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RESPIRACIÓN CELULAR (I): CICLO DE KREBS
Mediante la respiración celular, el acido pirúvico
formado durante la glucólisis se oxida completamente a CO2 y H2O en presencia de
oxígeno, Este proceso de respiración se
desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de
Krebs y la cadena respiratoria, a la cual está
asociada la fosforilación oxidativa.
En las células eucarióticas -tanto vegetales como
animales-, el ciclo de Krebs tiene lugar en la
matriz de la mitocondria, siempre que haya
suficiente oxígeno. La matriz mitocondrial
contiene las enzimas, agua, fosfatos y otras
moléculas que intervienen en la respiración.
La membrana mitocondrial externa es fácilmente
permeable a la mayoría de las moléculas
pequeñas; sin embargo, la membrana interna
presenta una permeabilidad selectiva, de forma
que solo permite el movimiento de algunas
moléculas, como ADP, ATP y ácido pirúvico.
Además, controla el movimiento de iones H+.
La cadena respiratoria ocurre en las crestas
mitocondriales, donde se encuentran las enzimas
específicas que están agrupadas de tal modo que
facilitan el acoplamiento energético y la
transferencia de electrones. Para este proceso, es
indispensable, la presencia de oxígeno en la
célula.
• Etapa inicial: oxidación del ácido pirúvico
El ácido pirúvico formado en la glucólisis -en el citoplasma celular- pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna.
Antes de comenzar el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico sufre una oxidación. El primer carbono
y los dos oxígenos correspondientes se separan, liberándose una molécula de CO2 y
formándose un grupo acetilo (CH3-CO-). Esta reacción es catalizada por la
piruvato-deshidrogenasa, que realmente es un complejo multienzimático de gran tamaño.
En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de una molécula de
NAD+, Como a partir de cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis se producen dos
moléculas de ácido pirúvico, en este paso se obtienen dos moléculas de NADH por cada
molécula de glucosa.
Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto denominado coenzima A: una
molécula de gran tamaño que también es un nucleótido. De esta forma se origina el
acetil-CoA, La aparición de este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de
Krebs. Se dice, por tanto, que la coenzima A une estos dos procesos; la oxidación del ácido
pirúvico y el ciclo de Krebs.
• El ciclo de Krebs
El nombre de ciclo de Krebs hace honor a su descubridor. Hans Adolf Krebs obtuvo el
premio Nobel por estudios sobre el metabolismo. Por el tipo de moléculas que participan, se
denomina también ciclo de los ácidos tricarboxílicos o, simplemente, ciclo del ácido cítrico.
El ciclo de Krebs consiste en una cadena cíclica de reacciones, en cada una de las cuales
interviene una enzima específica. Al pH de la matriz mitocondrial, los diferentes metabolitos
que intervienen en la ruta se encuentran en sus respectivas formas aniónicas.
• Balance energético
En cada vuelta del ciclo de Krebs se genera una molécula de GTP, tres de NADH y una de FADH2.
Cada vuelta del ciclo consume un grupo acetilo y regenera un ácido oxalacético, que puede iniciar otro
nuevo ciclo. Se necesitan dos vueltas del ciclo para oxidar al máximo -en cuanto al carbono se refiereuna molécula de glucosa, ya que de cada molécula se obtienen dos de ácido pirúvico en la glucólisis.
Por tanto, por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se forman dos moléculas de GTP, seis de
NADH y dos de FADH2. El GTP transfiere su grupo fosfato al ADP, produciendo una molécula de
ATP En realidad, en el ciclo de Krebs se obtiene poca energía en forma de moléculas fosforiladas,
pero mucha en forma de nucleótidos reducidos.
En el ciclo de Krebs no se necesita oxígeno directamente. Los electrones y protones que se mueven en
el ciclo son aceptados por NAD+ y FAD. Sin embargo, sí se necesitan en la siguiente etapa de la
respiración, la cadena respiratoria,
RESPIRACIÓN CELULAR (II): CADENA RESPIRATORIA
La molécula de glucosa que inició la glucólisis se encuentra completamente oxidada. Parte de su energía se ha
utilizado en la síntesis de ATP; sin embargo, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que
fueron aceptados por el NAD+ y el FAD. Estos electrones procedentes de la glucólisis, de la oxidación del
ácido pirúvico y del ciclo de Krebs, se encuentran aún en un nivel energético alto.
Durante el transporte electrónico, los electrones son conducidos a través de una cadena formada por aceptores
de distinto potencial de reducción, cada uno de los cuales es capaz de recibir electrones del aceptor precedente
y de cederlos al aceptor siguiente, que está en un nivel energético ligeramente inferior.
.,
Estos transportadores pueden existir en dos estados de oxidación próximos, pasando del uno al otro según
acepten electrones o los desprendan. Cada par redox solo puede recibir electrones de otro par que tenga un
potencial de reducción más negativo, y solo puede cederlos al par que lo tenga menos negativo. El par de
potencial más negativo en la cadena respiratoria el NAD+ con -0,32 voltios (medido a pH 7,0 y 25 °C), y por
eso es el que podrá reducir a los demás. En el otro extremo se encuentra el par del agua: +0,82 V.-
• Fosforilación oxidativa: proceso quimiosmótico
Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles
energéticos inferiores, y paralelamente se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar
ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico en un proceso denominado fosforilación oxidativa.
Las medidas cuantitativas demuestran que por cada dos electrones que pasan desde el NADH al
oxígeno, se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y Pi. Sin embargo, por cada dos electrones
que pasan del FADH2 y entran en la cadena en un nivel energético menor, se forman dos moléculas de
ATP. El mecanismo por el que se sintetiza el ATP se explica según la teoría del acoplamiento
quimiosmótico.
• Acoplamiento quimiosmótico
El mecanismo de la fosforilación oxidativa fue propuesto en 1960 por el bioquímico británico
Peter Mitchell. Hoy sabemos que este mecanismo depende de la generación de un gradiente de
protones a través de la membrana mitocondrial interna.
Los componentes de la cadena transportadora de electrones se encuentran ordenados en la
membrana formando tres complejos enzimáticos diferenciados. Estos complejos son, además,
auténticas bombas de protones. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro
inferior, los complejos enzimáticos emplean la energía que se libera para bombear los protones
desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Se piensa que por cada par de electrones
que recorre la cadena desde el NADH hasta el oxígeno, se bombean diez protones fuera de la
matriz.
Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, el bombeo de estos
consigue que se establezca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana; este es capaz de generar una fuerza protomotriz de unos 230 mV, que proporciona
energía aprovechable para hacer funcionar cualquier proceso que esté acoplado a un canal por el
que puedan circular los protones a favor de gradiente hacia la matriz.
Las partículas F forman esos canales, a través de los cuales pueden fluir los protones. Cada
partícula F es un complejo enzimático ATP-sintetasa con una porción F0, anclada en la membrana
de la cresta, y otra F1, que sobresale hacia la matriz. Tanto F0, como F1, están integradas por varias
subunidades diferentes.
Cuando el flujo de protones pasa a través de esta compleja estructura hacia la matriz, se produce
una rotación en la partícula F y cataliza la síntesis del ATP en el lado de la matriz mitocondrial, a
partir de ADP y fosfato. Por cada tres protones que fluyen a través de complejo ATP-sintetasa, se
forma una molécula de ATP. Como el flujo de protones es impulsado por el gradiente
electroquímico, este proceso tiene carácter quimiosmótico.
RESPIRACIÓN CELULAR (III): BALANCE ENERGÉTICO
Cerca del 40% de la energía liberada de la oxidación de la glucosa se utiliza en convertir el ADP y el fosfato
inorgánico en ATP. La célula viva es considerablemente más eficaz que cualquier motor, que puede perder
hasta el 75% de la energía que se le proporciona. La mayor eficacia que se da en la célula se debe
principalmente a que la liberación de energía se produce en una serie de reacciones en cadena, en cada una de
las cuales tiene lugar un cambio de energía pequeño.
Es importante tener en cuenta que el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna puede
utilizarse para otros fines diferentes a la síntesis de ATP. Por ello, los datos que se exponen representan los
valores de rendimiento energético máximo por cada molécula de glucosa.
•
La glucólisis rinde dos moléculas de ATP directamente y dos moléculas de NADH que están fuera
de la mitocondria. En presencia de oxígeno, los electrones del NADH extramitocondrial entran en la
cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna gracias a la dihidroxiacetona
fosfato, y son cedidos al FAD en la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial
interna, donde el rendimiento es de dos moléculas de ATP por cada FADH2 oxidado. Por tanto, el
rendimiento de la glucólisis, hasta El ácido pirúvico y en condiciones aerobias, es de 6 ATP.
• La conversión de ácido pirúvico en acetil-CoA en la matriz mitocondrial rinde dos moléculas de NADH
por cada molécula de glucosa. Cuando los electrones de estas dos moléculas de NADH se transfieren a
la cadena respiratoria, se producen 6 ATP.
• En el ciclo de Krebs, ingresan dos moléculas de acetil-CóA y se forman dos de GTP (igual a 2 ATP),
seis moléculas de NADH y dos de FADH2. La transferencia de electrones de estas seis moléculas de
NADH y las dos de FADH2, proporcionan 22 ATP; Por tanto, en el. ciclo de Krebs y en las cadenas
respiratorias a él asociadas, por .cada molécula de glucosa se forman 24 ATP
El rendimiento medio total que produce la oxidación completa de una molécula de glucosa es de 36 moléculas
de ATP. De todas ellas, solo dos se originan fuera de la mitocondria como resultado de la glucólisis. Además,
todas, excepto cuatro, se producen como consecuencia de la transferencia de electrones del NADH y el
FADH2 través de la cadena transportadora de electrones.
La oxidación de la glucosa produce unas 680 kilocalorías por mol de glucosa. Como en los enlaces fosfato del
ATP se retienen unas 266 kilocalorias (7,3 kilocalorias por mol de ATP x 36 moles de ATP), resulta un
rendimiento de casi el 40%.
El ATP formado en la mitocondria atraviesa la membrana, mitocondrial interna a través de un transportador
específico de la propia membrana, que acopla la salida de ATP con la entrada de ADP a la matriz mitocondrial.