LA ENERGÍA EN LA CÉLULA

La glucólisis o glicólisis es una ruta metabólica que sirve de paso inicial para el catabolismo de carbohidratos en los seres vivos. Consiste fundamentalmente en la ruptura de las moléculas de glucosa mediante la oxidación de la molécula de glucosa, obteniendo así cantidades de energía química aprovechable por las células.

La glucólisis no es un proceso simple, sino que consiste en una serie de diez reacciones químicas enzimáticas consecutivas, que transforman una molécula de glucosa (C₆H₁₂O₆) en dos de piruvato (C₃H₄O₃), útiles para otros procesos metabólicos que siguen aportando energía al organismo.

Esta serie de procesos puede ocurrir en presencia o en ausencia de oxígeno, y se da en el citosol de las células, como parte inicial de la respiración celular. En el caso de las plantas, forma parte del ciclo de Calvin.(Fuente:  https://concepto.de/glucolisis/#ixzz6FXMOtSru)

CICLO DE KREBS: PASOS DONDE SE GENERA NADH+H+; FADH2; ATP Y SU BALANCE ENERGÉTICO

El ciclo del Krebs se conoce también como ciclo del ácido cítrico. Es la ruta metabólica a través de la cual el ácido pirúvico se une a la coenzima-A, se elimina una molécula de CO2 y, de esta manera se genera Acetil-CoA.

Los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones del ciclo de Krebs se utilizan para formar NADH+H+ y FADH2, los cuales,  entrarán en la cadena respiratoria para generar ATP.

En el paso del pirúvico a acetil-CoA se produce 1 NADH+ H+. Sólo se obtiene 1 ATP por cada molécula de Acetil-CoA en dicho ciclo, pero se obtienen 3 NADH+H+ y 1FADH2.

Las diferentes reacciones o etapas que completan las dos fases del Ciclo de Krebs se realizan en la matriz de la mitocondria y son la vía fundamental para la degradación de la mayoría de los compuestos orgánicos.

FASE 1: INTRODUCCIÓN Y PÉRDIDA DE DOS ÁTOMOS DE CARBONO

La fase 1 del ciclo de Krebs comprende la unión del Acetil-CoA con el oxalacetato para formar el ácido cítrico (o citrato), el cual se metabolizará a succinil-CoA.

La oxidación no se produce en la molécula de Acetil-CoA, (2C) sino que ésta se une al oxalacetato, (4C) generando una molécula citrato, (6C) y, sobre esta molécula, se producirá la oxidación de dos carbonos. Al ácido cítrico se debe el nombre del Ciclo de Krebs o del Citrato o del Cítrico.

En su mecanismo se producen dos descarboxilaciones oxidativas consecutivas, perdiéndose dos carbonos en forma de 2 CO2 y 4 electrones en forma de 2 NADH+H+, dando lugar al succinil-CoA (4C) que, aunque tiene 4 carbonos, es una molécula distinta a la molécula aceptora original que es el oxalacetato (4C).

Una oxidación es una pérdida de electrones e hidrógenos. (Ambos van asociados).

- Desde el acetil-CoA hasta succinil-CoA se generan en forma 2 NADH+H+ en poder reductor.
- Desde la transformación del pirúvico hasta succinil-CoA se generan en forma 3 NADH+H+ en poder reductor.

Paso 1: Introducción de dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA: Transformación del pirúvico en Acetil-CoA con la participación del complejo de la enzima piruvato deshidrogenasa que está formado por tres enzimas: E1 + E2 + E3. Se genera 1 NADH. Ocurre en la matriz de la mitocondria y la reacción es irreversible.

Reacción 1ª: Unión de la acetil-CoA con el ácido oxalacético para formar el ácido cítrico: En este proceso se recupera la CoA-SH. Interviene la enzima citrato-sintetasa. Es una reacción irreversible. Se consume una molécula de H2O.

Reacción 2ª: Transformación del ácido cítrico en su isómero, el ácido isocítrico, con la intervención de la enzima aconitasa. La reacción consiste en una deshidratación y una hidratación sucesivas, a través del intermediario cis-aconitato deshidratado, que se mantiene unido al enzima. La reacción es reversible en condiciones fisiológicas.

Reacción 3ª: Descarboxilación oxidativa del ácido isocítrico que se transforma en α-cetoglutárico con la formación de CO2 y NADH+H+. Participa la enzima isocitrato deshidrogenasa. Es la primera de las dos descarboxilaciones oxidativas del ciclo. La reacción es irreversible en condiciones fisiológicas.

Reacción 4ª: Descarboxilación oxidativa del ácido α-cetoglutárico formándose CO2 NADH+H+ y succinil CoA: Reacción catalizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa (compuesto de tres actividades enzimáticas y análogo al complejo de la piruvato deshidrogenasa). Es la segunda descarboxilación oxidativa del ciclo. La reacción es irreversible en condiciones fisiológicas.

FASE 2: REGENERACIÓN DEL OXALACETATO

Esta fase 2 del ciclo de Krebs comprende la transformación del succinil-CoA hasta el oxalacetato. Se transforma la molécula succinil-CoA (4C) en oxalacetato (4C) produciendo un ATP (o GTP), y dos oxidaciones más que extraen 4 electrones adicionales en forma de 1 NADH+H y 1 FADH2.

El ciclo del ácido cítrico consta de 8 etapas enzimáticas que oxidan la unidad acetilo (2C) a 2 CO2, conservándose parte de la energía libre, liberada en el proceso de oxidación, en forma de 3 NADH+H+, 1 FADH2 y 1 ATP (ó 1 GTP), por molécula de pirúvico. El valor de la energía libre obtenida en la respiración celular es de ΔGº´= -686 kcal/mol.

Se produce una molécula en el paso de isocítrico al α-cetoglutárico, y otra en el paso del α-cetoglutárico al succinil CoA. Se producen, pues, dos moléculas de CO2.

Reacción 5ª: Transformación del Succinil-CoA en acido succínico con desprendimiento de un GTP (ATP): Reacción catalizada por la succinil-CoA sintetasa. Es una reacción reversible en condiciones fisiológicas. El succinil-CoA, es un compuesto de elevada energía, y dicha energía se invertirá en una fosforilación a nivel de sustrato; el nucleótido sintetizado es ATP. Es el único ATP que se genera en el ciclo.

Reacción 6ª: Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico: Transformación del ácido succínico a fumárico. Reacción catalizada por la succinato deshidrogenasa. La reacción es reversible en condiciones fisiológicas. Es una deshidrogenación dependiente de FAD en el que el succinato se oxida (pierde dos hidrógenos) y el FAD se reduce (gana dos hidrógenos).

Reacción 7ª: Hidratación de un doble enlace carbono-carbono: Adición de agua al doble enlace formándose el ácido málico con la acción de la fumarasa. La reacción es reversible.

Reacción 8ª: Una deshidrogenación que regenera el oxalacetato: La reacción consiste en que el málico se oxida (pierde dos hidrógenos) y el NAD se reduce (gana dos hidrógenos). El resultado es la formación del oxalacetato. Reacción final del ciclo catalizada por la malato deshidrogenasa. Esta reacción es altamente endergónica en condiciones estándar. pero, in vivo, se decanta hacia la formación del oxalacetato, debido a la reacción de la citrato sintetasa (altamente exergónica) que mantiene los niveles de oxalacetato en la mitocondria muy bajos ya que la citrato sintetasa unirá todo el oxalacético generado con un nuevo Acetil-CoA para formar un nuevo citrato y continuar con un nuevo ciclo.  (Información tomada de: http://urbinavinos.blogspot.com/2014/12/ciclo-de-krebs-pasos-donde-se-genera.html)

El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas.

En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).

El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales, el ciclo de Krebs supone la segunda. En la primera etapa, los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos (p. ej. desaminación oxidativa), la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP según la teoría del acomplamiento quimiosmótico. El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.

La molécula de glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se oxida completamente y ha generado energía en forma de ATP, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que aceptaron el NAD+ y el FAD, que se redujeron a NADH y FADH2.

El NADH y FADH2 tienen un gran poder reductor, y transfieren sus electrones al oxígeno molecular (O2) a través de una cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. En el transporte de estos electrones se libera gran cantidad de energía que se utiliza para formar ATP (fosforilación oxidativa).

Transporte electrónico

Los electrones de las moléculas de NADH y FADH2, con alto nivel energético, pasan por distintas moléculas transportadoras a favor de un gradiente de potenciales de oxidorreducción hasta llegar al O2, que es el aceptor final de electrones.

Estas moléculas transportadoras, en la membrana mitocondrial interna, se reducen y oxidan, aceptando electrones y cediéndoselos a la molécula siguiente, descendiendo los electrones desde niveles energéticos altos a otros inferiores. Al bajar a otros niveles se libera energía que se empleará en la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa.

Las moléculas transportadoras de electrones de la cadena respiratoria están agrupadas en cuatro grandes complejos supramoleculares situados en la membrana mitocondrial interna:

Complejo I o Complejo NADH-deshidrogenasa.

Complejo II o Ubiquinona o Coenzima Q reductasa.

Complejo III o Complejo citocromo b-c1.

Complejo IV o Complejo citocromo-oxidasa.

Fosforilación oxidativa: hipótesis quimiosmótica de Mitchell

La cadena respiratoria, en las crestas mitocondriales, está constituida por una serie de moléculas, los transportadores de protones (H+) y los transportadores de electrones (e-). Los protones y electrones van pasando de una a otra, desde el sustrato hasta el O2, que se reduce obteniéndose agua.

Al pasar los electrones de una molécula a la de menor nivel energético, se produce el paso de protones (H+) de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando una gran diferencia de potencial respecto al de la matriz. Después, los protones regresan a la matriz a través de los oxisomas, activando la ATP sintasa y formando ATP. A este proceso se le llama fosforilación oxidativa, y permite sintetizar ATP a partir de la energía obtenida en las moléculas de NADH y FADH2 liberadas en la glucólisis y en el ciclo de Krebs. De cada NADH se obtienen 3 ATP y del FADH2, sólo 2 ATP.

En la cadena de transporte electrónico:

3 ADP + 3Pi + NADH + O2 → 3 ATP + 2 NAD+ + H2O

2 ADP + 2Pi + FADH2 + O2 → 2 ATP + 2 FAD++ H2O

Para no perdernos en el proceso respiratorio, recordaremos que en la glucólisis se habían producido dos moléculas de NADH, la oxidación del ácido pirúvico a acetil CoA produjo dos moléculas de NADH, y el ciclo de Krebs produjo dos moléculas de FADH2 y seis moléculas de NADH por cada molécula de glucosa.

Este mecanismo por el que se obtiene ATP fue explicado por la hipótesis quimiosmótica o teoría del acoplamiento quimiosmótico, propuesta por Peter Mitchell en 1961.