Bases Bioquímicas y Moleculares en las Ciencias de la Salud Resumen: Glucólisis, ciclo del ácido cítrico, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. Elaborado por Axel Omar Ramírez Garduño Agosto 20 de 2018. Metabolismo. En orden de poder comprender qué significan los procesos de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico (de Krebs, o del ácido tricarboxílico), primero es necesario comprender el término metabolismo y la relación con el proceso celular de la respiración. El metabolismo se puede definir como el proceso donde se involucra una serie de reacciones químicas que modifican una molécula en otra esencialmente para mantener el estado de supervivencia de una célula o un organismo, y la respiración celular es la capacidad de degradación de las sustancias nutritivas para producir energía mediante la utilización del oxígeno. Una vez que los nutrientes han llegado a las células, estos dos procesos se interconectan, llevándose a cabo una serie de ciclos entretejidos para poder obtener energía o almacenarla en el organismo. Cada nutriente dependiendo de su composición química ingresará a alguno de dichos ciclos, con rutas metabólicas diferentes. Glucólisis. La glucólisis (Fig. 1) es la principal ruta para el metabolismo de la glucosa y la principal vía para el metabolismo de la fructosa, galactosa y otros carbohidratos derivados de la dieta. Casi todos los tejidos tienen cierta demanda de glucosa, en el cerebro esta demanda es considerable. Este proceso ocurre en el citosol de todas las células, y puede funcionar tanto de manera aerobia como anaerobia según la disponibilidad de oxígeno y la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, la oxidación de la glucosa más allá del piruvato (producto final de la glucólisis) requiere tanto oxígeno como sistemas de enzimas mitocondriales: el complejo de piruvato deshidrogenasa, el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria. 3. La fructosa 6-fosfato es fosforilada por la fosfofructokinasa para formar fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción está sujeta a regulación alostérica, por lo que también es irreversible. 2. La glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa 6-fosfato mediante la fosfohexosa isomerasa. 1. La glucosa entra a la glucólisis por medio de la fosforilación hacia glucosa 6-fosfato, catalizada por la hexokinasa, usando ATP como donador de fosfato. Es irreversible en el sentido de que la hexokinasa es inhibida de manera alostérica por la glucosa 6-fosfato. 9. Finalmente, el fosfato del fosfoenolpiruvato se transfiere hacia el ADP mediante la enzima piruvato kinasa para formar 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada. 8. La enzima enolasa deshidrata al 2-fosfoglicerato y le convierte en fosfoenolpiruvato. 7. La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato hacia 2-fosfoglicerato. 6. La reacción siguiente es catalizada por la fosfoglicerato kinasa, el fosfato se transfiere desde el 1,3-bisfosfoglicerato hacia ADP, lo que forma ATP, y 3-fosfoglicerato. Dado que se forman 2 moléculas de triosa fosfato por cada molécula de glucosa, en esta etapa se forman 2 ATP’s por cada ciclo de glucólisis. 5. El gliceraldehído 3-fosfato es oxidado por la enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, convirtiéndolo en ,3-bisfosfoglicerato. 4. La aldolasa divide a la fructosa 1,6-bisfosfato en 2 triosa fosfatos, el gliceraldehído 3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. La fosfotriosa isomerasa interconvierte (modifica su orientación espacial) estos dos últimos compuestos. Figura 1. Modelo de la glucólisis explicado por pasos. La franja negra transversal en las reacciones indica puntos de inhibición, como en el paso 8, donde el fluoruro puede inhibir el proceso de glucólisis, y la enolasa requiere la presencia de Mg2+ o Mn2+. El nombre de los sustratos se encuentra subrayado, mientras que el de las enzimas están en negritas.  Consideraciones importantes en la glucólisis. Aunque la mayor parte de las reacciones en la glucólisis son reversibles, tres de ellas no lo son desde el punto de vista fisiológico, debido a que son en gran medida reacciones exergónicas. Estas reacciones son catalizadas por la hexokinasa (y glucokinasa), fosfofructokinasa y piruvato kinasa. Estos son los principales sitios de regulación de la glucólisis. En condiciones aerobias, el piruvato es captado hacia las mitocondrias, y después de descarboxilación oxidativa mediante el complejo piruvato deshidrogenasa hacia acetil-CoA, el ciclo del ácido cítrico lo oxida hacia CO2. El lactato es el producto terminal de la glucólisis en condiciones anaerobias, o cuando falta la maquinaria metabólica para la oxidación del piruvato. Ciclo del ácido cítrico (de Krebs, o del ácido tricarboxílico). El ciclo del ácido cítrico (Fig. 2) es una secuencia de reacciones en la matriz de las mitocondrias que oxidan la porción acetilo de la Acetil-CoA, y reducen coenzimas que se reoxidan por medio de la cadena de transporte de electrones, enlazada a la formación de ATP. Representa la vía común final para la oxidación de los carbohidratos, lípidos, y proteínas, porque la glucosa, los ácidos grasos y casi todos los aminoácidos se metabolizan hacia Acetil-CoA o a intermediarios del ciclo. El ciclo del ácido cítrico es anfibólico, puesto que además de oxidación, es importante en el suministro de esqueletos de carbono para la gluconeogénesis, la síntesis de ácidos grasos y la interconversión de aminoácidos. Cuatro de las vitaminas B son esenciales en el ciclo del ácido cítrico: Riboflavina, en forma de flavina adenina dinucleótido (FAD), que es un cofactor para la enzima succinato deshidrogenasa. Niacina, en forma de nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), el aceptor de electrones para las enzimas isocitrato deshidrogenasa, α-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa. Tiamina (vitamina B1) como difosfato de tiamina, la coenzima para la descarboxilación en la reacción de α-cetoglutarato deshidrogenasa. Ácido pantoténico, como parte de la coenzima A, el cofactor fijo a residuos ácido-carboxílicos “activos” como Acetil-CoA, y succinil-CoA. 7. La malato deshidrogenasa convierte al malato en oxaloacetato, una reacción que requiere NAD+. 1. La reacción inicial entre la acetil-CoA y el oxaloacetato para formar citrato está catalizada por la enzima citrato sintasa. 6. La fumarasa cataliza la adición de agua a través del doble enlace del fumarato, lo que produce malato. 5. La primera reacción de deshidrogenación, que forma fumarato es catalizada por la enzima succinato deshidrogenasa, que está unida a la superficie interna de la membrana mitocondrial interna. La enzima contiene FAD y la proteína hierro-azufre (Fe:S), y reduce de manera directa la ubiquinona en la cadena de transporte de electrones. 4. El complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa origina la formación de succinil-CoA. 2. La enzima aconitasa isomeriza el citrato hacia isocitrato; la reacción ocurre en dos pasos: deshidratación hacia cis-aconitato y rehidratación hacia isocitrato. 3. El isocitrato pasa por deshidrogenación catalizada por la enzima isocitrato deshidrogenasa para formar, en un inicio, oxalosuccinato, que permanece unido a enzima y pasa por descarboxilación hacia α-cetoglutarato. Figura 2. Modelo del ciclo del ácido cítrico, explicado por pasos. Las franjas negras transversales en las reacciones indican sustratos que inhiben el trabajo enzimático. El nombre de los sustratos se encuentra subrayado, mientras que el de las enzimas están en negritas.  Consideraciones del ciclo del ácido cítrico. Como resultado de oxidaciones catalizadas por las deshidrogenasas del ciclo del ácido cítrico, se producen tres moléculas de NADH y una de FADH2, por cada molécula de Acetil-CoA catabolizada en una vuelta del ciclo. Estos equivalentes reductores se transfieren a la cadena respiratoria, donde la reoxigenación de cada NADH origina la formación de 2.5 ATP’s, y de FADH2, 1.5 ATP’s, aproximadamente. Además, 1 ATP (o GTP) se forma mediante la fosforilación en el ámbito de sustrato catalizada por la enzima succinato tionasa. Fosforilación oxidativa y cadena respiratoria. La mayoría del ATP generado a partir del catabolismo de la glucosa es derivada de un proceso que comienza con el movimiento de electrones a través de una serie de transportadores de electrones que se someten a acciones de óxido-reducción. Esto causa que los iones de hidrógeno (H+, o hidrogeniones) se acumulen en el espacio de la matriz; posteriormente se forma un gradiente de concentración donde los hidrogeniones se difunden fuera del espacio de la matriz mitocondrial al atravesar la enzima ATP sintasa en un proceso llamado quimiosmosis. El flujo de hidrogeniones potencia la catálisis de la ATP sintasa, que fosforila ADP, produciendo ATP. La cadena respiratoria es una serie de reacciones de óxido-reducción donde los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta llegar al punto final de la cadena, donde los electrones reducen el oxígeno molecular, produciendo agua (H2O) (Fig. 3) Los electrones fluyen por la cadena respiratoria y pasan por cuatro complejos proteínicos grandes: Complejo I (NADH-Q), donde se transfieren electrones desde NADH hacia la coenzima Q (Q, o también llamada Ubiquinona). Complejo II (Succinato Q reductasa). Algunas sustancias con potenciales óxido-reducción más positivos que NAD+/NADH pasan electrones hacia Q, por medio de este complejo. Complejo III (Q-Citocromo c oxidorreductasa), que pasa los electrones hacia el Citocromo C. Complejo IV (Citocromo C Oxidasa), que completa la cadena, pasa los electrones hacia O2 y hace que se reduzca a H2O. Los cuatro complejos están incrustados en la membrana interna, pero Q y el Citocromo c son móviles. Q se difunde con rapidez dentro de la membrana, mientras que el Citocromo c es una proteína soluble. El flujo de electrones a través de los complejos I, III y IV da por resultado el bombeo de protones desde la matriz a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembrana. Figura 3. Cadena respiratoria, también llamada cadena de transporte de electrones. Complejo I. Dos electrones son llevados al primer complejo a bordo del NADH. El Complejo I puede bombear cuatro hidrogeniones a través de la membrana desde la matriz al espacio intermembrana, y es de esta manera que el gradiente de hidrogeniones se establece y se mantiene entre los dos compartimentos separados por el interior membrana mitocondrial. Ubiquinona (Q) y Complejo II. El complejo II recibe directamente FADH2, que no pasa por el complejo I. El compuesto que conecta el primer y el segundo complejo con el tercero es la ubiquinona (Q). Una vez que se reduce, (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q entonces recibe los electrones derivados de NADH del complejo I y los electrones derivados de FADH2 del complejo II, incluidos los de la enzima succinato deshidrogenasa. Esta enzima y FADH2 forman un pequeño complejo que entrega electrones directamente a la cadena de transporte de electrones, evitando el primer complejo. Complejo III El complejo III bombea hidrogeniones a través de la membrana y pasa sus electrones al citocromo c para su transporte al complejo IV de proteínas y enzimas (el citocromo c es el aceptor de electrones de Q; sin embargo, mientras Q lleva pares de electrones, el citocromo c solo puede aceptar uno a la vez). Complejo IV El complejo IV transfiere los electrones a O2, que se parte en dos átomos de oxígeno y acepta protones de la matriz para formar agua. Se necesitan 4 electrones para reducir cada molécula de O2, mientras que en el proceso se forman dos moléculas de agua. Quimiosmosis. Al proceso por el cual la energía libre del gradiente electroquímico producido por los hidrogeniones en el espacio intermembrana ara la generación de ATP se le llama quimiosmosis. Las bombas de protones en la cadena respiratoria (Complejos I, III y IV) forman un gradiente electroquímico a través de la membrana interna de la mitocondria (que recordemos que es selectivamente permeable), y este gradiente como forma de almacenamiento de hidrogeniones con una fuerza potencial, sólo tiene una manera de atravesar este espacio: a través de un canal hidrofílico, una proteína integral llamada ATP sintasa (Fig. 4). El flujo de hidrogeniones en la ATP sintasa activa una fuerza motriz potencial que cataliza la adición de un fosfato a un ADP, con lo que captura la energía del gradiente de hidrogeniones en forma de ATP, es decir, energía para las células. Figura 4. La ATP Sintasa. Cataliza un fosfato a un ADP para formar un ATP. Referencias Bibliográficas. Murray, R. K., Bender, D. A., Botham, K. M., Kennelly, P. J., Rodwell, V. W., & Weil, P. A. (2010). HARPER Bioquímica Ilustrada (28ª ed.). Ciudad de México, México: Mc Graw Hill. Rye, C., Wise, R., Jurokovski, V., DeSaix, J., Choi, J., & Avissar, Y. (2013). Biology. Recuperado de https://openstax.org/details/books/biology