En las células eucariotas, las moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis se transportan a las mitocondrias, que son sitios de respiración celular. Si hay oxígeno disponible, la respiración aeróbica avanzará. En las mitocondrias, el piruvato se transformará en un grupo acetilo de dos carbonos (al eliminar una molécula de dióxido de carbono) que será recogido por un compuesto portador llamado coenzima A (CoA), que está hecho de vitamina B5. El compuesto resultante se llama acetil CoA. La célula puede usar Acetyl CoA de varias maneras, pero su función principal es entregar el grupo acetil derivado del piruvato a la siguiente vía en el catabolismo de la glucosa.
| El piruvato se convierte en acetil-CoA antes de ingresar al ciclo del ácido cítrico. |
Al igual que la conversión de piruvato en acetil CoA, el
ciclo del ácido cítrico en las células eucariotas tiene lugar en la matriz de
las mitocondrias. A diferencia de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico es
un circuito cerrado: la última parte de la vía regenera el compuesto utilizado
en el primer paso. Los ocho pasos del ciclo son una serie de reacciones
químicas que producen dos moléculas de dióxido de carbono, una molécula de ATP
(o un equivalente) y formas reducidas (NADH y FADH2) de NAD+
y FAD+, coenzimas importantes en la célula. Parte de esto se
considera una vía aeróbica (que requiere oxígeno) porque el NADH y el FADH2
producidos deben transferir sus electrones a la siguiente vía del sistema, que
utilizará oxígeno. Si no hay oxígeno, esta transferencia no se produce.
Dos átomos de carbono entran en el ciclo del ácido cítrico
de cada grupo acetilo. Se liberan dos moléculas de dióxido de carbono en cada
turno del ciclo; sin embargo, estos no contienen los mismos átomos de carbono aportados
por el grupo acetilo en ese giro de la ruta. Los dos átomos de acetil-carbono
eventualmente se liberarán en giros posteriores del ciclo; De esta manera, los
seis átomos de carbono de la molécula de glucosa original se liberarán
finalmente como dióxido de carbono. Se necesitan dos turnos del ciclo para
procesar el equivalente de una molécula de glucosa. Cada vuelta del ciclo forma
tres moléculas de NADH de alta energía y una molécula de FADH2 de
alta energía. Estos portadores de alta energía se conectarán con la última
porción de la respiración aeróbica para producir moléculas de ATP. También se
hace un ATP (o un equivalente) en cada ciclo. Varios de los compuestos
intermedios en el ciclo del ácido cítrico pueden usarse para sintetizar
aminoácidos no esenciales; por lo tanto, el ciclo es tanto anabólico como
catabólico.
Fosforilación oxidativa
Acaba de leer sobre dos vías en el catabolismo de la
glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. Sin
embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la
glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. Más bien, se deriva
de un proceso que comienza con el paso de electrones a través de una serie de
reacciones químicas a un receptor de electrones final, el oxígeno. Estas
reacciones tienen lugar en complejos proteicos especializados ubicados en la
membrana interna de las mitocondrias de los organismos eucariotas y en la parte
interna de la membrana celular de los organismos procariotas. La energía de los
electrones se cosecha y se usa para generar un gradiente electroquímico a
través de la membrana mitocondrial interna. La energía potencial de este
gradiente se utiliza para generar ATP. La totalidad de este proceso se llama
fosforilación oxidativa.
La cadena de transporte de electrones es el último
componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo que
utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en las plantas
para este propósito. En los animales, el oxígeno ingresa al cuerpo a través del
sistema respiratorio. El transporte de electrones es una serie de reacciones
químicas que se asemejan a una brigada de cubetas en el sentido de que los
electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, al punto final de
la cadena donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y se produce agua.
Hay cuatro complejos compuestos de proteínas y la agregación de estos cuatro
complejos, junto con los portadores de electrones móviles y accesorios
asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. La cadena de
transporte de electrones está presente en múltiples copias en la membrana
mitocondrial interna de los eucariotas y en la membrana plasmática de los
procariotas. En cada transferencia de un electrón a través de la cadena de
transporte de electrones, el electrón pierde energía, pero con algunas
transferencias, la energía se almacena como energía potencial al usarla para
bombear iones de hidrógeno a través de la membrana mitocondrial interna hacia
el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico.
| (a) La cadena de transporte de electrones es un conjunto de moléculas que soporta una serie de reacciones de oxidación-reducción. (b) La ATP sintasa es una máquina molecular compleja que utiliza un gradiente de H+ para regenerar ATP a partir de ADP. (c) La quimiosmosis se basa en la energía potencial proporcionada por el gradiente de H+ a través de la membrana. |
Los electrones de NADH y FADH2 se pasan a complejos de proteínas en la cadena de transporte de electrones. A medida que pasan de un complejo a otro (hay un total de cuatro), los electrones pierden energía, y parte de esa energía se usa para bombear iones de hidrógeno desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. En el cuarto complejo de proteínas, los electrones son aceptados por el oxígeno, el receptor terminal. El oxígeno con sus electrones adicionales se combina con dos iones de hidrógeno, mejorando aún más el gradiente electroquímico, para formar agua. Si no hubiera oxígeno presente en la mitocondria, los electrones no podrían eliminarse del sistema, y toda la cadena de transporte de electrones retrocedería y se detendría. Las mitocondrias no podrían generar ATP nuevo de esta manera, y la célula finalmente moriría por falta de energía. Esta es la razón por la que debemos respirar para extraer oxígeno nuevo.
En la cadena de transporte de electrones, la energía libre de la serie de reacciones que se acaba de describir se usa para bombear iones de hidrógeno a través de la membrana. La distribución desigual de los iones H+ a través de la membrana establece un gradiente electroquímico, debido a la carga positiva de los iones H+ y su mayor concentración en un lado de la membrana.
Los iones de hidrógeno se difunden a través de la membrana interna a través de una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa. Esta proteína compleja actúa como un pequeño generador, girado por la fuerza de los iones de hidrógeno que se difunden a través de él, bajando su gradiente electroquímico desde el espacio intermembrana, donde hay muchos iones de hidrógeno que se repelen mutuamente a la matriz, donde hay pocos. El giro de las partes de esta máquina molecular regenera ATP a partir de ADP. Este flujo de iones de hidrógeno a través de la membrana a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis.
La quimiosmosis se usa para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de glucosa. El resultado de las reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones eliminados de los átomos de hidrógeno. Estos átomos fueron originalmente parte de una molécula de glucosa. Al final del sistema de transporte de electrones, los electrones se usan para reducir una molécula de oxígeno a iones de oxígeno. Los electrones adicionales en los iones de oxígeno atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante y se forma agua. La cadena de transporte de electrones y la producción de ATP a través de la quimiosmosis se denominan colectivamente fosforilación oxidativa.
Rendimiento ATP
El número de moléculas de ATP generadas por el catabolismo
de la glucosa varía. Por ejemplo, el número de iones de hidrógeno que los
complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear a través de
la membrana varía entre las especies. Otra fuente de variación proviene del
transporte de electrones a través de la membrana mitocondrial. El NADH generado
a partir de la glucólisis no puede ingresar fácilmente a las mitocondrias. Por
lo tanto, los electrones son recogidos en el interior de las mitocondrias por
NAD+ o FAD+. Se generan menos moléculas de ATP cuando FAD+
actúa como portador. NAD + se utiliza como transportador de electrones en el
hígado y FAD + en el cerebro, por lo que el rendimiento de ATP depende del
tejido que se considere.
Otro factor que afecta el rendimiento de las moléculas de
ATP generadas a partir de la glucosa es que los compuestos intermedios en estas
vías se utilizan para otros fines. El catabolismo de la glucosa se conecta con
las vías que construyen o descomponen todos los demás compuestos bioquímicos en
las células, y el resultado es algo más desordenado que las situaciones ideales
descritas hasta ahora. Por ejemplo, los azúcares distintos de la glucosa se
introducen en la vía glucolítica para la extracción de energía. Otras moléculas
que de otro modo se usarían para recolectar energía en la glucólisis o el ciclo
del ácido cítrico pueden eliminarse para formar ácidos nucleicos, aminoácidos,
lípidos u otros compuestos. En general, en los sistemas vivos, estas vías del
catabolismo de la glucosa extraen aproximadamente el 34 por ciento de la
energía contenida en la glucosa.
CONEXIÓN PROFESIONAL: Médico especialista en enfermedades mitocondriales
¿Qué sucede cuando las reacciones críticas de la respiración celular no proceden correctamente? Las enfermedades mitocondriales son trastornos genéticos del metabolismo. Los trastornos mitocondriales pueden surgir de mutaciones en el ADN nuclear o mitocondrial, y resultan en la producción de menos energía de lo normal en las células del cuerpo. Los síntomas de las enfermedades mitocondriales pueden incluir debilidad muscular, falta de coordinación, episodios similares a derrames cerebrales y pérdida de visión y audición. La mayoría de las personas afectadas son diagnosticadas en la infancia, aunque hay algunas enfermedades de inicio en la edad adulta. Identificar y tratar los trastornos mitocondriales es un campo médico especializado. La preparación educativa para esta profesión requiere una educación universitaria, seguida de una escuela de medicina con especialización en genética médica. Los genetistas médicos pueden obtener la certificación de la Junta Estadounidense de Genética Médica y asociarse con organizaciones profesionales dedicadas al estudio de la enfermedad mitocondrial, como la Sociedad de Medicina Mitocondrial y la Sociedad para la Enfermedad Metabólica Heredada.
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