Respiración Celular: Descarboxilación del Piruvato y Ciclo de Krebs

Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico

El ácido pirúvico procedente de la glucólisis es transportado desde el citosol a la matriz de la mitocondria, donde pierde una molécula de CO₂ y es oxidado para formar ácido acético en un proceso de descarboxilación oxidativa. El ácido acético es transferido, mediante la misma reacción, a una molécula de coenzima A para formar acetil-CoA. Este proceso es catalizado por el complejo enzimático piruvato-deshidrogenasa. Los electrones liberados son recogidos por el NAD⁺, que se reduce para formar NADH.

El Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs, conocido también como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, consta de una serie de reacciones donde los dos átomos de carbono del ácido acético se oxidan totalmente para formar dos moléculas de CO₂. Cada molécula de ácido acético que es oxidada en el ciclo de Krebs permite formar:

• Tres moléculas de NADH.
• Una de FADH₂.
• Una de GTP (un nucleótido que es equivalente en energía al ATP).

Etapas del ciclo de Krebs

1. El acetil-CoA transfiere el grupo acetilo a una molécula de ácido oxalacético para formar ácido cítrico. Esta reacción es catalizada por la enzima citrato-sintasa.
2. El ácido cítrico se transforma en ácido isocítrico, en una reacción que supone la salida y la posterior entrada de una molécula de agua y la formación de un compuesto intermedio, el ácido cis-aconítico. Esta reacción es catalizada por la enzima aconitasa (aconitato-hidratasa).
3. El ácido isocítrico pierde una molécula de CO₂ y se oxida para formar ácido α-cetoglutárico. Esta reacción está catalizada por la enzima isocitrato deshidrogenasa, cuya coenzima es el NAD⁺, que se reduce a NADH + H⁺.
4. El ácido α-cetoglutárico se oxida por acción de la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa y libera una molécula de CO₂ para formar succinil-CoA. Se forma un enlace con una molécula de coenzima A. Los electrones son recogidos por el NAD⁺, que se transforma en NADH + H⁺.
5. El succinil-CoA se rompe para formar ácido succínico y coenzima A. Esta reacción libera energía suficiente para sintetizar GTP a partir de GDP y ácido fosfórico. Esta reacción está catalizada por la succinato tioquinasa.
6. El ácido succínico se oxida y da lugar al ácido fumárico, por acción de la enzima succinato deshidrogenasa. Los electrones son recogidos por la coenzima FAD, que se reduce a FADH₂.
7. El ácido fumárico adiciona una molécula de agua y se transforma en ácido málico. Es una reacción de hidratación catalizada por la enzima fumarasa.
8. El ácido málico sufre una deshidrogenación que da lugar a la formación de ácido oxalacético, con lo que se cierra el ciclo. Esta reacción está catalizada por la enzima malato deshidrogenasa, que utiliza como coenzima al NAD⁺ y que se reduce para formar NADH + H⁺.

Reacción global del sistema piruvato deshidrogenasa y del ciclo de Krebs

Ácido pirúvico + 2H₂O + 4NAD⁺ + FAD + GDP + P_i → 3CO₂ + 4NADH + 4H⁺ + FADH₂ + GTP

Balance energético del catabolismo de la glucosa

Fermentaciones

En las fermentaciones, la oxidación parcial de una molécula de glucosa mediante la glucólisis genera coenzimas reducidas (NADH), que son oxidadas de nuevo sin que se produzca liberación de energía. La síntesis de ATP que tiene lugar en estos procesos es únicamente la que se produce en la fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis. La oxidación incompleta de una molécula de glucosa en la fermentación láctica o alcohólica rinde dos moléculas de ATP.

Respiración aerobia

En la respiración aerobia, la oxidación completa de una molécula de glucosa hasta los productos finales CO₂ y H₂O puede producir hasta 38 moléculas de ATP como resultado de los procesos de fosforilación a nivel de sustrato (en la glucólisis y en el ciclo de Krebs) y de la fosforilación oxidativa.

Rendimiento energético de la respiración aerobia de la glucosa

• Cada molécula de NADH producida por la glucólisis puede dar lugar a dos o tres moléculas de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa, dependiendo de su vía de entrada a la mitocondria.
• En la mitocondria ocurre la descarboxilación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs. Cada molécula de NADH en la cadena respiratoria permite sintetizar tres moléculas de ATP, mientras que cada FADH₂ permite sintetizar dos moléculas de ATP.

En conclusión, cada molécula de glucosa que se oxida totalmente mediante la respiración aerobia da lugar a 6 moléculas de CO₂ y a un total de 38 moléculas de ATP (pudiendo ser 36 según el transporte del NADH citosólico).