¿Cómo las mitocondrias extraen la energía de los nutrientes?

En el fascinante universo de la biología celular, las mitocondrias juegan un papel crucial en la extracción de energía de los nutrientes, un proceso vital para la vida. Las principales sustancias utilizadas por las células para extraer energía son el oxígeno y los alimentos fundamentales: hidratos de carbono, grasas y proteínas. Estas sustancias reaccionan químicamente con el oxígeno dentro de las células, en un proceso meticulosamente controlado por enzimas.

Conversión de Nutrientes en Componentes Básicos

En el sistema digestivo y el hígado, los hidratos de carbono se convierten en glucosa, las proteínas en aminoácidos y las grasas en ácidos grasos. Estos componentes básicos ingresan a las células donde, bajo la influencia de diversas enzimas, reaccionan con el oxígeno para liberar energía.

Formación de ATP: La Moneda Energética

Dentro de las mitocondrias, las reacciones oxidativas liberan energía que se utiliza para formar ATP (adenosina trifosfato). El ATP es un nucleótido compuesto por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y tres grupos fosfato. Dos de estos grupos fosfato están unidos por enlaces de alta energía, cada uno de los cuales contiene aproximadamente 12.000 calorías por mol de ATP en condiciones normales del cuerpo.

Utilización y Regeneración del ATP

Cuando el ATP libera su energía, pierde un grupo fosfato y se convierte en ADP (adenosina difosfato). La energía derivada de los nutrientes permite la recombinación del ADP y el fosfato para formar nuevo ATP, perpetuando el ciclo energético dentro de la célula.

El Proceso de Glucólisis

Después de su entrada en las células, la glucosa es convertida en ácido pirúvico por enzimas del citoplasma en un proceso llamado glucólisis. Sin embargo, menos del 5% del ATP celular se produce mediante glucólisis. El ácido pirúvico, junto con los ácidos grasos y los aminoácidos, se convierte en acetil coenzima A (acetil-CoA) en la matriz mitocondrial.

El Ciclo del Ácido Cítrico y la Fosforilación Oxidativa

El acetil-CoA entra en el ciclo del ácido cítrico, o ciclo de Krebs, donde se divide en iones hidrógeno y dióxido de carbono. Los iones hidrógeno, altamente reactivos, se combinan con el oxígeno dentro de las mitocondrias para liberar una enorme cantidad de energía. Esta energía es utilizada para convertir grandes cantidades de ADP en ATP.

Mecanismo Quimiosmótico

El mecanismo quimiosmótico describe cómo se forma ATP en las mitocondrias. El proceso inicial implica la eliminación de un electrón de un átomo de hidrógeno, convirtiéndolo en un ion hidrógeno. Estos iones hidrógeno se mueven a través de grandes proteínas globulares llamadas ATP sintetasa, que se encuentran en las membranas mitocondriales. La ATP sintetasa utiliza la energía del movimiento de los iones hidrógeno para convertir ADP en ATP. Finalmente, los iones hidrógeno se combinan con el oxígeno para formar agua.

Funciones del ATP en la Célula

El ATP recién formado se distribuye desde las mitocondrias a todo el citoplasma y nucleoplasma celular, proporcionando energía para diversas funciones celulares. El ATP es esencial para tres tipos principales de funciones celulares:

1. Transporte de membrana: como la bomba de sodio-potasio, que transporta sodio fuera de la célula y potasio dentro.
2. Síntesis de compuestos químicos: a través de la célula.
3. Trabajo mecánico: como la contracción de fibras musculares o el movimiento ciliar o amebiano.

Conclusión

Las mitocondrias son fundamentales en la producción y gestión de energía dentro de las células, asegurando que los procesos vitales continúen de manera eficiente. A través de una serie de reacciones químicas complejas y cuidadosamente reguladas, las células convierten los nutrientes en energía utilizable, destacando la elegancia y eficiencia de los sistemas biológicos.

(1) García-García FJ, Monistrol-Mula A, Cardellach F, Garrabou G. Nutrition, Bioenergetics, and Metabolic Syndrome. Nutrients. 2020 Sep 11;12(9):2785. doi: 10.3390/nu12092785. PMID: 32933003; PMCID: PMC7551996.