En la unidad básica de la vida, la célula, se llevan a cabo algunos procesos que están destinados a transformar la energía contenida en los nutrientes. Dicha transformación puede servir para convertir compuestos químicos en biomoléculas con una carga energética que será utilizada por la célula, o por el organismo. Estos procesos metabólicos son muy diversos. Una de las rutas que sigue la célula es la respiración celular o transformación de biomoléculas en energía, en presencia o ausencia de oxígeno.

En la respiración celular pueden intervenir tres procesos acoplados. La primera etapa es la glucólisis, que es el primer paso para descomponer la glucosa en adenosin trifosfato (ATP), y que ocurre en ausencia de oxígeno. Si hay presencia de oxígeno, las moléculas derivadas de la glucólisis entran al ciclo de Krebs para liberar los electrones o hidrógenos que participarán en la última etapa o ruta metabólica, la cadena electrónica. Pero veamos con más detalle estos procesos.

Glucólisis

Todas las células regeneran ATP a partir de la glucólisis. Esta vía metabólica culmina con la transferencia de una parte de la energía potencial de la glucosa al ATP, mediante la transferencia de fosfatos de alta energía (fosforilos) al ADP.

La glucólisis se realiza en el seno del citoplasma sin necesidad de estructuras más allá de las enzimas y coenzimas, sólo necesita azúcar y fosfatos, estos últimos los puede reciclar a partir de los que ya están en el citosol, y si tomamos esto en cuenta, se puede decir que sólo se necesita azúcar, nada más. El procedimiento es sencillo. Si se activa una molécula de azúcar (el usado por todos los seres vivos es la glucosa) se forman dos moléculas, a las que al agregarles fósforo inorgánico se oxidan.

Los enlaces de los fósforos se vuelven de alta energía y se transfieren a moléculas de ADP y se forma el ATP.  La glucosa queda convertida en dos moléculas de tres carbonos cada una (2 ácidos pirúvicos) y la célula repone dos ATP.

Pero los dos ácidos pirúvicos aún contienen una gran cantidad de energía. Además, no hay que olvidar que las moléculas resultantes de la ruptura de la glucosa se oxidaron y que por lo tanto también hay dos moléculas de NADH₂. El destino de los ácidos pirúvicos y de los hidrógenos en un nivel energético superior, retenidos en el NAD dependerá de las condiciones de la célula.

Glucólisis en ausencia de oxígeno

Todas las células de todos los seres vivos inician la obtención de energía de los glúcidos mediante la glucólisis, un proceso que como vimos, no necesita más que azúcar, el fósforo inorgánico puede tomarse del que hay en la célula. Si se realiza en ausencia de oxígeno, es decir, si por algún motivo no llega suficiente oxígeno a las células, éstas, con la glucólisis, podrán transferir energía del azúcar al ADP y reponer el ATP gastado. Como podemos observar éste no es un proceso muy eficiente; en realidad esta no es la causa por la que las células pueden sobrevivir en ausencia de oxígeno; es por consecuencia de la evolución. La glucólisis es un fósil metabólico que todos los seres vivos heredaron de las primeras bacterias anaerobias fermentadoras que poblaron la Tierra.

Podríamos, especificar que el proceso de la glucólisis se realiza en dos momentos: en el primero se originan moléculas de tres carbonos debido a la transformación de la glucosa, mientras que en el segundo, las moléculas de carbono se convierten en dos moléculas de ácido pirúvico, ATP y NADH + H⁺, como se muestra en el siguiente fichero:

La fermentación no otorga ventajas a las células en un mundo con oxígeno libre. La condición anaerobia conduce a la formación de productos tóxicos, los cuales no soportan todas las células y les ocasionan la muerte, un ejemplo de ello son las neuronas, el músculo cardiaco y las células renales. En cambio, las células musculares pueden resistir la acumulación de ácido láctico que se produce si la glucólisis se realiza en ausencia de oxígeno. Dicho de otra manera, si al final de la glucólisis no hay oxígeno para continuar procesando el ácido pirúvico y los hidrógenos que se encuentran en el NAD, el ácido pirúvico recupera los hidrógenos y se convierte en ácido láctico que es tóxico para las células.

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Glucólisis en presencia de oxígeno.

Si a las células les  llega suficiente oxígeno,  el ácido pirúvico entra en una vía metabólica que le permitirá extraer toda la energía de la molécula y los hidrógenos retenidos en el NAD aportarán la energía para obtener una gran cantidad de ATP y, además no producirán sustancias tóxicas. En pocas palabras, se llevará a cabo la respiración celular.

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Respiración celular: Ciclo de Krebs y Fosforilación oxidativa.

La manera más efectiva de restaurar ATP es mediante la fosforilación oxidativa, en la que se aprovecha la energía de los hidrógenos que se transfirieron al NAD al oxidarse los compuestos orgánicos, para unir fósforo inorgánico al ADP, de ahí el nombre de fosforilación oxidativa.

Para lograr la fosforilación oxidativa, lo primero es oxidar las moléculas orgánicas, es decir, quitarles hidrógenos. Durante la glucólisis ya hubo una primera oxidación del azúcar, pero el ácido pirúvico todavía contiene hidrógenos (CH₃-CO-COOH), y energía que se puede utilizar para restaurar ATP. Por otro lado, también quedan grasas, proteínas y hasta ácidos nucleicos que pueden ser empleados como fuentes de energía, que si bien no se emplean regularmente para ese fin hay casos en que ocurre de tal modo.

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La oxidación completa de cualquier sustancia orgánica tiene lugar en la matriz mitocondrial que es donde se encuentra la maquinaria metabólica del Ciclo de Krebs, constituida por enzimas, coenzimas y un ácido que recibe fragmentos de cualquier sustancia orgánica (azúcares, grasas, proteínas, ácidos nucleicos) que de este modo interactúa con enzimas y coenzimas y permite la oxidación total de la molécula. Al terminarse la oxidación, y con ello la destrucción de la molécula orgánica, el ácido transportador vuelve a estar listo para su función mediadora, por esto se le conoce como un proceso cíclico.

Ahora podrás explicar por qué la oxidación total de las moléculas orgánicas conduce a la destrucción de las mismas moléculas orgánicas.

En este diagrama del Ciclo de Krebs, observa que las oxidaciones (salidas de H₂) preceden a las descarboxilaciones y que hay un aceptor de hidrógenos diferente al NAD.

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Entrada al ciclo de Krebs.

Todas las sustancias orgánicas van a dar al ciclo de Krebs, convertidas en residuos de dos carbonos (ácido acético o acetato), que se unen al ácido aceptor. Para ello la célula tiene toda una estructura muy compleja (que flota en la matriz mitocondrial) donde se encuentra un conjunto de enzima más la coenzima A (CoA) que tiene alta energía y es la encargada de transportar el fragmento de dos carbonos. En esa estructura culmina la transformación de los fragmentos de compuestos orgánicos, sean los que sean, y al final la CoA produce la unión del acetato al ácido oxalacético.

La obtención de energía en el ciclo de Krebs.

El ciclo de Krebs no es productor de ATP, aunque hay una fosforilación a nivel sustrato, mediada por la CoA, en la siguiente oxidación los hidrógenos son captados por el dinucleótido de flavina y adenina (FAD) que los recibe en un nivel energético menor que el NAD, con lo que tendrán un menor rendimiento al transferir su energía en la formación de ATP.

Regresa al esquema del ciclo de Krebs y observa que al terminar la última descarboxilación (pérdida de CO₂) interviene de nuevo la CoA que lleva a cabo una transfosforilación. Observa que no se forma directamente ATP, pero recuerda que el GTP tiene el mismo nivel energético y puede ceder sus fosforilos al ADP.

Si bien el ciclo de Krebs, en términos prácticos, no es productor de ATP, al poner los hidrógenos en el NAD y el FAD ha liberado energía potencial de las sustancias orgánicas y la ha dejado lista para ser transformada en ATP. El siguiente punto es comprender como la energía de los hidrógenos que se encuentran en el NAD y el FAD, es transferida al ATP.

Fosforilación oxidativa

La maquinaria bioquímica con que se realiza la síntesis de ATP a partir de fósforo inorgánico, se encuentra dispuesta en la membrana interna de la mitocondria, ordenada en cadenas donde hay enzimas, bombas de protones y transportadores de electrones. Asociadas a estas cadenas, las enormes estructuras enzimáticas  encargadas de unir fósforo inorgánico al ADP y formar ATP, las ATP sintasas sobresalen hacia el interior de la matriz mitocondrial.

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Las cadenas de óxido-reducción o respiratorias trabajan con los hidrógenos que aportan el NADH y el FADH. Cada cadena está constituida por cuatro complejos donde hay enzimas, bombas de protones y aceptores de electrones.

La energía la proporcionan los electrones de los hidrógenos provenientes de sustancias orgánicas, los aceptores de electrones los transmiten de un complejo a otro y en cada uno son recibidos en un nivel energético más bajo, por lo que liberan energía. Esta energía libre la aprovechan las bombas de protones para trasladar los protones de los hidrógenos al otro lado de la membrana interna, es decir, al espacio intermembranal, de modo que ahí se acumulan en gran cantidad. Este desnivel entre un lado y otro de las membrana lleva a que los protones se precipiten siguiendo el gradiente de concentración a través del canal central de las ATP sintasas, liberando a su paso la energía que obtuvieron al ser trasladados. La ATP sintasa aprovecha esa energía para unir Pi al ADP.

Para que estas cadenas puedan funcionar, deben ser continuamente drenadas, el drenado corre a cargo del oxígeno que recoge los electrones del último nivel más bajo de energía, y acepta los protones convirtiéndose en agua.

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