Glucólisis y respiración celular Panorama general de la oxidación de la glucosa En los sistemas vivos, la oxidación completa de la glucosa se desarrolla en dos etapas principales: la glucólisis y la respiración celular. La glucólisis ocurre en el citosol. 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. En la glucólisis y en el ciclo de Krebs, las coenzimas NAD+ y FAD aceptan electrones provenientes de la glucosa (ya sea bajo la forma de iones hidruro o como átomos de hidrógeno) y se reducen a NADH y FADH2, respectivamente. En la etapa final de la respiración, estos cofactores ceden sus electrones a la cadena respiratoria. Descripción global de la oxidación de la glucosa Durante la glucólisis, la glucosa se transforma en ácido pirúvico (piruvato). Se produce una pequeña cantidad de ATP a partir de ADP y fosfato y son transferidos algunos electrones (e-) y sus protones acompañantes (H+) al cofactor aceptor de electrones NAD+ (produciendo NADH). En presencia de oxígeno, el piruvato (por descarboxilación oxidativa) se convierte en acetilCoA y de esta forma entra en el ciclo de Krebs donde se sintetiza GTP (o ATP) mediante una fosforilación a nivel de sustrato y se transfieren más electrones a los cofactores NAD+ y FAD (produciendo NADH y FADH2). Estos cofactores de óxido-reducción transfieren sus electrones a la cadena transportadora de electrones (cadena respiratoria) a lo largo de la cual, paso a paso, los electrones caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se produce más ATP. Al final de la cadena transportadora, los electrones reducen al oxígeno (O2) y se forma agua (H2O). En ausencia de oxígeno, el piruvato puede convertirse en ácido láctico o en etanol. Este proceso, llamado fermentación, no produce ATP pero regenera las moléculas de NAD+ aceptoras de electrones, necesarias para que la glucólisis continúe. Primera etapa, varios pasos: la glucólisis La glucólisis ocurre prácticamente en todas las células vivas. Cada uno de sus pasos es catalizado por una enzima específica. 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 6-fosfato. 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 bisfosfato. 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 bisfosfoglicerato 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. En la glucólisis, la glucosa se divide en dos moléculas de tres carbonos (ácido pirúvico, ionizado a piruvato). El proceso se inicia con energía proveniente de dos moléculas de ATP. Una vez finalizada la glucólisis, se forman dos NADH y cuatro ATP (Ganancia neta: 2NADH y 2ATP). En presencia de O2, la degradación de la glucosa implica la oxidación progresiva del 1 piruvato a CO2 y H2O. En condiciones anaeróbicas, es decir en ausencia de O2, se produce la conversión del piruvato en alcohol etílico (fermentación alcohólica) o en ácido láctico (fermentación láctica). Un paso intermedio: la descarboxilación oxidativa del piruvato El piruvato producido por la glucólisis es transportado del citosol 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. 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 Cada acetilo que entra en el ciclo de Krebs bajo la forma de acetil-CoA se combina con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato) y forma una de seis (citrato). En el curso de este ciclo se liberan dos moléculas de CO2 y se producen una de GTP (o ATP), tres de NADH y una de FADH2. 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 piruvato y el ciclo de Krebs. En el curso de estos pasos, parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces C-H y C-C se usa para convertir GDP (o ADP) en GTP (o 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 vuelta del ciclo, se forma una molécula de FADH2 a partir de FAD. No se requiere O2 específicamente 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 GTP (o ATP), seis moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2. La etapa final: el transporte de electrones 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 óxido-reducción que constituyen la cadena respiratoria. Los pasos de esta cadena son catalizados mayormente por enzimas unidas a citocromos. Cadena transportadora de electrones Las moléculas mononucleótido de flavina (FMN) que constituye el grupo prostético del Complejo I, la coenzima Q (CoQ) también llamada ubiquinona y los citocromos b, c, a y a3, (organizados en los complejos III y IV) son los principales transportadores de electrones de la cadena. Los electrones transportados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN (Complejo I), 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. 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 2,5 de ATP; por cada molécula de FADH2, 1,5 de ATP. Ocurre a través del acoplamiento 2 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 A partir de la oxidación de una molécula de glucosa se producen a lo sumo 32 de ATP, repartidas de la siguiente manera: la glucólisis produce siete ATP (cinco provienen de la oxidación de los dos NADH, los otros dos se forman directamente); la conversión del piruvato en acetil-CoA produce cinco ATP (provenientes de dos NADH); el ciclo de Krebs produce 20 ATP (15 provienen de seis NADH; tres, de dos FADH2; los dos restantes se forman directamente o bien como GTP que se convierte a ATP). Otras vías catabólicas 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 Los distintos intermediarios de la glucólisis y el ciclo de Krebs pueden ser precursores para procesos de biosíntesis. Adaptado de: Curtis Biología. 7ª edición en español. Helena Curtis; N. Sue Barnes; Adriana Schnek; Alicia Massarini. Editorial Médica Panamericana. ISBN 978-950-06-0334-8. 3
