sintesis de atp-sintasa (complejo v mitocondrial)

Síntesis de ATP:juntando las piezas

Ya estamos preparados para estudiar la cuarta y últimafase de la respiración aerobia: la síntesis de ATP. Hemosvisto cómo parte de la energía de un sustrato oxidablecomo la glucosa, se transfiere a coenzimas reducidas du-rante las reacciones de oxidación de la glucolisis y el ciclodel ácido tricarboxílico (fases 1 y 2 de la Figura 10.1b) ycómo se utiliza después para generar un gradiente elec-troquímico de protones a través de la membrana mito-condrial interna (fase 3). Ahora podemos preguntarnoscómo se aprovecha la pmf de ese gradiente para la sínte-sis de ATP. Para ello, volvamos a los complejos F1 quepueden verse a lo largo de la superficie interna de las cres-tas (véase Figura 10.6a) y preguntémonos cuáles son lasevidencias de que estas esferas son capaces de sintetizarATP.

Las partículas F1 tienen actividad ATP sintasa

La evidencia clave sobre el papel de las partículas F1 pro-viene de los estudios que condujeron a Efraim Racker y asus colaboradores a probar la hipótesis quimiosmótica deque una ATPasa presente en la membrana, puede acoplar eltransporte reversible de protones a la síntesis de ATP. Em-pezando con la mitocondria intacta (Figura 10.17a) fueroncapaces de perturbar a ésta, de forma que se producían pe-queñas vesículas, llamadas partículas submitocondriales apartir de fragmentos de la membrana interna (Figu-ra 10.17b). Estas partículas submitocondriales fueron ca-paces de llevar a cabo el transporte de electrones y la sínte-sis de ATP. Sometiendo a estas partículas a agitaciónmecánica o tratamiento con proteasas se pudieron despla-zar las estructuras F1 de las vesículas membranosas (Figu-ra 10.17c).

Cuando se separaron por centrifugación las partículasF1 y las vesículas, la fracción membranosa todavía podía

Síntesis de ATP: juntando las piezas 303

(b) Partículas submitocondriales.

¿Transporte de electrones?

Sí. ¿Síntesis de ATP? Sí

¿Actividad ATPasa? No

(c) Partículas

disociadas.


Sí. ¿Síntesis de ATP? No.

¿Actividad ATPasa? Sí

(e) Fracción de soluble con

esferas F1. ¿Transporte

de electrones? No. ¿Síntesis

de ATP? No. ¿Actividad

ATPasa? Sí

(d) Fracción de membrana.

¿Transporte de

electrones? Sí.

¿Síntesis de ATP? No.


(a) Mitocondria intacta.


Sí. ¿Síntesis de ATP? Sí

Perturbación

Esferas F1

Membrana

mitocondrial

interna

Membrana

mitocondrial

externa

(f) Partículas reconstituidas

¿Tranporte de electrones?

Sí. ¿Síntesis de ATP? Sí.


Figura 10.17 Disociación yreconstitución del sistema de síntesisde ATP mitocondrial. (a)Perturbación de la mitocondriaintacta y formación de fragmentosde la membrana interna que danlugar a (b) partículassubmitocondriales capaces detransportar electrones y sintetizarATP (c) Cuando estas partículas sedisocian por agitación mecánica otratamiento enzimático loscomponentes se pueden separar en(d) una fracción de membrana sincapacidad de síntesis de ATP y (e)una fracción soluble con esferas F1 yactividad ATPasa. (f) Mezclando lasdos fracciones se reconstituye laestructura y se recupera la actividadATP sintasa.

llevar a cabo el transporte de electrones pero no podía se-guir sintetizando ATP; las dos funciones se desacoplan (Fi-gura 10.17d). Las partículas F1 aisladas, por otra parte, nofueron capaces de transportar electrones y no tenían acti-vidad ATPasa (Figura 10.17e), un hecho que concuerdacon la actividad ATPasa de tipo F que ahora atribuimos alcomplejo FoF1 (véase Tabla 8.3). La capacidad de sintetizarATP de la fracción membranosa, se recuperaba añadiendode nuevo partículas F1 a las membranas, lo que sugería quelas proyecciones esféricas que veíamos en las superficie in-terna de la membrana mitocondrial interna eran una par-te importante del complejo de membrana capaz de generarATP. Estas partículas se denominaron, por lo tanto, factores(la «F» de F1) de acoplamiento y ahora son conocidas porser las estructuras responsables de la actividad de síntesisde ATP en la membrana mitocondrial interna y en la mem-brana plasmática bacteriana.

El complejo FoF1: el transporte de protones a través de Fo

permite que F1 sintetice ATP

Como vimos en la Figura 10.15, el complejo F1 es sólo par-te del complejo de la ATP sintasa. F1 está unido al comple-jo Fo por medio de un pequeño complejo con forma de ta-llo. Fo está embebido en la membrana mitocondrialinterna en la base del tallo (véase Figura 10.6c). Ahora sa-bemos que el complejo Fo funciona como transportadorde protones, el canal que facilita el flujo de electronesmanteniendo un gradiente electroquímico que permite laactividad de síntesis del ATP del complejo F1. Así, el com-plejo F0F1 es la ATP sintasa funcional. El componente F0

proporciona un canal para el flujo exergónico de protonesdesde fuera hacia dentro de la membrana, que dispara lapmf o fuerza motriz del gradiente electroquímico de pro-

tones. El componente F1 lleva a cabo la síntesis de ATP gra-cias a la energía generada por este gradiente de protones.

La Tabla 10.4 presenta la composición polipeptídica delcomplejo FoF1 de Escherichia coli, y la 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 FoF1 es bas-tante parecido, aunque más complejo en cuanto a subuni-dades.) El complejo F1 consta de tres polipéptidos � y tres�, organizados como tres complejos �� que forman unhexágono catalítico. El sitio catalítico de síntesis e hidrólisisdel ATP se localiza en la subunidad �; la subunidad � sirvecomo sitio de unión ATP/ADP. El tallo consta de tres poli-péptidos: gamma (�), delta (�) y épsilon ( ). Estas subuni-dades se prolongan hasta las estructuras F1 y Fo, como in-dica la Figura 10.18. Las subunidades d y e son necesariaspara el ensamblaje del complejo FoF1 y la subunidad � pa-rece rotar a medida que los electrones se mueven a travésdel canal en la estructura Fo. Este mecanismo fascinante sedescribirá mejor en la siguiente sección.

El complejo Fo consta de los polipéptidos a, b y c con 1subunidad a, 2 subunidades b y de 9 a 12 subunidades c encada complejo funcional. Se cree que las subunidades c seorganizan en forma de círculo, generando un canal de pro-tones a través de la membrana. Las subunidades a y b apa-rentemente estabilizan el canal de protones y la subunidadb se une al tallo, anclando la estructura F1/tallo a la basede Fo.

La síntesis de ATP por FoF1 implica la rotación física de lasubunidad gamma

Una vez que se estableció el nexo entre el transporte deelectrones hacia dentro de la membrana y el bombeo de

304 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia

Tabla 10.4 Composición polipeptídica de la FoF1-ATP sintasa de E. coli

Peso Número deEstructura Polipéptido molecular** unidades presentes Función

F1 52.000 3 Sitio de unión ATP/ADP; promueve la actividad de lasubunidad �

� 55.000 3 Sitio catalítico para la hidrólisis y síntesis de ATPTallo � 31.000 1 Rota para transmitir energía de Fo a F1

� 19.000 1 Componente fundamental del tallo; se requiere para elensamblaje de FoF1

15.000 1 Se une a la subunidad �; se requiere para el ensamblaje de FoF1

Fo a 30.000 1 Estabiliza el canal de protones

b 17.000 2 Estabiliza el canal de protones

c 8.000 10*** Forma el canal de protones

*El complejo mitocondrial FoF1 es similar al complejo bacteriano pero con un polipéptido adicional en F1 y siete polipéptidos adicionales en Fo.

**El peso molecular de los tres componentes en E.coli es, aproximadamente, 321000 para F1 (3�3), 65000 para el tallo (�� ) y 144000 para Fo(ab2c10). El pesomolecular total para el complejo ensamblado (33�� ab2c10) es aproximadamente 530000.

*** Estimación del número de subunidades c en el complejo funcional FoF1 de E.coli, en un rango entre 9 y 12, en el que se considera el 10 como número másprobable.

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protones a través de la membrana, la siguiente pieza delpuzle debió de ser desalentadora: ¿Cómo puede el flujoexergónico de protones a través del componente Fo de laATP sintasa permitir la síntesis de ATP —de otro modo en-dergónica— por medio de los sitios catalíticos de las tressubunidades � del complejo F1? En 1979 Paul Boyer sugi-rió una nueva respuesta para esta cuestión, proponiendo elmodelo de cambio por unión mostrado en la Figura10.19. El modelo de Boyer propone que el sitio catalítico decada una de las tres subunidades del complejo F1 puede en-contrarse en tres conformaciones diferentes, con distintasafinidades por los sustratos (ADP y Pi) y el producto(ATP). Boyer las definió como: conformación L (de la pa-labra inglesa loose, que significa relajada), que une débil-mente a ADP y Pi, conformación T (por la palabra inglesatight, que significa tensa), que se une fuertemente a ADP yPi , catalizando así su condensación espontánea a ATP, alcual se une también con alta afinidad. La conformación O(del inglés, open, abierto), 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 está en una conformación diferente yque el anillo hexagonal de las subunidades � y � rota res-pecto al tallo central, gracias al flujo exergónico de proto-nes a través del complejo Fo de la membrana.

Aunque en principio no se aceptó mayoritariamente, elmodelo de Boyer fue esencialmente confirmado en 1994por John Walker y sus colaboradores, que mediante crista-lografía de rayos X desarrollaron el primer modelo atómi-co detallado del complejo F1. Este modelo identificó con-cretamente estructuras en los sitios activos de lassubunidades � que correspondían a las conformaciones O,L y T de Boyer y confirmaron que cada uno de estos tres si-tios activos se encontraba en una confirmación distinta encada momento. Es más, se vio que la subunidad � del talloque conecta los complejos F1 y Fo (véase Figura 10.18) seextendía hacia el centro de la estructura F1 de forma asimé-trica de forma que su interacción y su efecto sobre las su-bunidades � es diferente en cada momento.

Síntesis de ATP: juntando las piezas 305

ATAA P

ADP

Pi+

(c) ATP sintasa funcional(b) Ensamblaje del complejo FoF1(a) Componentes de F1: el tallo y Fo

Tallo

F1

Fo H+

3

3

Figura 10.18 Los componentes F1 y Fo de la FoF1 sintasa bacteriana. El complejo F1 es una proyección esférica de la superficie interna de lamembrana plasmática de una célula procariota o de la membrana mitocondrial interna de una célula eucariota y es el responsable de lageneración de ATP. El complejo Fo está embebido en la membrana y proporciona un canal para el transporte exergónico de protones desde elexterior hacia el interior. (a) En una célula bacteriana la partícula F1 es un complejo de 3 unidades y 3 � que se organizan como unhexágono catalítico. El complejo Fo consta de una subunidad a, 2 subunidades b y entre 9 y 12 subunidades c, estas últimas ensambladascircularmente para formar un canal cilíndrico a través de la membrana. (b) F1 y Fo están unidas a través de un tallo que consta desubunidades �, � y que se extienden hacia los complejos F1 y Fo. (c) El complejo FoF1 ensamblado es capaz de usar la energía del flujo deprotones a través del complejo Fo permitiendo a las subunidades � de la partícula F1 sintetizar el ATP. El mecanismo que acopla el transportede electrones con la síntesis de ATP implica la rotación de la subunidad �, como se representa en la Figura 10.19.

El modelo de cambio por unión en acción. La secuencia deacontecimientos que se muestra en la Figura 10.19 es unmodelo real de cómo el flujo exergónico de protones a tra-vés del complejo Fo permite la síntesis de ATP en los sitioscatalíticos de las tres subunidades � del complejo F1. El flu-jo de protones a través de un canal de la subunidad a de Fo

dirige la rotación del anillo de las subunidades c en la es-tructura Fo, y por tanto, también la rotación de la subuni-dad g del tallo, que se encuentra anclado al anillo de las su-bunidades c. La asimetría de la subunidad � no sólo suponeinteracciones particularmente distintas con las tres subu-

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

La subunidad �1 empieza con la conformación O, en laque los sustratos ADP y Pi pueden entrar libremente al si-tio catalítico (véase Figura 10.19). El sitio catalítico tienepoca afinidad por ellos en esta conformación. A medidaque los protones fluyen a través de la subunidad Fo de lamembrana, el anillo formado por la subunidad c y la subu-nidad g anclada a él, rotan 120° grados (paso 1a). Esto


3b

2a2b

3a 1b

1a

Pi

AD

P

Pi+ADP

ATP

L

O

Pi+ADP

Pi+ADP

T

L

O

ATP

Pi+ADP

P i+

AD

P

LO

T

ATP

Pi+ADP

P i+

AD

P

LO

T

Pi

+A

DP

ATP

P i+

AD

P

L

O

i+

AD

P

ATP

ATP

Pi+ADP

O

T Flujo de protonesa través de Fo;

g rota 120go

a través de Fo;g rota 120g

o

Flujo de protonesa través de Fo;

g rota 120o

Figura 10.19. El modelo de cambio por unión para la síntesis de ATP por las unidades � del complejo FoF1. De acuerdo con este modelo, cada unade las subunidades � del complejo F1 se encuentra una conformación distinta en cada momento y cada una experimenta una secuencia decambios desde la conformación O (abierta) a la conformación T (tensa), pasando por la conformación L (relajada), dirigiendo la rotación de lasubunidad �, cuya asimetría afecta de distinta manera a cada subunidad � en los distintos puntos de rotación. (La subunidad del tallo tambiénrota-así como, probablemente, el anillo de subunidades � del complejo Fo, aunque aquí sólo se representan las subunidades �.) Como se muestraen la subunidad de la parte superior del diagrama (que se identifica arbitrariamente como �1; las tres subunidades son, de hecho, idénticas ensecuencia amino y estructura), el proceso de síntesis de ATP empieza con la subunidad �1 en su conformación O e implica una rotación de120° de la subunidad � (indicada esquemáticamente por el cambio de orientación de la flecha proyectada hacia fuera de la subunidad � delcentro), que a la subunidad �1 a su conformación L y causa, por tanto, la relajación de la unión a ADP y Pi; generación de ATP por una de lasotras subunidades (�3); una segunda rotación de 120° de la subunidad �, que induce un cambio a la conformación T, que hace que lossustratos se unan fuertemente al sitio catalítico, tiene como resultado, en la condensación de estos sustratos para dar lugar a la molécula deATP; una tercera rotación de 120° de la subunidad �, que devuelve a la subunidad �1 a la conformación O y produce una liberación de lanueva molécula de ATP generada; seguida de la generación de ATP por el sitio �2, completando un ciclo de catálisis. Observe que en los demássitios, se ha dado la misma secuencia de acontecimientos, pero se encuentra inactiva temporalmente, ya que se libera sólo 1 molécula de ATPdespués de cada rotación de 120° de la subunidad �, con un total de 3 moléculas de ATP por cada vuelta completa.

3b

3a

2b

2a

1b

1a

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induce un cambio en el sitio �1, que pasa de la conforma-ción O a la L (y produce, asimismo, un cambio en la con-formación de otras dos subunidades �). La conformaciónL tiene una afinidad algo mayor por ADP y Pi, lo que per-mite la unión de estos sustratos al sitio activo.

Después de la producción de una molécula de ATP porla subunidad �2 (paso 1b), la subunidad g rota otros 120°,dirigida de nuevo por el flujo de protones a través del canalFo (paso 2a). Esto induce un cambio en la subunidad �1,que pasa a la conformación T, que incrementa la afinidaddel sitio activo por las moléculas de sustrato. Ahora estánfuertemente unidas al sitio catalítico en una orientaciónque facilita al máximo la interacción. En estas condicioneslas moléculas de ADP y Pi se condensan espontáneamentepara formar ATP (paso 2b). La subunidad g rota ahoraotros 120°, devolviendo a �1 a la conformación O y libe-rando, por tanto, el ATP del sitio catalítico (paso 3a). Trasla producción de ATP por una de las otras subunidades (lasubunidad �2; paso 3b), se completa un ciclo y la subuni-dad �1 está disponible para otra ronda de síntesis de ATP.Observe que esta misma secuencia de reacciones se hadado también en las otras dos subunidades. Así, cada vuel-ta completa de la subunidad � implica tres rotaciones de120° que requieren energía. Esto tiene como resultado lasíntesis de 3 moléculas de ATP, una por cada subunidad �.

¿Síntesis espontánea de ATP? Un análisis detallado de la Fi-gura 10.19 revela que cada uno de los pasos en los que sesintetiza ATP a partir de ADP y Pi (es decir, los pasos 1b, 2by 3b) no requieren energía. Ya sabemos que la síntesis deATP es una reacción altamente endergónica. Entonces, po-dríamos preguntarnos, ¿cómo puede darse la síntesis deATP espontáneamente en el sitio catalítico de la subunidad� en su conformación T? De hecho, lo que sabemos real-mente es que la síntesis de ATP es una reacción altamenteendergónica en una solución acuosa diluida, que es el únicocontexto en que hemos visto la síntesis de ATP hasta ahora.Sin embargo, la reacción en el sitio catalítico de la subunidad� implica intermediarios que se unen a la enzima en un am-biente drásticamente distinto-tan distinto, de hecho, que lareacción en estas condiciones tiene una �G°� cercana a cero(Figura 10.20b) y puede, por tanto, darse espontáneamen-te, sin ningún requerimiento energético inmediato.

Esto no significa que la síntesis de ATP tenga lugar, sinembargo, sin un coste termodinámico; esto significa sim-plemente que se requiere energía en otro punto del ciclo.De hecho, se requiere energía, tanto antes de la formaciónde ATP, como después: se necesita un aporte de energíaprevio para permitir la transición del sitio catalítico de laconformación L a la conformación T, empaquetando es-trechamente ADP y Pi y facilitando su interacción (comoen el paso 2a de la Figura 10.19). La liberación del ATPproducido, unido con alta afinidad al sitio catalítico, re-quiere un aporte energético posterior (como en elpaso 3a).

El modelo quimiosmótico implica un tráfico de protonesdinámico a través de la membrana

En la Figura 10.21 se resume la dinámica del modelo qui-miosmótico. Los complejos I, III y IV del ETS bombeanprotones hacia fuera de la membrana mitocondrial internay el gradiente electromecánico resultante promueve la ge-neración de ATP por medio de los complejos FoF1 asocia-dos a la misma membrana. Hay, en otras palabras, un trá-fico dinámico y continuo de protones a través de lamembrana interna (o la membrana plasmática, en el casode los procariotas). Suponiendo que el número de proto-nes expulsados por cada uno de los complejos respirato-rios, es como se muestra, y que se requieren 3 protonespara la síntesis de 1 molécula de ATP, entonces tiene senti-do que la producción sea de 3 ATP por NADH y 2 ATP porFADH2.

La respiración aerobia: resumen global

Para resumir la respiración 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 energía,se van reduciendo coenzimas. Estas coenzimas reducidasrepresentan una forma de almacenamiento de la energía li-bre liberada por las moléculas de sustrato originales du-rante la oxidación. Esta energía puede utilizarse para lasíntesis de ATP mientras las coenzimas son reoxidadas porel ETS. A medida que los electrones se transportan del

La respiración aerobia: resumen global 307

TG°′ ≅ 0 kcal/mol

Pi+ADP

Pi + H++ADP

+ H2O

T

ATP

+ H2OATP

∆

G°′ = +7,3 kcal/mol∆

(b)

(a) Síntesis de ATP en soluciónacuosa diluida

Síntesis de ATP a partir deADP y Pi unidos a proteína

Figura 10.20 Comparativa energética de la síntesis de ATP. Elrequerimiento energético para la síntesis de ATP es muy distintodependiendo del ambiente. (a) En una solución acuosa diluida, lasíntesis de ATP a partir de ADP y Pi soluble es altamenteendergónica, con una �G°� de �7,3 kcal/mol. (b) En el sitiocatalítico de la subunidad b en su conformación T, sin embargo, elambiente es drásticamente distinto y la reacción tiene una �G°�cercana a 0 (es decir, la Keq es cercana a 1) y por tanto, puede darseespontáneamente sin ningún requerimiento inmediato de energía.

NADH o FADH2 al oxígeno, van pasando a través de varioscomplejos respiratorios, donde el transporte de electronesse acopla al bombeo direccional de protones, a través de lamembrana. El gradiente electroquímico resultante ejerceunA pmf que sirve como fuerza motriz para la síntesis deATP. En la mayoría de las condiciones se puede manteneruna pmf estable a través de la membrana. La transferenciade electrones desde las coenzimas al oxígeno se ajusta cui-dadosa y continuamente, de manera que el bombeo deelectrones hacia fuera equilibra el flujo de entrada de pro-tones necesario para que la síntesis de ATP se dé a la velo-cidad adecuada.

El máximo rendimiento de ATP en la respiración aerobiaes de 36-38 ATPs por molécula de glucosa

Ahora podemos volver a la cuestión de cuál es el máximorendimiento de ATP por molécula de glucosa en condicio-nes aeróbicas. Recordemos de la Reacción 10.3 que la oxi-dación completa de la glucosa a dióxido de carbono por laglucolisis y el ciclo del TCA tiene como resultado la pro-ducción de 4 moléculas de ATP por fosforilación desdesustratos. La mayor parte de la energía libre restante de laoxidación de la glucosa se almacena en las 12 moléculas decoenzima —10 de NADH y 2 de FADH2—. En los proca-


Porinas

ADP Pi+

ADP Pi+

+

Succinato

FumaratoNADH

NAD+

CoQ pool

CoQ pool

Membrana interna

Membrana externa

Espacio intermembrana

MATRIZ

[Deshidrogenasas]

Sustratos oxidables

III

III

III

IV

IV

c

c

F1

F1

Fo

Fo

4 H+

2 H+

2 H+

2 H+

3 H+

2 H+

2 H+

2 H+

2 H+

4 H+

2 H+

3 H+ 3 H+

3 H+

2 H+

2 H+

2 H+

2 H+

H+

ATP

ATP

H2O

H2O

O2

O2

FADH2

Citocromoc

Figura 10.21 Dinámica del gradiente electroquímico de protones. Los complejos respiratorios I, II, III y IV son componentes integrales de lamembrana mitocondrial interna. Los complejos I, III y IV (pero no el complejo II) acoplan el flujo exergónico de electrones (líneas rosas) através del complejo con el bombeo de protones hacia fuera de la membrana (azul). La fuerza motriz resultante del gradiente electroquímicode protones permite la síntesis de ATP por F1 a medida que los protones atraviesan de vuelta la membrana por el complejo Fo, que estátambién anclado a la membrana interna. Observe que la síntesis de ATP consume protones en la matriz mitocondrial, una carencia quecontribuye al gradiente de protones en la membrana, responsable de la síntesis de ATP.

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riotas y en algunas células eucariotas, los electrones de to-das las moléculas de NADH pasan a través de los tres com-plejos responsables de la síntesis de ATP del ETS, dando lu-gar a 3 moléculas de ATP por molécula de coenzima. Loselectrones del FADH2, por otra parte, atraviesan sólo 2 delos complejos, dando lugar a, tan sólo, 2 moléculas de ATPpor molécula de coenzima. El máximo rendimiento teóri-co de ATP obtenido por la reoxidación de las 12 moléculasde coenzima formadas a partir de cada glucosa, se puederepresentar de la siguiente manera:

10NADH � 10H� � 5O2 � 30ADP �30Pi →

10NAD� � 10H2O � 30ATP (10.16)

2FADH2 � O2 � 4ADP �4Pi →

2FAD � 2H2O � 4ATP (10.17)

Sumando estas reacciones, obtenemos la reacción glo-bal del transporte electrónico y de la síntesis de ATP:

10NADH � 10H� � 2FADH2 � 6O2 � 34ADP � 34Pi →

10NAD� � 2FAD � 12H2O � 34ATP (10.18)

La suma de la reacción 10.18 a la reacción global de laglucolisis y el ciclo del TCA (Reacción 10.3) lleva a la si-guiente expresión general para el rendimiento máximo te-órico de ATP, obtenido por la respiración completa de laglucosa y otras hexosas:

(10.19)

Esta reacción general es válida para la mayoría de las cé-lulas procariotas y para algunos tipos de células eucariotas.Dependiendo del tipo celular, sin embargo, el máximo ren-dimiento de ATP para una célula eucariota puede ser de 36en lugar de 38 debido al menor rendimiento de moléculasde NADH generadas en el citosol respecto a la mitocondria(véase la primera de las preguntas, planteadas más abajo).

Antes de abandonar la Reacción 10.19 y el metabolismoaeróbico que esta reacción resume, consideraremos doscuestiones bastante frecuentes que le ayudarán a entenderla respiración aerobia.

1. ¿Por qué el rendimiento máximo de ATP en las células eu-cariotas varía entre 36 y 38 ATPs por cada glucosa? Recuer-de que cuando la glucosa se cataboliza aeróbicamente enuna célula eucariota, la glucolisis genera, en el citosol,2 moléculas de NADH por cada glucosa, mientras que elcatabolismo del piruvato genera otras ocho moléculas deNADH en la matriz mitocondrial. Esta distinción espaciales importante porque la membrana interna de la mitocon-dria no tiene una proteína transportadora para 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-

6CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2

38ADP+38Pi 38ATP

tos sistemas de transporte de electrones que difieren en elnúmero de moléculas de ATP formadas por molécula deNADH oxidada.

Un sistema de transporte de electrones consta de unoo más transportadores de electrones que pueden ser redu-cidos reversiblemente. Estas proteínas 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 moléculatransportadora del citosol y se oxida a NAD+, que se puedeusar de nuevo como aceptor de electrones en la glucolisis oen otros procesos citosólicos. Mientras tanto, la forma re-ducida del transportador entra en la mitocondria, dondees oxidada por una enzima mitocondrial, dando lugar aNADH o FADH2. La diferencia en el rendimiento de ATPentre las células eucariotas estriba en el modo de oxidaciónde la molécula transportadora dentro de la mitocondria,que puede implicar la transferencia de electrones a NAD�

o FAD, dependiendo del tipo celular (2ATP/glucosa menospor transferencia al FAD mitocondrial).

En las células del hígado, el riñón y el corazón, los elec-trones del NADH citosólico se transfieren a la mitocondriapor medio del sistema de transporte malato-aspartato, uncomplejo mecanismo que da lugar a NADH a partir deNAD� en la matriz. Los electrones derivados del NADH ci-tosólico pasan así a través de tres complejos de bombeo deprotones del sistema de transporte y son, por lo tanto, ca-paces de generar tres moléculas de ATP por cada moléculade coenzima.

Por otro lado, en el músculo esquelético, en el cerebro yen otros tejidos, el NADH citosólico 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, denominadolanzadera del glicerol fosfato. En la lanzadera del glicerolfosfato participan las isoformas citosólica 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 citosólicade la enzima transfiere electrones del NADH al DHAP, re-duciéndolo a glicerol-3-P.

El glicerol 3-P pasa luego a la mitocondria, donde se reoxida a DHAP mediante una G3PDH dependiente deFAD localizada en la cara externa de la membrana interna.Dado que esta enzima unida a la membrana utiliza FAD enlugar de NAD� como aceptor de electrones, éstos se trans-fieren directamente a la coenzima Q. En consecuencia loselectrones no pasan por el primer lugar de conservación deenergía del ETS, generándose sólo dos moléculas de ATPen lugar de tres y reduciéndose el rendimiento máximo teórico en una molécula de ATP por NADH citosólico ypor tanto, en dos moléculas de ATP por cada molécula deglucosa (de 38 a 36).

La respiración aerobia: resumen global 309

2. ¿Por qué se considera el rendimiento de ATP en la respira-ción aerobia como «el máximo rendimiento teórico»? Esta ex-presión es una forma de recordar que el rendimiento de36 a 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa sólo esposible asumiendo que la energía del gradiente electro-químico de protones se utiliza únicamente para la síntesisde ATP. Esta suposición puede ser útil para el cálculo deposibles rendimientos, pero no es realista, ya que la pmf

del gradiente de protones no sirve sólo para la síntesis deATP, sino también para otros procesos y reacciones querequieren energía. Por ejemplo, parte de la energía del gra-diente de protones se utiliza para facilitar el transporte devarios metabolitos e iones a través de la membrana y paraimportar proteínas hacia la mitocondria. En la Figu-ra 10.23 se representan algunos de estos procesos de trans-porte.


P

OHCH2

CH2

C

O

Glicerol-3-P

P

OHCH2

CH2

C OHH

O

Glicerol-3-P

P

OHCH2

CH2

C O

O

DHAP

P

OHCH2

CH2

C O

O

DHAP

NADH

G3PDHG3PDH

NAD+ FAD

CITOSOL

MATRIZ

CoQ pool

Espaciointermembrana ADP Pi+

III

IV

F1

Fo

Membrana mitocondrialexterna

Membrana mitocondrialinterna

Glicerol-3-fosfatodeshidrogenasacitosólica

Glicerol-3-fosfatodeshidrogenesamitocondrial

+ H+

OHH

H2O

O2

2 H+

2 H+

2 H+

3 H+

2 H+

2 H+

2 H+

3 H+

Porinas

ATP

13

4

2

c

FADH2

Figura 10.22 La lanzadera del glicerol 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 células del músculo esquelético, cerebro y otros tejidosusan el sistema de transporte del glicerol fosfato. Las líneas rosas indican la ruta de los electrones desde el NADH citosólico hasta el oxígeno.(1) La enzima citosólica 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 través de uncanal de porinas. (3) El glicerol-3-P es oxidado después a DHAP por una FAD-G3PDH de la membrana interna, con la reducciónconcomitante de FAD a FADH2. Dado que la NADH es una coenzima de mayor energía que el FADH2, el transporte de entrada deelectrones, facilitado por la diferencia de potenciales de reducción de las dos coenzimas, es exergónico. El coste de esta entrada de electroneses un menor rendimiento de ATP porque (4) los electrones del FADH2 generado por la G3PDH mitocondrial, no pasan por el complejo I,de manera que se reduce el número de protones bombeados a través de la membrana interna.

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Dependiendo de la concentración relativa de piruvato,ácidos grasos, aminoácidos e intermediarios del ciclo delTCA en el citosol y en la matriz mitocondrial, pueden ne-cesitarse cantidades variables de energía para asegurar quela mitocondria tiene los suministros adecuados de sustra-tos oxidables e intermediarios del ciclo del TCA. Es más, laentrada de iones fosfato necesarios para la síntesis de ATPestá acompañada por la salida concomitante de iones hi-droxilo, que son neutralizados por los protones en el espa-cio intermembrana, generando también un gradiente deprotones.

La respiración aerobia es un proceso muy eficaz

Para determinar la eficacia general de la producción deATP en la respiración aerobia tenemos que preguntarnos

qué proporción de la energía de oxidación de la glucosaqueda en las 36 ó 38 moléculas de ATP generadas porcada molécula de glucosa. El valor de �G °� de la oxida-ción completa de la glucosa a CO2 y H2O es �686kcal/mol. La hidrólisis de ATP tiene un valor de �G °� dealrededor de �7,3 kcal/mol pero el valor real de �G �suele encontrarse en el rango de �10 a �14 kcal/mol.Asumiendo un valor de 10 kcal/mol como hicimos ante-riormente en este capítulo, los 36-38 moles de ATP gene-rados por la respiración aerobia de 1 mol de glucosa enuna célula aeróbica corresponden a aproximadamente360-380 kcal de energía conservada por mol de glucosaoxidada. Esto supone un rendimiento en torno al 52-55%, que es bastante superior a la que podemos obtenerde las máquinas más eficientes que somos capaces de fa-bricar.

La respiración aerobia: Resumen global 311

Membrana mitocondrialexterna

Membrana mitocondrialinterna

MATRIZ

CITOSOL

ESPACIOINTERMEMBRANA

Transportadordedicarboxilato

Transportadorde tricarboxilato

Piruvato

Piruvato

H+

H+

OH−

OH−

H+

Malato

Fumarato

Succinato

Malato

Fumarato

Succinato

Citrato

Isocitrato

Citrato

Isocitrato

ADP

ADP

Pi

Pi

ATP

ATP

H2O

(a) Transportadorde piruvato

(b)

(c)

(d) Transportadorde ATP-ADP

(e) Transportador de fosfato

Figura 10.23 Principales sistemas detransporte de la membranamitocondrial interna. Aquí semuestran las principales proteínas detransporte localizadas en lamembrana mitocondrial interna.(a) El transportador de piruvatocotransporta piruvato y protoneshacia el interior, impulsado por lapmf del gradiente electroquímico deprotones. (b) Dicarboxilato y(c) tricarboxilato transportan ácidosorgánicos a través de la membrana. Elsentido del transporte depende de lasconcentraciones relativas de ácidos diy tricarboxílicos en el interior y en elexterior de la membrana internarespectivamente. (d) El transportadorde ATP-ADP saca ATP 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 la Figura 10.22.)

sintesis de atp-sintasa (complejo v mitocondrial)

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