Mediante la respiración celular, el piruvato formado se oxida a CO2 y H2O en presencia de oxígeno. Este proceso se desarrolla en dos etapas principales: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, la cual está asociada a la fosforilación oxidativa.
En las células eucariotas, el ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria siempre que haya suficiente oxígeno. En los procariotas, ocurre en el citosol. La membrana mitocondrial externa es permeable, sin embargo, la interna presenta una permeabilidad selectiva, solo permite el movimiento de algunas moléculas. La cadena respiratoria ocurre en las crestas mitocondriales, siendo indispensable la presencia de oxígeno en la célula. En los procariotas se localiza en la membrana plasmática, en los mesosomas.
Entrada del Piruvato a la Mitocondria
El piruvato formado en la glucólisis pasa a la matriz mitocondrial atravesando las dos membranas mitocondriales. Se gasta un ATP por cada una de esas moléculas. El piruvato sufre una oxidación. El primer carbono y dos oxígenos se separan, liberándose una molécula de CO2 y formándose un grupo acetilo. Esta reacción es catalizada por la piruvato-deshidrogenasa. Se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de NAD+. Como en la glucólisis se producen dos piruvatos, en este paso se obtienen dos moléculas de NADH y 2 CO2. Cada grupo acetilo se une a la Coenzima A, derivada de un nucleótido. Se origina el acetil-CoA que ya está dentro de la matriz mitocondrial. Esta reacción es la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs es una ruta metabólica cíclica, de 8 reacciones, en cada una de ellas interviene una enzima específica. En la matriz mitocondrial, estos metabolitos se encuentran en su forma iónica.
El ciclo comienza cuando el acetil-CoA cede el grupo acetilo que lleva al primer compuesto del ciclo. La CoA queda libre para volver a realizar el mismo trabajo. Comienzan las reacciones y en cada ciclo se genera una molécula de ATP, tres de NADH y una de FADH2. Cada vuelta de ciclo consume el grupo acetilo por completo y se liberan dos CO2. Se regenera el primer compuesto. Se necesitan dos vueltas de ciclo para oxidar al máximo los 2 piruvatos procedentes de la glucólisis.
Balance total del Ciclo de Krebs:
- Se forman 2 ATP
- Se forman 6 NADH
- Se forman 2 FADH2
- Se liberan 4 CO2 al medio
Cadena de Transporte Electrónico
Los 2 electrones energéticos captados por el NADH son transferidos al primer componente de la cadena, que se reduce mientras la coenzima vuelve a ser NAD+, es decir, se oxida. Los 2 electrones van saltando por los componentes de la cadena respiratoria a niveles energéticos menores. También lo hace el FADH2, que libera sus dos electrones y vuelve a ser FAD, en un nivel inferior a los del NADH. Finalmente, los electrones llegan hasta el oxígeno, que los acepta y se combina con dos H+ para formar agua, que sale de la mitocondria. El oxígeno es imprescindible, sin él, el último aceptor de la cadena no podría volver a oxidarse pues no tendría otra molécula a quien cederle los electrones. Gracias al oxígeno, el proceso no se bloquea.
Fosforilación Oxidativa
Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles inferiores y se va liberando energía. Esta energía se aprovecha para formar ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. Por cada dos electrones que pasan desde el NADH al oxígeno se forman 3 ATP y por cada FADH2 solo 2 ATP, porque entra en la cadena a un nivel energético menor. El mecanismo por el que se sintetiza ATP lo explica el acoplamiento quimioosmótico. Depende de la generación de un gradiente de protones H+ a través de la membrana mitocondrial interna.
Los componentes de la cadena transportadora se encuentran ordenados formando cinco complejos enzimáticos. Tres de estos complejos actúan como bombas de protones. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, estas enzimas emplean la energía que se libera para bombear los protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. En total, se bombean diez protones fuera de la matriz.
Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, el bombeo de estos genera un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, capaz de hacer funcionar un canal por el que puedan circular los protones a favor de gradiente hacia la matriz.
Las partículas F, un complejo enzimático ATP-sintetasa, con una porción anclada a la membrana de las crestas y otra hacia la matriz, forman estos canales, a través de los cuales pueden fluir pasivamente los protones. Cuando el flujo de protones pasa a través de estas estructuras se produce una rotación de la partícula F y se cataliza la síntesis de ATP. Por cada tres protones que fluyen por este complejo se forma un ATP.