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CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular

Gonzalo Vázquez Palacios UACM-SLT

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5. ORGANELOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA: MITOCONDRIAS Y RESPIRACIÓN CELULAR

MITOCONDRIAS

Las células eucarióticas contienen complejos organelos denominados mitocondrias, estructuras que constituyen el sitio donde ocurren la mayor parte de las reacciones químicas que convierten la energía química de los nutrientes en otro tipo de energía química: el trifosfato de adenosina (ATP). En una célula muy activa se pueden encontrar numerosas mitocondrias. En una célula del hígado se han contado hasta 1000 mitocondrias, pero este número varía con los diferentes tipos de células. Las mitocondrias tienen un

tamaño variable: de 2 a 8 m de longitud y de 0,5 a 1 m de diámetro, pudiendo además cambiar de tamaño y forma en muy breve lapso.

Cada mitocondria está delimitada por una doble membrana que crea dos compartimientos distintos dentro del organelo. El espacio intermembranoso es el compartimiento que se forma entre las membranas interna y externa, en tanto que la matriz está delimitada por la membrana interna. La membrana externa de la mitocondria es lisa, y en cierta forma es como un colador, ya que permite el paso de muchas moléculas pequeñas (hasta 5 kDa). Contiene múltiples copias de un tipo de proteína

denominada porina, que se caracteriza por adoptar una forma de “barril ” 1. La membrana externa también

contiene enzimas involucradas en la síntesis de lípidos mitocondriales y de otras que convierten los nutrientes lipídicos (ácidos grasos de los triglicéridos) en formas que son luego metabolizadas en la matriz.

En contraste, la membrana interna regula estrictamente los tipos de moléculas que pueden pasar a través de ella. Esta membrana está plegada repetidamente formando crestas, que sirven para incrementar el área de superficie interior. La membrana interna de la mitocondria contiene series complejas de enzimas y otras proteínas que intervienen en la transformación de la energía de las moléculas de nutrientes en diferentes formas de energía química, almacenada en el ATP.

El espacio intermembranoso contiene varias enzimas que usan el ATP que proviene de la matriz para fosforilar otros nucleótidos. Finalmente, la matriz contiene una variedad de enzimas,

1 Motivo predominante de hoja plegada en la que las láminas antiparalelas se disponen dejando un espacio

central; las láminas son predominantemente hidrofóbicas y de esa forma se forma una estructura cilíndrica que interactúa con los fosfolípidos de la membrana, en tanto que algunas cadenas polares quedan hacia el centro del barril, a modo de poros acuosos.

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esencialmente las que se utilizan para la oxidación del piruvato y de los ácidos grasos y las enzimas que intervienen en el ciclo del ácido cítrico. En la matriz también hay ADN (circular, como el de los procariotes) que constituye el genoma mitocondrial, ribosomas especiales, ARNt y varias proteínas requeridas para la expresión de los genes mitocondriales.

Transporte de proteínas en mitocondrias

Aunque casi todo el ADN de las células eucarióticas se encuentra en el núcleo, las mitocondrias (al igual que los cloroplastos en las células vegetales) contienen moléculas de ADN en sus compartimientos internos, así como ribosomas, lo que les permite producir un pequeño número de las proteínas que se encuentran en estos organelos. Sin embargo, la mayor parte de las proteínas de las mitocondrias las fabrican los ribosomas libres del citoplasma, que después se transportan al sitio adecuado del organelo. Las relativamente pocas proteínas codificadas por el genoma mitocondrial se ubican en la membrana interna de las mitocondrias.

Las proteínas sintetizadas en el citosol que están destinadas a la matriz mitocondrial son orientadas hacia la mitocondria por secuencias de señal específicas. Las proteínas con destino mitocondrial son transportadas desde el citosol por medio de proteínas chaperonas2. La secuencia de señal tiene que ser reconocida por una proteína de membrana y luego la proteína atraviesa al mismo tiempo ambas membranas y pasa a la matriz, donde una peptidasa corta la secuencia de señal. La proteína es entonces tomada por otra proteína chaperona ubicada en la matriz mitocondrial, y llevada a su forma tridimensional funcional.

Si las proteínas citosólicas estaban destinadas a anclarse en la membrana mitocondrial interna o en el espacio mitocondrial, una segunda secuencia de señal, de tipo hidrofóbico, reorienta la proteína que ya había entrado a la matriz. Si la proteína está destinada al espacio intermembranal, una segunda peptidasa separará la secuencia hidrofóbica.

El genoma mitocondrial es muy simple

La mayoría de las proteínas presentes en las mitocondrias son codificadas por el ADN nuclear y, como se ha dicho, sintetizadas en el citosol, pero una parte menor de las mismas se sintetizan en los propios organelos. La información para su síntesis se encuentra en el ADN mitocondrial y también existen ribosomas propios dentro de la matriz mitocondrial.

Las mitocondrias no se hacen de novo: siempre provienen de la división de mitocondrias ya existentes y esta división no necesariamente está en fase con la división celular. Antes de la división debe

2 Las chaperonas se unen a las proteínas destinadas a las mitocondrias e impiden su plegamiento, con lo que favorecen su ingreso al organelo.



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dividirse el ADN mitocondrial, de modo que las células hijas posean una cantidad de mitocondrias equivalente a la que poseía la célula madre. La división ocurre por fisión binaria, como en las bacterias.

El ADN mitocondrial es bastante simple y salvo unas pocas excepciones (algunas algas y protozoarios) es de tipo circular y (tal como ocurre en las bacterias) no contiene histonas asociadas. La existencia de un juego separado de moléculas de ADN en mitocondrias, junto con otras características semejantes a las de células procarióticas (los ribosomas mitocondriales son también semejantes a los de las bacterias) han sido un importante apoyo a la teoría endosimbiótica mencionada anteriormente, que establece que estos organelos evolucionaron a partir de organismos procarióticos que originalmente vivían dentro de células de mayor tamaño (los precursores de los organismos eucariontes). OXIDACIÓN DE NUTRIENTES Y PRODUCCIÓN DE ENERGIA

Los átomos de C y de H que forman parte de las moléculas de los alimentos pueden ser utilizados como fuentes energéticas porque no se encuentran en su estado más estable. La atmósfera contiene una gran cantidad de oxígeno (21%), en presencia del cual las formas más estables del C y del H son el CO2 y el H2O, respectivamente. La célula puede obtener energía a partir de la glucosa o de otros nutrientes porque en presencia de oxígeno los convierte en dióxido de carbono y agua, las formas en las que el carbono y el hidrógeno presentan mayor estabilidad.

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Pero la célula no oxida a las moléculas orgánicas en un solo paso, como ocurre en un incendio,

sino que lo hace en una serie de pasos que generalmente no implican la adición directa de oxígeno. La oxidación no implica necesariamente la participación del oxígeno en una reacción, sino que se refiere al concepto más general de transferencia de electrones de un átomo a otro. A menudo, cuando una molécula toma un electrón, toma al mismo tiempo un protón (H+) del medio acuoso que conforma el citoplasma, con lo que el efecto neto es la incorporación de un átomo de hidrógeno:

A + e + H+ AH

Así, aunque un electrón más un protón estén involucrados, en lugar de sólo un electrón, las

reacciones de hidrogenación son reducciones, así como las reacciones de deshidrogenación son oxidaciones. La reducción es un proceso químico en el cual una sustancia gana electrones. Los electrones liberados durante una reacción de oxidación no existen en las células en forma libre. Por esta razón, toda reacción de oxidación debe acompañarse por una reacción de reducción, en la cual los electrones son aceptados por otro átomo o molécula. La oxidación de una molécula produce energía, (que si no es aprovechada se disipa como calor); en tanto que la reducción de una molécula en general requiere energía. Las reacciones de oxidorreducción, llamadas reacciones redox, son una parte esencial de la respiración celular, de la fotosíntesis y de otros aspectos del metabolismo. Transferencia de hidrógeno y de electrones

Al eliminar átomos de hidrógeno de un compuesto orgánico éstos con frecuencia se llevan consigo parte de la energía que estaba almacenada en los enlaces químicos. El hidrógeno, junto con su energía, se transfiere a una molécula aceptora de hidrógeno, que suele ser una coenzima. Uno de los aceptores de hidrógeno que se encuentran con mayor frecuencia es el dinucleótido

NAD+ oxidado NADH reducido

Ribosa Ribosa

Nicotinamida

Adenosina Adenosina


de nicotinamida y adenina, representado por las siglas NAD. Esta coenzima empaqueta temporalmente grandes cantidades de energía.

La siguiente ecuación ejemplifica la transferencia de hidrógeno desde un compuesto XH2, que pierde hidrógeno y se oxida a X, hacia la molécula de NAD (en realidad NAD+ , porque al unirse con la ribosa, la nicotinamida adquiere una carga positiva en el nitrógeno que participa en la unión, ver la fórmula):

XH2 + NAD X + NADH + H

Nótese que el NAD se reduce cuando se combina con el hidrógeno. Antes de ser reducido, el

NAD es un ion con una carga neta positiva. Cuando se agrega el hidrógeno, la carga se neutraliza. La forma reducida del compuesto, la molécula de NADH, es eléctricamente neutra. Parte de la energía de los enlaces que sostenían al hidrógeno con la molécula X se transfiere, por medio de esta reacción, al NADH. Así, esta energía se usa en los procesos metabólicos, o puede transferirse al ATP mediante una serie de complicadas reacciones.

Otro importante aceptor de hidrógeno es el dinucleótido de flavina y adenina (FAD), que al aceptar un par de átomos de hidrógeno y sus electrones se convierte en FADH2.

Las células obtienen energía útil de la "combustión" de la glucosa o de otros nutrientes sólo porque lo hacen de una manera controlada. Las reacciones catabólicas que producen energía están estrechamente asociadas ("acopladas") a las reacciones anabólicas, que son las responsables de la síntesis de nuevos compuestos. Todas las células vivas deben extraer energía de las moléculas de nutrientes orgánicos que capturan del ambiente. Estos nutrientes se metabolizan y parte de su energía química se transfiere al trifosfato de adenosina (ATP), que luego se empleará en el trabajo celular. El metabolismo resulta entonces estar compuesto de dos procesos opuestos: a) el catabolismo, que consiste en la ruptura de moléculas grandes hasta convertirse en otras más pequeñas, que habitualmente es generador de energía, y b) el anabolismo, responsable de la síntesis de las sustancias que requiere el medio celular y que usualmente requiere de aporte energético.

RESPIRACIÓN CELULAR El mecanismo utilizado por la célula para degradar nutrientes depende del tipo de ambiente en que dicha célula vive. Las células que habitan en un ambiente rico en oxígeno utilizan el eficiente mecanismo aerobio, que requiere de oxígeno molecular. En cambio, las células que habitan en el suelo o en aguas contaminadas, donde el oxígeno es escaso, se adaptan a utilizar el mecanismo anaerobio, que aunque es menos eficiente, no requiere de oxígeno.

La respiración celular es por lo general aerobia; es decir, requiere de oxígeno. Durante la respiración aerobia completa, los nutrientes se catabolizan hasta convertirse en dióxido de carbono y agua. Una de las vías más comunes de la respiración celular aerobia implica la degradación del nutriente común, la glucosa.



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Las reacciones químicas de la respiración celular se agrupan en cuatro fases:

1. Glucólisis Implica la conversión de la glucosa (seis carbonos) en dos moléculas de tres carbonos (C3), el

ácido pirúvico (usualmente en forma de piruvato), con la formación de dos moléculas de ATP y producción de dos moléculas de NADH.

2. Formación de la acetil-coenzima A (decarboxilación oxidativa del piruvato)

Las dos moléculas de piruvato (C3) se decarboxilan (pierden el grupo ácido liberando dióxido de carbono) y se transforman en dos moléculas de dos carbonos (acetilo) que se combinan con la coenzima A para formar dos moléculas de acetil-coenzima A. En el proceso, como se dijo, se liberan las dos primeras moléculas de CO2 y se producen 2 NADH adicionales (no hay generación de ATP en esta etapa).

3. Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs)

Convierte los dos restos acetilo (C2) de la acetil coenzima A en 4 moléculas de dióxido de carbono y elimina electrones e hidrógenos, con una producción neta de 2 ATP y generación de 6 NADH y 2 FADH2. El ciclo se inicia con la reacción del ácido oxalacético (C4) con el resto acetilo (C2) de la acetil-coenzima A. La subsiguiente liberación de la coenzima A genera la energía que permite la formación del ácido cítrico (C6). En el proceso hay cuatro reacciones de oxidación, la producción de una molécula de ATP y la liberación de dos moléculas de CO2 antes de volver al punto inicial. Dado que ingresaron dos restos acetilo, el ciclo debe recorrerse dos veces, con lo que el resultado es el que se mencionó más arriba.

4. Sistema de transporte de electrones y fosforilación oxidativa (cadena respiratoria)

Los electrones e hidrógeno tomados de la molécula de combustible durante las fases precedentes se transfieren a lo largo de la cadena de aceptores de electrones situada en las crestas mitocondriales (membrana interna). Al tiempo que los electrones pasan de un aceptor a otro, se bombean protones desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana mitocondrial interna, al espacio intermembranoso, con lo

que se genera un gradiente protónico, que representa un potencial de energía.

Finalmente los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de canales específicos localizados en la membrana interna, que se encuentran formando parte de la ATP sintetasa, enzima que aprovecha la energía generada por el reingreso de los protones para unir el fosfato inorgánico al

ADP y formar ATP. Cuando los protones se mueven a través de estos canales a favor de un gradiente de energía, la energía liberada se utiliza para operar la síntesis de ATP. Este gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna acopla la fosforilación (del ADP para formar ATP) con la oxidación de la molécula de glucosa producida a lo largo de la serie de reacciones que tuvieron lugar inicialmente en el citoplasma durante la glucólisis y luego en las mitocondrias al producirse primero la decarboxilación oxidativa del ácido pirúvico (con formación de acetil-coenzima A) y luego el ciclo de Krebs.


GLUCÓLISIS La glucólisis (literalmente "ruptura de la glucosa") es la secuencia de reacciones que convierten

una molécula de glucosa (compuesto de seis carbonos) en dos moléculas de piruvato (compuesto de tres carbonos más oxidado) produciendo ATP. Cada reacción es regulada por una enzima específica y en el proceso total hay una ganancia neta de dos moléculas de ATP. Las reacciones de la glucólisis se llevan a cabo en el citoplasma. Los ingredientes necesarios, como ADP, NAD+ y fosfato, se encuentran libremente en el citoplasma y se utilizan conforme se hace necesario. La glucólisis no requiere de oxígeno y puede realizarse tanto en condiciones aerobias como anaerobias.

La glucólisis se realiza en dos etapas. En la fase preparatoria hay una inversión inicial de energía

para facilitar la degradación. Se gasta una molécula de ATP para fosforilar inicialmente a la glucosa, que pasa a glucosa-6-fosfato y luego es transformada en su isómero fosfatado (fructosa-6-fostato); una segunda molécula de ATP convierte a la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-difosfato, que luego se desdobla en dos moléculas de triosa fosfato que son interconvertibles: la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehído 3-fosfato (GALP). En resumen, esta es una etapa en la que se invierten dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que comienza a ser degradada y se obtienen dos moléculas de tres átomos de carbono conteniendo grupos fosfato. El proceso involucra cinco reacciones enzimáticas acopladas.



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El retorno energético tiene lugar en la fase de beneficio, que implica otras cinco reacciones y que comienza con la oxidación y fosforilación de las dos moléculas de GALP producidas en la fase anterior, las que se convierten finalmente en dos moléculas de ácido 1,3-difosfoglicérico, lo que genera dos moléculas de NADH. La energía producida por la oxidación es aprovechada para incorporar fosfato inorgánico del

medio (Pi) en una unión de alta energía (representada por el símbolo ), que en el siguiente paso se rompe y permite fabricar ATP a expensas de ADP (“fosforilación a nivel de sustrato”). El ácido 3-fosfoglicérico así formado pasa a una forma isomérica (2-fosfo-glicérico), pierde agua para formar el ácido fosfo-enol pirúvico y finalmente pasa ácido pirúvico con una nueva ganancia de ATP (segunda fosforilación a nivel de sustrato).

El resultado neto de esta etapa es la producción de 4 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, con lo que el balance energético de la glucólisis es positivo (+ 2 ATP). El proceso se puede resumir en la siguiente ecuación:

Glucosa (C6)+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 piruvato (C3) + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

Como puede verse, todos los productos intermedios entre la glucosa y el piruvato están

fosforilados. Ello se debe a que al valor del pH celular los grupos fosfato están ionizados y en consecuencia poseen carga negativa. Dado que la membrana plasmática es impermeable a las moléculas cargadas, los intermediarios fosforilados no pueden difundir al exterior, con lo que se asegura su permanencia dentro de la célula

Eficiencia del proceso de glucólisis

Aunque las enzimas de la glucólisis se describen como solubles en el citosol, existen cada vez más pruebas de que están formando complejos multienzimáticos, de modo que el producto de una reacción catalizada por una enzima pasa automáticamente a ser el reactivo de la otra enzima que es vecina a ella. Algunas de las enzimas glucolíticas están fijadas a filamentos de actina o a microtúbulos, que favorecerían el acercamiento de las enzimas que catalizan pasos sucesivos. Además, la enzima responsable de fosforilar la glucosa (hexoquinasa) apenas ésta entra a la célula está fijada a la cara externa de la membrana de las mitocondrias, de modo que el ATP fabricado en este organelo pase directamente a ella, sin que tenga posibilidades de diluirse en el citosol. Todo ello conduce a incrementar la eficiencia del proceso glucolítico. Destino del piruvato en anaerobiosis. Fermentaciones

En condiciones aeróbicas el ácido pirúvico se oxida a dióxido de carbono y agua a través del pasaje a acetil-coenzima A y posterior ingreso en el ciclo de Krebs. Pero en condiciones de anaerobiosis (falta de oxígeno) el ácido pirúvico es reducido a ácido láctico, se libera una molécula de dióxido de carbono y en el proceso el

NADH vuelve a transformarse en NAD , necesario para seguir procesando más moléculas de glucosa. Durante una actividad física extenuante, como correr, la cantidad de oxígeno que llega a las células musculares puede ser insuficiente para mantener la acelerada tasa de oxidación de combustibles. En estas condiciones, las células musculares forman ácido láctico, que al acumularse contribuye a producir la fatiga muscular (“calambres”).


Muchos microorganismos fermentan la glucosa a ácido láctico, como ocurre en el caso de los lactobacilos, que son utilizados en el proceso de obtención de quesos y yogures, o en la obtención de repollo agrio ("chucrut") en lo que constituye la fermentación láctica.

Las levaduras (que son hongos unicelulares) llevan a cabo la fermentación alcohólica. Cuando son privadas de oxígeno, las levaduras separan el dióxido de carbono del piruvato y forman un compuesto de dos carbonos llamado acetaldehído. El hidrógeno del NADH producido en la glucólisis se transfiere al acetaldehído para reducirlo a etanol (el alcohol común). Estas reacciones anaerobias son la base de la producción de la cerveza, el vino y otras bebidas alcohólicas. Las células de levadura también se utilizan en la industria del pan porque el dióxido de carbono generado provoca que la masa se levante (leudado).

El metabolismo anaerobio es muy ineficiente porque el combustible sólo se oxida en parte. El alcohol, producto final de la fermentación de las células de levadura, puede quemarse (de hecho puede utilizarse como combustible). Como es evidente, contiene una gran cantidad de energía que las células de levadura son incapaces de extraer utilizando métodos anaerobios. El lactato, compuesto de tres carbonos, contiene aún más energía que el alcohol de dos carbonos. La ineficiencia del metabolismo anaerobio requiere de un gran suministro de glucosa. Por lo tanto, las células que funcionan en anaerobiosis degradan rápidamente muchas moléculas de combustible ("efecto Pasteur": las moléculas de glucosa son consumidas por la levadura mucho más rápidamente en anaerobiosis que en presencia de oxígeno) y con ello compensan la pequeña cantidad de energía que obtienen de cada una de ellas. Para realizar la misma cantidad de trabajo que una célula aerobia, una célula anaerobia necesita veinte veces la cantidad de glucosa que utiliza ésta, lo que resulta beneficioso desde el punto de vista biotecnológico, porque la cantidad de producto (ácido láctico o etanol, según el caso) es mucho mayor.

FORMACIÓN DE LA ACETIL-COENZIMA A (DECARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO)

El piruvato, producto final de la glucólisis, contiene la mayor parte de la energía total de la

molécula original de glucosa. Como acabamos de mencionar, cuando no hay oxígeno disponible la célula utiliza la vía de la fermentación. El piruvato acepta electrones del NADH y se convierte en ácido láctico o alcohol etílico. Estas reacciones se realizan en el citoplasma.

En presencia de oxígeno, las moléculas de piruvato se desplazan hacia el interior de la mitocondria, en donde se llevan a cabo las reacciones subsecuentes de la respiración celular. Una vez que la molécula de piruvato entra en la mitocondria, se convierte en acetil-coenzima A (acetil CoA), un compuesto que puede entrar en el ciclo del ácido cítrico. En esta complicada reacción, el piruvato es sometido a un proceso de decarboxilación oxidativa como consecuencia de la acción de un complejo enzimático en el que participan tres enzimas y cinco coenzimas: el complejo piruvato deshidrogenasa, localizado en el interior de las mitocondrias de las células eucariotas y en el citosol de las procariotas.

La reacción transcurre en varios pasos, a través de los cuales el piruvato es primero decarboxilado con producción de CO2 y generación de un aldehído de C2 (acetaldehído), que es oxidado a ácido y unido a la coenzima A, formando acetil-coenzima A, que luego ingresará en el ciclo del ácido cítrico. Como consecuencia de la oxidación del acetaldehído se liberan hidrógenos que son



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tomados por el NAD+, con producción de NADH. No hay en esta etapa producción directa de ATP. Debe tenerse en cuenta que a través de la glucólisis una molécula de glucosa genera dos

moléculas de piruvato y que en consecuencia el resultado neto de esta etapa es doble: se liberan 2 moléculas de CO2 y dos de NADH, con producción de dos moléculas de acetil-coenzima A que ingresan a continuación al ciclo del ácido cítrico. CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO (CICLO DE KREBS O DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS)

La primera observación a

hacer es que mientras la glucólisis es una secuencia lineal de reacciones, las del ácido cítrico componen un ciclo, por lo que los reactivos no se "gastan" (teóricamente, una única molécula de oxalacetato, que comienza el ciclo, sería suficiente para procesar todas las moléculas de acetil-coenzima A de una célula). En cada vuelta entran dos carbonos (los del acetato) y salen dos moléculas de un carbono (CO2). Cuatro de los pasos del proceso implican oxidaciones en las que la energía se conserva en forma de NADH y FADH2, en tanto que una molécula de ATP se produce en forma directa (fosforilación a nivel de sustrato).

El ciclo del ácido cítrico también se llama ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) o ciclo de Krebs, en honor de Sir Hans Krebs, quien trabajó en él durante el decenio de 1930. Este ciclo es la ruta final de la oxidación del piruvato, ácidos grasos y cadenas de carbono de los aminoácidos. Dicho ciclo se lleva a cabo en la mitocondria y consta de varios pasos, en los que cada reacción es catalizada por una enzima específica. En la mayoría de los procariotes las enzimas del ciclo se localizan en el citosol, en tanto que en los eucariotes están dentro de las mitocondrias.

Aunque el ciclo genera en forma directa un sólo ATP por vuelta, en el mismo se producen cuatro oxidaciones que dan lugar a 3 moléculas de NADH y 1 de FADH2, que serán canalizados a través de la cadena respiratoria. Teniendo en cuenta que por cada molécula de glucosa son dos los restos de acetilo (en forma de acetil-coenzima A) que entran al ciclo, el rendimiento total se eleva a 2 moléculas de ATP (fosforilación a nivel de sustrato), 6 de NADH y 2 de FADH2.

Cabe preguntarse si se justifica un ciclo de varias reacciones para procesar una molécula de dos carbonos, que aparece como contradictorio con el principio de máxima economía de la lógica molecular de las células vivas. Ocurre que el papel del ciclo no se reduce a la oxidación del acetato, sino que constituye el núcleo del metabolismo intermedio, llamado así porque a él confluyen productos finales de 4 y 5 átomos de carbono que provienen de otras fuentes (grasas y proteínas) y que sirven como combustibles. Por otra parte, algunos intermedios pueden ser retirados del ciclo para actuar como precursores de otras vías biosintéticas. El ciclo de Krebs no representa necesariamente la vía más corta desde el acetato hasta el CO2, sino aquella que ha conferido mayores ventajas selectivas durante la evolución a los organismos que la poseían. En los organismos aerobios, el ciclo es una vía anfibólica (es decir, se usa tanto en procesos anabólicos como catabólicos). Funciona no solamente en el catabolismo oxidativo de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos, sino que también genera precursores de aminoácidos o de nucleótidos.


CATABOLISMO DE OTROS NUTRIENTES Muchos organismos dependen de otros nutrientes, además o en lugar de la glucosa. Los seres

humanos y otros animales obtienen más energía mediante la oxidación de los ácidos grasos provenientes de los triglicéridos (aceites o grasas) que de la oxidación de la glucosa. En algunos casos también los aminoácidos de las proteínas pueden ser utilizados como combustible. Estos nutrientes se transforman en alguno de los intermediarios que intervienen en la glucólisis o en el ciclo del ácido cítrico. Oxidación de ácidos grasos

Cada gramo de triglicérido contiene más del doble de calorías que 1 g de glucosa o de aminoácidos. Las grasas son ricas en calorías porque contienen un gran número de átomos de hidrógeno. Tanto el glicerol como los ácidos grasos de las grasas neutras pueden utilizarse como combustible. El glicerol es fosforilado y luego oxidado a PGAL y entonces sigue la ruta de la glucólisis, pero el 95% de la energía de las grasas reside en los ácidos grasos. Los ácidos grasos son convertidos en unidades de

acetil-coenzima A en un proceso que se denomina “ -oxidación” porque el carbono destinado a ser

oxidado es el carbono “ ” (el carbono siguiente al “ ”, que es el vecino al grupo ácido).

Los ácidos grasos deben ser “activados” mediante su unión a la coenzima A (acil-CoA) y luego en

cuatro pasos sucesivos y dos oxidaciones producen acetil-coenzima A y un ácido dos carbonos más corto, que se mantiene unido a la coenzima A y repite el ciclo hasta que todo el ácido graso se transforme en acetil-coenzima A. En general los ácidos grasos de los triglicéridos tienen número par de átomos de carbono, por lo que el número de moléculas de coenzima A producidas es igual a la mitad del número de

átomos de carbono del ácido graso sometido a -oxidación.

Oxidación de aminoácidos En las proteínas hay 20 aminoácidos con diversos esqueletos carbonados, por lo que hay 20 rutas

catabólicas distintas para la degradación de los aminoácidos. De todos modos, estas veinte rutas catabólicas de los aminoácidos convergen el ciclo de Krebs. En el ser humano los aminoácidos sólo



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aportan del 10% al 15% de la producción energética corporal, por lo que las rutas degradativas individuales de las proteínas son mucho menos activas que la glucólisis y la oxidación de los ácidos grasos.

Los animales carnívoros pueden obtener hasta el 90% de sus necesidades energéticas a partir de la oxidación de los aminoácidos ingeridos. Los herbívoros están mucho más limitados, en tanto que los microorganismos pueden incorporar aminoácidos si éstos se encuentran en el entorno. Finalmente, las plantas difícilmente oxidan aminoácidos, si es que lo hacen alguna vez, para obtener energía (la costosa incorporación de nitrógeno a través de la absorción de nitratos por las raíces y la disponibilidad de almidón y otros carbohidratos mediante la fotosíntesis no permiten semejante despilfarro). De todos modos, las rutas metabólicas son esencialmente similares en la mayoría de los organismos.

En los animales, la degradación de aminoácidos puede deberse a tres causas: a) que durante el recambio proteico normal algunos de los aminoácidos no se necesiten para la síntesis de nuevas proteínas, b) que la dieta sea muy rica en proteínas y c) que el organismo se encuentre en estado de inanición, recurriendo entonces a todas sus reservas.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (CADENA RESPIRATORIA)

La fosforilación oxidativa (síntesis de ATP impulsada por la transferencia de los electrones al oxígeno) es la culminación del metabolismo productor de energía en los organismos aeróbicos. Todos los pasos enzimáticos de la degradación oxidativa de glúcidos, grasas y aminoácidos en las células aeróbicas convergen en esta etapa final de la respiración celular, en la que los electrones fluyen desde intermedios catabólicos al O2 produciendo energía para la generación de ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico

(Pi). Nuestros

conocimientos actuales sobre la síntesis del ATP en la mitocondria y en los cloroplastos se basan en una hipótesis formulada por Peter Mitchell en 1961 y que le valiera el premio Nobel en 1978. Mitchell propuso que el transporte de electrones y la síntesis de ATP se acoplan mediante un gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial. La hipótesis ha recibido fuerte apoyo desde entonces y se ha convertido en la teoría quimiosmótica.

La membrana mitocondrial externa es fácilmente permeable a pequeñas moléculas e iones gracias a los canales que forma la proteína porina, que permite el pasaje de moléculas de hasta 5 kDa. La membrana interna es impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas e iones, incluidos los protones. Las únicas especies químicas que atraviesan la membrana son aquellas que cruzan la membrana interna a través de proteínas transportadoras específicas. Recuérdese que la matriz mitocondrial contiene el complejo de la piruvato

deshidrogenasa y las enzimas del ciclo del ácido cítrico, de la ruta de la -oxidación de los ácidos grasos y de las rutas de oxidación de los aminoácidos, es decir todas las rutas de oxidación de combustibles, excepto la glucólisis, que tiene lugar en el citosol.

Los electrones que entran en la cadena respiratoria son en su mayoría provenientes de la acción de deshidrogenasas que captan electrones de las reacciones oxidativas del complejo de la piruvato


deshidrogenasa, del ciclo del ácido cítrico, de la ruta de la -oxidación y de los pasos oxidativos del

catabolismo de los aminoácidos. La mayoría de las deshidrogenasas son específicas para el NAD y las restantes utilizan el FAD.

La cadena respiratoria mitocondrial consta de una serie de transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos electrones. Estos transportadores electrónicos funcionan dentro de complejos ordenados en serie (I a III), que van transfiriendo los electrones hasta el oxígeno molecular, que es el aceptor final de los mismos.

El flujo de electrones va acompañado de un pasaje de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranal. Las pruebas experimentales que se han realizado permiten suponer que se bombean unos diez protones por cada par de electrones que son transferidos desde el NADH hasta el O2. El resultado es un estado estacionario con una diferencia de aproximadamente una unidad de pH entre la matriz y el medio, siendo el interior (la matriz) alcalino.

La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria libera energía más que suficiente para canalizar la síntesis de ATP a expensas de ADP y Pi. Determinaciones cuidadosas revelan que con el NADH como dador electrónico se producen 3 ATP por par de electrones transferidos al oxígeno y que con el FADH2 se obtienen 2 ATP en las mismas condiciones. La síntesis del ATP en la mitocondria es responsabilidad de un complejo membrana-proteína de gran tamaño, la ATP sintetasa, un complejo de proteína periférica de membrana que se mantiene unida con una proteína integral. Esta última forma un canal transmembrana a través del cual pasan los protones. La energía generada como consecuencia del reingreso de los protones a la matriz mitocondrial es utilizada por la ATP sintetasa para unir el ADP al Pi y formar ATP.

Balance energético de la respiración

La generación de moléculas de ATP a expensas del proceso de oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua tiene, como hemos visto, dos vertientes: (a) la fosforilación a nivel de sustrato, es decir la producción de ATP como consecuencia de reacciones de fosforilación asociadas a oxidaciones y (b) la fosforilación oxidativa, donde el ATP es el resultado del flujo de protones a través de la membrana interna mitocondrial. El siguiente cuadro resume estos hechos

Etapa Fosforilación a nivel de sustrato Transportadores de electrones

NADH FADH2

glucólisis 2 ATP 2 NADH

Decarboxílación oxidativa del piruvato 2 NADH

Ciclo del ácido cítrico 2 ATP 6 NADH 2 FADH2

TOTALES 4 ATP 10 NADH 2 FADH2

Teniendo en cuenta que la producción de ATP a partir de los transportadores de electrones se

basa en que por cada NADH se producen 3 moléculas de ATP y que por cada FADH2 se producen 2 moléculas de ATP, tendríamos 4 ATP producidos por fosforilaciones a nivel de sustrato, 30 ATP provenientes del transporte de electrones por intermedio de NADH y 4 ATP a través del FADH2, lo que hace un total de 38 moléculas de ATP generadas como consecuencia de la respiración aerobia de una molécula de glucosa.

Se requieren sistemas de lanzadera para la oxidación mitocondrial del NADH citosólico

La membrana mitocondrial interna no es permeable al NADH, que es una molécula grande. El NADH producido en el citoplasma por la deshidrogenación en la glucólisis no puede entrar por difusión en la mitocondria y así transferir sus protones y electrones al sistema de transporte electrónico. A diferencia del ATP y del ADP, el NADH no cuenta con una proteína acarreadora para su transporte a través de la membrana. En cambio, se han desarrollado varios sistemas para transferir los electrones del NADH (no las moléculas de NADH) hacia el interior de la mitocondria.



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En las células de hígado y riñón humanas, así como en las células cardíacas, un sistema especial llamado sistema de lanzadera malato-aspartato transfiere electrones del NADH citosólico a través de la membrana mitocondrial interna a una

molécula de NAD que se encuentra en la matriz. En este caso el potencial del NADH de origen citosólico se conserva, ya que dentro de la matriz mitocondrial aparece otra molécula de NADH.

En las células del músculo esquelético, cerebro y algunos otros órganos, opera un sistema distinto que es el sistema de lanzadera del glicerol-3-fosfato. Difiere del anterior en que cede los electrones al FAD, con lo que en la matriz se genera FADH2 y no NADH. Dado que el rendimiento de la fosforilación oxidativa es menor cuando el transportador es el FADH2 (2 moléculas de ATP en lugar de las 3 que produce el NADH) el número de moléculas de ATP producidas por la oxidación completa de 1 mol de glucosa en las células del músculo esquelético y en las que tienen este tipo de lanzadera es de 36 ATP en lugar de 38.

CUESTIONARIO TÉÓRICO 1) Las mitocondrias contienen varias copias de ADN en su interior. Qué función cumple? Esto le permite

a la mitocondria prescindir de la información del ADN nuclear? 2) ¿Cómo realizan la respiración celular aeróbica algunas bacterias si carecen de mitocondrias? 3) ¿A qué se llama “metabolismo”? ¿Bajo qué criterio y cómo clasificaría las reacciones que lo

componen? 4) ¿Qué entiende por “Compuesto Reducido” y “Compuesto Oxidado?. 5) ¿Que entiende por “Reacciones Acopladas”? 6) ¿Cuáles son las etapas del Catabolismo en eucariotes aerobios? ¿Dónde ocurre cada una de ellas? 7) ¿A qué se llama Respiración Celular? ¿Cuál es su función y cómo se la divide para su estudio? 8) ¿Qué entiende por “Glucólisis”? ¿Dónde se lleva a cabo? 9) ¿A qué se llama “Fosforilación a Nivel de Sustrato”? 10) ¿Cuál es el rendimiento energético de la Glucólisis respecto a la combustión de una molécula de

Glucosa? 11) ¿A qué proceso se lo denomina Fermentación? 12) Realice un cuadro comparativo entre la Glucólisis y la Fermentación indicando: producción de ATP,

productos finales y organismos que la desarrollan. 13) Sabemos que las células animales tienen la capacidad de realizar fermentación láctica y respiración

aeróbica. Sin embargo estas células mueren rápidamente en ausencia de oxígeno. ¿A qué se debe?

Representación del sistema de la lanzadera de malato-aspartato

Representación del sistema de la lanzadera del glicerol-3-fosfato

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14) ¿De dónde provienen las moléculas de Glucosa que se degradan en la Glucólisis en animales, plantas y bacterias?

15) ¿A qué se llama “Descarboxilación Oxidativa”? ¿Dónde ocurre? 16) ¿Qué es el “Ciclo del Ácido Cítrico”? ¿Dónde se lleva a cabo? 17) Durante el “Ciclo del Ácido Cítrico” no se requiere directamente oxigeno. Sin embargo, en su ausencia

el ciclo se interrumpe. A qué se debe ello? 18) ¿Cuál es la importancia de éste proceso como centro integrador del Metabolismo? ¿Por qué se dice

que es una Vía “Anfibólica”? 19) ¿A qué se denomina “Fosforilación Oxidativa”? ¿Dónde Ocurre? 20) Explique conceptualmente la Teoría Quimiosmótica. 21) ¿Qué son los sistemas de “Lanzaderas” y para qué sirven? 22) ¿Cuál es el balance energético final de la degradación total de una molécula de Glucosa?

¿Cómo se integran otros nutrientes (Ácidos Grasos y Aminoácidos) a éste esquema catabólico? 23) ¿Qué entiende por “beta-Oxidación”. ¿Dónde se lleva a cabo?

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBERTS, B., D. BRAY, A. JOHNSON, J. LEWIS, M. RAFF, K. ROBERTS Y P. WALTER (1998)

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