Respiración aerobia: ciclo de Krebs y cadena

¿Dónde se oxida el piruvato y quién se queda con los electrones?

Si hay oxígeno, el piruvato que salió de la glucólisis no se fermenta. Se transforma en un grupo acetilo unido a la coenzima A. En eucariontes eso ocurre en la matriz, el compartimento más interno de la mitocondria. El piruvato, de tres carbonos, pasa a acetil-CoA, de dos carbonos. Se libera un CO2 y se forma un NADH. No se produce ATP en ese paso. Los dos piruvatos de una glucosa dan dos acetil-CoA, dos CO2 y dos NADH. Esos dos carbonos que salen como CO2 son dos de los seis que tenía la glucosa. Los dos piruvatos vienen de los dos piruvatos que salen del citoplasma. ^{1 3 2}

El acetil-CoA entra al ciclo del ácido cítrico, también llamado ciclo de Krebs. En eucariontes el ciclo también está en la matriz. El acetilo, de dos carbonos, se combina con una molécula de cuatro carbonos, el oxalacetato. Una vuelta de reacciones regenera ese oxalacetato. En la vuelta se liberan dos CO2 y se producen tres NADH, un FADH2 y un ATP o un GTP. El GTP es equivalente práctico cuando el examen pregunta "¿cuánto ATP deja el ciclo?": cuenta uno por vuelta, a nivel de sustrato. OpenStax dice lo mismo sobre ese uno: una molécula de GTP o de ATP por fosforilación a nivel de sustrato en cada vuelta. Con dos acetil-CoA, todo eso se duplica. ^{4 1}

Los electrones no se quedan en el NADH y el FADH2. Esos cargadores los entregan a la cadena de transporte, y por fosforilación oxidativa sale la mayor parte del ATP de la respiración. La cadena es la parte de la respiración aerobia que usa oxígeno libre como aceptor final de los electrones que se le quitaron a los intermediarios de la glucosa. Son cuatro complejos grandes en la membrana mitocondrial interna, más dos acarreadores pequeños que llevan electrones entre ellos. En tres puntos, un poco de la energía libre bombea protones a través de la membrana. Ese gradiente es el que usa la quimiosmosis. ^{1 4 2}

La quimiosmosis produce ATP gracias al gradiente de protones. La ATP sintasa es el complejo de membrana que añade un fosfato al ADP cuando los protones pasan por ella. Los electrones, mientras tanto, pierden energía. Entran altos, desde el NADH o el FADH2, y al final electrones de baja energía reducen el oxígeno y forman agua. OpenStax da una escala: la energía libre de esos electrones baja de unos 60 kcal/mol en el NADH, o unos 45 kcal/mol en el FADH2, hasta cerca de 0 kcal/mol en el agua. El oxígeno que esa cadena pide es el que la hoja soltó. Esa mitad de la historia está en de dónde sale el oxígeno que la cadena pide. ^{1 2 5}

Si falta O2, la cadena no puede dejar los electrones en el agua. El NADH deja de oxidarse. Sin NAD+ recuperado, el ciclo y la oxidación del piruvato no tienen aceptor, y se detienen. Por eso el ciclo "depende del oxígeno" aunque ninguna vuelta meta un O2 dentro del acetilo. Las tres etapas de después de la glucólisis necesitan oxígeno para poder ocurrir. ^{5 1}

Los intermediarios del ciclo no son un callejón. Se pueden desviar hacia el anabolismo de aminoácidos no esenciales, azúcares y lípidos. Las mismas moléculas pueden volver a entrar como combustible. Al terminar la oxidación, la glucosa que entró quedó oxidada por completo, y su energía química pasó a los cargadores o a unos pocos ATP de sustrato. El resto grande se cobra en la cadena. ¹

Ideas clave

• Del piruvato al acetil-CoA, en la matriz. Por cada piruvato: un CO2 y un NADH. No hay ATP en ese paso. Una glucosa da dos vueltas de esto. ^{3 1}
• El ciclo, también en la matriz. Cada vuelta: 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y 1 ATP o GTP. Se regenera el oxalacetato. ^{4 1}
• La cadena está en la membrana interna. Cuatro complejos. El oxígeno es el aceptor final y se forma agua. ^{1 5}
• El ATP gordo es quimiosmosis. Los protones vuelven por la ATP sintasa. Eso es fosforilación oxidativa, y pide oxígeno. ^{2 4}
• Sin O2 se para antes del agua. No porque el ciclo "queme" oxígeno, sino porque se acaba el NAD+. ^{5 1}

Ejemplos resueltos

Una glucosa, dos vueltas

Llega una glucosa que ya se partió en dos piruvatos. Hay oxígeno. Haz la cuenta solo de la matriz, sin convertir todavía el NADH en ATP.

1. Dos piruvatos dan dos acetil-CoA, dos CO2 y dos NADH. En ese paso no hay ATP. ³
2. Cada acetil-CoA da una vuelta: 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y 1 ATP o GTP. ⁴
3. Dos vueltas: 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2 y 2 ATP o GTP. ⁴
4. Esos electrones siguen hacia la membrana interna. La matriz no es donde el oxígeno se convierte en agua. ¹

Se acaba el oxígeno

Una mitocondria trabajaba con normalidad y el O2 del entorno cae a cero. El ciclo se detiene a los pocos instantes. Alguien dice que "el oxígeno era reactivo del primer paso, junto al acetil-CoA". Corrige.

1. El acetil-CoA se combina con oxalacetato, no con O2. ⁴
2. El O2 recibe electrones al final de la cadena, en la membrana interna, y forma agua. ^{1 5}
3. Si ese aceptor falta, el NADH no se vuelve NAD+. El ciclo necesita NAD+ para sus oxidaciones, así que también se detiene. ⁵
4. No está en el citoplasma. Matriz para el ciclo. Membrana interna para la cadena. ^{4 1}

Errores comunes

Ubicas el ciclo en el citoplasma o en la membrana interna. En eucariontes, oxidación del piruvato y ciclo van en la matriz. La cadena va en la membrana interna. ^{3 1}

Crees que cada vuelta "gasta un O2". El oxígeno no entra al ciclo como reactivo del acetilo. Entra al final de la cadena. ^{4 1}

Cuentas un solo ciclo por glucosa. Son dos, porque la glucólisis dejó dos piruvatos y por lo tanto dos acetil-CoA. ³

Y crees que el ATP de la respiración sale casi todo del GTP del ciclo. Ese es uno por vuelta. La mayor parte sale de la fosforilación oxidativa. ^{4 1}

Cómo lo pregunta el examen

Preguntan lugar y producto. Matriz: acetil-CoA, CO2, NADH, FADH2, un ATP o GTP por vuelta. Membrana interna: cadena, protones, ATP sintasa, agua. Si preguntan por qué el ciclo se detiene sin oxígeno, la respuesta es el NAD+ que ya no se regenera, no un O2 metido en el primer paso.

Resumen

• Con oxígeno, el piruvato se vuelve acetil-CoA en la matriz y suelta CO2 y NADH.
• Cada vuelta del ciclo de Krebs da 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y 1 ATP o GTP.
• Una glucosa produce dos acetil-CoA, así que el ciclo da dos vueltas.
• La cadena está en la membrana interna. El oxígeno es el aceptor final y forma agua.
• Sin oxígeno no se regenera el NAD+ y el ciclo se detiene, aunque no consuma O2 directo.