Cmo obtienen las clulas energa de los alimentos - PDF

Cómo obtienen las células energía de los alimentos\ \ Para poder crecer, dividirse y llevar a cabo las actividades cotidianas, las cé-lulas necesitan un suministro constante de energía. Esta energia está alma-cenada en los enlaces químicos de las moléculas de alimento y sirve como combustible para l...

Cómo obtienen las células energía de los alimentos\ \ Para poder crecer, dividirse y llevar a cabo las actividades cotidianas, las cé-lulas necesitan un suministro constante de energía. Esta energia está alma-cenada en los enlaces químicos de las moléculas de alimento y sirve como combustible para las células.\ \ Quizá las moléculas de combustible más importantes sean los azúcares (de-masiada cantidad puede, lamentablemente, inducir obesidad y diabetes tipo 2). Las plantas sintetizan sus propios azúcares a partir del CO2 por fotosinte-sis. Los animales obtienen azúcares -y otras moléculas orgánicas que pue-den ser transformadas químicamente en azúcares-mediante la ingestión de plantas y otros organismos. No obstante, el proceso por el que todos estos azúcares son degradados para generar energia es muy similar tanto en los animales como en las plantas. En ambos casos, las células del organismo obtienen energía útil mediante la rotura de los enlaces químicos, lo que libe-ta la energia almacenada en los azúcares a medida que estas moléculas son degradadas y oxidadas a dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O), a través de un proceso denominado respiración celular La energia liberada durante estas reacciones es capturada en forma de enlaces químicos de \"alta ener-gia\" enlaces covalentes que liberan grandes cantidades de energia al ser hidrolizados- en moléculas transportadoras activadas, como ATP y NADH. A su vez, estas moléculas transportadoras sirven como fuentes portátiles de los grupos químicos y electrones necesarios para la biosintesis (se analizó en el cap. 3).\ \ En este capítulo, seguiremos los principales pasos de la degradación de azús cares y mostraremos cómo se producen el ATP, el NADH y otras moléculas activadas astraremos como se proos concentraremos en la degradación de la glucosa porque esta genera la mayor parte de la energia en casi todas las células animales. En las plantas, los hongos y muchas bacterias opera, mas Via muy simales. En las los ácidos grasos y las proteine también pueden setras molécuentes de energía si son canalizadas a través de vias endeden servir como fuetudiaremos como las células its y chas de lasimáticas apropiadas. Espur la degradación de azúcares y grasas como puntosinleculas generadas por otras moléculas orgánicas.Por último, examinaremos de qué manera regulan su metabolismo las ce lulas y de qué manera almacenan moléculas de alimento para sus futuras necesidades metabólicas. Reservaremos nuestro análisis del mecanismo elaborado que utilizan las células para producir la mayor parte de su ATP para el capitulo 14.\ \ DEGRADACIÓN Y UTILIZACIÓN DE AZÚCARES Y GRASAS\ \ Si una molécula de combustible como la glucosa se oxidara a CO₂ y H₂O en un solo paso-por ejemplo, mediante aplicación directa de fuego-esta libera-ría una cantidad de energía muchas veces mayor que la que podría capturar cualquier molécula transportadora (fig. 13-1A). En cambio, las células utili-zan enzimas para llevar a cabo la oxidación de azúcares en una serie estric-tamente controlada de reacciones. Gracias a la acción de las enzimas-que actúan a las temperaturas habituales de los seres vivos- las células degradan cada molécula de glucosa paso por paso y entregan pequeños montos de energia a las moléculas transportadoras por medio de reacciones acopladas (fig. 13-18). De esta manera, gran parte de la energía liberada por la degra-dación oxidativa de la glucosa se guarda en los enlaces de alta energia del ATP y otras moléculas transportadoras activadas, a las que luego se puede acceder para realizar trabajo útil en la célula.\ \ drial externa\ \ mbrana mitocondrial ma\ \ dría tiene dos acio interno ayor parte de la e alimento se s, tanto en la na mitocondrial\ \ Las células animales sintetizan ATP de dos maneras. En primer lugar, ciertas reacciones catalizadas por enzimas energéticamente favorables que partici-pan en la degradación de moléculas derivadas de alimentos se acoplan en for-ma directa a la reacción energéticamente desfavorable ADP + P₁→ ATP. Por consiguiente, la oxidación de moléculas de alimentos puede aportar energia para la producción inmediata de ATP. Sin embargo, la mayor parte de la sin-tesis de ATP requiere un intermediario. En esta segunda via de producción de ATP, se emplea la energia de otras moléculas transportadoras activadas para impulsar la síntesis de ATP. Este proceso, denominado fosforilación oxidativa, tiene lugar en la membrana mitocondrial interna de las células eucariontes (fig. 13-2) -o en la membrana plasmática de los procariontes aerobios-y se describirá en detalle en el capitulo 14. En este capitulo, nos centramos en la primera secuencia de reacciones por las cuales se oxidan las moléculas de alimento, tanto en el citosol como en la matriz mitocondrial (véase fig. 13-2). Estas reacciones producen tanto ATP como otras moléculas transportadoras activadas que, después, pueden ayudar a impulsar la producción de cantida des mucho mayores de ATP por fosforilación oxidativa.\ \ Las moléculas de alimento se degradan en tres etapas\ \ las proteínas, las grasas y los polisacáridos que componen la mayoría de los alimentos que comemos deben ser degradados a moléculas más pequeñas antes de que nuestras células puedan utilizarlas, ya sea como fuente de energia o como componentes para la síntesis de otras moléculas orgánicas. Este proceso de degradación -en el que las enzimas descomponen molécu-las orgánicas complejas en otras más simples- se denomina catabolismo y\ \ se cumple en tres etapas, como ilustra la figura 13-3. En la etapa 1 del catabolismo, las enzimas convierten a las moléculas po-liméricas de alimento de gran tamaño en subunidades monoméricas más simples, y a las grasas, en ácidos grasos y glicerol. Esta etapa-denominada también digestión tiene lugar fuera de las células  o en organilos especializados orgánulos intracelulares especializados (denominados lisosomas, como se explicará en el cap. 15). Después de la digestión, las pequeñas seganicas derivadas de los alimentova en el citosol de una célula, donde se inicia su degradación oxidativa gradual.\ \ En la etapa 2 del catabolismo, una cadena de reacciones denominada glu Ensas divide cada molécula de glucosa en dos moléculas más pequeñas de piltuvato. También pueden utilizarse azúcares distintos de la glucosa, después be convertirlos en uno de los intermediarios de esta via de división de azúca res. La glucólisis se lleva a cabo en el citosol y, además de producir piruvato. genera dos tipos de moléculas transportadoras activadas: ATRY NADH. El pl Ruvato es transportado desde el citosol al gran compartimento interno de la mitocondria denominado matriz. Alli, un complejo enzimático gigante con-vierte cada molécula de piruvato en CO2 más acetil CoA, otra de las moléculas transportadoras activadas analizadas en el capitulo 3 (véase fig. 3-37). En esta reacción también se produce NADH. Asimismo, en el mismo compartimento se producen grandes cantidades de acetil CoA mediante degradación oxidati va escalonada de ácidos grados derivados de grasas (véase fig. 13-3),\ \ La etapa 3 del catabolismo se produce por completo en las mitocondrias. El grupo acetilo de la acetil CoA es transferido a una molécula de oxalacetato para formar citrato, que ingresa en una serie de reacciones denominadas ciclo del ácido cítrico. En estas reacciones, el grupo acetilo transferido es oxi-dado a CO₂, con la producción de grandes cantidades de NADH. Por último, los electrones de alta energia del NAD pasan a lo largo de una serie de enzi-mas dentro de la membrana mitocondrial interna que constituyen la cadena de transporte de electrones, donde la energía liberada por su transferencia se utiliza para impulsar la fosforilación oxidativa, un proceso que produce ATP y consume oxígeno molecular (gas O₂). Es en estos pasos finales del catabo lismo donde la mayoría de la energía liberada por oxidación es aprovechada para producir la mayor parte del ATP de la célula.\ \ Mediante la producción de ATP, la energía derivada de la degradación de azúca res y grasas se redistribuye en paquetes de energía química de una forma con-veniente para su uso en la célula. En total, casi el 50% de la energía que en teoría podria obtenerse con la degradación de la glucosa o los ácidos grasos a H₂O y CO2 es capturada y utilizada para impulsar la reacción energéticamente desfa-vorable ADP + P ATP. En cambio, un motor a combustión moderno, como el de un automóvil, no puede convertir más del 20% de la energía disponible en su combustible en trabajo útil. En ambos casos, la energía restante se libera en forma de calor, que en los animales ayuda a mantener caliente el cuerpo.\ \ En una célula típica, alrededor de 109 moléculas de ATP se encuentran en solución en cualquier momento dado. En muchas células, todo este ATP se recambia (es decir, se consume y se reemplaza) cada 1-2 minutos. Por con siguiente, una persona promedio en reposo hidroliza su peso en moléculas de ATP cada 24 horas.\ \ La glucolisis extrae energía de la división del azúcar\ \ El proceso central de la etapa 2 del catabolismo es la degradación oxidativa de la glucosa mediante las reacciones secuenciales de la glucólisis. Las re-acciones tienen lugar en el citosol de la mayoría de las células y no requieren la participación de oxigeno molecular. Por cierto, muchos microorganismos anaerobios que prosperan en ausencia de oxigeno recurren a la glucolisis para producir ATP. Por consiguiente, es probable que esta serie de reaccio nes generadoras de energia se haya desarrollado en etapas tempranas de la historia de la vida, antes de que los organismos fotosintéticos introdujeran oxígeno en la atmósfera de la Tierra.\ \ El término \"glucólisis\" proviene del griego glykys, \"dulce\" y lysis, \"división\" Es un nombre adecuado, dado que la glucolisis divide a una molécula de glucosa, que tiene seis átomos de carbono, para formar dos moléculas de piruvato, cada una de las cuales contiene tres átomos de carbono, La serie de reordenamientos químicos que, en última instancia, generan piruvato li-beran energía porque los electrones de una molécula de piruvato se encuen tran, en términos generales, en un estado de energía más bajo que los de una molécula de glucosa. No obstante, por cada molécula de glucosa que ingresa en glucolisis, se consumen inicialmente dos moléculas de ATP para aportar la energía necesaria a fin de preparar al azúcar para su división. Esta inver-sión de energía es recuperada con creces en los pasos ulteriores de la glu-cólisis, en los que se producen cuatro moléculas de ATP. Durante esta \"fase de pago\" también se captura energía en forma de NADH. En consecuencia, al final de la glucólisis existe una ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa oxidada (fig. 13-4).\ \ La glucólisis produce ATP y NADH\ \ En la década de 1930, el descubrimiento de la via glucolitica completa signi-ficó un gran triunfo de la bioquímica, dado que la via está formada por una secuencia de 10 reacciones independientes, cada una de las cuales produce un intermediario de azúcar diferente y es catalizada por una enzima distinta. Estas reacciones se presentan de manera general en la figura 13-5 y en deta-lle en la lámina 13-1 (pp. 436-437). Al igual que la mayoría de las enzimas, las que participan en las reacciones de glucólisis tienen nombres que terminan en-asa, como isomerasa y deshidrogenasa, ya que especifican el tipo de reac-ción que catalizan (cuadro 13-1).\ \ Gran parte de la energia liberada por la degradación de glucosa se utiliza para impulsar la síntesis de moléculas de ATP a partir de ADP y Pi. Esta for-ma de síntesis de ATP, que tiene lugar en los pasos 7 y 10 de la glucólisis, se conoce como fosforilación a nivel de sustrato, porque se produce por la trans-ferencia de un grupo fosfato directamente de una molécula de sustrato -uno de los intermediarios hidrocarbonados- al ADP. En cambio, en las células, la mayor parte de la fosforilación tiene lugar por transferencia de un grupo fosfato del ATP a una molécula de sustrato.\ \ El resto de la energía útil aprovechada por la célula durante la glucólisis se almacena en los electrones de la molécula de NADH producida en el paso 6 mediante una reacción de oxidación. Como se explicó en el capitulo 3, la oxi-dación no siempre requiere oxígeno; se produce en cualquier reacción en la que se pierden electrones de un átomo y se los transfiere a otro. Por lo tanto, aunque en la glucólisis no interviene oxigeno molecular, sí se produce oxi-dación: en el paso 6, se elimina un átomo de hidrógeno más un electrón (un ion hidruro, H-) del intermediario hidrocarbnado gliceraldehido 3-fosfato, y se lo transfiere al NAD+, lo que produce NADH (véase lámina 13-1, p. 437).\ \ Durante el curso de la glucólisis, se forman dos moléculas de NADH por molécula de glucosa consumida. En los organismos eucariontes, estas mo-léculas de NADH son transportadas al interior de las mitocondrias, donde donan sus electrones a una cadena de transporte de electrones que produce ATP por fosforilación oxidativa en la membrana mitocondrial interna, como se describirá en detalle en el capitulo 14. Estos electrones pasan a lo largo de la cadena de transporte de electrones hasta el O2 y, finalmente, forman agua.Al ceder sus electrones, el NADH vuelve a convertirse en NAD\", que entonces está disponible para ser utilizado de nuevo para la glucólisis. En ausencia de oxigeno, se puede regenerar NAD mediante un tipo alternativo de reacción que produce energía denominada fermentación, como analizaremos a con-tinuación.\ \ En ausencia de oxígeno, las fermentaciones pueden producir ATP\ \ En la mayoría de las células animales y vegetales, la glucólisis es solo un preludio para la tercera etapa, y final, de la degradación de moléculas de ali-mento, en la que se generan grandes cantidades de ATP en las mitocondrias por fosforilación oxidativa, un proceso que requiere el consumo de oxigeno Sin embargo, para muchos microorganismos anaerobios, que pueden crecer y dividirse en ausencia de oxígeno, la glucolisis es la principal fuente de ATP Ciertas células animales también dependen del ATP producido por glucólisis cuando descienden las concentraciones de oxígeno, como las células del músculo esquelético durante el ejercicio intenso.\ \ En estas condiciones anaerobias, el piruvato y el NADH producidos por glu-cólisis permanecen en el citosol (véase fig. 13-3). Allí, el piruvato es conver-tido en productos que son excretados de la célula: por ejemplo, lactato en las células musculares o etanol y CO2 en las células de levadura usadas en la elaboración de la cerveza y el pan. Durante el proceso, el NADH cede su electrón y vuelve a convertirse en el NAD requerido para mantener las reac-ciones de glucólisis. Estas vias generadoras de energía que degradan azúcar en ausencia de oxigeno se denominan fermentaciones (fig. 13-6). Varios estudios científicos que evaluaron las fermentaciones comercialmente im-portantes llevadas a cabo por levaduras sentaron las bases de la bioquímica inicial.\ En ausencia de oxigeno, muchas bacterias y arqueas también pueden gene-rar ATP mediante respiración anaerobia, un proceso que utiliza una molécula distinta del oxigeno como aceptor final de electrones. La respiración anaero-bia difiere de la fermentación en que la primera emplea una cadena de trans-porte de electrones incluida en una membrana: en este caso, la membrana plasmática del procarionte.\ \ Las enzimas glucolíticas acoplan la oxidación al almacenamiento de energía en proteínas transportadoras activadas\ \ Las células obtienen energía útil de la oxidación de moléculas orgánicas aco-plando una reacción energéticamente desfavorable a una energéticamente favorable (véase fig. 3-17). Aqui, analizaremos de manera más exhaustiva un par de reacciones glucolíticas clave que demuestran cómo catalizan las enzimas estas reacciones acopladas y facilitan la transferencia de energia quimica para formar ATP y NADH.\ \ Las reacciones en cuestión, los pasos 6 y 7 de la glucólisis (véase lámina 13-1), transforman el intermediario hidrocarbonado de 3 carbonos gliceraldehi-do 3-fosfato en 3-fosfoglicerato. Esta conversión química de dos pasos oxida el grupo aldehido del gliceraldehido 3-fosfato al grupo ácido carboxilico del 3-fosfoglicerato. La reacción global deja suficiente energía libre para trans-ferir dos electrones del aldehído a NAD para formar NADH (en el paso 6) у para transferir un grupo fosfato a una molécula de ADP para formar ATP (en el paso 7). Asimismo, libera suficiente calor al entorno para que la reacción global sea energéticamente favorable: el AGº para el paso 6 seguido del paso 7 es-12,5 kJ/mol (fig. 13-7).\ \ 5 ore ol na able )\ \ ara\ \ te, ad r\ \ pp.\ \ La reacción del paso 6 es la única de la glucólisis que crea un enlace fosfato de alta energia directamente a partir de un fosfato inorgánico. Esta reacción gene-ra un intermediario de alta energia, 1,3-bifosfoglicerato, cuyos enlaces fosfato contienen más energia que los hallados en el ATP. Estas moléculas transfieren con facilidad un grupo fosfato al ADP para formar ATP. La figura 13-8 compara el enlace fosfoanhidrido de alta energía del ATP con algunos de los otros enlaces fosfato generados durante la glucólisis. La energía contenida en estos enlaces fosfato se determina a través de la medición del cambio de energía libre están-dar (AG°) cuando se rompe por hidrólisis cada enlace. Como se explica en la lámina 13-1, estos enlaces se suelen describir como de \"alta energía\" porque su hidrólisis es particularmente favorable desde el punto de vista energético.La figura 13-9 presenta en detalle la importante reacción de fosforilación a nivel de sustrato en el centro de la glucólisis, en la que se genera un enlace de alta energia en el 1,3-bifosfoglicerato en el paso 6, y luego se consume en el paso 7 para producir ATP.\ Varios tipos de moléculas orgánicas son convertidas en acetil CoA en la matriz mitocondrial\ \ NADH +H\ \ En el metabolismo aerobio de las células eucariontes, el piruvato producido por glucolisis es bombeado activamente al interior de la matriz mitocondrial (véase fig. 13-3). Alli, es decarboxilado con rapidez por un complejo gigante de tres enzimas denominado complejo piruvato deshidrogenasa. Los produc tos de esta serie de reacciones son CO2 (un producto de desecho), NADH y acetil CoA (fig. 13-10). Esta última es producida cuando el grupo acetilo derivado del piruvato se une a la coenzima A (COA).\ \ 0\ \ NAD\ \ 3\ \ 0\ \ Acetil CoA\ \ Además del azúcar, que se degrada durante la glucólisis, la grasa es una fuente importante de energía para la mayoria de los organismos no fotosin téticos, incluidos los seres humanos. Al igual que el piruvato derivado de la glucólisis, los ácidos grasos derivados de la grasa son convertidos en acetil COA en la matriz mitocondrial (véase fig. 13-3). En primer lugar, se activan los ácidos grasos por unión covalente a la CoA y, luego, se los degrada por completo en un ciclo de reacciones que elimina dos carbonos por vez de su extremo carboxilo, lo que genera una molécula de acetil CoA por cada vuelta del ciclo; en este proceso tambien se producen dos moléculas transportado ras activadas: NADH y otra molécula transportadora de electrones de alta energia, FADH2 (fig. 13-11).\ \ Además del piruvato y los ácidos grasos, algunos aminoácidos son transpor tados desde el citosol a la matriz mitocondrial, donde también son conver-tidos en acetil CoA o en uno de los otros intermediarios del ciclo del ácido cítrico (véase fig. 13-3). Por consiguiente, en la célula eucarionte, la mitocon-dria representa el centro hacia el que se orientan todos los procesos catabó licos generadores de energía, ya sea que el sustrato original sean azúcares, grasas o proteinas. En los procariontes aerobios que no tienen mitocon-drias- la glucolisis y la producción de acetil CoA, asi como el ciclo del ácido citrico, tienen lugar en el citosol.\ \ El catabolismo no finaliza con la producción de acetil CoA. En el proceso de conversión de moléculas de alimento en acetil CoA, solo una parte de su energia almacenada es capturada en los enlaces de moléculas transpor tadoras activadas, la mayor parte permanece encerrada en la acetil CoA. El siguiente paso de la respiración celular es el ciclo del ácido cítrico, en el que el grupo acetilo de la acetil CoA es oxidado a CO₂ en la matriz mitocondrial, como explicaremos a continuación.\ \ El ciclo del ácido cítrico genera NADH por oxidación de grupos acetilo a CO2\ \ El ciclo del ácido cítrico, una serie de reacciones que tiene lugar en la ma-triz mitocondrial de las células eucariontes, cataliza la oxidación completa de los átomos de carbono de los grupos acetilo de la acetil CoA. El producto final de esta oxidación, CO2, se libera como un producto de desecho. Sin embargo, los carbonos del grupo acetilo no son oxidados directamente, sing que son transferidos desde la acetil CoA a una molécula de cuatro carbonos de mayor tamaño, exalacetato, para formar un ácido tricarboxilico de seis carbonos, ácido citrico, que le da el nombre al ciclo de reacciones poste riores. Luego, la molécula de ácido cítrico (también denominada citrato) se oxida progresivamente y se aprovecha la energía de esta oxidación para pro-ducir moléculas transportadoras activadas, incluido NADH, de una manera muy similar a la descrita para la glucólisis. Esta serie de ocho reacciones forma un ciclo porque el oxalacetato que inicia el proceso es regenerado al final (fig. 13-12). La lámina 13-2 (pp. 442-443) presenta en detalle el ciclo del ácido cítrico-conocido también como ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs- y los experimentos que revelaron por primera vez su carácter ciclico se describen en Cómo sabemos (pp. 444-445).\ \ Si bien el ciclo del ácido citrico es responsable de alrededor de dos tercios de la oxidación total de los compuestos de carbono en la mayoría de las cé-lulas, ninguno de sus pasos utiliza oxigeno molecular. Sin embargo, el ciclo requiere O₂ para avanzar, dado que el NADH generado pasa sus electrones de alta energía a una cadena de transporte de electrones en la membrana mi-tocondrial interna, y esta cadena utiliza O₂ como aceptor final de electrones. Por consiguiente, el oxigeno permite que el NADH entregue sus electrones de alta energia, lo que regenera el NAD necesario para mantener en marcha el ciclo. Si bien los organismos vivos han habitado la Tierra durante más de 3500 millories de años, se considera que el planeta ha desarrollado la atmósfera que contiene gas Os solo hace alrededor 000 a 2000 millones de años (véase fig. 14-46). Por lo tanto, es probable que muchas de las reacciones generado-ras de energía del ciclo del ácido cítrico, utilizadas en la actualidad por todos los organismos aerobios, sean de origen relativamente reciente.\ Un concepto erróneo frecuente acerca del ciclo del ácido cítrico es que los áto-mos de oxígeno requeridos para formar C\*O\_{2} a partir de los grupos acetilo que ingresan en ese ciclo provienen del O\_{2} atmosférico. De hecho, estos átomos de oxígeno proceden del agua (H\_{2}\*O). Como se ilustra en la parte superior de la lámina 13-2, se dividen tres moléculas de H\_{2}\*O cuando ingresan en cada vuelta del ciclo, y sus átomos de oxígeno se utilizan finalmente para sintetizar C\*O\_{2} Como explicaremos en breve, el O\_{2} que respiramos, en realidad, es reducido a H\_{2}\*O por la cadena de transporte de electrones; no forma el C\*O\_{2} que exhalamos. Hasta ahora, hemos analizado solo uno de los tres tipos de moléculas trans-portadoras activadas producidas por el ciclo del ácido cítrico: NADH. Ade-más de tres moléculas de NADH, cada vuelta del ciclo también produce una molécula de FADH2 (flavina adenina dinucleótido reducido) a partir de FAD y una molécula del ribnonucleósido trifosfato GTP (trifosfato de gua-nosina) a partir del GDP (véase fig. 13-12). Las estructuras de estas dos moléculas transportadoras activadas se ilustran en la figura 13-13. El GTP es un pariente cercano del ATP, y la transferencia de su grupo fosfato terminal al ADP produce una molécula de ATP en cada ciclo. Al igual que el NADH, el FADH₂ es una molécula transportadora de electrones de alta energía, y también transfiere sus electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones de la membrana mitocondrial interna. Como analizaremos en breve, el movimiento de energía almacenada en estos electrones fácilmente transferibles se utiliza después para producir ATP a través de la fosforilación oxidativa en la membrana mitocondrial interna, el único paso del catabolis-mo oxidativo de sustancias alimenticias que requiere directamente O₂ de la atmósfera.\ \ Numerosas vías biosintéticas comienzan con la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico\ \ Las reacciones catabólicas, como las de la glucólisis y el ciclo del ácido citri-co, producen energía para la célula y los componentes a partir de los cuales se sintetizan muchas otras moléculas orgánicas. Hasta ahora, hemos hecho hincapié en la producción de energia más que en la provisión de materiales iniciales para la biosintesis. Sin embargo, muchos de los intermediarios for-mados en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico son desviados por estas vias anabólicas, en las que se los convierte en aminoácidos, nucleótidos, lipidos y otras pequeñas moléculas orgánicas que la célula necesita mediante una serie de reacciones catalizadas por enzimas. Por ejemplo, el oxaloacetato y el a-cetoglutarato producidos durante el ciclo del ácido cítrico (véase lá mina 13-2) son transferidos de la matriz mitocondrial de nuevo al citosol, donde sirven como precursores para la producción de muchas moléculas esenciales, como los aminoácidos aspartato y glutamato, respectivamente. La figura 13-14, que ilustra algunas de las secuencias que conducen desde las reacciones catabólicas centrales a la biosintesis, puede dar una idea de la extensión de estas vias anabólicas. En la última sección del capítulo, se considera cómo controlan las células el flujo de intermediarios entre las vías anabólicas y catabólicas.El transporte de electrones impulsa la síntesis de la mayor parte del ATP en la mayoría de las células\ \ Ahora, regresamos brevemente a la etapa final de la oxidación de las mo-léculas de alimento: la fosforilación oxidativa. En esta etapa se utiliza la energia química capturada por las moléculas transportadoras activadas pro-ducidas durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico para generar ATP Durante la fosforilación oxidativa, NADH y FADH2 transfieren sus electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones, una serie de mo-léculas transportadoras de electrones incluidas en la membrana mitocon-drial interna de las células eucariontes (y en la membrana plasmática de los procariontes aerobios). A medida que los electrones pasan a través de la se-rie de moléculas aceptoras y donantes de electrones que forman la cadena, descienden a estados de energía sucesivamente más bajos. En sitios especi-ficos de la cadena, la energía liberada se utiliza para impulsar protones (H+) a través de la membrana interna, que actúan como una fuente de energia (al igual que una batería) que puede ser aprovechada para impulsar diversas reacciones que requieren energia (que se analizaron en el cap. 12). La más prominente de estas reacciones es la fosforilación del ADP para generar ATP del lado de la matriz de la membrana mitocondrial interna (fig. 13-19).\ \ Al final de la cadena de transporte, los electrones se agregan a moléculas de O2 que han difundido hacia el interior de la mitocondria, y las moléculas de oxigeno reducidas resultantes se combinan de inmediato con protones de la solución circundante para producir agua (véase fig. 13-19). Ahora, los elec-trones han alcanzado su nivel de energía más bajo, y se ha extraido toda la energia disponible de la molécula de alimento oxidada. En total, la oxidación completa de una molécula de glucosa a H₂O y CO2 puede producir alrededor de 30 moléculas de ATF. En cambio, la glucólisis sola produce únicamente dos moléculas de ATP por molécula de glucosa.\ \ La fosforilación oxidativa se produce tanto en células eucariontes como en procariontes aerobias. Representa un notable logro evolutivo, y la capaci dad para extraer energia de los alimentos con una eficiencia tan grande ha modelado todo el carácter de la vida sobre la Tierra. En el siguiente capitulo, describiremos los mecanismos subyacentes a este proceso molecular inno-vador y cómo es probable que haya surgido.\ REGULACIÓN DEL METABOLISMO\ \ Una célula es una máquina intrincada, y nuestro análisis del metabolismo centrado en la glucolisis y el ciclo del ácido cítrico-ha revisado solo una pe queña fracción de las numerosas reacciones enzimáticas que pueden produ-cirse en una célula en cualquier momento dado (fig. 13-20). Para que todas estas vías actúen juntas de manera fluida, como es necesario para permitir que la célula sobreviva y responda al entorno, la elección de qué via debe se-guir cada metabolito debe ser regulada de manera cuidadosa en cada punto de ramificación.\ \ Muchos grupos de reacciones deben ser coordinadas y reguladas. Por ejem-plo, para mantener el orden dentro de sus células, todos los organismos deben reponer continuamente sus reservas de ATP mediante la oxidación de azúcares o grasas. Sin embargo, los animales solo tienen acceso periódico a alimentos, y las plantas deben sobrevivir sin luz solar durante la noche, cuando no pueden producir azúcar a través de la fotosíntesis. Los animales y las plantas han desarrollado varias vias para afrontar esta privación transi-toria. Una manera consiste en sintetizar reservas de alimento en épocas de abundancia que pueden ser consumidas más tarde cuando escasean otras fuentes de energía. Por consiguiente, según las condiciones, una célula debe decidir si dirige metabolitos clave hacia vias anabólicas o catabólicas; en otras palabras, si los usa para sintetizar otras moléculas o los quema para obtener energia inmediata. En esta sección, analizaremos de qué manera regula una célula su intrincada red de vías metabólicas interconectadas para satisfacer, en forma óptima, sus necesidades inmediatas y a largo plazo.\ \ Las reacciones catabólicas y anabólicas están organizadas y reguladas\ \ Todas las reacciones mostradas en la figura 13-20 se producen en una célula que tiene menos de 0,1 mm de diámetro, y cada paso requiere una enzima diferente. Para aumentar la complejidad, a menudo, el mismo sustrato forma parte de muchas vias diferentes. Por ejemplo, el piruvato es un sustrato para media docena o más de enzimas diferentes, cada una de las cuales lo modifica quimicamente de una manera distinta. Ya hemos visto que el complejo piruva-to deshidrogenasa utiliza piruvato para producir acetil COA (véase fig. 13-10) y que, durante la fermentación, la lactato deshidrogenasa puede convertir al piruvato en lactato (véase fig. 13-6A). Una tercera enzima convierte piruvato en el aminoácido alanina (véase fig. 13-14), una cuarta en oxalacetato, etc. Todas estas vías compiten por las moléculas de piruvato, y en las células tienen lugar competencias similares por miles de otras moléculas pequeñas todo el tiempo.\ \ Para equilibrar las actividades de estas reacciones interrelacionadas -y para permitir que los organismos se adapten con rapidez a los cambios de disponi-bilidad de alimentos o gasto de energia- una elaborada red de mecanismos de control regula y coordina la actividad de las enzimas que catalizan las innume-rables reacciones metabólicas que tienen lugar en una célula. Como analiza-mos en el capitulo 4, la actividad de las enzimas puede ser controlada mediante modificación covalente como la adición o la eliminación de un grupo fosfato (véase fig. 4-46)- y mediante la unión de pequeñas moléculas reguladoras, a menudo un metabolito (véanse pp. 150-152). Esta regulación puede aumentar la actividad de etabolito (veanse pp. Como consideraremos a continuación. aas bos tipos de relaciona pisitiva negativa-controlan la actividad de enzimas clave involucradas en la degradación y la sintesis de glucosa.\ \ La regulación por retroalimentación permite que las células pasen de la degradación de glucosa a la síntesis de glucosa\ \ Los animales necesitan un amplio suministro de glucosa. Los músculsbra tivos requieren gresitan un amplio sarsiu contracción, y las células cerebros les dependeren glucosa para impulsar ella para obtener energia. Durante los periodos de ayuno o de ejercicio fisico intenso, las reservas de glucosa del cuerpo se consumen más rápido de lo que pueden ser repuestas a partir de los alimentos. Una manera de aumentar la glucosa disponible es sintetizarla a partir del piruvato mediante un proceso denominado gluconeogénesis\ \ La gluconeogénesis es, en muchos aspectos, lo inverso de la glucólisis: sin-tetiza glucosa a partir del piruvato, mientras que la glucolisis degrada gluco sa y produce piruvato. Por cierto, la gluconeogénesis utiliza muchas de las mismas enzimas que la glucolisis, solo que en forma inversa. Por ejemplo, la isomerasa, que convierte glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato en el paso 2 de la glucolisis, catalizará con facilidad la reacción inversa (véase lámina 13-1, pp. 436-437). Sin embargo, hay tres pasos de la glucólisis que favorecen con gran intensidad la degradación de glucosa y que son efectivamente irre-versibles: los pasos 1, 3 y 10. Para eludir estos pasos unidireccionales, la glu-coneogénesis recurre a un grupo especial de enzimas que catalizan un con-junto de reacciones de derivación. Por ejemplo, en el paso 3 de la glucólisis, la enzima fosfofructocinasa utiliza el ATP para fosforilar fructosa 6-fosfato, lo que produce el intermediario fructosa 1,6-bifosfato. En la gluconeogene-sis, una enzima denominada fructosa 1,6-bifosfatasa simplemente elimina un fosfato de este intermediario para generar fructosa 6-fosfato (fig. 13-21).\ \ ¿Cómo determina una célula si sintetiza glucosa o la degrada? Parte de la de-cisión se centra en las tres reacciones glucoliticas irreversibles. Por ejemplo, la actividad de la enzima fosfofructocinasa está sujeta a regulación alosté rica por la unión de una variedad de metabolitos, que determinan la regu-lación por retroalimentación tanto positiva como negativa. Estas asas de retroalimentación, en las que un producto de una cadena de reacciones en-zimáticas reduce o estimula su propia producción modificando la actividad de una enzima de un paso previo de la vía, regulan muchos procesos bioló gicos (véase fig. 4-42). La fosfofructocinasa es activada por derivados de la hidrolisis del ATP-incluidos ADP, AMP y fosfato inorgánico- y es inhibida por el ATP. Por consiguiente, cuando se agota el ATP y se acumulan sus deriva-dos metabólicos, se activa la fosfofructocinasa y se desarrolla la glucolisis, con generación de ATP; cuando este es abundante, se desactiva la enzima y se detiene la glucólisis. La enzima que cataliza la reacción inversa durante la gluconeogénesis, fructosa 1,6-bifosfatasa (véase fig. 13-21), es regulada por las mismas moléculas, pero en la dirección opuesta. Así, esta enzima se activa cuando se desactiva la fosfofructocinasa, lo que permite que tenga lu-gar la gluconeogénesis. Muchos de estos mecanismos de retroalimentación coordinados permiten que una célula responda con rapidez a condiciones cambiantes y modifique su metabolismo en consecuencia.\ \ Algunas de las reacciones de derivación biosintética requeridas para la glu-coneogénesis son energéticamente costosas. La mera inversión del paso 10 consume una molécula de ATP y una de GTP. En total, producir una sola mo lécula de glucosa por gluconeogénesis consume cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de GTP. En consecuencia, la célula debe regular estrictamente el equilibrio entre glucólisis y gluconeogénesis. Si ambos procesos se produ jeran en forma simultánea, trasladarian metabolitos de un lado al otro en un ciclo inútil, que consumiria grandes cantidades de energia y generaria calor sin ningún propósito.\ Las células almacenan moléculas de alimento en reservorios especiales a fin de prepararse para períodos de necesidad\ \ Como hemos visto, la gluconeogénesis es un proceso costoso que requiere cantidades sustanciales de energía procedentes de la hidrólisis de ATP y GTP. Durante los periodos de escasez de alimentos, esta manera costosa de pro-ducir glucosa se suprime si se dispone de alternativas. Por ejemplo, las célu-las en ayuno pueden movilizar glucosa almacenada en forma de glucógeno, un polímero de glucosa ramificado (fig. 13-22A y véase lámina 2-4, pp. 72-73). Este polisacárido de gran tamaño se almacena como pequeños gránulos en el citoplasma de muchas células animales, pero sobre todo en células hepáticas y musculares (fig. 13-228). La síntesis y degradación de glucógeno se desarrolla por vías metabólicas independientes, que pueden ser regula-das de manera rápida y coordinada para adaptarse a las necesidades del organismo. Cuando se necesita más ATP del que puede ser generado a partir de moléculas derivadas de alimentos disponibles en el torrente sanguíneo, las células degradan glucógeno en una reacción catalizada por la enzima glucógeno fosforilasa. Esta enzima produce glucosa 1-fosfato, que luego es convertida en glucosa 6-fosfato que alimenta la vía glucolítica (fig. 13-22C).\ \ Al igual que la glucolisis y la gluconeogénesis, las vías de degradación y sín-tesis de glucógeno están coordinadas mediante regulación por retroalimen-tación. En este caso, las enzimas de cada vía son reguladas alostéricamente por la glucosa 6-fosfato, pero en direcciones opuestas: en la vía sintética, la glucosa 6-fosfato activa la glucógeno sintetasa, mientras que inhibe, al igual que el ATP, la glucógeno fosforilasa, que degrada el glucógeno (véase fig. 13-22C). Esta regulación ayuda a impedir la degradación de glucógeno cuando hay abundancia de ATP y a favorecer la síntesis de glucosa cuando la concentración de glucosa 6-fosfato es alta. El equilibrio entre la sintesis vila degradación de glucogeno es regulado, además, por vias de señaliza ción intracelular que son controladas por las hormonas insulina, adrenalina y glucagón (véase cuadro 16-1, p. 536 y fig. 16-21).\ \ Desde el punto de vista cuantitativo, la grasa es un material de almacena Deento mucho más importante que el glucógeno, en parte porque la ox dación de un gramo de grasa libera alrededor del doble de energia que oxidación de un gramo de glucosa. Además, el glucógeno fija gran cantidad de moléculas de agua, lo que produce una diferencia del sextuple en la mas real de glucógeno requerida para almacenar la misma cantidad de energia que la grasa. Un ser humano adulto promedio almacena suficiente glucoge no solo para alrededor de un dia de actividad normal, pero suficiente gra sa como para casi un mes. Si nuestras principales reservas de combustible tuvieran que ser transportadas como glucógeno en lugar de grasa, nuestro peso corporal debería aumentar casi 30 kilogramos (60 libras), en promedio\ \ Por lo general, las grasas se almacenan en el interior de las células como go-titas de triacilgliceroles insolubles en agua (fig. 13-23 y véase fig. 13-11). La mayoría de las especies animales poseen células especializadas que almace nan grasas denominadas adipocitos. En respuesta a señales hormonales, se pueden liberar ácidos grasos de estos depósitos hacia el torrente sanguineo para que otras células los utilicen según lo requieran. Tras un periodo de ayuno surge una necesidad de este tipo. Incluso el ayuno nocturno normal induce la movilización de grasa: a la mañana, la mayor parte de la acetil COA que ingresa en el ciclo del ácido cítrico deriva de ácidos grasos y no de glucosa. En cambio, después de una comida, la mayor parte de la acetil COA que ingresa en el ciclo del ácido cítrico proviene de la glucosa derivada de alimentos, y cualquier exceso de glucosa se utiliza para sintetizar glucógeno o grasa. (Aunque las células animales pueden convertir con facilidad azúca-res en grasas, no pueden convertir ácidos grasos en azúcar). Enan en células. Ol en arrollo. As de omo es para rana ald M. ein). Uras OS De Las reservas de alimento tanto de animales como de plantas forman una par-te vital de la dieta humana. Las plantas convierten parte de los azúcares que elaboran mediante fotosintesis durante la luz del día en grasas y almidón un polimero de la glucosa ramificado muy similar al glucógeno animal. Las grasas de las plantas son triacilgliceroles, como las de los animales, y solo difieren en los tipos de ácidos grasos predominantes (véanse figs. 2-21 y 2-22). El embrión dentro de la semilla d¡"una planta debe vivir de las reservas ali-menticias almacenadas durante un periodo prolongado, hasta que la semilla germina para producir una planta con hojas que puede obtener energia de la luz solar. El embrión utiliza estos depósitos de alimentos como fuentes de energía y de pequeñas moléculas para construir las paredes celulares y sintetizar muchas otras moléculas biológicas a medida que se desarrolla. Por esta razón, las semillas de las plantas suelen contener cantidades especial-mente altas de grasas y almidón, que las convierten en una fuente alimen-ticia importante para los animales, incluidos los seres humanos (fig. 13-24). Las semillas que germinan convierten la grasa y el almidón almacenado en glucosa según sea necesario.En las células vegetales, las grasas y el almidón se almacenan en los cloro-plastos, orgánulos especializados que llevan a cabo la fotosintesis (fig. 13-25). Estas moléculas ricas en energía sirven como reservorios de alimentos, que son movilizados por la célula para producir ATP en las mitocondrias durante los periodos de oscuridad. En el siguiente capitulo, estudiaremos mejor los cloroplastos y las mitocondrias, y revisaremos los mecanismos elaborados mediante los cuales estos orgánulos obtienen energia de la luz solar y de los alimentos.