RESPIRACION CELULAR
Se produce en el orgánulo
llamado mitocondria. La respiración celular, como componente del metabolismo, es un proceso catabólico, en el cual la energía contenida en los substratos usados como combustible es liberada de manera controlada. Durante
la misma, buena parte de la energía libre desprendida en estas reacciones
exotérmicas es incorporada a la molécula
de ATP (o de nucleótidos trifosfato equivalentes), que puede ser a continuación utilizada en los
procesos endotérmicos, como son los de mantenimiento y desarrollo celular (anabolismo]).
Los substratos habitualmente usados en la respiración celular son la glucosa, otros hidratos de carbono, ácidos grasos, incluso aminoácidos, cuerpos cetónicos u otros compuestos orgánicos. En los animales estos combustibles
pueden provenir del alimento, de los que se extraen durante la digestión, o de las reservas corporales. En las plantas su origen puede ser
asimismo las reservas, pero también la glucosa obtenida durante la fotosíntesis.
•Respiración
anaeróbica. El aceptor final de electrones es
una molécula inorgánica distinta del oxígeno, más raramente una molécula
orgánica. Es un tipo de metabolismo poco común exclusivo de ciertos microorganismos. No debe confundirse con la fermentación, proceso también anaeróbico pero en el que no interviene nada parecido
a una cadena transportadora de electrones.
CONCEPTO DE METABOLISMO
El metabolismo puede ser definido como el conjunto de todas las transformaciones químicas que ocurren en las células o el organismo que le permiten mantener la vida. El metabolismo se divide en anabolismo y catabolismo, con lo que se designan a los eventos de síntesis y de degradación respectivamente.
ANABOLISMO
Es la fase del metabolismo encargada de la síntesis de proteínas de moléculas complejas a partir de otras más simples. La síntesis de proteínas a partir de los aminoácidos, la síntesis de los ácidos nucleicos a partir de los nucleótidos y la síntesis de polisacáridos a partir de los monosacáridos son ejemplos de procesos anabólicos.
Las reacciones de carácter anabólico requieren de energía metabólicamente útil, la cual es suministrada por la hidrólisis del ATP (a ADP y Pi). Las reacciones anabólicas casi siempre implican reacciones de reducción en las cuales el poder reductor es aportado por el NADPH. Las reacciones anabólicas son endergónicas por lo que se explica su acoplamiento a procesos exergónicos.
CATABOLISMO
Las reacciones catabólicas son las encargadas de la degradación de las moléculas más simples. Mediante este tipo de moléculas se puede almacenar y captar una parte de la energía química en forma de ATP, el resto se disipa en forma de calor. La obtención de energía por la degradación de las moléculas complejas ocurre en tres etapas:
I.-Hidrólisis de las moléculas complejas a sus componentes básicos. Esto quiere decir que las proteínas se degradan a sus aminoácidos constituyentes, los polisacáridos a monosacáridos y los triacilglicéridos a glicerol y ácidos grasos.
II.-Formación del Acetil CoA a partir de los aminoácidos, los monosacáridos y de los ácidos grasos.
III.-Oxidación de la Acetil CoA a CO2, H2O y ATP.
ORGANIZACIÓN GENERAL DEL METABOLISMO
El metabolismo puede ser dividido para su estudio en diferentes vías, las anabólicas y las catabólicas, pero muy curiosamente existen vínculos entre las diferentes vías a través de metabolitos intermediarios. Estos metabolitos son comunes a más de una vía, sirven de enlace y al mismo tiempo de encrucijada metabólica, pues dependiendo de las condiciones celulares estos metabolitos de encrucijada seguirán una u otra vía.
Esto es una idea de que el metabolismo tiene algunas características generales importantes para que ocurra de forma coordinada y no anárquica.
Otro aspecto importante es que las diferentes vías metabólicas están localizadas en diferentes compartimentos de la célula ,y esto hace que algunos metabolitos tengan que salir de un compartimiento para entrar en otro a través de las membranas que delimitan cada uno de los organitos citoplasmáticos de la célula; unos metabolitos podrán pasar las membranas a través de la bicapa lipídica simplemente pero otros requerirán del concurso de proteínas específicas para que los transporten de un lado a otro. A esto podemos sumar que el metabolismo es muy eficiente debido a la regulación a la que está sometido. El principio de la máxima economía es inherente al mismo.
Principios generales del metabolismo
Existen vías independientes para la síntesis y la degradación de cualquier compuesto; aunque pueden compartir algunas reacciones, existe enzimas diferentes para controlar uno u otro proceso. Todas las transformaciones se efectúan mediante cambios graduales, que van posibilitando los cambios que deberán sufrir los sustratos de estas vías. Existe un control extraordinariamente coordinado que puede ser mediante enzimas reguladoras que ejerzan su control por mecanismos de regulación puede estar vinculado a la cantidad de enzima que catalice una reacción determinada, unas veces incrementándose su cantidad y otras disminuyendo.
El hecho de que la organización subcelular, está determinada por la existencia de membranas y estas formen organitos citoplasmáticos, crea espacios de acceso limitado a los metabolitos de las vías metabólicas cuya disponibilidad en determinado lugar de la célula requiere un tiempo para poder alcanzar ese sitio y por tanto su incorporación es quizás una de las más importantes formas de regular las vías metabólicas.
Vínculos entre el anabolismo y el catabolismo
Los vínculos entre el anabolismo y el catabolismo están centrados en aspectos tan simples como:
*Energético: el catabolismo genera la energía metabólicamente útil (ATP) que el metabolismo requiere.
*Cofactores reducidos: mientras el catabolismo genera potencial de reducción (NADPH) el anabolismo lo requiere para dar a la formación de nuevos compuestos.
*Productos/sustratos: el catabolismo genera a partir de moléculas complejas otras más simples o sencillas en composición molecular, mientras que el anabolismo a partir de compuestos sencillos y simples construye moléculas complejas.
Vías metabólicas
El metabolismo está organizado en vías metabólicas abiertas (las más abundantes) y cerradas (las menos abundantes). El principio de la organización de una vía metabólica radica en que existe una dependencia entre las enzimas que actúan de forma consecutiva. Obsérvese el siguiente ejemplo:
E1 E2 E3 E4 E5 E6
A--- B --- C --- D --- F --- G --- H
En la secuencia de reacciones anteriores, la E1 tiene como producto la sustancia B, que al mismo tiempo es el sustrato de la E2, igual ocurre con la E2, su producto es el sustrato de la E3. Esta forma de organización establece las diferentes vías metabólicas que existen en el organismo. Si H es diferente de A, se dice que se está frente a una secuencia reaccional abierta y por tanto se le llama vía, pero si H es igual a A, se está en presencia de una vía cerrada que se denomina ciclo. En el transcurso del estudio de la respiración celular se podrá analizar un ejemplo de vía metabólica cerrada: el Ciclo de Krebs.
La casi totalidad de las vías metabólicas cuentan con enzimas reguladoras al inicio o final de la misma, lo que les concede una elevada eficiencia y la mayor economía al organismo. Controlando la intensidad de una reacción es suficiente para modificar la vía completa por el carácter secuencial de la vía metabólica de la que forma parte esta reacción catalizada por una enzima reguladora.
Las vías centrales del metabolismo
A pesar de la gran cantidad de vías metabólicas que hoy se conocen, dos de ellas realmente se alzan con la categoría de vías centrales: la vía glucolítica y el Ciclo de Krebs. Por el momento se dedicará el estudio al Ciclo de Krebs como parte del proceso respiratorio y se tendrá la oportunidad de analizar y ejemplificar muchos de los aspectos ya tratados hasta aquí.
PROCESOS METABÓLICOS RELACIONADOS CON LA MITOCÓNDRIA.
LOCALIZACIÓN DE LOS PROCESOS RESPIRATORIOS
Estructura de la mitocondria
Las mitocondrias son organelos membranosos, visibles al microscopio óptico con el auxilio de técnicas histológicas como es la hematoxilina férrica y otras técnicas histoquímicas para detectar enzimas que este orgánulo presenta. Se localizan en aquellos sitios donde se requiere el aporte de energía, como es por ejemplo asociadas junto a las invaginaciones basales de células cilíndricas, así como en las superficies baso laterales, próximas a los sitios donde se localizan las bombas sodio/ potasio, las cuales necesitan gran aporte energético. Son muy abundantes en células metabólicamente activas como son: las células musculares estriadas esqueléticas y cardíacas, los hepatocitos, las células absortivas asociadas a las superficies basales y baso laterales, como es por ejemplo el caso de las células epiteliales cilíndricas absortivas de los intestinos delgado y grueso.
En la mitocondria se distinguen diferentes componentes; los mismos compartimentos y membranas de la mitocondria crean una subdivisión funcional de la misma.
IMAGEN DE LA MITOCONDRIA
Membrana mitocondrial interna: La MIM es una estructura especializada que es impermeable a la mayoría de los iones pequeños, incluidos el H+, el Na+ u el K+, moléculas pequeñas como el ATP, el ADP, el piruvato y otros metabolitos importantes a la función mitocondrial. Los transportadores especializados o sistemas transportadores se requieren para mover los iones o moléculas a través de esta membrana. La membrana interna mitocondrial presenta proyecciones llamadas crestas mitocondriales, que incrementan el área superficial de la membrana. Estas crestas pueden ser aplanadas o tubulares. En las crestas de la Membrana Interna mitocondrial se localizan las enzimas y complejos respiratorios, entiéndase las enzimas de la cadena de transporte de electrones y de la fosforilación oxidativa que veremos más adelante.
Matriz de la mitocondria: La solución tipo gel que se encuentra en el interior de la mitocondria está constituida por un 50% de proteínas. Estas moléculas incluyen las enzimas responsables de la oxidación del piruvato, de aminoácidos, de ácidos grasos (beta oxidación), y los metabolitos intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. Parte de las reacciones de la síntesis de urea y del grupo hemo ocurren en la matriz de la mitocondria. Además, la matriz contiene NAD+ y FAD (las formas oxidadas de las dos coenzimas que son requeridas como aceptores de hidrógeno) y de ADP y Pi que son utilizados para formar el ATP. NOTA: la matriz también contiene ARN mitocondrial y ADN (ARNmt y ADNmt) y ribosomas mitocondriales.
Membrana mitocondrial externa: La membrana externa mitocondrial es lisa y rica en un grupo de poros especiales que la hacen libremente permeable a la mayoría de los iones y moléculas de pequeño tamaño.
El metabolismo mitocondrial como parte del metabolismo general de la célula.
La respiración celular
Cuando se habla de respiración, se piensa de inmediato en el intercambio de gases que ocurre a nivel de los pulmones: le entrada de oxígeno y la salida de dióxido de carbono .Prácticamente las mitocondria consumen casi todo el oxígeno que respiramos, en una de las etapas de la respiración celular que se denomina cadena de transporte de electrones.
Concepto: se entiende por respiración celular al proceso mitocondrial de la oxidación del grupo acetilo de la Acetil CoA a dióxido de carbono, agua y ATP.
Importancia: la respiración celular permite obtener la casi totalidad de la energía metabólicamente útil que requiere el organismo para mantener sus funciones vitales: el ATP. Sin energía no puede existir la vida.
Procesos que integran la respiración celular: La respiración celular es la parte del metabolismo celular integrado por tres procesos metabólicos mitocondriales: el Ciclo de Krebs, le Cadena de Transporte de Electrones y la Fosforilación Oxidativa. Mediante este proceso de la respiración celular se oxida el Acetil CoA obtenido de cualquiera de los tres grupos fundamentales de nutrientes: lípidos, carbohidratos y proteínas.
Cada uno de los productos finales de la respiración celular revela el origen del mismo:
- CO2 se forma en el Ciclo de Krebs,
- H2O se forma en la Cadena de Transporte de Electrones.
- ATP se forma en la Fosforilación Oxidativa.
FUNCIÓN ESPECÍFICA DE LOS PROCESOS DE LOS PROCESOS QUE INTEGRAN LA RESPIRACIÓN CELULAR
El ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs está formado por ocho reacciones que integran una vía metabólica cerrada en la que participan 8 enzimas, de las cuales 7 se encuentran en la matriz mitocondrial y una es común a este proceso y a la cadena de transporte de electrones ubicada en la membrana interna de la mitocondria. La actividad metabólica del ciclo puede ser vista en sus dos vertientes: la anabólica y la catabólica. Por tal motivo, se dice que el ciclo tiene carácter anfibólico.
El carácter catabólico del ciclo será analizado en relación con la respiración celular. El carácter anabólico lo ejemplifica la participación de algunos de sus intermediarios en la síntesis de sustancias, como los grupos HEMO necesarios en la formación de hemoproteínas como la Hemoglobina y los citocromos, que se estudiarán en la cadena de transporte de electrones. Otro intermediario del ciclo es la fuente de acetil CoA citoplasmática utilizada en la síntesis de ácidos grasos y colesterol, lo que puede explicar como los excesos de ingestión de carbohidratos pueden llevar a las personas a la obesidad por incremento del depósito de estos ácidos grasos en forma de triacilglicéridos en el tejido adiposo, y al incremento de la síntesis de colesterol que tan estrecha relación tiene con la ateroesclerosis. Otros metabolitos intermediarios son precursores de aminoácidos que participan en la síntesis de proteínas o donan sus grupos aminos a la síntesis de bases nitrogenadas presentes en los nucleótidos. Durante el ayuno prolongado, voluntario o involuntario las proteínas de los tejidos son degradados a sus aminoácidos constituyentes y las cadenas carbonadas de los mismos o productos de sus catabolismo confluyen en los intermediarios del ciclo, pero donde solo uno de ellos sale de la mitocondria para sintetizar glucosa por medio de la glucogénesis.
Más adelante, se señalarán los nombres exactos de cada uno de los metabolitos que pueden asumir los aspectos de carácter anabólico del ciclo de Krebs. Se comenzará ahora el análisis de su vertiente catabólica, estudiando las reacciones del ciclo y destacando la enzima que participa en cada reacción.
Reacciones del ciclo de KREBS: La oxidación del acetil CoA en el ciclo de Krebs obliga a destacar cuáles pueden ser los orígenes del acetil-CoA. En condiciones normales de salud y nutrición, la fuente principal del mismo es la descarboxilación del ácido pirúvico (piruvato) en la mitocondria. La fuente fundamental de piruvato es el catabolismo de la glucosa en la vía glucolítica. La beta oxidación de los ácidos grasos es una fuente de acetil CoA, muy utilizada en el tejido muscular en reposo. La degradación de los cuerpos cetónicos en los tejidos extrahepáticos también produce acetil CoA.
1.- La citrato sintasa. Esta enzima cataliza una reacción de condensación del carbono del grupo metilo del acetil-CoA con el carbono cetónico (C-2) del oxaloacetato (OAA) formando el citrato. La variación de energía libre es de -8.0 kcal/mol.
Si se forma citrato en exceso se desvía para transformar acetil- CoA desde la mitocondria al citoplasma y utilizarse en la biosíntesis de ácidos grasos y de colesterol.
2. Aconitasa
La isomerización del citrato a Isocitrato por la aconitasa es estereoespecífica; ocurre un desplazamiento del grupo -OH del carbono central del citrato generando el Isocitrato. Esta reacción se produce en dos etapas: primero una deshidratación con formación de un intermediario que da el nombre a la enzima y una segunda etapa donde ocurre una incorporación de los elementos del agua a ese intermediario y se forma el Isocitrato.
La aconitasa es una de varias enzimas de la mitocondria que contiene hierro no hemínico. Esta proteína contiene hierro inorgánico y azufre, conocido como los centros de hierro- azufre.
3. Isocitrato dehidrogenasa. El Isocitrato es descarboxilado oxidativamente a alfa- cetoglutarato por la Isocitrato dehidrogenasa, (ICDH). Hay dos enzimas de ICDH diferentes. La ICDH del ciclo de Krebs que utiliza NAD+ como cofactor, mientras la otra utiliza NADP+, ambas presentes en la matriz mitocondrial pero la segunda se encuentra además en el citoplasma. ICDH cataliza el paso limitante del ciclo así como la primera reacción productora de NADH. Además se produce una molécula de CO2.
El ciclo se regula a nivel de la ICDH por los poderosos efectores alostéricos negativos NADH y ATP y por los efectores positivos isocitrato, ADP y AMP.
La carga energética celular es un factor importante que regula el flujo de carbonos a través del ciclo de Krebs.
4. El complejo de la alfa- cetoglutarato dehidrogenasa. El alfa- cetoglutarato es descarbixilado oxidativamente a succinil -CoA por la á- cetoglutarato deshidrogenasa. Esta reacción genera el segundo C02 y el segundo NADH.
Este complejo multienzimático es muy similar al del piruvato deshidrogenasa.
Requiere de 5 cofactores: el pirofosfato de tiamina (PPT9, el ácido lipoico, FAD, NAD+ y la coenzima A en su mecanismo de acción .La á-cetoglutarato deshidrogenasa no está sujeta a modificación covalente, pero si a la regulación alostérica que es bastante compleja, con la actividad regulada por el Ca2+ como efector alostérico positivo y como efectores negativos: ATP, GTP, NADH y succinil CoA. Se puede decir que el control de la enzima recae en la carga energética, la proporción de NAD+/NADH, y los niveles de sustratos y productos.
5. La succinil CoA sintetasa (succinil tioquinasa). La conversión de succinil CoA a succinato por la succinil tioquinasa involucra el uso de la hidrólisis del tioester de alta- energía de succinil- CoA para dirigir la síntesis de un nucleótido, en un proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato.
La condensación acoplada a esta reacción de GDP y Pi produce GTP. Este GTP es utilizado en una transfosforilación por otra enzima que lo transfiere a un ADP y forma un ATP.
6. La succinato deshidrogenasa (SDH). La deshidrogenasa del succinato cataliza la oxidación del succinato a fumarato con la reducción del grupo prostético de la enzima. Aquí el FAD se transforma en FADH2.
7. La fumarasa (la hidratasa del fumarato). La reacción catalizada es específica para la forma trans del fumarato que se convierte en L- malato. Esta reacción es reversible.
8. Malato deshidrogenasa (MDH). El L- malato es el substrato específico para la MDH que forma el oxalacetato, en la última reacción del ciclo de Krebs. En esta reacción se forma el tercer NADH. La variación de energía libre es de aproximadamente +7 kcal/mol, indicando la naturaleza muy desfavorable de la reacción en el sentido de la producción de oxalacetato.
La reacción de la citrato sintasa que condensa el oxaloacetato a la acetil CoA y tiene una energía libre normal de aproximadamente -8 kcal/mol, es la responsable para impulsar la reacción da la MDH en la dirección del oxalacetato.
El cambio global de energía libre normal es aproximadamente -1 kcal/mol para la conversión de malato a oxaloacetato. En esta reacción el producto de esta enzima genera el sustrato de la primera, dándole el carácter cíclico a esta vía metabólica.
La estequiometría global del ciclo de Krebs es:
Acetil -CoA +3NAD*+ FAD +GDP + Pi + 2H2O --- 2CO2 +3NADH+ FADH2 +GTP + 2H* + HSCoA
El aspecto anabólico del ciclo de Krebs: El succinil-CoA y el alfacetoglutarato son también metabolitos importantes fuera del Ciclo de Krebs.
En particular el alfa- cetoglutarato representa un metabolito que une la entrada y salida de átomos de carbono del ciclo y lo vincula al metabolismo de los aminoácidos. El alfa- cetoglutarato también es importante para la lanzadera del malato- aspartato. El succinil- CoA, junto con la glicina, contribuye con todo el carbono y los átomos de nitrógeno requeridos para la biosíntesis del grupo hemo.
También es de importancia en el metabolismo de los cuerpos cetónicos en los tejidos extrahepáticos. La salida de malato hacia el citoplasma permite la formación de glucosa. El citrato es la fuente de acetil CoA citoplasmático que participa en la síntesis de ácidos grasos y colesterol.
La anaplerosis: La salida de estos metabolitos para cumplir funciones de carácter anabólico pudiera disminuir la actividad del ciclo si no existieran las reacciones de relleno (anapleróticas) en la que juega un papel relevante la piruvato carboxilasa, enzima que cataliza la carboxilación del ácido pirúvico:
Piruvato + CO2 + ATP -------- oxalacetato +ADP +Pi
Regulación. La regulación del ciclo de Krebs se puede resumir en la regulación que se ejerce a nivel de tres de las enzimas que integran el mismo: la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y el complejo de la á- cetoglutarato deshidrogenasa.
El consumo de energía como resultado de las reacciones boisintéticas, los transportes activos, el mantenimiento del tono muscular, entre otros, provocan la hidrólisis del ATP a ADP y Pi. El incremento de la concentración de ADP acelera las reacciones que llevan a la producción del ATP por el mecanismo de fosforilación oxidativa. Bajos niveles de ADP y Pi limitan la capacidad de formación del ATP por fosforilación oxidativa ya que estos son los sustratos de la ATP sintasa. La relación {ATP} / {ADP + Pi} se conoce como a carga energética de la célula y se relaciona consecuentemente con el control respiratorio de la producción de energía.
Significado particular del ciclo de Krebs dentro del proceso respiratorio: El ciclo de Krebs suministra los electrones y protones que alimentan la cadena de transporte de electrones; los electrones finalmente son aceptados por el oxígeno, lo que produce a la formación de agua y el gradiente de protones.
La cadena respiratoria
El transporte de electrones. Las moléculas ricas en energía, tales como la glucosa, son metabolizadas por medio de una serie de reacciones de oxidación que rinden finalmente CO2 y agua. Los intermediarios metabólicos de estas reacciones donan electrones a coenzimas específicas: NAD+ y al FAD, para formar coenzimas reducidas ricas en energía química, el NADH y el FADH2. Estas coenzimas reducidas pueden, de hecho, donar un par de electrones a un grupo especializado de transportadores de electrones, que colectivamente se denomina como la cadena de transporte de electrones, descrita en esta sección. En la medida en que los electrones pasan a través de los diferentes transportadores de electrones, ellos pierden mucha de la energía libre que poseen. Tres de los complejos que forman parte de esta cadena de transporte de electrones actúan como bombas de protones posibilitando que parte de esta energía pueda ser capturada y almacenada por medio de la producción de ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico Pi). Este último proceso es conocido como la fosforilación oxidativa y se describirá más adelante en esta propia sección. El resto de la energía libre no atrapa para la formación de ATP se libera en forma de calor.
La cadena da transporte de electrones está presente en la membrana interna de la mitocondria y es la vía final común por la cual los electrones derivados de los diferentes combustibles del cuerpo fluyen hacia el oxígeno. El transporte de electrones y la síntesis de ATP por la fosforilación oxidativa ocurren continuamente en todos los tejidos que contienen mitocondrias.
Organización de la cadena de transporte de electrones: A partir de la membrana interna mitocondrial pueden ser obtenidos por técnicas bioquímicas 5 complejos enzimáticos, llamados complejos I, II, III, IV y V. Los complejos del I al IV integran la llamada cadena de transporte de electrones, mientras que el complejo V que cataliza la síntesis del ATP efectúa la fosforilación oxidativa.
Cuando se habla de cadena respiratoria se considera incluidos los 5 complejos. Los cuatro primeros complejos (I, II, III y IV) aceptan o donan electrones a transportadores específicos y a metales especialmente configurados. Existen transportadores de electrones relativamente móviles, tal como la coenzima Q y el citocromo c, que actúan como conectores entre los complejos. Cada transportador en la cadena de transporte de electrones puede recibir electrones de un donante de electrones y puede subsecuentemente donar los electrones al próximo transportador de electrones de la cadena. Estos electrones finalmente se combinan con el oxígeno y dos protones para formar agua. Este requerimiento de oxígeno hace el proceso de transporte de electrones la llamada cadena respiratoria, la cual es responsable de la mayor utilización del oxígeno por el cuerpo.
IMAGEN DE LA CADENA RESPIRATORIA
Reacciones de la cadena de transporte de electrones: Con la excepción de la coenzima Q, todos los miembros de la cadena son proteínas. Estas proteínas pueden funcionar como enzimas, como es el caso de las deshidrogenasas, otras pueden contener hierro como parte de un centro hierro- azufre, otras pueden estar coordinadas con una porfirina como son los citocromos, o pueden contener cobre como el complejo de los citocromos a + a3.
1. 1. Formación de NADH: el NAD+ es reducido a NADH por deshidro- genasas que sustraen dos átomos de hidrógenos de sus sustratos. Por ejemplo: las deshidrogenasas del ciclo de Krebs pueden ilustrar este mecanismo. Los dos electrones y un protón son transferidos al NAD+ (realmente es un ion hidruro: H -) formándose NADH más un protón libre, H+.
SH2 + NAD+ ---------- S + NADH - H-
2. NADH deshidrogenasa: el protón libre más el ión hidruro transportado por el NADH son transferidos al complejo I (NADH deshidrogenasa) de la cadena de transporte de electrones, que esta incluido dentro de la membrana interna de la mitocondria. Este complejo tiene firmemente unido una molécula de flavín mononucleótido (FMN), una coenzima ya estudiada en cofactores enzimáticos y estructuralmente relacionada con el FAD. El FMN acepta los dos átomos de hidrógeno y los dos electrones donados por el NADH H+. De esta forma se reduce a FMNH2. L a NADH deshidrogenasa también contiene varios átomos de hierro apareados con átomos de azufre formando los llamados centros hierro- azufre. Estos últimos son necesarios para la transferencia de los átomos de hidrógeno al siguiente transportador de la cadena de transporte de electrones: la ubiquinona o coenzima Q.
3. 3. Coenzima Q: la coenzima Q es un derivado de quinona con una larga cola de isoprenoide. Es también llamada Ubiquinona debido a su presencia ubicuota en los sistemas biológicos. La coenzima Q acepta los hidrógenos y los electrones del FMNH2 de la NADH deshidrogenasa como del FADH2 producido por la succinato deshidrogenasa (Complejo II) y las acetil CoA deshidrogenasas.
4. 4. Los citocromos: los restantes miembros de la cadena de transporte de electrones son los citocromos. Cada uno de ellos contiene un grupo hemo derivado de un anillo de porfirina con un átomo de hierro que puede cambiar su estado de oxidación. A diferencia de los grupos hemo de la hemoglobina, el átomo de hierro de los citocromos es reversiblemente convertido de estado férrico (Fe3+) a ferroso (Fe2+) como parte normal de su función como transportador reversible de electrones.
Los electrones son transportados de forma ordenada de un complejo a otro, pasando a lo largo de la cadena desde la CoQ hacia los citocromos b y c (complejo III) y de este hacia el complejo IV (citocromos a + a3).
5. Los citocromos a + a3: estos citocromos son los últimos transportadores de electrones en los cuales el hierro del grupo hemo tiene un ligando libre que puede reaccionar directamente con el oxígeno molecular. En este sitio, los electrones transportados, el oxígeno molecular y los protones libres son unidos formándose agua.
Los citocromos a + a3 (complejo IV) son conocidos como la citocromo oxidasa. Este complejo presenta unido átomos de cobre que son requeridos en la compleja reacción de formación de agua.
Inhibidores de la cadena de transporte de electrones: Diversos inhibidores han sido utilizados para estudiar el mecanismo íntimo de la cadena de transporte de electrones y los procesos acoplados a la misma. Ellos tienen sus sitios específicos de acción. Todos estos compuestos impiden el paso de los electrones a lo largo de la cadena por unión a transportadores específicos y de esta forma bloquean la reacción de oxido- reducción. Todos los transportadores antes del sitio de bloqueo se encontrarán de forma reducida mientras que los localizados después del sitio de inhibición se encontrarán oxidados. Como el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están firmemente acoplados, los inhibidores sitio específicos de la cadena de transporte de electrones también inhiben la síntesis de ATP como efecto secundario como se estudiara más adelante.
La hipoxia perinatal que puede ocurrir durante el paso del feto de forma retardada por el canal de parto, disminuye el aporte de oxígeno al cerebro y por ende la producción de ATP. Estos problemas durante el trabajo de aparto pueden conllevar trastornos irreversibles en el sistema nervioso central (SNC).
| Inhibidores de la cadena de transorte de electrones. |
Inhibidor
|
Sitio de acción
|
Amital
| Complejo I: bloquean el paso de electrones del citocromo b al citocromo c |
Rotenona
|
Actinomicina A
| Complejo III: bloquea el paso de electrones del citocromo b al citocromo c. |
Cianuro
| Complejo I: bloquean el paso de electrones de la citocromo oxidasa al oxígeno molecular. |
Monóxido de Carbono
|
Azida sódica.
|
Liberación de energía libre durante el transporte de electrones: La energía libre es liberada en la medida que los electrones van pasando a lo largo de la cadena de transporte de electrones, desde un donante a un aceptor. Los electrones pueden ser transferidos en diferentes formas, como por ejemplo, como hidruros (:H-) al NAD +; como átomos de hidrógeno (H-) al FMN o como electrones (e-) directamente a los citocromos.
La fosforilaciôn oxidativa
La transferencia de electrones en la cadena de transporte de electrones es energéticamente favorecida debido a que el NADH es un donante de electrones fuerte y el oxígeno molecular es un aceptor ávido de electrones. Sin embargo, el flujo de los electrones desde el NADH hacia el oxígeno no resulta directamente en la síntesis de ATP. El funcionamiento de las b0mbas de protones en los complejos I, II y IV es fundamental para la generación del gradiente de protones que permitirá aprovechar la energía del mismo para la síntesis del ATP.
TEORÌA QUIMIOSMÒTICA
La teoría quimiosmôtica (también conocida como teoría de Mitchell) explica como la energía libre generada por el transporte de electrones es empleada para producir ATP a partir de ADP y Pi:
1. Las bombas protónicas: el transporte de electrones está acoplado a fosforilaciôn del ADP por medio del transporte de protones (H+) a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. Este proceso crea un gradiente eléctrico a través de la membrana interna mitocondrial (más cargas positivas sobre la superficie externa de la MIM que en la superficie interna ) y un gradiente de pH (la parte externa de la MIM presentará menor pH que la matriz). La energía generada por este gradiente de protones es suficiente para dirigir la síntesis de ATP. Así, el gradiente de protones sirve como un intermediario común que acopla la oxidación con la fosforilaciôn. Sólo bombean protones los complejos I, II y IV. La generación del gradiente de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso va disminuyendo paulatinamente el pH del espacio intermembranoso, esa disminución tiene un pH limite que al alcanzarse provoca la transformación de la ATPasa (complejo V) que se refleja en la apertura de un canal en al fracción Fo que permite el paso de protones desde el espacio intermembranoso hacia la matriz. Corresponde a la fracción F1 de la enzima la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi .
2. La ATP sintasa: el complejo enzimático de la ATP sintasa 8complejo V) sintetiza ATP empleando la energía del gradiente de protones generado por la cadena de transporte de electrones. La teoría quimiosmôtica propone que después que, los protones han sido transferidos hacia el espacio intermembranoso ellos regresan a la matriz mitocondrial pasando a través de un canal en el complejo de la ATP sintasa, resultando en la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, y al mismo tiempo disipando los gradientes de pH y eléctricos que se habían formado por el bombeo de protones hacia dicho espacio.
La ATP sintasa, fijada en las crestas da la membrana interna de la mitocondria, consta de dos porciones importantes:
*La subunidad catalítica F1, un oligòmero de 5 cadenas polipeptìdicas, a3b3 se.
*El complejo Fo formado por proteínas integrales de la membrana que median el transporte de protones.
3. La oligomicina: esta droga se une al tallo de la ATP sintasa cerrando el canal de protones e impidiendo le reentrada de protones en la matriz mitocondrial. Debido a que los gradientes de pH y eléctricos no pueden disiparse en presencia de seta droga, el transporte de electrones se detiene ya que no se pueden bombear más protones contra el gradiente. El transporte de electrones y la fosforilaciôn oxidativa son dos procesos fuertemente acoplados, y al inhibirse la fosforilaciôn se inhibe la oxidación.
4. Proteínas desacopladot(r)as: las UCP existen en las membranas internas mitocondriales de los mamíferos, incluidos los humanos. Estas proteínas crean un salidero o fuga de protones, esto es, ellas dejan que los protones reingresen a la matriz mitocondrial sin que la energía pueda ser utilizada para la síntesis del ATP. La energía es liberada en forma de calor. UCPI, también llamada termogenina es la responsable de la activación de la oxidación de los ácidos grasos y la producción de calor en los adipositos de color pardo de los mamíferos. La grasa parda, a diferencia de la más abundante grasa de color blanco, gasta más del 90% de su energía respiratoria en la termogénesis en respuesta al frío, en el nacimiento y durante el celo en animales que realizan hibernación. Sin embargo, los humanos tienen poca grasa parda (excepto los recién nacidos, que presentan en la región de la nuca abundante cantidad, y cuya función se relaciona con el mantenimiento de la temperatura de la cabeza). La UCPI no parece jugar un papel importante en el balance de energía. Existen otras proteínas desacopladot(r)as (UCP2 y 3) cuyo significado ha sido controversial.
5. Desacopladores sintéticos: el transporte de electrones y la fosforilaciôn oxidativa pueden ser desacoplados por compuestos que incrementan la permeabilidad de la MIM a los protones. El ejemplo clásico de estas sustancias es el 2,4 – dinitrofenol, un transportador de protones lipofìlico que difunde rápidamente a través de la membrana mitocondrial. Estos desacopladores causan un incremento de la velocidad del transporte de electrones sin poder establecer un gradiente de protones. La energía producida por el transporte de electrones es liberad en forma de calor y no es utilizada para la síntesis de ATP. Altas dosis de aspirina (así como otros salicilatos) desacoplan la fosforilaciôn oxidativa. Esto explica la fiebre que acompaña las sobredosis tóxicas de setas sustancias.
Con la utilización de las sustancias que afectan el normal funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y de la fosforilaciôn oxidativa se pone de relieve la unidad funcional de estos procesos. Si disminuye cualquiera de ellos, disminuyen todos, y por ende las oxidaciones biológicas.
BALANCE ENERGÈTICO
La oxidación de un mol de acetil CoA produce a nivel del Ciclo de Krebs.
1. La oxidación de 3 moles de NADH (alimenta el complejo I).
2. La oxidación de 1 mol de succinato (alimenta el complejo II).
3. Una fosforilaciôn a nivel de sustrato.
Si se considera que la alimentación de la cadena respiratoria a través del complejo I rinde 3 ATP, se obtendrán 9 ATP; la alimentación de la cadena respiratoria a través del complejo II rinde 2 ATP; una fosforilación a nivel del sustrato rinde un GTPm, que posteriormente genera un ATP; esto hace un total de 12 ATP por cada molécula de acetil CoA que se oxide a CO.HO.
