Ciclo de Krebs y Fosforilación Oxidativa: Un Vínculo Energético

El ciclo de Krebs es una serie de reacciones que se realiza en la matriz mitocondrial, en la que el grupo acetilo de la coenzima A (de dos carbonos) es oxidado completamente a 2 moléculas de dióxido de carbono. En una etapa inicial, el acetil-CoA (C2) generado por la piruvato deshidrogenasa es posteriormente utilizado como uno de los sustratos iniciales, en conjunto con el ácido oxaloacético (C4), para las reacciones enzimáticas del ciclo de Krebs que ocurren en la matriz mitocondrial. La fusión de Acetil-CoA con ácido oxaloacético es catalizada por la enzima citrato sintasa, permitiendo la biosíntesis de ácido cítrico (C6). Dado el carácter cíclico, a partir del ácido cítrico se debe regenerar el oxalacetato, la molécula de cuatro carbonos que inició el conjunto de reacciones y para esto, durante el ciclo, deben liberarse dos carbonos en forma de moléculas de CO2. Junto con esto se producen tres NADH y una molécula de FADH2. Además, por cada ciclo de Krebs se forma otra molécula de GTP, que es equivalente a una molécula de ATP.

El NADH y el FADH derivados del ciclo de Krebs son utilizados en el proceso de fosforilación oxidativa para la biosíntesis de ATP.

El NADH y el FADH2 derivados de la degradación de moléculas de Acetil-CoA en el ciclo de Krebs son utilizados como agentes reductores en la vía metabólica de la fosforilación oxidativa, que topológicamente se realiza en la membrana interna de las mitocondrias. Además, la fosforilación oxidativa tiene la particularidad de ser una vía metabólica que consiste en el concatenado de reacciones de oxidorreducción que ocurren en cuatro complejos proteicos, numerados desde I hasta IV, que están integrados en la membrana interna de la mitocondria, y que permiten una cadena de flujo de electrones desde las moléculas de NADH y FADH2 a moléculas de oxígeno que se reducen y generan agua como producto. Además, el proceso de fosforilación oxidativa genera un movimiento de protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana, generando un gradiente de concentración de protones que permite la activación del complejo enzimático ATP sintasa. Mayores detalles de fosforilación oxidativa se describen a continuación.

Cadena de transporte de electrones

Las moléculas reducidas NADH y FADH2, producidas en el ciclo de Krebs, entregan respectivamente sus electrones a los complejos I (NADH deshidrogenasa) y II (Succinato deshidrogenasa). Al entregar NADH y FADH2 sus electrones, estos cofactores vuelven a sus respectivas formas oxidadas NAD+ y FAD. Los electrones donados por NADH al complejo I son transportados, posteriormente pasan al complejo III (Citocromo bc1) por acción de la coenzima Q, y luego son trasladados al complejo IV (Citocromo C oxidasa) por medio del citocromo C. Finalmente, el complejo IV entrega los electrones a moléculas de oxígeno, el cual acepta también dos protones de la matriz mitocondrial y forma agua como producto final reducido. En el caso de los electrones del FADH2, son donados al complejo II y de ahí pasan al complejo III por la coenzima Q, para posteriormente seguir el mismo camino de los electrones entregados por NADH para la reducción de las moléculas de oxígeno a agua (Figura 4).

Figura 4. Diagrama de complejos proteicos involucrados en los procesos de cadena respiratoria mitocondrial y el proceso de fosforilación oxidativa. Los complejos I (NADH deshidrogenasa) y II (Succinato deshidrogenasa) realizan la oxidación de NADH y FADH2 obtenidos en el transcurso del ciclo de Krebs. El complejo III (Citocromo bc1) es intermediario que permite el traspaso de electrones desde los complejos I y II hacia el complejo IV, en el traspaso de electrones participan la coenzima Q (Q). El complejo IV (Citocromo C oxidasa) entrega el oxígeno a moléculas de oxígeno para reducirlas y generar moléculas de agua. El transporte de electrones genera un gradiente de protones que es utilizado por la ATP sintasa mitocondrial. (Imagen obtenida de Yu-Wai-Man y cols., 2011).