Metabolismo Energético Celular: Ciclo de Krebs, Transporte de Electrones y Producción de ATP

Ciclo del Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)

El Ciclo del Ácido Cítrico, también conocido como Ciclo de Krebs, consiste en un ciclo de 8 reacciones enzimáticas en las cuales un grupo acetilo (proveniente del Acetil-CoA) es oxidado y descarboxilado.

Productos generados por cada grupo acetilo que entra al ciclo:

• 3 moléculas de NADH
• 1 molécula de FADH₂
• 2 moléculas de CO₂
• 1 molécula de GTP (equivalente a 1 ATP)

Considerando que cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis produce 2 moléculas de Acetil-CoA, el ciclo se completa dos veces por cada molécula de glucosa inicial.

Este proceso requiere oxígeno indirectamente (es aeróbico). La glucólisis rompe la molécula de glucosa generando 2 moléculas de ácido pirúvico (piruvato). El piruvato se transporta al interior de la mitocondria mediante un transportador de membrana. En la matriz mitocondrial, el piruvato se convierte en Acetil-CoA, que luego ingresa al ciclo.

Pasos clave del ciclo:

1. El Acetil-CoA (2 carbonos) reacciona con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos) para formar citrato (6 carbonos) mediante una reacción de condensación.
2. A través de varias reacciones, el citrato se isomeriza y se oxida gradualmente, regenerando oxaloacetato. Durante este proceso, se extraen 2 átomos de carbono que se liberan en forma de CO₂.
3. El ciclo consume 1 molécula de Acetil-CoA y produce 2 moléculas de CO₂. También consume 3 NAD⁺ y 1 FAD, produciendo 3 NADH + 3 H⁺ y 1 FADH₂.

Por cada molécula de glucosa (que genera 2 Acetil-CoA), el rendimiento total del ciclo es: 4 CO₂ + 2 GTP + 6 NADH + 6 H⁺ + 2 FADH₂.

El Ciclo del Ácido Cítrico también provee intermediarios importantes para rutas biosintéticas:

• Muchos aminoácidos se sintetizan a partir de α-cetoglutarato y oxaloacetato.
• El oxaloacetato puede ser convertido en glucosa (gluconeogénesis) dependiendo de las necesidades del organismo.

Transporte Electrónico y Fosforilación Oxidativa

Estos procesos utilizan los electrones de alta energía almacenados en NADH y FADH₂ (generados en la glucólisis, oxidación del piruvato y ciclo de Krebs) para impulsar la síntesis de ATP.

La energía liberada durante el transporte de electrones a través de la cadena respiratoria genera un gradiente electroquímico de protones (H⁺) a través de la membrana mitocondrial interna. Este gradiente es utilizado posteriormente en la fosforilación oxidativa por la ATP sintasa para producir ATP a partir de ADP y Pi.

Cadena Transportadora de Electrones

La cadena está compuesta por una serie de complejos proteicos embebidos en la membrana mitocondrial interna.

Complejo I (NADH:Ubiquinona Oxidorreductasa)

• Contiene aproximadamente 40 subunidades, incluyendo una flavoproteína (FMN), varios centros hierro-azufre (Fe-S) y utiliza la coenzima Q (CoQ, ubiquinona) como aceptor de electrones.
• Oxida NADH a NAD⁺.
• El agente oxidante final dentro del complejo es la CoQ, la cual se reduce a CoQH₂ (ubiquinol).
• Parte de la energía liberada en esta reacción redox se utiliza para bombear 4 H⁺ desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.
• Reacción neta (simplificada): NADH + H⁺ + CoQ → NAD⁺ + CoQH₂ + Energía (bombeo de H⁺)

Complejo II (Succinato:Ubiquinona Oxidorreductasa)

• Este complejo también es una enzima del ciclo del ácido cítrico (succinato deshidrogenasa).
• Oxida FADH₂ (que permanece unido al complejo) a FAD.
• El agente oxidante es la CoQ, la cual se reduce a CoQH₂.
• Importante: Este complejo no bombea protones H⁺ a través de la membrana.
• Reacción neta (simplificada): FADH₂ + CoQ → FAD + CoQH₂

Complejo III (Citocromo bc₁:Ubiquinol-Citocromo c Oxidorreductasa)

• Complejo integral de membrana que contiene 11 subunidades, incluyendo citocromo b, citocromo c₁, y centros Fe-S.
• Transfiere electrones desde el CoQH₂ (proveniente de los complejos I y II) al citocromo c (Cyt c), una proteína soluble en el espacio intermembrana.
• El complejo III bombea 4 H⁺ (provenientes del ciclo Q) al espacio intermembrana por cada molécula de CoQH₂ oxidada.
• Reacción neta (simplificada): CoQH₂ + 2 Cyt c (oxidado) → CoQ + 2 H⁺ (matriz) + 2 Cyt c (reducido) + 2 H⁺ (bombeados al espacio intermembrana)

Complejo IV (Citocromo c Oxidasa)

• Contiene 13 subunidades, incluyendo los citocromos a y a₃, y centros de cobre.
• Recibe electrones del citocromo c (reducido por el complejo III).
• Transfiere finalmente los electrones desde el Cyt a₃ al oxígeno molecular (O₂), el aceptor final de electrones, reduciéndolo a agua (H₂O).
• Parte de la energía liberada se utiliza para bombear 2 H⁺ desde la matriz al espacio intermembrana por cada par de electrones transferidos (o 4 H⁺ por cada molécula de O₂ reducida).
• Reacción neta (simplificada): 4 Cyt c (reducido) + O₂ + 8 H⁺ (matriz) → 4 Cyt c (oxidado) + 2 H₂O + 4 H⁺ (bombeados al espacio intermembrana)

Resumen del bombeo de protones:

• Por cada molécula de NADH oxidada (pasando por I, III, IV): Se bombean aproximadamente 10 H⁺ (4+4+2).
• Por cada molécula de FADH₂ oxidada (pasando por II, III, IV): Se bombean aproximadamente 6 H⁺ (0+4+2).

Fosforilación Oxidativa

La energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones (fuerza protón-motriz) es utilizada por el Complejo V (ATP Sintasa).

• Los protones (H⁺) fluyen de regreso a la matriz mitocondrial a través de un canal en la ATP sintasa, siguiendo su gradiente de concentración y carga eléctrica.
• La energía liberada por este flujo de protones provoca la rotación de partes de la enzima ATP sintasa.
• Esta energía mecánica rotacional se convierte en la energía química necesaria para catalizar la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).
• ADP + Pi + Energía (del gradiente de H⁺) → ATP + H₂O

Acoplamiento entre Oxidación (Transporte Electrónico) y Fosforilación

El transporte de electrones (oxidación) está estrechamente acoplado a la síntesis de ATP (fosforilación). El bombeo de protones crea el gradiente necesario para la ATP sintasa.

Las relaciones estequiométricas aproximadas (ratio P/O) más aceptadas actualmente son:

• Por cada NADH oxidado, se sintetizan aproximadamente 2.5 ATP.
• Por cada FADH₂ oxidado, se sintetizan aproximadamente 1.5 ATP.

Reacciones netas simplificadas (usando ratios P/O aproximados):

• NADH + H⁺ + ½ O₂ + 2.5 ADP + 2.5 Pi → NAD⁺ + H₂O + 2.5 ATP
• FADH₂ + ½ O₂ + 1.5 ADP + 1.5 Pi → FAD + H₂O + 1.5 ATP

Rendimiento del Ciclo de Krebs en términos de ATP (considerando fosforilación oxidativa con ratios 2.5/1.5):

• 3 NADH × 2.5 ATP/NADH = 7.5 ATP
• 1 FADH₂ × 1.5 ATP/FADH₂ = 1.5 ATP
• 1 GTP (equivalente a ATP) = 1 ATP
• Total por Acetil-CoA ≈ 10 ATP

Nota: El texto original utilizaba valores más antiguos de 3 ATP/NADH y 2 ATP/FADH₂. Con esos valores, el cálculo sería:

• 3 NADH × 3 ATP/NADH = 9 ATP
• 1 FADH₂ × 2 ATP/FADH₂ = 2 ATP
• 1 GTP = 1 ATP
• Total por Acetil-CoA (cálculo original) = 12 ATP

Rendimiento Energético Global de la Oxidación Completa de la Glucosa

Sumando la producción de ATP (o equivalentes) de todas las etapas, usando los ratios del texto original (3 ATP/NADH y 2 ATP/FADH₂) para mantener la coherencia con el cálculo final presentado:

1. Glucólisis (Citosol):
   • Producción directa: 2 ATP
   • Producción de 2 NADH: 2 NADH × 3 ATP/NADH* = 6 ATP
   • Total Glucólisis: 8 ATP
   • (*Asume la lanzadera malato-aspartato o un rendimiento teórico de 3 ATP por NADH citosólico)
2. Oxidación del Piruvato (Matriz Mitocondrial):
   • 2 Piruvato → 2 Acetil-CoA
   • Producción de 2 NADH: 2 NADH × 3 ATP/NADH = 6 ATP
3. Ciclo del Ácido Cítrico (Matriz Mitocondrial):
   • 2 Acetil-CoA → 4 CO₂
   • Producción de 2 GTP (equivalente a 2 ATP)
   • Producción de 6 NADH: 6 NADH × 3 ATP/NADH = 18 ATP
   • Producción de 2 FADH₂: 2 FADH₂ × 2 ATP/FADH₂ = 4 ATP
   • Total Ciclo Ácido Cítrico: 2 + 18 + 4 = 24 ATP

Rendimiento Total Neto por Glucosa (según cálculo original): 8 + 6 + 24 = 38 ATP

Nota: El rendimiento teórico máximo de 38 ATP es raramente alcanzado debido a factores como el uso del gradiente de protones para otros transportes o la "fuga" de protones. Los rendimientos de 30-32 ATP (calculados con ratios 2.5/1.5 y considerando las lanzaderas) son considerados más realistas fisiológicamente.

Gluconeogénesis

• Es la síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos simples (como piruvato, lactato, glicerol, ciertos aminoácidos).
• Ocurre principalmente en el hígado y, en menor medida, en la corteza renal.
• Es una ruta anabólica, esencialmente la inversa de la glucólisis, aunque no exactamente (comparte algunas enzimas pero evita los pasos irreversibles de la glucólisis mediante reacciones alternativas).
• Los precursores como lactato y aminoácidos generalmente se convierten primero en piruvato u oxaloacetato para entrar en la ruta.

Ciclo de Cori

• Describe la interrelación metabólica entre el músculo y el hígado durante el ejercicio anaeróbico.
• El músculo consume glucosa (glucólisis) y, en condiciones de bajo oxígeno, regenera NAD⁺ reduciendo el piruvato a lactato.
• El lactato es liberado a la sangre y transportado al hígado.
• En el hígado, el lactato es reoxidado a piruvato, que luego se utiliza para sintetizar glucosa mediante la gluconeogénesis.
• La glucosa hepática puede ser liberada a la sangre para ser utilizada por otros tejidos, incluyendo el músculo.

Ciclo de la Glucosa-Alanina

• Complementa al Ciclo de Cori, especialmente en el músculo durante el ayuno o ejercicio prolongado.
• El músculo en condiciones anaeróbicas o catabólicas produce piruvato (de la glucólisis) y grupos amino (de la degradación de proteínas musculares).
• El piruvato se transamina (recibe un grupo amino, usualmente del glutamato) para formar alanina.
• La alanina es liberada a la sangre y transportada al hígado.
• En el hígado, la alanina se desamina: el grupo amino se elimina (entrando al ciclo de la urea) y el esqueleto de carbono (piruvato) se utiliza para la gluconeogénesis.
• La glucosa producida puede volver al músculo.
• Esta vía permite transportar nitrógeno amínico del músculo al hígado de forma no tóxica y recuperar el esqueleto de carbono.

Vía de las Pentosas Fosfato

Es una ruta metabólica alternativa para la oxidación de la glucosa-6-fosfato.

Principales funciones:

• Generar NADPH: un cofactor reductor esencial para reacciones biosintéticas (síntesis de ácidos grasos, esteroides) y para proteger contra el estrés oxidativo (reducción del glutatión).
• Generar ribosa-5-fosfato: un precursor crucial para la síntesis de nucleótidos (ADN, ARN) y coenzimas (ATP, NAD⁺, FAD, CoA).

La vía consta de una fase oxidativa (irreversible, produce NADPH y pentosas) y una fase no oxidativa (reversible, interconvierte azúcares de 3, 4, 5, 6 y 7 carbonos).