¿QUÉ PASA DURANTE LA RESPIRACIÓN CELULAR?

En la mayoría de los organismos, si hay oxígeno presente, la glucólisis es seguida por una segunda etapa de degradación de la glucosa: la respiración celular. En esta serie de reacciones, el piruvato producido por la glucólisis se degrada, se extrae mucha más energía y se liberan dióxido de carbono y agua. Recuerda que cada molécula de glucosa produce dos de piruvato.

La respiración de las células eucariontes se realiza en la mitocondria en tres etapas

FIGURA 8-4 Mitocondria La doble membrana de este organelo crea dos espacios. El espacio intermembranoso se encuentra entre las membranas externa e interna. La matriz está dentro de la membrana interna.

En las células eucariontes, la respiración celular ocurre en la mitocondria, un organelo considerado “fuente de energía” de la célula. Una mitocondria tiene dos membranas que producen dos compartimentos. La membrana interna engloba un compartimento central que contiene la matriz fluida y la otra rodea al organelo, de modo que se produce un espacio intermembranoso entre las membranas interna y externa (FIGURA 8.4).

El piruvato se degrada en la matriz de la mitocondria y se liberan energía y CO2

FIGURA 8-5 Reacciones en la matriz de la mitocondria ❶ El piruvato reacciona con la coenzima A (CoA) para formar acetil CoA y liberar CO2. Durante esta reacción, dos electrones energizados y un ión hidrógeno se suman al NAD para formar NADH. ❷ Cuando el acetil CoA entra en el ciclo de Krebs, se libera CoA para volver a utilizarse. El ciclo de Krebs produce un ATP, tres NADH, un FADH2 y dos CO2 a partir de cada acetil CoA.

El piruvato, producto final de la glucólisis, se sintetiza en el citosol. Para que ocurra la respiración celular, el piruvato deber ser transportado del citosol a la matriz de la mitocondria, donde se encuentran las enzimas necesarias.

Las reacciones de la matriz de la mitocondria, ilustradas en la FIGURA 8-5, ocurren en dos etapas: formación de acetil CoA y ciclo de Krebs. El acetil CoA consta de un grupo acetil de dos carbonos unido a una molécula llamada coenzima A (CoA). Para producir acetil CoA, el piruvato sufre una descarboxilación (pierde CO2), forma un grupo acetil y libera CO2. El grupo acetilo reacciona con la CoA y se forma el acetil CoA (FIGURA 8-5 ❶). Durante esta reacción, dos electrones energizados y un ión hidrógeno se transfieren al NAD para formar NADH.

El siguiente conjunto de reacciones en la matriz de la mitocondria forman una ruta cíclica llamada ciclo de Krebs (FIGURA 8-5 ❷; este recibe su nombre en honor a quien lo descubrió, el bioquímico Hans Krebs, ganador del premio Nobel en 1953). El ciclo de Krebs se llama también ciclo del ácido cítrico porque el citrato (la forma ionizada del ácido cítrico) es la primera molécula que se produce en el ciclo.

El ciclo de Krebs comienza combinando acetil CoA de dos carbonos con una molécula de cuatro carbonos para formar un citrato de seis carbonos; se libera la coenzima A.

Como coenzima, la CoA no se altera permanentemente durante estas reacciones y se reutiliza muchas veces. Al avanzar el ciclo de Krebs, las enzimas de la matriz de la mitocondria degradan el grupo acetilo y liberan dos moléculas de CO2 (cuyos carbonos proceden del grupo acetilo) y regeneran la molécula de cuatro carbonos para usar en ciclos futuros.

Durante el ciclo de Krebs, la energía química que se libera de la degradación de cada grupo acetilo (formado a partir del piruvato generado en la glucólisis) es captada en moléculas portadoras de energía. Cada grupo acetilo produce un ATP, tres NADH y un FADH2. El FAD es flavin adenin dinucleótido, un portador de electrones energizados parecido al NAD. En el ciclo de Krebs, el FAD toma dos electrones energizados junto con dos H y forma FADH2. Recuerda que por cada molécula de glucosa se forman dos de piruvato, de modo que la energía generada por la molécula de glucosa es el doble de la energía generada por cada piruvato. Estas reacciones se muestran con más detalle en “De cerca: Reacciones de la matriz mitocondrial”.

Durante las reacciones de la matriz de la mitocondria se produce CO2 como producto de desecho. En el organismo, el CO2 pasa por difusión de las células a la sangre, que lo lleva a los pulmones para que lo exhalen.

En la segunda etapa de la respiración celular, electrones energizados recorren la cadena de transporte de electrones

FIGURA 8-6 Cadena de transporte de electrones La cadena de transporte de electrones está insertada en la membrana interna de la mitocondria. ❶ NADH y FADH2 donan sus electrones energizados y iones hidrógeno a la CTE. A medida que los electrones pasan por la cadena (flechas grises gruesas), parte de su energía sirve para bombear iones hidrógeno de la matriz al espacio intermembranoso (flechas rojas delgadas). ❷ Esto genera un gradiente de iones que impulsa la síntesis de ATP. ❸ Al final de la cadena de transporte de electrones, los que no tienen energía se combinan con los iones hidrógeno y el oxígeno de la matriz y forman agua. ❹ Los iones hidrógeno pasan por su gradiente de concentración del espacio intermembranoso a la matriz a través de los canales de ATP sintasa y producen ATP a partir del ADP y el fosfato.

Al final de las reacciones de la matriz mitocondrial la célula ganó cuatro ATP de la molécula de glucosa original (una ganancia neta de dos durante la glucólisis y dos durante el ciclo de Krebs). Sin embargo, durante la glucólisis y las reacciones de la matriz de la mitocondria, la célula captó muchos electrones energizados en moléculas portadoras: en total 10 NADH y dos FADH2 por cada molécula de glucosa que se degrada. Estos portadores liberan dos electrones energizados en una cadena de transporte de electrones (CTE), de la cual se insertan muchas copias en la membrana interna de la mitocondria (FIGURA 8-6 ❶). Los portadores agotados quedan listos para recargarse por glucólisis y en el ciclo de Krebs.

El funcionamiento de las CTE de la membrana de la mitocondria es muy semejante al de aquellas insertadas en la membrana tilacoidal de los cloroplastos. Electrones energizados saltan de una molécula a otra por la CTE y en cada paso pierden una pequeña cantidad de energía. Aunque parte de la energía se pierde como calor, otra parte se aprovecha para bombear H de la matriz a través de la membrana interna hasta el espacio intermembranoso (FIGURA 8-6 ❷). Esto produce un gradiente de concentración de H que se usa para generar ATP durante la quimiósmosis.

Por último, al final de la cadena de transporte de electrones, los que no tienen energía se transfieren al oxígeno, que actúa como el aceptor final de electrones. Este paso despeja la cadena de transporte de electrones y la deja lista para aceptar más. Los electrones sin energía, oxígeno y iones hidrógeno se combinan para formar agua. Se produce una molécula de agua por cada dos electrones que cruzan la CTE (FIGURA 8-6 ❸).

Sin el oxígeno que obtenemos del aire que respiramos, los electrones no se moverían por la CTE y no sería posible bombear el H a través de la membrana interna. El gradiente de H se disiparía y se detendría la síntesis de ATP por quimiósmosis. Como nuestras células tienen un metabolismo tan activo, no pueden sobrevivir sin suministro continuo de oxígeno para que la producción de ATP continúe.

En la tercera etapa de la respiración celular se produce ATP por quimiósmosis

¿Para qué se bombean iones hidrógeno por una membrana? La quimiósmosis es el consumo inicial de energía para generar un gradiente de H; a continuación el ATP capta energía en sus enlaces, a medida que los H fluyen por su gradiente. Cuando la CTE bombea H a través de la membrana interna, produce una concentración elevada de H en el espacio intermembranoso y una concentración baja en la matriz (véase la figura 8-6 ❷). Por la segunda ley de la termodinámica, debe gastarse energía para producir esta distribución desigual de H; es algo así como recargar una pila. Esta energía se libera cuando los iones hidrógeno bajan por su gradiente de concentración, lo que sería comparable a emplear la energía acumulada en la pila para encender un foco.

Como en las membranas tilacoidales de los cloroplastos, las membranas internas de la mitocondria son permeables a H sólo en los canales de ATP sintasa. A medida que los iones hidrógeno pasan del espacio intermembranoso a la matriz a través de estas enzimas que producen ATP, el flujo de iones genera ATP a partir de ADP y fosfato disuelto en la matriz, lo que proporciona energía para sintetizar 32 o 34 moléculas de ATP por cada una de glucosa (FIGURA 8-6 ❹).

El ATP sintetizado en la matriz de la mitocondria durante la quimiósmosis entra en el citosol del entorno. Estas moléculas de ATP proporcionan casi toda la energía que necesita la célula. Al mismo tiempo, el ADP pasa del citosol a la matriz de la mitocondria, reabastece el suministro de ADP y facilita la síntesis de más ATP.

Resumen de la degradación de la glucosa en células eucariontes

FIGURA 8-7 Fuentes de energía y la producción de ATP en la glucólisis y la respiración celular Aquí se sigue el flujo de la energía almacenada por una molécula de glucosa que genera dos de piruvato (durante la glucólisis). Éstas entran en la respiración celular, la cual comprende todas las reacciones que se muestran dentro de la mitocondria. Observa que la mayor parte del ATP derivado de la degradación de la glucosa se produce como resultado de electrones energizados donados por el NADH y el FADH2 a la cadena de transporte de electrones, que permite que ocurra la quimiósmosis.

En la FIGURA 8-7 se resume la degradación de la molécula de glucosa en una célula eucarionte en presencia de oxígeno y se muestra la energía producida en cada fase. La glucólisis ocurre en el citosol, en el que se producen dos moléculas de piruvato de tres carbonos y se libera una pequeña fracción de la energía química almacenada en la glucosa. Parte de esta energía sirve para generar dos moléculas de ATP y parte es captada en dos NADH, los cuales (si hay oxígeno) donan sus electrones a la CTE durante la respiración celular y se genera más ATP.

En la respiración celular, las dos moléculas de piruvato entran en la mitocondria. Primero, ambas reaccionan con la coenzima A (CoA). Con esto se captan electrones energizados en dos NADH, se producen dos moléculas de acetil CoA y se liberan dos de CO2. Las moléculas de acetil CoA entran en el ciclo de Krebs. En este ciclo se liberan cuatro moléculas de CO2, se producen dos ATP y se captan electrones energizados en seis NADH y dos FADH2. Estos electrones pasan por la CTE, donde se usa su energía en la quimiósmosis para generar un gradiente de H, lo que produce una ganancia neta de 32 o 34 moléculas de ATP.

Cuando los electrones sin energía salen de la CTE, son recogidos por los iones hidrógeno desprendidos de las moléculas portadoras de electrones energizados NADH y FADH2, y se combinan con oxígeno para formar agua. La energía total captada por la degradación de una molécula única de glucosa, empezando con la glucólisis y continuando en la respiración celular, es de 36 o 38 ATP. El ATP sale de la mitocondria hacia el citosol y se aprovecha en las actividades metabólicas de las célula.

¿Por qué indicamos dos cifras diferentes de ATP?

La glucólisis, que ocurre en el citosol, produce dos moléculas de NADH, que deben ser transportadas activamente dentro de la mitocondria a la CTE. En casi todas las células del cuerpo (incluso las del cerebro y los músculos esqueléticos), este transporte consume una molécula de ATP por NADH (dos ATP por molécula de glucosa), así que estas células producen un total de 36 moléculas de ATP durante la degradación de una molécula de glucosa. Ahora bien, las células del corazón e hígado de los mamíferos tienen un mecanismo de transporte más eficiente con el que producen 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

La degradación de la glucosa sigue varias etapas con muchas moléculas intermediarias. Mediante enzimas reguladoras, las células fomentan reacciones que encauzan estas moléculas intermediarias por otras rutas. Por ejemplo, si la célula tiene un suministro adecuado de ATP, puede usar los sobrantes de glucosa y otros azúcares para producir grasa.

En resumen la respiración celular

  • En la matriz de la mitocondria, cada molécula de piruvato se convierte en acetil CoA; produce un NADH por molécula de piruvato y libera una de CO2.
  • Cuando pasa una molécula de acetil CoA por el ciclo de Krebs, su energía queda almacenada en un ATP, tres NADH y un FADH2. Sus carbonos se liberan como dos moléculas de CO2.
  • Al final de las reacciones en la matriz, las dos moléculas de piruvato producidas por cada molécula de glucosa durante la glucólisis quedan totalmente degradadas y arrojan dos ATP y 10 portadoras de electrones energéticos: ocho NADH y dos FADH2. Se liberan átomos de carbono como seis moléculas de CO2.
  • El NADH y FADH2 dejan sus electrones energizados en la CTE insertada en la membrana interna de la mitocondria.
  • Cuando los electrones energizados pasan por la CTE, su energía se aprovecha para bombear H al espacio intermembranoso.
  • Cuando los electrones sin energía salen de la CTE, se combinan con iones hidrógeno y oxígeno para formar agua.
  • Durante la quimiósmosis, los iones hidrógeno del espacio intermembranoso bajan por su gradiente de concentración a través de los canales de ATP sintasa, la cual sintetiza ATP.