1.19: Respiración celular

Figura 1 Fotografía alterada por el artista para recrear la explosión de Washburn A Mill de 1878.

Aunque la mayoría de los panaderos no se dan cuenta, trabajan con material explosivo. La harina es altamente inflamable y en condiciones apropiadas el polvo de harina puede explotar. En varias ocasiones han explotado molinos harineros, quizás el más famoso siendo cerca de Minneapolis en 1878 cuando un molino de reciente construcción, uno que en su momento era el más grande del mundo, fue totalmente destruido y 18 trabajadores asesinados (Figura 1). Más recientemente, en 2008, un ingenio azucarero en Georgia explotó, matando a 14 e hiriendo a 40 más. Estos ejemplos demuestran que hay energía presente en carbohidratos, químicos con la fórmula general de CH ₂ O, es decir, carbono a' hidratado '. A menudo los carbohidratos son polímeros de seis azúcares de carbono con una fórmula de C ₆ H ₁₂ O ₆. El azúcar de caña, lo que explotó en el molino de Georgia, está compuesto por dos hexosas, glucosa y fructosa, unidas entre sí. El almidón, el principal componente de la harina, está compuesto por largas cadenas de moléculas de glucosa unidas entre sí. La glucosa, la fructosa y el almidón son todos carbohidratos y, como todas las moléculas, 'contienen 'energía. Si los carbohidratos reaccionan con el oxígeno para formar dióxido de carbono y agua, se libera energía.

Figura 2 Glucosa: un azúcar de seis carbonos con la fórmula de C ₆ H ₁₂ O ₆

Figura 3 Sacarosa: un disacárido compuesto por dos azúcares de seis carbonos, glucosa a la izquierda y fructosa a la derecha con la fórmula de C ₆ H ₁₂ O ₆

Figura 4 Almidón: un polisacárido compuesto por cientos de unidades de glucosa de azúcares de seis carbonos, cada uno con una fórmula de C ₆ H ₁₂ O ₆

La energía de los carbohidratos y su liberación al interactuar con el oxígeno es fundamental para la biología de la mayoría de los organismos. Y entender cómo se obtiene y utiliza la energía es significativo no sólo porque la energía liberada es esencial para el funcionamiento de los organismos sino también porque representa una característica unificadora de todos los seres vivos, cada organismo vivo lleva a cabo este proceso, o parte de este proceso, o algo así similar a este proceso.

Los organismos necesitan energía para el crecimiento, mantenimiento y para la realización de trabajos como el movimiento de todo el organismo, por ejemplo, natación o movimiento interno, por ejemplo, bombear materiales dentro del organismo o mover materiales dentro de una célula, que son esenciales para el sustento del organismo. Muchos, pero ciertamente no todos, de estos procesos que requieren energía 'funcionan' con energía 'suministrada por' trifosfato de adenosina, ATP, y la mayor parte del suministro de ATP de un organismo es proporcionado por la respiración celular, un proceso que sintetiza ATP mientras realiza una reacción química que funciona con carbohidratos. Exactamente cómo el ATP participa en el metabolismo varía y su acción a menudo no es directa y obvia en la forma en que la energía del agua que cae permite que un molino 'haga trabajo'. La acción del ATP a menudo implica 'acoplar' diferentes reacciones químicas (ejemplos a continuación) con la consecuencia de que la participación de ATP hace que los eventos improbables sean más propensos a suceder y/o eventos que ocurren lentamente más propensos a proceder rápidamente. La participación del ATP en las actividades celulares hace que la molécula pierda uno o dos de sus tres grupos fosfato, formando adenosina difosfato (ADP) o adenosina monofosfato (AMP). Obviamente, la regeneración del ATP es significativa para el funcionamiento de un organismo y para la mayoría de los organismos, esta regeneración es el resultado de un grupo de reacciones descritas como respiración celular.

TEMAS

• Descripción general de la respiración celular
• Cuatro partes de la respiración celular
  • glucólisis: glucosa a piruvato
  • descarboxilación de piruvato
  • ciclo del ácido cítrico (ciclo de Kreb)
  • fosforilación oxidativa
• Mecanismos de síntesis de ATP
• Resumen

Figura 5 Una fogata ardiente implica la misma química que la respiración celular: la oxidación de carbohidratos. En una fogata toda la energía liberada por la reacción es evidente como luz y calor. En la respiración celular, la energía termina en ATP.

Descripción general de la respiración celular

La respiración celular describe un conjunto de reacciones químicas que en conjunto convierten los carbohidratos y el oxígeno en dióxido de carbono y agua. Colectivamente, estas reacciones permiten que una célula obtenga energía química en forma de ATP a partir del mismo proceso básico que permite que explote un molino harinero y permite a los campistas obtener calor y luz (otras formas de energía) cuando la madera (que es en gran parte carbohidrato) se quema en una fogata (Figura 5). El proceso químico de combustión es una oxidación, o más adecuadamente una reducción/oxidación, un tipo de reacción química donde un electrón se transfiere de una molécula a otra. Se dice que la molécula que pierde electrones está 'oxidada'; la que recibe electrones es 'reducida'. El proceso es generalmente 'impulsado' por el hecho de que algunas moléculas/átomos tienen una mayor afinidad por los electrones que otros. En un sentido termodinámico, esto es similar al hecho de que las rocas se mueven cuesta abajo en respuesta a la gravedad; se podría decir que los 'puntos bajos' (en un campo gravitacional) tienen una mayor afinidad por las rocas que los 'puntos altos'. Se necesita energía para mover rocas hacia arriba en un campo gravitacional y (la mayor parte) la energía gastada moviendo un rock up 'termina 'en la roca ahora en su nueva posición más alta. Si la roca entonces rueda hacia abajo “cede” energía y, después de descender, la roca termina con menos energía que en el fondo que antes. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía está en alguna parte, ¿dónde está? Se puede afirmar que la energía ha sido 'liberada' a medida que las rocas se mueven cuesta abajo y también que esta energía puede ser 'capturada' de varias maneras, es decir, se puede trabajar en el proceso (¿se puede pensar en una manera de capturar la energía de una roca que cae?). De manera similar, los electrones se mueven 'cuesta abajo', desde moléculas que tienen menos afinidad por ellos hasta moléculas que tienen una mayor afinidad por ellos, y a medida que se mueven 'cuesta abajo' se puede trabajar. Hacer un seguimiento de los electrones y la afinidad de diferentes compuestos por los electrones es a veces un reto y aquí no lo perseguiremos en detalle, excepto para decir que la tarea se hace más fácil cuando lo que se transfiere es un electrón más un protón, es decir, un átomo de hidrógeno y en estos casos la oxidación/reducción es fácil de rastrear al ver qué pierde hidrógenos y qué gana hidrógenos.

Las ecuaciones resumidas, en palabras y fórmula, para la respiración celular son:

• carbohidrato más oxígeno forma dióxido de carbono más agua
• específicamente, glucosa más oxígeno forma dióxido de carbono más agua
• C ₆ H ₁₂ O ₆ +6 O ₂ ——>6 CO ₂ + 6 H ₂ O

En la respiración celular lo que se oxida son los carbonos enmolécula de carbohidrato de fórmula general C _n H _{2 n} O _n y lo que se reduce es O ₂. Los carbonos del carbohidrato han perdido hidrógenos mientras forman dióxido de carbono (CO ₂). El oxígeno ha ganado hidrógenos mientras se forma agua (H ₂ O). Es importante darse cuenta de que el carbohidrato NO reacciona con el oxígeno (aunque lo hace si se quema un tronco en un incendio); la ecuación simplemente resume un grupo de reacciones que ocurren simultáneamente y tienen el efecto neto de convertir carbohidratos y oxígeno en dióxido de carbono y agua.

Podemos dividir estas reacciones en cuatro partes básicas:

1. Glicólisis

   Proceso que convierte una glucosa (azúcar de seis carbonos con seis carbonos, 12 hidrógenos y seis oxígenos) en dos moléculas de ácido pirúvico, cada una con tres moléculas de carbono y con la fórmula C ₃ H ₄ O ₃ (Figura 6). Obsérvese que los carbonos del carbohidrato se han oxidado (hidrógenos perdidos) a medida que se ha formado ácido pirúvico. Lo que se ha reducido es un metabolito llamado NAD ⁺ que se ha reducido a NADH. Debido a que el NAD ⁺ tiene una mayor afinidad por los hidrógenos que el carbono en un carbohidrato, este grupo de reacciones es 'cuesta abajo'. También ocurre en la glucólisis la síntesis de algo de ATP a partir de ADP e ion fosfato (iP). Así, algo de energía presente en la hexosa ahora está presente en las formas de NADH y ATP (y algo ha sido liberado calor y algo está presente en las moléculas de ácido pirúvico).

   

   Figura 6 Las reacciones de glucólisis, comenzando con glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆) y terminando con la producción de dos moléculas de ácido pirúvico (C ₃ H ₄ O ₃). Tenga en cuenta que la fructosa 1, 6 bisfosfato se divide en dos tres moléculas de carbono, GAP y DHAP, y el DHAP se convierte en GAP.

2. Descarboxilación del ácido pirúvico

   Cada una de las dos moléculas de ácido pirúvico está 'oxidativamente descarboxilada', eliminando un carbono como dióxido de carbono y produciendo un fragmento de dos carbonos ('acetilo') unido al metabolito coenzima A. El carbono perdido se ha oxidado ya que NAD ⁺ se reduce a TONADH. Debido a que el NAD ⁺ tiene una mayor afinidad por los electrones que el carbono en el ácido pirúvico esta reacción es 'cuesta abajo'.

3. Ciclo de Krebs

   Los dos carbonos restantes derivados de cada ácido pirúvico se agregan a un compuesto de cuatro carbonos haciendo un compuesto de seis carbonos que luego se descarboxila oxidativamente dos veces y luego pasa por una serie de etapas oxidativas para regenerar el compuesto original de cuatro carbonos que puede recibir otra unidad de dos carbonos. Esto es lo que se conoce como tanto el ciclo de Kreb como el ciclo del ácido cítrico.

   El efecto neto de las etapas 1-3 es la oxidación total del carbohidrato a dióxido de carbono, acompañada de la reducción de un número de moléculas ^NAD+ a NADH y también la reducción de una molécula similar, FAD, a FADH ₂. Algo de ATP se ha sintetizado tanto en la glucólisis como en el ciclo del ácido cítrico, pero la mayoría del ATP generado en la respiración celular proviene del paso 4 a continuación donde el 'poder reductor' de NADH y FADH ₂ se utiliza para 'alimentar' un mecanismo elaborado que 'utiliza' energía de las moléculas reducidas para acumular protones y crear un gradiente de carga y concentración a través de un membrana. Este gradiente se usa luego para sintetizar ATP.

4. Fosforilación oxidativa (cadena de transporte de electrones)

   Al igual que el ciclo del ácido cítrico, la fosforilación oxidativa ocurre en una mitocondria, un orgánulo con dos membranas con dos espacios acuosos: entre las dos membranas y dentro de la membrana interna (Figura 7). La fosforilación oxidativa transfiere electrones, donados por NadHand FADH ₂, a través de una serie de moléculas portadoras unidas a la membrana ubicadas en la membrana interna, finalmente entregándolos al oxígeno. El oxígeno recoge simultáneamente protones y forma moléculas de agua, H ₂ O. El oxígeno es esencial para el proceso porque es la afinidad del oxígeno por los electrones lo que impulsa el movimiento de los electrones. Para volver a utilizar una analogía gravitacional, el oxígeno es un 'punto bajo' al que se mueven los electrones. Si no hay un punto bajo no habría movimiento. El movimiento de electrones a través de una membrana opera una 'bomba electrogénica': provoca que los protones (H ⁺) se acumulen en el espacio entre las dos membranas, creando un gradiente electroquímico, una diferencia de carga y concentración, a través de la membrana. En un sentido energético, el bombeo es 'cuesta arriba' y es posible gracias a un acoplamiento al movimiento 'cuesta abajo' de electrones a moléculas con mayor afinidad por ellos. El gradiente de protones creado es una fuente de energía que puede ser utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP e iP. En la fosforilación oxidativa hay dos cosas que se mueven 'cuesta abajo' en sentido anenergético: (1) los electrones se mueven del NADH 'cuesta abajo' al oxígeno porque tiene una mayor afinidad por ellos, (2) protones que han sido 'bombeados' cuesta arriba y luego se mueven 'cuesta abajo' a través de una membrana, desde un lugar donde están en alto concentración a un lugar donde se encuentran en baja concentración. Si uno 'sigue' la energía pasa de glucosa a la potencia reductora de NADH/FADH ₂, a un gradiente electroquímico de protones, a ATP. Además de producir ATP, otra consecuencia muy importante del proceso de fosforilación oxidativa es la regeneración NAD ⁺ y FAD, compuestos que son necesarios en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Estos procesos no pueden continuar a menos que NAD ⁺ y FAD estén disponibles (este punto se discutirá más a fondo en el Capítulo 21 sobre diversidad metabólica).

Figura 7 La fosforilación oxidativa ocurre en las mitocondrias que tienen dos membranas, una externa y una interna. La membrana interna está atravesada por numerosas proteínas (en rojo) algunas de las cuales son bombas de protones y algunas son canales de protones (1) flujo de electrones del NADH al oxígeno (2) este flujo de electrones bombea protones (H+) al espacio de la membrana interna, (3) el flujo de protones a través de las proteínas del canal alimenta la síntesis de ATP. El efecto neto es la síntesis de ATP y agua mientras que el NADH se oxida.

Mecanismos de síntesis de ATP

Durante la respiración celular el ATP se forma de dos maneras muy diferentes, ambas implican transferencias de energía y el concepto de 'acoplamiento', en estos casos el acoplamiento de la síntesis de ATP a otras reacciones que 'aportan energía'. Examinar estas reacciones no sólo es importante para las relaciones energéticas de una célula, sino que también proporcionan ejemplos de 'acoplamiento'.

El ATP se forma cuando se agrega un grupo fosfato (PO ₃ ^—) al ADP. En la mayoría de las circunstancias, esta reacción es muy poco probable. La mayor parte del ATP formado por los seres vivos ocurre en orgánulos llamados mitocondrias donde la cadena de transporte de electrones discutida anteriormente da como resultado una alta concentración de protones en el exterior de una membrana (recuerde que las membranas son generalmente impermeables a elementos cargados como protones). Incrustado en la membrana, con aberturas a ambos lados, se encuentra una enzima grande, un polímero de aminoácidos, que tiene una estructura tridimensional muy específica y complicada, una estructura que es consecuencia de la secuencia de aminoácidos en el polímero. Esta enzima se une a ADP y fosfato y tiene un camino, un canal, a través del cual los protones pueden fluir a través de la proteína (y también a través de la membrana) de alta concentración a baja. El movimiento de electrones a través de la proteína hace que la enzima con ADP y fosfato unidos se doble de una manera que hace que sea mucho más probable que el fosfato se una al ADP, formando así ATP. Tenga en cuenta que la diferencia de carga y concentración de protones a través de la membrana representa una 'fuente de energía' que se puede utilizar para hacer cosas, en este caso, doblar la molécula y sintetizar ATP. La energía del gradiente de protones hace que una reacción poco probable, la síntesis de ATP, sea mucho más probable. Dicho de otra manera, la síntesis de ATP se acopla a protones que pasan de alta concentración a baja.

Una segunda forma de sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato se observa en la glucólisis. En lugar de transferir directamente un grupo fosfato a ADP, primero se agrega a GAP (Figura 1). Esta reacción por sí misma es poco probable (cuesta arriba) pero se puede hacer más probable si el GAP se oxida simultáneamente mientras que el NAD ⁺ se está reduciendo, una reacción que se ve favorecida (cuesta abajo) porque NAD ⁺ tiene una mayor afinidad por los electrones que GAP. La reacción combinada da como resultado la conversión de GAP a 1, 3 BpG, siendo el GAP simultáneamente oxidado y fosforilado. Y si bien la unión de un grupo fosfato directamente al ADP es 'cuesta arriba' (poco probable), la transferencia de un grupo fosfato del 1, 3 BpG al ADP es 'cuesta abajo' (probable), así hay acoplamiento entre la oxidación de GAP y la síntesis de ATP. Un mecanismo similar opera donde se forma ATP en el ciclo del ácido cítrico. El acoplamiento es un aspecto importante tanto de la síntesis como de la hidrólisis de ATP y representa formas en las que las reacciones energéticamente desfavorables (cuesta arriba) pueden hacerse más probables acoplándolas de alguna manera (y hay múltiples formas) a reacciones favorables (cuesta abajo).

Resumen

Así, el efecto neto de la respiración celular es la oxidación completa de los carbohidratos para formar dióxido de carbono y agua. En el proceso, el ATP se sintetiza a partir de ADP e iP. Aunque el proceso descrito anteriormente 'comienza' con glucosa, varias otras moléculas pueden proporcionar seis azúcares de carbono para ser utilizados en la glucólisis, por ejemplo, almidón (un polímero de glucosa), sacarosa (un disacárido que contiene glucosa y fructosa), galactosa (un azúcar de seis carbonos), lactosa (un disacárido hecho de glucosa más galactosa), manitol (un alcohol de azúcar de seis carbonos). En las plantas, la sacarosa y el almidón son las fuentes más importantes de sustratos para la glucólisis. Además de los polímeros de hexosa/hexosa, otros materiales pueden ser 'quemados' en la respiración celular, incluyendo las grasas y la porción de carbohidratos de los aminoácidos de las proteínas. Estas 'fuentes alimenticias' ingresan a las vías metabólicas de la respiración celular en varios lugares diferentes.

Aunque generalmente se piensa que la respiración celular es un proceso degradativo (catabolismo), también puede ser sintética (anabolismo—la fabricación de biomoléculas). Cuando esto sucede, el material que ingresa a la respiración celular sale del proceso antes de ser completamente oxidado y con ello proporcionar metabolitos que se utilizan para construir biomoléculas. Por ejemplo, los intermedios de la respiración celular se pueden usar para sintetizar grasas y aminoácidos. Cuando esto sucede se obtiene menos (o ninguna) energía ATP porque se está produciendo menos del proceso de respiración celular.