Balance energético

En cada vuelta del ciclo de Krebs se genera una molécula de GTP, tres de NADH y una de FADH2. Cada vuelta del ciclo consume un grupo acetilo y regenera un ácido oxalacético, que puede iniciar otro nuevo ciclo. Se necesitan dos vueltas del ciclo para oxidar al máximo -en cuanto al carbono se refiere- una molécula de glucosa, ya que de cada molécula se obtienen dos de ácido pirúvico en la glucólisis. Por tanto, por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se forman dos moléculas de GTP, seis de NADH y dos de FADH2. El GTP transfiere su grupo fosfato al ADP, produciendo una molécula de ATP. En realidad, en el ciclo de Krebs se obtiene poca energía en forma de moléculas fosforiladas, pero mucha en forma de nucleótidos reducidos. En el ciclo de Krebs no se necesita oxígeno directamente. Los electrones y protones que se mueven en el ciclo son aceptados por NAD+ y FAD. Sin embargo, sí se necesitan en la siguiente etapa de la respiración, la cadena respiratoria.

Respiración celular, cadena respiratoria

Los electrones procedentes de la glucólisis, de la oxidación del ácido pirúvico y del ciclo de Krebs, se encuentran aún en un nivel energético alto. Durante el transporte electrónico, los electrones son conducidos a través de una cadena formada por aceptores de distinto potencial de reducción, cada uno de los cuales es capaz de recibir electrones del aceptor precedente y de cederlos al aceptor siguiente, que está en un nivel energético ligeramente inferior. Estos transportadores pueden existir en dos estados de oxidación próximos. Cada par redox solo puede recibir electrones de otro par que tenga un potencial de reducción más negativo, y solo puede cederlos al par que lo tenga menos negativo. El par de potencial más negativo en la cadena respiratoria es el NAD+ con -0.32 voltios y por eso es el que podrá reducir a los demás. En el otro extremo se encuentra el par del agua: +0.82 V.

1. Los electrones captados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN que se reduce.
2. El FMN cede los electrones a la ubiquinona o coenzima Q. El FMN vuelve a su forma oxidada para recibir otro par de electrones, y la ubiquinona se reduce.
3. A continuación, la ubiquinona cede los electrones al siguiente aceptor, y vuelve a su forma oxidada.
4. El proceso se repite en sentido descendente. Al pasar los electrones por la cadena respiratoria, van saltando a niveles energéticos sucesivamente inferiores.
5. Los electrones llegan hasta el oxígeno, que los acepta y se combina con dos protones para formar agua que sale de la mitocondria y de la célula. El oxígeno es imprescindible: sin él, el último miembro de la cadena no podría volver a oxidarse una vez reducido, pues no tendría ningún par redox al cual poder entregarle los electrones. Gracias a que el oxígeno procedente del ambiente acepta los electrones, no se bloquea el proceso.
6. También se puede acceder lateralmente a la cadena respiratoria. Los electrones del FADH2 entran en la cadena transportadora en un nivel energético ligeramente inferior a los del NADH; es decir, transfiere los hidrógenos a la ubiquinona.

Fosforilación oxidativa, proceso quimiosmótico

Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles energéticos inferiores y paralelamente se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico en un proceso denominado fosforilación oxidativa.

Acoplamiento quimiosmótico

Los componentes de la cadena transportadora de electrones se encuentran ordenados en la membrana formando tres complejos enzimáticos diferenciados. Estos complejos son auténticas bombas de protones. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, los complejos enzimáticos emplean la energía que se libera para bombear los protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, el bombeo de estos consigue que se establezca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana; este es capaz de generar una fuerza protomotriz de unos 230 mV. Las partículas F forman esos canales, a través de los cuales pueden fluir los protones. Cada partícula F es un complejo enzimático ATP-sintetasa con una porción F0, anclada en la membrana de la cresta, y otra F1 que sobresale hacia la matriz. Por cada tres protones que fluyen a través de complejo ATP-sintetasa, se forma una molécula de ATP. Como el flujo de protones es impulsado por el gradiente electroquímico, este proceso tiene carácter quimiosmótico.

Balance energético de la respiración celular

Es importante tener en cuenta que el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna puede utilizarse para otros fines diferentes a la síntesis de ATP. Los datos que se exponen representan los valores de rendimiento energético máximo por cada molécula de glucosa.

• La glucólisis rinde dos moléculas de ATP directamente y dos moléculas de NADH que están fuera de la mitocondria.
• La conversión de ácido pirúvico en acetil-CoA en la matriz mitocondrial rinde dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa.
• En el ciclo de Krebs, ingresan dos moléculas de acetil-CoA y se forman dos de GTP (igual a 2 ATP), seis moléculas de NADH y dos de FADH2.

El rendimiento medio total que produce la oxidación completa de una molécula de glucosa es de 36 moléculas de ATP.

Catabolismo anaeróbico: Fermentaciones

Cuando el catabolismo ocurre en condiciones anaerobias, es decir, cuando el último aceptor de los hidrógenos no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla, las rutas de degradación de la glucosa se denominan fermentaciones.

Fermentación etílica

La producción de etanol está vinculada a células vegetales, hongos y bacterias, porque la enzima fundamental del proceso, la alcohol deshidrogenasa, en estos organismos cataliza la reducción del acetaldehído a etanol, reoxidando el NADH. Entre las levaduras, que son organismos aerobios facultativos, tiene particular importancia el efecto Pasteur. Consiste en la inhibición del proceso fermentativo en presencia de oxígeno molecular. Si este se encuentra disponible lo utilizan y degrada el pirúvico hasta CO2 y agua.

Fermentación láctica

En este tipo de fermentación se origina ácido láctico a partir del ácido pirúvico procedente de la glucólisis. De esta forma, se regenera el NAD+ necesario para proseguir la glucólisis.

Otras rutas catabólicas: β-oxidación de ácidos grasos

Antes de ser oxidados, los ácidos grasos se activan en la membrana mitocondrial externa uniéndose a la coenzima A. El proceso consiste en la oxidación del carbono β de la molécula, eliminándose de forma secuencial unidades de dos átomos de carbono. El proceso recibe el nombre de β-oxidación, porque es el carbono β (C3) el que sufre la oxidación progresiva. En el mecanismo de transporte de los ácidos grasos activados a través de la membrana interna interviene la carnitina. En cada vuelta se liberan dos moléculas de Carbono, en forma de Acil-CoA, también se consigue una molécula de NADH y una molécula de FADH2, estos ceden los electrones de la cadena respiratoria.