BIOENERGÉTICA

La bioenergética, o termodinámica bioquímica, es el estudio de los cambios de energía que acompañan a reacciones bioquímicas. Entre las más importantes leyes de la física aplicadas a la biología se encuentran las leyes de la termodinámica, ya que todos los organismos requieren un flujo de energía que constituye la esencia de la vida, y así la energía que ingresa en los organismos, ya sea energía lumínica o química, es transformada y almacenada en los enlaces químicos de las moléculas. Los procesos de conversión energética en los seres vivos son altamente especializados y muy eficientes, y tienen lugar mediante las reacciones de oxidación-reducción.

Esta energía que fluye en una sola dirección va perdiéndose progresivamente en forma de calor, según el segundo principio de la termodinámica. Pero antes de que la energía capturada inicialmente del Sol se disipe totalmente, los organismos la utilizan para crear y mantener la compleja organización de estructuras y actividades que conocemos como vida.

Los intercambios de energía en los seres vivos ocurren a través de multitud de reacciones químicas diferentes y la suma de todas esas reacciones es lo que se conoce como metabolismo. Los organismos son también capaces de controlar la velocidad de las reacciones químicas, en todos los procesos bioquímicos, gracias a la presencia de unas proteínas catalíticas denominadas enzimas.

1.-ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)

La adenosina trifosfato (abreviado ATP, y también llamada adenosín-5'-trifosfato o trifosfato de adenosina) es una molécula utilizada por todos los organismos vivos para proporcionar energía en las reacciones químicas. También es el precursor de una serie de coenzimas esenciales como el NAD+ o la coenzima A. El ATP es uno de los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular. Además, es una coenzima de transferencia de grupos fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimas quinasas (co-sustrato).

Fórmula estructural del ATP

El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann. En 1941, Fritz Albert Lipmann propuso el ATP como principal molécula de transferencia de energía en la célula.

Propiedades y estructura

El ATP es un nucleótido trifosfato que se compone de adenosina (adenina y ribosa, como β-D-ribofuranosa) y tres grupos fosfato. Su fórmula molecular es C10H16N5O13P3. La estructura de la molécula consiste en una base purina (adenina) enlazada al átomo de carbono 1' de un azúcar pentosa. Los tres grupos fosfato se enlazan al átomo de carbono 5' de la pentosa. Los grupos fosforilo, comenzando con el grupo más cercano a la ribosa, se conocen como fosfatos alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza rápidamente a pH extremo. Por consiguiente, se almacena mejor como una sal anhidra.

La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol y su acidez es de 6.5. Es una molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se convertirán a ADP. Las células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de magnitud del equilibrio, siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla de ATP y ADP en equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil. El ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como una forma de almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del equilibrio.

El ATP tiene múltiples grupos ionizables con diferentes constantes de disociación del ácido. En solución neutra, el ATP está ionizado y existe principalmente como ATP4-, con una pequeña proporción de ATP3-. Como tiene varios grupos cargados negativamente en solución neutra, puede quelar metales con una afinidad muy elevada. El ATP existe en la mayoría de las células en un complejo con Mg2+.

Funciones del ATP

El ATP está diseñado para intervenir -cuando menos- en los siguientes procesos:

Activación de proteínas contráctiles para la producción del movimiento, lo mismo en el interior del citoplasma que en la migración de las células móviles o en el movimiento de sus apéndices, cilios y flagelos; así como en la contracción de las células musculares que produce el movimiento de todos los organismos.

La activación de los metabolitos, al principio y en otras etapas de las vías metabólicas, la producción de reacciones exergónicas cuyo impulso hace que procedan otras reacciones difíciles acopladas a ellas.

La donación de energía para la síntesis química en reacciones que forman enlaces entre moléculas; la alimentación de reacciones que producen la bioluminiscencia de los sistemas vivos.

El impulso energético para los procesos de transporte activo que controlan el flujo de iones y moléculas entre los diferentes compartimentos de la célula y el organismo, incluyendo aquellos que permiten la excitación de las células nerviosas y la propagación de sus potenciales de acción a través de los axones y de los nervios y

La intervención del ATP mismo o de sus nucleótidos derivados: ADP y AMP en la regulación de las vías metabólicas que logra mantener el estado dinámico vital dentro de las células, así como una parte importante de la regulación que permite a las células de diferentes órganos interactuar en forma significativa. Una prueba de la gran relevancia del ATP para los seres vivos, la proporciona el hecho de que la molécula del ATP aparece con todas sus funciones, en forma universal en todos los seres vivos y es por ello que resulta explicable que en el diseño metabólico todo parece dirigido hacia la síntesis de esa molécula tan importante. Es claro que con el funcionamiento de las vías metabólicas se satisfacen dos requerimientos fundamentales del proceso vital: 1º)- La generación de las estructuras moleculares necesarias para el organismo vivo y 2º)- La captación de la energía química indispensable para la realización del trabajo celular. En ambas partes interviene el ATP.

2.-OXIDACIÓN BIOLÓGICA

Son todos los procesos de carácter biológico que tienen lugar en las diferentes células y en las cuales las moléculas orgánicas se transforman mediante reacciones de oxidación - reducción. Las moléculas orgánicas se caracterizan por su elevada energía potencial que está determinada por el alto grado de ordenamiento y la estabilidad de sus estructuras. Este hecho provoca que al oxidarse (degradarse) dichas moléculas

liberan energía, la cual se almacenan en las células en forma de compuestos ricos en energías, o sea en forma de energía química.

La energía química que utiliza una célula para realizar trabajo proviene principalmente de la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

Al producirse una transformación química, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energía de las moléculas aumenta o disminuye.

Las oxidaciones se efectúan por adición de oxígenos, por la pérdida de hidrógenos o por otra reacción que resulte en la perdida de electrones.

NADH y FADH2 son los principales transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservación de la Energía Libre que se produce en la oxidación de los sustratos

Químicamente la Oxidación se defina como la perdida de electrones y la reducción como la ganancia de ellos, esto se ilustra mediante la oxidación del ion férrico.Consecuentemente, la oxidación va siempre acompañada por la reducción de un aceptor de electrones. Este principio de óxido-reducción se aplica igualmente a los sistemas bioquímicos y es un proceso importante en la comprensión de la Oxidación Biológica.

Enzimas y coenzimas que intervienen en la oxidación y reducción

Todas la enzimas que intervienen en los procesos oxidativos son designados como oxidoreductasas, que se clasifican en cinco grupos.

1. Oxidasas que catalizan la remoción de hidrogeno de un substrato pero usan solo oxígeno como aceptor de hidrógenos. Ellas contienen invariablemente Cobre y forman agua como producto de la reacción.2. Deshidrogenasas Aerobias. Las deshidrogenasas son enzimas capaces de catalizar la oxidación o reducción de un sustrato por sustracción o adición de dos átomos de hidrógeno (deshidrogenación), empleando un par de coenzimas que actúan como aceptores o como donadores de electrones y protones; los principales coenzimas implicados en estas reacciones redox son los pares NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD/FADH2 y FMN/FMNH2; en cada par, la primera es la forma oxidada y la segunda la forma reducida del coenzima.Así, cuando una deshidrogenasa arranca dos átomos de hidrógeno de un substrato, oxidándolo, los electrones y los protones de dichos átomos de hidrógeno son captados por la forma oxidada de la coenzima, que se reduce:A-H2 + FAD ←→ A + FADH2Donde A-H2 es el substrato a oxidar, FAD es la forma oxidada del coenzima, A es el substrato ya oxidado (porque ha perdido dos electrones -y dos protones-) y FADH2 es la forma reducida del coenzima (porque ha ganado dos electrones -y dos protones-).

Las deshidrogenasas son enzimas clave en el metabolismo energético de la célula; varias de ellas actúan en el ciclo de Krebs, ruta metabólica esencial en el catabolismo aerobio.

3. Deshidrogenasa Anaerobias

4. Hidroperoxidasas: Enzimas que utilizan peróxido de hidrógeno o un peróxido orgánico como sustrato. Dos tipos de enzimas pertenecen a esta categoría: las peroxidasas, que se encuentran en la leche, vegetales, leucocitos, plaquetas y eritrocitos, ya la Catalasa que se encuentra en animales y vegetales.

5. Oxigenasas: Una oxigenasa es cualquier enzima que oxida un sustrato mediante la transferencia de oxígeno presente en el oxígeno molecular (O2, como en el aire). Las Oxigenasas forman un grupo dentro de las oxidoreductasas.Se distinguen dos tipos de oxigenasas:

Monooxigenasas, que transfieren un átomo de oxígeno al sustrato, y reducen el otro oxígeno a agua.

Dioxigenasas, u oxígeno transferasas, que transfieren al sustrato ambos átomos de oxígeno de la molécula.

EL CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs (conocido también como ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico) es un ciclo metabólico de importancia fundamental en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular. En estos organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es el anillo de conjunción de las rutas metabólicas responsables de la degradación y desasimilación de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en anhídrido carbónico y agua, con la formación de energía química.

El ciclo de Krebs es una ruta metabólica anfibólica, ya que participa tanto en procesos catabólicos como anabólicos. Este ciclo proporciona muchos precursores para la producción de algunos aminoácidos, como por ejemplo el cetoglutarato y el oxalacetato, así como otras moléculas fundamentales para la célula.

El ciclo toma su nombre en honor del científico anglo-alemán Hans Adolf Krebs, que propuso en 1937 los elementos clave de la ruta metabólica. Por este descubrimiento recibió en 1953 el Premio Nobel de Medicina.

Visión general del Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de El catabolismo glicémico y lipídico (a través de la glucolisis y la beta oxidación), produce acetil-CoA, un grupo acetilo enlazado al coenzima A. El acetil-CoA constituye el principal sustrato del ciclo. Su entrada consiste en una condensación con oxalacetato, al generar citrato las células procariotas.

Al término del ciclo mismo, los dos átomos de carbono introducidos por el acetil-CoA serán oxidados en dos moléculas de CO2, regenerando de nuevo oxalacetato capaz de condensar con acetil-CoA. La producción relevante desde el punto de vista energético, sin embargo, se produce a partir de una molécula de GTP (utilizada inmediatamente para regenerar una molécula de ATP), de tres moléculas de NADH y una de FADH2.

Los cofactores reducidos, NADH y FADH2, se comportan como intermediarios óxido/reductores. Cuando están reducidos, son capaces de transportar electrones a energía relativamente alta (por ejemplo sustraída a los sustratos oxidados en la glucolisis o en el mismo ciclo de Krebs), hasta la cadena respiratoria mitocondrial. Cerca de tal cadena se reoxidan a NAD+ y a FAD, y ceden los electrones a la cadena misma, que será así capaz de regenerar moléculas de ADP y ATP.

La reacción neta es la siguiente:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi => CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2

La energía que se saca de la ruptura completa de una molécula de glucosa pasa los tres estadios de la respiración celular (glucolisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones), es idealmente de 36 moléculas de ATP. En realidad son 38 las moléculas netas de ATP que se producen, pero dos de ellas se consumen para transportar (mediante transporte activo), desde el citoplasma a la matriz mitocondrial, las dos moléculas de NADH + H+ producidas en la glucolisis.

Etapas del Ciclo de Krebs

Reacción 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato)

El sitio activo de la enzima, activa el acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxalacetato. Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato.

La reacción es sumamente exoergónica (ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este paso es irreversible. El citrato producido por la enzima, además, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la enzima.

Incluso estando la reacción muy favorecida (porque es exoergónica), la citrato sintasa puede ser perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biológica, puesto que permite una completa regulación del ciclo de Krebs completo, convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.

Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato)

La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La enzima cataliza también la reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a causa de la ley de acción de masa: las concentraciones (en condiciones estándar) de citrato (91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de isocitrato (6%), empujan decididamente la reacción hacia la producción de isocitrato.

En el sitio activo de la enzima está presente un clúster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de aminoácidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unión al sustrato se asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de aspartato, que permiten sólo la unión estereospecifica del citrato 1R, 2S, rechazando la forma opuesta.

Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato)

La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un ión bivalente, que forma un complejo con los oxígenos del grupo carboxilo en posición alfa, aumenta la electronegatividad de esa región molecular. Esto genera una reorganización de los electrones en la molécula, con la consiguiente rotura de la unión entre el carbono en posición gamma y el grupo carboxilo adyacente. De este modo se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de α-cetoglutarato, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.

Reacción 4: α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA)

Después de la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa, que lleva a la formación de succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del α-chetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α-cetoácido.

Ambas reacciones incluyen la descarboxilación de un α-cetoácido y la consiguiente producción de una unión tioéster a alta energía con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales reacciones son parecidos entre ellos.

La α-cetoglutarato deshidrogenasa (o, más correctamente, oxoglutarato deshidrogenasa), está compuesta de tres enzimas diferentes:

* Subunidad E1: las dos cetoglutarato deshidrogenasas.

* Subunidad E2: la transuccinilasa.

(La subunidad E1 y E2 presentan una gran homología con las de la piruvato deshidrogenasa.)

* Subunidad E3: la dihidrolipoamida deshidrogenasa, que es el mismo polipéptido presente en el otro complejo enzimático.

Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato)

El succinil-CoA es un tioéster a alta energía (su ΔG° de hidrólisis está en unos -33.5 kJ ′mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5 kJ mol-1). La citrato sintasa se sirve de un intermediario con tal unión a alta energía para llevar a cabo la fusión entre una molécula con dos átomos de carbono (acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato). La enzima succinil-CoA sintetasa se sirve de tal energía para fosforilar un nucleósido difosfato purinico como el GDP. La energía procedente del tioéster viene convertida en energía ligada a una unión fosfato. El primer paso de la reacción genera un nuevo intermediario a alta energía, conocido como succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio catalítico remueve el fosfato de la molécula glucídica, generando el producto succinato y una molécula de fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nucleósido difosfato, recargándolo a trifosfato. Se trata del único paso del ciclo de Krebs en el que se produce una fosforilación a nivel de sustrato.

El GTP está implicado principalmente en las rutas de transducción de señales, pero su papel en un proceso energético como el ciclo de Krebs es, en cambio, esencialmente trasladar grupos fosfato hacia el ATP, en una reacción catalizada por la enzima nucleósido difosfoquinasa.

Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato)

La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxalacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos, además de regenerar oxalacetato, permiten la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH2 y NADH.

La primera reacción de oxidación es catalizada por el complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa, la única enzima del ciclo que tiene como aceptor de

hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD es enlazado de modo covalente a la enzima por un residuo de histidina. La enzima se vale del FAD ya que la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir el NAD+.

El complejo enzimático también es el único del ciclo que pasa dentro de la membrana mitocondrial. Tal posición se debe a la implicación de la enzima en la cadena de transporte de los electrones. Los electrones pasados sobre el FAD se introducen directamente en la cadena gracias a la unión estable entre la enzima y el cofactor mismo.

Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato)

La fumarasa cataliza la adición en trans de un protón y un grupo OH- procedentes de una molécula de agua. La hidratación del fumarato produce L-malato.

Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)

Reacción L-malato-oxalacetatoLa última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato

deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno, produciendo NADH.

La energía libre de Gibbs asociada con esta última reacción es decididamente positiva, a diferencia de las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de oxalacetato por parte del citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de transporte de electrones.

3.-LA FOSFORILACION OXIDATIVA

A través de las distintas rutas catabólicas analizadas hasta este punto, se ha ido produciendo una liberación de energía neta, en forma de ATP, y un segundo tipo de energía denominado poder reductor, en forma de coenzimas reducidos. Los principales coenzimas, que han participado en reacciones de óxido-reducción tanto en el citoplasma como en la mitocondria, son NADH y FADH2; los cuales iniciarán ahora, una ruta metabólica, la cadena de transporte electrónico o cadena respiratoria, que permitirá, por un lado, la recuperación de los coenzimas en su forma oxidada, y por otro, que los electrones sean conducidos a través de una serie de etapas sucesivas hasta el O2, para formar agua. En este proceso de transferencia electrónica es donde se producirá un fuerte desprendimiento energético aprovechado para la formación de enlaces de alta energía en forma de ATP.

La fosforilación oxidativa se define como la formación de ATP generada por la transferencia de electrones. Todas las rutas catabólicas, en los organismos aerobios, convergen para permitir el flujo de electrones hasta el oxígeno, produciendo energía para la generación de ATP constituí- yendo la etapa final del catabolismo de todas las biomoléculas.

REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN

A la hora de analizar la cadena de transporte electrónico es importante realizar una breve consideración de las reacciones de óxido-reducción. Estas reacciones tienen lugar cuando hay una transferencia de electrones desde un dador, denominado reductor hasta un aceptor que se denomina oxidante. Dador electrónico (reductor) electrón + aceptor electrónico (oxidante). Los elementos que participan en estas reacciones pueden encontrarse en dos formas: oxidada y reducida formando un par redox conjugado. Forma oxidada + electrón Forma reducida. Aunque la mayor parte del estudio de las reacciones de este tipo tienen como elementos participantes a iones metálicos, las moléculas orgánicas también pueden experimentar pérdida o ganancia de electrones, interviniendo como otro sustrato más en las reacciones de óxido– reducción. De las moléculas orgánicas más habituales se han citado ya los coenzimas NAD+ y FAD. En la mayoría de las reacciones analizadas en las rutas metabólicas descritas, la transferencia es de electrones junto con hidrogeniones, o lo que es lo mismo átomos de hidrógeno, ya que: H H+ + e–

Desarrollándose de forma genérica la siguiente reacción:

Sustrato reducido (AH2) + Sustrato oxidado (NAD+ o FAD)

Producto oxidado (A) + Producto reducido (NADH + H+ o FADH2).

Así una de las reacciones que transcurren en el ciclo del ácido cítrico:

Malato + NAD+ Oxalacetato +NADH +H+

A las parejas Malato/Oxalacetato, y NAD+/ NADH + H+ se les denomina pares redox, y la capacidad que tiene cada uno de estos pares para captar o ceder electrones viene expresado por el potencial de óxido-reducción, o abreviadamente por potencial redox.

Estructura de la ATP sintetasa

Relación entre el ciclo de Krebs y fosforilacion oxidativa

Formación de ATP por fosforilacion oxidativa

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO

De forma sintética, en la cadena de transporte electrónico se produce la oxidación de las coenzimas reducidas, por el fuerte potencial redox del O2/H2O, y la reducción del oxígeno para formar agua.

Las reacciones parciales que ocurren son:

a) ½ O2 + 2H+ + 2e–

H2O Eo´ = 0,82 V

b) NAD+ + 2H+ + 2e–

NADH + H+ Eo´ = –0,32 V

Y sustrayendo b de a, se obtiene la reacción global siguiente,

½ O2 + NADH + H+ H2O +NAD+ Neo´ = 0,82–(–0,32) = +1,14 V

Al ser la diferencia de potencial entre estos pares tan grande, la variación de energía libre es también muy alta (ΔGo´ = –52,6 Kcal/mol), lo que hace de esta reacción un proceso fuertemente exoergónico.

Esta diferencia de potencial constituye la fuerza directriz para el desarrollo de la cadena de transporte electrónica y de la fosforilación oxidativa. Para lograr el máximo aprovechamiento energético, el proceso de óxido-reducción no se desarrolla en una única reacción como la representada superiormente, sino que se desarrolla en una secuencia de varias reacciones. Este procedimiento permite distribuir el fuerte desprendimiento instantáneo de energía en cuantos menores, proporcionando una rentabilidad mucho mayor en forma de energía metabólica.

Elementos de la cadena respiratoria

Esta ruta metabólica está formada por tres grandes complejos enzimáticos, denominados NADH reductasa, citocromo reductora y citocromo oxidasa, conectados entre sí por dos transportadores móviles de electrones que son la ubiquinona y el citocromo c. Los grupos transportadores de electrones en las proteínas enzimáticas son grupos prostéticos como las flavinas, complejos de hierro-azufre, grupos hemo e iones cobre. La incorporación de los electrones procedentes de la coenzima FADH2 se lleva a cabo mediante un complejo distinto de los anteriores que es la succinato-reductasa. A diferencia de los tres complejos anteriores, que canalizan la energía desprendida en la reacción redox exoergónica en bombear protones de la matriz a la cara citoplasmático de la membrana, este último complejo no es capaz de realizarlo. Estos complejos están formados por pares redox con potenciales sucesivamente crecientes, que establecen un flujo direccional de electrones y un desprendimiento secuencial de energía.

Reacciones del transporte electrónico

Las reacciones que tienen lugar a nivel de la NADH-reductasa o complejo I son una serie de reacciones redox, en las que intervienen un coenzima flavínico (FMN o flavina mononucleótido), y un centro ferrosulfurado en el que el átomo de hierro es el que realiza el intercambio electrónico para cederlos al coenzima Q. El flujo de dos electrones desde el NADH hasta el coenzima Q o ubiquinona, da lugar al bombeo de cuatro H+ a través de la membrana mitocondrial interna, desde la matriz hacia su cara citoplasmática.

El complejo II o succinato-reductasa se encuentra a nivel de la membrana, y uno de sus componentes es una enzima del ciclo del ácido cítrico, la succinato deshidrogenasa, que cataliza la reacción de succinato a fumarato. Uno de los productos de la reacción, el coenzima reducido FADH2 no abandona el complejo, transfiriendo los electrones en el interior del mismo a un centro Fe-S, para posteriormente ser cedidos al coenzima Q. Esta es la única enzima del ciclo del ácido cítrico que no se encuentra libre en la solución de la matriz mitocondrial, sino que está fuertemente unida a la membrana mitocondrial interna. Por otro lado, algunas de las enzimas mitocondriales que utilizan FAD (acil-CoA deshidrogenasa, primer enzima de la β-oxidación), no introducen sus electrones a la cadena de transporte electrónico a través del complejo II, sino mediante una flavoproteína transportadora de electrones (ETFP- ubiquinona reductasa) que reduce directamente la ubiquinona o coenzima Q. El potencial de transferencia electrónica es menor en este complejo que en el anterior, y el desprendimiento energético no es suficiente para el bombeo de hidrogeniones, lo que se traducirá en un menor rendimiento de ATP, comparado con el obtenido cuando los electrones penetran en la cadena utilizando el complejo I.

La segunda bomba de hidrogeniones, se sitúa en el complejo III o citocromo-reductasa , que se caracteriza principalmente por disponer de grupos prostéticos hemo, similares a los de la hemoglobina, con un átomo de Fe que se alterna entre su estado reducido o ferroso (Fe2+) y el estado oxidado o férrico (Fe3+). A través de la siguiente secuencia de reacciones los electrones son transferidos hasta el citocromo c, este flujo genera un potencial suficiente para bombear 2 H+ hacia el lado citoplasmático. La diferencia de potencial de transferencia es menor que en el complejo I y por lo tanto la capacidad de mover los hidrogeniones también es menor.

A través del último complejo, la citocromo-oxidasa acepta cuatro electrones del citocromo c, uno cada vez, a través de dos grupos hemo que utilizan átomos de cobre y los transfiere a una sola molécula de O2 formando dos moléculas de H2O. Se estima que el 90 % del consumo total de oxígeno de las células es realizado por la citocromo-oxidasa. El oxígeno molecular es un aceptor de electrones con un fuerte carácter oxidante, una alta tendencia a captar electrones, pero reacciona muy lentamente a menos que sea activado catalíticamente. Esta activación es realizada por este complejo, el cual también funciona como una bomba de protones, realizando un movimiento neto de 4 H+ hacia el espacio intermembranoso.

ACOPLAMIENTO FOSFORILACIÓN-OXIDACIÓN

Aunque han existido teorías múltiples que intentaban justificar la conexión entre estas dos funciones, ninguna se sostenía con los necesarios datos experimentales. El planteamiento de la hipótesis quimiosmótica o de Mitchell (Peter Mitchell, 1961) permitió la teorización y posterior corroboración del mecanismo de dicho acoplamiento. El transporte de electrones y la síntesis de ATP estaban acoplados a través de un gradiente de protones, o hidrogeniones, entre ambas caras de la membrana interna. El bombeo de protones, desarrollado por los diferentes complejos de la cadena de transporte electrónico, genera un aumento de concentración de H+ en la cara citoplasmática, y un gradiente eléctrico debido a la carga positiva movilizada por los protones hacia el exterior de la membrana. Estos gradientes establecen una fuerza protomotriz (movedora de protones) que empuja a los hidrogeniones hacia el interior, y utilizando esta fuerza, el complejo enzimático ATP-sintasa (también denominada ATPasa mitocondrial o H+-ATPasa) formaría enlaces de alta energía en forma de moléculas de ATP.

Síntesis de ATP

La ATP sintasa es un complejo enzimático de gran tamaño, observable a microscopía electrónica. Está formada por dos subunidades F0, una porción hidrofóbica que atraviesa la integridad de la membrana mitocondrial interna, formada por cuatro cadenas polipeptídicas y que funcionalmente constituye el conducto de protones. La otra subunidad F1 protruye en el lado interno de la membrana, y está formada por cinco clases de cadenas polipeptídicas, α3, β3, γ, δ y ε. Su papel funcional es catalizar la formación de un enlace de alta energía, sintetizando ATP. El cuello intermedio que une ambas subunidades está formado a su vez por varias proteínas reguladoras. El sistema mediante el cual funciona este complejo, ha permitido observar que el ATP se forma rápidamente, aún en ausencia de gradiente a través de la misma, pero la carencia de fuerza protomotriz no permite la separación del ATP formado, que permanece unido a

la sintasa. Sólo el flujo de protones, la estimación es de forma aproximada de tres H+, origina la liberación de un ATP. Cada par de electrones proveniente del NADH, genera un flujo neto de protones a través del complejo I, III y IV de 4, 2 y 4 protones respectivamente, lo que se traducirá en la síntesis de 3 ATPs, la entrada de electrones a través del FADH2 genera un flujo de protones a través del complejo III y IV de 2 y 4 respectivamente, que permitirá la formación de 2 ATPs.

Sistemas de transporte mitocondriales

La membrana interna de la mitocondria se ha descrito ya como una membrana impermeable, lo cual obliga a que el intercambio entre el interior y el exterior de la mitocondria se realice mediante sistemas transportadores.

a) Translocasas: A nivel de la membrana interna existe una batería de proteínas destinadas a tareas de transporte, una de las más importantes es la ATP-ADP translocasa o translocasa de nucleótidos de adenina, a través de la cual estas moléculas, fuertemente cargadas (ATP y ADP), pueden ser movilizadas a través de la membrana interna. Otros transportadores movilizan Pi con H+ (fosfato translocasa), H+ con piruvato (translocasa de monocarboxilatos), malato, succinato o fumarato (translocasa de dicarboxilatos), etc.

b) Lanzaderas mitocondriales: Uno de los sistemas que se utilizan para mover sustratos consiste en unirlos a moléculas que dispongan de un sistema de transporte. Otros tipos de lanzaderas son necesarios para poder trasladar los electrones, que en las reacciones de oxidación han quedado unidos a los coenzimas citoplasmáticos (fundamentalmente NADH) a la cadena de transporte electrónico. Al ser impermeable la membrana para el NADH, los equivalentes de reducción han de ser trasvasados de alguna forma, con el objeto de recuperar los coenzimas en su forma oxidada, y evitar que los procesos oxidativos citoplasmáticos se detengan. La lanzadera del glicerol-fosfato es uno de los sistemas para llevar a cabo el tránsito de electrones, que funciona preferentemente en músculo esquelético y cerebro. Un metabolito de la glucólisis, la dihidroxiacetona-fosfato se reduce a glicerol-fosfato y por acción de una enzima de la membrana interna mitocondrial, glicerol-fosfato deshidrogenasa, se oxida de nuevo a dihidroxiacetona, liberándose al espacio intermembranoso. Los electrones se incorporan al coenzima FAD, que los introduce en la cadena de transporte electrónico, a nivel del coenzima Q. Así el NADH citoplasmático, al penetrar en la cadena en este punto, obtiene un rendimiento energético menor que el del NADH mitocondrial. En las células hepáticas y fibras cardíacas, los electrones del NADH citoplasmático utilizan la lanzadera malatoaspartato, más compleja ya que se requiere la participación de dos transportadores de membrana y cuatro enzimas.

Regulación de la fosforilación oxidativa

La velocidad con que se desarrolla la fosforilación oxidativa está marcada por las necesidades energéticas de la célula. Para que el proceso se realice de forma correcta se requiere un aporte de sustratos como NADH (o FADH2), O2, ADP y Pi siendo el más importante el ADP. La concentración intracelular de este metabolito es una medida de las necesidades de energía metabólica, y, por lo tanto, va a fijar la velocidad a la que ha de desarrollarse la fosforilación oxidativa. Esta regulación por ADP se denomina control respiratorio, ya que el consumo de O2 por parte de la mitocondria, es dependiente de la cantidad de ADP presente. Según la actividad celular desarrollada, se producirá un consumo mayor o menor de ATP, generándose cantidades variables de ADP. Una concentración elevada de ADP causará un incremento en la velocidad de la respiración celular o fosforilación oxidativa, intentando de manera continua reequilibrar la relación ATP/ADP, o expresado bajo otros términos, la síntesis de ATP se realiza según va siendo requerido por las necesidades celulares. Todas las rutas catabólicas estudiadas tienen una regulación acoplada a la fosforilación oxidativa, que se realiza a través de la carga energética; de tal manera, que hay un engranaje correcto y equilibrado entre todos los procesos productores de energía con el consumo de la misma.