Metabolismo quimitrofode la energa: respiracin aerobia

T-r-n el captulo anterior hemos aprendido que algunas c-lulas satisfacen sus requisitos energticos mediante la fer-mentacin aerbica, bien porque sean anaerobias estrictaso bien porque sean clulas anaerobias facultativas, capacesde funcionar en situaciones de ausencia o escasez de oxlge-no. Sin embargo, tambin hemos visto que la fermentacinproduce nicamente cantidades limitadas de energa. Enausencia de un aceptor de electrones externo -uno queno forma parte por s mismo de la ruta glucoltica- loselectrones que se liberan de un compuesto orgnico de trescarbonos (gliceraldehdo-3-fosfato) se transfieren al final aotro compuesto de tres carbonos (piruvato), y la diferenciade energa es tal que slo se generan dos molculas de ATPpor cada molcula de glucosa.

En resumen, la fermentacin puede satisfacer los requi-sitos energticos de una clula, pero el rendimiento de AIPes bajo, porque la clula slo tiene acceso a una parte limi-tada de la energa libre potencialmente disponible de lasmolculas oxidables, que usa como sustratos. Adems, lafermentacin tiene a menudo como consecuencia, la acu-mulacin de productos de desecho como el etanol o el lac-tato, que si se acumulan, son txicos para la clula, a no ser,claro est, que sean excretados por la clula y metaboliza-dos posteriormente en otro lugar del organismo.

Respiracin celular: maximizandoel rendimiento del ATP

Todo esto cambia dramticamente cuando se trata de larespiracin celular, o para abreviar, respiracin. Cuando sedispone de un aceptor de electrones externo, se puede darla oxidacin completa del sustrato, obtenindose ms ATP.

Se entiende como respiracin celular, el flujo de electrones eno a travs de una membrana, desde coenzimas reducidas has-ta un aceptor de electrones, normalmente acompaado de laproduccin de ATP. Posteriormente abordaremos el signifi-cado de y de de estadefinicin. Por ahora, centrmonos en las coenzimas re-ductoras y los aceptores de electrones. Ya hemos visto quela coenzima reducida que se genera por el catabolismo glu-coltico de los azcares o compuestos relacionados es elNADH. Como veremos a continuacin, otras dos coenzi-mas, EAD (dinucletido de adenina y flavina) y coenzima Q(o ubiquinona), tambin recogen los electrones, que se li-beran desde compuestos orgnicos oxidables ylos transfie-ren al aceptor final de electrones, a travs de una serie detransportadores electrnicos.

Para muchos organismos, incluyendo al autor y los lec-tores de este libro, el aceptor final de electrones es el oxge-no,laforma reducida de este aceptor es el agua,y se cono-ce al proceso en su conjunto como respiracin aerobia.Mientras que la gran mayora de los quimitrofos en laTierra llevan a cabo la respiracin aerobia, existen variosaceptores finales de electrones que son usados por otrosorganismos, especialmente por las bacterias. Algunosejemplos de estos aceptores alternativos y de sus formas re-ducidas son el azufre (S/H2S), los protones (H+/Hr) y losiones de hierro (Fe3+/Fe2*). Los procesos respiratorios queincluyen aceptores de electrones como stos, no necesitanel ogeno molecular y son, por tanto, ejemplos de respira-cin anaerobia. La respiracin anaerobia desempea unpapel importante en los ciclos ambientales de elementoscomo el azufre,el hidrgeno y el hierro, y contribuyen sig-nificativamente a la economa energtica de la biosfera.Nosotros, sin embargo, nos centraremos aqu en la respira-

Respiracin celular: maximizando el rendimiento del ATP 273

cin aerobia porque representa la fuente principal del me-tabolismo energtico en el mundo aerbico del que somosparte nosotros y otros organismos superiores.

Pondremos especial atencin en la mitocondria (Figu-ra 10.1) porque la mayor parte de la produccin aerbicade AIP tiene lugar dentro de este orgnulo.

.lA.\.4< A r r a%\f

fVembrana nternaEspacio intermembrana

Hidr l i s is

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a,

La respiracin aerobia ptoduce mucha ms enet$aque la fermentacinCon el ogeno como ltimo aceptor de electrones, pode-mos empezar desde el piruvato generado por la glucolisisy preguntarnos cmo se cataboliza el piruvato y cmo seconserva la energa libre producida en el proceso, median-te la produccin de ATP. Como ya sabemos por el Captu-lo 9, los productos terminales de la respiracin aerobiason el dixido de carbono y el agua (vaseReaccin9.12).stas son las mismas molculas con las que comienza lafotosntesis, exigencia del flujo cclico de materia entre elmundo quimiotrpico y el fototrpico. Por otra parte, elrendimiento energtico de la respiracin aerobia es consi-derablemente mayor que el de la fermentacin. En vez dedos molculas de ATP por cada molcula de glucosa, larespiracin aerobia puede producir potencialmente hasta38 molculas de ATP por molcula de glucosa en proca-riotas, y entre 36 y 38 molculas de ATP por cada mol-cula de glucosa en eurocariotas, dependiendo del tipocelular.

El oxgeno hace posible todo esto sirviendo como elaceptor terminal de electrones, y proporcionando unmodo de reoxidacin continua del NADH y de otras coen-zimas reducidas. Estas molculas aceptan electrones du-rante la oxidacin posterior de intermediarios orgnicosderivados del piruvato u otros sustratos oxidables. Trans-fieren despus estos electrones al oxgeno por medio deuna secuencia de transportadores de electrones unidos amembrana. De esta manera) la respiracin aerobia incluye,tanto rutas de oxidacin en las que se liberan los electronesde sustratos orgnicos y transferidos a coenzimas trans-portadores, como procesos concomitantes en los que lascoenzimas reducidas (portadoras de electrones) son reoxi-dadas por el transporte de electrones al oxgeno, con laproduccin indirecta de ATP.

La respiracin incluye la glucolisis, el ciclo del TCA,el transporte de electrones y la sintess de ATP

Consideraremos la respiracin aerobia en cuatro etapas,dos que se refieren a los procesos oxidativos mediados porcoenzimas y otros dos, que incluyen la reoxidacin de lascoenzimas y la produccin de AIP. Estas etapas se mues-tran en la Figura 10.lb. En la clula, por supuesto, todos es-tos procesos ocurren continuamente y al mismo tiempo.Su divisin en cuatro etapas arbitrarias puede ser til parasu discusin, pero tenga en cuenta que ninguna de estasetapas funciona aisladamente; cada una es una parte inte-gral del proceso respiratorio general.

La etapa I esla ruta glucoltica que hemos tratado en elCaptulo 9. La glucolisis tiene el mismo resultado en con-diciones aerbicas y anaerbicas: la oxidacin de la gluco-sa a piruvato. Pero el destino del piruvato es diferente enpresencia de oxgeno (vaseFigura 9.8). En lugar de servir

de aceptor de electrones como en la fermentacin, el piru-vato es oxidado posteriormente a un compuesto denomi-nado acetil coenzima A (acetil CoA), que entra enla efapa2,el ciclo del cido tricarboxlico (TCA). Esta ruta cclica oxi-da completamente los carbonos entrantes a COry conser-va la energa en forma de coenzimas reducidas, llue son, ens mismos, compuestos ricos en energa.

La etapa 3 consiste en el transporte de electrones, es de-cir, la transferencia de electrones desde coenzimas reduci-das hasta el oxgeno, acoplado a un transporte activo, obombeo, de protones a travs de una membrana. La trans-ferencia de electrones desde las coenzimas hasta el ogenoes un proceso exergnico y aporta la energa que dirige elbombeo de electrones a travs de la membrana en la queestn embebidos los transportadores, generando un gra-diente electroqumico de protones a ambos Iados de la mem-brana. En la etapa 4,la energia de este gradiente de proto-nes se usa para impulsar la sntesis de ATP. Este modelo desntesis de ATP dependiente de oigeno se denomina/osfo-rilacin oxidativa.

Nuestro objetivo en este captulo es comprender losprocesos sealados como etapas 2,3 y 4 en la Figura 10.lb.En particular, queremos examinar ( 1) qu ocurre con el pi-ruvato (y otros sustratos oxidables como los lpidos y losaminocidos) en situaciones aerbicas; (2) cmo medianlas coenzimas y otros transportadores de electrones latransferencia exergnica de electrones desde sustratos oxi-dables al oxgeno; (3) cmo se usa la energa del transpor-te de electrones para mantener el gradiente electroqumicode protones; y (4) cmo la energla de este gradiente dirigela sntesis deATP. Comenzaremos el estudio del metabolis-mo energtico aerbico, centrndonos en Ia mitocondria,debido al papel determinante que desempea este orgnu-lo en el metabolismo energtico eucariota.

La mitocondria: donde tiene lugartodo el proceso

Nuestro anlisis de la respiracin aerobia comenzar conuna descripcin de la mitocondria,ya que la mayor partedel metabolismo energtico aerbico ocurre dentro deeste orgnulo. Debido a esto, Ia mitocondria es frecuente-mente llamada la de la clula eucario-ta. Ya en 1850, el bilogo alemn Rudolph Klliker, descri-bi la presencia de lo que l llam en las clulas musculares. Se observ que estaspartculas aisladas se hinchaban en el agua, lo que llev aKlliker a la conclusin de que estas partculas estaban ro-deadas de una membrana semipermeable. Actualmente seconoce a estas partculas como mitocondrias y se cree queprovienen de bacterias que fueron englobadas por clulasms grandes, pero que sobrevivieron y quedaron como re-sidentes permanentes en el citoplasma de la clula hospe-dadora (vasela Teora Endosimbitica, Anexo 11A).

La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 275

Hace casi 100 aos que empezaron a acumularse prue-bas que sugeran la participacin de este orgnulo en pro-cesos oxidativos. En 1913, por ejemplo, Otto Warburgmostr que estos orgnulos podan consumir ogeno. Sinembargo, la mayor parte de nuestro conocimiento acercade la funcin de la mitocondria en el metabolismo energ-tico proviene del desarrollo de la centrifugacin diferen-cial, desarrollado por Albert Claude (vaseFigura I2A.2).En 1948 se consigui aislar mediante esta tcnica, mito-condrias intactas y funcionalmente activas. Posteriormen-te, Eugene Kenned Albert Lehninger y otros, mosrraronque estos orgnulos eran capaces de llevar a cabo todas lasreacciones del ciclo del TCA, el transporte de electrones yla fosforilacin oxidativa.

Las mitocondras se encuenttan con ftecuencaen los lugates en los que la necesidad de ATP es mayolLas mitocondrias estn presentes en prcticamente todaslas clulas aerbicas de los organismos eucariotas y sonelementos destacados de la mayora de los tipos celularescuando se examinan al microscopio electrnico (Figu-ra I0.2). Las mitocondrias se encuentran, tanto en las clu-las quimitrofas como en las fottrofas y por lo tanto sonelementos comunes no slo en los animales, sino tambin

en las plantas. Su presencia en clulas fottrofas nos re-cuerda que tambin los organismos fotosintticos puedenllevar a cabo la respiracin, de la que dependen para satis-facer sus necesidades energticas y de carbono durante losperiodos de oscuridad, y en todo momento en los tejidosno fotosintticos, como las races de las plantas.

La importancia de la mitocondria para cubrir las nece-sidades celulares de ATR se refleja frecuentemente en la 1o-calizacin de las mitocondrias dentro de la clula. Muchasveces, las mitocondrias se encuentran agrupadas en las re-giones celulares con mayor actividad metablica, dondelos requerimientos de AIP son mayores. Las clulas mus-culares son un buen ejemplo de esto (taseFigwa 4.13).En estas clulas, las mitocondrias se encuentran organiza-das en columnas a lo largo de las fibrillas responsables de lacontraccin. Otros ejemplos de estas localizaciones estra-tgicas de las mitocondrias se observan en los cilios y flage-los o en la cola de los espermatozoides (vaseFigura 4.I2).

Son las mitocondrias fedes intetconectadas en vezde orgnulos independientes?Cuando se observan mitocondrias en micrografas electr-nicas como las de las Figuras I0.2 y 4.13, suelen aparecercomo estructuras ovaladas, con forma de salchicha. con

Retculoendoplsmicorugoso

Grnulosde glucgeno

Mitocondrias

Peroxisomas

0,5 pm

Fi$uta 10.2 La impottancia de las mitocondlias, Las mitocondrias son elementos destacados en esta fotograffa de microscopio electrnicode una clula heptica de rata. Se muestran tambin otros componentes celulares, como el retculo endoplsmico rugoso, los grnulos deglucgeno ylos peroxisomas (TEM).

\ . 1

276 Captulo 10 Metabolismo quimitrofo de la energa: respiracin aerobia

una longitud de varios micrmetros y con un dimetro de0,5-1,0 lm, si bien pueden tener formas y tamaos dife-rentes dependiendo del tipo celular. Esta apariencia ha fo-mentado la ampliamente aceptada visin de que las mito-condrias son entidades separadas y que son orginulosgrandes y muy numerosos. De hecho, una mitocondria deesas dimensiones tiene un tamao similar a una bacteria yrepresenta el orgnu1o ms grande despus del ncleo en lamayoa de las clulas animales (vaseFigura 1A.1). (En lasclulas vegetales, los cloroplastos y algunas vacuolas sonnormalmente ms grandes incluso que las mitocondrias).

Se han hecho clculos basados en micrografas electr-nicas de cortes transversales, que indican que el nmero demitocondrias por clula es muy variable, en un rango queva desde una o muy pocas por clula en muchos protistas,hongos y algas (y en muchas clulas de mamferos tam-bin) hasta miles por clula en algunos tejidos de vegetalessuperiores y de animales. Por ejemplo, se estima que cadahepatocito de mamfero contiene alrededor de 500-1.000mitocondrias, a pesar de que slo unas pocas de ellas se venen una seccin fina tlpica preparada para microscopaelectrnica, como se muestra en la Figura 10.2.

El concepto de que las formas mitocondriales que seobservan en las micrograflas electrnicas representan or-gnulos independientes de tamao y abundancia conocidocambi a partir del trabajo de Hans-Peter Hoffrnan yCharlotte Avers. Despus de examinar series completas de

cortes finos a 1o largo de toda la clula de una levadura, di-chos investigadores concluyeron que las formas ovaladasque se observaban en micrograffas individuales represen-taban porciones de una nica mitocondria grande y muyramificada (Figura 10.3). Estos resultados sugieren que elnmero de mitocondrias presentes en una clula puede serconsiderablemente menor que lo que se suele pensar, y queel tamao de una mitocondria puede ser mucho mayor delque se puede calcular a partir de las formas individualesobservadas en cortes transversales de micrograflas electr-nicas de cortes delgados.

Los estudios de clulas vivas intactas, examinadas con elmicroscopio de contraste de fases o mediante microscopade fluorescencia, utilizando colorantes fluorescentes espec-ficos de las mitocondrias, suponen un apoyo aadido alconcepto de que la mitocondrias forman una red interco-nectada ms que un conjunto de numerosos orgnulos se-parados. Estas investigaciones ponen de manifiesto que lasclulas vivas contienen mitocondrias grandes y ramificadasen un estado de flujo dinmico, con segmentos separndo-se por gemacin y fusionndose con otra mitocondria.

Gran parte del anlisis y las iiustraciones de este captu-Io se basarn en la visin convencional de las mitocondriascomo unidades independientes, pero recuerde que lo queentendemos como mitocondrias individuales, bien po-dran se$ al menos en algunos tipos celulares, partes deuna gran red dinmica.

Figuta 10.3 El modelo de las redes mitoconddales intelconectadas. Este modelo se propuso tras examinar series completas de cortes finosa lo'largo de una clula epidrmica. Se muestra que los perfiles mitocondriales indiduales, observados en micrograftas de secciones finas,pueden representar partes de una red ms grande de mitocondrias interconectadas. Algunos estudios de microscopa de contraste de fases enclulas vivas apoyan este modelo.

l mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 277

Las membranas extelna e interna definen doscompaimientos separadosEn la Figura 10.4 se representa una mitocondria tpica -opuede que un pequeo fragmento de una red mucho msgrande--;. De cualquier manera, la presencia de dos mem-branas, llamadas membrana externa e interna, es una ca-racterstica distintiva. La membrana externa no representauna barrera de permeabilidad significativa para el paso deiones y molculas pequeas, ya que dispone de unos cana-les proteicos transmembranosos denominados porinas,que permiten el paso de solutos de un peso molecular dehasta 5.000. Estas protenas son similares a las que encon-tramos en las membranas externas de los cloroplastos de lasplantas o en la membrana externa d9 las bacterias Gram-negativas. Debido a que las porinas permiten el libre trasie-go de pequeas molculas e iones a travs de la membranaexterna, el espacio intermembrana entre la membrana ex-terna y la interna de la mitocondria o del cloroplasto, esesencialmente continuo con el citosol, con relacin a los so-lutos importantes para la funcin de estos orgnulos. Sinembargo, las enzimas localizadas en el espacio intermem-brana se encuentran precisamente confinadas all porquelas enzimas, al igual que otras protenas solubles, son dema-siado grandes para pasar a travs de las porinas.

A diferencia de la membrana externa, la membrana in-terna de la mitocondria s representa una barrera para lapermeabilidad de la mayorla de los solutos, separando, portanto, los espacios intermembrana y del interior del org-nlo, en dos compartimientos separados.

La membrana interna de la mayora de las mitocon-drias presenta unas invaginaciones caractersticas llamadascrestas, que aumentan enormemente su superficie. Porejemplo, en una mitocondriaheptica normal, el rea de lamembrana interna es aproximadamente cinco veces mayorque la de la membrana externa. Gracias a esta gran super-ficie, la membrana interna puede alojar un gran nmerode complejos proteicos necesarios para el transporte deelectrones y la sntesis de ATR aumentando de esta mane-ra la capacidad de la mitocondria para producir ATP. LaFigura 10.5 muestra los detalles estructurales de las mem-branas mitocondriales interna y externa mediante la tcni-ca de criofractura descrita en elApndice. Pngase especialatencin en la gran densidad de protenas asociadas con lasdos caras de fractura de la membrana interna. Las prote-nas representan hasta el75o/o del peso de la membrana in-terna, una proporcin mayor que en cualquier otra mem-brana celular. Entre estas protenas se encuentran laspartes transmembranosas de las protenas implicadas en eltransporte de solutos, en el transporte de electrones y en lasntesis de AIP.

La relativa importancia de las crestas en la mitocondriarefleja normalmente la actividad metablica relativa de laclula o el tejido en el que se encuentra el orgnulo. Las c-lulas del corazn,el rin o los mrlsculos presentan activi-dades respiratorias elevadas, y en correspondencia un ele-vado nmero de crestas. Los msculos delwelo de las avestienen una actividad respiratoria especialmente elevada ysus mitocondrias estn particularmente dotadas de crestas.

Membrana externa

Fcnen iintermembrana

Membranainterna

(a) Diagrama esquemtico (b) Micrografa electrnica 1 p m

Fitun 10.4 Estructura mitoconddal, (a) La estructura mitocondrial se representa esquemticamente en esta visin tridimensionalseccionada, (b) Imagen de una mitocondria del pncreas de un murcilago vista con microscpa electrnica de transmisin (TEM).Las crestas son invaginaciones de Ia membrana interna.

Membranas interna y externa

Crestas

Captulo 10 Metabolismo quimitrofo de la energa: respiracin aerobia

N/embranamitocondrial

a ^ " ^ ^ A ^ + " ^ ^ + , , " ^u o t a u E i l a u t u t a

de la membranamitocondnalinterna

Espacio Membrana mitocondrial internanlermemDrana

Figura 10,5 Estructura de las membranas mitocondriales interna yextetna. Cuando se somete a las membranas mitocondrialesinterna y externa a criofractura, cada una de las membranas seescinde por su interior hidrofbico en dos caras de fractura. En estafigura se han superpuesto partes de micrograffas electrnicas de lasdos caras de fractura tanto para la membrana interna como laexterna, a un diagrama esquemtico de las membranas fracturadas,

f.r;il;il* la densidad de partculas proteicas en cada

En contraste, las clulas vegetales, tienen tasas de respira-cin menores que la mayoria de las clulas animales y tie-nen, por lo tanto, menos crestas en sus mitocondrias.

El interior de la mitocondria est relleno de una matrizsemifluida. En la matriz se encuentran muchas de las enzi-mas involucradas en la funcin mitocondrial, al igual quemolculas de DNA y ribosomas. En la mayor parte de losmamferos, el genoma mitocondrial consiste en una mol-cula circular de DNA de entre 15.000 y 20.000 pares debases que codifican RNAs ribosomales, RNAs de transfe-rencia y alrededor de una docena de subunidades polipep-tdicas de protenas de la membrana interna. Adems de lasprotenas que estn codificadas en el genoma mitocon-drial, la mitocondria contiene numerosas protenas codifi-cadas en el ncleo, que se sintetizan en los ribosomas cito-plasmticos y que son importadas posterioimente por lamitocondria (v as e Capitulo 22) .

Las funciones mitocondriales tenen lugar en membranasespecficas o dentro de los compartimientosLas funciones ylas rutas especficas se han localizado en lamitocondria mediante la ruptura del orgnulo y la separa-cin de sus distintos componentes. La Thbla 10.1 recoge al-

Tabla 10.1 Localizacin de las funciones metablicasdentro de la mitocondria

Memblana ocompartimiento

Funcionesmetablicas

Membrana externa

Membrana interna

Matriz

Sntesis de fosfolpidosInsaturacin de cidos grasosElongacin de cidos grasosTiansporte de electronesFosforilacin oxidativaTiansporte metablicoOxidacin del piruvatoCiclo del TCAB-oxidacin de lpidosReplicacin del DNASntesis de RNA (transcripcin)Sntesis de protenas (traduccin)

gunas de las funciones principales que tienen lugar en cadauno de los compartimientos de la mitocondria.

La mayor parte de las enzimas mitocondriales que parti-cipan en Ia oxidacin del piruvato, en el ciclo del TCA, y enel catabolismo de cidos grasos y de aminocidos, son enzi-mas de lamafriz.De hecho, cuando se rompe la mitocondriaen condiciones muy suaves, se liberan 6 de las 8 enzimas delciclo del TCA como un nico complejo multiproteico, lo quesugiere que el producto de una enzima pasa directamente ala enzima siguiente sin tener que difundir por la matriz.

Por otro lado, la mayora de los intermediarios en Ia ca-dena de transporte de electrones son componentes inte-grales de Ia membrana interna, donde se encuentran orga-nizados formando grandes complejos. Sobresaliendodesde la membrana interna hacia la matriz se encuentranunas esferas con forma de puo que se llaman complejosF, (Figura 10.6). Cada complejo consiste en seis polippti-dos ensamblados. En la Figura 10.6a se puede observanuno de los complejos Fr, una micrografa electrnica to-mada a gran aumento usando una tcnica denominadatincin negativa, que tiene como resultado una imagen cla-ra sobre un fondo oscuro. Los complejos F, tienen un di-metro aproximado de 9 nm y son especialmente abundan-tes en las crestas (Figura 10.6b).

Cada complejo F, est unido mediante un pequeo ta-llo proteico a un complejo Fo*, conjunto ensamblado deprotenas hidrofbicas que se encuentra insertado en Iamembrana interna (Figura 10.6c). La asociacin de uncomplejo F, y otro Fo, se conoce como complejo FoF, y seconsidera como una AIP sintasa, porque sa es su funcinhabitual en el metabolismo energtico. El complejo Fo F, esde hecho el responsable de la mayor parte de la produccinde ATP que tiene lugar en la mitocondria -as como tam-bin en las clulas procariotas y en los cloroplastos-. En

* Obsrvese que el subndice de Fo es la letra (o) y no e1 nmero 0. Estoes debido a que, en su da, se demostr que el complejo Fo confera re-sistencia al antibitico olisomicina.

Caras de fracturade la membranamitocondrialexterna

La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 279

ja) Membrana mitocondrial interna

Crestas

Membrana externa

Espacio intermembrana

Membrana interna

Matriz (conribosomas)

ib) Corte transversal esquemtico de una mitocondria (c) Corte transversal esquemtico de una parte de unacresta que muestra los complejos FoF,

Figuta 10.6 los complejos F y Fo de la membrana mitocondrial interna. (a) Esta micrograffa electrnica se prepar mediante tincinnegativa para mostrar los complejos Ft esfricos alineados en la cara de la membrana interna que da a la matriz de una mitocondria delcorazn de una oveja (TEM). (b) Corte transversal de una mitocondria, mostrando sus principales caractersticas estructurales. (c) Detallede un pequeo fragmento de una cresta, que muestra cmo los complejos F, se proyectan desde la cara que da a la matriz de la membranainterna, y a los complejos Fo insertados en la membrana interna. Cada complejo F, est unido a un complejo Fo mediante un tallo proteico.La pareja FoF, constituye una AIP sintasa funcional.

DNA

todos los casos, la produccin de ATP por los complejos FoF, est dirigida por un gradiente electroqumico de proto-nes a ambos lados de la membrana en la que dichos com-plejos Fo F, estn anclados, asunto que trataremos msadelante en este captulo.

En los procafotas, las funciones resptatorias selocalizan en la membrana plasmtica y en el citoplasmaLos procariotas no tienen mitocondrias sin embargo, lamayoria de las clulas procariotas son capaces de realizarlarespiracin aerobia. Dnde se encuentran los distintoscomponentes del metabolismo respiratorio en la clulaprocariota? Bsicamente, el citoplasma y la membranaplasmtica de una clula procariota realizan las mismasfunciones, respectivamente, que la matriz mitocondrial y

la membrana interna. En las clulas procariotas, por tanto,lamayoria de las enzimas de la glucolisis, del ciclo del TCAy del catabolismo de cidos grasos y aminocidos, se en-cuentran en el citoplasma, mientras que las protenas deltransporte de electrones, se localizan en la membrana plas-mtica. El complejo FoF, est tambin en la membranaplasmtica de los procariotas, con el componente Fo in-crustado en la membrana y el componente F, sobresalien-do desde la membrana hacia el citoolasma.

El ciclo del cido tricarboxflico:a vueltas con la oxidacin

Habiendo considerado lalocalzacin de las funciones res-piratorias en la mitocondria y en las clulas procariotas,

280 Captulo 10 Metabolismo quimiofo de la energa: respiracin aerobia

volveremos ahora al contexto eucariota y seguiremos unamolcula de piruvato a travs de la membrana interna deuna mitocondria para ver qu destino le espera all dentro.

En presencia de oxgeno, el piruvato se oxida completa-mente a dixido de carbono y la energa liberada en el pro-ceso se usa para promover la sntesis de AIP. La primeraetapa en este proceso es una ruta cclica, que es la piedraangular del metabolismo energtico de casi todas los qui-mitrofos aerbicos. Un intermediario importante en estasseries de reacciones cclicas es el citrato, que tiene tres gru-pos carboxilo por lo tanto, es un cido tricarboxlico. Poresta razn, esta ruta se denomina ciclo del cido tricarbo-xlico (TCA). Este ciclo tambin se conoce habitualmentecomo ciclo de Krebs en honor a Hans Krebs, cuyo laborato-rio desempe un papel central en el descubrimiento deesta ruta metablica en la dcada de 1930.

El ciclo del TCA metaboliza acetil coenzima A (acetilCoA), que consiste en un acetato unido a un transportadorllamado coenzima A. (La coenzima A fue descubierta porFritz Lipmann, que comparti el Premio Nobel con Krebsen 1953 por su trabajo sobre la respiracin aerobia.) Elacetil CoA proviene de la descarboxilacin oxidativa delpiruvato o de la ruptura oxidativa de los cidos grasos(vaseFigura 10.1b). Independientemente de su origen, elacetil CoA transfiere su grupo acetato a un aceptor de cua-tro carbonos llamado e&l4lg]l4[g, formndose de esta ma-nera citrato. El citrato es posteriomente sometido a dosdescarboxilaciones oxidativas y a varias oxidaciones, de-jando al final un compuesto de cuatro carbonos a partirdel cual se regenera el oxalacetato inicial.

Cada vuelta del ciclo de Krebs implica la entrada de doscarbonos (el acetato del acetil CoA), la liberacin de doscarbonos en forma de dixido de carbono, y la regenera-cin de oxalacetato. La oxidacin tiene lugar en cinco eta-pas: cuatro dentro del mismo ciclo y una en la reaccin queconvierte el piruvato en acetil CoA. En todos los casos, loselectrones son captados por coenzimas. Los sustratos delciclo de Krebs son por tanto, el acetil CoA, las coenzimasoxidadas, el ADR y el Pu y los productos son dixido decarbono, coenzimas reducidas, y una molcula de AIP (oGTR un nucletido ntimamente relacionado).

Teniendo presente este esquema general, analizemos elciclo del TCA ms detalladamente, centrndonos en lo queles sucede a las molculas de carbono que entran comoacetil CoA y cmo se conserva la energa liberada en cadauna de las oxidaciones en forma de coenzimas reducidas.

El piruvato se convefte en acetl coenzma A mediantela descarboxilacin oxidativa

Como hemos sealado, la entrada de carbono en el ciclodel TCA es en forma de acetil CoA, pero en el Captulo 9hemos visto que la ruta de la glucolisis termina en piruva-to, y no en acetil CoA. El paso de piruvato a acetil CoA re-quiere la actividad de la piruv ato deshidrogenasa (PDH ), an

complejo multiproteico enorme, con peso molecular de4.6 x 10o, que consta de tres enzimas, cinco coenzimas, ydos protenas reguladoras. Todos estos componentes tra-bajan juntos para catalizar Ia descarboxilacin oxidativa delpiruvato:

O O N T A n r N r a n H

. , l ' "coA-SH+'cu.-l-o- \ r ' ,

Coenzima A Piruvatoo, l l )CoA-SiC-CH3 + CO2

Acetil CoA(10.1)

Esta reaccin es una descarboxilacinporque uno de loscarbonos del piruvato (el tqmo de carbono 1) se liberacomo dixido de carbono. El resultado es que, los tomosde carbono 2 y 3 del piruvato se convierten, respectiva-mente, en los carbonos I y 2 del acetato. Adems, esta reac-cin es una oxidacin porque se transfieren dos electrones(adems de un protn) desde el sustrato a la coenzimaNAD+. Los electrones transportados por el NADH repre-sentan energa potencial que se utiliza cuando el NADH esreoxidado posteriormente por el sistema de transporte deelectrones.

La oxidacin del piruvato tiene lugar en el tomo decarbono 2, que es oxidado de un a-ceto a un grupo carbo-lico. Esta oxidacin es posible gracias a la eliminacinconcominante del tomo de carbono 1 en forma de dixi-do de carbono. La oxidacin es altamente exergnica(AGo': -7,5 kcallmol), y la energa libre se lutiliza paraactivar la molcula de acetato mediante su unin al gruposulfhidrilo de la coenzimaA (CoA), formando acetil CoA.

Como se muestra en la Figura I0.7,la CoA es una mo-lcula compleja que contiene a la vitamina B cido panto-tnico. N igual que la nicotinamida del NAD+, el cidopantotnico se clasifica como una vitamina porque loshombres y otros vertebrados Ia necesitan como parte deuna coenzima esencial que no pueden sintetizar por s mis-mos. El grupo sulfhidrilo, o tiol en eI extremo de la mol-cula de CoA puede formar un enlace tioster con cidosorgnicos como el acetato. El grupo tiol es lo suficiente-mente importante para que cuando abreviemos la coen-zima A no lo hagamos como CoA slo, sino comoCoA-SH. Si lo comparamos con un enlace ster, el enlacetioster es un enlace ms energtico porque se libera signi-ficativamente ms energa tras su hidrlisis. De la mismamanera que el NAD* est diseado para el transporte deelectrones, la coenzima A Io est para el transporte del ace-tato o de otros grupos acilo. (De hecho, el de su nom-bre viene de su funcin transportadora de grupos acilos.)Por lo tanto, el grupo acetilo que se transfiere a la coenzi-ma A mediante una de las enzimas del complejo PDH (re-presentado en la Figura 10.7 como E-SH), est en unaforma activada, o de alta energa.

El ciclo del cido tricarboxlico: a vueltas con la oxidacin 28r

l . rFormacin de aceti l CoA "

@-.tAcido pantotnico

Grupo aceti lo unidoa la enzima

II

oI

- r ' \ _ D _ ^ _ r \ !v t t t

i l l -o

ooHIIo-

Coenzima A

Elciclo delTCA comienza con la entrada de acetatoen foma de acetil GoAEl ciclo del TCA (Figura 10.8) comienzacon la entrada deacetato en forma de acetil CoA. En cada melta del ciclodel TCA, entran dos tomos de carbono en la forma or-gnica (como acetato) y salen dos tomos de carbono enforma inorgnica (como dixido de carbono). En la pri-mera reaccin (TCA-1), el grupo acetato de dos carbonosdel acetil CoA, se une al compuesto de cuatro carbonosoxalacetato, para formar citrato, una molcula que con-tiene seis carbonos. Esta condensacin est dirigida porla energa libre de hidrlisis del enlace tioster y est cata-lizada por la enzima citrato sintasa. Obsrvese que el ci-trato es un cido tricarboxlico -el tipo de compuestoque da al ciclo del TCA su nombre-. (Los dos tomos decarbono entrantes se muestran en color rosa en la Figura10.8, con el fin de facilitar su bsqueda en las reaccionessubsiguientes.)

Acetil CoA

En dos leaccones de oxidacin del ciclo del TCA seforma NADH y se libera C02A continuacin veremos que cuatro de las ocho etapas delTCA son oxidaciones. Este hecho es patente en la Figu-ra 10.8 ya que en cuatro de las reacciones (TCA-3, TCA-4,TCA-6 y TCA-8) intervienen coenzimas que entran en for-ma oxidada y salen en forma reducida. Cada una de estasreacciones est catahzada por una deshidrogenasa, que esespecfica de un sustrato en particular. Las dos primeras deestas reacciones, TCA-3 y TCA- , son tambin etapas des-carboxilativas: se elimina una molcula de CO, en cadauna) y se reduce el nmero de carbonos de seis a cinco ydespus de cinco a cuatro.

Previamente, sin embargo, la reaccin TCA-2 convierteal citrato en un compuesto relacionado, el isocitrato, me-diante la aconitasa.A diferencia del citrato, el isocitrato tie-ne un grupo hidroxilo que puede ser fcilmente oxidable.Este grupo hidroxilo del isocitrato se convierte en la diana

CH,- SH| ^\.r

^ u U f U P Ov r 1 4

| ' su l fh id r i loH - N

^

ILcHo-s -c -cH .r--cr.t urupo| - iloesrer

H - N

Figura 10.7 Estructura de la coenzima A yfotmacin de acetil CoA. La parte de lacoenzima recuadrada en rojo es el cidopantotnico, perteneciente al complejovitamnico B. La formacin del enlacetioster entre la CoA y un grupo acetilogenera la acetil coenzima A. El grupoacetilo se forma por la descarboxilacinoxidativa del piruvato (reaccin PDH enla Figura 10.8) y es transferido a la CoApor una de las enzimas del complejopiruvato deshidrogenasa, a la que estunido como un tioster tras la oxidacindel piruvato.

Puentepirofosfato

IcH"t 'CH"t 'I

H - NI

l l : O

IH - C - O H

Io l r

ICH,

t -o

r? ,(E)-s--cH.

282 Capitulo 10 Metabollsmo quimitrofo de la energa: respiracin aerobia

CoA- SH

r t lU - U - U

- o - c - ci l lO Hr--lI Fumararo I

Enzimas que cataizan estas reaccionesPDH: PiruvatodeshidrogenasaTCA-1: Citrato sintasaTCA-2: AconitasaTCA-3: lsocitrato deshidrogenasaTCA-4: a-cetoglutarato deshidrogenasaTCA-S: Succinil CoA sintetasaTCA-6: Succinato deshidrogenasaTCA-7: Fumarato hidratasaTCA-8: Malato deshidrogenasa

CoA-SH

H Ot i l

H - G : - C - O -

H - C - Ht

Figura 10.16 Prueba experimental de que el transporte deelectlones genera un gtadiente de ptotones, Se incubaronmitocondrias aisladas con NADH o succinato como fuente deelectrones en un medio sin oxgeno. El pH del medio se ibamidiendo conforme se estimulaba el transporte de oxgenoaadiendo una cantidad conocida de ste. El descenso rpido delpH refleja un incremento de la concentracin de protones, lo queindica que se bombeaban hacia fuera de la matriz mitocondrialcuando haba oxgeno disponible. El cambio de pH fuereproduciblemente mayor con el NADH que con el succinato, Ioque concuerda con el mayor rendimiento que se obtiene con laoxidacin del NADH.

El mecanismo por el cual se acopla Ia transferencia deelectrones de un transportador a otro en el transporte di-reccional de protones, no se conoce muy bien todava. Dehecho, es posible que exista ms de un mecanismo. Uno delos posibles es el comentado anteriormente de la coenzimaQ, que transloca dos protones a travs de la membrana mi-tocondrial alavez que transporta dos electronedel com-plejo I al complejo III (Figura 10.15).

Los datos experimentales actuales sugieren que, en elcaso del bombeo de protones por parte de los complejos Iy IV, existe un segundo mecanismo de bombeo que puedeconsistir en cambios alostricos de la conformacin de lasprotenas. En un estado conformacional, un polipptidodel complejo podra unir un protn en la superficie inter-na de la membrana. La transferencia de uno o ms electro-nes a travs del complejo, causara un cambio conforma-cional del polipptido, que liberara el protn en la caraexterna de la membrana. De esta manera, el bombeo deprotones puede llevarse a cabo bien por el desplazamientofsico de una molcula transportadora como en el caso dela coenzima Q, o bien mediante un cambio conformacio-nal en un polipptido de un complejo respiratorio.

2. Los componentes del sstema de transpottede electrones estn orientados asimtricamente dentrode la membrana mitocondrial intetnaEl bombeo unidireccional que demostraron Mitchell yMoyle exige que los transportadores de electrones que

conforman la ETS estn dispuestos asimtricamente den-tro de la membrana. Si no fuese as, los protones podran,en teora, bombear aleatoriamente en las dos direcciones.Se ha demostrado claramente, utilizando varios anticuer-pos, enzimas y agentes marcadores diseados para inter-accionar con varios componentes de la membrana, quealgunos constituyentes de los complejos respiratorios es-tn orientados hacia la matriz mitocondrial, otros estnexpuestos en el lado contrario, y otros son protenastransmembrana. Dichos descubrimientos confirman lasuposicin de que los componentes del ETS estn distri-buidos asimtricamente a lo largo de la membrana mito-condrial interna, en la manera que se muestra en la Figu-ra 10 .15 .

3, Las vesculas que contienen los complejos I, Il l o lV,establecen gradentes de protones

Otra prueba en favor del modelo quimiosmtico provienede los experimentos que consisten en la reconstruccin devesculas a partir de la combinacin de los componentespor separado. Dado que cada complejo respiratorio I,III yIV presenta un sitio de acoplamiento para la sntesis deNIP (yase Figura 10.15), el modelo quimiosmtico supo-ne que cada uno de estos complejos debera ser capaz debombear protones a travs de la membrana mitocondrialinterna. Esta suposicin ha sido confirmada experimental-mente reconstruyendo vesculas de fosfolpidos artificialesque contienen los complejos I, III o IV. Cuando se les pro-porciona un estrato oxidable apropiado, cada uno de estostres complejos es capaz de bombear protones a travs de lamembrana de la vescula. Como se haba apuntado ante-riormente, estas vesculas son tambin capaces de sinteti-zar NIP.

4. La fosforilacin oxidativa requele un compartmientorodeado por una membrana

Una prediccin obvia del modelo quimiosmtico es que lafosforilacin oxidativa slo tiene lugar dentro de un com-partimiento cerrado por una membrana mitocondrial in-tacta. De otra manera, no podra mantenerse el gradientede protones que permite la sntesis de ATP. Esta suposicinha sido confirmada experimentalmente mediante la de-mostracin de que la transferencia de electrones llevada acabo por complejos aislados no puede acoplarse a la snte-sis de AIP a no ser que estos complejos estn incorporadosen membranas que formen una vescula cerrada.

5. Las sustancias desacoplantes impiden tantola sintesis de ATP como la generacn de un gtadientede protones

Una prueba adicional que enfatiza el papel desempea-do por el gradiente de protones en la sntesis de ATR

El gradiente electroqumico de protones: la clave para el acoplamiento de energa 301

proviene de los estudios en los que se han usado sustan-cias como el dinitrofenol (DNP), que se sabe que des-acopla la sntesis de ATP del transporte de electrones.Por ejemplo, Mitchell demostr en 1963 que las mem-branas se vuelven permeables a los protones en presenciade DNP. En otras palabras, el dinitrofenol inhibe tanto lasntesis de ATP como la capacidad de una membrana demantener un gradiente de protones. Este descubrimien-to encaja perfectamente con el concepto de que la snte-sis de ATP est promovida por un gradiente electroqu-mico de protones.

6. El gradiente de protones tiene la suficente energfapara mpulsar la sntesis de ATPPara que el modelo quimiosmtico sea posible, el gradien-te de protones generado por el transporte de electronesdebe almacenar Ia suficiente energa para permitir la snte-sis de AIP. Podemos abordar este punto con unos pocosclculos termodinmicos. El gradiente electroqumico deprotones a ambos lados de la membrana interna de unamitocondria metablicamente activa, implica, tanto unpotencial de membrana (el componente del gra-diente), como un gradiente de concentracin (el compo-nente ). Como podr recordar del Captulo 8, laecuacin que se utiliza para cuantificar este gradiente elec-troqumico tiene dos trminos, uno para el potencial demembrana Vm, y el otro para el gradiente de concentracio-nes, que en el caso de los protones, es un gradiente de pH(vaseTabla 8.4).

Las mitocondrias que participan activamente en la res-piracin aerobia poseen normalmente un potencial demembrana de unos 0,16 V (el valor es positivo en el ladoque da al espacio intermembrana) y un gradiente de pH decerca de 1,0 unidades (mayor en el lado de la matriz). Estegradiente electroqumico ejerce una fuerza protn-motriz(pmF) que tiende a empujar a los protones de !'uelta, se-gn su gradiente de concentracin -es decir, de vuelta a lamatriz mitocondrial-. La pmf puede calcularse juntandolas contribuciones del potencial de membrana y el gra-diente de pH segn la siguiente ecuacin:

pmf : V^+ 2.303 RT ApH/F (10.13)donde pmf es la fuerza protn-motriz en voltios, V- es elpotencial de membrana en voltios, ApH es la diferencia depH a ambos lados de membrana (ApH : pH*"t,i, - pH".tosol), R es la constante de los gases (1.987 callmol-oK), T esla temperatura en grados Kelvin, y F es la constante de Fa-r aday (23,062 call mol).

Para una mitocondria con un V- de 0,016V y un gra-diente de pH de 1,0, el pmf se puede calcular de la manerasiguiente:

nmf :0.16 + (z. toz0.gaz)Gt + zzz)( t ,o) \\ 23,062 )

= 0,16 + 0,06 = 0,22Y (10.14)

Observe que el potencial de membrana es responsablede ms del7\o/o del pmf mitocondrial. En el siguiente capi-tulo veremos que la mayor parte del pmf del cloroplasto sedebe, en cambio, a la diferencia excesiva de pH a ambos la-dos de la membrana.

Al igual que el potencial redox, el pmf es una fuerzaelctrica en voltios y puede utilizarse para calcular AGo', elcambio de energa libre estndar para el movimiento deprotones a travs de la membrana, siguiendo la siguienteecuacin:

AGo'= -nF(pmf) : -(23.062)(0,22) : -5,1kcal/mol(10 .1s)

De esta manera, una fuerza protn-motriz de 0,22Ya travs de la membrana mitocondrial interna corres-ponde a un cambio de energa libre de alrededor de -5,1kcal por mol de protones. sta ser la cantidad de ener-ga que ser liberada cuando los protones regresen a lamatriz.

Es esto suficiente para impulsar la sntesis de AIP?No es sorprendente que la respuesta sea s, aunque de-pende de cuntos protones se necesitan para impulsar lasntesis de una molcula de ATP por el complejo F"F,. Elmodelo original de Mitchell asume dos protones porATR lo que proporcionara aproxidamente I0,2 kcal/mol,una cantidad muy justa para producir la sntesis de ATRsi consideramos que la AG' parala fosforilacin del ADPes de cerca de 10 kcal/mol, en las condiciones mitocon-driales. Todava existen diferentes opiniones acerca delnmero de protones por ATP, pero el nmero real proba-blemente se encuentre ms cerca de tres o cuatro, lo queproporcionara alrededor de l5-20 kcal de energa porATR una cantidad suficiente para asegurar que la reac-cin est dirigida claramente en el sentido de la forma-cin de esta molcula.

7. Gradientes de protones aificiales pueden impulsarla sntesis de ATP en ausenca de transporte deelectrones

Una prueba directa de que un gradiente de de protonespuede de hecho impulsar la sntesis de AIP se obtuvo ex-poniendo a las mitocondrias o a vesculas compuestas porla membrana interna a gradientes de pH artificiales. Cuan-do las mitocondrias se introducen en una solucin en laque la concentracin externa de protones se ve incremen-tada repentinamente por la adicin de un cido, se generaAIP en respuesta al gradiente de protones creado artificial-mente. Dado que estos gradientes de pH artificiales indu-cen la formacin de AIP incluso en ausencia de sustratosoxidables que, en otra circunstancia, cederan los electro-nes a la ETS, es evidente que la sntesis de AIP puede indu-cirse por un gradiente de protones aunque no exista trans-porte de electrones.

302 Gapitulo 10 Metabolismo quimitrofo de la energa: respiracln aerobia

Sntesis de ATP:juntando las piezasYa estamos preparados para estudiar la cuarta y ltimafase de la respiracin aerobia: la sntesis de AIP. Hemosvisto cmo parte de la energa de un sustrato oxidablecomo la glucosa, se transfiere a coenzimas reducidas du-rante las reacciones de oxidacin de la glucolisis y el ciclodel cido tricarboxlico (fases I y 2 de la Figura 10.lb) ycmo se utiliza despus para generar un gradiente elec-troqumico de protones a travs de la membrana mito-condrial interna (fase 3). Ahora podemos preguntarnoscmo se aprovecha la pmf de ese gradiente para la snte-sis de ATP. Para ello, volvamos a los complejos Fr quepueden verse a 1o largo de la superficie interna de las cres-tas (vase Figura 10.6a) y preguntmonos cules son lasevidencias de que estas esferas son capaces de sintetizarAIP.

Las partculas Fl tienen actividad ATP sintasaLa evidencia clave sobre el papel de las partculas Fr pro-viene de los estudios que condujeron a Efraim Racker y asus colaboradores a probar la hiptesis quimiosmtica deque una ATPasa presente en la membrana, puede acoplar eltransporte reversible de protones a la sntesis de AIP. Em-pezando con la mitocondria intacta (Figura 10.17a) fueroncapaces de perturbar a sta, de forma que se producan pe-queas vesculas, llamadas partculas submitocondriales apartir de fragmentos de la membrana interna (Figu-ra 10.17b). Estas partculas submitocondriales fueron ca-paces de llevar a cabo el transporte de electrones y la snte-sis de ATP. Sometiendo a estas partculas a agitacinmecnica o tratamiento con proteasas se pudieron despla-zar las estructuras F, de las vesculas membranosas (Figu-ra 10 .17c) .

Cuando se separaron por centrifugacin las partculasF, y las vesculas, la fraccin membranosa todava poda

Esferas F,

Membrana Membranamitocondrial mitocondrialinterna externa

Figura 10.17 Disociacin yreconstitucin del sistema de sintesisde ATP mitocondrial. (a)Perturbacin de la mitocondriaintacta y formacin de fragmentosde la membrana interna que danlugar a (b) partculassubmitocondriales capaces detransportar electrones y sintetizarATP (c) Cuando estas partculas sedisocian por agitacin mecnica otratamiento enzimtico loscomponentes se pueden separar en(d) una fraccin de membrana sincapacidad de slntesis de ATP y (e)una fraccin soluble con esferas F, yactividad AIPasa. (f) Mezclando lasdos fracciones se reconstituye laestructura y se recupera la actividadAIP sintasa.

'^+i*7 -ft-:o:

*Z'="t*Y:#:,","?,:;riJrll*i.1[1rir;(a) Mitocondria ntacta. ')f i asrntesis oe Atf.s

Transporte de electrones? | zActividad ATPasa? NoS. Sntesis de ATP? S | f

+ "

-.( (c) Partculast.,,io;

? r.( ) .- disociadas.-

. .! Vb. Transportedeelectrones?,

t ( ). S. Sntesis de ATP? No.-,

Ya A ' Actividad ATPasa? s

r r '.!..,,^', ft*---l\-'- ' -u>' r

(d) Fraccin de membrana. - I te) Fraccin de soluble conTransporte de I esferas F1. Transporte| | q , , o P v , ( e v e

electrones?S. ^ .L . I . l r deelectrones?No.Sntes is

--v-"r t ' '

electrones? S. .A i Wf * de electrnes? No. Sn

Sntesis de ATP? No. Y l- .f \.r de ATP? No. ActividadActividad ArPasa? No ?d'shlt ArPasa? st)4,fb

I t-r\dt (f) Partculas reconstituidas

-

' -

Tranporte de electrones?S. Sntesis de ATP? S.Actividad ATPasa? No

Sntesis de ATP: juntando las piezas 303

llevar a cabo el transporte de electrones pero no poda se-guir sintetizando AIP;las dos funciones se desacoplan (Fi-gura 10.17d). Las partculas F, aisladas, por otra parte, nofueron capaces de transportar electrones y no tenan acti-vidad AIPasa (Figura I0.l7e), un hecho que concuerdacon la actividad ATPasa de tipo F que ahora atribuimos alcomplejo FoF, (vase Tabla 8.3). La capacidad de sintetizarATP de la fraccin membranosa, se recuperaba aadiendode nuevo partculas F, a las membranas, lo que sugera quelas proyecciones esfricas que veamos en las superficie in-terna de la membrana mitocondrial interna eran una Dar-te importante del complejo de membranacapazde generarATP. Estas partculas se denominaron, por lo tanto, factores(la deFr) de acoplamiento y ahora son conocidas porser las estructuras responsables de la actividad de sntesisde ATP en la membrana mitocondrial interna y en la mem-brana plasmtica bacteriana.

El complejo FoFr: el transporte de protones a travs de Fopermite que Fl sintetice ATPComo vimos en la Figura 10.15, el complejo F, es slo par-te del complejo de la AIP sintasa. F, est unido al comple-jo Fo por medio de un pequeo complejo con forma de ta-llo. Fo est embebido en la membrana mitocondrialinterna en la base del tallo (vaseFigura 10.6c). Ahora sa-bemos que el complejo F" funciona como transportadorde protones, el canal que facilita el flujo de electronesmanteniendo un gradiente electroqumico que permite laactividad de sntesis del AIP del complejo F,. As, el com-plejo FoF, es la AIP sintasa funcional. El componente Foproporciona un canal para el flujo exergnico de protonesdesde fuera hacia dentro de la membrana, que dispara lapmf o fuerza motriz del gradiente electroqumico de pro-

tones. El componente F, lleva a cabo la sntesis de ATp gra-cias a la energa generada por este gradiente de protones.

La Tabla 10.4 presenta la composicin polipeptdica delcomplejo FoF, de Escherichia coli,yla Figura 10.18 ilustrasu ensamblaje en el complejo funcional. (La mayor partede lo que se conoce sobre estos complejos hace referencia aE.coli; se piensa que el complejo mitocondrial FoF, es bas-tante parecido, aunque ms complejo en cuanto a subuni-dades.) El complejo F, consta de tres polipptidos n y tresB, organizados como tres complejos aB que forman unhexgono cataltico. El sitio cataltico de sntesis e hidrlisisdel ATP se localiza en la subunidad fr; la subunidad a sirvecomo sitio de unin ATP/ADP. El tallo consta de tres poli-pptidos: gamma (7), delta (6) y psilon (e). Estas subuni-dades se prolongan hasta las estructuras F, y Fo, como in-dica la Figura 10.18. Las subunidades d y e son necesariaspara el ensamblaje del complejo F.F, y la subunidad 7 pa-rece rotar a medida que los electrones se mueven a travsdel canal en la estructura Fo. Este mecanismo fascinante sedescribir mejor en la siguiente seccin.

El complejo Fo consta de los polipptidos a, by c con Isubunidad a,2 subunidades by de9 a12 subunidades cencada complejo funcional. Se cree que las subunidades c seorganrzan en forma de crculo, generando un canal de pro-tones a travs de la membrana. Las subunidades ay b apa-rentemente estabilizan el canal de protones y la subunidadb se une al tallo, anclando la estructura F,/tallo a la basede Fo.

La sntesis de ATP por FoFl implica la rotacin fsica de lasubunidad gammaUna vez que se estableci el nexo entre el transporte deelectrones hacia dentro de la membrana y el bombeo de

Tabfa 10.4 Composicin polipeptdica de la FoFr-ATp sintasa de E. coli

EstructuraPeso Nmero de

Pollpeptldo moleculal** unidades presentes Funcin

Tallo3I1

Sitio de unin ATP/ADP; promueve la actividad de lasubunidad p

Sitio cataltico para la hidrlisis y sntesis de AIpRota para transmitir energa de Fo a F,Componente fundamental del tallo; se requiere para el

ensamblaje de F.F,Se une a la subunidad 6; se requiere para el ensamblaje

de FoF,Estabiliza el canal de protonesEstabiliza el canal de protonesForma el canal de protones

F

I

I

2

l0x**

*El complejo mitocondrial FoFr es similar al complejo bacteriano pero con un polipptido adicional en F, y siete polipptidos adicionales en F..x*El peso molecular de los tres componentes en E coli es, aproximadamente,32l000 para F, (arBr),65000 para el tallo (76) y 144000 para Fo(abrc,o). El pesomolecular total para el complejo ensmblado (ararT6eab.cro) es aproximadamente S:OOOO.**x Estimacin del nmero de subunidades c en el complejo funcional F"F, de E coll, en un rango entre 9 y 12, en el que se considera el l0 como nmero msprobable.

a

p

6

a

bc

52.000

55.00031.00019.000

r 5.000

30.00017.0008.000

304 Captulo 10 Metabolismo quimifofo de la energa: respiracin aerobia

3 l l

(a) Componentes de F1: el tal lo y Fo (b) Ensamblaje del complejo FoF, (c) ATP sintasa funcional

Figuta 10.18 Los componentes F1 y Fo de la FoF, sintasa bacteriana. El complejo F, es una proyeccin esfrica de la superficie interna de lamembrana plasmtica de una clula procariota o de la membrana mitocondrial interna de una clula eucariota y es el responsable de lageneracin de ATP. El complejo Fo est embebido en la membrana y proporciona un canal para el transporte exergnico de protones desde elexterior hacia el interior. (a) En una clula bacteriana la partcula F, es un complejo de 3 unidades ay 3 B que se organizan como unhexgono cataltico. EI complejo Fo consta de una subunidad a"2 subunidades by entre 9 y t2 subunidades c, estas rlltimas ensambladascircularmente para formar un canal cilndrico a travs de la membrana. (b) Ft y Fo estn unidas a travs de un tallo que consta desubunidades 7, 6 y e que se extienden hacia los complejos F, y F.. (c) El complejo FoFr ensamblado es capaz de usar la energa del flujo deprotones a travs del complejo F. permitiendo a las subunidades B de la partcula F I sintetizar el AIP. El mecanismo que acopla el transportede electrones con la sntesis de AIP implica Ia rotacin de la subunidad 7, como se representa en la Figura 10.19.

protones a travs de la membrana, la siguiente pieza delpuzle debi de ser desalentadora: Cmo puede el flujoexergnico de protones a travs del componente Fo de laATP sintasa permitir la sntesis de ATP -de otro modo en-dergnica- por medio de los sitios catalticos de las tressubunidades B del complejo F,? En 1979 Paul Boyer sugi-ri una nueva respuesta para esta cuestin, proponiendo elmodelo de cambio por unin mostrado en la Figura10.19. El modelo de Boyer propone que el sitio cataltico decada una de las tres subunidades del complejo Fr puede en-contrarse en tres conformaciones diferentes, con distintasafinidades por los sustratos (ADP y P,) y el producto(ATP). Boyer las defini como: conformacin L (de la pa-labra inglesa loose, que significa relajada), que une dbil-mente a ADP y P conformacin T (por la palabra inglesatight, qte significa tensa), que se une fuertemente a ADP yPi , catalizando as su condensacin espontnea a ATR alcual se une tambin con alta afinidad. La conformacin O(del ingls, open, abiefto), presenta una afinidad muy bajatanto por los sustratos como por los productos y se en-

cuentra, por tanto, desocupada la mayor parte del tiempo.Boyer propuso que, en cualquier momento, cada uno delos tres sitios activos est en una conformacin diferente yque el anillo hexagonal de las subunidades d, y a rota rcs-pecto al tallo central, gracias al flujo exergnico de proto-nes a travs del complejo Fo de la membrana.

Aunque en principio no se acept mayoritariamente, elmodelo de Boyer fue esencialmente confirmado en 1994por ]ohn Walker y sus colaboradores, que mediante crista-Iografa de rayos X desarrollaron el primer modelo atmi-co detallado del complejo F,. Este modelo identific con-cretamente estructuras en los sitios activos de lassubunidades B que correspondan a las conformaciones O,L y T de Boyer y confirmaron que cada uno de estos tres si-tios activos se encontraba en una confirmacin distinta encada momento. Es ms, se vio que la subunidad y del talloque conecta los complejos F, y Fo (vaseFigura 10.18) seextenda hacia el centro de la estructura F, de forma asim-trica de forma que su interaccin y su efecto sobre las su-bunidades 6 es diferente en cada momento.

Sntesis de ATP: juntando las piezas 30s

@.@

Flujo de protonesa travs de Fo;

y rola 12Oo

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Flujo de protonesa travs de Fo;

y rola 12Oo \\#F!r-".^9::1lT:\o--%./

Fi$ura 10.19' El modelo de cambio pot unlon para la sintesis de AIP por las unidades p del complejo FoFr, De acuerdo con este modelo, cada unade las subunidades B del complejo F, se encuentra una conformacin distinta en cada momento y cada una experimenta una secuencia decambios desde la conformacin O (abierta) a la conformacin T (tensa), pasando por la conformacin L (relajada), dirigiendo Ia rotacin de lasubunidad 7' cuya asimetra afecta de distinta manera a cada subunidad B en los distintos puntos de rotacin. (La subunidad e del tallo tambinrota-as como, probablemente, el anillo de subunidades B del complejo Fo, aunque aqu slo se representan las subunidades y.) Como se muestraen Ia subunidad de la parte superior del diagrama (que se identifica arbitrariamnte como r;las tres subunidades son, de hecho, idnticas ensecuencia amino y estructura), el proceso de slntesis de AIP empieza con la subunidad B1 en su conformacin O e implica @ una rotacin de120o de la subunidad 7 (indicada esquemticamente por el cambio de orientacin de la flecha proyectada hacia fuera de la subunidad 7 delcentro), que a Ia subunidad B, a su conformacin L y causa, por tanto, la relajacin de la unin a ADP y Pi; @ generacin de AIp por una de lasotras subunidades (r); @ una segunda rotacin de 120" de la subunidad 7, que induce un cambio a la conformacin ! que hace que lossustratos se unan fuertemente al sitio cataltico, ene como resultado, en @ la condensacin de estos sustratos para dar lugar a la molcula deTP; @ una tercera rotacin de 120" de la subunidad 7, que deurelve a la subunidad B, a la conformacin O y produce una liberacin de lanueva molcula de AIP generada; seguida de la @ generacin de AIp por el sitio Br, completando un ciclo de ctlisis. Observe que en los demssitios, se ha dado la misma secuencia de acontecimientos, pero se encuentra inactiva temporalmente, ya que se libera slo I molcula de AIpdespus de cada rotacin de 120' de la subunidad 7, con un total de 3 molculas de AIP por cada vuelta completa.

El modelo de cambio por unn en accn. La secuencia deacontecimientos que se muestra en la Figura 10.19 es unmodelo real de cmo el flujo exergnico de protones a tra-vs del complejo Fo permite la sntesis de AIP en los sitioscatalticos de las tres subunidades p del complejo F,. El flu-jo de protones a travs de un canal de la subunidad adeFodirige la rotacin del anillo de las subunidades c en la es-tructura Fo, y por tanto, tambin la rotacin de la subuni-dad g del tallo, que se encuentra anclado al anillo de las su-bunidades c. La asimetra de la subunidad 7no slo suponeinteracciones particularmente distintas con las tres subu-

nidades b en un momento dado sino que provoca que cadasubunidad p pase sucesivamente a travs de las conforma-ciones O, L y T a medida que la subunidad 0 rota 360 gra-dos.

La subunidad p, empieza con la conformacin O, en laque los sustratos ADP y P, pueden entrar libremente al si-tio cataltico (vaseFigara 10.19). El sitio cataltico tienepoca afinidad por ellos en esta conformacin. A medidaque los protones fluyen a travs de la subunidad Fo de lamembrana, el anillo formado por la subunidad c yla subu-nidad g anclada a 1, rotan 120" grados (paso la). Esto

306 Captulo 10 Metabolismo quimiofo de la energ'n: respiracin aerobia

induce un cambio en el sitio 1, 9ue pasa de la conforma-cin O alaL (y produce, asimismo, un cambio en la con-formacin de otras dos subunidades ). La conformacinL tiene una afinidad algo mayor por ADP y P lo que per-mite la unin de estos sustratos al sitio activo.

Despus de la produccin de una molcula de AIP porla subunidad pr(paso 1b),la subunidad g rota otros 120o,dirigida de nuevo por el flujo de protones a travs del canalF. (paso 2a). Esto induce un cambio en la subunidad Bt,que pasa a la conformacin T, que incrementa la afinidaddel sitio activo por las molculas de sustrato. Ahora estnfuertemente unidas al sitio cataltico en una orientacinque facilita al miximo la interaccin. En estas condicioneslas molculas de ADP y Pi se condensan espontneamentepara formar ATP (paso 2b). La subunidad g rota ahoraotros 120o, devolviendo a B, ala conformacin O y libe-rando, por tanto, el ATP del sitio cataltico (paso 3a). Trasla produccin de ATP por una de las otras subunidades (lasubunidad f z) paso 3b), se completa un ciclo y la subuni-dad B, est disponible para otra ronda de sntesis de AIP.Observe que esta misma secuencia de reacciones se hadado tambin en las otras dos subunidades. As, cada vuel-ta completa de la subunidad 7 implica tres rotaciones de120" que requieren energa. Esto tiene como resultado lasntesis de 3 molculas de AIR una por cada subunidad B.

Stesis espontnea de ATP? Un anlisis detallado de la Fi-gura 10.19 revela que cada uno de los pasos en los que sesintetiza AIP a partir de ADP y P1 (es decir, los pasos lb, 2by 3b) no requieren energa. Ya sabemos que la sntesis deAIP es una reaccin altamente endergnica. Entonces, po-dramos preguntarnos, cmo puede darse la sntesis deAIP espontneamente en el sitio cataltico de la subunidadB en su conformacin T? De hecho, Io que sabemos real-mente es que la sntesis de ATP es una reaccin altamenteendergnica en una solucin acuosa diluida, que es el nicocontexto en que hemos visto la sntesis de AIP hasta ahora.Sin embargo, la reaccin en el sitio cataltico de Ia subunidadB implica intermediarios que se unen a la enzima en un am-biente drsticamente distinto-tan distinto, de hecho, que lareaccin en estas condiciones tiene una AG"' cercana a cero(Figura 10.20b) y puede, por tanto, darse espontneamen-te, sin ningn requerimiento energtico inmediato.

Esto no significa que la sntesis de ATP tenga lugar, sinembargo, sin un coste termodinmico; esto significa sim-plemente que se requiere energa en otro punto de1 ciclo.De hecho, se requiere energa, tanto antes de la formacinde ATR como despus: se necesita un aporte de energaprevio para permitir la transicin del sitio cataltico de laconformacin L a la conformacin T, empaquetando es-trechamente ADP y Pt y facilitando su interaccin (comoen el paso 2a de \a Figura 10.19). La liberacin del ATPproducido, unido con alta afinidad al sitio cataltico, re-quiere un aporte energtico posterior (como en elpaso 3a).

ADP + P, + H++ ATP + HrOAG"' = +7,3 kcal/mol

(a) Sntesis de ATP en solucinacuosa d i lu ida

.@G" = 0 kcalimol

(b) Sntesis de ATP a part ir deADP y P, unidos a protena

Figura 10.20 Gomparativa energtica de la sintesis de ATP. Elrequerimiento energtico para la sntesis de AIP es muy distintodependiendo del ambiente. (a) En una solucin acuosa diluida, lasntesis de AIP a partir de ADP y P soluble es altamenteendergnica, con una AG'' de *7,3 kcal/mol. (b) En el sitiocataltico de la subunidad b en su conformacin I sin embargo, elambiente es drsticamente distinto y la reaccin tiene una AG"'cercana a 0 (es decir, la K"o es cercana a 1) y por tanto, puede darseespontneamente sin ningn requerimiento inmediato de energa.

El modelo quimiosmtico implica un trfico de protonesdinmico a travs de la membranaEn la Figura 10.21 se resume la dinmica del modelo qui-miosmtico. Los complejos I, III y IV del ETS bombeanprotones hacia fuera de la membrana mitocondrial internay el gradiente electromecnico resultante promueve la ge-neracin de ATP por medio de los complejos FoF, asocia-dos a la misma membrana. Ha en otras palabras, un tr-fico dinmico y continuo de protones a travs de lamembrana interna (o la membrana plasmtica, en el casode los procariotas). Suponiendo que el nmero de proto-nes expulsados por cada uno de los complejos respirato-rios, es como se muestra, y que se requieren 3 protonespara la sntesis de 1 molcula de ATR entonces tiene senti-do que Ia produccin sea de 3 ATP por NADH y 2 AIP porFADH2.

La respiracin aerobia:resumen global

Para resumir la respiracin aerobia, volvamos a la Figura10.1 de nuevo y recordemos el papel de cada uno de suscomponentes. A medida que los sustratos como los carbo-hidratos y las grasas se van oxidando para generar energa,se van reduciendo coenzimas. Estas coenzimas reducidasrepresentan una forma de almacenamiento de la energa li-bre liberada por las molculas de sustrato originales du-rante la oxidacin. Esta energa puede utilizarse para lasntesis de AIP mientras las coenzimas son reoxidadas porel ETS. A medida que los electrones se transportan del

La respiracin aerobia: resumen global 307

IDeshidrogenasas]\t/4H' - *^ . - ' z 4 H +

H* + NAD+

z n

Succinato

Fumarato

2 H 'CoQ pool

2 t)'

2 N *

@*O'- *-/,5 t1

Ei maxinlo rendiniento de ATP en la respiracion aerobiaes de 36-38 ATPs por molecil la cle glucosa

Ahora podemos volver a Ia cuestin de cul es el mximorendimiento deAIP por molcula de glucosa en condicio-nes aerbicas. Recordemos de Ia Reaccin 10.3 aue la oxi-dacin completa de la glucosa a dixido de carbno por laglucolisis y el ciclo del TCA tiene como resultado la pro-duccin de 4 molculas de ATP por fosforilacin desdesustratos. La mayor parte de la energa libre restante de Iaoxidacin de la glucosa se almacena en las 12 molculas decoenzima -10 de NADH v 2 de FADH.-. En los nroca-

@

t 2 H *

n- / f l

n \---

Citocromoc

'22 H'

Z fl \s--

.'...._JI-1

J n - /

2 H "

( O , )\.:/

(H,o)\:_,/

o T t -

JM,7

riotas y en algunas clulas eucariotas, los electrones de to-das las molculas de NADH pasan a travs de los tres com-plejos responsables de la sntesis de ATP del ETS, dando lu-gar a 3 molculas de.AIP por molcula de coenzima. Loselectrones del FADHT, por otra parte, atraviesan slo 2 delos complejos, dando lugar a, tan slo, 2 molculas de AIPpor molcula de coenzima. El mximo rendimiento teri-co de ATP obtenido por la reoxidacin de las 12 molculasde coenzima formadas a partir de cada glucosa, se puederepresentar de la siguiente manera:

lONADH + 10H+ + 50, + 30ADP +30P, -)toNAD+ i rouro + 3oATi, (to.l6)

2FADH" + O, + 4ADP *4P, -+2FAD+2H2O+4NlP (lo. l7)

Sumando estas reacciones, obtenemos la reaccin glo-bal del transporte electrnico y de la sntesis de ATP:1ONADH + 10H+ + 2FADH. + 60" + 34ADP * 34P,-+

IONAD+ + 2FAD + :^;jH;o + 34ATP (rd.l8)La suma de la reaccin 10.18 a la reaccin global de la

glucolisis y el ciclo del TCA (Reaccin 10.3) lleva a la si-guiente expresin general para el rendimiento mximo te-rico de AIP, obtenido por la respiracin completa de laglucosa y otras hexosas:

6CO2 + 6H2O (10.19)

Esta reaccin general es vilida para la mayoriade las c-lulas procariotas y para algunos tipos de clulas eucariotas.Dependiendo del tipo celular, sin embargo, el miximo ren-dimiento de AIP para una clula eucariota puede ser de 36en lugar de 38 debido al menor rendimiento de molculasde NADH generadas en el citosol respecto a la mitocondria(vase la primera de las preguntas, planteadas ms abajo).

Antes de abandonar la Reaccin 10. 19 y el metabolismoaerbico que esta reaccin resume, consideraremos doscuestiones bastante frecuentes cue le ayudarn a entenderla respiracin aerobia.

t. Por qu el rendimiento mximo de ATP en las clulas eu-cariotas varia entre 36 y 38 ATPs por cada glucosa? Recuer-de que cuando la glucosa se cataboliza aerbicamente enuna clula eucariota, la glucolisis genera, en el citosol,2 molculas de NADH por cada glucosa, mientras que elcatabolismo del piruvato genera otras ocho molculas deNADH en la matriz mitocondrial. Esta distincin espaciales importante porque la membrana interna de la mitocon-dria no tiene una protena transportadorapara el NADH oel NAD+, de forma que el NADH generado en el citosol nopuede entrar en la mitocondria para liberar sus electronesal complejo I del ETS. En lugar de eso, los electrones e io-nes H+ pasan hacia el interior mediante uno de los distin-

tos sistemas de transporte de electrones que difieren en elnmero de molculas de ATP formadas por molcula deNADH oxidada.

Un sistema de transporte de electrones consta de unoo ms transportadores de electrones que pueden ser redu-cidos reversiblemente. Estas protenas transportadoras sepueden encontrar en la membrana tanto en la forma redu-cida como oxidada. Para que pueda producirse el movi-miento de los electrones hacia la mitocondria, el NADHdel citosol pasa sus electrones y protones a una molculatransportadora del citosol y se oxida a NAD*, que se puedeusar de nuevo como aceptor de electrones en la glucolisis oen otros procesos citoslicos. Mientras tanto, la forma re-ducida del transportador entra en la mitocondria, dondees oxidada por una enzima mitocondrial, dando lugar aNADH o FADHT. La diferencia en el rendimiento de AIPentre las clulas eucariotas estriba en el modo de oxidacinde la molcula transportadora dentro de la mitocondria,que puede implicar la transferencia de electrones a NAD+o FAD, dependiendo del tipo celular (2ATPlglucosa menospor transferencia al FAD mitocondrial).

En las clulas del hlgado, el rin y el corazn, los elec-trones del NADH citoslico se transfieren a la mitocondriapor medio del sistema de transporte malato-aspartato, ancomplejo mecanismo que da lugar a NADH a partir deNAD+ en h matriz. Los electrones derivados del NADH ci-toslico pasan as a travs de tres complejos de bombeo deprotones del sistema de transporte y son, por lo tanto, ca-paces de generar tres molculas de AIP por cada molculade coenzima.

Por otro lado, en el msculo esqueltico, en el cerebro yen otros tejidos, el NADH citoslico libera electrones hacialos complejos mitocondriales respiratorios por medio deun mecanismo de transporte que usa FAD en lugar deNAD+ como aceptor de electrones mitocondrial. En la Fi-gura 10.22 se representa este mecanismo, denominadoItnzadera del glicerol fosfato. En la lanzadera del glicerolfosfato participan las isoformas citoslica y mitocondrialde la enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (G3PDH),que oxida reversiblemente al glicerol-3-fosfato (glicerol-3-P) a dihidroxiacetona fosfato (DHAP). La forma citoslicade la enzima transfiere electrones del NADH al DHAR re-ducindolo a glicerol-3-P.

El glicerol 3-P pasa luego a la mitocondria, donde sereoxida a DHAP mediante una G3PDH dependiente deFAD localizada en la cara externa de la membrana interna.Dado que esta enzima unida a la membrana uttTiza FAD enlugar de NAD+ como aceptor de electrones, stos se trans-fieren directamente a la coenzima Q. En consecuencia loselectrones no pasan por el primer lugar de conservacin deenerga del ETS, generndose slo dos molculas de ATPen lugar de tres y reducindose el rendimiento miximoterico en una molcula de AIP por NADH citoslico ypor tanto, en dos molculas de ATP por cada molcula deglucosa (de 38 a 36).

38ADP+38Pi 38ATP

C 6 H 1 2 o 6 + 6 C , 2 \ n ,

|: respiracin aerobia: resumen global 309

/---->.(!Ag"+ H +

cH2 - oHl -Icl, -o-@

C - O HIcH, -o-@

CITOSOL

cHe-oHl -

cnr -o-@

Glicerol-3-fosfatodeshidrogenasacitosl ica

H - H - C - O HIcH2 -o-@

2H* "-

2H*.'-

Espaciointermembrana

Glicerol-3{osfatodeshidrogenesamitocondrial

MATRIZ

+o3 H +

-._/Membrana mitocondrial

externa

Fgur 1.;:Ll La lanzadera del glicetol fosfato. La membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH de manera que los electronesdel NADH entran a la mitocondria mediante dos tipos de sistemas de transporte. Las clulas del msculo esqueltico, cerebro y otros tejidosusan el sistema de transporte del glicerol fosfato. Las lneas rosas indican la ruta de los electrones desde el NADH citoslico hasta ei oxigeno.(1) La enzima citoslica glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (G3PDH) usa electrones (y protones) del NADH para reducir dihidroxiacetonafosfato (DHAP) a glicerol-3-fosfato (glicerol-3-P) que (2) puede atravesar la membrana mitocondrial externa difundiendo a travs de uncanal de porinas. (3) El glicerol-3-P es oxidado despus a DHAP por una FAD-G3PDH de Ia membrana interna, con la reduccinconcomitante de FAD a FADH,. Dado que la NADH es una coenzima de mayor energa que el FADHT, el transporte de entrada deelectrones, facilitado por la diferencia de potenciales de reduccin de las dos coenzimas, es exergnico. El coste de esta entrada de electroneses un menor rendimiento de AIP porque (4) los electrones del FADH, generado por la G3PDH mitocondrial, no pasan por el complejo I,de manera que se reduce el nmero de protones bombeados a travs de la membrana interna.

2. Por qu se considera el rendimiento de ATP en la respira-cin aerobia como (el mximo rendlmiento telico"? Esta ex-presin es una forma de recordar que el rendimiento de36 a 38 molculas de ATP por molcula de glucosa slo esposible asumiendo que la energa del gradiente electro-qumico de protones se utiliza nicamente para la sntesisde ATP. Esta suposicin puede ser til para el clculo deposibles rendimientos, pero no es realista, ya que la pmf

J\A^,4Jnref'?^/'f

Membrana mitocondrialinterna

del gradiente de protones no sirve slo para la sntesis deAIR sino tambin para otros procesos y reacciones querequieren energa. Por ejemplo, parte de la energa del gra-diente de protones se utiliza para facilitar el transporte devarios metabolitos e iones a travs de la membranay paraimportar protenas hacia la mitocondria. En la Figu-ra 10.23 se representan algunos de estos procesos de trans-porte.

3 1 0 Captulo 10 Metabolismo quimitrofo de la energa: respiracin aerobia

Figura 10,23 Pilncipales sistemas detlansporte de la membranamitocondrial nterna. Aqu semuestran las principales protenas detransporte localizadas en lamembrana mitocondrial interna.(a) El transportador de piruvatocotransporta piruvato y protoneshacia el interior, impulsado por lapmf del gradiente electroqumico deprotones. (b) Dicarboxilato y(c) tricarboxilato transportan cidosorginicos a travs de la membrana. Elsentido del transporte depende de lasconcentraciones relativas de cidos diy tricarboxlicos en el interior y en elexterior de la membrana internarespectivamente. (d) El transportadorde ATP-ADP saca AIP y mete ADP y(e) el transportador de fosfato acoplael movimiento de entrada de fosfatocon el de salida de iones hidroxilo.que son neutralizados por protonesen el espacio intermembrana. (Elmecanismo de entrada de electronesse representa en Ia Figura 10.22.)

crrosoL

\___-YJ

Membrana mitocondrialexterna

Dependiendo de la concentracin relativa de piruvato,cidos grasos, aminocidos e intermediarios del ciclo delTCA en el citosol y en la matriz mitocondrial, pueden ne-cesitarse cantidades variables de energa para asegurar quela mitocondria tiene los suministros adecuados de sustra-tos oxidables e intermediarios del ciclo del TCA. Es ms, laentrada de iones fosfato necesarios parala sntesiq de ATPest acompaada por la salida concomitante de iones hi-droxilo, que son neutralizados por los protones en el espa-cio intermembrana, generando tambin un gradiente deprotones.

La respiracin aerobia es un proceso muy efcazPara determinar la eficacia general de la produccin deAIP n la respiracin aerobia tenemos que preguntarnos

qu proporcin de la energa de oxidacin de la glucosaqueda en las 36 38 molculas de ATP generadas porcada molcula de glucosa. El valor de AG"' de la oxida-cin completa de la glucosa a CO2 y HzO es -686kcal/mol. La hidrlisis de ATP tiene un valor de AGo' dealrededor de -7,3 kcal/mol pero el valor real de AG'suele encontrarse en el rango de -10 a -14 kcal/mol.Asumiendo un valor de 10 kcal/mol como hicimos ante-riormente en este captulo, los 36-38 moles de AIP gene-rados por la respiracin aerobia de 1 mol de glucosa enuna clula aerbica corresponden a aproximadamente360-380 kcal de energa conservada por mol de glucosaoxidada. Esto supone un rendimiento en torno al 52-55%o, que es bastante superior a la que podemos obtenerde las mquinas ms eficientes que somos capaces de fa-bricar.

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Membrana mitocondrialinterna

La respiracin aerobia: Resumen global 311

Comparada con la fermentacin, la respi-racin aerobia permite a las clulas acce-der a una proporcin mayor de la energalibre que se puede obtener de sustratosorgnicos como azicares, grasas y prote-nas, El catabolismo completo de los car-bohidratos comienza con la ruta glucol-tica, pero el piruvato que se forma entradespus en la mitocondria, donde se des-carboxila oxidativamente a acetilCoA. ElacetilCoA es oxidado despus a CO, porIas enzimas del ciclo del TCA.

Los cidos grasos son sustratos alter-nativos del metabolismo energtico enmuchas clulas. Su catabolismo empiezaen la matriz mitocondrial con la d oxida-cin a acetilCoA que entra en el ciclo delTCA. Las protenas pueden usarse tam-bin como fuente de energa, especial-mente en condiciones de a1.uno. En estoscasos, las protenas se degradan a amino-cidos y stos son catabolizados a uno oms productos finales que entran en laruta glucoltica o en el ciclo del TCA.

La mayor parte del rendimiento ener-gtico del catabolismo aerbico de Ia glu-cosa se obtiene de las coenzimas reduci-das (NADH y FADH,), que sonreoxidadas por un sistema de transportede electrones. Este sistema se compone decomplejos respiratorios, que son grandescomplejos multiproteicos embebidos enla membrana mitocondrial interna (o, enel caso de los procariotas, en la membra-na plasmtica). Los complejos respirato-rios son libres para moverse lateralmentepor la membrana. La coenzima Q y el ci-tocromo c, que transfieren electrones en-

tre los complejos, son intermediarios cla-ve del sistema de transporte de electrones.En los organismos aerobios el oigeno esel aceptor final de electrones y el agua esel producto final.

Ties de los cuatro principales comple-jos respiratorios, los complejos I, III y IV,acoplan la transferencia de electrones albombeo de protones hacia fuera de lamembrana. Esto establece un gradienteelectroqumico de protones que es lafuerza motriz para la produccin de ATP.Ei sistema de sntesis de AIP consta de untransportador de protones, Fo, insertadoen Ia membrana y una AIP sintasa, F,,cuya estructura protuberante que se pro-yecta desde la membrana interna del ladode la matriz (o en el lado citoslico de lamembrana plasmtica de las clulas pro-cariotas). F, sintetizaAlP a medida que elgradiente de protones facilita el movi-miento de stos a travs de Fo. As, el gra-diente electroqumico de protones y elAIP son, en efecto, formas interconverti-bles de energa almacenada.

La mitocondria es el lugar donde tie-ne lugar el metabolismo respiratorio enlas clulas eucariotas. Las mitocondriasson orgnulos prominentes tanto en ta-mao como en nmero. Pueden fomargrandes redes interconectadas en algunostipos celulares pero aqu las describimoscomo orgnulos independientes. Se pre-sentan en un nmero de entre una y va-rios cientos o incluso miles por clula ysuelen tener una longitud de varias mi-cras. Una mitocondria est rodeada pordos membranas. La membrana interna

tiene muchos plegamientos llamadoscrestas, que incrementan mucho la super-ficie de la membrana y por lo tanto su ca-pacidad de acomodar los numerososcomplejos respiratorios, complejos FoF, ylas protenas de transporte necesariospara llevar a cabo la funcin respiratoria.

La membrana mitocondrial externaes permeable a los iones y pequeas mo-lculas debido a la presencia de porinas.Sin embargo, se requieren transportado-res especficos para el transporte de en-tada de piruvato, cidos grasos y otrasmolculas orgnicas a travs de la mem-brana interna del orgnulo. El transportede salida de ATP est acoplado a la entra-da de ADP y el movimiento simultneode entrada de iones fosfato est acopladoa la salida de iones hidroxilo, facilitadopor el gradiente de protones. Los electro-nes de las molculas de coenzima que sereducen en el citosol deben entrar al siste-ma de transporte de electrones por unmecanismo de transporte especfico por-que la membrana interna no es permea-ble a las coenzimas.

ste es, por tanto, el metabolismo ae-rbico de la energa. Sin transistores, par-tes mecnicas, ruido, contaminacin, ytodo en trminos de organizacin que re-quieren un microscopio electrnico paravisualizarlos. Todo el proceso tiene lugarcontinuamente en Ia clula con un gradode integracin, eficiencia, fidelidad y con-trol que apenas podemos comprender losuficientemente bien para apreciarlo to-talmente, menos para poder reproducirloen nuestros tubos de ensavo.

ProblemasLos problemas de mayor dificultad estn marcados con un ..

10.1 Localizacin de molculas y funciones en lamitocondria. Indique si esperara encontrar o no (NO), cadauna de las siguientes molculas o funciones en Ia matriz (MA),membrana interna (IM), membrana externa (OM), o espaciointermembrana (IS) de la mitocondria.(a) Coenzima A(b) Coenzima Q

(c) Fosforilacin de nucletidos(d) Succinato deshidrogenasa(e) Malato deshidrogenasa(0 Elongacin de cidos grasos(g) Tiansportadordedicarboxilato(h) Conversin de lactato en piruvato(i) AIP sintasa(j) Acumulacin de una concentracin alta de protones

312 Capitulo 10 Metabolismo quimitrofo de la energa: respiracn aerobia

L0.2 Localizacin de molculas y funciones en la clulaprocariota. Repita el Problema 10.1, pero indicando dndeesperara encontrar cada una de las molculas o funciones dellistado, en la clula procariota. Las posibles localizaciones son:citoplasma (CY), membrana plasmtica (PM), exterior celular(EX), o no est presente (NO).10.3 Verdadero o falso. Sealar cules de las siguientesafirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). En las falsas,replantee la afirmacin de manera correcta.(a) El flujo ordenado de carbono en el ciclo del TCA es posible

porque cada una de las enzimas del ciclo est englobada enla membrana mitocondrial, de manera que su disposicinse ajusta a la propia secuencia del ciclo.

(b) Termodinmicamente, el acetilCoA debera posibilitar lafosforilacin del ADP (o del GDP), de la misma forma queIo hace la succinilCoA. asumiendo Ia disoonibilidad de laenzima apropiada.

(c) La respiracin es un proceso aerbico en todos losorganismos, porque el oxgeno es el nico aceptorde electrones conocido para la reoxidacin de lascoenzimas.

(d) Podemos predecir el flujo de electrones a travs del sistemade transporte de electrones porque el par redoxNAD-/NADH tiene una AEo' muy negativa y el par tieneuna OrlHrO AEo' muy positiva.

(e) A diferencia del NAD+, Ia coenzima FAD tiende a estarfuertemente asociada a las deshidrogenasas que lo usancomo aceptor de electrones.

(0 Se requieren nueve ciclos de B oxidacin para degradarcompletamente un cido graso de 18 carbonos hastaacetilCoA.

L0.4 Transporte mitocondrial. Para que se d la respiracinaerobia, hay varias sustancias que deben encontrarse en flujoconstante a Io largo de la membrana mitocondrial interna. Parauna clula del cerebro, en la que la glucosa es la nica fuente deenerga, indique cules de las siguientes sustancias produciranun flujo neto en la membrana si es as, cantas molculas semovilizarn y en qu sentido, por cada molcula de glucosacatabolizada.(a) Piruvato(b) Oxgeno(c) ATP(d) ADP(e) AcetilCoA(f) Gliceroi-3-fosfato(g) NADH(h) FADH2(i) Oxalacetato(j) Agua(k) Electrones(l) Protones10.5 Completando la ruta. En cada uno de los siguientescasos, complete la ruta, indicando las estructuras y el orden delos intermediarios.

(a) La conversin de citrato en a-cetoglutarato mediante lasreacciones TCA-2 y TCA-3 implica como intermediarios,no slo al isocitrato, sino tambin a las molculasidentificadas (pero no mostradas en la Figura 10.8), comoaconitato y oxalosuccinato. Represente la ruta del citrato aa-cetoglutarato, mostrando las estructuras y el orden de lostres intermediarios.

(b) La sntesis del aminocido glutamato se puede llevar a caboa partir de piruvato y alanina mediante la secuenciametablica que supone el papel anfiblico del ciclo delTCA. Ilustre esa ruta, asumiendo la disponibilidad decualquier enzima adicional necesaria.

(c) Si se introduce el piruvato-2-raC (piruvato con el carbonocentral marcado radiactivamente) en 1a respiracinmitocondrial, la mayor parte de la radiactividad seincorporar en el citrato. Tiace la ruta por Ia que lostomos de carbono marcados radiactivamente, seincorporan al citrato e indique la molcula de citrato.

10.6 El bilogo celular calculando. Use la Tabla 10.2 de lapgna 295 como base para los clculos necesarios paracontestar a las siguientes cuestiones.(a) Sin hacer clculos iniciales, prediga si el isocitrato puede

ceder electrones exergnicamente al NAD- en condicionesestndar. Por qu hace esa prediccin?

(b) Cul es 1a AEo' para la oxidacin del isocitrato a NAD+ encondiciones estndar? Confirma este clculo Ia prediccinque hizo en el apartado a? Explique su respuesta.

(c) Calcule la AGo' para el proceso de oxidacin delisocitrato por NAD- en condiciones estndar. Por qu esrelevante este clculo para el metabolismo aerobio de Iaenerga?

(d) Repita las partes a-c para la oxidacin del lactato a piruvatopor NAD-. Por qu es relevante este clculo para elmetabolismo aerobio de la energa?

(e) Ahora repita las partes a-cpaala oxidacin del succinato afumarato, con el NAD- como aceptor de electrones.Debera obtener un valor de AGo' muy positivo. Qu nosindica este valor sobre la probabilidad de que el NAD*pueda servir como aceptor de electrones para la reaccincatalizada por la succinato deshidrogenasa del ciclo delTCA?

(0 Por ltimo, repita las partes a-c para la oxidacin delsuccinato a fumarato con la coenzima Q como aceptor deelectrones. Por qu tiene sentido considerar a la coenzimaQ como el aceptor de electrones cuando se representa lasuccinato deshidrogenasa de la Figura 10.8, con el FADcomo aceptor inmediato de electrones?

L0.7 Calculando los rendimientos miximos de AIP. LaTabla 10.5 es una forma de resumir el rendimiento de AIPdurante la oxidacin aerbica de la glucosa.(a) Complete la Tabla 10.5 para una clula procariota. Cul es

el rendimiento mximo de AIP?(b) Indique en la Tabla 10.5 los cambios necesarios para

calcular el mximo rendimiento de AIP para una clulaeucariota que usa Ialanzadera glicerol fosfato paratransportar Ios electrones desde el citosol hasta la matrizmitocondrial.

Problemas 3t3

Tabla 10.5 Clculo del rendimiento mximo de ATP de la oxidacin aerbica de la glucosa

Oxidacin del piruvato(2 piruvatos --+ 2 acetil GoA)Etapa de la resplracin

Glucolisis(glucosa --+ 2 pruvatos)

Rendimiento de CO,

Rendimiento de NADH

ATP a partir de NADH

Rendimiento de FADH,

AIP a partir de FADH,

AIP de la fosforilacindesde sustratos

ATP de la fosforilacinoxidativa

Rendimiento mximodeATP

10,8 Regulacin del metabolismo. Explique la ventaja de cadauno de los siguientes mecanismos de regulacin para la clula.(a) La isocitrato deshidrogenasa (Figura 10,8, reaccin TCA-3)

es activada alostricamente por ADP.(b) Las deshidrogenasas que oxidan isocitrato, d-cetoglutarato

y malato (reacciones TCA-3, TCA-4 y TCA-8) estninhibidas alostricamente por NADH.

(c) La piruvato deshidrogenasa (Figura 18.0, Reaccin l0.l)est inhibida alostricamente por AIP.

(d) La fosfofructoquinasa (Figura 9.6, reaccin Gly-3) estinhibida alostricamente por citrato.

(e) La piruvato deshidrogenasa quinasa (Figura 10.10, enzimaE,) est activada alostricamente por NADH.

(0 La a-cetoglutarato deshidrogenasa (Figura 10.8, reaccinTCA-4) est inhibida alostricamente por succinil CoA.

10.9 Slntesis letal. Las hojas de Dichapetalum cymosum,vaplanta surafricana, son muy venenosas. Los animales queingieren sus hojas tienen com'ulsiones y normalmente muerenen poco tiempo. Uno de los efectos ms destacados de sutoxicidad es un notable incremento en la concentracin decitrato y un bloqueo del ciclo del TCA en la mayora de losrganos del animal afectado. El agente txico de las hojas de laplanta es el fluoroacetato, pero el veneno real que se encuentraen los tejidos