Metabolismo Energético Celular: Ciclo de Krebs y Cadena de Transporte de Electrones

Ciclo de Krebs: Ruta Central del Metabolismo Aeróbico

Se denomina ciclo de Krebs, ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, al conjunto de ocho reacciones enzimáticas que ocurren en la matriz mitocondrial de las células eucarióticas. Estas reacciones permiten la oxidación completa (degradación) de una molécula de acetil-CoA en condiciones aeróbicas, de acuerdo con la siguiente reacción global:

En resumen, por cada molécula de acetil-CoA que es degradada (oxidada) completamente a dióxido de carbono por las enzimas del ciclo de Krebs, se reducen 3 moléculas de la coenzima NAD⁺ y 1 molécula de la coenzima FAD, formándose además una molécula de GTP (que es convertible en ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato).

El ciclo de Krebs es la ruta central del metabolismo aeróbico celular por dos razones fundamentales:

1. Es la ruta degradativa final de biomoléculas que dan origen a piruvato o acetil-CoA en su proceso degradativo, tales como los hidratos de carbono, los ácidos grasos y la mayoría de los aminoácidos.
2. Es fuente de intermediarios metabólicos requeridos para procesos de biosíntesis:
   • α-cetoglutarato → glutamato ⇔ aminoácidos y nucleótidos de purinas
   • succinil-CoA → porfirinas
   • fumarato → aspartato ⇔ aminoácidos y nucleótidos de pirimidinas
   • oxalacetato → gluconeogénesis / aminoácidos aromáticos, serina, glicina y cisteína / aspartato ⇔ pirimidinas

Conexión con la Glicólisis: El Complejo Piruvato Deshidrogenasa

En condiciones aeróbicas, la glicólisis y el ciclo de Krebs se conectan mediante el piruvato que se genera durante la glicólisis y entra a la matriz mitocondrial. Allí, es descarboxilado oxidativamente por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa, siendo convertido en acetil-CoA. En células de mamíferos, este complejo multienzimático es regulado por medio de modificaciones covalentes; es decir, la fosforilación de un componente del complejo inactiva la piruvato deshidrogenasa, mientras que la desfosforilación la activa. La enzima quinasa involucrada en la inactivación es activada alostéricamente por ATP y NADH.

El complejo piruvato deshidrogenasa cataliza la siguiente reacción:

Cadena Transportadora de Electrones: Respiración Mitocondrial

La membrana interna de las mitocondrias y la membrana citoplasmática de bacterias poseen un complejo sistema de proteínas y enzimas, denominado cadena transportadora de electrones. Esta cadena se encarga de oxidar las coenzimas reducidas FADH₂ y NADH y transportar los electrones hasta el oxígeno molecular, que actúa como aceptor final de los electrones. El O₂ se reduce y se combina con protones para formar H₂O en la matriz mitocondrial. En consecuencia, durante el transporte de electrones hay un consumo de oxígeno, lo que se denomina respiración mitocondrial (cerca del 90% del consumo celular de oxígeno molecular es debido a la actividad de la citocromo c oxidasa). La composición parcial e identificación de los complejos se muestran en la siguiente tabla:

Complejos Proteicos de la Cadena Transportadora de Electrones

NOMBRE	PESO MOLECULAR	COFACTORES
NADH-ubiquinona reductasa (NADH deshidrogenasa o complejo I)	850.000 Da	FMN / Fe-S
succinato-ubiquinona reductasa (succinato deshidrogenasa o complejo II)	125.000 Da	FAD / citocromo b / Fe-S
ubiquinona-citocromo c reductasa (complejo citocromo b-c o complejo III)	250.000 Da	Fe-S / citocromos b y c
citocromo c oxidasa (citocromo oxidasa o complejo IV)	300.000 Da	citocromos a y a3 / Cu2+

Así, la cadena transportadora de electrones está constituida por cuatro complejos proteicos que transfieren los electrones provenientes de las coenzimas reducidas en un sentido vectorial hacia el O₂, según lo muestra el siguiente esquema:

Esquema del Flujo de Electrones entre los Complejos de la Cadena Transportadora

Los cofactores “Fe-S”, mencionados en la tabla anterior, se refieren a centros sulfoférricos existentes en algunas proteínas sulfoférricas (con estequiometría Fe₂S₂ o Fe₄S₄, según la proteína), en los que el átomo de hierro puede presentar estados de oxidación 2⁺ y 3⁺. Además, el transporte de electrones entre los complejos I→II y II→III es efectuado por la ubiquinona reducida y el transporte entre los complejos III→IV es efectuado por citocromo c reducido, al ser ambas moléculas pequeñas y de fácil difusión a través de la membrana interna de la mitocondria.

Reacciones Clave del Transporte de Electrones

Las reacciones de las etapas más importantes del transporte de electrones son:

complejo I: NADH + H+ + ubiquinona oxidada	↔	NAD+ + ubiquinona reducida
complejo II: FADH2 + ubiquinona oxidada	↔	FAD + ubiquinona reducida + 2 H+
complejo III: ubiquinona reducida + citocromo c (Fe2+)	↔	ubiquinona oxidada + citocromo c (Fe3+)
complejo IV: citocromo c (Fe3+) + 1/2 O2 + 2 H+	↔	citocromo c (Fe2+) + H2O

Aun cuando las reacciones no lo evidencian, es importante destacar el bombeo de protones:

• Tres protones son bombeados por el complejo I desde la matriz al espacio intermembrana.
• Cuatro protones son bombeados por el complejo III desde la matriz al espacio intermembrana.
• Cuatro protones son bombeados por el complejo IV desde la matriz al espacio intermembrana.

En consecuencia, solo tres de los cuatro complejos de la cadena transportadora de electrones contribuyen a generar la gradiente de protones entre el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial. Esta gradiente proporcionará la fuerza protomotriz requerida para la síntesis de ATP en la fosforilación oxidativa. Se bombean once protones cuando NADH es oxidado y siete protones cuando FADH₂ es oxidado. Planteado de otra manera, a partir de NADH, se bombean 11 H⁺ para que se consuma un átomo de oxígeno, y a partir de FADH₂, se bombean 7 H⁺ para que se consuma un átomo de oxígeno.

Inhibidores de la Cadena Transportadora de Electrones

Una variedad de sustancias químicas son altamente tóxicas a consecuencia de su acción inhibitoria sobre algún componente de la cadena transportadora de electrones. Por ejemplo, el cianuro y el monóxido de carbono son inhibidores del complejo IV (citocromo oxidasa). En presencia de uno de estos inhibidores, la cadena transportadora de electrones de la mitocondria se detendrá, no habrá consumo de oxígeno ni fosforilación oxidativa, y la célula (y el organismo) morirá por falta de ATP.

Ejemplos de Algunos Inhibidores de la Cadena Transportadora de Electrones

Sitio de Inhibición	Inhibidor
Complejo I	rotenona amital progesterona piericidina A
Complejo II	tenoiltrifluoroacetona
Complejo III	antimicina A
Complejo IV	cianuro monóxido de carbono azida