Mecanismos de Síntesis de ATP y Respiración Celular Aerobia

Síntesis de ATP

La síntesis de ATP se produce de dos formas principales:

Mecanismos de Síntesis de ATP

1. Fosforilación a Nivel de Sustrato

Una molécula que posee un grupo fosfato de alta energía lo cede directamente al ADP para formar ATP.

2. Mediante Enzimas ATP Sintetasas (Fosforilación Oxidativa)

Es la síntesis de ATP catalizada por enzimas ATP sintetasas (ATPasa) existentes en las crestas mitocondriales. Los electrones liberados en las oxidaciones se dirigen hacia un sistema transportador y se genera energía que la enzima ATP sintetasa utiliza para unir un grupo fosfato al ADP.

Respiración Celular

Introducción a la Respiración Celular

Es una de las principales reacciones catabólicas donde se descompone la materia orgánica para desprender energía en forma de moléculas de ATP. La respiración puede ser aerobia o anaerobia, según se realice en presencia o ausencia de oxígeno.

Glucosa → Piruvato o Ácido Pirúvico → Respiración Aerobia

Respiración Aerobia de la Glucosa

La realizan los organismos eucariotas y parte de los procariotas. Previamente en el citoplasma, se obtiene el ácido pirúvico, el cual continúa la oxidación total hasta obtener CO₂ y H₂O. Esto ocurre en las mitocondrias.

Etapas de la Respiración Aerobia

1. Glucólisis (Citosol)

Tiene lugar en el citosol y su finalidad es convertir la molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico, desprendiendo dos moléculas de ATP.

Resumen: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 Ácido Pirúvico + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺ + 2 H₂O

Puntos clave:

• Tiene lugar en el citoplasma.
• Produce ATP.
• Eficacia energética baja: 2 ATP.
• Genera poder reductor: 2 NADH.
• No requiere la presencia de oxígeno.
• Se obtienen dos moléculas de piruvato.

2. Formación de Acetil-CoA (Matriz Mitocondrial)

Este ácido pirúvico sufre una descarboxilación oxidativa, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. El piruvato entra en la mitocondria, se descarboxila y se convierte en ácido acético. Mediante la coenzima A, se convierte en Acetil-CoA.

Ácido Pirúvico → Ácido Acético → Acetil-CoA

Reacción catalizada por un complejo multienzimático, la piruvato deshidrogenasa, en dos etapas:

1. Pérdida de un grupo carboxilo en forma de CO₂.
2. Oxidación del grupo ceto a carboxilo.

Esta oxidación produce una molécula de NADH.

Ácido Pirúvico (3C) + CoA-SH + NAD⁺ → Acetil-CoA (2C) + CO₂ + NADH + H⁺

3. Ciclo de Krebs o Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos (Matriz Mitocondrial)

Es un conjunto cíclico de reacciones que produce una oxidación completa del Acetil-CoA hasta CO₂. Tiene lugar en la matriz mitocondrial y consiste en una serie de reacciones en círculo, alimentadas por el Acetil-CoA. Por cada molécula de glucosa, entrarán dos moléculas de Acetil-CoA en el ciclo de Krebs.

Por una vuelta del ciclo de Krebs, se obtienen:

• Energía: 1 GTP (por fosforilación a nivel de sustrato).
• Poder reductor: 3 NADH y 1 FADH₂.
• 2 CO₂ por vuelta.

Por una vuelta de Acetil-CoA: 3 NAD⁺ + GDP + Pi + FAD + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + GTP + FADH₂

4. Fosforilación Oxidativa (Membrana Interna Mitocondrial)

La fosforilación oxidativa es el mecanismo principal de síntesis de ATP en la respiración celular. Tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria. Se realiza por la unión de un grupo fosfato al ADP, mediante un enlace de alta energía. La enzima que cataliza es la ATP sintasa (ATPasa).

Se realiza en 3 etapas:

1. Transporte electrónico.
2. Formación del gradiente quimiosmótico.
3. Síntesis de ATP.

4.1. Transporte Electrónico

Los electrones liberados por las coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) en el ciclo de Krebs son transportados por la cadena transportadora de electrones en las crestas mitocondriales hasta el oxígeno, que actúa como aceptor final, para formar agua. La cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria está formada por un conjunto de moléculas proteicas asociadas a la membrana interna mitocondrial.

Los transportadores de electrones de la cadena respiratoria están organizados en 4 grandes complejos proteicos en la membrana mitocondrial interna:

• Complejo I: Complejo NADH deshidrogenasa.
• Complejo II: Complejo Succinato deshidrogenasa.
• Complejo III: Complejo Citocromo bc₁.
• Complejo IV: Complejo Citocromo c oxidasa (Citocromo a-a₃).

4.2. Formación del Gradiente Quimiosmótico

La energía que los electrones van perdiendo al pasar por estas moléculas transportadoras se emplea en bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, donde se acumulan. Esta acumulación de H⁺ origina un potencial electroquímico de membrana. Entre las dos caras de la membrana mitocondrial interna se produce una diferencia de concentración de protones y una separación de cargas eléctricas.

4.3. Síntesis de ATP

(Esta etapa, impulsada por el gradiente quimiosmótico a través de la ATP sintasa, es la fase final de la fosforilación oxidativa donde se produce la mayor cantidad de ATP).