Respiración aeróbica

Respiración aeróbica

La respiración aerobia es una serie de pasos en el que se almacena la energía liberada por la  escisión de una molécula de glucosa en moléculas de ATP, GTP, NADH y 

FADH2; y tiene como producto final CO2 y agua.

La degradación de una molécula de glucosa se puede expresar como sigue:

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + E

Las fases de la respiración celular son las siguientes:

• Glucólisis: Una molécula de glucosa de seis carbonos se convierte en dos  moléculas de piruvato de tres carbonos. Parte de la energía de la glucosa se captura con la formación de dos tipos de portadores de energía, ATP y NADH. La NADH es una molécula reducida que transfiere energía mediante la donación de electrones, provenientes de un átomo de hidrógeno.
• Formación de acetil coenzima A: Cada piruvato entra a la mitocondria y se oxida a un grupo de dos carbonos (acetato). Luego se combina con la coenzima A, formando acetil coenzima. Se produce NADH y el dióxido de carbono se libera como un producto de desecho.
• El ciclo del ácido cítrico: El grupo acetato de la acetil coenzima A se combina con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato) para formar una molécula de seis carbonos (citrato). En el curso del ciclo, el citrato se recicla a oxalacetato, y el dióxido de se libera como producto de desecho. La energía se captura en forma de ATP y se reducen los compuestos de alta energía, NADH y FADH2.
• Transporte de electrones y quimiosmosis: Los electrones eliminados de la glucosa en las etapas anteriores se transfieren el NADH y del FADH2 a una cadena de compuestos aceptores de electrones. Como los electrones se pasan de un aceptor de electrones a otro, parte de su energía se utiliza para transportar iones de hidrógeno (protones) a través de la membrana mitocondrial interna creando así un gradiente de protones que impulsara a la ATPsintasa a producir ATP, este proceso es conocido como quimiosmosis.    

Glucólisis

En la glucólisis parte de la energía liberada por la escisión de la molécula de glucosa se captura en forma de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Las reacciones de la glucólisis tienen lugar en el citosol.

glucólisis

Fases de la glucólisis:

1. La glucólisis comienza con la transferencia de un grupo fosfato del ATP a la molécula de glucosa; esta reacción es mediada por la enzima hexoquinasa (en todas las células del cuerpo) y glucoquinasa (en el hígado), la glucoquinasa a diferencia de la hexoquinasa es más lenta, sin embargo, no se inhibe fácilmente con las concentraciones elevadas de glucosa, por ello solo el hígado presenta esta enzima, de otro modo la reacción de glucólisis se ría imposible en las regiones donde exista una gran cantidad de glucosa, como en  el hígado.   El ATP sirve tanto de fuente de energías como de fosfato para la reacción. La glucosa fosforilada se conoce como glucosa-6-fosfato (porque el grupo fosfato se unió al carbono número seis de la molécula de glucosa). La fosforilación de la glucosa la hace químicamente más reactiva.
2. La glucosa-6-fosfato reorganiza sus átomos convirtiéndose en fructosa-6-fosfato, esta reacción es mediada por la enzima fosfoglucoisomerasa. Esta reacción, al igual que la anterior, hace a la glucosa químicamente más reactiva.
3. En esta reacción la enzima fosfofructoquinasa transfiere un grupo fosfato del ATP a la  fructosa-6-fosfato convirtiéndola en fructosa-1,6-bifosfato (los grupos fosfato están unidos a los carbonos uno y seis).
4. La fructosa-1,6-bifosfato se divide en dos azúcares de tres carbonos, el gliceraldehido-3-fosfato (G3P) y la dihidroxiacetona fosfato, esta reacción es mediada por la enzima aldolasa.
5. La dihidroxiacetona fosfato se convierte en su isómero, gliceraldehido-3-fosfato, esta reacción es mediada por la enzima triosafosfato isomerasa. 
6. Hasta este momento se han utilizado dos moléculas de ATP y una de glucosa y tenemos como productos dos gliceraldehido-3-fosfato (G3P). Cada molécula de gliceraldehido-3-fosfato se somete a deshidrogenación, con el NAD+ como aceptor de hidrógeno. El producto de esta reacción es el fosfoglicerato, que reacciona con el fosfato inorgánico presente en el medio (citosol) para producir 1,3-difosfoglicerato, esta reacción la lleva a cabo la enzima Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa. En total se han liberado dos moléculas de NADH + H+ ya que nuestro sustrato consistía en dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato.
7. Uno de los fosfatos de 1,3-difosfoglicerato reacciona con el ADP para formar ATP, esta reacción la se lleva a cabo en el citosol a una velocidad suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de la célula gracias a la enzima fosfogliceroquinasa. Esta trasferencia de fosfato del intermediario fosforilado al ATP se conoce como fosforilación al nivel del sustrato, a ciencia cierta, esta reacción no lleva el nombre de fosforilación al nivel del sustrato, si no, como su nombre indica, esta locución se utiliza para agrupar a toda reacción que trasfiere un grupo fosfato directamente del sustrato a una molécula de ATP a diferencia de la quimiosmosis que utiliza la energía de gradiente de protones para producir una molécula de ATP.
8. El 3-fosfoglicerato se reordena por acción enzimática (fosfogliceromutasa) a 2-fosfoglicerato, en esta reacción se reordena la posición del grupo fosfato para, nuevamente, incrementar la reactividad de la molécula.     
9. En esta reacción se libera un molécula de agua (al ser dos moléculas de 2-fosfoglicerato en realidad se estaría produciendo dos moléculas de agua), lo que resulta en la formación de un doble enlace, esta reacción es mediada por la enzima enolasa y tiene como producto fosfoenol-piruvato (PEP), esta molécula tiene un grupo fosfato unido por un enlace inestable.
10. Cada una de las dos moléculas de PEP transfiere su grupo fosfato al ADP para producir ATP y piruvato, la enzima encargada de esta reacción es la piruvato quinasa. Esta al igual que la reacción N°7 es una fosforilación al nivel del sustrato.

C6H12O6  + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ → 2piruvato + 2H2O + 2ATP + 2NADH + 2H+

Tras estas reacciones el producto seria: dos moléculas de ATP, dos moléculas de NADH y dos moléculas de piruvato, todos estos productos serán utilizadas como sustratos en otras reacciones.

Conversión del piruvato en acetil CoA

En células eucariotas, las moléculas de piruvato formadas en la glucólisis ingresan a la mitocondria, donde se convierten en acetil coenzima A. Estas reacciones se llevan a cabo en el citosol en  células procariotas aerobias. En esta serie de reacciones, el piruvato sufre un proceso conocido como descarboxilación oxidativa. Primero, un grupo carboxilo se elimina como dióxido de carbono, que se difunde fuera de la célula. Después el fragmento restante de dos carbonos se oxida, y la NAD+ acepta los electrones eliminados durante la oxidación. Por último, el fragmento de dos carbonos oxidado (un grupo acetilo) se une a la coenzima A, produciendo acetil Co A. El piruvato deshidrogenasa es la enzima que cataliza estas reacciones, es un complejo multienzimático enorme (72 polipéptidos). La coenzima A se fabrica en la célula a partir de una de las vitaminas B, el ácido pantoténico.

La reacción total para la formación de acetil coenzima A es:

2 piruvato+2 NAD+ +2 CoA →2 acetil CoA + 2NADH +2H+ +2CO2

Observe que la molécula de glucosa original ha sido parcialmente oxidada, produciendo dos grupos acetilo y dos moléculas de CO2. Los electrones eliminados han reducido las moléculas de NAD+  a NADH. En este punto de la respiración aeróbica, se han formado cuatro moléculas de NADH como resultado del catabolismo de una sola molécula de glucosa: dos durante la glucólisis y dos durante la formación de acetil coenzima A a partir de piruvato, las moléculas de NADH se utilizaran más adelante para formar ATP.

Ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico) consta de ocho pasos que se describen a continuación:

ciclo de Krebs

1. El enlace inestable que une el grupo acetilo a la coenzima A se rompe. El grupo acetilo de dos carbonos se une a una molécula de oxalacetato de cuatro carbonos, formando el citrato, una molécula de seis carbonos con tres grupos carboxilo. La coenzima A es libre para combinarse con otros grupos de dos carbonos y repetir el proceso (reciclaje de la coenzima A). La molécula de acetil coenzima A no solamente es producida por la degradación de glucosa si no también puede ser producto de la oxidación de los ácidos grasos (β-oxidación o ω-oxidación). La reacción es catalizada por la enzima citrato sintetasa.
2. El grupo hidroxilo terciario no se encuentra adecuadamente situado en la molécula de citrato para permitir la descarboxilación oxidativa siguiente. Por ello, el citrato se isomeriza a isocitrato para permitir que la unidad de seis carbonos sufra una descarboxilación oxidativa. La isomerización del citrato se consigue mediante una etapa de deshidratación seguida por una de hidratación. El resultado es un intercambio de un átomo de hidrógeno por un grupo hidroxilo. La enzima que cataliza ambas etapas se denomina aconitasa. La aconitasa es una ferro-sulfo proteína (o proteína con hierro no hemo) que contiene cuatro átomos de hierro sin que formen parte del grupo hemo. Los cuatro átomos de hierro constituyen un complejo con cuatro sulfuros inorgánicos y tres átomos de azufre de cisteínas, dejando un átomo de hierro disponible para la unión con el citrato y luego con el isocitrato mediante grupos COO- y un grupo OH. Esta agrupación de hierro-azufre facilita las reacciones de deshidratación y rehidratación del sustrato enlazado.
3. La descarboxilación oxidativa del isocitrato está catalizada por la isocitrato deshidrogenasa.       El intermediario en esta reacción es el oxalsuccinato, un β-cetoácido inestable. Mientras está ligado a la enzima, pierde CO2 para dar α-cetoglutarato. Esta oxidación genera el primer portador de electrones de alta energía, NADH, en el ciclo. La fómula de la reacción sería: Isocitrato + NAD+  → ∝-cetoglutarato + CO2 + NADH 
4. La conversión del isocitrato en α-cetoglutarato va seguida de una segunda descarboxilación oxidativa, la formación de succinil-CoA a partir de α-cetoglutarato. Esta reacción está catalizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, una asociación organizada de tres clases de enzimas, similar al complejo piruvato deshidrogenasa. La α-cetoglutarato compuesta de cinco carbonos se convierte en succinil-CoA de cuatro carbonos, hasta este momento se han producido cuatro moléculas de NADH que se utilizaran próximamente en la cadena transportadora de electrones. α-cetoglutarato+CoA+NAD+  → succinil-CoA + CO2 + NADH
5. El succinil-CoA es un compuesto tioéster rico en energía. El ∆G°´ para la hidrólisis del succinil-CoA es de -33,5 kJ mol-1, lo que resulta similar al del ATP. La ruptura del enlace tioéster del succinil-CoA se acopla a la fosforilación de un nucleótido difosfato de purina, normalmente GDP. Esta reacción está catalizada por la succinil-CoA sintetasa. Los productos de la reacción son: el succinato, GTP y coenzima A.
6. El succinato se oxida cuando dos de sus hidrógenos se transfieren al FAD, formando FADH2. El compuesto resultante es el fumarato, la enzima que cataliza la reacción es la succinato deshidrogenasa.
7. La fumarasa, mediante la adición de una molécula de agua, convierte al fumarato en malato.
8. La enzima malato deshidrogenasa deshidrogena al malato, formando oxaloacetato. Dos hidrógenos eliminados se transfieren al NAD+ dando lugar a una molécula de NADH (la tercera molécula del  ciclo). Ahora el oxaloacetato se puede combinar con otra molécula de acetil-CoA para reiniciar el ciclo.

De manera resumida se puede expresar el ciclo de los ácidos tricarboxílicos de la siguiente forma:

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

Hasta este momento se han eliminado seis moléculas de CO2 y se han transferido doce  hidrógenos lo que significa que la degradación de la molécula de glucosa ha terminado ,sin embargo, energéticamente solo se han producido dos moléculas de ATP y dos de GTP, si el proceso terminase aquí la célula debería realizar este ciclo muchas más veces y como resultado la célula en cuestión debería ingerir mayor cantidad de glucosa, por suerte la respiración celular no termina aquí, sino que tiene lugar una cuarta etapa en la cual se producirá la mayor cantidad de ATP.

Cadena transportadora de electrones

La cadena transportadora de electrones se considera el destino de todos los electrones eliminados de una molécula de glucosa durante los proceso de glucólisis, formación de acetil CoA y ciclo del ácido cítrico. Las moléculas de NADH y  FADH2  ingresan a la cadena transportadora de electrones, en donde los electrones de alta energía de los átomos de hidrógeno son transportados de un aceptor a otro. Conforme los electrones pasan a lo largo de una serie de reacciones redox exergónicas, parte de su energía es utilizada para crear un gradiente de protones que luego será utilizado en la síntesis de ATP (este proceso se conoce como fosforilación oxidativa).

Los electrones se transfieren del NADH al O2 a través de una cadena de tres grandes complejos proteicos llamados NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I), Q-citocromo c oxidorreductasa (Complejo III) y citocromo c oxidasa (Complejo IV). El flujo de electrones entre estos complejos transmembranales induce el transporte de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Un cuarto gran complejo proteico, llamado succinato-Q reductasa (Complejo II), contiene la succinato deshidrogenasa que genera FADH2 en el ciclo del ácido cítrico. Los electrones del FADH2 entran en la cadena de transporte de electrones en la Q-citocromo oxidorreductasa. La succinato-Q-reductasa, a diferencia de los otros complejos, no bombea protones. Los complejos I, II y III parecen estar organizados en un complejo molecular llamado respirasoma, este complejo supramolecular agrupa los complejos proteínicos de una ruta común facilitando así la transferencia de sustrato (también existen esta clase de agrupaciones en otras rutas).

Los electrones se trasladan de un complejo hasta el siguiente mediante dos transportadores electrónicos especiales. El primero es la coenzima Q, conocido también como ubiquinona. La ubiquinona es una quinona hidrofóbica por lo que se difunde libremente en la membrana interna mitocondrial. Los electrones se transfieren desde la NADH-Q oxidorreductasa hacia la Q-citocromo c oxidorreductasa, el segundo complejo de la cadena, mediante la forma reducida de Q. Los electrones del FADH2 generados por el ciclo de Krebs e transfieren primero a la ubiquinona y posteriormente al complejo Q-citocromo c oxidorreductasa.

La coenzima Q es un derivado de la quinona con una larga cola consistente en unidades de isoprenoides de cinco carbonos que indican su carácter hidrofóbico. En la quinonas, las reacciones de transferencia de electrones están acopladas a la unión y liberación de protones, una propiedad clave a la hora de transportar protones a través de la membrana.

En contraste con Q, el segundo transportador electrónico es una proteína; el citocromo c es una proteína pequeña y soluble, que traslada los electrones desde la Q-citocromo c oxidorreductasa a la citocromo c oxidasa, el componente final de la cadena transportadora de electrones.

Posiblemente se pregunten qué clase de beneficios obtiene una célula al transportar protones desde un lado de la membrana a otro, la respuesta es simple, al transportar cualquier sustancia desde un lado de una membrana impermeable a esta sustancia estas creando un gradiente de concentración, este gradiente de concentración almacena energía que puede ser utilizada en reacciones energéticamente desfavorables. La mitocondria posee complejos proteicos llamados ATPsintasa que utilizan el gradiente de concentración de protones en la formación de ATP, este mecanismo es conocido como quimiosmosis.

La estructura de la ATPsintasa es muy semejante a una turbina en la región F0 y a un revolver en la región F1.

ATPsintasa

Este complejo utiliza la energía del gradiente de protones no para enlazar una molécula de ADP con un fosfato inorgánico, sino para retirar el ATP que se forma espontáneamente en la región  F1 ya que sin un aporte de energía esta región permanecería unida permanentemente al ATP y no podría producir más  moléculas de ATP. El número de protones que se necesita para producir (separar) una molécula de ATP depende del número de subunidades c que posea el complejo, generalmente se requiere 3,3. A continuación analizaremos la productividad de la respiración celular.

Productividad de la respiración celular

1. En la glucólisis, la activación de la glucosa requiere la adicción de grupos fosfato a partir de 2 moléculas de ATP y se convierten por último a dos piruvatos + NADH + 4ATP, obteniendo una ganancia neta de dos ATP.
2. Los dos piruvatos se metabolizan  dos acetil CoA + 2CO2 + 2NADH.
3. En el ciclo de Krebs, las moléculas de 2 acetil CoA se metabolizan a 6NADH +2FADH2 + 4CO2 + 2ATP.

Debido a la oxidación del NADH en la cadena de transporte de electrones produce 3 ATP
por molécula, el total de 10 moléculas de NADH puede producir 30 ATP. Sin embargo, las dos moléculas de NADH de la glucólisis, producen cada  una 2 o 3 ATP. La razón es que ciertos tipos de células eucariontes deben gastar energía para el transporte del NADH producido en la glucólisis a través de la membrana mitocondrial (lanzaderas). Las células procariotas carecen de mitocondrias, por lo que no tiene necesidad de gastar energía transportando el NADH. Así, el número máximo de ATP usando la energía del NADH es de 28 a 30.
La oxidación del FADH2 produce dos ATP por molécula, por lo que las dos moléculas de FADH2  producidas en el ciclo de Krebs producen 4 ATP.
   4. Sumando todos los ATP (2 de la glucólisis, 2 del ciclo de Krebs, y 32-24 en la cadena transportadora de electrones), se puede ver que el metabolismo aeróbico completo de una molécula de glucosa produce máximo  de 36 a 38 moléculas de ATP.
Se puede analizar la eficiencia del proceso global de la respiración aeróbica por el calor liberado durante la reacción.
Cuando 1 mol de glucosa se quema en un calorímetro, unos 686 kcal (2870 kJ) se liberan formando calor. La energía libre que de manera temporal se ubica en los enlaces de fosfato del ATP es de aproximadamente 7.6 kcal (31.8 kJ) por mol. Cuando se generan de 36 a 38 ATP durante la respiración aeróbica de la glucosa, la energía libre  atrapada en cantidades de ATP es de 7.6 kcal/mol * 36, es decir 274 kcal (1146 kJ) por mol. Así, la eficiencia de la respiración aeróbica es aproximadamente del 40% [(274/686)*100]. En comparación con un motor de automóvil cuya eficiencia es del 20% o una planta de energía a vapor cuya eficiencia es del 35% la respiración aeróbica tiene una elevada eficiencia.

Bibliografía

-Biología, Solomon et al., CENAGENOW, novena edición, pag 173-190.
-Bioquímica con aplicaciones clínicas, Stryer et al. Editorial Reverté, séptima edicón