Cómo metabolizar la glucosa para producir ATP

La glucosa, un azúcar de seis carbonos, es el "insumo" fundamental en la ecuación que impulsa a toda la vida. La energía del exterior se convierte, de alguna manera, en energía para la célula. Cada organismo que está vivo, desde su mejor amigo hasta la bacteria más humilde, tiene células que queman glucosa como combustible a nivel metabólico de la raíz.

Los organismos difieren en la medida en que sus células pueden extraer energía de la glucosa. En todas las células, esta energía está en forma de trifosfato de adenosina (ATP).

Por lo tanto, una cosa Todo lo que las células vivas tienen en común es que metabolizan la glucosa para producir ATP.. Una determinada molécula de glucosa que entra en una célula podría haber comenzado como un bistec, como presa de un animal salvaje, como materia vegetal o como otra cosa.

Independientemente, varios procesos digestivos y bioquímicos han descompuesto todas las moléculas de múltiples carbonos en cualquier sustancia que ingiera el organismo para nutrirse del azúcar monosacárido que ingresa al metabolismo celular caminos.

Químicamente, glucosa es un hexosa azúcar, maleficio siendo el prefijo griego para "seis", el número de átomos de carbono en la glucosa. Su fórmula molecular es C₆H₁₂O₆, dándole un peso molecular de 180 gramos por mol.

La glucosa también es un monosacárido en que es un azúcar que incluye solo una unidad fundamental, o monómero.Fructosa es otro ejemplo de un monosacárido, mientras que sacarosa, o azúcar de mesa (fructosa más glucosa), lactosa (glucosa más galactosa) y maltosa (glucosa más glucosa) son disacáridos.

Tenga en cuenta que la proporción de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno en la glucosa es 1: 2: 1. Todos los carbohidratos, de hecho, muestran esta misma proporción, y sus fórmulas moleculares son todas de la forma C_norteH_2nO_norte.

ATP es un nucleósido, en este caso adenosina, con tres grupos fosfato unidos a ella. Esto en realidad lo convierte en un nucleótido, ya que un nucleósido es un pentosa azúcar (ya sea ribosa o desoxirribosa) combinado con una base nitrogenada (es decir, adenina, citosina, guanina, timina o uracilo), mientras que un nucleótido es un nucleósido con uno o más grupos fosfato unidos. Pero dejando de lado la terminología, lo importante que hay que saber ATP es que contiene adenina, ribosa y una cadena de tres grupos fosfato (P).

El ATP se produce a través del fosforilación de difosfato de adenosina (ADP), y viceversa, cuando el enlace fosfato terminal en ATP es hidrolizado, ADP y P_I (fosfato inorgánico) son los productos. El ATP se considera la "moneda de energía" de las células, ya que esta extraordinaria molécula se utiliza para impulsar casi todos los procesos metabólicos.

Respiración celular es el conjunto de vías metabólicas en organismos eucariotas que convierte la glucosa en ATP y dióxido de carbono en presencia de oxígeno, desprendiendo agua y produciendo una gran cantidad de ATP (36 a 38 moléculas por molécula de glucosa invertida) en el proceso.

La fórmula química equilibrada para la reacción neta general, excluidos los portadores de electrones y las moléculas de energía, es:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

La respiración celular en realidad incluye tres vías distintas y secuenciales:

• Glucólisis, que ocurre en todas las células y tiene lugar en el citoplasma, y ​​es siempre el primer paso del metabolismo de la glucosa (y en la mayoría de los procariotas, también el último paso).
  
• La ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) o ciclo del ácido cítrico, que se desarrolla en la matriz mitocondrial.
• La cadena de transporte de electrones, que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna y genera la mayor parte del ATP producido en la respiración celular.

Las dos últimas de estas etapas dependen del oxígeno y juntas forman respiración aeróbica. Sin embargo, a menudo, en las discusiones sobre el metabolismo eucariota, la glucólisis, aunque no depende del oxígeno, se considera parte "respiración aeróbica"porque casi todo su producto principal, piruvato, continúa para entrar en los otros dos caminos.

En la glucólisis, la glucosa se convierte en una serie de 10 reacciones en la molécula de piruvato, con una ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos moléculas del "portador de electrones" nicotinamida adenina dinucleótida (NADH). Por cada molécula de glucosa que ingresa al proceso, se producen dos moléculas de piruvato, ya que el piruvato tiene tres átomos de carbono frente a los seis de la glucosa.

En el primer paso, la glucosa se fosforila para convertirse en glucosa-6-fosfato (G6P). Esto hace que la glucosa se metabolice en lugar de volver a salir a través del membrana celular, porque el grupo fosfato le da a G6P una carga negativa. En los siguientes pasos, la molécula se reorganiza en un derivado de azúcar diferente y luego se fosforila por segunda vez para convertirse en fructosa-1,6-bisfosfato.

Estos primeros pasos de la glucólisis requieren una inversión de dos ATP porque esta es la fuente de los grupos fosfato en las reacciones de fosforilación.

La fructosa-1,6-bisfosfato se divide en dos moléculas diferentes de tres carbonos, cada una con su propio grupo fosfato; casi todos de uno de estos, se convierte rápidamente en el otro, gliceraldehído-3-fosfato (G3P). Por lo tanto, a partir de este punto, todo se duplica porque hay dos G3P por cada glucosa "aguas arriba".

A partir de este punto, G3P se fosforila en un paso que también produce NADH a partir de la forma oxidada NAD +, y luego los dos grupos fosfato son dado a las moléculas de ADP en los siguientes pasos de reordenamiento para producir dos moléculas de ATP junto con el producto de carbono final de la glucólisis, piruvato.

Dado que esto ocurre dos veces por molécula de glucosa, la segunda mitad de la glucólisis produce cuatro ATP por neto ganancia de la glucólisis de dos ATP (ya que se requerían dos al principio del proceso) y dos NADH.

En el reacción preparatoria, después de que el piruvato generado en la glucólisis encuentra su camino desde el citoplasma hacia la matriz mitocondrial, se convierte primero en acetato (CH₃COOH-) y CO₂ (un producto de desecho en este escenario) y luego a un compuesto llamado acetil coenzima A, o acetil CoA. En esta reacción, se genera un NADH. Esto prepara el escenario para el ciclo de Krebs.

Esta serie de ocho reacciones se llama así porque uno de los reactivos en el primer paso, oxaloacetato, es también el producto en el último paso. El trabajo del ciclo de Krebs es el de un proveedor en lugar de un fabricante: genera solo dos ATP por molécula de glucosa, pero aporta seis NADH más y dos de FADH₂, otro portador de electrones y un pariente cercano de NADH.

(Tenga en cuenta que esto significa un ATP, tres NADH y un FADH₂por vuelta del ciclo. Por cada glucosa que entra en la glucólisis, dos moléculas de acetil CoA entran en el ciclo de Krebs).

Por glucosa, el recuento de energía hasta este punto es de cuatro ATP (dos de la glucólisis y dos de Krebs ciclo), 10 NADH (dos de la glucólisis, dos de la reacción preparatoria y seis del ciclo de Krebs) y dos FADH₂ del ciclo de Krebs. Mientras que los compuestos de carbono en el ciclo de Krebs continúan girando corriente arriba, los portadores de electrones se mueven desde la matriz mitocondrial a la membrana mitocondrial.

Cuando NADH y FADH₂ liberan sus electrones, estos se utilizan para crear un gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial. Este gradiente se utiliza para impulsar la unión de grupos fosfato al ADP para crear ATP en un proceso llamado fosforilación oxidativa, llamado así porque el último aceptor de los electrones que caen en cascada desde el portador de electrones al portador de electrones en la cadena es el oxígeno (O₂).

Porque cada NADH produce tres ATP y cada FADH₂ produce dos ATP en fosforilación oxidativa, esto agrega (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP a la mezcla. Por lo tanto una molécula de glucosa puede producir hasta 38 ATP en organismos eucariotas.