Introducción a la respiración celular y las reacciones redox

Conceptos básicos de redox en la respiración celular. Fosforilación a nivel de sustrato y oxidativa. Acarreadores de electrones.

Introducción

Vamos a imaginar que eres una célula. Te acaban de dar una grande y jugosa molécula de glucosa y te gustaría convertir parte de su energía en algo más utilizable, algo que puedas utilizar para impulsar tus reacciones metabólicas. ¿Cómo puedes hacer eso? ¿Cuál es la mejor forma de exprimir toda la energía posible de esa molécula de glucosa y capturarla en una forma más práctica?
Afortunadamente para nosotros, nuestras células —y las de otros organismos vivos— son excelentes en la recolección de energía de la glucosa y otras moléculas orgánicas, como grasas y aminoácidos. Aquí obtendremos una revisión de alto nivel sobre cómo las células procesan estos combustibles. Luego revisaremos a detalle algunas de las reacciones de transferencia de electrones (reacciones de óxido-reducción o redox) que son clave para este proceso.

Resumen sobre las vías de degradación de combustible

Las reacciones que extraen energía de moléculas como la glucosa se llaman reacciones catabólicas. Eso significa que una molécula grande se rompe en moléculas más pequeñas. Por ejemplo, cuando la glucosa se fragmenta en presencia de oxígeno, se obtienen seis moléculas de dióxido de carbono y seis moléculas de agua. La reacción general de este proceso se puede escribir de la siguiente forma:
C, start subscript, 6, end subscript, H, start subscript, 12, end subscript, O, start subscript, 6, end subscript + 6, O, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, C, O, start subscript, 2, end subscript + 6, H, start subscript, 2, end subscript, O space, space, space, delta, G, equals, minus, 686, space, k, c, a, l, slash, m, o, l
En una célula, esta reacción general se divide en muchos pasos más pequeños. La energía contenida en los enlaces de la glucosa se libera en pequeñas ráfagas y parte de la misma se captura en forma de adenosín trifosfato (ATP), una pequeña molécula que impulsa las reacciones dentro de la célula. Gran parte de la energía de la glucosa se disipa como calor, pero se captura suficiente para mantener el metabolismo de la célula en marcha.
Estructura del ATP.
Imagen modificada de "ATP: Trifosfato de adenosina: Figura 1," de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0.
Conforme una molécula de glucosa se descompone poco a poco, algunos de los pasos de degradación liberan energía que se captura directamente como ATP. En estos pasos, se transfiere un grupo fosfato de un intermediario de la vía a ADP en un proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato.
Sin embargo, muchos otros pasos producen ATP de manera indirecta. En estos pasos, los electrones de la glucosa se transfieren a pequeñas moléculas conocidas como acarreadores de electrones. Los acarreadores de electrones transportan a los electrones hacia un grupo de proteínas que se encuentra en la membrana interior de la mitocondria, llamada cadena de transporte de electrones. Al moverse a través de la cadena de transporte de electrones, estos se desplazan de niveles de energía más altos a niveles más bajos y al final se transfieren al oxígeno (y se forma agua).
Cuando un electrón pasa por la cadena de transporte de electrones, la energía que libera se utiliza para bombear protones (H, start superscript, plus, end superscript) hacia el exterior de la matriz mitocondrial para formar un gradiente electroquímico. Cuando los H, start superscript, plus, end superscript fluyen por su gradiente, pasan a través de una enzima llamada ATP sintasa y proporcionan energía para la síntesis de ATP. Este proceso se conoce como fosforilación oxidativa. El siguiente diagrama muestra ejemplos de fosforilación oxidativa y a nivel de sustrato.
Diagrama simplificado que muestra la fosforilación oxidativa y la fosforilación a nivel de sustrato durante las reacciones de degradación de la glucosa. Dentro de la matriz de la mitocondria, la fosforilación a nivel de sustrato ocurre cuando un grupo fosfato de un intermediario de las reacciones de degradación de la glucosa se transfiere a ADP para generar ATP. Al mismo tiempo, los electrones se transportan desde los intermediarios de las reacciones de degradación de la glucosa hacia la cadena de transporte de electrones gracias a acarreadores de electrones. Los electrones se mueven a través de la cadena de transporte de electrones, bombeando protones hacia el espacio intermembranal. Cuando estos protones fluyen de regreso en sentido del gradiente de concentración, pasan a través de la ATP sintasa, la cual usa el flujo de electrones para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). Este proceso de transporte de electrones, bombeo de protones y captura energética a partir del gradiente de electrones para formar ATP se llama fosforilación oxidativa.
Imagen modificada de "Etc4" de Fvasconcellos (dominio público).
¡No exactamente! Este es un diagrama simplificado que está diseñado para ayudarnos a tener una idea de cómo funciona la fosforilación oxidativa. En una mitocondria real, la matriz sería un espacio mucho más grande de lo que aquí se muestra y la membrana interna de la mitocondria que la rodean contendría muchos pliegues y túneles. Estos pliegues y túneles aumentan su área superficial para que pueda contener muchas, muchas copias de las enzimas (como la ATP sintasa y las proteínas de la cadena de transporte de electrones) que participan en la extracción de energía.
Cuando los combustibles orgánicos como la glucosa se degradan mediante una cadena de transporte de electrones, el proceso de degradación se conoce como respiración celular.

Acarreadores de electrones

Los acarreadores de electrones, también llamados portadores de electrones, son pequeñas moléculas orgánicas que desempeñan un papel clave en la respiración celular. Su nombre es una buena descripción de su trabajo: recogen electrones de una molécula y los llevan a otra. En el diagrama anterior puedes ver que un acarreador de electrones traslada electrones de las reacciones de degradación de la glucosa a la cadena de transporte de electrones.
Hay dos tipos de acarreadores de electrones que son particularmente importantes en la respiración celular: NADstart superscript, plus, end superscript (nicotinamida adenina dinucleótido, mostrado a continuación) y FAD (flavina adenina dinucleótido).
Estructuras químicas del NAD+ y del NADH. El NADH tiene un hidrógeno unido a un anillo nitrogenado, mientras que en el NAD+ ese mismo anillo carece de dicho hidrógeno y tiene una carga positiva.
Imagen modificada de "Energía en sistemas vivos: Figura 1", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0).
Cuando NADstart superscript, plus, end superscript y FAD recolectan electrones, también ganan uno o más átomos de hidrógeno y cambian a una forma ligeramente diferente:
start color blue, N, A, D, end color blue, start superscript, plus, end superscript plus 2, e, start superscript, minus, end superscript plus 2, start color purple, H, end color purple, start superscript, plus, end superscript right arrow start color blue, N, A, D, end color bluestart color purple, H, end color purple plus space, start color purple, H, end color purple, start superscript, plus, end superscript
start color green, F, A, D, end color green plus 2, e, start superscript, minus, end superscript plus 2, start color purple, space, H, end color purple, start superscript, plus, end superscript right arrow start color green, F, A, D, end color green, start color purple, H, end color purple, start subscript, start color purple, 2, end color purple, end subscript
Y cuando entregan electrones, regresan ordenadamente a su forma original:
start color blue, N, A, D, end color bluestart color purple, H, end color purple right arrow start color blue, N, A, D, end color blue, start superscript, plus, end superscript plus 2, e, start superscript, minus, end superscript plus start color purple, H, end color purple, start superscript, plus, end superscript
start color green, F, A, D, end color green, start color purple, H, end color purple, start subscript, start color purple, 2, end color purple, end subscript right arrow start color green, F, A, D, end color green plus 2, e, start superscript, minus, end superscript plus 2, start color purple, space, H, end color purple, start superscript, plus, end superscript
Las reacciones en las que NADstart superscript, plus, end superscript y FAD ganan o pierden electrones, son ejemplos de una clase de reacciones, llamadas reacciones redox. Echemos un vistazo a lo que son estas reacciones y por qué son tan importantes en la respiración celular.

Reacciones redox: ¿qué son?

En la respiración celular ocurren muchas reacciones en las que pasan electrones de una molécula a otra. Las reacciones en las que ocurren transferencias de electrones se conocen como reacciones de oxido-reducción (o reacciones redox).
Tal vez hayas aprendido en química que una reacción redox es cuando una molécula pierde electrones y se oxida, mientras que otra molécula gana electrones (los que perdió la primera molécula) y se reduce. Regla mnemotécnica útil “GRuPO”: Gana electrones, Reducción; Pierde electrones, Oxidación.
La formación de cloruro de magnesio es un ejemplo de una reacción redox en la que sucede justo lo que acabamos de definir:
M, g, plus, C, l, start subscript, 2, end subscript, right arrow, M, g, start superscript, 2, plus, end superscript, plus, 2, C, l, start superscript, minus, end superscript
En esta reacción el átomo de magnesio pierde dos electrones, por lo que se oxida. Estos dos electrones los toma el cloro, que se reduce.
Sin embargo, como se señala en el video sobre la oxidación y reducción en la biología, en realidad deberíamos poner comillas alrededor de "gana electrones" y "pierde electrones" en nuestra descripción de lo que les sucede a las moléculas en una reacción redox. Eso es porque también podemos tener una reacción en la que una molécula acapare los electrones en lugar de ganarlos por completo o le sean acaparados en lugar de perderlos por completo.
¿Qué queremos decir con eso? Para ilustrarlo, vamos a utilizar el ejemplo del video:
2H, start subscript, 2, end subscript plus O, start subscript, 2, end subscript right arrow 2H, start subscript, 2, end subscript, O plus h, e, a, t
En esta reacción no ocurre una transferencia de electrones obvia, pero sigue siendo un ejemplo de una reacción redox. Eso es porque la magnitud de la densidad electrónica en los átomos de H y O es diferente en los productos y en los reactivos.
Si bien es cierto, no es obvio; así que vamos a explicarlo mediante las propiedades de los átomos. Cuando los átomos de H se unen entre sí en H, start subscript, 2, end subscript, comparten electrones equitativamente: ninguno jala los electrones con más fuerza. Lo mismo ocurre con los átomos de O unidos entre sí en O, start subscript, 2, end subscript. Sin embargo, la situación es diferente en el producto, H, start subscript, 2, end subscript, O. El oxígeno es mucho más electronegativo, o ávido de electrones, que el hidrógeno, por lo que en un enlace O, minus, H en una molécula de agua, el átomo de O acapara los electrones y pasan más tiempo cerca de él que del H.
Así, a pesar de que en la reacción anterior no se ganan ni se pierden electrones por completo:
  • El O tiene mayor densidad electrónica después de la reacción que antes (se redujo)
  • El H tiene menor densidad electrónica que antes (se oxida)
Para los amantes de la química, este cambio en el acaparamiento de electrones durante la reacción puede describirse con mayor precisión como un cambio en el estado de oxidación de los átomos de O e H. Revisa el video para ver cómo se pueden utilizar los estados de oxidación como "herramientas de contabilidad" para representar cambios en la distribución de electrones.

¿Qué hay con ganar y perder átomos de H y O?

El fundamento de las reacciones de oxidación y reducción es la transferencia y/o acaparamiento de electrones. Sin embargo, en el contexto de la biología, muchas veces podemos utilizar un pequeño truco para averiguar a dónde van los electrones. Este truco nos permite utilizar la ganancia o pérdida de átomos de H y O como representante de la transferencia de electrones.
En general:
  • Si una molécula que contiene carbono gana átomos de H o pierde átomos de O durante una reacción, probablemente se ha reducido (ganó electrones o densidad electrónica)
  • Por otro lado, si una molécula que contiene carbono pierde átomos de H o gana átomos de O, probablemente se ha oxidado (perdió electrones o densidad electrónica)
Por ejemplo, regresemos a la reacción de degradación de la glucosa:
C, start subscript, 6, end subscript, H, start subscript, 12, end subscript, O, start subscript, 6, end subscript + 6, O, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, C, O, start subscript, 2, end subscript + 6, H, start subscript, 2, end subscript, O
En la glucosa, el carbono está unido a átomos de H, mientras que en el dióxido de carbono no se une con ningún H. Por lo tanto, nuestra predicción es que en esta reacción la glucosa se oxida. Del mismo modo, los átomos de O del O, start subscript, 2, end subscript terminan unidos a más Hs después de la reacción, por lo que nuestra predicción sería que el oxígeno se reduce. (Confirmamos esto desde una perspectiva de transferencia de electrones en el video sobre reacciones redox en la respiración).
¿Por qué funciona este truco? Una forma de verlo, según el video sobre oxidación y reducción en la biología, es que:
  • Los átomos a los que el H se suele unir en moléculas orgánicas, como C, comma, space, O, comma, space, N, comma y P, comma son más electronegativos que el H mismo. Por lo que si un átomo de H y su electrón se unen a una molécula, lo más probable es que lo que se haya unido al H nuevo acaparará el electrón y se reducirá.
  • El O es más electronegativo que cualquiera de los otros átomos que se encuentran principalmente en la mayoría de las moléculas biológicas. Si se une a una molécula, es probable que vaya a jalar la densidad electrónica de el átomo al que se unió, y lo oxida.

¿Qué sentido tiene toda esta oxidación y reducción?

Ahora que tenemos una mejor idea de qué es una reacción redox, dediquemos un momento en pensar sobre el por qué. ¿Por qué una célula se toma toda la molestia de extraer electrones de la glucosa, transferirlos a acarreadores de electrones y pasarlos por una cadena de transporte de electrones en una larga serie de reacciones redox?
La respuesta básica es: ¡para obtener energía de esa molécula de glucosa! Aquí está la reacción de degradación de la glucosa que vimos al principio del artículo:
C, start subscript, 6, end subscript, H, start subscript, 12, end subscript, O, start subscript, 6, end subscript + 6, O, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, C, O, start subscript, 2, end subscript + 6, H, start subscript, 2, end subscript, O
Que podemos reescribir un poco más claramente como:
C, start subscript, 6, end subscript, H, start subscript, 12, end subscript, O, start subscript, 6, end subscript + 6, O, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, C, O, start subscript, 2, end subscript + 6, H, start subscript, 2, end subscript, O +
Como se explica en el video sobre reacciones redox en la respiración, los electrones están en un nivel de energía más alto cuando están en átomos menos electronegativos (como el C o H) y en un nivel de energía más bajo cuando están en átomos más electronegativos (como el O). De esta forma, en una reacción como la degradación de la glucosa anterior, se libera energía porque los electrones se mueven a un nivel de energía más bajo, un estado más "cómodo", al pasar de la glucosa al oxígeno.
La energía que se libera cuando los electrones se mueven a un estado energético más bajo se puede capturar y usarse para realizar trabajo. En la respiración celular, los electrones de la glucosa se mueven gradualmente a través de una cadena de transporte de electrones hacia el oxígeno, pasan a estados de energía cada vez más bajos y liberan energía en cada paso. El objetivo de la respiración celular es captar esta energía en forma de ATP.
Imagen modificada de Metabolismo de carbohidratos: Figura 1 de OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
¡Muy buena pregunta! No, el proceso en realidad no es tan directo. Este diagrama solo ilustra el concepto, no el mecanismo.
¿Qué sucede realmente? La energía liberada en las transferencias de electrones en la cadena de transporte de electrones se captura como un gradiente de protones (descrito al principio del artículo), y es este gradiente del protones quien proporciona energía para la conversión de ADP a ATP mediante una enzima llamada ATP sintasa.
En otras palabras, la energía no se convierte en ATP. (¡Es bastante difícil convertir energía en materia, fuera de los fenomenos de la relatividad especial!). En realidad, parte de la energía liberada se utiliza para pegar ADP y fosfato inorgánico y así producir ATP. La energía se almacena en el enlace recién formado que está presente en el ATP pero no en el ADP.
En los próximos artículos y videos, revisaremos la respiración celular paso a paso y veremos cómo la energía liberada en las transferencias de redox se captura como ATP.

Créditos:

Este artículo es una versión modificada de “Energía en sistemas vivos”, de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga sin costo el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:34/Energy-in-Living-Systems.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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