Portadores de Electrones en la Respiración Celular: definición y ejemplos

¿Qué son los portadores de electrones?

Las moléculas portadoras de electrones en los sistemas biológicos facilitan el relevo de electrones de una molécula portadora a otra y ayudan a transportar temporalmente la energía almacenada de los electrones. Todo el proceso de transferencia de electrones de una molécula a otra se llama reacción redox. El nombre redox se utiliza porque a medida que una molécula portadora gana electrones y se reduce (rojo-), la otra pierde electrones y se oxida (-ox). A veces se utiliza otro término, reacción de oxidación-reducción.

• Oxidado = La molécula quiere electrones o ya los ha cedido. Ganar oxígeno (O) o perder hidrógeno (H) es un indicador de que una molécula ha sufrido oxidación.
• Reducida = La molécula ha obtenido electrones y está lista para ceder electrones. La pérdida de oxígeno (O) o la ganancia de hidrógeno (H) es un indicador de que una molécula ha sufrido una reducción.

¿Para qué sirven los portadores de electrones en la respiración celular? Son moléculas de almacenamiento de energía y transportadores de energía. Las células producen energía extrayendo electrones de las moléculas de glucosa en presencia de oxígeno en un proceso llamado respiración celular. Las próximas secciones responderán a la pregunta: ¿Qué es la respiración celular y qué hacen los portadores de electrones en la respiración celular?

Moléculas portadoras de electrones y energía.

La producción de combustible celular, llamado trifosfato de adenosina (ATP), es un proceso largo y complicado. Cuando la glucosa ingresa a una célula, se descompone en tres sistemas secuenciales de producción de energía: (1) la glucólisis, (2) el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (también ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs) y (3) el transporte de electrones. cadena (ETC). Los tres sistemas son parte de la respiración celular. La respiración celular es el proceso mediante el cual el oxígeno del aire y la glucosa de los alimentos se convierten en energía, agua y dióxido de carbono. La creación de ATP requiere energía de los electrones, pero sólo el ETC puede producir una gran cantidad de ATP. Entonces, las moléculas portadoras de electrones tienen que transportar y almacenar temporalmente la energía de los electrones hasta que puedan transportarla al ETC.

Ejemplos de portadores de electrones en la respiración celular

Los transportadores de electrones en la respiración celular involucran dos moléculas, llamadas nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y flavina adenina dinucleótido (FAD). ¿Cuáles son sus funciones en la respiración celular? Durante la glucólisis y el ciclo del TCA, el NAD+ se reduce (capta electrones) a NADH y lleva sus electrones al ETC. Durante el ciclo del TCA, el FAD se reduce a FADH2 y lleva sus electrones al ETC. Estas reacciones bioquímicas se describirán en detalle en las últimas secciones de esta lección.

Formas oxidadas de portadores de electrones:

{eq}\bullet\quad \ NAD^+\\ \bullet\quad FAD {/eq}

Formas reducidas de portadores de electrones:

{eq}\bullet\quad \ NADH\\ \bullet\quad FADH_2 {/eq}

Reacciones redox en la respiración celular

Una reacción redox en la respiración celular ocurre cuando los electrones cambian de manos entre dos moléculas portadoras, oxidando una molécula y reduciendo la otra. Las reacciones redox ocurren en los tres sistemas de respiración celular. Se genera una pequeña cantidad de ATP durante la glucólisis y el ciclo del TCA mediante un proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo, una vez que los portadores de electrones alcanzan la ETC, se crea una gran cantidad de ATP mediante un proceso llamado fosforilación oxidativa. ¿Cuáles son las principales reacciones redox en la respiración celular? Incluyen la glucólisis, el ciclo TCA y la fosforilación oxidativa.

I. Glucólisis

Cuando se ingieren alimentos, el sistema digestivo descompone los compuestos orgánicos en azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos. El azúcar más simple que necesita el cuerpo humano es la glucosa, que es la molécula inicial de la respiración celular. Cuando la glucosa se absorbe en una célula, la glucólisis comienza en su citoplasma. La glucólisis es una cadena de diez pasos de reacciones redox que destroza la glucosa en pedazos. La glucosa y sus productos se oxidan repetidamente para convertirse en piruvato. Mientras tanto, dos NAD+ se reducen para convertirse en NADH.

$$Ecuación\;química \;de \;Glucólisis:\;\\ C_6H_{12}O_6 + 2NAD^+ + 2P_i + 2ADP \rightarrow 2 Piruvato + 2NADH + 2ATP $$

$$Fin\; energía\; productos\;de \;Glucólisis:\;\\ 2\;Piruvato, 2\;NADH\; y\;4\;ATP\;(2\; neto\; ATP) $$

II. Ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo TCA, ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico)

El ATP de la glucólisis se utiliza como energía y las moléculas de NADH pasan al ETC. ¿Pero qué pasa con el piruvato? Antes de que el piruvato pueda entrar en el ciclo del TCA, que es la siguiente etapa de la respiración celular, pasa por un paso intermedio, llamado complejo de piruvato deshidrogenasa. Al ingresar a la matriz mitocondrial, que es donde tiene lugar el ciclo del TCA, las dos moléculas de piruvato se oxidan a acetil CoA. Durante el paso intermedio, otros dos NAD+ se reducen, convirtiéndose en NADH.

$$Química\;ecuación \;de \; el \; piruvato \; deshidrogenasa \; complejo: \;\\ 2Piruvato + 2NAD^+ + 2CoA \rightarrow 2Acetil\;CoA + 2NADH + 2CO_2 $$

$$Fin\; energía\; productos\;del\;complejo\;piruvato\;deshidrogenasa\;:\;\\ 2\;Acetil\;CoA\; y\;2\;NADH $$

Los desechos de dióxido de carbono se eliminan a través de los pulmones mediante la respiración. Las moléculas de NADH van al ETC. Mientras tanto, el acetil CoA ingresa al ciclo del TCA, que es un ciclo de ocho pasos que se conecta con el ETC en su paso final. Al igual que la glucólisis, las dos moléculas de acetil CoA se rompen en pedazos en una serie de reacciones redox, en las que el acetil CoA y sus productos se oxidan repetidamente. Durante el ciclo de TCA, se reducen un total de seis NAD+ y dos FAD a NADH y FADH2, respectivamente.

$$Químico \; ecuación \; de \; el \; TCA \; ciclo: \;\\ 2 Acetil\;CoA + 6 NAD^+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 4 CO_2 + 6 NADH + 6H^+ + 2 FADH_2 + 2 ATP $$

$$Fin\; energía\; productos\;de \;la\;TCA\; ciclo:\;\\ 6\;NADH, 2\;FADH_2\; y\;2\;ATP$$

III. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

Los pasos finales de la respiración celular son un proceso llamado fosforilación oxidativa. Este paso tiene lugar en la CTE de la membrana interna de las mitocondrias. El ETC es donde se reúnen los portadores de electrones que recibieron electrones en la glucólisis, el complejo piruvato deshidrogenasa y el ciclo del TCA. Hay cinco sistemas en la cadena ETC, denominados complejo I, II (Q), III, IV y V (ATP-sintasa). Los complejos están diseñados para facilitar reacciones redox con NADH, FADH2 y otras moléculas portadoras de la cadena. El oxígeno es el aceptor final de electrones ubicado en el complejo IV porque tiene una afinidad extremadamente alta por los electrones y es lo suficientemente fuerte como para extraer electrones del donante final de electrones. Cuando se toman electrones de las diez moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2, se oxidan nuevamente a NAD+ y FAD, y sus hidrógenos (H+) se bombean fuera de la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. El NAD+ y FAD regenerados luego regresan a la glucólisis y al ciclo de TCA para recolectar más electrones y repetir el ciclo.

La energía se produce a partir del gradiente de H+ (protones) a medida que los electrones se mueven entre los portadores del complejo I al IV. Cada vez que se produce una reacción redox a lo largo del ETC, se escupen protones al espacio intermembrana. La energía producida por el gradiente de protones es utilizada por el complejo V, una fábrica de producción de ATP llamada ATP sintasa, al final del ETC. La función de la ATP sintasa es fosforilar (es decir, añadir un grupo fosfato) el ADP, transformándolo en ATP. La fosforilación es vital. Cuando las células utilizan la energía ATP, se convierte en ADP, que debe recargarse en ATP antes de que pueda volver a convertirse en una moneda de energía celular. Por tanto, el proceso de producción de ATP dependiente del oxígeno en la ETC se denomina fosforilación oxidativa.

$$Químico \; ecuación \; de \; el \; completo \; proceso\;respiración\;celular: \;\\ 6O_2+C_6H_{12}O_6 + 38ADP + 39 P_i \rightarrow 38ATP + 6CO_2 + 6H_2O $$

$$Fin\; energía\; productos\;de \;celular\;respiración:\;\\ 38\;ATP\;(36\; neto) $$

¿Qué se oxida y qué se reduce en la respiración celular?

Comprender qué se oxida en la respiración celular implica comprender por qué ocurren estos procesos. La respiración celular es un proceso catabólico en el que la glucosa se cataboliza o se descompone en trozos cada vez más pequeños mediante una serie de reacciones redox. En la respiración celular, lo que se oxida y lo que se reduce depende de si la molécula solía ser parte de la columna vertebral de seis carbonos de la glucosa.

La glucosa y todas las moléculas intermediarias formadas a partir de glucosa en la glucólisis, el paso intermedio y el ciclo del TCA, se oxidan. Las moléculas portadoras como NAD+ y FAD junto con otras enzimas y coenzimas que facilitan el proceso se reducen o ayudan con las reacciones redox. Cuando las moléculas portadoras llegan al ETC, se oxidan para producir energía. Las siguientes subsecciones describen cuáles son las principales reacciones redox en la respiración celular que involucran a las moléculas portadoras NAD+ y FAD.

Glucólisis

Cada paso de la glucólisis es una reacción redox, donde la glucosa y sus productos se oxidan. El punto específico de la glucólisis donde el NAD+ capta electrones es cuando se forma la molécula 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-bPG) a partir de gliceraldehído 3-fosfato (G3P). Durante este paso, se oxidan dos moléculas de G3P y dos moléculas de NAD+ se reducen a NADH.

{eq}La \;reducción \;de \;NAD^+:\; NAD^+ + 2e^- + 2H^+ = NADH + H^+ {/eq}

ciclo de ATC

En el paso intermedio antes del ciclo del TCA, el piruvato se oxida a acetil CoA y el NAD+ se reduce a NADH. Cada paso del ciclo del TCA es una reacción redox, donde se oxidan el acetil CoA y sus productos. Los puntos específicos del ciclo del TCA donde el NAD+ se reduce a NADH son cuando se oxidan el isocitrato, el alfa-cetoglutarato y el malato. El punto específico donde el FAD se reduce a FADH2 es cuando se oxida el succinato.

{eq}La \;reducción \;de \;DAP:\; FAD + 2e^- + 2H^+ = FADH_2 {/eq}

Cadena de transporte de electrones

Cada paso de la cadena de transporte de electrones es una reacción redox. El punto específico donde se oxida el NADH es en el complejo I. El punto específico donde se oxida el FADH2 es en el complejo II. Para que las reacciones redox ocurran consecutivamente, cada aceptor de electrones en la cadena debe tener una afinidad ligeramente mayor por los electrones que la molécula donante que cede su electrón.

{eq}La \;oxidación \;de \;NADH:\; NADH = NAD^+ + 2e^- +H^+ {/eq}

{eq}La \;oxidación \;de \;FADH_2:\; FADH_2 = FAD + 2e^- +2H^+ {/eq}

Resumen de la lección

En los sistemas biológicos, las moléculas portadoras de electrones ayudan a facilitar las reacciones redox en la respiración celular que catabolizan la glucosa en energía celular. Una reacción redox en los sistemas celulares es una reacción en la que una molécula pierde electrones (se oxida ) y una molécula gana electrones (se reduce ). Durante la respiración celular, dos moléculas llamadas nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y flavina adenina dinucleótido (FAD) actúan como portadores de electrones. Las formas oxidadas de estas dos moléculas son NAD+ y FAD, respectivamente, mientras que sus formas reducidas son NADH y FADH2. Por ejemplo, NAD+ + 2e- + 2H+ –> NADH + H+ (fórmula abreviada NAD+ + 2H –> NADH + H+) es la ecuación química que describe cómo NAD+ se reduce a NADH. Tanto NAD+ como FAD desempeñan funciones muy importantes en la respiración celular al aceptar electrones durante la glucólisis y el ciclo de TCA y almacenar temporalmente su energía hasta que puedan transportar esos electrones a la cadena de transporte de electrones.

La razón por la que los portadores de electrones son tan importantes es porque la energía que transportan es necesaria para producir trifosfato de adenosina (ATP), la moneda energética de las células. Tres sistemas conectados de producción de energía comprenden la respiración celular, que son la glucólisis, el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y, finalmente, la cadena de transporte de electrones (ETC). El proceso de utilizar el oxígeno inhalado y los alimentos ingeridos para producir ATP se llama respiración celular. Cuando NADH y FADH2 llegan al ETC, se oxidan y ceden sus electrones a otras moléculas portadoras. Los electrones que ceden son transportados a través de una serie de reacciones redox con el oxígeno como último aceptor de electrones. Al final de la ETC hay un complejo llamado ATP sintasa, que utiliza la energía del gradiente de protones producida a partir de esas reacciones redox para producir ATP a partir de ADP. Debido a que todo este proceso requiere oxígeno y fosforila el ADP en ATP, el proceso de producir ATP en la ETC se denomina fosforilación oxidativa.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador