Fosforilación oxidativa

Es el mecanismo de síntesis de ATP en la respiración. Se da en la mitocondria (en la membrana interna). La enzima ATPasa cataliza dicha síntesis, que se realiza por la unión de un grupo fosfato al ADP.

Transporte electrónico

Los electrones de las moléculas de NADH y FADH₂ son cedidos a moléculas transportadoras de electrones a favor de gradiente de potencial redox hasta un compuesto aceptor final. En este descenso liberan energía que forma un gradiente quimiosmótico entre los lados de la membrana.

Cadena transportadora de electrones

La cadena transportadora está formada por un conjunto de moléculas capaces de oxidarse y reducirse (transpasar electrones) que se produce si están situadas en un gradiente de potenciales, por lo que se organizan en cuatro complejos.

• Complejo NADH-deshidrogenasa mitocondrial (complejo I): 12 cadenas polipeptídicas distintas. Este complejo acepta electrones del NADH (pasa a NAD+) y los pasa a la ubiquinona.

Ubiquinona o coenzima Q (complejo II): molécula liposoluble situada en la zona hidrofóbica de la membrana mitocondrial. Acepta electrones del Complejo I y se oxida al cederlos al III.

Complejo citocromo b-c₁ (complejo III): contiene dos citocromos. Acepta los electrones de la ubiquinona y los cede al siguiente complejo enzimático.

• Complejo citocromo-oxidasa (complejo IV): es el último complejo enzimático de la cadena respiratoria. Este transfiere los electrones del complejo III al oxígeno molecular, que se reduce formando agua. El 90% del consumo celular de oxígeno se debe a este proceso.

Formación del gradiente quimiosmótico

La energía que los electrones van perdiendo al pasar por esta cadena se emplea en bombear H+ a través de la membrana mitocondrial interna, acumulándose en el espacio intermembranal. Esto origina un potencial eléctrico de membrana. Así, entre las caras de la mitocondria hay una diferencia de [H+] que genera un gradiente electroquímico de protones, un almacenamiento temporal de energía (proton motriz).

La transferencia de dos electrones del NADH al O2 genera el bombeo de 10 protones, una fuerza de 200 kJ por mol de NADH oxidado.

Síntesis de ATP

La fuerza proton-motriz es el motor energético de la fosforilación del ADP. En la membrana mitocondrial interna están las ATPasas que contienen un canal por el que vuelven a entrar los protones, lo que permite formar ATP. Así, el paso de protones disipa el gradiente, la membrana se “descarga”, y la energía almacenada en él se acopla a la fosforilación de ADP formando ATP.

Rendimiento de la respiración aerobia

Es un proceso muy eficiente. En la fosforilación oxidativa, por cada dos electrones cedidos del NADH se proporciona energía para formar dos moléculas de ATP. Si los electrones proceden del FADH2, se forman dos ATP.

En total, por cada molécula de acetil-CoA que entra en el CAT se forman 12 moléculas de ATP, es decir, 24 ATP por cada glucosa degradada. Cada molécula de glucosa produce, en total, desde la glucólisis a la oxidación en el CAT, 36 moléculas de ATP.

En total, la célula obtiene 266 kcal por mol de glucosa consumida.

Otros tipos de respiración

Las bacterias presentan otros procesos respiratorios diferentes a la respiración aerobia:

• Respiración anaerobia: el aceptor final de e es un compuesto diferente al oxígeno. No debe confundirse con fermentación. Se sintetiza ATP por fosforilación oxidativa, y en cambio, en las fermentaciones la síntesis de ATP se realiza por fosforilación a nivel de sustrato.
• Respiración quimiolitotrófa: es un tipo de metabolismo exclusivo que oxidan compuestos inorgánicos, como NH₃, que constituyen el sustrato oxidable. La obtención de ATP se lleva a cabo mediante fosforilación oxidativa.

Fermentación

El mecanismo fermentativo es un proceso de oxidación incompleta de compuestos orgánicos, ya que no se libera toda la energía química que contienen. Las reacciones de oxidación se producen en ausencia de oxígeno. La síntesis de ATP se da únicamente por fosforilación a nivel de sustrato; los sustratos son generalmente glucidos. Las bacterias responsables de la putrefacción fermentan proteínas, aminoácidos…

Las fermentaciones de los glucidos empiezan con la glucólisis, que se interrumpe rápido ya que el NAD+ utilizado no se recupera al no haber cadena respiratoria. Se regenera acoplando la oxidación del NADH a la reducción del piruvato.

Por tanto, hay dos etapas:

• Oxidación de la glucosa a piruvato.
• Reducción del piruvato para dar los productos finales.

Si la reducción del piruvato da lactato, se produce una fermentación láctica; si da etanol y CO2, fermentación alcohólica.

Fermentación láctica

La oxidación de la glucosa a piruvato da dos moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

En una reacción catalizada por la lactato-deshidrogenasa, el piruvato se reduce aceptando electrones y generando lactato. Este tipo de fermentación la realizan las bacterias lácticas.

Esta fermentación, la homoláctica, es la más común, pero algunas bacterias realizan la fermentación heteroláctica, en la que se forman otros productos además de lactato.

Fermentación alcohólica

Se produce la escisión del esqueleto carbonado del piruvato, originándose CO2 y acetaldehído. Reduciéndose esta, se obtiene como producto final etanol.

Es realizada principalmente por las levaduras, y se utiliza en producción de bebidas y pan.

Rendimiento de las fermentaciones:

Tiene un rendimiento muy bajo, ya que se produce una oxidación incompleta del sustrato, y los productos finales son moléculas que conservan energía. Por otra parte, la obtención de ATP por fosforilación a nivel de sustrato implica un consumo previo de ATP.

Así, la producción neta es de dos ATP por molécula de glucosa.

Catabolismo de lípidos

Los triglicéridos, por su insolubilidad, requieren ser emulsionados por enzimas en el intestino y para ser transportados por la sangre deben unirse a determinadas proteínas. Cuando la célula necesita más energía, degrada las grasas. Primero, se hidrolizan los triglicéridos, obteniéndose glicerina, que continúa la ruta de la glucólisis, y ácidos grasos, que sufren la beta-oxidación.

Beta-oxidación de los ácidos grasos

Los ácidos grasos son una fuente de carbono y energía importante que proporciona a la célula muchas más moléculas de ATP que la glucosa. La beta oxidación genera moléculas de acetil-CoA. Esto se produce en la matriz mitocondrial. Este acetil-CoA se incorporará al ciclo de Krebs.

Para atravesar las membranas mitocondriales, los ácidos grasos se unen a la carnitina, y pasan por medio de enzimas presentes en las dos membranas.

La degradación de los ácidos grasos se inicia con su activación, formándose un acil-CoA. La beta oxidación se produce en 4 etapas:

• Deshidrogenación: una oxidación que produce un doble enlace entre los carbonos alfa y beta. Interviene el FAD como coenzima, que se reduce a FADH2.
• Hidratación: se añade agua al doble enlace, lo que genera un grupo hidroxilo en el carbono en posición beta.
• Oxidación: el grupo alcohol se oxida a grupo ceto. La coenzima NAD+ capta los electrones de dicha oxidación, reduciéndose a NADH.
• Tiolisis: es la ruptura del enlace que une los carbonos a y b, por la incorporación de un CoA. Se forma así una molécula de acil-CoA con dos carbonos menos.

Catabolismo de proteínas

El catabolismo de proteínas comienza por la hidrólisis de los enlaces peptídicos, liberando los aminoácidos. En los animales, esta degradación se realiza en varios puntos del aparato digestivo, por enzimas proteasas y peptidasas.

Catabolismo de los aminoácidos

Sucede en tres circunstancias diferentes:

• Dietas ricas en proteínas en las que hay excedente de aminoácidos.
• Condiciones de ayuno en las que no hay glúcidos disponibles.
• Degradación normal de proteínas para el recambio proteico.

Este catabolismo se produce en dos etapas:

Eliminación del grupo amino:

• Transaminación: consiste en la transferencia del grupo amino desde el aminoácido a una molécula aceptora, como el alfa-cetoglutarato, que se transforma en glutamato. Estas reacciones suceden principalmente en el hígado, catalizadas por las transaminasas.
• Desaminación oxidativa: se elimina el grupo amino del glutamato en forma de amoníaco o ion amonio. Los animales tienen distintas estrategias para eliminar amoníaco: los amoniotélicos, lo excretan directamente; ureotélicos, lo transforman en urea, que se excreta en la orina; los uricotélicos, lo transforman en ácido úrico.

Oxidación de la cadena carbonada:

El alfa-cetoácido formado tras la eliminación del grupo amino sigue procesos de transformación de rutas catabólicas y anabólicas. Según la ruta seguida, hay dos tipos de aminoácidos:

• Glucogénicos: en ellos la cadena carbonada sufre oxidaciones que originan piruvato, a partir de los que puede sintetizarse glucosa.
• Cetogénicos: dan lugar a la formación de acetil-CoA que puede incorporarse al CAT (Krebs) o desviarse a otra.