Algunos catabolismos

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El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que oxidan moléculas de alto peso molecular, esto se hace principalmente mediante el rompimiento de sus estructuras para obtener electrones de alta energía. El propósito de las reacciones catabólicas es extraer la energía de los enlaces de las macromoléculas y transferir la porción no absorbida por la entropía “la energía que se pierde en forma de calor al universo” en enlaces de los portadores de energía, ya sea en los enlaces pirofosfato del ATP y sus análogos, o en la forma del enlace entre algunas coenzimas con protones. Posteriormente las coenzimas portadoras de energía emplearan la energía de sus enlaces para pagar por la construcción de las moléculas propias de la célula, aunque en este paso también hay pérdida por entropía. Todos los diferentes mecanismos metabólicos, ya sea anabólicos o catabólicos, dependen del acoplamiento de reacciones redox y flujos de energía libre de Gibbs.

Digestión

La digestión es la destrucción de moléculas complejas en otras más simples, por la acción de procesos mecánicos, y químicos, específicos o inespecíficos. En los animales la digestión inicia como un proceso mecánico de destrucción del alimento por la acción de dientes y otras estructuras del sistema digestivo que muelen el alimento. Sin embargo, la mayoría de los seres vivos son capaces de digerir solo por acción química, la cual puede ser inespecífica, mediante la liberación de ácidos sobre el alimento, u específica con la liberación de enzimas que rompen moléculas concretas del alimento. La digestión no solo tiene funciones nutricionales, también puede ser empleada en procesos del sistema inmune para devorar invasores externos y para alertar de sus componentes para que las células inmunes estén más alerta a invasiones futuras.

Glucólisis

Como su nombre indica la glucólisis es el proceso de rompimiento de la glucosa de 6 carbonos para obtener dos moléculas de 3 carbonos llamadas ácido pirúvico / piruvato y cierto rendimiento energético en forma de ATP y otras coenzimas portadoras de energía. El piruvato entonces puede tomar varias rutas metabólicas dependiendo del organismo, las cuales pueden ser fermentaciones o respiraciones. La diferencia es que las fermentaciones sacrifican energía para excretar el piruvato y las respiraciones degradan el piruvato para obtener más energía. La glucólisis consta de dos etapas energéticas, una etapa de inversión en la que la célula sacrifica energía para hacer que la glucosa se haga inestable:

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y poder romperla y una etapa de recuperación energética, de este modo se obtienen como rendimiento bruto de 4 ATP y 2 NADH:H⁺, sin embargo debido a que se invirtieron 2 ATP durante las fases de absorción de energía, el rendimiento neto se reduce a 2 ATP y 2 NADH:H⁺.

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El fin de la glucólisis termina con una sustancia problemática, el ácido pirúvico / piruvato.

Las fermentaciones

Todas las rutas metabólicas sufren del problema de intermediarios metabólicos, que experimentan reacciones reversibles o que cuyos sustratos están limitados en cantidad. En cuanto a la glucólisis, por ejemplo, la acumulación del ácido pirúvico puede conllevar fácilmente a la parálisis de su misma ruta metabólica, lo cual priva a la célula de su fuente energética. De hecho, este evento se da en el envenenamiento por arsénico, el cual causa una acumulación de piruvato por inhibición de la enzima que lo integra a la respiración aeróbica en los seres humanos. Dado que el piruvato es tóxico, si se acumula la célula debe “hacerse cargo” de él, modificándolo a una forma química menos toxica y expulsándolo de la célula como desecho, proceso que puede ser denominado como excreción celular.  Adicionalmente existe otro dilema celular que debe ser afrontado por la célula, el glucólisis consume NAD para formar NADH:H⁺, si no se encuentra algo útil en que invertir ese NADH:H⁺ el NAD que se usa para fabricarlo se acaba, lo cual paralizará otras rutas metabólicas paralelas. Las fermentaciones son un modo de resolver esos dos problemas con una serie de reacciones cortas, se sacrifica energía para transformar el piruvato en sustancias menos tóxicas o más fáciles de exportar fuera de la célula, y la energía sacrificada proviene precisamente del NADH:H⁺.

Dependiendo de si la ruta emplea oxígeno o no, se la denomina aeróbica o anaeróbica, y el nombre propio de cada fermentación dependerá de su producto final. Por ejemplo, en la fermentación láctica anaeróbica se produce ácido láctico.

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La fermentación anaeróbica que produce alcohol etílico

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O la fermentación aeróbica que produce ácido acético

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Ciclo de Krebs

Al contrario de lo que sucede en las fermentaciones, el ciclo de Krebs logra oxidar el piruvato, y en lugar de perder energía la va a obtener. Como su nombre indica se trata de un grupo de reacciones cíclicas en donde los carbonos provenientes del piruvato se unen con carbonos de sustancias del ciclo, las transformaciones sucesivas liberan dióxido de carbono y grandes cantidades de energía en forma de coenzimas portadoras de energía.

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Como productos del ciclo tenemos de manera neta dos moléculas de dióxido de carbono que son liberadas al torrente sanguíneo “el dióxido de carbono puede atravesar las membranas mitocondriales y celular por transporte pasivo”. En términos energéticos también son liberados protones libres y coenzimas portadoras de energía, los cuales serán empleados para sintetizar ATP posteriormente.

Portadores de energía

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En este capítulo echaremos un vistazo más próximo a los portadores de la energía, sustancias necesarias para acoplar las reacciones espontáneas con las no espontáneas mediante la transferencia energética. Los portadores de energía vincularan pues las reacciones que producen energía libre de Gibbs con aquellas que consumen energía libre de Gibbs. Los portadores de energía se caracterizan por almacenar la energía libre en sus enlaces químicos de alta energía mediante la adquisición de grupos fosfato o de protones con sus correspondientes electrones. De cierta manera podemos entender el funcionamiento de los portadores de energía en términos de las reacciones ácido base.

ATP

El  o trifosfato de adenosina es el principal portador de energía de los seres vivos, y se forma en base al nucleósido adenosina y a tres grupos fosfato. 

Figura 7. Ácido pirofosfórico H₃P₂O₇.

Figura 8. Ácido trifosfórico

Para entender el funcionamiento del ATPes conveniente conocer algo de la química de los ácidos del fosforo. Por lo general conocemos al ácido ortofosfórico que se disocia liberando tres protones.  Esto genera un grupo fosfato libre de tres cargas negativas, sin embargo los iones fosfato pueden unirse nuevamente para formar el ácido pirofosforico. En el enlace pirofosfórico el oxígeno que sirve de puente entre los dos fosfatos almacena mucha energía, por lo que se lo conoce como enlace pirofosfórico o simplemente pirofosfato.

En el ATP hay tres grupos fosfato unidos por dos enlaces pirofosfato, lo que implica dos uniones de alta energía. El ATP es un nucleósido constituido por una base nitrogenada que da el nombre “en este caso adenina” y un azucar hemiacetal, es decir en forma de anillo de cinco carbonos llamado ribosa. Las tres cosas unidas tienen una estructura semejante a lo que se observa en la Figura 10.

Figura 9. Representaciones estructurales de la disociación del ácido fosfórico: .

Figura 10. Modelo simplificado de la fórmula estructural del ATP.

En términos químicos la adenosina de trifosfato es una sal orgánica y un ácido al mismo tiempo, ya que puede liberar los protones para las posiciones negativas de los fosfatos. En medio acuoso el ATP puede perder dos de sus pirofosfatos para convertirse en una molécula cíclica conocida como monfosfato de adenosina. Lo anterior nos lleva a una caracteristica de los portadores de energía, y es que pueden presentarse en estados de alta y de baja energía, y pára el ATP se nos presenta un estado de energía intermedio llamado ADP. El estado de alta energía es el ATP con los tres pirofosfatos, el de media energia seria el difosfato de adenosina con solo dos pirofosfatos  y el estado de baja energía es el monofoscato cíclico de adenosina o AMPc con un solo pirofosfato.  El ATP es el mas común de los portadores de energía celular, a tal punto que se lo conoce como la moneda energética de la célula, aunque no es el único.

GTP

 es una molécula análoga al ATP y funciona de la misma manera, almacenando energía en grupos pirofosfato, con tres versiones, la de alta energía es el trifosfato de guanosina GTP, la de media energía conocida como difosfato de guanosina GDP y la de baja energía el monofosfato cíclico de guanosina o GMPc. Lo único que cambia realmente es la base nitrogenada que ya no es adenina sino guanina.

Figura 11. Modelo simplificado de la fórmula estructural del GTP.

La GTP es una coenzima de transferencia de energía clave en procesos como:

1-    Ciclo de Krebs un metabolismo clave para oxidar completamente los azúcares y las grasas.

2-    Traducción genética para fabricar las proteínas propias del cuerpo

3-    Durante la polimerización de los microtúbulos para que las células se puedan dividir adecuadamente

4-    Sistema olfativo permitiendo la transmisión del impulso nervioso y por ende, el sentir el olor de las cosas.

NADH₂

La nicotinamida adenina dinucleótido es una coenzima que se obtiene en base al ATP el cual pierde un pirofosfato y es reemplazado por otra ribosa que posee una basa nitrogenada llamada nicotinamida.

Figura 12. El NAD “arriba” y el NADH:  “abajo”. La forma reducida tiene el hidrógeno extra implícito en el anillo, mientras que también se genera un ion  que no está unido al anillo.

En la nicotinamida es donde se da el cambio estructural para captar dos hidrógenos. Un hidrógeno se une covalentemente a uno de los carbonos del anillo por viraje del enlace deslocalizado aromático, mientras que el segundo protón se une de forma coordinada al nitrógeno del anillo, y debido a que es un enlace coordinado en algunos textos el NADH₂ se expresa en la forma NADH:H⁺ para expresar que el segundo protón no hace parte real del anillo de nicotinamida.

El NADH:H⁺ es la primera de las coenzimas que se clasifican como poder reductor, en el sentido de que transportan protones, recordemos que en la química orgánica la reducción también puede verse como la captura de protones, lo cual va acompañado con la captura de sus correspondientes electrones. Químicamente las moléculas de poder reductor tambien se pueden visaluzar como ácidos de Brostened-Lowry débiles que existen en su forma ácida y de base conjugada. La forma ácida que porta los protones es la forma de alta energía y la base conjugada o NAD⁺ en este caso es la forma de baja energía.

Dado lo anterior cada vez que en una reacción metabólica se presenta un paso de NAD⁺ a NADH:H⁺ o su opuesto, nos encontramos ante un paso de flujo energético que por lo menos para un curso introductorio de metabolismo es lo que realmente nos importa.

NADPH

La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato análogo a la NADH:H, ya que también es un ácido orgánico que posee dos estados energéticos, la forma de alta energía que contiene dos protones y dos electrones, y la forma de baja energía o desprotonada. El funcionamiento es exactamente igual al del NAD, pues es el anillo de nicotinamida el que se encarga de unirse covalentemente aun protón y demanera coordinada al segundo protón.

Figura 13. El NADP⁺ es un isómero del NAD, incluso su región activa funciona de manera semejante.

FADH₂

La flavina adenina dinucleótido es una coenzima homóloga al NAD ya que captura dos protones con sus correspondientes electrones, al igual que en los casos anteriores se obtiene en base al ATP. Sus capacidades como ácido diprótico débil son causadas por el anillo de flavina que si se une covalentemente a dos protones gracias a dos nitrógenos de anillos diferentes.

Figura 14. El FAD al reducirse si porta realmente dos protones por lo que la notación FADH₂ si es correcta.

Fórmulas cortas

Existen muchísimas otras coenzimas que transfieren muchísimos otros grupos diferentes, pero por lo menos hay que tener en mente a estos básicos ya que son universales. Y debido a su universalidad y complejidad en los esquemas de reacciones metabólicas casi nunca se los presenta en su fórmula estructural. Las moléculas de cofactores portadoras de energía se expresan con su acronimia en términos de reacciones de flujo de energía como viene a continuación. Las coenzimas que transfieren grupos pirofosfato almacenan su energía en los enlaces entre los pirofosfato, por lo que al perder estos grupos de fosforo pierden energía.

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Las coenzimas que transfieren protones sirviendo como áciodos débiles de Brostened almacenan su energía en los electrones que forman los enlaces con los protónes (iones positivos del hidrógeno).

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Fuentes de energía

Si tenemos portadores de energía, ahora la pregunta es de donde proviene la energía y hasta los protones (H+) que emplean los seres vivos.

Fosforilación oxidativa

En la fosforilación oxidativa los electrones de alta energía son removidos de las moléculas orgánicas en los enlaces de alta energía entre carbonos, luego esos electrones son transferidos para sintetizar ATP por una reacción de transferencia de grupo pirofosfato mediado por enzimas específicas. El proceso puede realizarse en la glucólisis lo cual ocurre en el citoplasma, o en las membranas celulares a través de la cadena de transporte de electrones que es mucho más eficiente.

Electrones de la roca

Los minerales pueden almacenar electrones de alta energía, que los seres vivos pueden transferir a portadores como NAD, NADP o FAD gracias a ácidos y enzimas adecuados. Los protones que acompañan a los electrones extraídos de la roca provienen de la disociación del agua, por lo que una colonia de células puede sobrevivir drenando la energía de la roca, literalmente convirtiendo la materia inerte en vida.

Electrones del agua

No todos los minerales pueden dar el tipo de electrones que necesitan los seres vivos, el agua por ejemplo es una molécula absolutamente inadecuada, ya que los enlaces de hidrógeno a oxígeno son de muy baja energía. Por tal razón se necesita una introducción de energía interna para cargar a los electrones, o excitarlos como se denomina técnicamente. Cuando los electrones de los enlaces del agua se excitan, el agua se rompe produciendo protones disueltos en agua y oxígeno molecular como material de desecho, proceso que se denomina como fotosíntesis, ya que la energía de excitación proviene del Sol.