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Glucólisis y respiración celular
1. En los sistemas vivos, la oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas
principales: la glucólisis y la respiración celular. La glucólisis ocurre en el
citoplasma. La respiración, que incluye el ciclo de Krebs y el transporte de
electrones, tiene lugar en la membrana celular de las células procariontes y en las
mitocondrias de las células eucariontes.
2. En la glucólisis y en el ciclo de Krebs, las coenzimas NAD+ y FAD aceptan
átomos de hidrógeno provenientes de la glucosa y se reducen a NADH y FADH 2,
respectivamente. En la etapa final de la respiración, estas coenzimas ceden sus
electrones a la cadena respiratoria.
Fig. 5-3. Esquema global de la oxidación de la glucosa
Durante la glucólisis, la glucosa se transforma en ácido
pirúvico. Se produce una pequeña cantidad de ATP a partir
de ADP y fosfato y son transferidos algunos electrones (e -) y
sus protones acompañantes (H+) a las enzimas aceptoras de electrones. En
presencia de oxígeno, el ácido pirúvico entra en el ciclo de Krebs donde se
sintetiza más ATP y se transfieren más electrones y protones a las coenzimas.
Estas coenzimas aceptoras de electrones transfieren su carga a la cadena
transportadora de electrones a lo largo de la cual, paso a paso, los electrones
caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se fabrica más
ATP. Al final de la cadena transportadora, los electrones se reúnen con los
protones y se combinan con el oxígeno y se forma agua. En ausencia de oxígeno,
el ácido pirúvico puede convertirse en ácido láctico o en etanol. Este proceso,
llamado fermentación, no produce ATP pero regenera las moléculas de coenzima
aceptoras de electrones, necesarias para que la glucólisis continúe.
Primera etapa, varios pasos: la glucólisis
3. La glucólisis ocurre prácticamente en todas las células vivas. Cada uno de sus
pasos es catalizado por una enzima específica.
Fig. 5-4. Los pasos de la glucólisis
1. El grupo fosfato terminal se transfiere desde el ATP al
carbono en la posición 6 de la glucosa y se forma glucosa 6fosfato. 2. La molécula se reorganiza. La glucosa se
transforma en fructosa. 3. La fructosa 6-fostato gana un
segundo fosfato que proviene de otro ATP y se produce
fructosa 1,6 bifosfato. 4. El azúcar de seis carbonos se escinde en dos moléculas
de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído fosfato. 5. Las
moléculas de gliceraldehído fosfato se oxidan, o sea, pierden los átomos de
hidrógeno con sus electrones, y el NAD+ se reduce a NADH y H+. Un ion fosfato se
une a la posición 1 del gliceraldehído fosfato. 6. El fosfato se libera de la molécula
de bifosfoglicerato y reacciona con una molécula de ADP y se forma ATP. 7. El
grupo fosfato remanente se transfiere de la posición 3 a la posición 2. 8. Se
elimina una molécula de agua del compuesto de tres carbonos. 9. El fosfato se
transfiere a una molécula de ADP y se forma otra molécula de ATP.
4. En el primer paso de la glucólisis, la glucosa se divide en dos moléculas de tres
carbonos (ácido pirúvico), que pueden seguir dos vías: aeróbica o anaeróbica. El
proceso se inicia con energía proveniente de dos moléculas de ATP.
5. En presencia de O2, la degradación de la glucosa implica la oxidación
progresiva del ácido pirúvico a CO2 y agua. Durante el proceso se forman dos
NADH y cuatro ATP.
6. La glucólisis anaeróbica ocurre en ausencia de O2. Consiste en la conversión
del ácido pirúvico en alcohol etílico (fermentación alcohólica) o en ácido láctico
(fermentación láctica). Estas vías generan en total dos moléculas de ATP, que
representan el 5% de lo que se genera por la vía aeróbica.
Un paso intermedio: la oxidación del ácido pirúvico
7. El ácido pirúvico producido por la glucólisis aeróbica es transportado del
citoplasma a la matriz mitocondrial. Allí participa en una reacción de oxidación que
genera un grupo acetilo y una molécula de CO2, mientras que un NAD+ se reduce
a NADH.
8. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a la coenzima A, para formar
acetil-CoA. Este paso constituye el nexo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
Segunda etapa: pasos por el ciclo de Krebs
9. Cada acetilo que entra en el ciclo de Krebs se combina con una molécula de
cuatro carbonos (ácido oxalacético) y forma una de seis (ácido cítrico).
10. En el curso de este ciclo se liberan dos moléculas de CO 2, que no pertenecen
a la molécula de glucosa original, y se producen una de ATP, tres de NADH y una
de FADH2.
Fig. 5-9. El ciclo de Krebs
En este ciclo, los carbonos donados por el grupo acetilo se
oxidan a CO2 y los electrones pasan a los transportadores de
electrones. Al igual que en la glucólisis, en cada paso
interviene una enzima específica. La coenzima A es el nexo
entre la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs. En el
curso de estos pasos, parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces
CH y CC se usa para convertir ADP en ATP (una molécula por ciclo), y parte se
usa para producir NADH y H+ a partir del NAD (tres moléculas por ciclo). Además,
una fracción de la energía se utiliza para reducir un segundo transportador de
electrones, el FAD. Por cada giro del ciclo, se forma una molécula de FADH 2 a
partir de FAD. No se requiere O2 para el ciclo de Krebs: los electrones y los
protones eliminados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD + y el
FAD. Se necesitan dos vueltas del ciclo para completar la oxidación de una
molécula de glucosa. Así, el rendimiento energético total del ciclo de Krebs para
una molécula de glucosa es dos moléculas de ATP, seis moléculas de NADH y
dos moléculas de FADH2.
La etapa final: el transporte de electrones
11. Luego de la oxidación total de la glucosa, la mayor parte de la energía
almacenada permanece en los electrones del NADH y el FADH2. Esos electrones
son conducidos luego a un nivel energético inferior a través de la secuencia de
reacciones de oxidorreducción que constituyen la cadena respiratoria. Los pasos
de esta cadena son catalizados por enzimas unidas a citocromos.
Fig. 5-10. Representación esquemática de la cadena transportadora de electrones
Las moléculas que se indican, mononucleótido de flavina
(FMN), coenzima Q (CoQ) y los citocromos b, c, a y a 3, son
los principales transportadores de electrones de la cadena.
Al menos otras nueve moléculas transportadoras funcionan
como intermediarias además de las que se muestran aquí. Los electrones
transportados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN,
que entonces se reduce. Casi instantáneamente, el FMN cede los electrones a la
CoQ. El FMN vuelve así a su forma oxidada, lista para recibir otro par de
electrones, y la CoQ se reduce. La CoQ entonces pasa los electrones al siguiente
aceptor, y vuelve a su forma oxidada. El proceso se repite en sentido
descendente. Los electrones, al pasar por la cadena respiratoria, van saltando a
niveles energéticos sucesivamente inferiores. Los electrones que son
transportados por el FADH2 se encuentran en un nivel energético ligeramente
inferior que los del NADH. En consecuencia, entran en la cadena de transporte
más abajo, a la altura de la CoQ. Los electrones finalmente son aceptados por el
oxígeno, que se combina con protones (iones hidrógeno) en solución, y se forma
agua.
12. La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP con el uso de la energía
liberada por los electrones a lo largo de la cadena respiratoria. Por cada molécula
de NADH se forman tres de ATP; por cada molécula de FADH2, dos de ATP.
Ocurre a través del acoplamiento quimiosmótico, un proceso que abarca dos
acontecimientos: el establecimiento de un gradiente de protones a través de la
membrana mitocondrial interna y la síntesis de ATP con el uso de la energía
potencial almacenada en el gradiente.
Rendimiento energético global
13. A partir de la oxidación de una molécula de glucosa se producen a lo sumo 38
de ATP, repartidas de la siguiente manera: la glucólisis produce ocho ATP (seis
provienen de la oxidación de los dos NADH, los otros dos se forman
directamente); la conversión del ácido pirúvico en acetil-CoA produce seis ATP
(provenientes de dos NADH); el ciclo de Krebs produce 24 ATP (18 provienen de
seis NADH; cuatro, de dos FADH2; los dos restantes se forman directamente).
14. El 40% de la energía libre producida en la oxidación de la glucosa se retiene
en forma de moléculas de ATP. En otras palabras, el proceso tiene una eficiencia
del 40%.
Regulación de glucólisis y respiración
15. Concentraciones altas de ATP inhiben la fosfofructocinasa, una de las enzimas
de la glucólisis, mediante un mecanismo de retroalimentación. El ATP es también
un inhibidor alostérico del primer paso del ciclo de Krebs. La reacción que produce
acetil-CoA está regulada negativamente por la concentración de su producto. Por
otra parte, cuando los requerimientos energéticos de la célula disminuyen, no se
consume ATP; de esta manera, no se regenera ADP y el flujo electrónico
disminuye.
Otras vías catabólicas
16. Las grasas, las proteínas y los hidratos de carbono diferentes de la glucosa
son transformados por distintas vías que están conectadas con el ciclo de Krebs.
Vías de síntesis
17. Los distintos intermediarios de la glucólisis y el ciclo de Krebs pueden ser
precursores para el proceso de biosíntesis. Las vías biosintéticas son diferentes
de las catabólicas.
Fig. 5-14. Vías principales del catabolismo y el anabolismo en la célula