Respiración celular

Bioenergética o termodinámica

La bioenergética o termodinámica estudia los cambios y transformaciones de energía que acompañan a los procesos metabólicos (anabolismo y catabolismo) de los organismos vivos.

Organismos autótrofos o fotótrofos

Son organismos que no necesitan de otros seres para obtener la energía necesaria para sus procesos metabólicos. Los vegetales pertenecen a este grupo, ya que necesitan luz solar, CO2 y H2O para realizar procesos funcionales y estructurales.

Organismos heterótrofos o quimiótrofos

Necesitan de otros organismos para obtener la energía necesaria para sus procesos metabólicos. Los mamíferos se encuentran en este grupo.

Energía libre o de Gibbs

La energía libre (ΔG) es la que se encuentra en el organismo y puede utilizarse para funciones o para síntesis de moléculas de depósito o estructurales de células, tejidos y órganos. Corresponde al 60% de la energía producida en vías metabólicas; el 40% se libera como calor.

Leyes importantes en sistemas biológicos

• Primera ley: conservación de la energía; no se destruye, cambia de forma. Ejemplo: energía derivada del metabolismo de carbohidratos se almacena como ATP.
• Segunda ley: entropía; el universo tiende al desorden máximo; ningún sistema se mantiene en equilibrio sin pérdida o ganancia de energía.
• Tercera ley: ningún organismo puede quedar fuera del juego; debe existir movimiento constante de energía entre los seres.

Reacciones exergónicas y endergónicas

• Exergónica: ocurre de manera espontánea, con pérdida de energía libre; signo negativo; es irreversible.
• Endergónica: reacción de ganancia de energía; signo positivo.
• Equilibrio: cuando no existe cambio, el sistema está en equilibrio y la energía libre es 0.

En la práctica no existen reacciones endergónicas sin exergónicas, porque la exergónica aporta la energía para que se produzca la endergónica. En el metabolismo, las exergónicas se relacionan con el catabolismo (glucólisis, lipólisis) y las endergónicas con el anabolismo (glucogénesis, lipogénesis).

Oxidaciones biológicas

La oxidación es la pérdida de electrones con ganancia de valencias y la reducción es la ganancia de electrones con pérdida de valencias. En las células, al metabolizar moléculas orgánicas con elevada energía potencial, su degradación (catabolismo) libera energía que puede transferirse o almacenarse como ATP.

Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

La cadena respiratoria (cadena transportadora de electrones) es una sucesión de complejos que trasladan electrones producidos en el metabolismo desde compuestos más electronegativos a más electropositivos.

La fosforilación oxidativa es el proceso donde sustratos se reducen para fosforilar a los ADP y cargarlos energéticamente, convirtiéndolos en ATP. Algunos productos como halotano, cianuro o CO pueden inhibir el proceso y en ocasiones ser mortales.

Mitocondrias

Las mitocondrias son organelos encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular. Actúan como centrales energéticas y sintetizan ATP a expensas de sustratos metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos).

Membranas mitocondriales e impermeabilidad relativa

Presentan una membrana externa permeable a la mayor parte de metabolitos y una membrana interna muy selectiva que forma pliegues llamados crestas mitocondriales. Entre ambas está el espacio intermembrana y en el núcleo del organelo se ubica la matriz mitocondrial.

La membrana mitocondrial interna es libremente permeable a moléculas pequeñas no cargadas como oxígeno, agua, CO2, NH3 y a ácidos monocarboxílicos (3-hidroxibutírico, acetoacético y acético).

Cadena respiratoria: complejos y bombeo de protones

La energía liberada durante el metabolismo de ácidos grasos, aminoácidos y carbohidratos se utiliza como equivalentes reductores para convertir ADP en ATP. La cadena respiratoria contiene cuatro complejos (numerados en romano) y una coenzima Q (ubiquinona).

El NADH+H ingresa electrones al complejo I (NADH deshidrogenasa) y, tras transferencias sucesivas (incluyendo FMN, Fe-S, coenzima Q, complejo III, citocromo c y complejo IV), se acumulan protones en el espacio intermembrana: en total 10 protones. El FADH2 introduce electrones desde la coenzima Q y produce 6 protones (por los complejos III y IV).

Producción de energía en el metabolismo

La mayor proporción de energía se produce en la cadena respiratoria. También se produce ATP directamente en otros pasos, por ejemplo en la glucólisis (pasos 7 y 10) y en la reacción 5 del ciclo de Krebs, donde se produce GTP (equivalente del ATP).

Formación de ATP: acoplamiento de oxidación y fosforilación

• Teoría química: el acoplamiento entre oxidación y fosforilación (y la producción de ATP) ocurre en cada paso de la cadena respiratoria, similar a los pasos 7 y 10 de la glucólisis.
• Teoría quimiostática de Mitchell: los protones atrapados se introducen al espacio intermembrana; por diferencia de potencial eléctrico y pH retornan a la matriz a través de complejos fosforilantes que actúan como rotor, generando energía para unir ADP y Pi y formar ATP. El complejo I bombea 4 protones, el III 4 y el IV 2.

Cada cuatro protones de hidrógeno tendrían fuerza para sintetizar un ATP. Se menciona que cada NADH+H produce 2,5 y cada FADH2 1,5; para fines de estudio se redondean a 3 y 2 (y 2 para el FADH2).