Metabolismo y Respiración:

Las variadas reacciones químicas y cambios energéticos concomitantes que se efectúan en las células vivientes reciben el nombre de metabolismo. Las diversas fases del metabolismo pueden clasificarse de varias maneras. Aunque por conveniencia se describe separadamente el metabolismo de carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, estas áreas, estrictamente hablando, no podemos aislarlas, pues existe una interdependencia esencial entre ellas. Desde un punto de vista el metabolismo puede producirse en dos grandes subdivisiones; el catabolismo el cual se refiere al desdoblamiento o degradación de moléculas más grandes hasta su conversión en pequeñas (a menudo acompañado de liberación de energía) y el anabolismo que incluye la síntesis o elaboración de moléculas grandes a partir de las más pequeñas (requiriendo aporte de energía). Por ejemplo, la degradación de los carbohidratos que efectúa la célula viva hasta agua y bióxido de carbono es un proceso catabólico; mientras que la síntesis de las proteínas a partir de los aminoácidos es un proceso anabólico.

Él termino respiración se aplica en una fase particular del metabolismo que se refiere a una serie de reacciones químicas que efectúa la célula viva a partir de materias alimenticias, o sea nutriente, reacción para llevar carbones diversas funciones vitales. En muchos organismos, incluyendo al hombre, el proceso respiratorio consiste en la desintegración de carbohidratos y grasas por procesos oxidativos, siendo esta la fuente principal de energía para sus actividades vitales. La respiración puede fácilmente distinguirse de la digestión (que es otra fase particular del metabolismo), aunque ambas incluyen a la degradación de grandes moléculas a moléculas más pequeñas. En la digestión, las moléculas más grandes se desdoblan por medio de la hidrólisis enzimática. Toda la energía liberada en la ruptura de ligaduras químicas durante el proceso de hidrólisis y digestión lo hace en forma de calor. En la respiración, las moléculas más grandes se desdoblan, en parte como resultado de reacciones de oxido-reducción, las cuales constituyen varios de los pasos claves en este proceso. Su aspecto más importante es que una cantidad apreciable de energía química liberada durante la respiración es captada en forma de energía útil para ser utilizada en ultimo termino en diversas actividades celulares.

Desde un punto de vista, la respiración puede considerarse como el flujo de hidrógenos o de electrones desde un alto nivel energético (por ejemplo, desde carbohidratos) hasta un nivel mas bajo (por ejemplo, bióxido de carbono y agua), como la corriente descendente de un río al pasar una serie de rápidos. La energía liberada en el proceso, y una parte de ella es capturada, variando esto según la organización del medio ambiente. En la célula, las complejas estructuras subcelulares físicas y químicas (y en el caso de los rápidos), la presencia de un remo con aditamentos apropiados sirve para capturar y hacer útil parte de la energía la cual se libera a medida que la corriente desciende.

Caracteres Generales de la Respiración:

Los aspectos básicos de la respiración comunes a todos los seres vivos son los siguientes:

Si en el lugar de la unión H-H del H2 se sustituyeran los enlaces

C de la glucosa, la energía podría también liberarse.

La oxidación completa de la glucosa hasta CO2 y H2O, puede efectuarse colocando la glucosa en un horno a 500º C durante unas pocas horas. Estos mismos efectos se logran en la respiración de las células vivas a 20º C. La reacción del hidrógeno moléculas con el oxígeno molecular y la combustión de la glucosa, ya sea que se efectúe en series inertes o en células vivas, se lleva a cabo por reacciones de oxido-reducción. Estas se efectúan por la transferencia de átomos de ligaduras energéticas relativamente bajas tales como agua y bióxido de carbono, con una liberación concomitante de energía.

Aunque la energía liberada de la célula es la misma de un horno por peso de glucosa oxidada, la célula lo hace poco a poco. Este hecho, junto con la organización peculiar de la célula como se indicara después, hace que una gran porción de la energía pueda aprovecharse para diversas actividades celulares, en contraste con el desperdicio de energía que se produce durante la combustión de un horno.

La célula, en virtud de su compleja y eficiente organización tanto química como física, obtiene una cantidad apreciable de energía útil de la liberada durante la respiración. Como pronto veremos, transforma y utiliza esta energía de varias maneras.

Metabolismo de carbohidratos

Respiración y Liberación de energía.

Aspectos Generales: en la mayoría de los organismos la energía se obtiene en primer termino de la respiración de carbohidratos y grasas. Como substratos representativos en la respiración, la glucosa sé metaboliza por varios medios. Nuestra discusión de la respiración de los carbohidratos se confinara a dos procesos bioquímicos bien establecidos que en la actualidad parecen ser los principales mecanismos respiratorios de plantas, animales y numerosos microorganismos. Estos son las cadenas respiratorias conocidas como: a)Respiración Anaerobia seguida por la respiración aerobia y b) el proceso oxidativo de la pentosa.

Procesos respiratorios Anaerobios y Aerobios.

La primera secuencia de pasos en la respiración de organismos incluyendo al hombre, es completamente independiente del oxigeno y se llama respiración anaerobia. Para una pequeña porción de seres vivos (varios tipos de bacterias) ésta constituye el principal, si no el único, medio de respiración. Tales organismos viven en un medio carente totalmente de oxigeno molecular, obteniendo la suficiente energía para llenar sus necesidades a partir de una serie de reacciones enzimáticas en la respiración anaerobia. Por esta razón se clasifican como organismos anaerobios.

Sin embrago, muchos sistemas vivientes, incluyendo al hombre, posee además de una respiración anaerobia, una serie de reacciones enzimáticas llamadas colectivamente respiración aerobia, la cual se efectúa con oxigeno molecular. En casi todos los momentos, el oxigeno es absolutamente indispensable para la vida de estos organismos a pesar del hecho de que sus primeros estadios de respiración son anaerobios. Estos organismos se llaman aerobios y en ellos los productos principales del metabolismo anaerobio son desdoblados posteriormente hasta bióxido de carbono y agua por medio de las reacciones químicas llamadas respiración aerobia. Esta respiración es, es por consiguiente, una continuación de la aerobia y siempre esta precedida por este ultimo proceso. En conjunto hay en total una docena más o menos de reacciones enzimáticas especificas integradas, las cuales constituyen el mecanismo o método principal por el cual se lleva a cabo el metabolismo en los carbohidratos para la mayoría de los organismos (incluyendo al hombre) que requieren oxígeno. El oxigeno esta involucrado de manera directa solamente en el paso final de toda respiración aerobia. Sin embargo, los pasos previos de esta respiración dependen indirectamente del oxigeno, debido a que ellos podrían efectuarse por corto tiempo si él oxigeno estuviera presente no participara en la reacción final.

La capacidad de ciertos microorganismos (tales como las células de levaduras) para llevar una existencia completamente normal en presencia o ausencia de oxígeno molecular, nos ayuda a ilustrar las relaciones entre respiración anaerobia y aerobia. Cuando las levaduras crecen en ausencia de oxigeno, su energía procede únicamente de la respiración anaerobia de azucares tales como glucosa, la cual se segrega hasta alcohol etílico y bióxido de carbono. Si se les suministra oxigeno, el alcohol etílico se metaboliza y por medio de pasos enzimáticos de la respiración aerobia con liberación de una cantidad considerable de energía útil.

El hecho de que la respiración anaerobia este ampliamente distribuida entre los sistemas vivientes (desde los tipos más primitivos hasta los más avanzados) hace suponer que es el tipo de respiración más antiguo. De manera semejante, la distribución limitada de la respiración aerobia (propio de los organismos primitivos) y su amplia distribución en formas más avanzadas de vida, coloca a esta respiración como una adquisición evolutiva más reciente. Esto se apoya en que la respiración aerobia utiliza productos químicos formados por el método respiratorio anaerobio que le debió preceder.

Proceso oxidativo de la pentosa:

este proceso representa un mecanismo alternante para oxidar los carbohidratos y por consiguiente libera energía. Se presenta a menudo en los mismos tejidos que poseen sistemas metabólicos tanto respiración anaerobia como aerobia. En muchos tejidos, los carbohidratos a menudo se metabolizan simultáneamente por el mecanismo situado anteriormente. Las extensas relaciones entre respiración anaerobia y aerobia. El grado en que cada uno de estos procesos contribuye a la respiración total de la glucosa de las células vivas, varia según el numero de factores incluyendo tipo de tejido, estado metabólico de la célula, etc.

Respiración Anaerobia: pasos fundamentales en este mecanismo. El termino respiración anaerobia se usa con el mismo sentido que glicólisis, fermentación o proceso Embden-Meyerhof. Este ultimo termino se adopto en honor de dos bioquímicos prominentes; Embden y Meyerhof, quienes efectuaron importantes contribuciones para el esclarecimiento de este proceso en sus primeras fases. El mecanismo de la respiración anaerobia con pequeñas modificaciones es esencialmente el mismo en diversos tejidos, asi como en distintos organismos. Los pasos bioquímicos fundamentales en el proceso respiratorio anaerobio puede resumirse en:

Antes de proceder a la discusión detallada de los pasos y reacciones enzimáticas que se suceden en este proceso, debemos subrayar ciertos hechos adicionales.

Participación de las coenzimas.

Los esfuerzos de numerosos bioquímicos en la investigación sobre la fermentación, revelaron varios hechos comunes y fundamentales. No solamente se efectúa la respiración anaerobia del azúcar de manera similar en casi todos los organismos, sino que también intervienen coenzimas idénticas con sus componentes metálicos. Al menos tres clases de enzimas diferentes participan en la respiración anaerobia. Ellas son: los piridinnucleótidos que son difosfopiridinnucleótidos (DPN) y trifospiridinnucleótido (TPN); el sistema adenosinfosfato formado por el adenosindifosfato (ADP) y por el adenosintrifosfato (ATP); también conocidas como coenzimas fosforilantes y carboxilasa.

Piridinnucleótidos.

¿Qué sucede en el paso 2 anterior con los hidrógenos, después de que son removidos de la sustancia donadora o gliceraldehído?. Sabemos que en la mayoría de los tejidos animales la coenzima DPN acepta enzimáticamente los hidrógenos, reduciéndose hasta formar DPNH. La estructura del DPN consiste de nicotinamida (derivado de la vitamina niacina, necesaria para la mayoría de los animales superiores, incluyendo al hombre, para la prevención de la enfermedad llamada pelagra), dos ribosomas, dos fosfatos y adenina, unidos químicamente uno al otro. El TPN difiere del DPN porque tiene otro fosfato adherido a la ribosa adyacente a la adenina. En la reducción del DPN y TPN a DPNH y TPNH respectivamente, la porción nicotinamida del peridinnucleótido llega a reducirse.

En otras células y tejidos, el TPN puede servir en lugar del DPN para formar TNPH. El DPNH o TPNH suministra los hidrógenos para la reducción enzimática de a) ácido pirúvico a láctico, en los tejidos de los animales tales como músculos, en condiciones limitadas de oxígeno y b) acetaldehído hasta alcohol etílico en la fermentación por levaduras.

El oxigeno molecular no se consume en la respiración anaerobia, aunque dos de los pasos individuales sean reacciones de oxido-reducción.

El proceso es cíclico en el sentido que el DPN (o TPN) sufre reducción y oxidación alternadas como ya se indica anteriormente. Por consiguiente, el piridinnucleótido se usa repetidas veces, sufriendo alternadamente reducción enzimática (por el gliceraldehído) y oxidación (por piruvato o acetaldehído, según el caso) durante el curso de respiración anaerobia. De esta manera el DPN y el TPN intervienen en la reacción de oxido-reducción de un gran numero de moléculas de substrato (gliceraldehído, piruvato y acetaldehído), aun estando en la célula en cantidades extremadamente pequeñas.

Coenzimas fosforilantes.

La respiración anaerobia es en realidad un proceso de desintegración, pero no de glucosa libre, sino de derivado fosforilado de la misma. El primer paso del metabolismo anaerobio incluye por consiguiente la conversión de la glucosa en su forma éster-fosfato. La coenzima fosforilante del ATP, consiste de la unión química de la adenosina (adenina más ribosa) y tres fosfatos, la cual sirve en la transformación de la glucosa a su éster fosfato correspondiente, reacción que se lleva a cabo por transferencia enzimática especifica del agrupamiento terminal fosfato del ATP a glucosa para formar ADP y glucosa-fosfato.

Adenosina -- P -- P -- P + Glucosa

ATP

Adenosina-- P -- P + Glucosa--P

(ADP) Fosfato-glucosa

La glucosa-fosfato es transformada enzimáticamente a fructuosa-fosfato, la cual es fosforilada enzimáticamente por el ATP para formar fructuosa-difosfato.

ATP + Fructuosa P ADP + P --Fructuosa -- P

Fructuosa difosfato

Todos los pasos subsecuentes de la respiración anaerobia, hasta formación de ácido pirúvico, incluyen intermediarios fosforilados, como pronto veremos.

El sistema ATP-ADP también desempeña otra función fundamental, es decir, captar la energía útil liberada durante la respiración. El ATP mismo es excepcionalmente rico en energía química, debido a su contenido de dos ligaduras “altamente energéticas” como parte de su estructura química. Estas ligaduras (--) son uniones esteres y difieren por poseer un alto nivel de energía. Cada una de estas dos ligaduras contiene cerca de 10.000 calorías por peso gramo-molecular de ATP; en contraste con las 2.000 o 3.000 calorías del enlace ordinario éster-fosfato. Para nuestros propósitos, nos interesamos en primer lugar en la ligadura formada por ADP, fosfato inorgánico (señalado como Pi) y suministro adecuado de energía con la presencia de un sistema enzimático adecuado:

Adenosina-- P --- P + Pi + 10.000 calorías

ADP

Adenosina-- P -- P -- P

ATP

De la docena de reacciones que integran la respiración anaerobia, solamente dos suministran energía útil para la célula en forma de ATP. La formación de ATP se efectúa en el paso 2 anterior, seguida de la oxidación del gliceraldehído y en el paso 3, donde la molécula de agua es separada para producir ácido pirúvico. Se forma considerablemente más ATP durante la respiración aerobia como descubrimientos más adelante. El ATP es la fuente directa o inmediata para todas las actividades celulares que la requieren para producir ADP y Pi (ecuación inversa a la anterior). Su uso es análogo al uso de una batería que esta siendo cargada continuamente por la respiración de la célula.

Cocarboxilasa.

Asociada con la enzima llamada carboxilasa, la cual es la responsable de la descarboxilación del ácido pirúvico hasta acetaldehído está una coenzima llamada pirofosfato de tiamina o cocarboxilasa que es el difosfato derivado de la vitamina B, o tiamina.

La carboxilasa también participa en dos de los pasos claves de la respiración aerobia, es decir, en la oxidación enzimática del ácido pirúvico y del ácido cetoglutárico. Una dieta deficiente en tiamina da como resultado en los animales superiores la enfermedad nutricional nerviosa conocida con el nombre de beriberi.

Respiración Anaerobia.

Pasos enzimáticos detallados. Comencemos con la glucosa como substrato típico, los siguientes eventos sucesivos enzimáticos detallados que constituyen el mecanismo de la respiración anaerobia son:

1.- Fosforilación de la glucosa: este paso esta catalizado por la enzima llamada hexoquinasa e incluye la transferencia del grupo fosfato terminal del ATP al carbono numero 6 de la glucosa para formar glucosa-6-fosfato y ADP.

En varios tejidos vegetales y animales, el glicógeno o almidón sirve en lugar de la glucosa como el substrato inicial para la glicólisis. Es dividido primero por el fosfato inorgánico, a través de la acción de la enzima fosforilasa para originar muchas moléculas de glucosa fosfato.

La glucosa-1-fosfato se transforma en glucosa-6-fosfato por medio de la enzima fosfoglucomutasa.

La glucosa-6-fosfato (ya sea derivada del glicógeno o directamente de glucosa como arriba) se metaboliza por pasos enzimáticos sucesivos que se describen abajo.

2.- Conversión de glucosa-6-fosfato a fructuosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfato sufre una isomerización a fructuosa-6-fosfato catalizada por la enzima apropiada llamada fosfohexoisomerasa.

3.- Fosforilación de la fructuosa-6-fosfato a fructuosa-1,6-fosfato. La fructuosa-6-fosfato en este caso es convertida al difosfato derivado por la transferencia del grupo fosfato terminal de otro ATP al carbono número 1 de la fructuosa-6-fosfato para formar fructuosa-1,6-fosfato, reacción catalizada por la enzima llamada fosfofructoquinasa.

Por consiguiente, los tres pasos enzimáticos anteriores del metabolismo anaerobio han servido únicamente para transformar la molécula original de glucosa en un derivado fosforilado e isomerizado llamado fructuosa-1,6-difosfato (note que las enzimas que catalizan la transferencia del grupo fosfato terminal del ATP a otra sustancia que llaman quinasas). En la nomenclatura de quinasas especificas el nombre del substrato fosforilado principal es el que se usa. Por ejemplo la fosfofructoquinasa cataliza la fosforilación de la fructuosa fosfato por el ATP.

4.- Orientación de la fructuosa-1,6-difosfato a triosa fosfato. La fructuosa-1,6-difosfato se divide entre los carbonos 3 y 4 en 2 moléculas semejantes, reacción que es medida por la enzima aldolasa. La reacción corresponde al paso 1 de la versión simplificada del metabolismo anaerobio. Las dos triosafosfatos que resultan, llamadas gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetonafosfato, no son idénticas, pero si isomeras una de la otra. Son interconvertibles por medio de una reacción de isomerización catalizada por la enzima fosfotriosaisomerasa.

El gliceraldehído-3-fosfato se oxida en la siguiente reacción con la utilización progresiva cada vez mayor del dihidroxiacetonafosfato y se convertirá a gliceraldehído-3-fosfato a través de la acción de la fosfotriosa isomerasa. Por consiguiente, los triosafosfatos formados por la reacción de la aldolasa se metabolizan como sigue por medio del gliceraldehído-3-fosfato a lo largo del mecanismo principal de la respiración anaerobia.

5.- Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato y formación del ATP. Primero, el gliceraldehído-3-fosfato bajo la influencia de la enzima especifica fosfogliceraldehído hidrogenasa, se oxida hasta el ácido fosfoglicérico, por donación de dos de sus átomos de hidrógeno hasta DPN y al mismo tiempo reacciona con fosfato inorgánico (Pi) para formar DPNH y ácido 1,3-difosfoglicérico. Esto corresponde al paso 2 de la respiración anaerobia.

La nueva unión fosfato formada en el derivado del ácido glicérico es de alta energía, similar a la del ATP. En la presencia de la enzima de transferencia apropiada el fosfato de alta energía es transferido al ácido difosfoglicérico al ADP para formar ácido 3-fosfoglicérico y ATP.

Note que la inversión de la reacción es de tipo quinasa; por esta razón, a esta enzima se le da el nombre de quinasa-3-fosfoglicérica.

6.- Conversión del ácido 3-fosfoglicérico a ácido fosfopirúvico. Esta transformación incluye la acción sucesiva de dos enzimas. La primera es la fosfogliceromutasa que cataliza la conversión del ácido 3-fosfoglicérico a ácido 2-fosfoglicérico efectuado un cambio del grupo fosfato del carbono numero 3 al numero 2.

La segunda enzima enolasa cataliza la liberación de agua del ácido 2-fosfoglicérico para dar ácido fosfopirúvico en una forma enólica particular llamada enólica.

7.- Formación del ATP a partir del ácido fosfopirúvico. En la presencia de ADP y enzima transferente apropiada llamada transfosforilasa ATP-fosfopirúvica, la forma enólica del ácido fosfopirúvico da su grupo fosfato al ADP para formar ácido pirúvico y ATP.

Note que la reacción inversa es también del tipo quinasa por lo que la enzima se llama piruvato quinasa. Los pasos 6 y 7 se representaron colectivamente en su versión simplificada en el paso 3.

8.- Ácido Pirúvico al ácido láctico. Bajo condiciones normales al ácido pirúvico formado por el proceso anaerobio puede metabolizarse posteriormente en muchas células y tejidos por medio del mecanismo aerobio hasta dar bióxido de carbono y agua. En algunos casos, sin embargo, en los cuales el oxígeno molecular es limitado como en el caso del músculo esquelético, el ácido pirúvico es convertido a láctico por una oxido-reducción en la cual el DPNH reduce el piruvato al lactato en la presencia de la enzima especifica llamada deshidrogenasa láctica.

El DPNH utilizado en la reducción anterior del piruvato a lactato en la primera reacción de oxidación del gliceraldehído-3-fosfato. Por consiguiente, la coenzima DPN por aceptación de hidrógenos o electrones del gliceraldehído, los dona al ácido pirúvico sufriendo una reducción seguida de una oxidación en el proceso respiratorio anaerobio.

En muchas células vegetales y en microorganismos bajo suministro limitado de oxígeno, el ácido pirúvico se convierte principalmente en alcohol etílico y bióxido de carbono. En lugar de ácido láctico por medio de las dos reacciones siguientes:

8ª.Ácido Pirúvico a acetaldehído. Esta reacción, catalizada por la enzima carboxilasa, es en esencia una separación del bióxido de carbono del ácido pirúvico para formar acetaldehído.

La enzima es una proteína conjugada formada de una partícula proteica especifica y la coenzima cocarboxilasa.

8b.- Acetaldehído a alcohol etílico. El acetaldehído se reduce por el DPNH en la presencia de la enzima alcohol deshidrogenasa hasta alcohol etílico.

El resultado total de la respiración anaerobia en células animales tales como el músculo, cuando el oxígeno esta limitado, es el desdoblamiento de la glucosa en dos moléculas de ácido láctico con liberación de energía.

En ambos casos, la energía liberada es captada parcialmente en forma de ATP en los 12 pasos que constituyen la respiración anaerobia. El resto de la energía liberada aparece en forma de calor.

Un proceso metabólico puede compararse a una línea de producción de una fabrica. Cada reacción enzimática es un proceso metabólico puede compararse a una línea de producción de una fabrica. Cada reacción enzimática es un proceso metabólico efectuándose una operación especifica sobre el substrato.

En ambos casos, en la célula y en la fábrica, la secuencia de sucesos debe ser continua afín de completar el proceso, la producción total puede suspenderse con serios perjuicios.

Se habrá notado que el producto de cualquiera de las reacciones enzimáticas no se usa exclusivamente para la reacción subsecuente. Usualmente, varias reacciones diferentes compiten para el mismo intermediario, constituyendo así diferentes ramificaciones y enlaces entre distintos procesos metabólicos. Por ejemplo, la glucosa-6-fosfato es también un intermediario clave en el metabolismo de la glucosa por el mecanismo oxidativo de la pentosa.

Otro aspecto que debe subrayarse es el hecho de que al menos nueve de las doce enzimas que participan en el proceso, son metaloproteínas y por lo tanto necesitan un constituyente metabólico especifico para la actividad de la enzima. Los iones metálicos son magnesio, zinc, manganeso, potasio y hierro.

Respiración Aerobia- Caracteres fundamentales.

El mecanismo de la respiración aerobia consiste de una vía de reacciones enzimáticas de las cuales los principales productos de la respiración anaerobia son oxidados para proporcionar energía, agua y bióxido de carbono. Aunque el oxígeno es un reactivo solamente en el paso final del proceso aerobio, es una reacción indispensable y el mecanismo podría cesar si el oxígeno fuera retenido.

Para mayor claridad, la respiración aerobia puede sustituirse en dos secuencias de reacciones conocidas como a) el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs y b) mecanismo del citocromo o mecanismo terminal respiratorio. El primero consiste de una serie cíclica de reacciones enzimáticas de las cuales el ácido cítrico es uno de los compuestos intermedios claves. El bioquímico británico ganador del premio Nóbel Hans Krebs, fue el responsable de varias contribuciones fundamentales para el conocimiento del proceso. El proceso terminal respiratorio en el cual participan varios citocromos incluye una serie de pasos en los cuales hay transferencia de hidrógenos o electrones hacia el oxígeno desde ciertos productos específicos del ciclo del ácido cítrico, es decir del DPNH (y TPNH) y del ácido succínico para formar agua. La formación de bióxido carbono en la respiración aerobia ocurre durante la secuencia de eventos del ciclo del ácido cítrico; mientras que la formación del ATP que se produce en la respiración toma lugar en la secuencia terminal respiratoria. Comenzando con la glucosa como substrato.

Los cambios bioquímicos fundamentales que se presentan en el ciclo del ácido cítrico usando al ácido pirúvico como material inicial puede resumirse en :

Por consiguiente, el ciclo del ácido acético en forma de cadenas cíclicas de reacciones enzimáticas, efectúa la degradación del ácido pirúvico hasta bióxido de carbono e hidrógeno, estos son aprovechables a través de la acción del ciclo apareciendo primero en forma de DPNH, TNPH y ácido succínico y son transferidos por medio de pasos enzimáticos al oxígeno molecular en el proceso respiratorio terminal. O sea, que durante el curso de la transferencia de electrones, se efectúa la máxima liberación de energía y su captura en forma de ATP. El esquema respiratorio terminal también actúa para hacer al DPN y TPN aprovechables para el DPNH y el TNP para oxidarlos desde su estado reducido, de manera que pueda ser utilizado una y otra vez como aceptores de electrones.

Los estudios de la respiración aerobia especialmente con enzimas aisladas, han llevado al descubrimiento de varias coenzimas nuevas. Estas incluyen las llamadas flavinucleotidos, coenzima A, ácido lipoico y coenzima Q. Los flavinnucleotidos consta de 2 coenzimas relacionadas: flavinadenín mononucleótido (FMN) y flavínadenin dinucleotido (FAD).

Ambas contienen como parte de su estructura la vitamina riboflavina. Los flavinnucleótidos no solamente funcionan en el esquema terminal respiratorio, sino que también actúan como coenzimas de otros sistemas enzimáticos. Como en el DPN y el TPN, ellos sirven como transportadores de electrones que sufren alternadamente reacciones de oxidación y reducción, durante el curso de la recepción y donación de electrones.

La coenzima A que incluye en su estructura al ácido pantoténico, vitamina que desempeña un papel esencial en la activación de numerosos substratos preparándolos para ciertas reacciones enzimáticas subsecuentes de varios procesos metabólicos. El descubrimiento de la coenzima A por el bioquímico norteamericano Dr. Fritz Lipmann lo hizo ganador del premio Nóbel en el año 1955.

El ácido lipoico y la coenzima Q, así como el DPN, el TPN y los flavinnucleótidos son también transportadores de hidrógeno que llegan a ser químicamente reducidos y oxidados a medida que reciben y donan electrones en reacciones enzimáticas particulares. El DPN, TPN y la cocarboxilasa o tiamina pirofosfato que ya se trataron como coenzima en la respiración aerobia.

Respiración Aerobia. Pasos enzimáticos detallados:

Ciclo del ácido cítrico. El ácido pirúvico como producto directo e inmediato de la respiración anaerobia, es el substrato inicial para el ciclo del ácido cítrico. Este ciclo esta constituido por los siguientes procesos enzimáticos detallados.

Aunque tanto la carboxilasa como el ácido lipoico sufren cambios químicos durante el curso de estas reacciones, terminan en su estado original. Por esta razón, no se incluyen en las reacciones anteriores. Los productos importantes de estas reacciones son acetil coenzima A y DPNH. El acetil coenzima A se usara ahora en el siguiente paso del ácido cítrico, mientras el DPNH será oxidado eventualmente en DPN en su mayor parte por medio de proceso respiratorio terminal, para producir DPN, agua y ATP.

Aunque el ácido pirúvico participa en otras reacciones químicas en la presencia de la cantidad apropiada de oxígeno en células que normalmente efectúan respiración aerobia, sufre la Descarboxilación oxidativa descrita arriba, para formar acetil coenzima A, DPNH y bióxido de carbono.

La succinil coenzima A que se forma en la reacción anterior, posee energía suficiente en la unión química colocada entre el succinato y la coenzima A para formar el compuesto de energía elevada ATP a partir del ADP y de fosfato inorgánico (Pi). Esto se lleva a cabo por medio de dos reacciones enzimáticas adicionales.

Los hidrógenos liberados son transferidos como pronto veremos a lo largo de la cadena respiratoria para unirse finalmente con el oxígeno para formar agua y energía química en forma de ATP.

El ciclo del ácido cítrico puede mostrarse de una manera continua. Al final del ciclo, comenzando con una Descarboxilación oxidativa del piruvato a un acetato “activo” y su condensación con oxaloacetato solo queda oxaloacetato. La molécula inicial del acetato se rompe completamente hasta bióxido de carbono e hidrógeno en cada circuito del proceso cíclico; mientras el oxaloacetato se regenera para usarse una y otra vez para la degradación subsecuente de otras moléculas de acetato. Por consiguiente, sólo una pequeña cantidad del ácido oxaloacético interviene en la respiración de grandes cantidades del ácido pirúvico.

Proceso Terminal Respiratorio.

Los estados finales de la respiración aerobia, se refieren a los pasos enzimáticos de transferencia al oxígeno molecular de electrones o hidrógenos producidos en estados previos de la respiración. Estos hidrógenos o electrones se presentan como parte de la estructura del DPNH, TNPH y ácido succínico. En el proceso respiratorio anaerobio, el DPNH es formado en la oxidación del 3-fosfatogliceraldehído. En la respiración aerobia este se produce durante la Descarboxilación oxidativa de los ácidos pirúvico y alfa-cetoglutárico y en la oxidación del ácido málico. El TNP es formado en la oxidación del ácido isocítrico: mientras el ácido succínico deja disponible dos hidrógenos por molécula durante su oxidación hasta ácido fumárico.

El paso de electrones del DPNH del succinato y probablemente del TNPH al oxígeno molecular se realiza por varias reacciones enzimáticas de las cadenas respiratorias a través de una secuencia regular de diferentes cofactores. Los electrones son transferidos primero del DPNH a la flavincoenzima Q a su forma reducida y finalmente por medio de una secuencia de citocromos diferentes. Más específicamente de la forma reducida de la coenzima Q, los electrones pasa sucesivamente a otros citocromos antes de que se combine con oxígeno molecular para formar agua. Cada uno de los citocromos, es un aceptor de electrones que pasa a través de la cadena respiratoria, experimentado la reducción de sus heme hierro desde el estado férrico al ferroso, y una subsecuente reoxidación para volver a la forma férrica a medida que los electrones se trasladan al siguiente componente. La transferencia de electrones desde el componente final hasta el oxígeno molecular, representa el ultimo paso del proceso terminal respiratorio y da como resultado la formación de agua.

La porción de cadena que se extiende desde el DPNH o succinato hasta el citocromo c se designa como citocromo c reductasa. El resto de la cadena que va de esta ultima al oxígeno molecular se llama citocromo oxidasa y contiene el metal cobre. Hay pruebas que sugieren la existencia de muchos otros componentes de la cadena respiratoria, incluyendo posiblemente las vitaminas liposolubles E y K.

Los electrones o hidrógenos liberados del ácido succínico por su oxidación hasta ácido fumárico son transportados hacia el oxígeno a lo largo de un proceso respiratorio similar. Los medios por los cuales los electrones del TNPH son transferidos al oxígeno molecular, se efectúa probablemente por medio del DPNH, aunque aún no esta claro.

Las mismas relaciones se creen que pueden aplicarse a la respiración terminal del TNPH.

En la oxidación terminal del ácido succínico se forman dos moléculas de ATP en vez de tres por molécula de ácido succínico oxidado, una durante el paso de electrones entre el succinato y el citocromo c y la otra entre el citocromo c y el oxígeno.

Proceso Respiratorio terminal y formación del ATP.

Un hecho importante de esta cadena respiratoria es su intima asociaciación en las mitocondrias con un sistema para elaborar ATP utilizando la energía liberada durante el paso de electrones a través de la cadena terminal respiratoria se conoce como fosforilación oxidativa. Este es el medio principal para capturar una porción apreciable de energía liberada durante la respiración. Por cada molécula de DPNH que se oxida se forma tres moléculas de ATP a partir del ADP y Pi. Dos de las moléculas de ATP de producen durante el paso de electrones del DPNH al citocromo c; mientras que la tercera se forma durante el transporte de electrones del citocromo c al oxígeno molecular.

Energética de la Respiración.

¿El principal papel de la respiración es la provisión de energía aprovechable para diversas funciones y actividades de la célula. Radica la eficiencia del proceso respiratorio en la captura efectiva de la energía liberada? ¿Y como pueden compararse a este proceso anaerobios y aerobios?. Si la glucosa como substrato típico de la respiración se quema u oxida totalmente en un horno hasta bióxido de carbono y agua se liberan 686.000 calorías por mol (180 g de glucosa) casi totalmente en forma de calor. Dentro de la célula la combinación sucesiva de los procesos anaerobios y aerobios originan la combustión completa de la glucosa hasta bióxido de carbono y agua con la mima liberación de energía total, excepto que una proporción mayor de energía liberada es capturada en forma química aprovechable como ligadura energética del ATP, específicamente entre el segundo y el tercer fosfato.

Energética de la Respiración Anaerobia.

La oxidación de glucosa en la respiración anaerobia da como resultado la liberación de menos de un 10% de energía química almacenada en la molécula de azúcar. De las 686.000 calorías por mol, solamente se liberan 60.000 calorías en el proceso respiratorio anaerobio. ¿Qué ha pasado con las 60.000 calorías liberas es neta respiración?. Sabemos que durante la respiración anaerobia de un mol de glucosa, se producen cuatro moles de ATP a partir del ADP y de fosfato inorgánico: un mol de ATP seguido de la oxidación de cada uno de los dos moles de 3-fosfogliceraldehído y otra durante la transfosforilación de cada una de los 2 moles de ácido fosfopirúvico. Puesto que la producción de cada mol de ATP representa la incorporación cerca de 10.000 calorías, la célula ha captado en forma utilizable 40.000 calorías de la 60.000 caloría liberas en la respiración anaerobia. Las restantes se pierden en forma de calor. La producción neta de energía en la levadura es de 2ATP en lugar de cuatro (con una eficiencia de 33%), puesto que utilizan dos moléculas de ATP para fosforilar el azúcar en los primeros estudios de la respiración anaerobia.

La respiración anaerobia del tejido muscular es mas eficiente que el de levaduras, debido a que se usa solo un ATP para la fosforilación, puesto que el glicógeno es el substrato en lugar de la glucosa. Se recordará que el glicógeno se divide primero enzimáticamente por el ácido fosforico hasta dar glucosa-1-fosfato y que enzimáticamente se convierte en glucosa-6-fosfato sin consumir ATP. Por consiguiente, en la respiración anaerobia de las células musculares se obtiene una formación de 3 ATP ( es decir 30.000 /60.000) x 100 = 50% de eficiencia.

Energética de la respiración Aerobia.

Bajo condiciones de aerobiosis, se metabolizan los productos principales del mecanismo aerobio, o sea, el ácido pirúvico y el DPNH. El DPNH formado en la oxidación del 3-fosfo-gliceraldehído del mecanismo anaerobio, pasará sus electrones o hidrógenos al oxígeno vía proceso respiratorio para dar 3 ATP por mol de ácido pirúvico formado. En esta oxidación de los dos moles de ácido pirúvico por medio del ciclo del ácido cítrico y el proceso respiratorio donde se libera originalmente mayor cantidad de energía química a partir de la glucosa.

En el ciclo del ácido cítrico, el ATP se forma directamente en uno de los pasos de la Descarboxilación oxidativa del ácido-ceto-glutárico. Sin embargo, en varios de los pasos del ácido cítrico se forma también DPNH, TNPH y ácido succínico. El transporte subsecuente de electrones desde estas sustancias vía proceso respiratorio hacia el oxígeno molecular, es un paso concomitante con la liberación de energía y fosforilación, originando ATP. Para cada mol de DPNH o TNPH oxidado vía proceso respiratorio, se forman 3 moles de ATP; mientras la oxidación del ácido succínico origina dos moles de ATP.

Por consiguiente, en la respiración aerobia se comienza con la oxidación del ácido pirúvico y se procede sucesivamente a través del ciclo del ácido cítrico y del proceso terminal respiratorio para obtener 36 moles de ATP (15 por cada 2 moles de ácido pirúvico oxidado y 3 por cada 2 moles de DPNH originado de la reacción de la triosa-fosfato deshidrogenasa en el mecanismo anaerobio). . Esto representa cerca de 360.000 calorías (36 x 10.000 calorías por mol de ATP) de las 626.000 calorías originalmente presentes en los dos moles de ácido pirúvico y DPNH, formados del desdoblamiento anaerobio de un simple mol de glucosa. La eficiencia de la energía capturada en el esquema de la respiración aerobia es de cerca de 60% (360.000 /626.000 x 100 - 58%). La captura total de energía útil en el proceso de la respiración de levaduras (anaerobia y aerobia), por ejemplo, podría estar representada por la formación de 28 moles de ATP (2 moles netos de ATP obtenidos en la respiración anaerobia de 36 moles de ATP de la aerobia) corresponden a cerca de 380.000 calorías o sea una eficiencia total de 55% ( 380.000 /686.000 x 100 = 55 %). Este es otro medio de decir que la célula es capaz de capturar en forma útil cerca del 55% de la energía química total almacenada en la molécula de glucosa.

Se puede ver en los valores antes dados que en una molécula de levadura, por ejemplo, el mecanismo aerobio da 20 veces más energía útil (38 moles de ATP por mol de glucosa) que en el proceso anaerobio (2 moles de ATP). Por consiguiente, una célula de levadura, debe metabolizar 20 veces más glucosa en ausencia de oxígeno para obtener la misma cantidad de energía que la obtenida por medio de la respiración aerobia. Puesto que los organismos aerobios, en virtud de su proceso respiratorio pueden extraer más energía del mismo substrato para sus actividades vitales, en comparación con los anaerobios, podría parecer una ventaja para sobrevivir utilizando estas fuentes energéticas.

Papel de la Respiración.

La respiración desempeña dos funciones importantes en la célula viva. Primero, convierte los compuestos orgánicos tales como carbohidratos a productos intermediarios, los cuales pueden usarse como cimientos para la síntesis de otros compuestos celulares biológicamente importantes, tales como lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y otros tipos de moléculas. Segundo, la respiración también desempeña el papel importantísimo de liberación y aprovechamiento de energía almacenada de las ligaduras carbono-hidrogeno de los carbohidratos y los lípidos. Esto se efectúa por la formación y utilización de la ligadura de alta energía del fosfato en forma de ATP.

Se habrá notado que el ATP mismo se presenta en la célula en concentración relativamente pequeña, en cualquier momento. Este no es, por consiguiente, un medio para almacenar energía, sino para elaborar energía aprovechable para las funciones celulares. Esta es la fuente energética aprovechable para las funciones celulares. Esta es la fuente energética inmediata y directa para el conjunto de actividades que manifiesta todo sistema viviente. Las principales sustancias que almacenan energía en la célula son grasas y carbohidratos; pero en el músculo de los vertebrados hay una reserva adicional de energía en forma de una sustancia llamada fosfato creatina.

Utilización del ATP.

Estamos aún inseguros acerca de los mecanismos reales por las cuales la energía química de la ligadura terminal del fosfato de ATP es transformada automáticamente a mecánica (contracción muscular), luminosa (bioluminiscencia), osmótica (difusión contra un gradiente como el riñón al funcionar), química (síntesis proteínica, de ácidos nucleicos, etc.), y otras formas de energía manifestadas por los organismos.

El fenómeno de bioluminiscencia, por ejemplo, consiste en la emisión de luz por ciertos organismos tales como la luciérnaga, los cocuyos, las bacterias luminiscentes y otros muchos; resultado de una liberación de energía por catálisis enzimática. Los términos luciferina y luciferaza se usan para designar el substrato y la enzima respectivas en los sistemas de bioluminiscencia; aunque estos constituyentes, así como las reacciones mismas pueden diferir completamente en cada organismo que presenta este fenómeno. En la luciérnaga, en la que han sido muy estudiadas las reacciones de bioluminiscencia; las sustancias orgánicas natural o liciferina reacciona con el ATP en la presencia de la enzima luciferaza para formar primero un complejo intermediario. Bajo oxidación de esta ultima se emite la luz mientras se oxida la luciferina, produciéndose agua y 2 productos degradados del ATP.

En contraste, la bioquímica de la luminiscencia bacterial es diferente pareciéndose más al proceso terminal respiratorio que ya describimos. En algunos organismos bioluminiscentes. Tales como la luciérnaga y ciertos organismos marinos, la capacidad de emitir luz parece atraer al sexo contrario. En muchos organismos bioluminiscentes su significado aún se desconoce.

Evolución de la Respiración:

Desde un punto de vista evolucionista, la respiración anaerobia es considerada más antigua que la aerobia. Esto se apoya en la idea de que la respiración ya sea en una forma o en otra, se presenta virtualmente en todos los organismos: mientras que el proceso anaerobio tiene menos ubicuidad. El proceso aerobio se considera como una adquisición evolutiva más reciente que se estableció después de la acumulación ( en la atmósfera) de cantidades apreciables de oxígeno molecular, como resultado de la fotosíntesis.

Con la gradual disminución de fuentes de carbono y energía orgánica en los mares primitivos debido al aumento de los seres vivos en las primeras etapas de la historia de la Tierra, aquellos organismos en que evolucionaron mejor sus mecanismos respiratorios para obtener energía fueron los que salieron adelante en la competencia para sobrevivir. La evolución de las condiciones ambientales y mecanismos biológicos (por ejemplo, acumulación de oxígeno molecular debido a la fotosíntesis y desarrollo de un proceso energético más eficiente, o sea, el aerobio) permitieron una liberación de energía más complejas a partir de sustancias orgánicas, lo que constituye una gran ventaje para la competencia y sobrevivencia.

Proceso Oxidativo de la pentosa y otras rutas en el metabolismo de los carbohidratos.

El proceso oxidativo de la pentosa es también de primordial importancia para el metabolismo de los carbohidratos y se ha llegado a aclarar hace pocos años. Esta bien distribuido en la naturaleza, se presenta en varios tejidos animales y vegetales, así como en numerosos microorganismos. Como en el proceso anaerobio, las enzimas del proceso oxidativo de la pentosa se localizan en el citoplasma celular. El mismo proceso es cíclico y consta de una docena de reacciones enzimáticas, de las cuales unas pocas toman parte en el esquema anaerobio.

La primera reacción del proceso de la pentosa, consiste en la fosforilación de la glucosa por ATP en presencia de hexoquinasa para formar glucosa-6-fosfato, reacción que es idéntica al primer paso de la respiración anaerobia de la glucosa.

La glucosa-6-fosfato sufre una deshidrogenación enzimática glucosa-6-fosfato deshidrogenasa para formar ácido-6-fosfoglucónico.

Esto es seguido por una descarboxilación oxidativa para dar un derivado de pentosa fosfato, o sea, ribulosa-5-fosfato.

En ambas reacciones, el TPN actúa como aceptor de hidrógeno o electrones siendo reducido a TNPH. La ribulosa-5-fosfato pasa por una serie de pasos que incluyen la isomerización, división, transferencia y reunión de fragmentos activos resultantes para formar un numero de intermedios fosforilados diferentes tales como esteres, fosfato de moléculas con azúcar con 7 carbonos, con 4 carbonos, con 3 carbonos y con 6 carbonos.

La naturaleza cíclica del proceso oxidativo de la pentosa se resume mejor indicando que para cada vuelta completa del ciclo se reduce una molécula de bióxido de carbono, 2 de TNPH y varias moléculas pequeñas derivadas del azúcar; comenzando esto a partir de una simple molécula de glucosa. Por consiguiente, para 6 vueltas del ciclo comenzando con 6 moléculas de glucosa terminaremos con 5 moléculas de glucosa o sus equivalentes; 6 moléculas de bióxido de carbono y 12 de TNPH. Se efectúa una desintegración total de glucosa, hasta bióxido de carbono e hidrógenos lo cual ha ocurrido sin la participación del ciclo del ácido cítrico.

Podemos expresar la energía producida si suponemos que el TNPH se oxida a DPNH por medio del proceso terminal respiratorio y entonces podríamos esperar una producción de 3 moléculas de ATP por cada una de TNPH. Esto podría ser un total de 36 moléculas de ATP formadas en la respiración de una molécula de glucosa por medio del proceso oxidativo de la pentosa, valor que casi es igual al producido durante la respiración aerobia. La mayoría de las pruebas sugiere que el TNPH formado en este proceso de la pentosa no se consume en el proceso de la cadena respiratoria, sino que se utiliza para síntesis de grasas y esteroides. De gran importancia es también el papel del proceso oxidativo de la pentosa al suministrar una fuente de pentosa para la síntesis de los ácidos nucleicos.

Los procesos respiratorios aerobios y anaerobios, así como la ruta oxidativa de la pentosa, son en apariencia el medio principal para que la glucosa se desdoble en la mayoría de los sistemas vivientes. Se notará, sin embargo, que en un numero de microorganismos, muestra otras rutas en el metabolismo de los carbohidratos, incluyendo ciertas reacciones enzimáticas únicas asi como intermediarias, además de los principales procesos ya establecidos.