(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La respiración celular)(Introducción)(Generalidades de la respiración celular)(La betaoxidación de la grasa)(Introducción al ciclo de Krebs)(Reacciones del ciclo de Krebs 1, hasta GTP)(Reacciones del ciclo de Krebs 2, regeneración del oxaloacetato)( Coenzimas y membrana celular en la respiración celular)(Portadores de electrones en la cadena de transporte respiratoria)(La cadena de transporte de electrones respiratoria)(Fosforilación oxidativa)(El ejercicio y la respiración aeróbica)(Resumen)(Evolución)(¿Y por qué engordamos?)(Referencias bibliográficas)(Documento versión word)
Hay que pensar en el origen y necesidad de la respiración
celular aeróbica, no como una ganancia evolutiva para obtener energía, sino
como un mecanismo que permitió evitar el problema del piruvato, es decir, un
proceso que al igual que las fermentaciones busca en esencia proteger a la
célula, aunque claro, una vez que se estableció, le permitió a las bacterias
obtener más energía de la célula sin aumentar la acidez del medio.
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Recuerde que, debido al equilibrio químico, los nombres piruvato y
ácido pirúvico en estas ecuaciones se tratan como sinónimos.
Todas las rutas metabólicas sufren del problema de
intermediarios metabólicos, que experimentan reacciones reversibles o que cuyos
sustratos están limitados en cantidad. En cuanto a la glucólisis por ejemplo,
la acumulación del ácido pirúvico puede conllevar fácilmente a la parálisis de
la ruta metabólica de la glucosa (Borichewski, 1967; Marı́, Bai, & Cederbaum, 2002; Matin, 1978), lo cual priva a la célula de
su fuente energética. De hecho, este evento se da en el envenenamiento por
arsénico, el cual causa una acumulación de piruvato por inhibición de la enzima
que lo integra a la respiración aeróbica en los seres humanos (Ghosh & Sil, 2014; Jomova et al., 2011; Petrick, Jagadish, Mash,
& Aposhian, 2001; Tchounwou, Centeno, & Patlolla, 2004).
Dado que el piruvato es toxico si se acumula, la célula debe
“hacerse cargo” de él, modificándolo a una forma química menos toxica y
expulsándolo de la célula como desecho “excreción”. Adicionalmente existe otro
dilema celular que debe ser afrontado por la célula. Si recordamos la primera
reacción de obtención de energía de la glucólisis, en esta se reduce una
molécula de NAD para producir una de NADH:H+, esta molécula de NADH:H+
posee energía y puede ser empleada para otros fines metabólicos. Pero si nos
encontramos en un evento en el que se acumula ácido pirúvico, también se da un
evento de acumulación de NADH:H+ con un consumo de NAD, el problema
es que las cantidades de NAD en la célula son limitadas, por lo que, si no se
hace nada con él, sus cantidades se agotan y por lo tanto este paso de la
glucólisis se interrumpe cortando el chorro de energía por fosforilación de
sustrato “un trancón en la “ruta” metabólica”.
Durante la respiración celular aeróbica el problema de la
secuestración del NADH se resuelve por medio de la cadena de transporte de
electrones, desligándolo del asunto del piruvato. Recordemos que en las
fermentaciones generalmente se sacrifica NADH:H+ para convertir el
piruvato en algo menos tóxico y se expulsa. Durante la respiración celular lo
que va a suceder es que el piruvato se oxida a dióxido de carbono y agua, y la
energía se transfiere a NAD y FAD, para producir NADH:H+ y FADH, los
cuales posteriormente regresan a sus formas de baja energía en la cadena de
transporte de electrones, evitando la secuestración del NAD+. La
principal ventaja es que la oxidación del piruvato y la transferencia de toda
la energía del NADH:H+ a la cadena de transporte de electrones lo
que conlleva es a un aprovechamiento neto de la energía, ya no se desaprovecha
la energía en una excreción inútil como en la fermentación, sino que se
transfiere la energía en producir ATP.
Oxidar el piruvato a su vez trae otra cascada de
consecuencias de naturaleza química. La oxidación de un compuesto orgánico
requiere un aceptor de electrones, tal como:
Todos los cuales son explotados como oxidantes en diferentes
organismos, sin embargo, tradicionalmente se distinguen dos grupos, los
organismos que respiran anaeróbicamente y los que respiran aeróbicamente. En
los organismos aerobios, los electrones producidos por el metabolismo oxidativo
son finalmente transferidos a O2 cuando han perdido su energía, lo
cual induce la síntesis de agua, siendo la reacción opuesta a la fotólisis del
agua en la fotosíntesis. La oxidación de los combustibles metabólicos se lleva
a cabo por el ciclo del ácido cítrico, una secuencia de reacciones que
surgieron en algún momento después de que los niveles de oxígeno atmosférico se
hicieron significativos, hace aproximadamente entre 3,0-2,4 mil millones de
años. A medida que los átomos de carbono reducidos de los combustibles
metabólicos se oxidan a CO2, los electrones se transfieren a
portadores de electrones que son posteriormente reoxidados por O2
para formar agua. En esta unidad, examinamos las reacciones de oxidación del
propio ciclo del ácido cítrico y el destino de los electrones, analizando cómo
su energía se utiliza para impulsar la síntesis de ATP.
Antes que nada, hablando de términos, esta es la verdadera
RESPIRACIÓN, como proceso de obtención de energía. En los animales, por
ejemplo, los sistemas respiratorio y digestivo sirven para que se de este
proceso, el sistema respiratorio “sistema de intercambio de gases” proporciona
el oxígeno que será empleado en la cadena de transporte de electrones” mientras
que el digestivo y circulatorio proporcionan los materiales, grasas y azucares
para inducir las reacciones de transferencia de energía. Las reacciones más
importantes ocurren sin duda gracias a los mecanismos de transporte a través de
membrana como el transporte activo, el transporte pasivo facilitado y el
trasporte pasivo para los gases metabólicos oxígeno y dióxido de carbono.
La respiración celular aeróbica no es un proceso aislado,
sino que se encuentra unido a muchas rutas accesorias como la famosa glucólisis,
la oxidación de la grasa y los metabolismos de los aminoácidos. Por tradición
el ciclo de Krebs y la cadena de transporte se estudian como continuaciones de
la glucólisis, pero eso no es necesariamente cierto. Sin embargo, estas
desviaciones de la tradición las discutiremos posteriormente, así que nos
concentraremos en la ruta clásica glucólisis → ciclo de Krebs → cadena de
transporte de electrones respiratoria.
Como se vio anteriormente, la glucólisis termina con la
producción del piruvato, una molécula de alta energía, pero que al mismo tiempo
es toxica para la célula. Las rutas metabólicas fermentativas sacrifican
energía en forma de los electrones y el protón altamente energéticos que había
sodio producidos en el primer paso de la glucólisis para producir alcohol
metílico y/o el ácido láctico. La respiración celular aeróbica es la otra
solución posible para el problema del ion piruvato, sin embargo, esta solución
posee una ventaja extra, no solo transforma al piruvato en dióxido de carbono
que puede ser difundido fácilmente a través de la membrana, sino que al mismo
tiempo produce una enorme cantidad de moléculas de NADH mediante una serie de
reacciones denominadas ciclo de Krebs.
En las bacterias aeróbicas la glucólisis ocurre en el
citoplasma, y al mismo tiempo se integra al ciclo de Krebs, pero en la relación
endosimbiótica, la célula eucariota realiza la glucólisis, mientras que la
mitocondria realiza el ciclo de Krebs. De esta manera tenemos ya un problema,
el ciclo de Krebs ocurre en la matriz mitocondrial, mientras que el ion piruvato
es formado en el citoplasma celular, por lo cual se requiere de un mecanismo de
transporte que envíe al piruvato desde el citoplasma al interior de la
membrana. Inicialmente esta función es llevada a cabo por una coenzima compleja
derivada del ácido pantoténico denominada Coenzima A. La fusión de la Coenzima
A con el piruvato forma una molécula llamada acetil-Coenzima A la cual es el
combustible precursor de las reacciones del ciclo de Krebs.
La habilidad de emplear oxígeno para lograr la máxima
oxidación de una molécula orgánica puede verse en términos químicos como algo
bastante obvio. De cualquier molécula con base en carbono el dióxido de carbono
es la que posee la máxima oxidación. Del mismo modo la oxidación completa de los
compuestos orgánicos involucra la degradación de la estructura compleja a
moléculas de dióxido de carbono con una importante liberación de energía. Aun
así, desde la perspectiva química lograr la máxima oxidación no es algo
universalmente distribuido a diferencia de lo que sucede con la glucólisis.
Como vimos en temas pasados, la glucólisis deja como resultado dos moléculas de
ácido pirúvico la cual en muchas ocasiones no es oxidada en su totalidad, si no
que para las rutas fermentativas es de hecho reducida y expulsada de la célula,
en otras palabras no todos los seres vivos son capaces de lograr la máxima
oxidación de las moléculas en base de carbono.
Otro ejemplo son aquellas bacterias productoras de metano,
el metano es una molécula orgánica reducida susceptible de oxidaciones
subsecuentes, pero estas bacterias parecen incapaces de lograrlo. Las rutas
respiratorias de máxima oxidación son raras y pueden deberse a una razón que se
encuentra registrada en el registro paleoquimico de la Tierra y es la disponibilidad
del oxígeno molecular. Cuando la Tierra se formó hace unos 4,5 mil millones de
años, los volcanes calientes liberaron enormes cantidades de oxigeno molecular.
Este oxigeno molecular rápidamente comenzó a oxidar todo lo que se encontraba a
su paso, generando las grandes reservas de solidos minerales de la corteza
terrestre que son óxidos. Los óxidos del hierro, los óxidos de los metales
alcalinos, los óxidos de los metales de transición, pero especialmente el óxido
del hidrogeno al cual llamamos agua (Blankenship & Hartman,
1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump, 2008; Kump
& Barley, 2007; Planavsky et al., 2014; Tarbuck, Lutgents, & Tasa,
2014).
De esta manera al llegar la etapa de 3.8 mil millones de
años el oxígeno molecular libre en la atmósfera se había desvanecido, o en
otras palabras, había sido secuestrado por todas las demás especies químicas de
la superficie del planeta formando líquidos o sólidos. Sin oxígeno, la vida
tuvo que desarrollar rutas metabólicas que no lo empleaban, y es bueno ya que
el oxígeno en sí mismo es más una amenaza para el material genético que otra
cosa. La primera fotosíntesis, que aún sigue siendo realizada por ciertos tipos
de bacterias no produce oxígeno, simplemente libera electrones de ciertos
minerales con el apoyo del Sol y a esto lo denominamos fotosistema I. Del mismo
modo el poder emplear oxigeno molecular en una ruta metabólica tuvo que esperar
a que este estuviera disponible en grandes cantidades y esto solo sucedió hasta
que evolucionó el fotosistema II en las cianobacterias. Cuando el oxígeno
molecular gaseoso se hizo común en la atmósfera muchas bacterias empezaron a
morir, otras prosperaron en ambientes donde el oxígeno molecular nunca pudo
llegar, otras desarrollaron esporas para aislarse cuando este las alcanzaba,
otras desarrollaron enzimas para neutralizarlo y transformarlo en especies
químicas menos toxicas (Blankenship & Hartman,
1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump, 2008; Kump
& Barley, 2007; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).
Sin embargo, un grupo de bacterias desarrolló un grupo de
enzimas insertadas en la membrana semejantes a aquellas que permitían las
reacciones lumínicas de la fotosíntesis que permitía dos cosas de manera
simultánea, transformar el oxígeno gaseoso toxico en una especie inocua “agua”
y al mismo tiempo usar esta reacción para extraer la máxima energía del ácido
pirúvico, de este modo estas dos reacciones se conectaron mediante el ciclo de
Krebs. Con el nacimiento de la respiración oxidante, los seres vivos fueron
capaces de extraer la máxima energía de los nutrientes y de equilibrar el ciclo
biogeoquímico del carbono. Sin embargo la respiración oxidante es un desarrollo
de procariotes, ningún eucariote puede por sí mismo realizar esta ruta
metabólica, pues estas células se encuentran limitadas a rutas fermentativas (Blankenship & Hartman,
1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump, 2008; Kump
& Barley, 2007; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).
La única razón por la cual la mayoría de los eucariotes
puede realizar la respiración celular aeróbica es por la presencia del organelo
mitocondria, sin embargo, este organelo se diferencia mucho del sistema de
membranas internas. Más aun y como veremos en el siguiente tema, las
mitocondrias se asemejan más a las bacterias que a las membranas como el
aparato de Golgi o las vesículas digestivas de una célula eucariota (Blankenship & Hartman,
1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump, 2008; Kump
& Barley, 2007; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).
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