¿Por qué es la energía liberada del glucosa controlada por células con precisión en lugar de la combustión que emite toda la energía en un corto tiempo? El secreto es que la respiración aeróbica celular involucra muchas reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas especializadas. Solo pequeños cambios ocurren en cada reacción. Estas reacciones se clasifican en 3 etapas: glucólisis, ciclo del ácido cítrico y cadena de transporte de electrones.
Glucólisis: descomposición anaeróbica de glucosa
El término glucólisis significa "división de azúcar." La glucosa se divide en dos azúcares de tres carbonos que pierden átomos de hidrógeno en pasos posteriores. Los átomos restantes se reorganizan para formar dos moléculas de piruvato. La glucólisis se divide en dos fases: fase de inversión de energía y fase de recompensa de energía. Durante la fase de inversión de energía, la célula consume 2 ATP para fosforilar el sustrato y superar la barrera de energía de activación. Esta inversión se paga con intereses en la fase de recompensa de energía: se sintetizan 4 ATP y otro compuesto de alta energía, NADH. Así, el beneficio neto es 2 ATP y 2 NADH.
La glucólisis no depende del oxígeno. Cuando el oxígeno es abundante, el piruvato se procesa más en la mitocondria. Si es una condición anaeróbica, el siguiente metabolismo es la fermentación. La glucólisis tiene 10 pasos que ocurren todos en el citoplasma. La mayoría de los pasos son reversibles, pero tres pasos irreversibles (1, 3, 10) deben superar barreras de energía. El tercer paso es el más importante. La muy ineficiente PFK-1 es la enzima limitante de la velocidad en la glucólisis. El ATP y el ácido cítrico la inhiben, mientras que el ADP y el AMP la activan. Casi todos los organismos pueden usar la glucólisis para obtener energía de la glucosa. Esto muestra indirectamente que todos compartimos un ancestro común.
Ciclo del Ácido Tricarboxílico (TCA)
Dado que la mayor parte de la energía sigue en el piruvato, el piruvato se transporta a la matriz mitocondrial en condiciones ricas en oxígeno. Antes de entrar en el ciclo TCA, el complejo multienzimático oxida el piruvato. Un grupo carboxilo se convierte en dióxido de carbono. El fragmento restante de dos carbonos pierde dos átomos de hidrógeno para transferir energía en 2 NADH. El CoA se une con las partes restantes para formar acetil-CoA.
El acetil-CoA lleva abundante energía al ciclo del ácido cítrico. Este ciclo fue descubierto por Krebs en la década de 1930, y el ácido cítrico, un ácido orgánico con tres grupos carboxilo, es el producto inicial, por lo que también se llama ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico.
Un compuesto de cuatro carbonos, el oxaloacetato, está en el punto de partida del ciclo TCA de ocho pasos. Se combina con acetil-CoA para formar un compuesto de seis carbonos, el citrato. En la vía metabólica cíclica, su grupo carboxilo se convierte en dióxido de carbono, y los átomos de hidrógeno se transfieren a 6 NADH y 2 FADH₂. En el último paso, el malato se sintetiza en oxaloacetato, y la vía regresa al punto de partida. La fosforilación a nivel de sustrato también produce 2 ATP o 2 GTP. El ciclo de Krebs es como una estación de tránsito metabólica, y sus intermediarios se comparten con otros metabolismos.
Cadena de Transporte de Electrones o Cadena Respiratoria, Quimiósmosis
Hasta ahora, se han cosechado 4 ATP, 10 NADH y 2 FADH₂. La mayor parte de la energía está almacenada en estos compuestos como energía potencial eléctrica. En condiciones aeróbicas, esta energía se libera gradualmente a través de la cadena respiratoria que se encuentra en la membrana interna mitocondrial en eucariotas. En procariotas, está en la membrana plasmática. Sus componentes principales son cuatro complejos multiproteicos. Los electrones pasan fácilmente a través de ella porque contiene elementos de hierro conductores (grupos hierro-azufre y citocromo c).
Los electrones de NADH son capturados por el Complejo I. Si el FADH₂ proporciona electrones, el primer aceptor es el Complejo II. La molécula lipófila coenzima Q se mueve libremente dentro de la membrana como un camión entregando mercancías. Se desplaza entre complejos para transferir electrones desde el Complejo I y II al Complejo III. El citocromo c está ubicado entre el Complejo III y IV. Finalmente, los electrones son retirados del Complejo IV por oxígeno y se combinan con protones para formar moléculas de agua. La secuencia de transferencia de electrones es estrictamente inalterable porque el siguiente portador tiene una mayor afinidad por los electrones. Despojan de electrones al portador anterior y se unen con ellos. Esto es favorable termodinámicamente debido a la caída en la energía potencial. Cada complejo contiene múltiples proteínas de este tipo, por lo que la energía potencial de los electrones se libera en muchos pasos gradualmente. Al igual que cuando caminas por las escaleras desde el segundo piso al primer piso, un poco de energía potencial gravitatoria se libera por escalón.
Las reacciones bioquímicas en la cadena respiratoria solo liberan energía, entonces ¿cómo se produce ATP?
La teoría generalmente aceptada es el mecanismo de quimiósmosis. A medida que los electrones pasan por los complejos proteicos I, III y IV, la energía disminuida se gasta en el transporte de iones de hidrógeno (protones) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana donde se crea una mayor concentración de protones. La membrana interna plegada forma muchas crestas mitocondriales que estabilizan el gradiente de protones y aumentan la superficie. El valor de pH es de aproximadamente 5 en las crestas. Los protones no pueden penetrar directamente las crestas para llegar a la matriz. El único camino para ellos son las ATP sintasas que atraviesan la membrana interna mitocondrial.
La ATP sintasa consta de subunidades F0 y F1. El protón entra por su canal iónico y es adsorbido en la subunidad F0 cuyo cambio conformacional resulta en la rotación de todo el dispositivo. La energía potencial electroquímica almacenada en los iones de hidrógeno se convierte en energía cinética de F0 y F1. La F1 consta de tres componentes con diferentes conformaciones. La conformación 1 agarra ADP y Pi. Después de rotar 120°, se convierte en la conformación 2 para presionar el Pi en el ADP. Después de otros 120° de rotación, se convierte en la conformación 3 y libera ATP. Finalmente, otra rotación de 120° la devuelve a la conformación 1. Cada rotación completa descarga alrededor de 12 protones a la matriz, y se sintetizan 3 ATP. Generalmente, se cosechan 32 ATP en una oxidación de glucosa. Por lo tanto, la cadena de transporte de electrones está acoplada a la síntesis de ATP por la energía temporalmente almacenada en el gradiente de protones transmembrana.
¿No es esto muy parecido a una planta hidroeléctrica? Su presa es como la membrana interna mitocondrial; su turbina es como la ATPasa; el agua almacenada en el embalse es como el gradiente de protones.
El mecanismo en procariotas es similar pero ligeramente diferente. Los protones se almacenan en el espacio entre su membrana plasmática y la pared celular. No hay crestas desarrolladas que sean comunes en las mitocondrias, por lo que su eficiencia de acoplamiento entre la cadena respiratoria y la ATP sintasa es mucho menor.