Catabolismo de carbohidratos

La digestión es la descomposición de los carbohidratos para producir un compuesto rico en energía llamado ATP. La producción de ATP se logra a través de la oxidación de moléculas de glucosa. En la oxidación, los electrones se eliminan de una molécula de glucosa para reducir NAD+ y FAD. NAD+ y FAD poseen un alto potencial energético para impulsar la producción de ATP en la cadena de transporte de electrones. La producción de ATP se produce en las mitocondrias de la célula. Hay dos métodos para producir ATP: aeróbico y anaeróbico. En la respiración aeróbica, se requiere oxígeno. El uso de oxígeno aumenta la producción de ATP de 4 moléculas de ATP a unas 30 moléculas de ATP. En la respiración anaeróbica no se requiere oxígeno. Cuando no hay oxígeno, la generación de ATP continúa a través de la fermentación. Hay dos tipos de fermentación: la fermentación alcohólica y la fermentación ácida láctica.

Hay varios tipos diferentes de carbohidratos: polisacáridos (p. ej., almidón, amilopectina, glucógeno, celulosa), monosacáridos (p. ej., glucosa, galactosa, fructosa, ribosa) y disacáridos (p. ej., sacarosa, maltosa, lactosa).

La glucosa reacciona con el oxígeno en la siguiente reacción, C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. El dióxido de carbono y el agua son productos de desecho y la reacción general es exotérmica.

La reacción de la glucosa con el oxígeno liberando energía en forma de moléculas de ATP es, por lo tanto, una de las vías bioquímicas más importantes que se encuentran en los organismos vivos.

Glucólisis

La glucólisis, que significa "división del azúcar", es el proceso inicial en la vía de la respiración celular. La glucólisis puede ser un proceso aeróbico o anaeróbico. Cuando hay oxígeno presente, la glucólisis continúa a lo largo de la vía de la respiración aeróbica. Si no hay oxígeno, la producción de ATP se restringe a la respiración anaeróbica. El lugar donde ocurre la glucólisis, aeróbica o anaeróbica, es en el citosol de la célula. En la glucólisis, una molécula de glucosa de seis carbonos se divide en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. Estas moléculas de carbono se oxidan en NADH y ATP. Para que la molécula de glucosa se oxide a piruvato, se requiere una entrada de moléculas de ATP. Esto se conoce como la fase de inversión, en la que se consumen un total de dos moléculas de ATP. Al final de la glucólisis, el rendimiento total de ATP es de cuatro moléculas, pero la ganancia neta es de dos moléculas de ATP. Aunque se sintetiza ATP, las dos moléculas de ATP producidas son pocas en comparación con la segunda y la tercera vía, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

Fermentación

Incluso si no hay oxígeno presente, la glucólisis puede continuar generando ATP. Sin embargo, para que la glucólisis continúe produciendo ATP, debe haber presente NAD+, que es responsable de oxidar la glucosa. Esto se logra reciclando NADH de nuevo a NAD+. Cuando el NAD+ se reduce a NADH, los electrones del NADH finalmente se transfieren a una molécula orgánica separada, transformando el NADH nuevamente en NAD+. Este proceso de renovación del suministro de NAD+ se llama fermentación, y se divide en dos categorías.

Fermentación alcohólica

En la fermentación de alcohol, cuando se oxida una molécula de glucosa, el etanol (alcohol etílico) y el dióxido de carbono son subproductos. La molécula orgánica que se encarga de renovar el aporte de NAD+ en este tipo de fermentaciones es el piruvato procedente de la glucólisis. Cada piruvato libera una molécula de dióxido de carbono, convirtiéndose en acetaldehído. Luego, el acetaldehído es reducido por el NADH producido a partir de la glucólisis, formando el producto de desecho de alcohol, etanol, y formando NAD+, reponiendo así su suministro para que la glucólisis continúe produciendo ATP.

Fermentación de ácido láctico

En la fermentación del ácido láctico, el NADH reduce directamente cada molécula de piruvato. El único subproducto de este tipo de fermentación es el lactato. Las células musculares humanas utilizan la fermentación del ácido láctico como un medio para generar ATP durante el ejercicio extenuante en el que el consumo de oxígeno es mayor que el oxígeno suministrado. A medida que avanza este proceso, el exceso de lactato llega al hígado, que lo convierte de nuevo en piruvato.

Respiración

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs)

Si hay oxígeno presente, luego de la glucólisis, las dos moléculas de piruvato se llevan a la mitocondria para pasar por el ciclo de Krebs. En este ciclo, las moléculas de piruvato de la glucólisis se descomponen aún más para aprovechar la energía restante. Cada piruvato pasa por una serie de reacciones que lo convierten en acetil coenzima A. A partir de ahí, solo el grupo acetilo participa en el ciclo de Krebs, en el que pasa por una serie de reacciones redox, catalizadas por enzimas, para aprovechar aún más la energía de el grupo acetilo. La energía del grupo acetilo, en forma de electrones, se utiliza para reducir NAD+ y FAD a NADH y FADH₂, respectivamente. NADH y FADH₂ contienen la energía almacenada aprovechada de la molécula de glucosa inicial y se utiliza en la cadena de transporte de electrones donde se produce la mayor parte del ATP.

Fosforilación oxidativa

El último proceso de la respiración aeróbica es la fosforilación oxidativa, también conocida como cadena de transporte de electrones. Aquí, NADH y FADH₂ entregan sus electrones al oxígeno y protones en las membranas internas de la mitocondria, lo que facilita la producción de ATP. La fosforilación oxidativa aporta la mayor parte del ATP producido, en comparación con la glucólisis y el ciclo de Krebs. Mientras que el recuento de ATP es la glucólisis y el ciclo de Krebs es de dos moléculas de ATP, la cadena de transporte de electrones aporta, como máximo, veintiocho moléculas de ATP. Un factor contribuyente se debe a los potenciales energéticos de NADH y FADH₂. Un segundo factor que contribuye es que las crestas, las membranas internas de las mitocondrias, aumentan el área superficial y, por lo tanto, la cantidad de proteínas en la membrana que ayudan en la síntesis de ATP. A lo largo de la cadena de transporte de electrones existen compartimentos separados, cada uno con su propio gradiente de concentración de iones H+, que son la fuente de energía de la síntesis de ATP. Para convertir ADP en ATP, se debe proporcionar energía. Esa energía la proporciona el gradiente de H+. En un lado del compartimento de la membrana hay una alta concentración de iones H+ en comparación con el otro. El transporte de H+ a un lado de la membrana es impulsado por el flujo exergónico de electrones a lo largo de la membrana. Estos electrones son suministrados por NADH y FADH₂ a medida que transfieren su energía potencial. Una vez que se establece el gradiente de concentración de H+, se establece una fuerza motriz de protones, que proporciona la energía para convertir ADP en ATP. Los iones H+ que inicialmente fueron forzados a un lado de la membrana de la mitocondria ahora fluyen naturalmente a través de una proteína de membrana llamada ATP sintasa, una proteína que convierte ADP en ATP con la ayuda de iones H+.