RESPIRACIÓN AEROBIA

Las reacciones químicas de la respiración aerobia de la glucosa pueden agruparse en cuatro etapas. En los eucariotas la primera etapa (glucólisis) se realiza en el citosol, y el resto ocurren en el interior de las mitocondrias. La mayor parte de las bacterias también efectúan estos procesos, pero dado que sus células carecen de mitocondrias, todas las etapas se llevan a efecto en el citosol y en asociación con la membrana plasmática.

1.Glucólisis. Una molécula de glucosa, de seis carbonos, se convierte en dos moléculas de piruvato de tres carbonos, con la formación de ATP y NADH. (consultad apuntes).

2.Formación de acetilcoenzima A . Cada molécula del piruvato entra en la mitocondria y se oxida para convertirse en una molécula de dos carbonos (acetato) que se combina con coenzima A y forma acetilcoenzima A, se produce NADH y se libera dióxido de carbono como producto de desecho.

3.Ciclo del ácido cítrico . El grupo acetato de la acetilCoA se combina con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato), y se forma una molécula de seis carbonos (citrato).En el transcurso del ciclo ésta se recicla a oxalacetato y se libera dióxido de carbono como producto de desecho. Se captura energía como ATP y los compuestos reducidos de alto contenido de energía NADH y FADH2.

4.Cadena de transporte de electrones y quimiósmosis . Los electrones extraídos de la glucosa durante las etapas precedentes se transfieren de NADH y FADH2 a una cadena de compuestos aceptores de electrones. A medida que los electrones pasan de un aceptor a otro, parte de su energía se emplea para bombear hidrogeniones ( protones ) a través de la membrana mitocondrial interna, con lo que se forma un gradiente de protones. En un proceso denominado quimiósmosis, la energía de este gradiente se utiliza para producir ATP.

2. FORMACIÓN DEL ACETILCOENZIMA A

En los eucariotas, las moléculas de piruvato formadas en la glucólisis entran en las mitocondrias, donde se convierte en aceticoenzima A1 (acetilCoA). Estas reacciones ocurren en el citosol de los procariotas aerobios.En esta serie de reacciones el piruvato experimenta un proceso denominado descarboxilación oxidativa.

En primer término, un grupo carboxilo se disocia en la forma de dióxido de carbono, que se difunde hacia el exterior de la célula.

1 Recuérdese que la coenzima A transfiere grupos derivados de ácidos orgánicos. En este caso se trata de un grupo acetilo relacionado con el ácido acético. La coenzima A se sintetiza en la célula a partir de una de las vitaminas del complejo B, el ácido pantoténico. La fijación de un grupo acetilo a la coenzima A es catalizada por un complejo multienzimático, que incluye varias copias de cada una de tres enzimas. dstintas.

Luego, se oxida el fragmento residual de dos carbonos y el NAD+ acepta los electrones que se disociaron durante la oxidación. Por último, el fragmento oxidado de dos carbonos, un grupo acetilo, se une a la coenzima A, de los que resulta acetilcoenzima A.

En este punto de la respiración aerobia, se han formado cuatro moléculas de NADH por el catabolismo de una sola de glucosa; dos durante la glucólisis y otras tantas al formarse acetilCoA a partir de piruvato.

3. CICLO DE KREBS.El ciclo del ácido cítrico, también llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo TCA) o ciclo de Krebs, ocurre en las mitocondrias. La etapa siguiente para la obtención de energía a partir de la glucosa es la descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA. A continuación, el grupo acetilo del acetil-CoA se oxida completamente a CO2 a través del ciclo de Krebs. “Tanto la descarboxilación oxidativa del piruvato como las reacciones del ciclo de Krebs se realizan en la matriz mitocondrial”.

“El ciclo de Krebs es la ruta oxidativa final de la glucosa y de la mayoría de los combustibles metabólicos. Su función es oxidar el grupo acetilo del acetil-CoA a CO2, al mismo tiempo que se reducen los transportadores de electrones NAD+ y FAD. La posterior oxidación de NADH y FADH2 en la cadena respiratoria mitocondrial genera ATP”

El ciclo de Krebs consta de una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente que se realizan en la matriz mitocondrial:La reacción global del ciclo de Krebs es la siguiente:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA-SH

Así pues, una vuelta del ciclo produce las siguientes transformaciones químicas:

Un grupo acetilo de dos átomos de carbono entra en el ciclo y salen otros dos carbonos en forma de CO2 . Por tanto, el grupo acetilo es oxidado completamente a dos moléculas de CO2 .

Tres moléculas de NAD+ son reducidas a NADH. Una molécula de FAD es reducida a FADH2 . Se genera un enlace fosfato de alta energía de hidrólisis en forma de

GTP. El GTP es equivalente a un ATP.

A continuación, el NADH y el FADH2 se oxidan mediante la cadena de transporte electrónico mitocondrial generando ATP.

La oxidación en la cadena respiratoria del NADH da lugar a la formación de 3 moléculas de ATP .

La oxidación en la cadena respiratoria del FADH2 a 2 ATP. Por tanto, la oxidación de estos transportadores de electrones produce 11 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa. Como además en cada vuelta del ciclo de Krebs se forma un GTP, el rendimiento energético total del ciclo es de 12 moléculas de ATP.

En la mayoría de las células, el funcionamiento acoplado del ciclo de Krebs y de la cadena respiratoria es la principal fuente productora de ATP. De ahí

que la velocidad del ciclo de Krebs dependa de las necesidades energéticas de la célula.

Aunque el oxígeno molecular no interviene directamente en el ciclo de Krebs, éste sólo funciona en condiciones aeróbicas porque requiere el aporte continuo de NAD+ y FAD. En la mitocondria, éstos aceptores de electrones sólo se regeneran cuando el NADH y el FADH2 transfieren sus electrones al oxígeno a través de la cadena respiratoria mitocondrial.

El ciclo de Krebs se considera el centro del metabolismo aeróbico. Es la ruta final común para la oxidación de los glúcidos, los ácidos grasos y los aminoácidos. El acetil-CoA que se incorpora al ciclo procede principalmente de dos fuentes: la degradación de los ácidos grasos y de los glúcidos. La degradación de los aminoácidos puede dar lugar a acetil-CoA o a intermediarios del ciclo de Krebs, tales como oxalacetato, succinil-CoA y -cetoglutarato. El ciclo de Krebs también funciona anabólicamente proporcionando intermediarios para la biosínteis de diversas sustancias. Por tanto, el ciclo de Krebs es anfibólico, ya que funciona tanto catabólica como anabólicamente.

Por tanto, la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O mediante la glicolisis, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria produce 38ATP. La mayor parte del ATP se genera por fosforilación oxidativa. La reacción global es:

Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Así pues, el metabolismo aeróbico de la glucosa produce mucha más energía que la transformación de glucosa en lactato. En este último caso, el lactato formado contiene todavía una gran parte de la energía de la glucosa. Sin embargo, en condiciones aeróbicas, la glucosa se degrada por completo a CO2 y H2O, liberando así mucha más energía de la molécula de glucosa.

No obstante, la transformación de glucosa en lactato es el principal mecanismo de producción de ATP en condiciones anaeróbicas y en las

células que no tienen o tienen pocas mitocondrias, tales como los glóbulos rojos, los leucocitos, algunos tipos de fibras musculares, etc.TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

Los electrones procedentes de una molécula de glucosa durante la glucólisis, la formación de acetilCoA y ciclo del ácido cítrico, se transfirieron (como parte de átomos de hidrógeno) a los aceptores primarios de hidrógeno NAD+ y FAD, con la formación de NADH y FADH2. Tales compuestos reducidos entran en este punto en la cadena de transporte de electrones, donde los electrones de alto contenido de energía de sus átomos de hidrógeno se transfieren de una molécula aceptora a otra.Al ocurrir esta transferencia de electrones en una serie de reacciones redox exergónicas, parte de su energía se utiliza para impulsar la síntesis de ATP ( un proceso endergónico). Como esta síntesis ( por fosforilación de ADP) está acoplada a las reacciones redoxx en la cadena de transporte de electrones, todo el proceso se conoce como fosforilación oxidativa.

La cadena de transporte de electrones que

da lugar a la fosforilación oxidativa está presente en muchas copias idénticas en la membrana mitocondrial interna. También se le conoce como cadena respiratoria.

La mayoría de las proteínas de membrana que participan en la cadena mitocondrial de transporte de electrones está agrupada en tres grandes complejos enzimáticos respiratorios, cada uno de los cuales contiene múltiples proteínas. Cada complejo dispone de proteínas transmembranales que anclan con firmeza todo el complejo proteico en la membrana mitocondrial interna.Los tres complejos enzimáticos respiratorios2 son: I Complejo NADH deshidrogenasa. II Complejo citocromo b-c1.III Complejo citocromo-oxidasa.

2 Entre los complejos enzimáticos respiratorios aparecen Q, ubiquinona una molécula hidrofóbica integrada en la membrana mitocondrial interna, es el único transportador que no forma parte de ninguna proteína. Capta electrones del complejo I y los cede al complejo II. C, citocromo c, es una pequeña proteína que hace de enlace en el transporte de electrones entre el complejo II y el III.

Cada uno contiene iones metálicos y otros grupos químicos que forman una vía para el paso de electrones a través del complejo. Los complejos respiratorios son los sitios en los que se bombean protones a través de la membrana a medida que los electrones son transferidos entre ellos.

El transporte de electrones comienza con la cesión de 2e- por el NADH o del FADH2,( éste realiza la cesión después del complejo I a nivel de la ubiquinona), esta reacción es catalizada por el primero de los complejos enzimáticos respiratorios, la NADH deshidrogenasa, que acepta los electrones. Estos pasan después a lo largo de la cadena por cada uno de los otros complejos enzimáticos utilizando los transportadores móviles de electrones.

La transferencia de electrones a lo largo de la cadena es energéticamente favorable: comienzan con un nivel elevado de energía y la van perdiendo en cada etapa del proceso, para entrar por fin en la citocromo oxidasa donde se combinan con una molécula de O2 y forman agua. Este es el paso de la respiración celular en el que se necesita oxígeno y en el que se consume casi todo el oxígeno que respiramos.

Los electrones fluirán espontáneamente desde moléculas que tienen una afinidad relativamente baja por sus electrones disponibles, y que por lo tanto los pierden fácilmente, hacia otras moléculas con mayor afinidad electrónica3.3

En ausencia de cualquier mecanismo para aprovechar la energía liberada por la transferencia de electrones, ésta se pierde simplemente en forma de calor. Pero la célula utiliza gran parte de la energía de la transferencia de electrones haciendo que ésta tenga lugar dentro de proteínas que pueden bombear protones (H+).

Cada uno de los complejos enzimáticos respiratorios acopla la energía liberada por la transferencia de electrones a través de ellos con la captación de protones del agua (H2O H+ + OH- ) de la matriz mitocondrial, acompañada de la liberación de protones del otro lado de la membrana dentro del espacio intermembrana.

Teoría quimiosmótica.- Como resultado, el flujo de electrones energéticamente favorable a lo largo de la cadena de transporte de electrones bombea protones a través de la membrana hacia fuera de la matriz y se genera un gradiente de protones electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna.El bombeo activo de protones tiene por lo tanto dos consecuencias importantes:

a) Genera un gradiente de concentración de protones, es decir, un gradiente de pH, a través de la membrana mitocondrial interna, y el pH es casi una unidad más elevado dentro de la matriz (pH alrededor de 8) que en el espacio intermembrana, donde tiene un valor cercano a 7.

b) Genera un potencial de membrana a través de la membrana mitocondrial interna, en la que el interior ( del lado de la matriz) es negativo y el exterior es positivo, como resultado de un flujo neto de protones, hacia fuera.

Como los protones tienen carga positiva, se desplazan con mayor facilidad a través de una membrana si ésta tienen un exceso de cargas eléctricas negativas del otro lado. En el caso de la membrana mitoocondrial interna, el gradiente de pH y el potencial de membrana actúan en conjunto para generar un gradiente electroquímico de protones elevado que hace energéticamente muy favorable que los protones refluyan dentro de la matriz mitocondrial.

? Los componentes de la cadena de transporte de electrones se disponen atendiendo a su potencial redox (reducción-oxidación), es una medida de la afinidad de un transportador de electrones por los electrones.Los compuestos con un potencial redox más negativo tienen menor afinidad por los electrones y tienen una gran tendencia a donarlos, mientras que los compuestos con potencial redox más positivo tienen mayor afinidad por los electrones y su tendencia es a aceptarlos.

Síntesis de ATP.- El gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna se utiliza para impulsar la síntesis de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa.El mecanismo que hace esto posible es una gran enzima unida a la membrana denominada ATP sintasa. Esta enzima genera una vía hidrofílica a través de la membrana mitocondrial interna que permite a los protones fluir a favor de su gradiente electroquímico. Como esos iones encuentran su camino mediante la ATP sintasa, son utilizados para impulsar la reacción energéticamente desfavorable entre el ADP y Pi que produce el ATP.La ATP sintasa tiene un origen antiguo: la misma enzima se encuentra en las mitocondrias de las células animales, en los cloroplastos de las plantas y las algas, y en las membranas plasmáticas de las bacterias.La estructura de la ATP sintasa corresponde a una proteína de gran tamaño, formada por subunidades múltiples. Una porción enzimática grande en forma de cabezuela, se proyecta hacia la cara de la matriz de la membrana mitocondrial interna y se adhiere por medio de una membrana de protones. Como los protones pasan a través de un estrecho canal del transportador transmembrana, su desplazamiento hace que el tallo gire rápidamente dentro de la cabeza y la induzca a forma ATP.La sintasa actúa como un motor molecular que genera energía, ya que convierte la energía del flujo protónico a favor de un gradiente en la energía mecánica de dos grupos de proteínas que chocan entre sí: las proteínas del tallo giratorio impelen a las proteínas estacionarias de la cabeza. Los cambios en la conformación proteica inducidos por el tallo giratorio convierten luego esta energía mecánica en la energía química de enlace para producir ATP. Este mecanismo es capaz de generar más de 100 moléculas de ATP por segundo y es necesario que pasen aproximadamente tres protones a través de la sintasa para cada molécula de ATP.