3.2.3. El agua como agente metabólico
La mayoría de los compuestos implicados en el metabolismo son hidrosolubles pues poseen grupos polares que interactúan con el agua, siendo esta la base ideal de un medio interno (plasma, líquido intersticial e intracelular) donde se difunden y se transforman miles de sustancias en disolución. El agua juega, asimismo, un papel activo decisivo en la mayoría de procesos metabólicos al intercambiar sus partes constitutivas (H+ y OH–) con los substratos y al actuar como aceptor y donador de protones (y electrones) en procesos de oxido-reducción, básicos de cara a la producción energética (ATP) y a la regulación del pH corporal. Además, el agua aparece como producto tras múltiples reacciones metabólicas.
- Algo a tener en cuenta:
La oxidación de una sustancia se produce cuando ésta cede un electrón y la reducción cuando lo capta. Los electrones liberados por la oxidación de un compuesto son captados por el medio acuoso (el agua se reduce) o bien por otra sustancia. En definitiva para que un compuesto se oxide, otro debe reducirse y viceversa.
El carácter netamente dipolar del agua permite a ciertos encimas la posibilidad de romper los enlaces covalentes que mantienen unidos a los substratos metabólicos. El establecimiento de fuerzas de atracción entre los átomos que forman el enlace covalente y los dipolos del agua, propicia que enzimas específicos desestabilicen el enlace covalente y desencadenen la escisión de una molécula de agua con la consiguiente liberación de sus iones (OH– y H+) que se incorporan al substrato desbaratando el enlace covalente de tal manera que rompen la molécula en ese punto. Este es un proceso fundamental conocido como hidrólisis.
* Nota: Inversamente se produce una molécula de agua cuando se unen dos moléculas de glucosa para dar maltosa, como ocurre en reacciones de síntesis de glucógeno. Véase el capítulo 3, las figuras 3.6 y 3.18
Durante la digestión se hidrolizan los enlaces intermoleculares que vertebran polímeros como el almidón, los triglicéridos o las proteínas, liberándose oligómeros y monómeros asimilables. Estos procesos son catalizados por enzimas hidrolíticos como las amilasas, las disacaridasas, las lipasas o las tripsinas entre otras.
En el medio interno los macronutrientes, almacenados en forma de polímeros como el glucógeno muscular y hepático, la grasa subcutánea, y las proteínas musculares, son hidrolizados por acción de enzimas especializados liberándose respectivamente glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Estos continúan su degradación siguiendo diversas rutas hidrolíticas y oxidativas (glucolisis, betaoxidación y degradación de los aminoácidos) hasta compuestos intermedios como el acetil-CoA y el oxalacetato, que alimentan procesos oxidativos de alto rendimiento energético como son el ciclo de Krebs y la posterior fosforilación oxidativa; estos procesos, en los que el agua desempeña un papel crucial, culminan con la obtención de ATP, calor y poder reductor, así como H2O, CO2 y urea como sustancias residuales.
- Algo a tener en cuenta:
El poder reductor es la capacidad de aportar átomos de H o, lo que es lo mismo, electrones y protones, para reducir los substratos que se utilizan en reacciones anabólicas de síntesis de compuestos orgánicos como el ATP y las grasas. Estos átomos de H proceden de la oxidación de los nutrientes y son almacenados en el NADH y el FADH2, nucleótidos reductores ,generados en el ciclo de Krebs que posteriormente transfieren H para la síntesis de ATP, y en el NADPH+H+ generado a partir de la degradación de la glucosa por la vía de las pentosas fosfato, donador de H para la síntesis de grasas y otros compuestos orgánicos. (Más información en el capítulo 3 dedicado a las grasas).
Seguidamente, se exponen varios ejemplos con el fin de visualizar el papel del agua en el ciclo de Krebs y en la fosforilación oxidativa.
El ciclo de Krebs es un sistema de reacciones que ocurren en la matriz mitocondrial por el cual ciertos ácidos carboxílicos (como el oxalacético, el cetoglutárico o el fumárico), derivados mayormente del catabolismo de la glucosa y de algunos aminoácidos, se transforman cediendo átomos de H a nucleótidos (NAD y FAD), que son capaces de albergarlos formando equivalentes de reducción (NADH y FADH+H+). El ciclo de Krebs es sostenido por la incorporación continua de acetil-CoA procedente, por la vía del piruvato, de la degradación de la glucosa, del glicerol y de ciertos aminoácidos, así como directamente de la betaoxidación de los ácidos grasos. La participación del agua en las reacciones del ciclo de Krebs comienza cuando el acetil-CoA se condensa con el oxalacetato incorporando agua para dar lugar a citrato. Éste, a su vez, pasa a isocitrato tras un proceso de isomerización que primero genera agua como producto y luego la incorpora como sustrato. En otra de las reacciones del ciclo de Krebs, el fumarato capta una molécula de agua (se hidrata) convirtiéndose en malato. (El esquema completo y la descripción del ciclo de Krebs se mostrarán en el capítulo dedicado a los hidratos de carbono).
El NADH y el FADH2 generados en el ciclo de Krebs, se oxidan cediendo los átomos de H (compuestos cada uno por un protón y un electrón) a una cadena de enzimas, coenzimas y citocromos insertados en la membrana interna mitocondrial. Los electrones (e–) son transportados a lo largo de dicha cadena mediante oxidaciones y reducciones escalonadas que generan energía. Por su parte los protones (H+) son desviados desde la cadena hacia el espacio comprendido entre las membranas interna y externa de la mitocondria donde se acumulan creándose un gradiente de concentración positivo respecto a la matriz mitocondrial. Este gradiente se combina con la energía generada en el transporte de e– de tal manera que habilita la unión del ADP y el Pi (fosforilación oxidativa), reacción que es mediada por el enzima ATP-sintasa, situada en la membrana interna. Una vez transitada la cadena de transportadores, los e– pasan a la matriz donde son aceptados por el oxígeno gaseoso (O2) de la respiración (que se reduce). El oxígeno reducido se une rápidamente a los protones (H+) liberados en la fosforilación del ADP que se precipitan a la matriz desde la membrana a favor de gradiente de concentración, dando lugar a H2O. Véanse figuras 2.16 y 2.17 y 2.18.