Glucólisis: Es la ruta metabólica en la que la molécula de glucosa, en ausencia de oxígeno, se degrada para generar piruvato y ATP. Este proceso ocurre en el citoplasma celular. El piruvato obtenido puede seguir dos vías: la respiración celular o la fermentación.

Respiración Celular

La respiración celular ocurre después de la glucólisis y consiste en la oxidación completa del piruvato a través del ciclo de Krebs. Los electrones liberados en estas oxidaciones son transferidos a la cadena de transporte electrónico, donde se sintetiza ATP mediante las enzimas ATPasas. Este proceso tiene lugar en la mitocondria.

Fermentación

La fermentación también ocurre después de la glucólisis y consiste en la reducción del piruvato para regenerar NAD+. Se producen diversos productos finales dependiendo del tipo de fermentación, pero en general se trata de una oxidación incompleta del piruvato. Este proceso ocurre en el citoplasma.

Glucólisis

• Ubicación: Citoplasma
• Producto inicial: 1 glucosa
• Productos finales: 2 piruvatos, 2 ATP, 2 NADH
• Vías para el ácido pirúvico:
  • Respiración celular aerobia: el piruvato se transforma en acetil-CoA (descarboxilación oxidativa) y se oxida completamente a CO2.
  • Fermentaciones: oxidación incompleta del piruvato.

Respiración Celular Aerobia

En este proceso, los electrones obtenidos de la glucosa son transferidos al O2 (aceptor final de electrones). Esto ocurre a través de una serie de reacciones en las que los electrones pasan a coenzimas (NAD+, FAD+) y finalmente al O2. La respiración celular ocurre después de la glucólisis y supone la oxidación total del piruvato de forma gradual, primero a acetil-CoA y luego a CO2.

Formación del Acetil-CoA (Descarboxilación Oxidativa del Piruvato)

Las biomoléculas que sirven como combustible celular, como los glúcidos y los ácidos grasos, deben transformarse en acetil-CoA antes de ingresar al ciclo de Krebs para su oxidación completa. El piruvato obtenido en la glucólisis es transportado desde el citoplasma al interior de la mitocondria, donde se produce su descarboxilación oxidativa. Esta reacción, catalizada por la piruvato deshidrogenasa, ocurre en dos etapas:

1. Pérdida del grupo carboxilo del piruvato en forma de CO2.
2. Oxidación del acetato y formación de acetil-CoA, además de la formación de 1 NADH.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es un conjunto cíclico de reacciones que oxidan completamente el acetil-CoA a CO2. Los electrones liberados en esta oxidación son captados por las coenzimas NAD+ y FAD+. Este ciclo se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y tiene las siguientes funciones:

• Obtención de poder reductor: 3 NADH y 1 FADH2, que permiten la formación de ATP durante la fosforilación oxidativa.
• Precursores metabólicos: algunas moléculas obtenidas sirven como punto de partida para rutas biosintéticas. El ciclo de Krebs es una vía anfibólica, clave en procesos catabólicos y anabólicos.
• Energía inmediata: 1 GTP (que se convierte en 1 ATP).
• 2 CO2: correspondientes a los carbonos del acetil-CoA totalmente oxidado.

Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es el mecanismo de síntesis de ATP en la respiración celular. Ocurre en la membrana interna de la mitocondria, donde se localizan las partículas F1. La enzima ATP sintasa o ATPasa translocadora de protones cataliza la síntesis de ATP mediante la unión de un grupo fosfato al ADP. Esta reacción endergónica requiere un aporte de energía, que es suministrada por el transporte de electrones liberados en las reacciones de oxidación previas y la formación de un gradiente de protones en la membrana mitocondrial interna.

Etapas de la Fosforilación Oxidativa

1. Transporte de electrones: los electrones presentes en NADH y FADH2 son transferidos a moléculas transportadoras de electrones y pasan de una a otra a favor de un gradiente de potenciales de óxido-reducción, hasta llegar al oxígeno molecular (O2), el aceptor final de electrones. En este descenso a niveles energéticos más bajos, se libera energía que se utiliza para establecer un gradiente quimiosmótico entre los dos lados de la membrana mitocondrial interna. La cadena de transporte de electrones está formada por un conjunto de moléculas asociadas a la membrana interna, capaces de reducirse y oxidarse conforme aceptan y ceden electrones. Estos transportadores están asociados a 4 complejos moleculares: I (NADH deshidrogenasa), II (coenzima Q), III (citocromo b-c1) y IV (citocromo oxidasa). El complejo IV transfiere los electrones al O2, que se reduce y forma agua. El O2 actúa como aceptor final de los electrones liberados en las diferentes etapas de oxidación de la glucosa y recogidos por las coenzimas reducidas. El 90% del consumo celular de O2 se debe a este proceso.
2. Formación del gradiente quimiosmótico: la energía liberada por los electrones al pasar por los complejos se utiliza para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna, acumulándolos en el espacio intermembranoso. Esta acumulación de protones genera un potencial eléctrico de membrana, creando una diferencia de concentración de protones y una separación de cargas eléctricas entre las dos caras de la membrana. Se dice que se ha producido un gradiente electroquímico de protones, que supone un almacenamiento temporal de energía denominado fuerza protón-motriz.
3. Síntesis de ATP: la fuerza protón-motriz impulsa la fosforilación del ADP para formar ATP. En la membrana interna se encuentran las ATPasas, proteínas transmembrana con un canal interior a través del cual los protones pueden volver a entrar en la matriz. Este paso de protones permite que las ATPasas actúen para formar ATP. El paso de los protones disipa el gradiente electroquímico y la energía almacenada en este gradiente se utiliza en la fosforilación del ADP para formar ATP.