Capítulo 5. Glucólisis y respiración celular
Panorama general de la oxidación de la glucosa
1. En los sistemas vivos, la oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas principales: la glucólisis y la respiración celular. La glucólisis ocurre en el citoplasma. 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.
2. En la glucólisis y en el ciclo de Krebs, las coenzimas NAD+ y FAD aceptan átomos de hidrógeno provenientes de la glucosa y se reducen a NADH y FADH2, respectivamente. En la etapa final de la respiración, estas coenzimas ceden sus electrones a la cadena respiratoria.
Fig. 5-3. Esquema global de la oxidación de la glucosa
Durante la glucólisis, la glucosa se transforma en ácido pirúvico. Se produce una pequeña cantidad de ATP a partir de ADP y fosfato y son transferidos algunos electrones (e-) y sus protones acompañantes (H+) a las enzimas aceptoras de electrones. En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico entra en el ciclo de Krebs donde se sintetiza más ATP y se transfieren más electrones y protones a las coenzimas. Estas coenzimas aceptoras de electrones transfieren su carga a la cadena transportadora de electrones a lo largo de la cual, paso a paso, los electrones caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se fabrica más ATP. Al final de la cadena transportadora, los electrones se reúnen con los protones y se combinan con el oxígeno y se forma agua. En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en ácido láctico o en etanol. Este proceso, llamado fermentación, no produce ATP pero regenera las moléculas de coenzima aceptoras de electrones, necesarias para que la glucólisis continúe.
Primera etapa, varios pasos: la glucólisis
3. La glucólisis ocurre prácticamente en todas las células vivas. Cada uno de sus pasos es catalizado por una enzima específica.
Fig. 5-4. 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 bifosfato. 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 bifosfoglicerato 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.
4. En el primer paso de la glucólisis, la glucosa se divide en dos moléculas de tres carbonos (ácido pirúvico), que pueden seguir dos vías: aeróbica o anaeróbica. El proceso se inicia con energía proveniente de dos moléculas de ATP.
5. En presencia de O2, la degradación de la glucosa implica la oxidación progresiva del ácido pirúvico a CO2 y agua. Durante el proceso se forman dos NADH y cuatro ATP.
6. La glucólisis anaeróbica ocurre en ausencia de O2. Consiste en la conversión del ácido pirúvico en alcohol etílico (fermentación alcohólica) o en ácido láctico (fermentación láctica). Estas vías generan en total dos moléculas de ATP, que representan el 5% de lo que se genera por la vía aeróbica.
Un paso intermedio: la oxidación del ácido pirúvico
7. El ácido pirúvico producido por la glucólisis aeróbica es transportado del citoplasma 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.
8. 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
9. Cada acetilo que entra en el ciclo de Krebs se combina con una molécula de cuatro carbonos (ácido oxalacético) y forma una de seis (ácido cítrico).
10. En el curso de este ciclo se liberan dos moléculas de CO2, que no pertenecen a la molécula de glucosa original, y se producen una de ATP, tres de NADH y una de FADH2.
Fig. 5-9. 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 ácido pirúvico y el ciclo de Krebs. En el curso de estos pasos, parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces CH y CC se usa para convertir ADP en 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 giro del ciclo, se forma una molécula de FADH2 a partir de FAD. No se requiere O2 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 ATP, seis moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2.
La etapa final: el transporte de electrones
11. 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 oxidorreducción que constituyen la cadena respiratoria. Los pasos de esta cadena son catalizados por enzimas unidas a citocromos.
Fig. 5-10. Representación esquemática de la cadena transportadora de electrones
Las moléculas que se indican, mononucleótido de flavina (FMN), coenzima Q (CoQ) y los citocromos b, c, a y a3, son los principales transportadores de electrones de la cadena. Al menos otras nueve moléculas transportadoras funcionan como intermediarias además de las que se muestran aquí. Los electrones transportados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN, 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.
12. 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 tres de ATP; por cada molécula de FADH2, dos de ATP. Ocurre a través del acoplamiento 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
13. A partir de la oxidación de una molécula de glucosa se producen a lo sumo 38 de ATP, repartidas de la siguiente manera: la glucólisis produce ocho ATP (seis provienen de la oxidación de los dos NADH, los otros dos se forman directamente); la conversión del ácido pirúvico en acetil-CoA produce seis ATP (provenientes de dos NADH); el ciclo de Krebs produce 24 ATP (18 provienen de seis NADH; cuatro, de dos FADH2; los dos restantes se forman directamente).
14. El 40% de la energía libre producida en la oxidación de la glucosa se retiene en forma de moléculas de ATP. En otras palabras, el proceso tiene una eficiencia del 40%.
Regulación de glucólisis y respiración
15. Concentraciones altas de ATP inhiben la fosfofructocinasa, una de las enzimas de la glucólisis, mediante un mecanismo de retroalimentación. El ATP es también un inhibidor alostérico del primer paso del ciclo de Krebs. La reacción que produce acetil-CoA está regulada negativamente por la concentración de su producto. Por otra parte, cuando los requerimientos energéticos de la célula disminuyen, no se consume ATP; de esta manera, no se regenera ADP y el flujo electrónico disminuye.
Otras vías catabólicas
16. 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
17. Los distintos intermediarios de la glucólisis y el ciclo de Krebs pueden ser precursores para el proceso de biosíntesis. Las vías biosintéticas son diferentes de las catabólicas.
Fig. 5-14. Vías principales del catabolismo y el anabolismo en la célula
