Ciclo de Krebs: La Fábrica de Energía Celular

En los organismos que realizan respiración aerobia, el ácido pirúvico o piruvato formado en la glucólisis se degrada completamente a CO₂ y H₂O en presencia de oxígeno. Este proceso ocurre en dos etapas principales: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, que a su vez está asociada a la fosforilación oxidativa. El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial, mientras que la cadena transportadora de electrones se encuentra en las crestas mitocondriales.

Etapa Inicial: Oxidación del Ácido Pirúvico

El piruvato ingresa a la mitocondria y sufre una oxidación, convirtiéndose en acetil-CoA mediante el complejo piruvato deshidrogenasa. Este complejo está compuesto por tres enzimas y requiere la presencia de coenzimas como TPP, CoSH, NAD⁺, FAD⁺ y ácido lipoico.

El acetil-CoA y el NADH producidos en esta etapa son esenciales para el ciclo de Krebs.

Regulación del Complejo Piruvato Deshidrogenasa

La actividad del complejo piruvato deshidrogenasa está finamente regulada a través de tres mecanismos principales:

• Inhibición por producto final: El acetil-CoA y el NADH, productos de la reacción, inhiben la actividad del complejo, mientras que el CoA y el NAD⁺ la activan.
• Regulación por Feedback: El GTP inhibe la enzima, mientras que el AMP la activa.
• Regulación covalente: La fosforilación del complejo lo inactiva, mientras que la desfosforilación lo activa.

El Ciclo de Krebs: Una Danza de Reacciones Químicas

El acetil-CoA se une al oxalacetato para formar citrato, reacción catalizada por la enzima citrato sintasa. A partir de aquí, se produce una serie de deshidrataciones e hidrataciones sucesivas:

1. La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato.
2. El isocitrato se oxida a α-cetoglutarato mediante la isocitrato deshidrogenasa, generando NADH.
3. El α-cetoglutarato se convierte en succinil-CoA por acción del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, produciendo NADH.
4. La succinil-CoA se transforma en succinato mediante la succinil-CoA sintetasa, generando GTP.
5. El succinato se oxida a fumarato por la succinato deshidrogenasa, produciendo FADH₂.
6. El fumarato se hidrata a malato mediante la fumarasa.
7. El malato se oxida a oxalacetato por la malato deshidrogenasa, generando NADH.

Principales Productos del Ciclo de Krebs

• Una molécula de acetil-CoA se une al oxalacetato para dar inicio al ciclo, y al final del mismo, se regenera el oxalacetato.
• Se producen 3 moléculas de NADH, 1 molécula de FADH₂, 1 molécula de GTP y 2 moléculas de CO₂ por cada molécula de acetil-CoA que ingresa al ciclo.

Los 3 NADH y el FADH₂ generados en el ciclo de Krebs actúan como transportadores de electrones hacia la cadena respiratoria, donde se sintetizará ATP.

Regulación del Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs se regula principalmente en tres puntos clave:

• Citrato sintasa: Es inhibida por altas concentraciones de ATP.
• Isocitrato deshidrogenasa: Es inhibida por altas concentraciones de ATP y NADH, y se activa por altas concentraciones de AMP y ADP.
• α-cetoglutarato deshidrogenasa: Es inhibida por altas concentraciones de succinil-CoA y NADH, y se activa por altas concentraciones de AMP.

Cadena Respiratoria: La Cascada de Electrones

Los NADH y FADH₂ provenientes del ciclo de Krebs y la glucólisis ingresan a la cadena transportadora de electrones, un sistema complejo ubicado en la membrana interna mitocondrial. Su función principal es transportar electrones desde el NADH o FADH₂ hasta el aceptor final, el oxígeno. Durante este proceso, se libera energía que se utiliza para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, generando un gradiente electroquímico.

Fosforilación Oxidativa: La Magia del ATP

La teoría quimiosmótica explica cómo la energía liberada durante el transporte de electrones se utiliza para sintetizar ATP. El gradiente de protones generado por la cadena respiratoria impulsa la ATP sintasa, una enzima ubicada en la membrana interna mitocondrial. La ATP sintasa actúa como una turbina molecular, permitiendo el flujo de protones a favor de su gradiente y utilizando esta energía para fosforilar ADP a ATP.

Componentes de la ATP Sintasa

• F₀: Porción hidrofóbica anclada a la membrana mitocondrial interna, que forma un canal para el paso de protones.
• F₁: Porción hidrofílica que sobresale hacia la matriz mitocondrial, donde se lleva a cabo la síntesis de ATP.

Por cada tres protones que fluyen a través de la ATP sintasa, se sintetiza una molécula de ATP. Este ATP es transportado al citoplasma celular mediante un sistema de transporte específico.

En resumen, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria son procesos metabólicos esenciales que permiten a las células obtener energía a partir de la glucosa y otras moléculas combustibles. La comprensión de estos procesos es fundamental para entender el funcionamiento celular y el metabolismo energético en los organismos vivos.