na+, K+, Cl, Ca2+). Es más, cada tipo de canal sólo permite el paso de un tipo de iones.

Esta selectividad depende de la amplitud del poro y de la distribución de cargas eléctricas en las paredes proteínicas de dicho poro, de forma tal que los iones de gran tamaño no pueden atravesar los canales estrechos, mientras que los iones cargados negativamente no pueden circular por los poros cuyas paredes son electronegativas. Además, los canales iónicos se caracterizan por no estar permanentemente abiertos, sino que su apertura o cierre dependen de la activación por algún agente externo. Son diversos los mecanismos de regulación de los canales iónicos. Cuando nos enfrentemos a los mecanismos de trasducción sensorial gracias a los cuales la luz, el sonido, los estímulos químicos de la comida, las sustancias olorosas, la presión sobre la piel, etc. se transforman en actividad nerviosa, comprenderemos el significado funcional de algunos de los canales iónicos y los mecanismos de apertura y cierre. De momento será bueno conformarnos con enumerar y describir someramente algunos de ellos.

Hay algunos canales que permanecen normalmente cerrados y que sólo se abren cuando se encuentran en un área donde se ha producido un cambio en el potencial eléctrico de reposo que toda célula posee. Son los canales dependientes de voltaje. Especialmente interesantes son los canales de sodio de la membrana de los axones neuronales: estos canales se abren cuando se ha producido una cierta cantidad de despolarización. Otro tipo de canales proteínicos se abre sólo si se une a él en determinados puntos llamados receptores una molécula específica: son los canales dependientes de ligando. Unas veces, el ligando se une al receptor de canal iónico por la parte de fuera como es el caso de los receptores olfativos o de los receptores de la membrana dendrítica o citoplasmática de las neuronas; cuando esta molécula específica es sintetizada y liberada por una neurona recibe el nombre de neurotrasmisor. Otras veces el ligando actúa por la parte citoplasmática. Finalmente, hay otro tipo de canales iónicos cuya apertura se produce directamente por fuerzas mecánicas. Un ejemplo muy sugestivo de este último tipo nos lo ofrecen las células ciliadas del oído y del equilibrio.

METABOLISMO CELULAR: OBTENCIÓN Y UTILIZACIÓN DE ENERGÍA


La creación y mantenimiento del orden interno propio de los seres vivos es el resultado del metabolismo. El metabolismo celular no es ni más ni menos que el resultado de dos tipos de procesos bioquímicos:

  1. Los catabólicos que generan energía a través de la degradación de los nutrientes y su trasformación en moléculas más sencillas.
  2. Los anabólicos o biosintéticos, gracias a los cuales es posible utilizar la energía obtenida para sintetizar las moléculas vitales para el orden y funcionamiento celular.

El Proceso de Oxidación-Reducción

La mayor parte de la energía con que cuentan los seres vivos que pueblan la tierra procede del sol. Esta energía solar es la que utilizan los organismos fotosintéticos (algas, plantas y bacterias fotosintéticas) para sintetizar azúcares a partir del agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2). El resultado neto de la fotosíntesis
se puede resumir en la siguiente ecuación:

Energía + CO2 + H2O → azúcar + O2 (1)

Obviamente, los seres vivos no sólo constan de azúcares; como ya sabemos, los compuestos químicos que constituyen los seres vivos son diversos y numerosísimos. Las plantas son capaces de transformar los azúcares en muchas diferentes moléculas, pequeñas y grandes, imprescindibles para vivir, y también los animales y los demás organismos no fotosintéticos.

La mayoría de los organismos vivos, al utilizar la energía acumulada en los azúcares, liberan agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2), que pueden volver a entrar en el proceso fotosintético. La utilización de los azúcares (y otras moléculas orgánicas) para obtener energía por parte de los seres vivos se conoce con el nombre de respiración (técnicamente, la oxidación aeróbica de las moléculas de los alimentos) y se resume en la siguiente ecuación):

Azúcar + O2 → energía + CO2 + H2O (2)

La explicación de por qué en la Tierra la forma más habitual que tienen los seres vivos que la habitan de obtener energía a partir de los azúcares y las demás moléculas orgánicas es combinar los átomos de carbono e hidrógeno de estas moléculas con el oxígeno (oxidación) produciendo CO2 y H2O, estriba en el hecho de que la forma más estable energéticamente del átomo de carbono es formando parte del CO2 y la del átomo de hidrógeno es en forma de H2O. Este proceso de oxidación se lleva a cabo en numerosos pasos. Hay que tener siempre presente que la oxidación no siempre implica la presencia del oxígeno. Por
oxidación se entiende cualquier reacción química en la que un átomo pierde un electrón. La pérdida de un electrón supone liberación de energía porque el electrón pasa de un nivel más energético a otro menos enérgico; a la pérdida de electrones se le llama oxidación porque el átomo de oxígeno es el aceptor más
frecuente de estos electrones, debido a su especial avidez por ellos. La oxidación implica que el electrón pasa a otro átomo: el átomo que lo recibe queda reducido y a la recepción de un electrón se le llama reducción. La reducción puede implicar la captación de un electrón aislado o bien la obtención de un electrón acompañado de un protón (H+), con lo que el resultado de la reducción es la obtención de un átomo de hidrógeno (H) por parte de la molécula. Así que la fotosíntesis (ecuación 1) es el resultado de un proceso de reducción del dióxido de carbono, que incorpora átomos de hidrógeno (hidrogenación es sinónimo de reducción), mientras que la respiración (ecuación 2) es el resultado de la oxidación o deshidrogenación de la glucosa.

Catalización Enzimática

Aunque la oxidación de la glucosa hasta transformarse en energía libre, dióxido de carbono y agua es energéticamente favorable, es decir, libera energía, sin embargo, no es un fenómeno espontáneo, sino que requiere una cierta energía de activación que inicie el proceso (como los incendios, que requieren una cerilla o una chispa que los desencadene). En las células, esta energía de activación se genera con el choque de las moléculas entre sí, choque que libera más energía cuanto más alta sea la temperatura de la disolución. Como los choques entre las moléculas que tienden a reaccionar de modo espontáneo se producen al azar, la probabilidad de que ocurra una reacción es función de la concentración de esas moléculas. La presencia de sustancias que favorecen la interacción entre las moléculas que reaccionan entre sí y que reducen la cantidad de energía necesaria para que dicha reacción se produzca aumenta la frecuencia de la reacción. Estas sustancias reciben el título de catalizadores. Entre los catalizadores más eficaces se encuentran las (o los) enzimas, que incrementan hasta 1014 veces la rapidez de la reacción química. Las enzimas, que son proteínas especializadas, tienen una especial propensión a interactuar con su sustrato, que es el nombre que en este contexto reciben las moléculas que tienden a reaccionar o a sufrir cambios en su estructura química.

A veces, para que una enzima sea eficaz en la catalización de una reacción requiere la incorporación de algún elemento no proteínico conocido como cofactor. Los cofactores pueden ser iones (p.ej. el Mg2+) o sustancias orgánicas no proteínicas: son las coenzimas, entre las que se encuentran las vitaminas, la Coenzima A o los dadores y receptores de electrones que participan en la síntesis del ATP.

La Glucolisis y la Respiración Celular: la Síntesis del ATP

La oxidación de la glucosa libera energía. De hecho por cada mol (6.02 x 1023 moléculas) de glucosa que se oxida a dióxido de carbono y agua se liberan 686 kilocalorías. Si toda la energía de la glucosa se liberara en forma de calor dentro de las células, éstas se quemarían. Pero eso no ocurre porque la energía se va liberando poco a poco y se va acumulando en forma de enlaces ricos en energía del ATP, que es la principal molécula orgánica acumuladora de energía. El ATP es una especie de pila eléctrica o batería acumuladora que la célula puede conectar “a voluntad” allí donde se requiera aporte de energía para sintetizar cualquier molécula necesaria para la vida (un péptido, un molécula de ARN o de ADN, etc). Estamos hablando de reacciones acopladas: el catabolismo del ATP se acopla a la síntesis (anabolismo) de moléculas orgánicas.

La glucosa, de la que todos los seres vivos obtienen la energía para vivir y reproducirse, los organismos heterótrofos (que no sintetizan por sí mismo azúcares) la obtienen de la dieta. En la dieta ingerimos proteínas, lípidos y polisacáridos que pueden reducirse mediante el proceso digestivo a sus elementos moleculares más sencillos (aminoácidos, ácido grasos y glicerol y monosacáridos). Estas moléculas penetran en el citoplasma celular donde sufren nuevas modificaciones: los hidratos de carbono se convierten en piruvato también llamado ácido pirúvico, así como algunos aminoácidos (v.g. alanina) en tanto que otros aminoácidos como el aspartato, el glutamato, etc. pasan mediante alguna transformación al ciclo de Krebs.

Finalmente, el piruvato se transforma ya dentro de la mitocondria en un grupo acetilo que se une a la Coenzima A (CoA), al igual que les ocurre a los ácidos grasos, para formar la Acetil coenzima A (acetilCoA). Una vez constituida la acetilCoA, se inicia propiamente la respiración celular, que tiene lugar, toda ella, dentro de la mitocondria y que consta de dos fases, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa o trasporte de electrones.

La Glucolisis

Tanto las células aeróbicas como las anaerobias son capaces de sintetizar en su citoplasma ATP a partir de la glucosa en ausencia de oxígeno. Este proceso se conoce como glucolisis y consiste en una serie de pasos metabólicos catalizados por enzimas que dan como producto energético neto dos moléculas de ATP y otras dos de NADH. Ahora vamos a describir, aunque sea esquemáticamente, el proceso completo haciendo especial hincapié en cómo se acumula energía utilizable por la célula y la transformación que sufre la molécula de glucosa hasta quedar convertida en dos moléculas de ácido pirúvico.

En el esquema de la Fig. 4.13 se enumeran los diez pasos de la glucolisis. Tanto en el primero como en el tercero la célula tiene que invertir una molécula de ATP para obtener por fosforilación una molécula de fructosa 1,6-bifosfato. En el paso 4 se divide esta molécula en dos de gliceraldehído 3-fosfato (el paso 5 sólo sirve para transformar el dihidroxiacetona fosfato en la 2ª molécula de gliceraldehído 3-fosfato). En el paso 6 se produce la oxidación de las dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato y se incorpora una nueva molécula de fosfato formándose un enlace tio-éster rico en energía. Comienza la producción de energía ya que se produce la reducción del NAD+ a NADH. Como tenemos dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, se están produciendo dos enlaces tio-éster y la reducción de dos moléculas de NAD+ a NADH por molécula de glucosa. En el paso 7 se transfiere la energía del enlace tio-éster a una molécula de ATP que se forma a partir del ADP y del grupo fosfato que se unió en el paso anterior. Igual que en el paso anterior y en los siguientes, hay que tener presente que tenemos dos moléculas de 1,3 bifosfoglicerato originadas ambas a partir de una única molécula de glucosa. En el paso 9, se genera en cada una de las dos moléculas un enlace enol-fosfato rico en energía entre el fosfato y el carbono 2 de la molécula de 2-fosfoglicerato, enlace que en el paso 10 trasfiere su energía a una molécula de ATP formada a partir de ADP y el fosfato del fosfoenolpiruvato, quedando como residuo dos moléculas de ácido pirúvico.

En el proceso de la glucolisis entran:

1 molécula de glucosa + 2 ATP + 4 ADP + 2 P + 2 NAD+

y se obtienen

2 moléculas de ácido pirúvico + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+

El rendimiento energético neto de la oxidación de la glucosa es de 2ATP (a las cuatro que se producen hay que restar las dos que se invirtieron para proporcionar la energía de activación) y 2 NADH. La glucolisis es un sistema de acumulación de energía para uso de la célula bastante eficiente si tenemos en cuenta que la atmósfera terrestre sólo empezó a tener oxígeno en cantidades significativas hace unos 1800 millones de años, mientras que ya existían organismos vivos hace 3500 millones de años. Durante 1700 millones de años no fue posible la vida basada en la oxidación del oxígeno porque no había oxígeno, con lo que todos los seres vivos eran anaerobios. En la actualidad, para la mayoría de los seres vivos la glucolisis sólo es un paso previo necesario para la respiración celular que tiene lugar en la mitocondria. Sin embargo, para las bacterias anaerobias la glucolisis es la única manera de conseguir energía y parece que sobreviven. Igualmente, algunos tejidos, como los músculos esqueléticos, pueden en determinadas situaciones servirse de la glucolisis como fuente principal de energía. Las reacciones anaeróbicas de acumulación de energía reciben el nombre de fermentaciones. En estos casos, el ácido pirúvico permanece en el citoplasma donde, según los casos, se trasforma en etanol y CO2, como es el caso de las levaduras, o en lactato (ácido láctico) que es excretado fuera de la célula, que es el caso del músculo. La transformación del pirúvico en alcohol y CO2 o en lactato permite la recuperación del NAD+ a partir del NADH, lo que permite que la glucolisis pueda seguir teniendo lugar, ya que el NAD+ es imprescindible para que pueda darse el paso 6.

La Respiración Celular: el Catabolismo Oxidativo en la Mitocondria

Gracias a la aparición de organismos fotosintéticos (cianobacterias) liberadores de oxígeno allá por el año 3400 millones antes de nuestra era, y al agotamiento de las reservas de Fe2+ con el que el oxígeno reaccionaba para formar óxido de hierro, cosa que ocurrió hace apenas unos 1700 millones de años, la atmósfera empezó a acumular tan preciado gas. Fue entonces cuando pudieron evolucionar los organismos aerobios capaces de servirse del oxígeno atmosférico para respirar o, lo que es lo mismo, obtener energía gracias a la capacidad oxidativa del oxígeno: es lo que se conoce como catabolismo oxidativo. La respiración celular de los organismos pluricelulares se lleva a cabo en el interior de la mitocondria y consta de dos fases, el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa, procesos ambos que también tienen lugar en el interior de las bacterias aerobias.

El Ciclo de Krebs

El ciclo de ácido cítrico fue descrito en el año 1937 por Krebs. Recibe también el nombre de ciclo de los ácidos tricarboxílicos. El ciclo del ácido cítrico da cuenta de los dos tercios de la oxidación total de los compuestos de carbono de la mayoría de las células. El resultado de estas oxidaciones es la formación de
NADH a partir de NAD+ (recuérdese que la reducción de NAD+ a NADH acumula energía gracias a la incorporación de electrones altamente energéticos), FADH2 (molécula de características funcionales similares al NADH), GTP (guanin-trifosfato, un nucleótido acumulador de energía similar al ATP) y CO2 como producto de desecho. El NADH y el FADH2 pasan a la cadena trasportadora de electrones ligada a la membrana mitocondrial interna; en ella, sus electrones altamente energéticos cederán su energía y se combinarán con el O2 para formar agua. Aunque el ciclo del ácido cítrico no consume oxígeno, el oxígeno es necesario para que el NADH y el FADH2 transfieran sus electrones ricos en energía y se pueda regenerar el NAD+ y FAD. Esto significa que si no hubiera oxígeno, el ciclo de Krebs se interrumpiría cuando se agotaran las moléculas de NAD+ y FAD disponibles en la mitocondria.

El ciclo de Krebs, tiene como resultado la oxidación completa de los carbonos del grupo acetilo del acetilCoA, carbonos que pasan a formar CO2. Para que esta oxidación ocurra, primeramente se produce la síntesis de acetilCoA a partir del ácido pirúvico y de la Coenzima A, ya dentro de la mitocondria. Esta reacción genera energía en forma de un NADH. A continuación el acetilCoA se une al ácido oxalacético para formar ácido cítrico o citrato, quedando libre (al hidrolizarse) y reutilizable la Coenzima A (paso 1). La hidrólisis de la Coenzima A impulsa el proceso hacia adelante. Se ha formado ahora un compuesto de seis carbonos con tres grupos carboxilos (COO), de ahí lo de ciclo de los ácidos tricarboxílicos. En el paso 3 se produce una molécula de NADH, un protón (H+) y otra de CO2, quedando ahora un ácido de cinco carbonos, el α-cetoglutárico. La unión del α-cetoglutárico con la Coenzima A gracias a la intervención de la α-cetoglutaricodeshidrogenasa (paso 4) hace que se sintetice un nuevo compuesto, el sucinilCoA. Esta reacción lleva acoplada la reducción del NAD+ a NADH y la formación de otra molécula de CO2. En el siguiente paso (paso5), el CoA es desplazado por una molécula de fosfato inorgánico (Pi) formándose un enlace rico en energía con el ácido sucínico; a continuación este fosfato se incorpora al GDP para formar
GTP quedando el ácido sucínico solo (como se puede ver, el ácido sucínico sólo tiene ya 4 carbonos). En el paso 6, el sucínico pierde dos átomos de hidrógeno para formar FADH2 a partir de FAD y se convierte en ácido fumárico. Finalmente, en el paso 8 (el siete sólo consiste en la incorporación de una molécula de agua al fumárico formándose entonces el ácido málico) el ácido málico se transforma por la acción de la malatodeshidrogenasa en ácido oxalacético, que se unirá después a un nuevo grupo acetilo para formar ácido cítrico y repetir el ciclo de nuevo. En esta transformación de ácido málico a oxalacético se produce la reducción de un NAD+ a NADH. Así pues, por cada molécula de ácido pirúvico que llega a la mitocondria, el ciclo de Krebs acumula energía en forma de tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una de GTP. Como de cada molécula de glucosa salen dos moléculas de ácido pirúvico, la energía acumulada por molécula de glucosa será el doble.

El Trasporte de Electrones y la Fosforilzación Oxidativa

En el proceso conocido como ciclo de Krebs cada molécula de glucosa se ha oxidado por completo y parte de la energía liberada en esa oxidación se ha acumulado en forma de seis moléculas de NADH, dos de FADH2 y dos GTP (el GTP transfiere su fosfato terminal al ADP para formar ATP). Tanto los NADH producidos en la glucolisis como los generados en el ciclo de Krebs, junto con los FADH2 transfieren los electrones de alta energía obtenidos de la oxidación de la glucosa (pero también de la oxidación de los ácidos grasos o de los aminoácidos que también pueden utilizarse para sintetizar acetilCoA o convertirse en alguno de los elementos intermedios del ciclo de Krebs) a unas proteínas especializadas, conocidas como cadena trasportadora de electrones, que se hallan insertas en la membrana interna de la mitocondria.

A medida que los electrones recorren esta amplia cadena de proteínas aceptoras y dadoras de electrones van perdiendo energía. La energía que se libera en este proceso se utiliza para bombear protones (H+) a través de la membrana interna de la mitocondria desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal aumentando en ese lado la concentración de protones. Se ha generado un potencial electroquímico de protones (los protones están muy concentrados en el espacio intermembranal y además todos ellos son de signo positivo con lo cual se repelen entre sí por lo que ejercen una fuerte presión sobre la membrana interna). Afortunadamente, esta membrana contiene un complejo proteínico de carácter enzimático, la ATP sintetasa, que canaliza esta presión de los protones. Los protones, al atravesar a favor de gradiente este complejo enzimático, proporcionan la energía necesaria para unir un grupo fosfato (fosforilación) al ADP produciendo moléculas de ATP. Ahora se puede comprender por qué a este proceso se le conoce como fosforilación oxidativa: se fosforila una molécula de ADP a partir de la oxidación (pérdida de electrones) del NADH y del FADH2. Este ATP así sintetizado se transfiere desde la mitocondria al resto de la célula para ser utilizado en cualquier proceso metabólico que requiera energía (anabólico). La Tabla 4.4 muestra la cuenta óptima de resultados energéticos a partir de una molécula de glucosa (38 moléculas de ATP).

Sin embargo, a veces la energía del gradiente de protones no se utiliza sólo para sintetizar ATP, con lo cual, la cuenta de ATP será menor. Por otra parte, los electrones ya utilizados se unen al oxígeno: en realidad, los electrones junto con los protones (H+), se unen al oxígeno para acabar formando moléculas de agua.

REFERENCIAS

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