En esta reacción el NADH se oxida y el ácido
pirúvico se reduce transformándose en ácido láctico.
La
fermentación sea ésta alcohólica o láctica ocurre en el citoplasma.
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ESQUEMA BIOQUÍMICO DEL PROCESO DE
FERMENTACIÓN
A) Alcohólica : 2 ácido pirúvico + 2 NADH 2
etanol + 2 CO2 + 2
NAD+
B) Láctica : 2 ácido pirúvico + 2 NADH 2
ácido láctico + 2 NAD+
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La
finalidad de la fermentación es regenerar el NAD+ permitiendo que la glucólisis
continúe y produzca una provisión pequeña pero vital de ATP para el organismo.
RESPIRACIÓN AERÓBICA
En
presencia de oxígeno, la etapa siguiente de la degradación de la glucosa es la
respiración, es decir la oxidación escalonada del ácido pirúvico a dióxido de
carbono y agua.
La
respiración aeróbica se cumple en dos etapas: el ciclo de Krebs y el transporte
de electrones y la fosforilación oxidativa (estos dos últimos procesos
transcurren acopladamente).
En
las células eucariotas estas reacciones tienen lugar dentro de las
mitocondrias; en las procariotas se llevan a cabo en estructuras respiratorias
de la membrana plasmática.
Estructura de las Mitocondrias
Las
mitocondrias están rodeadas por dos membranas, una externa que es lisa y una
interna que se pliega hacia adentro formando crestas. Dentro del espacio
interno de la mitocondria en torno a las crestas, existe una solución densa
(matriz o estroma) que contiene enzimas, coenzimas, agua, fosfatos y otras
moléculas que intervienen en la respiración.
La
membrana externa es permeable para la mayoría de las moléculas pequeñas, pero
la interna sólo permite el paso de ciertas moléculas como el ácido pirúvico y
ATP y restringe el paso de otras. Esta permeabilidad selectiva de la membrana
interna, tiene una importancia crítica porque capacita a las mitocondrias para
destinar la energía de la respiración para la producción de ATP.
La
mayoría de las enzimas del ciclo de Krebs se encuentran en la matriz
mitocondrial. Las enzimas que actúan en el transporte de electrones se
encuentran en las membranas de las crestas.
Las
membranas internas de las crestas están formadas por un 80 % de proteínas y un
20 % de lípidos.
En
las mitocondrias, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, se oxida a
dióxido de carbono y agua, completándose así la degradación de la glucosa.
El
95 % del ATP producido se genera, en la mitocondria.
Las mitocondrias son
consideradas organoides semiautónomos, porque presentan los dos ácidos
nucleicos (del tipo procarionte).
Las crestas mitocondriales aparecen
cubiertas por partículas en forma de hongo, que tienen un tallo más fino que
las unen a la membrana. Estas estructuras son las llamadas partículas F1 y
representan una porción de la ATPasa especial que interviene en el acoplamiento
entre la oxidación y la fosforilación. Las partículas F1 se encuentran en la
membrana interna, del lado relacionado con la matriz; le confieren una
asimetría característica relacionada con la función de la ATPasa (este punto se
verá más detalladamente al referirnos a la hipótesis quimiosmótica).
Para
concluir, es importante destacar que el ciclo de Krebs se lleva a cabo en la
matriz mitocondrial; mientras que el transporte de electrones y la
fosforilación oxidativa se producen a nivel de las crestas mitocondriales.
Ingreso al CICLO DE KREBS
El ácido pirúvico
sale del citoplasma, donde se produce mediante glucólisis y atraviesa las
membranas externa e interna de las mitocondrias. Antes de ingresar al Ciclo de
Krebs, el ácido pirúvico, de 3 carbonos, se oxida. Los átomos de carbono y
oxígeno del grupo carboxilo se eliminan como dióxido de carbono
(descarboxilación oxidativa) y queda un grupo acetilo, de dos carbonos. En esta
reacción exergónica, el hidrógeno del carboxilo reduce a una molécula de NAD+ a
NADH.
Ahora
la molécula original de glucosa se ha oxidado a dos moléculas de CO2, y dos
grupos acetilos y, además se formaron 4 moléculas de NADH (2 en la glucólisis y
2 en la oxidación del ácido pirúvico).
Cada
grupo acetilo es aceptado por un compuesto llamado coenzima A dando un
compuesto llamado acetilcoenzima A (acetil CoA). Esta reacción es el eslabón
entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
CICLO DE KREBS
El
ciclo de Krebs también conocido como ciclo del ácido cítrico es la vía común
final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y las cadenas de carbono
de los aminoácidos.
La
primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo
acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos (ácido oxalacético) para
producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico).
El
ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original
se reordena y continúa oxidándose, en consecuencia se reducen otras moléculas:
de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como
resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial
de 4 carbonos el ácido oxalacético.
El
proceso completo puede describirse como un ciclo de oxalacético a oxalacético,
donde dos átomos de carbono se adicionan como acetilo y dos átomos de carbono
(pero no los mismos) se pierden como CO2.
Dado
que por cada molécula de glucosa inicial se habían obtenido dos de ácido
pirúvico y, por lo tanto dos de acetil CoA, deben cumplirse dos vueltas del
ciclo de Krebs por cada molécula de glucosa. En consecuencia los productos
obtenidos de este proceso son el doble del esquema que se detalla a
continuación.
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Cuadro. BALANCE PARCIAL DE LA RESPIRACIÓN
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PROCESO
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SUSTRATO
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PRODUCTOS
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GLUCÓLISIS
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Glucosa
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2 ácido pirúvico
2 ATP
2 NADH
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ENTRADA AL CICLO DE KREBS
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2 ácido
pirúvico
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2 Acetil CoA
2 CO2
2 NADH
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CICLO DE KREBS
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2 Acetil CoA
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4 CO2
2 GTP (equivalentes a 2 ATP)
6 NADH
2 FADH2
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Glucosa
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 6 CO2
2 ATP
2 GTP
10 NADH
2 FADH2
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Observando
el balance parcial del ciclo de Krebs, se comprueba que en este proceso no se
obtiene energía directamente bajo la forma de ATP (sólo se obtiene 1 GTP que es
equivalente a 1 ATP). En cambio se obtienen cantidades de coenzimas reducidas
(NADH y FADH2), y es a través de la oxidación posterior que se obtendrá la
energía para sintetizar ATP.
Cada
coenzima NADH equivale a 3 ATP y cada coenzima FADH2 equivale a 2 ATP.
TRANSPORTE DE ELECTRONES O CADENA RESPIRATORIA
En esta etapa se oxidan las coenzimas
reducidas, el NADH se convierte en NAD+ y el FADH2 en FAD+. Al producirse esta
reacción, los átomos de hidrógeno (o electrones equivalentes), son conducidos a
través de la cadena respiratoria por un grupo de transportadores de electrones,
llamados citocromos. Los citocromos experimentan sucesivas oxidaciones y
reducciones (reacciones en las cuales los electrones son transferidos de un dador
de electrones a un aceptor).
En
consecuencia, en esta etapa final de la respiración, estos electrones de alto
nivel energético descienden paso a paso hasta el bajo nivel energético del
oxígeno (último aceptor de la cadena), formándose de esta manera agua.
Cabe
aclarar que los tres primeros aceptores reciben el H+ y el electrón
conjuntamente. En cambio, a partir del cuarto aceptor, sólo se transportan
electrones, y los H+ quedan en solución.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
El
flujo de electrones está íntimamente acoplado al proceso de fosforilación, y no
ocurre a menos que también pueda verificarse este último. Esto, en un sentido,
impide el desperdicio ya que los electrones no fluyen a menos que exista la
posibilidad de formación de fosfatos ricos en energía. Si el flujo de
electrones no estuviera acoplado a la fosforilación, no habría formación de ATP
y la energía de los electrones se degradaría en forma de calor.
Puesto
que la fosforilación del ADP para formar ATP se encuentra acoplada a la
oxidación de los componentes de la cadena de transporte de electrones, este
proceso recibe el nombre de fosforilación oxidativa.
En
tres transiciones de la cadena de transporte de electrones se producen caídas
importantes en la cantidad de energía potencial que retienen los electrones, de
modo que se libera una cantidad relativamente grande de energía libre en cada
uno de estos tres pasos, formándose ATP.
HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
Durante
mucho tiempo se intentó explicar la naturaleza del enlace entre la cadena
respiratoria y el sistema de fosforilación. En 1961, Mitchell propuso la hipótesis quimiosmótica, que es
la que actualmente se acepta en general.
Esta
hipótesis ha sido apoyada por las evidencias experimentales encontradas en
distintos laboratorios, lo que le valió a Mitchell el premio Nobel en 1978.
La
misma propone que el transporte de electrones y la síntesis de ATP están
acopladas por un gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial.
Según
este modelo, el transporte de electrones paso a paso, desde el NADH o el FADH2
hasta el oxígeno a través de los transportadores de electrones, da por
resultado el bombeo de protones a través de la membrana mitocondrial interna hacia
el espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa.
Este
proceso genera un potencial de membrana a través de la membrana mitocondrial
interna, ya que el medio que ocupa el espacio intermembranoso se carga
positivamente.
La
diferencia en concentración de protones entre la matriz y el espacio
intermembranoso representa energía potencial, resultado en parte de la
diferencia de pH y en parte de la diferencia en la carga eléctrica de los lados
de la membrana. Cuando los protones pueden fluir de regreso a la matriz,
descendiendo por el gradiente protónico, se libera energía utilizable en la
síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.
Los
protones regresan a la matriz a través de conductos especiales situados en la
membrana interna. Estos conductos están dados por un gran complejo enzimático,
llamado ATP SINTETASA. Este complejo consta de dos proteínas: F0 y F1.
Las
partículas F0 están incluidas en la membrana mitocondrial interna y la
atraviesan desde afuera hacia adentro. Se presume que poseen un conducto o poro
interior que permite el paso de los protones. Las partículas F1 (que ya
habíamos mencionado, al describir la estructura mitocondrial) son proteínas
globulares grandes consistentes en nueve subunidades polipeptídicas unidas a
las partículas F0 en el lado de la membrana que linda con la matriz. Se
comprobó que propulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. Conforme los
protones descienden a lo largo del gradiente de energía, dicha energía utiliza
para sintetizar ATP. De esta manera, el gradiente protónico que existe a través
de la membrana mitocondrial interna acopla la fosforilación con la oxidación.
Esquema comparativo de la quimiósmosis en la
mitocondria y el cloroplasto. Observe el bombeo de protones desde la matriz
mitocondrial al espacio intermembrana (sombreado). El ATP se forma del lado de
la membrana que mira a la matriz, por la difusión de los H+ a través del complejo ATPsintetasa. En
el cloroplasto, a través de la membrana tilacoidal se bombean protones desde el
estroma al compartimiento tilacoidal (sombreado). Como los H+ atraviesan la membrana a través de la
ATPsintetasa, la fosforilación del ADP tiene lugar del lado de la membrana que
mira al estroma.
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Cuadro.
RESUMEN DE LA GLUCÓLISIS Y DE LA RESPIRACIÓN
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En el citoplasma:
Glucólisis 
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2 ATP
|
2
ATP
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En las mitocondrias:
De
la glucólisis:
De
la respiración
Ácido pirúvico acetil
CoA:
Ciclo de Krebs:
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2
NADH 6 ATP
1 NADH 3
ATP (x 2)
1
ATP
3
NADH 9 ATP (x 2)
1
FADH2 2 ATP
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6 ATP*
6 ATP
24 ATP
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Rendimiento total de ATP 36 a 38 ATP
* en algunas células el costo energético de
transportar los electrones desde el NADH formado en la glucólisis a través de
la membrana mitocondrial interna deprime el rendimiento neto de estos 2 NADH
a sólo 4 ATP
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