Respiración celular: glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa

Glucólisis

La glucólisis es una ruta catabólica que consta de 10 reacciones catalizadas por enzimas presentes en el citosol, en la que una molécula de glucosa se degrada en 2 moléculas de piruvato.

Formación de acetil-CoA

Formación de acetil-CoA: en las organelas aeróbicas, el piruvato obtenido de la glucólisis en el citoplasma entra en la matriz mitocondrial y se descarboxila oxidativamente para formar acetil-CoA y CO₂. Esta reacción está catalizada por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa.

Se denomina descarboxilación oxidativa porque el piruvato libera una molécula de CO₂ (descarboxilación) y se oxida (oxidativo) para formar un grupo acetilo, que se transfiere a una molécula de coenzima A (HS-CoA) para formar acetil-CoA.

Como cada molécula de glucosa se rompe en 2 moléculas de piruvato, esta reacción se multiplica por 2. El esqueleto carbonado de la glucosa, con 6 carbonos, se oxida a 2 moléculas de CO₂ y 2 grupos acetilo de 2 carbonos, unidos a la CoA. Esta oxidación del piruvato va acompañada de la reducción de NAD⁺ a NADH + H⁺.

Balance de la descarboxilación del piruvato por molécula de glucosa: 2 acetil-CoA, 2 NADH + 2 H⁺, 2 CO₂.

Ciclo de Krebs

Ciclo de Krebs: es la ruta oxidativa final. Su función es oxidar totalmente el acetilo al mismo tiempo que produce transportadores reducidos. Para ello, se producen una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente en la matriz mitocondrial.

• El ciclo se inicia cuando una molécula de acetil-CoA se combina con el oxalacetato.
• Como cada molécula de glucosa origina 2 acetil-CoA, el ciclo debe darse 2 veces para degradar una glucosa.
• En el ciclo se obtienen pocas energías en forma de ATP, pero sí en forma de coenzimas reducidas que en la siguiente fase se utilizan para generar ATP.
• Al degradar la glucosa a CO₂, es una ruta anfibólica y constituye la ruta central del metabolismo en las células aerobias.

Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

Transporte de electrones y fosforilación oxidativa: los electrones y protones producidos en las fases anteriores se transfieren desde el NADH y FADH₂ hasta el O₂, que se reduce para formar H₂O a través de una serie de transportadores de electrones llamada cadena respiratoria. Este proceso libera una gran cantidad de energía que se emplea para fabricar ATP, proceso llamado fosforilación oxidativa.

El final del transporte de electrones es la regeneración de coenzimas oxidadas.

En eucariotas, la cadena se localiza en la membrana interna de las mitocondrias (crestas mitocondriales) y los procesos ocurren en las mesas (matriz). La fosforilación oxidativa es el principal medio de fabricación de ATP, se debe a que tanto la síntesis de ATP a partir de ADP + P_i como el acoplamiento del transporte de electrones desde el NADH hasta el O₂ dependen de la misma fuerza motriz.

La β-oxidación

La β-oxidación: consiste en la oxidación del carbono β del ácido graso (C3). En cada vuelta se produce la escisión de un fragmento de 2 carbonos en forma de acetil-CoA. Como consecuencia, se forma un número de unidades de acetil-CoA igual a la mitad del número de carbonos del ácido graso, las cuales ingresan en el ciclo de Krebs.

La secuencia es la siguiente:

1. Activación del ácido graso: el ácido graso se une a la CoA para formar acil-CoA, en una reacción que requiere energía dada por el ATP y que ocurre en el citoplasma. El ATP que se necesita se transforma en AMP, es decir, se rompen 2 enlaces fosfato; por lo tanto, se consideran gastados 2 ATP en la activación del ácido graso.
2. El acil-CoA entra en la matriz mitocondrial mediante un transportador de energía especial, la carnitina.
3. Este acil-CoA sufre una serie de reacciones en las que se produce la oxidación del carbono β para formar un β-cetoacil-CoA, produciendo también 1 NADH + H⁺ y 1 FADH₂.
4. El β-cetoacil-CoA formado interactúa con una molécula de CoA, con lo que se rompe en 2 moléculas: 1 acetil-CoA (2 C) y 1 acil-CoA que posee 2 carbonos menos que el que inició el ciclo de la β-oxidación.
5. El acil-CoA de 2 carbonos menos puede iniciar otro ciclo, y así sucesivamente hasta que se obtiene 1 acetil-CoA.

Las moléculas de acetil-CoA formadas en los ciclos de β-oxidación pueden seguir la ruta catabólica del ciclo de Krebs y degradarse totalmente de forma aeróbica.

Balance: 1 acetil-CoA → 1 GTP, 1 FADH₂, 3 NADH.