Respiración celular aerobia: glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria

La respiración celular es el proceso por el cual las células rompen la glucosa (u otras moléculas orgánicas) para obtener la energía que guardan sus enlaces y almacenarla en forma de ATP. Cuando usa oxígeno se llama aerobia. No hay que confundirla con la respiración pulmonar: los pulmones solo llevan el oxígeno a las células, que son las que «respiran» de verdad.

Ecuación general

$$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} + \text{energía (ATP y calor)}$$

Observa que es casi la inversa de la fotosíntesis: la fotosíntesis guarda energía en la glucosa y la respiración la libera. Es un proceso catabólico.

La respiración aerobia ocurre en tres etapas:

1. Glucólisis

Ocurre en el citoplasma y no necesita oxígeno (es común a la respiración aerobia y a la anaerobia). Mediante diez reacciones, una molécula de glucosa (6 carbonos) se divide en dos moléculas de ácido pirúvico o piruvato (3 carbonos cada una).

• Se gastan 2 ATP al principio y se producen 4: ganancia neta de 2 ATP.
• Se forman 2 NADH.

2. Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico)

Lo describió Hans Krebs en 1937 (premio Nobel en 1953). Ocurre en la matriz mitocondrial.

1. Cada piruvato entra a la mitocondria, pierde un $\ce{CO2}$ y se convierte en un grupo acetilo (2 carbonos), que se une a la coenzima A para formar acetil-CoA.
2. El acetil-CoA se une al oxalacetato (4 carbonos) y forma citrato o ácido cítrico (6 carbonos).
3. En una serie de reacciones el citrato pierde dos carbonos como $\ce{CO2}$ y se regenera el oxalacetato, listo para otra vuelta.

Por cada vuelta (es decir, por cada acetil-CoA) se producen 2 $\ce{CO2}$, 3 NADH, 1 FADH₂ y 1 ATP. Como cada glucosa da dos acetil-CoA, el ciclo gira dos veces por glucosa:

$$\text{2 acetil-CoA} \longrightarrow 4\,\ce{CO2} + 6\,\text{NADH} + 2\,\text{FADH}_2 + 2\,\text{ATP}$$

El NAD⁺ (dinucleótido de nicotinamida y adenina) y el FAD (dinucleótido de flavina y adenina) son transportadores de electrones: se cargan con electrones e hidrógenos (NADH y FADH₂) y los llevan a la siguiente etapa. El $\ce{CO2}$ que exhalamos se produce aquí.

3. Cadena respiratoria (transporte de electrones)

Ocurre en la membrana interna de la mitocondria, que forma pliegues llamados crestas para tener más superficie.

1. El NADH y el FADH₂ entregan sus electrones a una serie de proteínas transportadoras (complejos I a IV).
2. Los electrones pasan de un transportador a otro en reacciones de óxido-reducción y liberan energía poco a poco.
3. Esa energía se usa para bombear protones ($\ce{H+}$) al espacio entre las dos membranas.
4. Los protones regresan a la matriz a través de la enzima ATP sintasa, que aprovecha ese flujo para fabricar ATP. Este mecanismo se llama fosforilación oxidativa (o quimiosmótica), y lo propuso Peter Mitchell.
5. Al final, el oxígeno recibe los electrones y se une a protones para formar agua:

$$\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}$$

Por eso necesitamos oxígeno: es el aceptor final de electrones. Sin él, la cadena se detiene. El cianuro es mortal porque bloquea el último complejo de la cadena.

Balance energético

Según el balance clásico de los libros de texto, por cada glucosa:

$$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} + 38\ \text{ATP}$$

Las mediciones más recientes indican un rendimiento real algo menor, de 30 a 32 ATP, porque transportar moléculas a la mitocondria también cuesta energía. Para los exámenes de admisión suele pedirse el valor de 38. En cualquier caso, la respiración aerobia es unas 19 veces más eficiente que la respiración anaerobia, que solo produce 2 ATP por glucosa.

Comprueba lo aprendido

1. ¿En qué parte de la célula ocurre la glucólisis?Ver respuestaOcultar respuesta

En el citoplasma.

2. ¿Qué función tiene el oxígeno en la respiración celular?Ver respuestaOcultar respuesta

Es el aceptor final de electrones de la cadena respiratoria; al recibirlos se convierte en agua.

3. ¿Con qué compuesto inicia cada vuelta del ciclo de Krebs?Ver respuestaOcultar respuesta

Con la formación de ácido cítrico (citrato), por la unión del acetil-CoA con el oxalacetato.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios de metabolismo, fotosíntesis y respiración

Referencias

• Campbell, N. A. y Reece, J. B. (2007). Biología (7.ª ed.). Editorial Médica Panamericana.
• Ville, C. A., Solomon, E. P., Berg, L. R. y Martin, D. W. (1996). Biología (4.ª ed.). McGraw-Hill Interamericana.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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