Oxidación del piruvato

Catabolismo de la glucosa en la glucólisis y oxidación del piruvato

Como probablemente habrás adivinado, la oxidación del piruvato es lo que ocurre después de la glucólisis. Sabemos que la glucólisis, el catabolismo de la glucosa, produce dos moléculas de piruvato de las que se puede extraer energía. A continuación, y en condiciones aeróbicas, la siguiente etapa es la oxidación del piruvato.

El piruvato (\(C_3H_3O_3\)) es una molécula orgánica formada por un esqueleto de tres carbonos, un carboxilato(\(RCOO^-\)) y un grupo cetona (\(R_2C=O\)).

La energía del piruvato también se extrae durante esta etapa crítica en la conexión de la glucólisis con el resto de pasos de la respiración celular, pero no se fabrica ATP directamente.

Además de participar en la glucólisis, el piruvato también interviene en la gluconeogénesis. La gluconeogénesis es una vía anabólica que consiste en la formación de glucosa a partir de no carbohidratos. Esto ocurre cuando nuestro cuerpo no tiene suficiente glucosa o hidratos de carbono.

Figura 1: Tipo de vías mostradas. Daniela Lin, Study Smarter Originals.

La figura 1 compara la diferencia entre las vías catabólicas que descomponen moléculas, como la glucólisis, y las vías anabólicas que acumulan moléculas, como la gluconeogénesis.

Respiración celular Oxidación del piruvato

Después de repasar cómo se relaciona la descomposición o catabolismo de la glucosa con la oxidación del piruvato, ahora podemos repasar cómo se relaciona la oxidación del piruvato con la respiración celular.

La oxidación del piruvato es un paso del proceso de respiración celular, aunque uno importante.

La respiración celular es un proceso catabólico que los organismos utilizan para descomponer la glucosa y obtener energía.

La reacción global de la respiración celular es

\(C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \longrightarrow 6CO_2+ 6H_2O + \text {energía química}\)

Los pasos de la respiración celular son, y el proceso se ilustra en la Figura 2:

1. Glucólisis

• La glucólisis es el proceso de descomposición de la glucosa, por lo que es un proceso catabólico.

• Comienza con la glucosa y acaba descomponiéndose en piruvato.

• La glucólisis utiliza la glucosa, una molécula de 6 carbonos, y la descompone en 2 piruvatos, una molécula de 3 carbonos.

2. La oxidación del piruvato

• La conversión u oxidación del piruvato procedente de la glucólisis en Acetil COA, un cofactor esencial.

• Este proceso es catabólico, ya que implica la oxidación del piruvato en Acetil COA.

• Este es el proceso en el que nos vamos a centrar hoy principalmente.

3. Ciclo del ácido cítrico (TCA o Ciclo de Kreb)

• Parte del producto de la oxidación del piruvato y lo reduce a NADH (nicotinamida adenina dinucleótido).

• Este proceso es anfibólico o tanto anabólico como catabólico.

• La parte catabólica se produce cuando el Acetil COA se oxida en dióxido de carbono.

• La parte anabólica se produce cuando se sintetizan NADH y \(\text {FADH}_2\).

• El ciclo de Kreb utiliza 2 Acetil COA y produce un total de 4 \(CO_2\), 6 NADH, 2 \(\text {FADH}_2\) y 2 ATP.

4. Fosforilación oxidativa (Cadena de transporte de electrones)

• La fosforilación oxidativa implica la descomposición de los transportadores de electrones NADH y \(\text {FADH}_2\) para producir ATP.

• La descomposición de los portadores de electrones hace que sea un proceso catabólico.

• La fosforilación oxidativa produce alrededor de 34 ATP. Decimos alrededor porque el número de ATP producidos puede variar, ya que los complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear diferentes cantidades de iones.

• La fosforilación consiste en añadir un grupo fosfato a una molécula como el azúcar. En el caso de la fosforilación oxidativa, el ATP se fosforila a partir del ADP.

• El ATP es trifosfato de adenosina o un compuesto orgánico formado por tres grupos fosfato que permite a las células aprovechar la energía. En cambio, el ADP es difosfato de adenosina que puede fosforilarse para convertirse en ATP.

Figura 2: Visión general de la respiración celular. Daniela Lin, Study Smarter Originals.

_{Localización de la oxidación del piruvato}

Ahora que entendemos el proceso general de la respiración celular, debemos pasar a comprender dónde se produce la oxidación del piruvato.

Una vez finalizada la glucólisis, el piruvato cargado se transporta a la mitocondria desde el citosol, la matriz del citoplasma, en condiciones aeróbicas. La mitocondria es un orgánulo con una membrana interna y otra externa. La membrana interna tiene dos compartimentos: un compartimento externo y un compartimento interno llamado matriz.

En la membrana interna, proteínas transportadoras que importan piruvato a la matriz mediante transporte activo. Así pues, la oxidación del piruvato se produce en la matriz mitocondrial, pero sólo en los eucariotas. En procariotas o bacterias, la oxidación del piruvato se produce en el citosol.

Diagrama de la oxidación del piruvato

La ecuación química de la oxidación del piruvato es la siguiente

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_3{{\mathrm{O}}_3}^{-}+{\mathrm{NAD}}^{+}+{\mathrm{C}}_{21}{\mathrm{H}}_{36}{\mathrm{N}}_7{\mathrm{O}}_{16}{\mathrm{P}}_3\mathrm{S}\to {\mathrm{C}}_{23}{\mathrm{H}}_{38}{\mathrm{N}}_7{\mathrm{O}}_{17}{\mathrm{P}}_3\mathrm{S}+\mathrm{NADH}+{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}^{+} \\ \mathrm{Pyruvate}\mathrm{Coenzyme}\mathrm{A}\mathrm{Acetyl}\mathrm{CoA}\mathrm{Carbon}\mathrm{dioxide} \end{gathered}$$

Recuerda que la glucólisis genera dos moléculas de piruvato a partir de una molécula de glucosa, por lo que cada producto tiene dos moléculas en este proceso. La ecuación sólo está simplificada aquí.

La reacción química y el proceso de oxidación del piruvato se representan en la ecuación química mostrada arriba.

Los reactantes son piruvato, ^NAD+ y coenzima A, y los productos de la oxidación del piruvato son acetil CoA, NADH, dióxido de carbono y un ion hidrógeno. Se trata de una reacción altamente exergónica e irreversible, lo que significa que el cambio en la energía libre es negativo. Como puedes ver, es un proceso relativamente más corto que la glucólisis, ¡pero no por ello es menos importante!

Cuando el piruvato entra en la mitocondria, se inicia el proceso de oxidación. En general, se trata de un proceso de tres pasos que se muestra en la Figura 3, pero profundizaremos en cada uno de ellos:

1. En primer lugar, el piruvato se descarboxila o pierde un grupo carboxilo, un grupo funcional con el carbono doblemente unido al oxígeno y unido de forma simple a un grupo OH. Esto hace que se libere dióxido de carbono en la mitocondria y que la piruvato deshidrogenasa se una a un grupo hidroxietilo de dos carbonos. La piruvato deshidrogenasa es una enzima que cataliza esta reacción y lo que elimina inicialmente el grupo carboxilo del piruvato. La glucosa tiene seis carbonos, por lo que este paso elimina el primer carbono de esa molécula de glucosa original.

2. A continuación se forma un grupo acetilo debido a que el grupo hidroxietilo pierde electrones. El NAD+ recoge estos electrones de alta energía que se perdieron durante la oxidación del grupo hidroxietilo para convertirse en NADH.

3. Se forma una molécula de acetil CoA cuando el grupo acetilo unido a la piruvato deshidrogenasa se transfiere a la CoA o coenzima A. Aquí, la acetil CoA actúa como molécula portadora, llevando el grupo acetilo al siguiente paso de la respiración aeróbica.

Figura 3: Ilustración de la oxidación del piruvato. Daniela Lin, Study Smarter Originals.

Productos de la oxidación del piruvato

Hablemos ahora del producto de la oxidación del piruvato: Acetil CoA.

Sabemos que el piruvato se convierte en acetil CoA mediante la oxidación del piruvato, pero ¿qué es el acetil CoA? Consiste en un grupo acetilo de dos carbonos unido covalentemente a la coenzima A.

Tiene muchas funciones, como ser intermediario en numerosas reacciones y desempeñar un papel importante en la oxidación de los ácidos grasos y los aminoácidos. Sin embargo, en nuestro caso, se utiliza principalmente para el ciclo del ácido cítrico, el siguiente paso en la respiración aeróbica.