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Unidad 5. INTRODUCCIÓN A LA RESPIRACIÓN CELULAR
Documento elaborado con fines docentes por:
GUSTAVO LOZANO CASABIANCA
Biólogo M. Sc.
Profesor asociado Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
YOENIS GARCÍA HERRERA
Biólogo M. Sc.
Profesor de cátedra Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
SEBASTIAN GARCÍA RESTREPO
Estudiante Instituto de Biología
Universidad de Antioquia
CLARA I. ORTIZ RAMIREZ
Bióloga
Estudiante de maestría en Biología
Universidad de Antioquia
Las células vivas requieren transfusiones de energía desde fuentes externas para
llevar a cabo sus múltiples tareas; por ejemplo, la unión de polímeros, el bombeo de
sustancias a través de las membranas, el movimiento y la reproducción. Algunos
animales obtienen energía para sus células comiendo plantas u otros animales. La
energía almacenada en las moléculas orgánicas de los alimentos, en última
instancia, proviene del sol. La energía fluye en un ecosistema como luz solar, y sale
de él como calor. Por el contrario, los elementos químicos esenciales para la vida
reciclan. La fotosíntesis genera oxígeno y moléculas orgánicas empleadas por las
mitocondrias de los eucariotas (incluidas las plantas y las algas) como combustible
para la respiración celular. La respiración degrada este combustible y genera ATP.
Los productos de desecho de la respiración, el dióxido de carbono y el agua, son
los materiales básicos de la fotosíntesis. En esta unidad se considerará de qué
manera las células obtienen energía química almacenada en las moléculas
orgánicas y la usan para generar ATP, la molécula que impulsa la mayor parte del
trabajo celular. Después de presentar algunos conceptos básicos se introducirán las
tres vías clave de respiración: la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación
oxidativa (2).
No se debe confundir la respiración celular con el intercambio gaseoso que se lleva
a cabo en los pulmones.
Catabolismo aerobio y anaerobio
Como se mencionó anteriormente, el metabolismo es un conjunto de reacciones
que permiten cubrir las necesidades vitales de las células y del organismo (3). En
general, las rutas implicadas en el metabolismo se suelen dividir en dos fases: las
llamadas rutas catabólicas o catabolismo y las denominadas rutas anabólicas o
anabolismo. Ambos tipos de rutas ocurren simultáneamente en las células, con
una regulación independiente (3).
Las dos fases del metabolismo son opuestas. Así, se puede precisar que el
catabolismo es una fase degradativa, que sirve para quemar las moléculas que se
ingieren como nutrientes, o bien moléculas propias, con objeto de producir energía
química, tanto en forma de nucleótidos trifosfato (por ejemplo ATP, GTP), como en
forma de moléculas con poder reductor (tales como FADH2, NADH y NADPH),
originando una serie de productos de desecho (a descartar CO 2, H2O, y NH4+ entre
otros) (3).
De las rutas catabólicas también se obtiene moléculas precursoras o intermediarias
a partir de la degradación de macromoléculas (3). En general, el catabolismo es
convergente; es decir, a partir de moléculas muy dispares, se acaba obteniendo una
serie limitada de moléculas energéticas (3).
El anabolismo es una etapa biosintetizadora o creadora, en la cual, a partir de una
serie limitada de moléculas sencillas (como: acetil CoA, piruvato, aminoácidos,
ácidos grasos o azucares) se sintetizan moléculas más complejas (como: ácidos
nucleicos, proteínas, polisacáridos o lípidos) (3), esta fase sintetizadora suele
requerir importantes cantidades de energía, ya sea en forma de nucleótidos
trifosfato o de moléculas con poder reductor que proceden de las rutas catabólicas
(3). El anabolismo también implica una serie de rutas metabólicas que permiten la
fijación de energía y carbono desde fuentes que no son compuestos orgánicos,
como ocurre en la fotosíntesis (3). En general, se puede afirmar que el anabolismo
es divergente; a partir de una serie limitada de moléculas intermediarias o
precursoras, se genera una gran cantidad de macromoléculas y de naturaleza muy
dispar (3).
Las rutas catabólicas y anabólicas, aunque opuestas, no son exactamente inversas.
De hecho pueden presentar algunos pasos comunes, pero siempre existen
reacciones que las diferencian y que permiten realizar dichas rutas con la mayor
eficiencia posible (3). Además estos pasos diferenciales permiten una regulación
independiente de cada una de estas rutas, puesto que están controladas
enzimáticamente por catalizadores diferentes, y además pueden estar ocurriendo
en localizaciones distintas dentro de la célula eucariota (3).
En biología el término respiración tiene dos significados. El primero se refiere a la
aspiración de oxigeno (O2) y la expiración de dióxido de carbono (CO2). El otro hace
referencia a las reacciones de oxidación de moléculas en el interior de la célula,
proceso químico que libera energía útil para los seres vivos, al cual hacemos
referencia en esta unidad (4).
La mayoría de las células metabolizan diversas moléculas para producir ATP
(moneda energética: adenosintrifosfato) principalmente los organismos,
metabolizan la glucosa para obtener energía, ya que su metabolismo es menos
complejo que el resto de las moléculas orgánicas, además, cuando se utilizan otras
moléculas orgánicas como fuente de energía las células las convierten en glucosa
o en un compuesto que entre la vía glicolítica para convertirlos en ATP.
La respiración es una función acumulativa de tres etapas metabólicas:
1) La glucolisis.
2) El ciclo del Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs).
3) La fosforilación oxidativa: transporte de electrones y la quimiosmosis.
La respiración celular como un proceso redox
En muchas reacciones químicas hay una transferencia de uno o más electrones de
un reactante a otro. Esta trasferencia de electrones se llama reacciones de óxidoreducción, o reacciones redox (2). En una reacción redox la pérdida de electrones
de una sustancia se llama oxidación, mientras que la adición de electrones a otra
sustancia se llama reducción (Note que la “adición” de electrones se llama
“reducción”; los electrones cargados negativamente añadidos a un átomo reducen
la cantidad de carga positiva de ese átomo) (2).
Es posible generalizar la reacción redox de este modo:
Xe-+ Y  X + Ye-
Donde:
Xe- se oxida a X, y
Y se reduce a YeEn la reacción generalizada, la sustancia X (el donador de electrones) se llama
agente reductor; ya que reduce a Y, que acepta el electrón donado. La sustancia
Y (el que acepta electrones) es el agente oxidante; ya que oxida a X al extraer su
electrón (2).
Dado que la trasferencia de un electrón requiere tanto a un donador como un
aceptor, la oxidación y la reducción siempre ocurre de forma conjunta (2). Es
importante entender que esta trasferencia de electrones lleva consigo una
trasferencia de energía que puede ser utilizada en trabajo celular.
Técnicamente la respiración celular se define incluyendo los procesos que requieren
O2: el ciclo del ácido cítrico, la fosforilación oxidativa además de la glucolisis que no
requiera de oxigeno (2).
La multitud de enzimas que catalizan las oxidaciones celulares canalizan los
electrones desde centenares de sustratos diferentes a sólo unos cuantos tipos de
transportadores universales de electrones como el NAD+ y FAD. La reducción de
estos transportadores en los procesos catabólicos permite la conservación de la
energía libre que se produce en la oxidación de los sustratos. El NAD + y FAD son
coenzimas hidrosolubles que experimentan oxidación y reducción reversibles en
muchas de las reacciones de transferencia de electrones del metabolismo. Los
nucleótidos FAD (Flavín adenín dinucleótido) derivado de la vitamina riboflavina y
NAD+ (Nicotinamida adenina dinucleótido), un derivado de la vitamina niacina son
coenzimas hidrosolubles que experimentan oxidación y reducción reversibles en
muchas de las reacciones de transferencia de electrones del metabolismo. (5)
Las enzimas llamadas Deshidrogenasas (Ilustración 13) eliminan un par de átomos
de hidrógeno (dos electrones y dos protones) del sustrato (por ejemplo, un azúcar),
oxidándolos. La enzima entrega los dos electrones junto con un protón a su
coenzima, NAD+. El otro protón se libera como ión hidrógeno (H+) a la solución que
lo rodea (2):
Ilustración 13. Reacción de una deshidrogenasa
Se ilustra la acción de la enzima alcohol-deshidrogenasa que, junto con NAD+, actúa
sobre una molécula de etanol para convertirla en acetaldehído.
Al recibir dos electrones cargados negativamente pero solamente un protón con
carga positiva, el NAD+ tiene su carga neutralizada cuando se reduce a NADH. El
nombre NADH indica el hidrógeno que se ha recibido en la reacción. El NAD + es el
aceptor de electrones más versátil de la respiración celular y funciona en varios de
los pasos redox durante la degradación los nutrientes (2).
Los electrones pierden muy poca energía potencial cuando se transfieren de los
alimentos al NAD+. Cada molécula de NADH formada durante la respiración
representa energía almacenada que puede emplearse para sintetizar ATP cuando
los electrones completan su “caída” a favor de un gradiente energético desde el
NADH hasta el oxígeno (2).
Parte de los pasos de la glucolisis y el ciclo del ácido cítrico son reacciones redox,
en las cuales enzimas deshidrogenasas transfieren electrones desde los sustratos
al NAD+, para formar NADH (2). En la fosforilación oxidativa, la cadena
transportadora de electrones acepta electrones de los productos de degradación de
las etapas anteriores: (glucolisis y el ciclo del ácido cítrico) a través de NADH y pasa
estos electrones de una molécula a otra (2). Al final de la cadena, los electrones se
combinan con el oxígeno molecular y los iones hidrógenos (H+) para formar agua;
la energía liberada en cada paso de la cadena se almacena en una forma que la
mitocondria puede emplear para síntesis de ATP (2).
Revisión general de algunas reacciones del metabolismo de carbohidratos
Muchas de las tareas que debe realizar la célula, como el movimiento y la síntesis
de macromoléculas requieren de energía. Una gran parte de las actividades de la
célula están dedicadas a obtener energía del entorno y a emplear esa energía para
activar reacciones que la necesitan (1).
La degradación de carbohidratos, particularmente glucosa, es la principal fuente de
energía celular (1).
Glucólisis
La degradación oxidativa completa de la glucosa a CO2 y H2O puede escribirse así:
𝑪𝟔 𝑯𝟏𝟐 𝑶𝟔 + 𝟔𝑶𝟐 → 𝟔𝑪𝑶𝟐 + 𝟔𝑯𝟐 𝑶
La reacción produce una gran cantidad de energía libre: ∆G= -686 Kcal/mol. Para
convertir esta energía en una forma utilizable, la glucosa se oxida dentro de las
células en una serie de pasos acoplados a la síntesis de ATP (1).
Por cada molécula de glucosa degradada a CO2 y H2O en la respiración, la célula
sintetiza cerca de 38 moléculas de ATP, cada una de ellas con aproximadamente
7.3 Kcal/mol de energía libre (2).
La respiración intercambia el gran saldo de energía depositada en una sola
molécula de glucosa (686 Kcal/mol) por muchas moléculas de ATP, que es más
práctico en el caso de la célula para poder gastar cuando realiza trabajo (2).
La glucolisis, la etapa inicial en la degradación de la glucosa, es similar
prácticamente en todas las células. La glucolisis ocurre en ausencia de oxígeno y
puede proporcionar toda la energía metabólica de organismos anaerobios (1). En
células aerobias, sin embargo, la glucolisis es solo la primera etapa en la
degradación de la glucosa (1).
La reacciones de la glucolisis ocurren en el citosol (2) y dan lugar a la degradación
de la glucosa a piruvato con una ganancia neta de dos moléculas de ATP (1).
La vía de la glucolisis se descompone en diez pasos, que pueden dividirse en dos
fases: inversión y producción de energía (2).
Durante la fase de inversión de energía, la célula gasta ATP y cuando se produce
ATP mediante la fosforilación a nivel del sustrato y el NAD + se reduce a NADH
mediante los electrones liberados de la oxidación de los alimentos (2).
Fase de inversión de energía:
1) La glucosa entra a la célula y es fosforilada por la enzima hexocinasa que
transfiere un grupo fosfato del ATP al azúcar. Convirtiendo la glucosa en
glucosa-6-fosfato.
2) La glucosa-6-fosfato se reorganiza por medio dela fosfoglucoisomerasa para
convertirse en su isómero fructosa-6-fosfato.
3) La fosfofructocinasa transfiere un grupo fosfato desde un ATP al azúcar, es
decir invierte otra molécula de ATP en la glucolisis. Hasta aquí se han usado
dos ATP. Con dos grupos fosfatos en sus extremos opuestos el azúcar esta
lista para ser escindida por la mitad. Este es el paso central de la regulación
de la glucolisis, la fosfofructocinasa es regulada de forma alostérica por el
ATP y sus productos (2).
4) La aldolasa escinde la molécula de azúcar en dos azucares de tres carbonos
diferentes: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceradehido-3-fosfato. Estas dos
azucares son isómeros entre sí (2).
5) La isomerasa cataliza la reacción reversible entre los dos azucares de tres
carbonos. Esta reacción nunca alcanza el equilibrio en la célula porque la
siguiente enzima de la glucolisis usa solamente como sustrato el
gliceraldehido-3-fosfato (y no la dihidroxiacetona fosfato), lo que atrae el
equilibrio de la reacción al gliceraldehido-3-fosfato que es utilizado a través
de los otros pasos de la glucolisis (2).
Fase de compensación de energía:
6) La triosa fosfato deshidrogenasa cataliza dos reacciones secuenciales
mientras mantiene al gliceraldehido-3-fosfato en su sitio activo. En primer
lugar, el azúcar se oxida por la trasferencia de electrones y de H + al NAD+,
para formar NADH (una reacción redox). Esta reacción es exergónica y la
enzima emplea la energía liberada para unir un grupo fosfato al sustrato
oxidado y formar un producto de energía potencial muy elevado. La fuente
de los fosfatos es el reservorio de iones fosfato inorgánicos que siempre está
presente en el citosol (2). En consecuencia la reacción que tiene lugar en
este paso es que gliceraldehido-3-fosfato mediante la triosa fosfato
deshidrogenasa une dos grupos fosfato al azúcar y forma el 1,3bifosfoglicerato.
7) La glucolisis produce cierta cantidad de ATP por fosforilación a nivel del
sustrato. El grupo fosfato añadido en el paso previo se transfiere al ADP en
una reacción exergónica. Por cada molécula de glucosa que empieza la
glucolisis, el paso 7 produce dos ATP, dado que cada producto después de
la escisión esta duplicado, aquí los dos ATP invertidos en la fase de inversión
de energía quedan saldados. Las dos moléculas de 1,3-bifosfoglicerato se
transforman en dos moléculas de 3-fosfoglicerato (que no es una azúcar)
mediante la acción de la fosfogliceroquinasa. El grupo carbonilo que
caracteriza una azúcar se ha oxidado a un grupo carboxilo (-COO-), el
distintivo de un ácido orgánico (2).
La fosforilación a nivel de sustrato es un modo de síntesis de ATP que
ocurre cuando una enzima transfiere un grupo fosfato desde una molécula
de sustrato al ADP, más que por la adición de un fosfato inorgánico al ADP
como ocurre en la fosforilación oxidativa. “Molécula de sustrato” se refiere
aquí a una molécula orgánica generada durante el catabolismo de la glucosa
(2).
8) Luego el 3-fosfoglicerato mediante la fosfogliceromutasa reubica en grupo
fosfato restante y forma el 2-fosfoglicerato.
9) Al 2-fosfoglicerato mediante la enolasa se le extrae una molécula de agua y
produce fosfoenolpiruvato. Los electrones del sustrato se reordenan, de
modo que el fosfato remanente queda muy estable y prepara al sustrato para
la siguiente reacción (2).
10) La última reacción de la glucolisis produce más ATP por la transferencia del
grupo fosfato de fosfoenolpiruvato al ADP mediante la piruvatoquinasa
formando piruvato. Dado que este paso ocurre por duplicado por cada
molécula de glucosa, se producen dos ATP.
En total la glucolisis ha empleado dos ATP en la fase de inversión de energía (paso
1 y 3) y ha producido cuatro ATP en la fase de compensación de energía (paso 7 y
10) con una ganancia neta de dos ATP (2). La ganancia adicional se almaceno en
el paso 6, en el NADH, que media la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa si
hay oxigeno presente (2). La glucosa se ha degradado y oxidado a dos moléculas
de piruvato, el producto final de la vía glucolítica, si hay oxigeno presente, la energía
química del piruvato puede ser extraída por el ciclo del ácido cítrico (2).
Ilustración 14. Puntos de regulación enzimática en la glucólisis
Ilustración 15. Esquema general de la Glucolisis
Formación de la Acetil coenzima A
En células eucarióticas, la glucolisis tiene lugar en el citoplasma, el piruvato
entonces se transporta a la mitocondria donde su oxidación completa a CO 2 y H2O
proporciona la mayor parte dela energía derivada de la degradación de la glucosa
(1). La glucolisis libera menos de una cuarta parte de la energía química
almacenada en la glucosa; la mayor parte de la energía permanece almacenada en
las dos moléculas de piruvato.
Si hay oxigeno molecular presente, el piruvato ingresa en la mitocondria por medio
de transporte activo, el piruvato es convertido en un compuesto llamado acetil CoA
(2), mediante la descarboxilación oxidativa del piruvato en presencia de la coenzima
A (CoA-SH) que funciona como transportador de grupos acetilo en diversas
reacciones metabólicas (1).
Este paso, la unión entre la glucolisis y el ciclo del ácido cítrico, es llevado a cabo
por un complejo multienzimático que cataliza una serie de reacciones que se
pueden resumir así:
1) El grupo carboxilo (-COO-) del piruvato que ya está completamente oxidado
y, por lo tanto, tiene poca energía química, es eliminado y pasa a formar parte
de una molécula de CO2, este es el primer paso en el cual se libera CO2
durante la respiración (2).
2) El fragmento de dos carbonos remanentes se oxida y forma un compuesto
llamado acetato, la forma ionizada del ácido acético. Una enzima transfiere
los electrones extraídos al NAD+, y se almacena energía en forma de NADH
(2).
3) Por último la coenzima A, un compuesto azufrado derivado de la vitamina B,
se une al acetato con un enlace inestable que vuelve muy reactivo al grupo
acetilo (el acetato unido). El producto de este enlace químico, la acetil CoA,
está preparado ahora para proveer su grupo acetilo al ciclo del ácido cítrico
para continuar su oxidación (2).
Ilustración 16. Síntesis del Acetil CoA
Se ilustra la conversión de Piruvato en Acetil CoA. El piruvato debe entrar a la
mitocondria por medio de transporte activo. El complejo de la piruvato
deshidrogenasa cataliza los tres pasos que se describen en el texto. El grupo acetilo
de la Acetil CoA entrará al ciclo del ácido cítrico. La molécula de CO 2 se difundirá
hacia el exterior de la célula.
Ciclo del Ácido Cítrico
El ciclo del ácido cítrico también conocido como Ciclo Tricarboxílico o Ciclo de Krebs
(2), en honor a Hans Krebs, el científico germano-británico que en gran medida fue
responsable del descubrimiento de esta vía metabólica en la década de 1930.
El ciclo tiene ocho pasos, cada uno de los cuales es catalizado por una enzima
especifica (Ilustración 17).
El ciclo genera un ATP en cada vuelta, mediante fosforilación a nivel de sustrato,
pero la mayor parte de la energía química se transfiere al NAD + y a la coenzima
relacionada FAD mediante reacciones redox. Posteriormente las coenzimas
reducidas, NADH y FADH2, transportan su carga de electrones de alta energía hacia
la cadena de transporte de electrones (2).
1) La acetil CoA añade su grupo acetilo de dos carbonos al oxaloacetato, lo que
produce citrato.
2) El citrato se convierte en su isómero, isocitrato, por eliminación de una
molécula de agua y la adición de otra.
3) El citrato pierde una molécula de CO2 y el compuesto resultante se oxida
reduciendo NAD+ a NADH.
4) Se pierde otro CO2, el compuesto resultante se oxida y reduce NAD+ a
NADH. La molécula remanente se une después la coenzima A mediante un
enlace inestable.
5) La CoA es desplazada por un grupo fosfato que se transfiere al GDP,
formando GTP, y luego al ADP, formando ATP (fosforilación a nivel de
sustrato).
6) Se trasfieren dos hidrógenos al FAD formando FADH2 y oxidando succinato.
7) La adición de la molécula de agua reorganiza el sustrato.
8) El sustrato se oxida reduciendo el NAD+ a NADH y regenerando oxaloacetato
Sistema de transporte de electrones
La cadena de transporte de electrones es una colección de moléculas insertas en
la membrana interna de la mitocondria. El plegamiento de la membrana interna
forma crestas que incrementan el área de la superficie y proporciona espacio para
las miles de copias de la cadena presentes en cada mitocondria (2).
La mayor parte de los componentes de la cadena son proteínas que existen en
complejos multiprotéicos numerados del I al IV. Fuertemente unidos a estas
proteínas se encuentran los grupos prostéticos, compuestos no proteicos
esenciales para las funciones catalíticas de ciertas enzimas (2).
Durante el transporte de electrones a lo largo de la cadena, los transportadores de
electrones alternan entre estados reducidos y oxidados a medida que aceptan y
donan electrones; cada componente de la cadena se reduce cuando acepta
electrones de su vecino que se encuentra “hacia arriba”, el cual tiene una afinidad
menor por los electrones (es menos electronegativo). Luego regresa a su forma
oxidada cuando cede electrones a su vecino más electronegativo “hacia abajo” (2).
Los electrones extraídos de los alimentos por el NAD+, durante la glucólisis y el ciclo
del ácido cítrico, se transfieren del NADH a la primera molécula de la cadena de
transporte de electrones. Esta molécula es una flavoproteína, denominada así
puesto que tiene un grupo prostético llamado Flavina mononucleótido (FMN en el
complejo I).
Ilustración 17. Ciclo del Ácido Cítrico
En la siguiente reacción redox, la flavoproteína vuelve a su forma oxidada en tanto
cede electrones a una proteína con hierro-azufre (Fe-S del complejo I) fuertemente
unidos. La proteína con hierro-azufre luego cede los electrones a un compuesto
llamado ubiquinona. Este transportador de electrones es una pequeña molécula
hidrófoba, y el único miembro de la cadena de transporte de electrones que no es
proteico. La Ubiquinona se mueve dentro de la membrana y no reside en ningún
complejo en particular (2).
La mayor parte de los transportadores de electrones restantes entre la ubiquinona
y el oxígeno son proteínas llamadas citocromos. Su grupo prostético, llamado
grupo hemo, tiene un átomo de hierro que acepta electrones y los dona (es similar
al grupo hemo de la hemoglobina, excepto que el hierro de ésta transporta oxígeno
y no electrones). La cadena de transporte de los electrones tiene varios tipos de
citocromos, cada uno de los cuales es una proteína diferente con un grupo hemo
ligeramente diferente que acarrea electrones.
El último citocromo de la cadena, el Cyt a3, pasa sus electrones al oxígeno, que es
muy electronegativo. Cada átomo de oxígeno también capta un par de iones
hidrógeno de la solución acuosa y forma agua (2).
Otra fuente de electrones para la cadena de transporte es el FADH2, el otro producto
reducido del ciclo del ácido cítrico. El FADH2 añade sus electrones a la cadena de
transporte de electrones en el Complejo II, a un nivel de energía más bajo que el
NADH. En consecuencia, la cadena de transporte de electrones proporciona
alrededor de un tercio de energía menos para la síntesis de ATP cuando el donante
electrónico es FADH2 en lugar de NADH (2).
La cadena de transporte de electrones no sintetiza ATP de forma directa. Funciona
para facilitar la caída de electrones desde los nutrientes al oxígeno, fraccionando
una gran caída de energía libre en una serie de pasos más pequeños que liberan
energía en cantidades manejables.
La mitocondria acopla ese transporte de electrones y la liberación de energía a la
síntesis de ATP, mediante un mecanismo llamado quimiosmosis.
Ilustración 18. Cadena Transportadora de Electrones
Dentro de la membrana interna de la mitocondria se encuentran muchas copias de
un complejo proteico llamado ATP sintasa, la enzima que sintetiza ATP a partir de
ADP y fosfato inorgánico. En el transporte de iones contra un gradiente, las bombas
iónicas utilizan ATP como fuente de energía; en el modo inverso de este proceso,
la ATP sintasa emplea la energía de un gradiente iónico existente para impulsar la
síntesis del ATP (2).
La fuente de poder para la ATP sintasa es una diferencia en la concentración de H+
(gradiente de protones) de lados opuestos de la membrana interna de la
mitocondria.
Este proceso, en el cual la energía almacenada en forma de un gradiente de iones
hidrógeno a través de una membrana se emplea para impulsar el trabajo celular,
como la síntesis de ATP, es denominado quimiosmosis (2).
La ATP sintasa es un complejo de múltiples subunidades con cuatro partes
principales, cada una de las cuáles está formada por múltiples polipéptidos: un rotor
en la membrana mitocondrial interna; un pomo que sobresale hacia el interior de la
matriz mitocondrial; un vástago que se extiende desde el rotor al pomo y un “estator”
que se encuentra anclado cerca del rotor que mantiene el pomo quieto.
Los iones hidrógeno fluyen por un espacio estrecho entre el estator y el rotor, y
ocasionan que éste y su vástago unido roten, de forma similar a una corriente de
agua que hace girar un molino hidráulico. El vástago que gira provoca cambios
estructurales en el pomo estacionario y activando sitios catalíticos en las
subunidades que constituyen el pomo, de modo que se combinan ADP y fosfato
inorgánico para sintetizar ATP (2).
Crear el gradiente de H+ es la función de la cadena de transporte de electrones. La
cadena es un transformador energético que emplea el flujo exergónico de electrones
para bombear H+ a través de la membrana, desde la matriz de la mitocondria al
interior del espacio intermembranal. El H+ tiene una tendencia a retroceder y
atravesar la membrana para difundirse a favor de su gradiente. Las ATP sintasas
son los únicos sitios de la membrana que tienen permeabilidad absoluta para iones
H+. Los iones pasan a través de un canal presente en la ATP sintasa, que emplea
el flujo exergónico de H+ para impulsar la fosforilación del ADP.
Así, la energía almacenada en un gradiente de H+ a través de una membrana acopla
las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP
(2).
¿De qué manera la cadena de transporte de electrones bombea los iones
hidrógeno?
Ciertos miembros de la cadena aceptan y liberan protones junto con los electrones.
En ciertos pasos a lo largo de la cadena, la transferencia de electrones hace que
los H+ sean captados y liberados en la solución del entorno. Los transportadores de
electrones están dispuestos espacialmente en la membrana, de modo que el H+ se
capta desde la matriz mitocondrial y se deposita en el espacio intermembranal.
El gradiente de H+ resultante se conoce como fuerza motriz protónica, haciendo
hincapié en la capacidad del gradiente para llevar a cabo trabajo. La fuerza
retroimpulsa al H+ a través de la membrana empleando canales específicos de H+
que aportan las ATP sintasas (2).
En las mitocondrias, la energía para la formación del gradiente procede de las
reacciones redox exergónicas y la síntesis de ATP es el trabajo realizado. Pero la
quimiosmosis ocurre también en cualquier lugar y en otras variaciones. Por ejemplo,
los cloroplastos emplean la quimiosmosis para generar ATP durante la fotosíntesis;
en estos orgánulos, la luz (en lugar de la energía química) impulsa tanto el flujo de
electrones a lo largo de una cadena de transporte de electrones como la formación
del gradiente de H+ resultante.
A raíz de su importancia central para las conversiones energéticas, la quimiosmosis
ha ayudado a unificar el estudio de la bioenergética. Peter Mitchell recibió el Premio
Nobel en 1978 al formular la original propuesta del modelo quimiosmótico (2).
Rendimiento energético de la respiración aeróbica de una molécula de
glucosa
Durante la respiración, la mayor parte de la energía fluye en la siguiente secuencia:
Glucosa  NADH  Cadena de transporte de electrones  fuerza motriz protónica
 ATP (2).
Es posible hacer la contabilidad para calcular las ganancias de ATP que se
producen cuando la respiración celular oxida una molécula de glucosa a 6 moléculas
de dióxido de carbono. Los tres momentos importantes son la Glucólisis, el ciclo del
ácido cítrico y la Cadena de transporte de electrones, que impulsa la fosforilación
oxidativa (2) (Ilustración 19).
Ilustración 19. Rendimiento energético de una molécula de glucosa
La cuenta suma los 4 ATP producidos de forma directa por la fosforilación a nivel
de sustrato durante la glucólisis, y el ciclo del ácido cítrico, a las muchas más
moléculas de ATP generadas por la fosforilación oxidativa. Cada NADH que
transfiere un par de electrones desde los alimentos a la cadena de transporte de
electrones, contribuye suficientemente a la fuerza motriz protónica para generar un
máximo de aproximadamente 3 ATP (2).
Hay tres razones por las que no podemos establecer un número exacto de
moléculas de ATP generadas por la degradación de una molécula de glucosa.
En primer lugar, la fosforilación y las reacciones redox no están directamente
acopladas entre sí, de modo que el cociente de moléculas de NADH con respecto
al número de moléculas de ATP no es un número entero. Sabemos que 1 NADH
resulta en el transporte de 10 H+ a través de la membrana mitocondrial interna, y
sabemos también que en algún lugar entre 3 H+ y 4 H+ deben volver a entrar a la
matriz mitocondrial por medio de una ATP sintasa para generar 1 ATP (2).
Por tanto, 1 NADH genera suficiente fuerza protomotríz para la síntesis de entre 2,5
y 3,3 ATP; por lo general se redondea y se afirma que 1 NADH puede generar cerca
de 3 ATP. El ciclo del ácido cítrico también aporta electrones a la cadena de
transporte de electrones vía el FADH2, pero dado que entra después en la cadena
(complejo II), cada molécula de éste transporte de electrones es responsable de la
transferencia de H+ para la síntesis de solo 1,5 ATP a 2 ATP (2).
En segundo término, el rendimiento en ATP varía ligeramente de acuerdo con el
tipo de lanzadera empleada para transportar los electrones desde el citosol a la
mitocondria. La membrana interna de la mitocondria es impermeable al NADH, de
modo que el NADH presente en el citosol queda segregado de la maquinaria de la
fosforilación oxidativa. Los dos electrones del NADH capturados en la glucólisis
deben converger en la mitocondria o uno de varios sistemas de lanzaderas de
electrones.
De acuerdo con el tipo de lanzadera, en un tipo celular particular, los electrones
pasan bien al NAD+ o al FAD. Si los electrones pasan al FAD, como en las células
del cerebro, solo aproximadamente 2 ATP pueden resultar de cada NADH citosólico.
Si los electrones pasan al NAD+ de las mitocondrias, como en los hepatocitos y los
cardiomiocitos, el rendimiento es de alrededor de 3 ATP (2).
Una tercera variable que reduce el rendimiento de ATP es el uso de la fuerza motriz
protónica generada por las reacciones redox de la respiración para conducir otros
tipos de trabajo. Por ejemplo, la fuerza motriz protónica impulsa la captación de
Piruvato desde el citosol por parte de la mitocondria. Por tanto, si toda la fuerza
motriz protónica generada por la cadena de transporte de electrones se empleara
para conducir la síntesis de ATP, una molécula de glucosa podría generar un
máximo de 34 ATP producidos mediante la fosforilación oxidativa más 4 ATP (netos)
desde la fosforilación a nivel de sustrato, para dar un rendimiento total de
aproximadamente 38 ATP (o solo cerca de 36 ATP si estuvieran funcionando las
lanzaderas menos eficientes (2).
Eficiencia energética del proceso de la respiración celular de una molécula
de glucosa
Ahora nos hallamos en condiciones de realizar una estimación aproximada de la
eficiencia de la respiración; es decir, el porcentaje de energía química almacenada
en la glucosa que ha sido realmacenada en el ATP. Es necesario recordar que la
oxidación completa de una molécula de glucosa libera 686 Kcal de energía. La
fosforilación del ADP para formar ATP almacena al menos 7,3 Kcal por mol de ATP.
Por tanto, la eficiencia de la respiración es de 7,3 Kcal por mol de ATP multiplicado
por 38 moles de ATP por mol de glucosa, dividido por 686 Kcal por mol de glucosa,
lo que iguala a 0,4. Así, aproximadamente un 40% de la energía almacenada en la
glucosa se ha transferido para almacenarse en forma de ATP. El resto de la energía
almacenada se pierde en forma de calor.
Empleamos parte de éste calor para mantener nuestra temperatura corporal
relativamente elevada (37ºC) y disipamos el resto mediante la sudoración y otros
mecanismos de enfriamiento (2).
La respiración celular es notablemente eficiente en esta conversión energética (2).
La fermentación
La fermentación permite que algunas células produzcan ATP sin emplear oxígeno.
Dado que la mayor parte del ATP generado por la respiración celular es el trabajo
de la fosforilación oxidativa, nuestra estimación de la producción de ATP a partir de
la respiración depende de un suministro adecuado de oxígeno a la célula.
Sin el oxígeno electronegativo para impulsar los electrones a lo largo de la cadena
de transporte, la fosforilación oxidativa cesa. Sin embargo, la fermentación
proporciona un mecanismo por el cual algunas células pueden oxidar combustible
orgánico y generar ATP sin el uso de oxígeno (2).
Cabe recordar que la oxidación se refiere a la pérdida de electrones a cualquier
aceptor de electrones, no solamente al oxígeno. La glucolisis oxida glucosa a dos
moléculas de piruvato. El agente oxidante de la glucólisis es el NAD+, no el oxígeno.
En total, la glucólisis es exergónica, y parte de la energía que se vuelve disponible
se emplea para producir 2 ATP (neto) por fosforilación a nivel de sustrato. Si el
oxígeno está presente, entonces se sintetiza ATP adicional por la fosforilación
oxidativa, cuando el NADH cede los electrones tomados de la glucosa a la cadena
de transporte de electrones. Pero la glucólisis genera dos ATP, haya o no oxígeno
presente; es decir, si las condiciones son aeróbicas o anaeróbicas (2).
El catabolismo anaeróbico de los nutrientes orgánicos puede producirse por
fermentación. La fermentación es una extensión de la glucólisis que puede generar
ATP solamente por fosforilación a nivel de sustrato, en tanto haya suficiente
suministro de NAD+ para aceptar electrones durante el paso de oxidación de la
glucólisis. Sin algún mecanismo para el reciclado de NAD+ a partir del NADH, la
glucólisis rápidamente vaciará el reservorio de NAD+ de la célula al reducirlo en su
totalidad a NADH y se detendrá por carecer un agente oxidante.
En condiciones “aerobias”, el NAD+ se recicla de forma productiva a partir de NADH
por la transferencia de electrones a la cadena de transporte de electrones. La
alternativa “anaeróbica” consiste en transferir electrones desde el NADH hasta el
piruvato, el producto final de la glucólisis (2).
La fermentación se compone de la glucólisis más las reacciones que regeneran
NAD+ transfiriendo electrones del NADH al piruvato o a derivados del piruvato. El
NAD+ puede, entonces, emplearse de nuevo para oxidar azúcar mediante la
glucólisis, que rinde dos moléculas de ATP por cada fosforilación a nivel de sustrato.
Hay muchos tipos de fermentación que difieren en los productos finales que se
forman a partir del piruvato. Dos tipos comunes son la Fermentación alcohólica y
la Fermentación ácida láctica (2).
Fermentación alcohólica:
En la fermentación alcohólica, el piruvato se convierte en etanol en dos pasos. El
primer paso libera dióxido de carbono del piruvato, que se convierte en el compuesto
de dos carbonos denominado acetaldehído. En el segundo paso, el acetaldehído
es reducido por el NADH a etanol.
Esto regenera la provisión de NAD+ necesaria para la continuación de la glucólisis.
Muchas bacterias llevan a cabo la fermentación alcohólica en condiciones
anaeróbicas. La levadura (un hongo) también lleva a cabo la fermentación
alcohólica.
Durante miles de años, los seres humanos han empleado las levaduras en la
fabricación de cerveza, de vinos y en la panificación (2).
Fermentación láctica:
Durante la fermentación ácida láctica, el piruvato se reduce directamente por acción
del NADH para formar lactato como producto final, sin liberación de CO2 (el lactato
es la forma ionizada del ácido láctico). La fermentación ácida láctica, por ciertos
hongos y bacterias, se emplea en la industria láctea para elaborar queso y yogur
(2).
Las células de músculo humano sintetizan ATP mediante la fermentación ácida
láctica cuando hay escasez de oxígeno. Esto ocurre durante las etapas iniciales de
un ejercicio extenuante, cuando el catabolismo de los azúcares para producir ATP
sobrepasa el suministro de oxígeno proveniente de la sangre para el músculo. En
estas condiciones, las células cambian de la respiración aeróbica a la fermentación.
El lactato que se acumula puede provocar fatiga muscular y dolor, pero es eliminado
de forma gradual por la sangre por medio del hígado. El lactato se convierte
nuevamente en piruvato por acción de las células hepáticas (2).
Lípidos y Proteínas en el Ciclo de Krebs
Hasta aquí, se ha tratado la degradación oxidativa de la glucosa de forma aislada
del resto de la economía metabólica total de las células. Pero, de hecho, la glucólisis
y el ciclo del ácido cítrico son los principales cruces de varias vías catabólicas y
anabólicas (biosintéticas).
Se ha mencionado a la glucosa como combustible para la respiración celular. Pero
las moléculas de glucosa libre no son comunes en las dietas de los seres humanos
ni otros animales. Nosotros obtenemos la mayor parte de nuestras calorías en forma
de grasas, proteínas, sacarosa y otros disacáridos y almidón, un polisacárido. Todas
estas moléculas orgánicas de los alimentos pueden ser empleadas por la
respiración celular para sintetizar ATP (2).
Las proteínas también pueden emplearse como combustible, pero primero deben
ser digeridas a sus aminoácidos constituyentes. Muchos de los aminoácidos, por
supuesto, se usan por el organismo para construir nuevas proteínas. Los
aminoácidos presentes en exceso son convertidos por enzimas en intermediarios
de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico. Antes de que los aminoácidos puedan
alimentar la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico, sus grupos amino deben eliminarse,
en un proceso llamado desaminación. El nitrógeno de desecho se excreta de los
animales en forma de amoníaco, urea u otros productos de desecho (2).
El catabolismo también puede obtener la energía almacenada en las grasas
obtenidas de los alimentos, o bien de las células de almacenamiento del organismo.
Después de que las grasas son digeridas a glicerol y ácidos grasos, el glicerol se
convierte en gliceraldehído-3-fosfato, un intermediario de la glucólisis. La mayor
parte de la energía de una grasa se almacena en los ácidos grasos. Una secuencia
metabólica denominada oxidación beta degrada los ácidos grasos a fragmentos
de dos carbonos, que entran en el ciclo del ácido cítrico como acetil CoA. Las grasas
constituyen un excelente combustible. La oxidación de los ácidos grasos de cadena
larga a acetil CoA es una ruta central de producción de energía en muchos
organismos y tejidos (5).
En el corazón y en el hígado de mamíferos, por ejemplo, proporciona hasta el 80%
de las necesidades energéticas en todas las circunstancias fisiológicas (5). Un
gramo de grasa oxidada por la respiración produce más ATP que un gramo de
hidrato de carbono. Lamentablemente, esto también significa que una persona que
está tratando de perder peso debe trabajar duramente para emplear la grasa
almacenada en el organismo porque hay muchas calorías almacenadas por cada
gramo de grasa (2).
REFERENCIAS
1. Cooper G, Hausman R. La célula. 5a ed. Madrid: Marbá Libros, S.L; 2011.
2. Cambell, NA. Biología. 7a ed. Madrid: Editorial Médica Panamericana; 2007.
3. Feduchi, Blasco, et al. Bioquímica conceptos esenciales. Madrid: Editorial
Médica Panamericana; 2010. Disponible en:
http://books.google.com.co/books?id=DhDxOpmcIfIC&pg=PA201&dq=catabolis
mo+aerobio+y+anaerobio&hl=en&sa=X&ei=AE39U8f2MoS_sQSq2IDoBA&ved
=0CBoQ6AEwAA#v=onepage&q=catabolismo%20aerobio%20y%20anaerobio
&f=false
4. Audersik T, Audersik G, Byers EB. Biología: La vida en la tierra. 8a ed. México:
Pearson Education; 2008.
5. Nelson DL, Cox MM, Lehninger AL. Principios de Bioquímica. 4a ed.
Barcelona: Omega; 2005.