Biología I
Imaginemos que eres una célula. Acabas de recibir una gran y jugosa molécula de glucosa, y te gustaría convertir parte de la energía de esta molécula de glucosa en una forma más utilizable, que puedas usar para alimentar tus reacciones metabólicas. ¿Cómo puedes hacerlo? ¿Cuál es la mejor manera de extraer la mayor cantidad de energía posible de esa molécula de glucosa y de capturar esta energía en una forma útil?
Por suerte para nosotros, nuestras células -y las de otros organismos vivos- son excelentes para cosechar energía de la glucosa y de otras moléculas orgánicas, como las grasas y los aminoácidos). Aquí veremos las reacciones de transferencia de electrones (reacciones redox) que son clave en este proceso.
Reacciones redox
La respiración celular implica muchas reacciones en las que los electrones pasan de una molécula a otra. Las reacciones que implican transferencias de electrones se conocen como reacciones de oxidación-reducción (o reacciones redox), y desempeñan un papel central en el metabolismo de una célula. En una reacción redox, una de las moléculas que reacciona pierde electrones y se dice que se oxida, mientras que otra molécula que reacciona gana electrones (los que pierde la primera molécula) y se dice que se reduce. Puedes recordar lo que significan la oxidación y la reducción con la práctica nemotecnia «OIL RIG: Oxidación es perder electrones; Reducción es ganar electrones.
Energía en las reacciones redox
Haz clic en la imagen para verla más grande. Imagen basada en un diagrama similar de Ryan Gutierrez.
En las reacciones redox, la energía se libera cuando un electrón pierde energía potencial como resultado de la transferencia. Los electrones tienen más energía potencial cuando están asociados a átomos menos electronegativos (como el C o el H), y menos energía potencial cuando están asociados a un átomo más electronegativo (como el O). Así, una reacción redox que desplace electrones o densidad de electrones de un átomo menos electronegativo a uno más electronegativo será espontánea y liberará energía. Por ejemplo, la combustión del butano (C4H10) libera energía porque hay un desplazamiento neto de la densidad de electrones desde el carbono y el hidrógeno hacia el oxígeno. Si ha oído decir que moléculas como la glucosa tienen electrones de «alta energía», se trata de una referencia a la energía potencial relativamente alta de los electrones en sus enlaces \text{C}-\text{C}\ y \text{C}-\text{H}.
Se puede liberar bastante energía cuando los electrones en los enlaces \text{C}-\text{C} y \text{H} se desplazan hacia el oxígeno. En una célula, sin embargo, no es buena idea liberar toda esa energía de una vez en una reacción de combustión. En su lugar, las células cosechan la energía de la glucosa de forma controlada, capturando la mayor cantidad posible en forma de ATP. Esto se consigue oxidando la glucosa de forma gradual, en lugar de explosiva. Hay dos formas importantes en las que esta oxidación es gradual:
- En lugar de extraer todos los electrones de la glucosa al mismo tiempo, la respiración celular los elimina por pares. Las reacciones redox que eliminan los pares de electrones de la glucosa los transfieren a pequeñas moléculas llamadas portadores de electrones.
- Los portadores de electrones depositan sus electrones en la cadena de transporte de electrones, una serie de proteínas y moléculas orgánicas en la membrana mitocondrial interna. Los electrones pasan de un componente al siguiente en una serie de pasos de liberación de energía, lo que permite capturar energía en forma de gradiente electroquímico.
A continuación veremos con más detalle tanto los portadores redox como la cadena de transporte de electrones.
La eliminación de un electrón de una molécula, oxidándola, da lugar a una disminución de la energía potencial en el compuesto oxidado. Sin embargo, el electrón (a veces como parte de un átomo de hidrógeno), no permanece sin unirse en el citoplasma de una célula. Más bien, el electrón se desplaza a un segundo compuesto, reduciendo el segundo compuesto. El desplazamiento de un electrón de un compuesto a otro elimina parte de la energía potencial del primer compuesto (el compuesto oxidado) y aumenta la energía potencial del segundo compuesto (el compuesto reducido). La transferencia de electrones entre moléculas es importante porque la mayor parte de la energía almacenada en los átomos y utilizada para las funciones de las pilas de combustible está en forma de electrones de alta energía. La transferencia de energía en forma de electrones permite a la célula transferir y utilizar la energía de forma incremental, en pequeños paquetes, en lugar de en una única y destructiva ráfaga. Este capítulo se enfoca en la extracción de energía de los alimentos; usted verá que a medida que rastrea el camino de las transferencias, está rastreando el camino de los electrones que se mueven a través de las vías metabólicas.
Transportadores de electrones
Los transportadores de electrones, a veces llamados lanzadores de electrones, son pequeñas moléculas orgánicas que ciclan fácilmente entre las formas oxidadas y reducidas y se utilizan para transportar electrones durante las reacciones metabólicas. Hay dos transportadores de electrones que desempeñan un papel especialmente importante durante la respiración celular: El NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido, mostrado abajo) y el FAD (flavina adenina dinucleótido). Tanto el NAD+ como el FAD pueden servir como agentes oxidantes, aceptando un par de electrones, junto con uno o más protones, para pasar a sus formas reducidas. El NAD+, superíndice inicial, más, superíndice final, acepta dos electrones y un H+ para convertirse en NADH, mientras que el FAD acepta dos electrones y dos H+ para convertirse en FADH2. El NAD+ es el principal transportador de electrones utilizado durante la respiración celular, y el FAD sólo participa en una (o dos, a veces) reacciones.
La forma oxidada del transportador de electrones (NAD+) se muestra a la izquierda y la forma reducida (NADH) se muestra a la derecha. La base nitrogenada en el NADH tiene un ion hidrógeno más y dos electrones más que en el NAD+.
Como se muestra en la imagen anterior, el NAD+ es una pequeña molécula orgánica cuya estructura incluye el nucleótido de ARN adenina. (El FAD es un tipo de molécula similar, aunque sus grupos funcionales son diferentes). Ambas moléculas son derivados de la vitamina B, siendo el NAD+ producido a partir de la niacina y el FAD producido a partir de la riboflavina. El NAD+ y el FAD son coenzimas, moléculas orgánicas que sirven de ayuda durante las reacciones catalizadas por enzimas, y reciben electrones y protones como parte de estas reacciones. Específicamente, tanto el NAD+ superíndice inicial, plus, superíndice final como el FAD sirven como cofactores para las enzimas llamadas deshidrogenasas, que eliminan uno o más átomos de hidrógeno de sus sustratos.
Resumen de las vías de descomposición de los combustibles
Las reacciones que permiten extraer energía de moléculas como la glucosa, las grasas y los aminoácidos se denominan reacciones catabólicas, lo que significa que implican la ruptura de una molécula más grande en trozos más pequeños. Por ejemplo, cuando la glucosa se descompone en presencia de oxígeno, se convierte en seis moléculas de dióxido de carbono y seis de agua. La reacción global de este proceso puede escribirse como:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + calor + ATP
Esta reacción, tal y como está escrita, es simplemente una reacción de combustión, similar a la que tiene lugar cuando se quema un trozo de madera en una chimenea o gasolina en un motor. ¿Significa esto que la glucosa se está quemando continuamente dentro de las células? Afortunadamente, no es así. La reacción de combustión describe el proceso general que tiene lugar, pero en el interior de una célula, este proceso se divide en muchos pasos más pequeños. La energía contenida en los enlaces de la glucosa se libera durante las reacciones de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico (Krebs) Así, los pares de electrones se eliminan de la molécula de glucosa (oxidación) y se añaden al NAD o al FAD (reducción) para ser utilizados en la siguiente reacción descrita a continuación.
La cadena de transporte de electrones
En sus formas reducidas, el NADH y el FADH2 llevan electrones a la cadena de transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna. Depositan sus electrones al principio o cerca del principio de la cadena de transporte, y los electrones pasan entonces de una proteína o molécula orgánica a la siguiente en una serie predecible de pasos. Es importante destacar que el movimiento de los electrones a través de la cadena de transporte es energéticamente «descendente», de manera que se libera energía en cada paso. En términos redox, esto significa que cada miembro de la cadena de transporte de electrones es más electronegativo (hambriento de electrones) que el anterior, y menos electronegativo que el posterior. El NAD+, que deposita sus electrones al principio de la cadena como NADH, es el menos electronegativo, mientras que el oxígeno, que recibe los electrones al final de la cadena (junto con el H+) para formar agua, es el más electronegativo. A medida que los electrones se deslizan «cuesta abajo» por la cadena de transporte, liberan energía, y parte de esta energía se captura en forma de gradiente electroquímico y se utiliza para producir ATP. Sin embargo, gran parte de la energía de la glucosa sigue perdiéndose en forma de calor,
Podemos confirmarlo si observamos los desplazamientos reales de electrones implicados, como en el vídeo siguiente: