Vías específicas: de nutrientes complejos a moléculas simples
En el organismo humano, las etapas iniciales de la degradación de los principales sustratos energéticos —proteínas, grasas y carbohidratos— se llevan a cabo mediante sistemas enzimáticos estrictamente específicos para cada clase particular de compuestos. Esta etapa se denomina vías específicas del catabolismo. Su objetivo es convertir la diversidad de moléculas en metabolitos intermediarios.
A pesar de las diferencias estructurales de los nutrientes, el resultado de las vías específicas siempre es el mismo. Las reacciones conducen a la formación de solo dos sustancias clave:
- Ácido pirúvico (o piruvato), cuyo esqueleto carbonatado consta de tres átomos de carbono ($C_3$).
- Ácido acético en forma de acetil-CoA, que contiene dos átomos de carbono ($C_2$).
Cómo se forman estas moléculas universales:
- Las proteínas se descomponen primero en aminoácidos, que posteriormente se transforman ya sea en piruvato o directamente en acetil-CoA.
- Los carbohidratos se degradan hasta glucosa, la cual, como resultado de transformaciones intracelulares, genera piruvato.
- Las grasas se descomponen en glicerol (que se transforma en piruvato) y ácidos grasos (que se oxidan hasta acetil-CoA).
Vía común del catabolismo (VCC)
Una vez finalizadas las reacciones específicas y formado el piruvato, se inicia la vía común del catabolismo (VCC). En esta fase, la degradación transcurre de forma unificada, independientemente de si el sustrato original se originó a partir de glucosa, un aminoácido o glicerol.
La vía común está dividida funcionalmente en dos procesos sucesivos:
- Descarboxilación oxidativa del piruvato. En esta etapa, el piruvato se convierte en acetil-CoA de dos carbonos.
- Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT), también conocido como ciclo de Krebs, al cual ingresa el acetil-CoA formado.
Todas las reacciones de la VCC ocurren en la matriz mitocondrial. Los productos finales de este proceso global son dióxido de carbono ($CO_2$) y agua ($H_2O$), liberándose además la coenzima libre HS-CoA.
Conexión de las reacciones de la VCC con la cadena de transporte de electrones
El sentido biológico del catabolismo es proveer energía a la célula. Durante las reacciones de la VCC se generan los donantes primarios de hidrógeno necesarios para el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones (CET). Mientras que el ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz, los componentes de la CET se localizan en la membrana mitocondrial interna.
La oxidación de los sustratos en el ciclo ocurre con la participación de deshidrogenasas:
- Deshidrogenasas dependientes de NAD⁺ actúan en cuatro reacciones: la conversión de piruvato en acetil-CoA, de isocitrato a $\alpha$-cetoglutarato, de $\alpha$-cetoglutarato a succinil-CoA y de malato a oxaloacetato. Las primeras tres reacciones van acompañadas de la liberación de $CO_2$. Como resultado se forma NADH, que transfiere electrones al Complejo I de la cadena respiratoria.
- Deshidrogenasa dependiente de FAD (succinato deshidrogenasa) cataliza la conversión de succinato en fumarato. El FAD reducido transfiere electrones al ubiquinona (Q), sin pasar por el Complejo I.
Además de la generación de donantes de hidrógeno, en el CAT existe una reacción de fosforilación a nivel de sustrato: durante la conversión de succinil-CoA en succinato se forma una molécula de ATP (GTP).
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué coenzimas y vitaminas forman parte del complejo piruvato deshidrogenasa?
En las fuentes bibliográficas, para el complejo piruvato deshidrogenasa / descarboxilación oxidativa del piruvato se indican:
- Tiamindifosfato (TDF) — coenzima de la piruvato descarboxilasa (E1), la forma activa de la vitamina B1.
- Ácido lipoico (lipoamida) — coenzima señalada para el complejo piruvato deshidrogenasa (E2).
- HS-CoA (coenzima A) — se incorpora al complejo en el momento de la reacción y se libera en forma de producto final acetil-CoA.
- NAD+ — se incorpora al complejo en el momento de la reacción y se libera en forma de NADH + H+.
- Vitaminas necesarias para la descarboxilación oxidativa del piruvato / VCC: tiamina (B1), ácido pantoténico (B5), nicotinamida (PP), riboflavina (B2).
- Vitamina B6 / piridoxina no participa en este complejo.
¿Cuál es el rendimiento total de moléculas de ATP durante la oxidación completa de una molécula de acetil-CoA en el ciclo de Krebs?
El rendimiento total por la oxidación de una molécula de acetil-CoA en el ciclo de Krebs es de 12 moléculas de ATP.
- Fosforilación oxidativa (en la CET): aporta 11 ATP (debido a la oxidación de 3 moléculas de NADH, que generan 9 ATP, y 1 molécula de $FADH_2$, que genera 2 ATP).
- Fosforilación a nivel de sustrato: aporta 1 ATP (GTP) en la reacción catalizada por la succinato tioquinasa.
¿Qué enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos son regulatorias?
Las enzimas regulatorias del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (VCC) son:
- Citrato sintasa
- Isocitrato deshidrogenasa — enzima oligomérica que limita la velocidad del CAT y cataliza la descarboxilación oxidativa del isocitrato a $\alpha$-cetoglutarato.
- Complejo de la $\alpha$-cetoglutarato deshidrogenasa — complejo multienzimático que cataliza la conversión de $\alpha$-cetoglutarato en succinil-CoA.
Preguntas de clases y exámenes
¿En qué parte de la célula ocurren las reacciones de la vía común del catabolismo?
Todas las reacciones de la descarboxilación oxidativa del piruvato y del ciclo de los ácidos tricarboxílicos ocurren en la matriz mitocondrial.
¿Qué dos metabolitos son el resultado de las vías específicas de degradación?
Estos son el piruvato (que contiene tres átomos de carbono) y el acetil-CoA (que contiene dos átomos de carbono). A ellos converge la degradación de todos los carbohidratos, grasas y proteínas.
¿Cuál es la diferencia en la transferencia de electrones entre las enzimas dependientes de NAD y de FAD?
El NADH reducido transfiere electrones al Complejo I de la cadena respiratoria, mientras que el FAD, formado durante la oxidación del succinato, los transfiere al ubiquinona (Q) pasando por alto el primer complejo.
¿En qué etapa de la vía común del catabolismo se sintetiza ATP sin la participación de la cadena respiratoria?
En la reacción de fosforilación a nivel de sustrato durante la conversión de succinil-CoA en succinato se produce la síntesis de ATP (o GTP).
Qué más repasar sobre el tema
- Descarboxilación oxidativa del piruvato: mecanismo de la reacción
- Fosforilación a nivel de sustrato en el ciclo de Krebs
- Papel de la succinato deshidrogenasa en la formación de fumarato
- Transferencia de electrones al ubiquinona y al Complejo I
- Integración del metabolismo de carbohidratos, proteínas y lípidos
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