4.7. Fermentaciones anaerobias

La glucólisis es una de varias rutas de degradación genéricamente denominadas fermentaciones anaerobias, por las cuales las células obtienen energía de varias moléculas orgánicas en ausencia de oxígeno molecular.

Por el hecho de que las primeras células tuvieron origen en una atmósfera sin oxígeno, y de que la glucólisis es un proceso altamente conservado en todas las células, las fermentaciones anaerobias son posiblemente las rutas metabólicas más antiguas para obtención de energía por procesos de degradación.

Dos procesos frecuentes de fermentación anaerobia son:

a) Fermentación alcohólica

b) Fermentación láctica

4.7.1. Fermentación alcohólica

En células como la levadura Saccharomyces cerevisiae, la glucosa es fermentada a etanol y dióxido de carbono.

La ruta de fermentación alcohólica es idéntica a la glucólisis, más estas dos reacciones:

1. La enzima piruvato descarboxilasa transforma irreversiblemente al piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono.

Piruvato + H+ à Acetaldehído + CO2

2. La enzima alcohol deshidrogenasa reduce reversiblemente el acetaldehído a etanol, teniendo a NADH como donador de electrones.

Acetaldehído + NADH + H+ ßà Etanol + NAD+

El resumen de la fermentación alcohólica es este:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi à 2 Etanol + 2 CO2 + 2 H2O + 2 ATP

Por cada molécula de glucosa que es degradada a etanol, dióxido de carbono y agua, la energía química obtenida se almacena en dos moléculas de ATP.

4.7.2. Fermentación láctica

En células anaerobias como las bacterias del ácido láctico, así como en células aerobias cuya glucólisis se realiza a una tasa muy alta por necesidad urgente de energía, la glucosa es fermentada a lactato.

La ruta de la fermentación láctica es idéntica a la glucólisis, más esta reacción:

Piruvato + NADH + H+ ßà Lactato + NAD+

Los pepinillos son un producto fermentado lácticamente.
(imagen por Silar bajo creative commons 4.0)

La enzima lactato deshidrogenasa reduce reversiblemente piruvato a lactato, teniendo a NADH como donador de electrones.

El resumen de la fermentación láctica es así:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi  à  2 Lactato + 2 H2O + 2 ATP

Por cada molécula de glucosa que es degradada a lactato y agua, la energía química obtenida se almacena en dos moléculas de ATP.

En el ser humano, el lactato producido por las células musculares al hacer ejercicio intenso se difunde a través de la membrana celular a la sangre.

Las células del hígado normalmente extraen el lactato de la sangre y lo utilizan para resintetizar glucosa por una ruta metabólica llamada gluconeogénesis.

4.8. Descarboxilación oxidativa de piruvato a acetil-CoA

Cuando la descarboxilación oxidativa se realiza en células eucariotas, el piruvato generado en la glucólisis pasa del citosol a la matriz mitocondrial, en donde pierde dióxido de carbono, proceso llamado descarboxilación; además, libera un electrón que oxida al NAD+, que pasa a ser NADH más H+, y gana una coenzima A (CoA-SH). Entonces, el grupo acetilo se une a la coenzima A y se forma acetil-CoA. Este proceso es catalizado por la enzima piruvato deshidrogenasa.

La reacción de la descarboxilación oxidativa de piruvato a acetil-CoA es así:

Piruvato + NAD+ + HS-CoA à Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2

El complejo piruvato deshidrogenasa cataliza irreversiblemente la descarboxilación oxidativa de piruvato a acetil-CoA, teniendo a NAD+ como aceptor de electrones.

Como se obtienen dos moléculas de piruvato por cada molécula de glucosa, al final de la reacción se obtienen:

a) 2 acetil-CoA, que pasan al ciclo de Krebs.

b) 2 NADH + 2 H+, que pasan a la cadena de transporte de electrones.

c) 2 CO2, que se difunden hacia el exterior de la célula.

En células aerobias, el piruvato sigue un proceso adicional de degradación.

El piruvato en células procariotas permanece en el citosol, mientras que en células eucariotas es transportado activamente hacia la matriz mitocondrial. En estos compartimentos, la descarboxilación oxidativa de piruvato a acetil-CoA es la conexión entre dos rutas centrales de producción de energía: glucólisis y ciclo de Krebs.

Mecanismo de la descarboxilación oxidativa del piruvato

4.9. Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs se conoce también como ciclo de los ácidos tricarboxílicos y ciclo del ácido cítrico; consiste en una sucesión de 8 reacciones catalizadas por enzimas, en donde se produce energía por degradación del grupo acetilo del acetil-CoA a dióxido de carbono.

En células aerobias (que incluyen a la totalidad de los organismos eucariontes y algunos tipos de procariontes) todas las rutas de degradación para obtener energía convergen en el ciclo de Krebs.

Para ser aprovechados energéticamente por la célula, los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos se deben convertir en acetil-CoA a fin de poder entrar al ciclo de Krebs.

En las células eucariotas, el ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial; en las procariotas se realiza en el citosol.

Las reacciones son las siguientes:

1. De acetil-CoA a citrato.

La enzima citrato sintasa une al grupo acetilo del acetil-CoA al grupo carbonilo del oxalacetato, con adición de agua, y forma citrato.

Acetil-CoA + oxalacetato + H2O à citrato + CoA + (H+)

2. De citrato a isocitrato.

La enzima aconitasa cataliza esta reacción.

Citrato ß à Isocitrato

3. De isocitrato a alfa-cetoglutarato.

La enzima isocitrato deshidrogenasa oxida al isocitrato y lo convierte en alfa-cetoglutarato y CO2, teniendo a NAD+ como aceptor de electrones.

Isocitrato + (NAD+) à alfa-cetoglutarato + CO2 + NADH

4. De alfa-cetoglutarato a succinil-CoA.

El complejo alfa-cetoglutarato deshidrogenasa oxida al alfa-cetoglutarato a succinil-CoA y CO2, teniendo a NAD+ como aceptor de electrones.

Alfa-cetoglutarato + (NAD+) + CoA à succinil-CoA + CO2 + NADH

5. De succinil-CoA a succinato.

La enzima succinil-CoA sintetasa produce GTP, al romperse un enlace de alta energía del succinil-CoA.

Succinil-CoA + GDP + Pi ß à succinato + CoA + GTP

6. De succinato a fumarato.

La enzima succinato deshidrogenasa oxida el succinato a fumarato, teniendo a FAD (flavín adenín dinucleótido) como aceptor de átomos de hidrógeno.

Succinato + E-FAD ß à fumarato + E-FADH2

7. De fumarato a malato.

La enzima fumarasa se encarga de esta reacción.

Fumarato + H2O ß à malato

8. De malato a oxalacetato.

La enzima malato deshidrogenasa oxida al malato y lo transforma en oxalacetato, teniendo a NAD+ como aceptor de electrones.

Malato + (NAD+) ß à oxalacetato + NADH + (H+)

Por cada grupo acetilo del acetil-CoA que es degradado a dos moléculas de dióxido de carbono (CO2), la energía obtenida se almacena en:

a) 3 moléculas de NADH

b) 1 molécula de FADH2

c) 1 molécula de GTP

Las moléculas de CO2 se difunden al exterior de la célula.

El NADH y el FADH2 pasan a la cadena de transporte de electrones.

El GTP, por su parte, es equivalente al ATP, de modo que también se utiliza como fuente energética. 

El balance del ciclo de Krebs es así:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O à CoA-SH + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2

Regulación del ciclo de los ácidos tricarboxílicos

El ciclo de Krebs está finamente regulado para mantener constante cierta razón NADH/NAD+ a través del tiempo.

La principal enzima regulatoria del ciclo es citrato sintasa, y las otras dos son isocitrato deshidrogenasa y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa.

Al haber un nivel alto de NADH (y por consiguiente un nivel bajo de NAD+), las tres enzimas regulatorias del ciclo son inhibidas y el ciclo se frena.

Por el contrario, al haber un nivel bajo de NADH (y por consiguiente un alto nivel de NAD+), el ciclo de acelera.

Esquema didáctico del ciclo del ácido cítrico.
( Imagen por Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins bajo GNU Free Documentation License ).

Cuestionario de repaso

1. Indica cuál de las siguientes afirmaciones acerca de la glucólisis es falsa:

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2. En células como la levadura Saccharomyces cerevisiae, la glucosa es fermentada a etanol y dióxido de carbono en lugar de piruvato. ¿Cómo se denomina esta ruta metabólica?

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3. En células anaerobias como las bacterias del ácido láctico, así como en células aerobias cuya glucólisis se realiza a una tasa muy alta por necesidad urgente de energía, la glucosa es fermentada a lactato en lugar de piruvato.

¿Cómo se denomina esta ruta metabólica?

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4. La glucólisis, la fermentación alcohólica y la fermentación láctica tienen en común:

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5. En la célula hay dos rutas centrales de producción de energía: glucólisis y ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

¿Cómo se denomina el complejo enzimático que realiza la descarboxilación oxidativa de piruvato a acetil-coenzima A, la reacción que conecta a estas dos rutas metabólicas?

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6. Es una sucesión cíclica de reacciones catalizadas por enzimas, que produce energía por degradación del grupo acetilo de acetil-coenzima A a dióxido de carbono:

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7. Es la enzima alostérica que une el grupo acetilo de acetil-coenzima A al grupo carbonilo del oxalacetato, con adición de agua, y forma citrato

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8. Indica cuál de las siguientes afirmaciones acerca del ciclo de los ácidos tricarboxílicos es falsa:

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9. Es la clase de reacción en la que una molécula de alta energía, denominada donador, transfiere electrones a una molécula de energía más baja, denominada aceptor:

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