Respiración celular

1.1 Definición y ecuación general

La respiración celular es el proceso metabólico por el cual las células degradan moléculas orgánicas —principalmente la glucosa— y capturan parte de la energía liberada en forma de ATP. Es un proceso catabólico porque degrada moléculas complejas en moléculas simples, y exergónico porque libera energía. También es un proceso oxidativo: la glucosa pierde hidrógenos y electrones a lo largo de una serie de reacciones controladas.

En su forma aeróbica más conocida, la ecuación general es:

$$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 36\ \text{o}\ 38\ ADP + 36\ \text{o}\ 38\ P_i \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + 36\ \text{o}\ 38\ ATP$$

Observa que el oxígeno molecular ($O_2$) no entra directamente a la glucosa ni al CO₂. El oxígeno actúa al final del proceso, como aceptor final de electrones y protones, formando agua metabólica. Los átomos de oxígeno que aparecen en el CO₂ provienen de la oxidación gradual de la glucosa y del agua que participa en las reacciones intermedias.

1.2 Importancia biológica

Sin la respiración celular no habría energía disponible para los procesos vitales: transporte activo, síntesis de proteínas, contracción muscular, transmisión nerviosa, división celular. La respiración celular también tiene otras consecuencias esenciales:

• Retorno del CO₂ a la atmósfera. El dióxido de carbono liberado por la respiración queda disponible para que los organismos fotosintéticos lo utilicen, cerrando así el ciclo del carbono.
• Producción de agua metabólica. Algunos animales adaptados a ambientes desérticos obtienen agua significativa a partir de la reducción del oxígeno en la cadena respiratoria.
• Generación de calor. La energía no capturada como ATP se libera como calor, contribuyendo a la regulación térmica en animales homeotermos.

La respiración celular es un proceso casi universal: ocurre en todos los seres vivos, desde bacterias hasta plantas, hongos, animales y protozoarios. Incluso los organismos fotosintéticos respiran para utilizar la glucosa que producen.

1.3 Tipos de respiración celular

Según la naturaleza del aceptor final de electrones, se distinguen:

• Respiración aeróbica. Utiliza oxígeno molecular ($O_2$) como aceptor final. Es la forma más común y la más eficiente. Produce agua y gran cantidad de ATP.
• Respiración anaeróbica. Utiliza un aceptor final inorgánico distinto del oxígeno, como nitratos ($NO_3^-$), sulfatos ($SO_4^{2-}$) o dióxido de carbono ($CO_2$). Ocurre exclusivamente en ciertos grupos de bacterias y arqueas. Libera menos energía que la aeróbica.

No se debe confundir la respiración anaeróbica con la fermentación. En la respiración anaeróbica existe una cadena transportadora de electrones y un aceptor final inorgánico distinto del oxígeno; en la fermentación no hay cadena respiratoria y el aceptor final es una molécula orgánica, como el piruvato.

2.1 En procariotas

Las bacterias y arqueas no poseen mitocondrias. La respiración celular aeróbica y anaeróbica ocurre en:

• Citoplasma o citosol: donde se llevan a cabo la glucólisis y el ciclo de Krebs.
• Mesosomas o membrana celular: los mesosomas son invaginaciones de la membrana plasmática. En algunas bacterias se asocian a la cadena respiratoria y a la síntesis de ATP, cumpliendo una función análoga a la membrana interna mitocondrial de las eucariotas.

2.2 En eucariotas: la mitocondria

En las células eucariotas, las etapas se distribuyen en dos compartimentos principales:

La compartimentación es clave: permite que la fosforilación oxidativa ocurra en un espacio cerrado donde se puede generar un gradiente de protones. Ese gradiente no se formaría si la membrana interna no fuera impermeable a los protones y si no existieran los complejos transportadores.

3.1 ¿Qué es la glucólisis?

La glucólisis, también llamada vía de Embden-Meyerhof, es la degradación parcial de una molécula de glucosa (6 carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico o piruvato (3 carbonos cada una). Ocurre en el citoplasma de todas las células, tanto procariotas como eucariotas, y no requiere oxígeno: es una etapa anaeróbica.

El término glucólisis significa “ruptura de glucosa”. En esta vía participan diez reacciones enzimáticas consecutivas. Para estudiarla, se divide en dos fases.

3.2 Fase de inversión o activación

La glucosa es relativamente estable, por lo que antes de romperla es necesario activarla. La célula invierte 2 ATP para fosforilar la glucosa y convertirla en fructosa-1,6-bisfosfato. Esta molécula se rompe en dos triosas fosfato, cada una de las cuales se convierte en fosfogliceraldehído (PGAL).

3.3 Fase de rendimiento o producción

Cada PGAL se oxida y fosforila a través de varias reacciones. En esta fase:

• Por cada PGAL se producen 2 ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato.
• Por cada PGAL se reduce una molécula de NAD⁺ a NADH + H⁺.

Como hay dos PGAL por cada glucosa, se obtienen en total 4 ATP producidos y 2 NADH reducidos. Restando los 2 ATP invertidos al inicio, la ganancia neta es de 2 ATP por glucosa.

3.4 Balance de la glucólisis

Por una molécula de glucosa, el balance neto es:

La glucólisis no produce dióxido de carbono. La glucosa de 6 carbonos se rompe en dos moléculas de 3 carbonos; en esta etapa no hay descarboxilación.

3.5 Importancia de la glucólisis

La glucólisis es la vía energética más antigua y universal de los seres vivos. Para muchas células es la única fuente de ATP, como veremos en la fermentación. Además, el piruvato generado es la encrucijada metabólica que conecta la degradación de carbohidratos con el ciclo de Krebs en condiciones aeróbicas.

4.1 Del piruvato al acetil-CoA

El piruvato producido en la glucólisis aún contiene mucha energía, pero es una molécula de 3 carbonos que no puede entrar directamente al ciclo de Krebs. En presencia de oxígeno, el piruvato ingresa a la matriz mitocondrial y sufre una descarboxilación oxidativa: pierde un carbono en forma de CO₂ y se oxida, liberando dos hidrógenos que son aceptados por una molécula de NAD⁺.

El fragmento restante es un grupo acetilo de 2 carbonos, que se une a la coenzima A (CoA) para formar acetil-coenzima A (acetil-CoA). La reacción es catalizada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa.

Por cada piruvato:

$$\text{Piruvato (3C)} + NAD^+ + CoA \rightarrow \text{Acetil-CoA (2C)} + CO_2 + NADH + H^+$$

Como por cada glucosa se forman dos piruvatos, el resultado por glucosa es:

La coenzima A es una molécula transportadora del grupo acetilo. Su papel es llevar los 2 carbonos hasta el ciclo de Krebs. Aunque la acetilación se estudia a menudo como una etapa separada, en la práctica funciona como puente entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.

4.2 Acetil-CoA como encrucijada metabólica

El acetil-CoA no solo proviene de la glucosa. Los ácidos grasos provenientes de los lípidos y los aminoácidos de las proteínas pueden convertirse en acetil-CoA e ingresar al ciclo de Krebs. Por eso, el acetil-CoA es un punto de convergencia metabólica: distintas biomoléculas confluyen allí para ser oxidadas.

5.1 ¿Qué ocurre en el ciclo de Krebs?

El ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, es una serie cíclica de reacciones que ocurre en la matriz mitocondrial. Fue propuesto por Hans Krebs en 1937. Su función es oxidar completamente el grupo acetilo del acetil-CoA hasta CO₂, mientras se reducen las coenzimas NAD⁺ y FAD.

El ciclo comienza cuando el acetil-CoA (2 carbonos) cede su grupo acetilo al oxalacetato (4 carbonos), formando citrato (6 carbonos). A lo largo de ocho reacciones sucesivas, se eliminan dos carbonos como CO₂, se regenera el oxalacetato y se capturan hidrógenos y electrones en las coenzimas.

5.2 Rendimiento por cada vuelta del ciclo

Por cada acetil-CoA que ingresa, se obtiene:

Como cada glucosa produce dos acetil-CoA, el ciclo de Krebs da dos vueltas por cada molécula de glucosa. El saldo total por glucosa es:

5.3 Importancia del ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs no solo genera energía. Es una vía anfibólica: participa tanto en el catabolismo (degradación de nutrientes) como en el anabolismo (síntesis de moléculas). Varios intermediarios del ciclo se utilizan para sintetizar aminoácidos, ácidos grasos o bases nitrogenadas. Por esa razón, el ciclo de Krebs es un centro del metabolismo celular.

El dióxido de carbono liberado en la respiración celular proviene de la acetilación y del ciclo de Krebs, no de la glucólisis.

6.1 ¿Qué papel cumplen el NADH y el FADH₂?

Hasta el ciclo de Krebs, la oxidación de la glucosa ha permitido sintetizar directamente pocos ATP: 2 netos en la glucólisis y 2 en el ciclo de Krebs. Sin embargo, se han formado muchas coenzimas reducidas: 10 NADH y 2 FADH₂ por glucosa. La mayor parte de la energía química de la glucosa se encuentra ahora en esos transportadores de electrones.

En la membrana interna mitocondrial, los electrones del NADH y del FADH₂ son transferidos a una cadena de complejos proteicos. Este flujo de electrones libera energía que se utiliza para bombear protones (H⁺) desde la matriz hacia el espacio intermembranas.

6.2 Componentes de la cadena respiratoria

La cadena transportadora de electrones está formada por cuatro complejos proteicos (I, II, III y IV) y por moléculas móviles que transfieren electrones entre ellos, como la coenzima Q (ubiquinona) y el citocromo c.

Los citocromos son proteínas que contienen grupo hemo con hierro, y participan en reacciones de óxido-reducción. Entre ellos destacan los citocromos b, c, a y a₃. El complejo IV, llamado citocromo oxidasa, es el que transfiere los electrones al oxígeno molecular al final de la cadena.

6.3 El papel del oxígeno: aceptor final

El oxígeno molecular es el último aceptor de electrones de la cadena respiratoria. Al recibir los electrones y unirse con protones del medio, se reduce y forma agua metabólica:

$$\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$$

Si el oxígeno no está disponible, la cadena se detiene porque los electrones ya no tienen a quién transferirse. Esto detiene también la regeneración de NAD⁺ y FAD, y en consecuencia bloquea el ciclo de Krebs y la glucólisis.

6.4 La teoría quimiosmótica

La energía liberada por el flujo de electrones se acopla a la síntesis de ATP mediante un mecanismo propuesto por Peter Mitchell, conocido como teoría quimiosmótica. El bombeo de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranas genera:

• Un gradiente químico: mayor concentración de H⁺ en el espacio intermembranas.
• Un gradiente eléctrico: mayor carga positiva en el espacio intermembranas.

Ambos gradientes forman una fuerza protón-motriz. Los protones tienden a regresar a la matriz, pero la membrana interna es impermeable a ellos. Solo pueden volver a través de un canal enzimático específico: la ATP sintasa.

Cuando los protones fluyen a favor de su gradiente a través de la ATP sintasa, la energía del flujo se utiliza para fosforilar ADP y producir ATP:

$$ADP + P_i \xrightarrow{\text{ATP sintasa}} ATP$$

Este acoplamiento entre el flujo de protones y la síntesis de ATP se denomina quimiosmosis. La fosforilación oxidativa comprende, entonces, dos procesos acoplados: la cadena transportadora de electrones y la quimiosmosis.

6.5 Rendimiento energético de la fosforilación oxidativa

Por cada par de electrones que dona una coenzima reducida, se bombean protones y se generan varios ATP. Convencionalmente, para efectos de balance, se aceptan las siguientes equivalencias:

El FADH₂ rinde menos que el NADH porque entra a la cadena en un punto más tardío, bombeando menos protones.

6.6 Las lanzaderas y el saldo total de ATP

Los NADH producidos en la glucólisis se forman en el citosol, pero la cadena respiratoria está en la membrana mitocondrial interna. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH, la célula necesita sistemas de transporte indirecto llamados lanzaderas que transfieren los electrones del NADH citosólico al interior mitocondrial.

Existen dos sistemas principales:

• Lanzadera glicerol-3-fosfato. Transfiere los electrones del NADH citosólico al FAD, formando FADH₂ mitocondrial. Por tanto, cada NADH citosólico rinde solo 2 ATP. Es la lanzadera predominante en la mayoría de las células, como las del músculo esquelético y el cerebro.
• Lanzadera malato-aspartato. Transfiere los electrones al NAD⁺ mitocondrial, formando NADH + H⁺, que rinde 3 ATP. Predomina en células del hígado, riñón y corazón.

Así, por cada glucosa:

• Con lanzadera glicerol-3-fosfato: saldo total de 36 ATP.
• Con lanzadera malato-aspartato: saldo total de 38 ATP.

El detalle de la suma es:

7.1 ¿Qué es la fermentación?

La fermentación es una vía metabólica anaeróbica que degrada parcialmente la glucosa y permite regenerar el NAD⁺ necesario para que la glucólisis continúe. Ocurre en el citosol, después de la glucólisis, cuando no hay oxígeno o la célula carece de mitocondrias funcionales.

Es importante entender que la fermentación no produce ATP por sí misma. El ATP se genera solo en la glucólisis, con un saldo neto de 2 ATP por glucosa. La fermentación únicamente reoxida el NADH formado en la glucólisis, convirtiéndolo de nuevo en NAD⁺. Sin esta regeneración, la glucólisis se detendría por falta de NAD⁺.

En la fermentación, el piruvato actúa como aceptor final de electrones. Al recibir los electrones del NADH, se reduce y se convierte en productos finales orgánicos, como ácido láctico o etanol.

7.2 Fermentación láctica

En la fermentación láctica, el piruvato se reduce a ácido láctico (lactato) mediante la enzima lactato deshidrogenasa:

$$\text{Piruvato} + NADH + H^+ \rightarrow \text{Ácido láctico} + NAD^+$$

Este proceso ocurre en:

• Bacterias ácido-lácticas, como Lactobacillus y Streptococcus, utilizadas en la producción de yogurt, queso cuajado, chucrut y kimchi.
• Eritrocitos humanos, que carecen de mitocondrias y dependen exclusivamente de la glucólisis y la fermentación láctica para obtener ATP.
• Músculo esquelético en contracción violenta, cuando el aporte de oxígeno es insuficiente. El lactato acumulado contribuye a la fatiga muscular.
• Tejidos vegetales en condiciones anaeróbicas y semillas durante la fase inicial de germinación.

7.3 Fermentación alcohólica

La fermentación alcohólica es realizada por levaduras, especialmente Saccharomyces cerevisiae, y algunas bacterias. Se divide en dos pasos:

1. Descarboxilación del piruvato. El piruvato pierde un carbono como CO₂ y se convierte en acetaldehído (etanal).
2. Reducción del acetaldehído. El acetaldehído recibe los electrones del NADH y se reduce a etanol (alcohol etílico).

Esquemáticamente:

$$\text{Piruvato} \rightarrow \text{Acetaldehído} + CO_2$$ $$\text{Acetaldehído} + NADH + H^+ \rightarrow \text{Etanol} + NAD^+$$

El CO₂ liberado en la fermentación alcohólica es responsable de la “subida” del pan y de las burbujas en la cerveza o el vino. Las levaduras tienen la particularidad de que, en presencia de oxígeno, prefieren la respiración aeróbica; cuando el oxígeno escasea, cambian a la fermentación alcohólica. Este cambio se conoce como efecto Pasteur.

7.4 Comparación entre fermentación y respiración aeróbica

La respiración anaeróbica es un tipo de respiración celular que utiliza una cadena transportadora de electrones, pero el aceptor final no es el oxígeno, sino una molécula inorgánica distinta, como:

• Nitratos ($NO_3^-$), que se reducen a nitritos u otros compuestos nitrogenados.
• Sulfatos ($SO_4^{2-}$), que se reducen a sulfuro de hidrógeno ($H_2S$).
• Dióxido de carbono ($CO_2$), que en arqueas metanógenas se reduce a metano ($CH_4$).

Este tipo de respiración lo realizan exclusivamente ciertos grupos de bacterias y arqueas que habitan en ambientes pobres en oxígeno, como sedimentos marinos, pantanos o el intestino. La energía producida es mayor que la de la fermentación, pero menor que la de la respiración aeróbica.

La diferencia clave con la fermentación es que en la respiración anaeróbica sí hay cadena respiratoria y el aceptor final es inorgánico, no una molécula orgánica como el piruvato.

Aunque la glucosa es el sustrato respiratorio inmediato y principal, no es el único. Las células pueden oxidar otras moléculas para obtener energía, especialmente cuando la glucosa escasea.

9.1 Carbohidratos

Los monosacáridos, como la glucosa, la fructosa y la galactosa, son los sustratos respiratorios más importantes desde el punto de vista bioenergético. Los disacáridos y polisacáridos deben hidrolizarse primero a monosacáridos para ingresar a la glucólisis.

9.2 Lípidos

Los triglicéridos se degradan a glicerol y ácidos grasos. El glicerol puede convertirse en PGAL e ingresar a la glucólisis. Los ácidos grasos, en cambio, se degradan por β-oxidación en la mitocondria, generando numerosas moléculas de acetil-CoA, que ingresan al ciclo de Krebs. Los ácidos grasos son muy energéticos, pero su oxidación requiere oxígeno.

9.3 Proteínas

Los aminoácidos, tras la eliminación de su grupo amino (desaminación), pueden convertirse en piruvato, acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs. Así, las proteínas también pueden ser utilizadas como fuente de energía, aunque la célula prefiere emplearlas con fines estructurales y funcionales.