sábado, 20 de mayo de 2017

1 INTRODUCCIÓN A LA RESPIRACIÓN CELULAR

La respiración celular aeróbica consta de dos procesos, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones fotosintética, que funcionan de manera análoga pero con resultados opuestos a la cadena de transporte de electrones fotosintética y al ciclo de Calvin. Tradicionalmente esta ruta metabólica se estudia como extensión de la glucólisis, sin embargo para la segunda versión de la presente unidad he decidido desligarme un poco de la tradición, pues es posible conectarlo con otro tema relevante para nosotros, la grasa y la obesidad, y es que en el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones respiratoria se encuentra el secreto de hacer ejercicio de manera racional con el objetivo de quemar grasa de manera efectiva.

El ciclo de ácido cítrico (CAC) - también conocido como el ciclo de ácido tricarboxílico (CAT) o el ciclo de Krebs (H. A. Krebs, 1970; THAUER, 1988; Weitzman, n.d.) es una serie de reacciones químicas utilizadas por todos los organismos aeróbicos para liberar la energía almacenada a través de la oxidación de acetil-CoA derivados de carbohidratos, grasas y proteínas en dióxido de carbono y energía química en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y otros portadores de energía. Además, el ciclo proporciona precursores de ciertos aminoácidos, así como el agente reductor NADH, que se utilizan en numerosas otras reacciones bioquímicas. Su importancia central para muchas vías bioquímicas sugiere que fue uno de los primeros componentes establecidos del metabolismo celular y puede haber originado abióticamente (Cavalcanti et al., 2014; Lane, 2010; Wagner, 2014).

La cadena de transporte de electrones respiratorio por su parte es semejante a la fotosíntética, pero la principal diferencia es que el movimiento de electrones de alta energía no se logra con la luz, sino con electrones que ya vienen en el nivel de energía alto, transferidos a esta por portadores de alta energía como el NADH y al FAD. La suma de los procesos respiratorios es la síntesis de altas concentraciones de ATP necesarios para impulsar otros procesos celulares clave.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg, Tymoczko, Gatto, & Stryer, 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason, Losos, Singer, & Raven, 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014; Simon, Reece, & Dickey, 2013; Solomon, Martin, Martin, & Berg, 2014; Starr, Evers, & Starr, 2013; Voet, Voet, & Pratt, 2013).

1.1 El problema del piruvato

Hay que pensar en el origen y necesidad de la respiración celular aeróbica, no como una ganancia evolutiva para obtener energía, sino como un mecanismo que permitió evitar el problema del piruvato, es decir, un proceso que al igual que las fermentaciones busca en esencia proteger a la célula, aunque claro, una vez que se estableció, le permitió a las bacterias obtener más energía de la célula sin aumentar la acidez del medio. Todas las rutas metabólicas sufren del problema de intermediarios metabólicos, que experimentan reacciones reversibles o que cuyos sustratos están limitados en cantidad. En cuanto a la glucólisis por ejemplo, la acumulación del ácido pirúvico puede conllevar fácilmente a la parálisis de la ruta metabólica de la glucosa (Borichewski, 1967; Marı́, Bai, & Cederbaum, 2002; Matin, 1978), lo cual priva a la célula de su fuente energética. De hecho, este evento se da en el envenenamiento por arsénico, el cual causa una acumulación de piruvato por inhibición de la enzima que lo integra a la respiración aeróbica en los seres humanos (Ghosh & Sil, 2014; Jomova et al., 2011; Petrick, Jagadish, Mash, & Aposhian, 2001; Tchounwou, Centeno, & Patlolla, 2004).

Dado que el piruvato es toxico si se acumula, la célula debe “hacerse cargo” de él, modificándolo a una forma química menos toxica y expulsándolo de la célula como desecho “excreción”. Adicionalmente existe otro dilema celular que debe ser afrontado por la célula. Si recordamos la primera reacción de obtención de energía de la glucólisis, en esta se reduce una molécula de NAD para producir una de NADH, esta molécula de NADH posee energía y puede ser empleada para otros fines metabólicos. Pero si nos encontramos en un evento en el que se acumula ácido pirúvico, también se da un evento de acumulación de NADH con un consumo de NAD, el problema es que las cantidades de NAD en la célula son limitadas, por lo que si no se hace nada con él, sus cantidades se agotan y por lo tanto este paso de la glucólisis se interrumpe cortando el chorro de energía por fosforilación de sustrato “un trancón en la “ruta” metabólica”.

Durante la respiración celular aeróbica el problema de la secuestración del NADH se resuelve por medio de la cadena de transporte de electrones, desligándolo del asunto del piruvato. Recordemos que en las fermentaciones generalmente se sacrifica NADH para convertir el piruvato en algo menos tóxico y se expulsa. Durante la respiración celular lo que va a suceder es que el piruvato se oxida a dióxido de carbono y agua, y la energía se transfiere a NAD y FAD  para producir NADH y FADH, los cuales posteriormente regresan a sus formas de baja energía en la cadena de transporte de electrones, evitando la secuestración del NAD. La principal ventaja es que la oxidación del piruvato y la transferencia de toda la energía del NADH a la cadena de transporte de electrones lo que conlleva es a un aprovechamiento neto de la energía, ya no se desaprovecha la energía en una excreción inútil como en la fermentación, sino que se transfiere la energía en producir ATP.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

1.2 El problema de la oxidación del piruvato

Oxidar el piruvato a su vez trae otra cascada de consecuencias de naturaleza química. La oxidación de un compuesto orgánico requiere un aceptor de electrones, tal como:

Todos los cuales son explotados como oxidantes en diferentes organismos, sin embargo tradicionalmente se distinguen dos grupos, los organismos que respiran anaeróbicamente y los que respiran aeróbicamente. En los organismos aerobios, los electrones producidos por el metabolismo oxidativo son finalmente transferidos a O2 cuando han perdido su energía, lo cual induce la síntesis de agua, siendo la reacción opuesta a la fotólisis del agua en la fotosíntesis. La oxidación de los combustibles metabólicos se lleva a cabo por el ciclo del ácido cítrico, una secuencia de reacciones que surgieron en algún momento después de que los niveles de oxígeno atmosférico se hicieron significativos, hace aproximadamente entre 3,0-2,4 mil millones de años. A medida que los átomos de carbono reducidos de los combustibles metabólicos se oxidan a CO2, los electrones se transfieren a portadores de electrones que son posteriormente reoxidados por O2 para formar agua. En esta unidad, examinamos las reacciones de oxidación del propio ciclo del ácido cítrico y el destino de los electrones, analizando cómo su energía se utiliza para impulsar la síntesis de ATP.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).


1.3 Distinguiendo intercambio de gases “breath” de la respiración “respiration”

Antes que nada, hablando de términos, esta es la verdadera RESPIRACIÓN, como proceso de obtención de energía. En los animales por ejemplo, los sistemas respiratorio y digestivo sirven para que se de este proceso, el sistema respiratorio “sistema de intercambio de gases” proporciona el oxígeno que será empleado en la cadena de transporte de electrones” mientras que el digestivo y circulatorio proporcionan los materiales, grasas y azucares para inducir las reacciones de transferencia de energía. Las reacciones más importantes ocurren sin duda gracias a los mecanismos de transporte a través de membrana como el transporte activo, el transporte pasivo facilitado y el trasporte pasivo para los gases metabólicos oxígeno y dióxido de carbono.

La respiración celular aeróbica no es un proceso aislado, sino que se encuentra unido a muchas rutas accesorias como  famosa glucolisis, la oxidación de la grasa y los metabolismos de los aminoácidos. Por tradición el ciclo de Krebs y la cadena de transporte se estudian como continuaciones de la glucólisis, pero eso no es necesariamente cierto. Sin embargo estas desviaciones de la tradición las discutiremos posteriormente, así que nos concentraremos en la ruta clásica glucólisis → ciclo de Krebs → cadena de transporte de electrones respiratoria. 

Como se vio anteriormente, la glucolisis termina con la producción del piruvato, una molécula de alta energía, pero que al mismo tiempo es toxica para la célula. Las rutas metabólicas fermentativas sacrifican energía en forma de los electrones y el protón altamente energéticos que habían sodio producidos en el primer paso de la glucolisis para producir alcohol metílico y/o el ácido láctico. La respiración celular aeróbica es la otra solución posible para el problema del ion piruvato, sin embargo esta solución posee una ventaja extra, no solo transforma al piruvato en dióxido de carbono que puede ser difundido fácilmente a través de la membrana, sino que al mismo tiempo produce una enorme cantidad de moléculas de NADH mediante una serie de reacciones denominadas ciclo de Krebs.

En las bacterias aeróbicas la glucolisis ocurre en el citoplasma, y al mismo tiempo se integra al ciclo de Krebs, pero en la relación endosimbiótica, la célula eucariota realiza la glucolisis, mientras que la mitocondria realiza el ciclo de Krebs. De esta manera tenemos ya un problema, el ciclo de Krebs ocurre en la matriz mitocondrial, mientras que el ion piruvato es formado en el citoplasma celular, por lo cual se requiere de un mecanismo de transporte que envíe al piruvato desde el citoplasma al interior de la membrana. Inicialmente esta función es llevada a cabo por una coenzima compleja derivada del ácido pantoténico denominada Coenzima A. La fusión de la Coenzima A con el piruvato forma una molécula llamada acetil-Coenzima A la cual es el combustible precursor de las reacciones del ciclo de Krebs.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

1.4 Importancia evolutiva

La habilidad de emplear oxígeno para lograr la máxima oxidación de una molécula orgánica puede verse en términos químicos como algo bastante obvio. De cualquier molécula con base en carbono el dióxido de carbono es la que posee la máxima oxidación. Del mismo modo la oxidación completa de los compuestos orgánicos involucra la degradación de la estructura compleja a moléculas de dióxido de carbono con una importante liberación de energía. Aun así, desde la perspectiva química lograr la máxima oxidación no es algo universalmente distribuido a diferencia de lo que sucede con la glucólisis. Como vimos en temas pasados, la glucólisis deja como resultado dos moléculas de ácido pirúvico la cual en muchas ocasiones no es oxidada en su totalidad, si no que para las rutas fermentativas es de hecho reducida y expulsada de la célula, en otras palabras no todos los seres vivos son capaces de lograr la máxima oxidación de las moléculas en base de carbono.

Otro ejemplo son aquellas bacterias productoras de metano, el metano es una molécula orgánica reducida susceptible de oxidaciones subsecuentes, pero estas bacterias parecen incapaces de lograrlo. Las rutas respiratorias de máxima oxidación son raras y pueden deberse a una razón que se encuentra registrada en el registro paleoquimico de la Tierra y es la disponibilidad del oxígeno molecular. Cuando la Tierra se formó hace unos 4,5 mil millones de años, los volcanes calientes liberaron enormes cantidades de oxigeno molecular. Este oxigeno molecular rápidamente comenzó a oxidar todo lo que se encontraba a su paso, generando las grandes reservas de solidos minerales de la corteza terrestre que son óxidos. Los óxidos del hierro, los óxidos de los metales alcalinos, los óxidos de los metales de transición, pero especialmente el óxido del hidrogeno al cual llamamos agua (Blankenship & Hartman, 1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump & Barley, 2007; Kump, 2008; Planavsky et al., 2014; Tarbuck, Lutgents, & Tasa, 2014).

De esta manera al llegar la etapa de 3.8 mil millones de años el oxígeno molecular libre en la atmósfera se había desvanecido, o en otras palabras, había sido secuestrado por todas las demás especies químicas de la superficie del planeta formando líquidos o sólidos. Sin oxígeno, la vida tuvo que desarrollar rutas metabólicas que no lo empleaban, y es bueno ya que el oxígeno en sí mismo es más una amenaza para el material genético que otra cosa. La primer fotosíntesis, que aún sigue siendo realizada por ciertos tipos de bacterias no produce oxígeno, simplemente libera electrones de ciertos minerales con el apoyo del Sol y a esto lo denominamos fotosistema I. Del mismo modo el poder emplear oxigeno molecular en una ruta metabólica tuvo que esperar a que este estuviera disponible en grandes cantidades y esto solo sucedió hasta que evolucionó el fotosistema II en las cianobacterias. Cuando el oxígeno molecular gaseoso se hizo común en la atmósfera muchas bacterias empezaron a morir, otras prosperaron en ambientes donde el oxígeno molecular nunca pudo llegar, otras desarrollaron esporas para aislarse cuando este las alcanzaba, otras desarrollaron enzimas para neutralizarlo y transformarlo en especies químicas menos toxicas (Blankenship & Hartman, 1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump & Barley, 2007; Kump, 2008; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).

Sin embargo un grupo de bacterias desarrolló un grupo de enzimas insertadas en la membrana semejantes a aquellas que permitían las reacciones lumínicas de la fotosíntesis que permitía dos cosas de manera simultánea, transformar el oxígeno gaseoso toxico en una especie inocua “agua” y al mismo tiempo usar esta reacción para extraer la máxima energía del ácido pirúvico, de este modo estas dos reacciones se conectaron mediante el ciclo de Krebs. Con el nacimiento de la respiración oxidante, los seres vivos fueron capaces de extraer la máxima energía de los nutrientes y de equilibrar el ciclo biogeoquímico del carbono. Sin embargo la respiración oxidante es un desarrollo de procariotes, ningún eucariote puede por sí mismo realizar esta ruta metabólica, pues estas células se encuentran limitadas a rutas fermentativas (Blankenship & Hartman, 1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump & Barley, 2007; Kump, 2008; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).

La única razón por la cual la mayoría de los eucariotes puede realizar la respiración celular aeróbica es por la presencia del organelo mitocondria, sin embargo este organelo se diferencia mucho del sistema de membranas internas. Más aun y como veremos en el siguiente tema, las mitocondrias se asemejan más a las bacterias que a las membranas como el aparato de Golgi o las vesículas digestivas de una célula eucariota (Blankenship & Hartman, 1998; Buick, 2008; De Duve & Pizano, 1995; Holland, 2006; Kump & Barley, 2007; Kump, 2008; Planavsky et al., 2014; Tarbuck et al., 2014).

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

No hay comentarios:

Publicar un comentario