Catabolismo: Procesos de Obtención de Energía en la Respiración Celular

El catabolismo es la reacción oxidativa de moléculas para conseguir energía. Las reacciones redox son las transformaciones moleculares que desprenden energía en procesos catabólicos, y son secuencias de reacciones de oxidación. Las reacciones de este tipo son aquellas en las que se transfieren átomos de hidrógeno o electrones de un átomo a otro. Estos procesos se llaman redox porque la oxidación requiere reducción. Las oxidaciones van acompañadas de pérdida de átomos de hidrógeno o electrones. Las moléculas que ceden átomos de hidrógeno o electrones se oxidan, mientras que las que aceptan se reducen. La reacción se puede representar como: A(red) + B(ox) → A(ox) + B(red). Para que esto ocurra, se deben cumplir tres condiciones:

• Que A esté en estado reducido y B en estado oxidado.
• Que el potencial de reducción de A sea más negativo que el de B.
• Que A y B estén próximos a la célula.

Ejemplos de nucleótidos involucrados son NAD, NADP y FAD.

Catabolismo Aerobio

El catabolismo aeróbico está formado por varias rutas metabólicas que conducen a la obtención de ATP.

Glucólisis

La glucólisis ocurre en el citosol y convierte glucosa en ácido pirúvico. Se divide en varias etapas:

1. Etapa 1: Fosforilación de la glucosa en una reacción endergónica que consume 1 ATP.
2. Etapa 2: Isomerización de la glucosa 6-fosfato: reorganización de la molécula para formar un anillo pentagonal de fructosa-6-fosfato.
3. Etapa 3: Fosforilación de fructosa 6-fosfato para formar fructosa 1,6-bisfosfato.
4. Etapa 4: Escisión de la fructosa 1,6-bisfosfato en dos triosas, obteniendo dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. A partir de aquí, el número de moléculas se duplica.
5. Etapa 5: Oxidación y fosforilación de dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, empleando dos fosfatos inorgánicos y reduciendo dos NAD.
6. Etapa 6: Desfosforilación del ácido 1,3-bisfosfoglicerico, formando un ATP por cada uno.
7. Etapa 7: Cambio de posición del fosfato e insaturación entre los carbonos 2 y 3.
8. Etapa 8: Desfosforilación del ácido fosfoenolpirúvico, obteniéndose ácido pirúvico y ATP.

La reacción global de la glucólisis es: glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 ácido pirúvico + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O.

Ciclo de Krebs

El ácido pirúvico formado en la glucólisis se oxida completamente a CO2 y H2O en presencia de O2. Este proceso tiene lugar en la matriz de la mitocondria, cuando hay suficiente oxígeno. La cadena respiratoria se produce en las crestas mitocondriales, donde están las enzimas específicas agrupadas para el acoplamiento energético y la transferencia de electrones.

La oxidación del ácido pirúvico y la visión de conjunto de la respiración celular se describen a continuación:

• El ácido pirúvico pasa a la matriz mitocondrial. Gracias a la reducción de NAD+, la enzima piruvato deshidrogenasa y la coenzima A, el ácido pirúvico es descarboxilado y oxidado a acetilo, formando Acetil-S-CoA.
• El NADH reducido es oxidado de nuevo.
• En el ciclo de Krebs, los carbonos de acetilo son oxidados y se liberan en forma de CO2 al citosol. En oxidaciones sucesivas, se reducen varios NAD.
• La energía desprendida produce el bombeo de protones, generando un potencial electroquímico entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial.
• El flujo pasivo de protones a través de ATP sintetasa almacena energía en ATP.

Etapas del Ciclo de Krebs

1. Etapa 1: Formación de ácido cítrico.
2. Etapa 2: Isomerización de ácido cítrico en ácido isocitrico.
3. Etapa 3: Oxidación del ácido isocitrico, perdiendo un CO2 y formando ácido alfa-cetoglutárico.
4. Etapa 4: Oxidación del ácido alfa-cetoglutárico con liberación de CO2 para formar succinil-CoA. El NAD acepta electrones, reduciéndose.
5. Etapa 5: Rotura del enlace entre ácido succínico y coenzima A, liberando energía para sintetizar GTP.
6. Etapa 6: Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico y reducción de FAD a FADH2.
7. Etapa 7: Hidratación del ácido fumárico para formar ácido málico.
8. Etapa 8: Oxidación del ácido málico para originar ácido oxalacético. El NAD se reduce para formar NADH + H.

El balance energético del ciclo de Krebs es: se genera una molécula de GTP, tres de NADH y una de FADH2. Se consume un grupo acetilo y se regenera un ácido oxalacético.

Cadena Respiratoria

Se generan nucleótidos en el ciclo de Krebs (NADH, FADH2). La oxidación de estos nucleótidos tiene lugar en una redox llamada cadena respiratoria. Las moléculas transportadoras de electrones en la cadena respiratoria incluyen NAD, ubiquinona y citocromo c, así como el oxígeno molecular. Las enzimas específicas son las oxidorreductasas.

1. Etapa 1: La enzima 1 oxida al NAD, reduciendo ubiquinona.
2. Etapa 2: La enzima 3 oxida la ubiquinona y reduce el citocromo c.
3. Etapa 3: La enzima 4 oxida el citocromo c y reduce el oxígeno molecular. El agua formada en este proceso sale de la mitocondria y es expulsada.

Las enzimas 1, 3 y 4 bombean protones desde la matriz al espacio intermembrana. La fosforilación oxidativa consiste en formar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico mediante el salto de electrones de niveles inferiores. Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno, se forman tres ATP. El FADH2, que tiene un nivel energético menor, produce 2 ATP.

Acoplamiento Quimiosmótico

Las enzimas 1, 3 y 4 son bombas de protones. Cuando los electrones pasan de un nivel superior a uno inferior, se libera energía, utilizada para bombear protones al espacio intermembranal. Por cada 2 electrones, se bombean 10 protones. Este bombeo se consigue mediante un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, capaz de generar una fuerza promotriz. Las partículas F forman los canales para que los protones fluyan, que son ATP sintetasa. Se requieren 3 protones para formar una molécula de ATP.

Balance Energético de la Respiración Celular

En la glucólisis, se rinden dos moléculas de ATP y dos de NADH. Los electrones de NADH extramitocondrial entran en la cadena respiratoria mitocondrial gracias a la dihidroxicetona fosfato, que se reduce a glicerol fosfato. Este glicerol entra en la mitocondria, se oxida de nuevo a dihidroxiacetona y vuelve a salir al citosol. Este proceso se conoce como lanzadera de dihidroxiacetona. El rendimiento de la glucólisis hasta el ácido pirúvico es de 2 + 4 = 6 ATP. La conversión del ácido pirúvico en acetil-CoA forma 6 ATP.