Proceso de respiración celular

El proceso general de respiración celular se puede comparar con el agua que fluye por un río que impulsa una turbina. Mientras que la construcción y el mantenimiento de la turbina dependen de la energía, el flujo de agua funciona con gravedad siempre que haya agua corriente arriba. De manera similar, aunque la producción y el mantenimiento de enzimas mitocondriales, membranas celulares y cofactores son procesos dependientes de la energía, la oxidación del combustible y el flujo respiratorio de electrones son exotérmicos (es decir, liberan calor). Los electrones fluyen en la respiración celular precisamente como fluyen en otros circuitos eléctricos, hacia aceptores de mayor afinidad electrónica.

En la membrana mitocondrial interna, los complejos I, III y IV (que reoxidan las formas reducidas de NAD+, coenzima Q y citocromo C, respectivamente) utilizan sus afinidades electrónicas más altas para bombear protones a través de la membrana para generar un gradiente de protones. Así como el costo de girar una turbina de agua se paga por el agua que fluye río abajo, el costo de bombear protones se paga por los electrones que fluyen de estados de mayor energía a estados de menor energía. Ver también: Protones

El retorno de protones a través de la enzima FOF1 ATP sintasa genera ATP por fosforilación oxidativa (Fig. 1), mientras que el retorno de protones a través de los poros de protones (como las proteínas desacoplantes) genera calor (Fig. 3). Debido a que la afinidad electrónica sigue un patrón de gradiente de O2 > citocromo C > coenzima Q > FAD > NAD+, la oxidación del combustible normalmente transfiere electrones primero a NAD+ y/o FAD, y luego a la coenzima Q, citocromo C y O2, con muchos grupos metálicos unidos a proteínas adicionales como intermediarios en los complejos I, II, III y IV.

Fig. 3 El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones respiratorios puede generar especies reactivas de oxígeno (ROS). Al mover equivalentes reductores de NADH a NADPH, la nicotinamida nucleótido transhidrogenasa puede generar el NADPH para reactivar el glutatión y desintoxicar las ERO. Esta actividad es dependiente de protones, por lo que es directamente competitiva con la producción de ATP y/o calor, y es dependiente de NADH, por lo que es competitiva con la iniciación de la cadena de transporte de electrones en el complejo I. (Crédito: Ilustración de Carli Hansen)

Pequeños aumentos escalonados en la afinidad electrónica se manifiestan por pequeñas caídas en la energía libre de electrones a lo largo de la cadena respiratoria de electrones. Las pequeñas diferencias sirven para minimizar la producción de calor y para minimizar la producción de radicales libres de superóxido (•O2−) e hidroxilo (•OH). Estos compuestos reactivos se forman por colisión entre la forma radical de la coenzima Q (*Q -) y el O2 (Fig. 3). El daño producido por especies reactivas de oxígeno (ROS) es un costo obvio del metabolismo aeróbico, y las ROS en forma de peróxido de hidrógeno (H2O2) y fosfolípidos hidroperóxidos son controlados por glutatión reductasas y glutatión peroxidasas, que dependen del NADPH como agente reductor para reactivar el glutatión oxidado. Por lo tanto, bajo condiciones de ROS, hay una mayor demanda de NADPH para funciones de reparación que de NADH para fosforilación oxidativa. Además, las mitocondrias tienen una enzima denominada nicotinamida nucleótido transhidrogenasa (NNT) que puede transferir hidruro de NADH a NADP+ para generar el NADPH. Los protones regresan a través de NNT para impulsar este proceso catalítico de una manera que es directamente competitiva con la producción de ATP y calor (Fig. 3). Ver también: Energía libre; Radicales libres; Peróxido de hidrógeno; Química de superóxido

Las demandas respiratorias varían según el tipo de combustible, por el equilibrio entre el catabolismo y el anabolismo en el que se involucra una célula, y por el grado en que la célula produce NADPH citosólico anaeróbico a través de procesos como la vía de fosfato de pentosa (en la que la glucosa se metaboliza o transforma en NADPH).

Mientras que el proceso de oxidación de glucosa a piruvato es anaeróbico, los electrones capturados en NADH en el paso de la deshidrogenasa de fosfato de gliceraldehído se pueden usar en el metabolismo oxidativo en virtud del transporte de lactato a otro tejido y/o transferencia a mitocondrias a través de otros mecanismos, incluyendo la lanzadera de malato-aspartato y la lanzadera de glicerol-3-fosfato (Fig. 4). Cuando el piruvato se oxida completamente a CO2 en las mitocondrias por la acción combinada de la piruvato deshidrogenasa y el ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs), los electrones se capturan en NADPH, NADH y FADH2, necesitando O2 como aceptor de electrones para reoxidar NADH y FADH2. El NADPH formado por la acción de la isocitrato deshidrogenasa (una enzima mitocondrial del ácido cítrico) se utiliza en gran medida para controlar las ERO que acompañan la reoxidación aeróbica del NADH y el FADH2 en la cadena de transporte de electrones (Fig. 5). Véase también: Ciclo del ácido cítrico

Fig. 4 Los sistemas de transporte múltiple pueden mover equivalentes reductores del citoplasma a las mitocondrias. La lanzadera de glicerol-3-fosfato mueve el hidruro del NADH citosólico a la coenzima Q a través del FAD. El sistema de transporte malato-aspartato mueve malato, aspartato, α-cetoglutarato y glutamato a través de la membrana interna mitocondrial para acoplar la oxidación del NADH citosólico a la reducción del NAD+mitocondrial. La dirección y el grado de estos flujos están limitados por la reoxidación de NADH dependiente de la respiración por el complejo I. (Crédito: Ilustración de Carli Hansen)

Fig. 5 La oxidación total de la glucosa involucra las fases oxidativa y no oxidativa de la vía del fosfato de pentosa (no se muestra) o la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico vinculado a la respiración. (Crédito: Ilustración de Carli Hansen)

En contraste con la oxidación de la glucosa, la oxidación completa de los triglicéridos (lípidos neutros que consisten en tres cadenas de acil grasos esterificadas a una columna vertebral de glicerol) es casi completamente aeróbica (Fig. 6). La oxidación de glicerol a piruvato produce un NADH citosólico anaeróbico, mientras que los ácidos grasos saturados con números pares que se oxidan a CO2 en las mitocondrias tienen todos los electrones capturados en NAD+ y FAD, necesitando O2 como el aceptor final de electrones. La proporción de carbonos de ácidos grasos a carbonos de glicerol en un triglicérido proporciona una indicación de cuán exigente aeróbicamente es la oxidación de triglicéridos. Por ejemplo, en un triglicérido que contiene tres ácidos grasos 16-C, se genera un único NADH citosólico por > 140 coenzimas mitocondriales reducidas generadas en la producción y oxidación de las 48 moléculas de acetil–coenzima A (Ac-CoA) derivadas de ácidos grasos. Teniendo en cuenta que el NADH citosólico puede reoxidarse aeróbicamente de manera efectiva a través de la lanzadera malato-aspartato o la lanzadera glicerol-3-fosfato y que el piruvato derivado del glicerol también puede oxidarse en las mitocondrias, la oxidación completa de un triglicérido típico puede requerir suficiente oxígeno para reoxidar aproximadamente 150 equivalentes mitocondriales de NADH y FADH2. Ver también: Metabolismo lipídico; Triglicéridos (triacilglicerol)

Fig. 6 La oxidación total de las porciones de ácidos grasos de los triglicéridos depende de las enzimas β-oxidación, el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria de transporte de electrones. (Crédito: Ilustración de Carli Hansen)

También se debe señalar que la oxidación de aminoácidos es intermedia en su requerimiento de O2 entre la glicólisis y la oxidación de ácidos grasos mitocondriales porque algunos cofactores reducidos se producen en el citosol y otros se producen en las mitocondrias. Ver también: Aminoácidos; Metabolismo de aminoácidos

La otra consideración que guía la magnitud de un requerimiento de O2 celular es el grado en que una célula está ocupada con reacciones que exigen el hidruro llevado sobre NADH y NADPH y si se pueden producir equivalentes reductores citosólicamente. A diferencia de una chimenea, cuyo propósito es quemar combustible completamente para generar calor (Fig. 2), los seres vivos crean y reparan todo de lo que están hechos, y llevan a cabo el trabajo de reposo y metabolismo activo a partir del consumo de alimentos.

Por lo tanto, la lógica de la vida es tal que los electrones de relativamente baja energía transportados en el citocromo C en la membrana mitocondrial interna tienen mucho menos poder para hacer un trabajo significativo que los electrones transportados en el NADPH citosólico. El primero puede donar al O2 para generar agua, ya que ha generado un gradiente de protones en el descenso del estado de alta energía en NADH al estado de baja energía en el citocromo C reducido.El segundo puede donar electrones a grupos beta-ceto y alquenos para realizar biosíntesis reductiva. Por lo tanto, sería ilógico para las células dejar que los electrones fluyan cuesta abajo demasiado lejos si son necesarios para reacciones biosintéticas.