Biología

Química. Bioquímica. Glucelosis. Glucosa. Fermentación. Fases. Fructosa. Lactato. Piruvato. Balance energético. Descarboxilación. Ciclo de Krebs. Mitocondrias. Fosforilación

  • Enviado por: Daniel Fondovila
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
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La biología es una rama de las ciencias naturales cual objetivo es estudiar a los seres vivos, su origen y su...
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GLUCOLISIS

La principal vía inicial del catabolismo de la glucosa es una serie de reacciones llamada glucólisis o vía de Embden-Meyerhof en memoria de dos investigadores que contribuyeron decisivamente a su conocimiento. En el curso de esta vía, una molécula de glucosa es desdoblada en dos de piruvato y se produce energía utilizable. El proceso puede cumplirse en ausencia de oxígeno (anaerobiosis).

Este mecanismo metabólico para obtener energía es evolutivamente el más antiguo, quizás utilizado por los primeros seres vivos que aparecieron en la Tierra cuando la atmósfera estaba desprovista de oxígeno. La glucólisis es también un notable ejemplo de la unidad del mundo biológico; funciona en todos los organismos vivientes, aun filogenéticamente muy distantes, siguiendo exactamente las mismas etapas. Lo que varía en distintas especies es el destino final del piruvato formado. Muchos microorganismos realizan por esta vía la degradación anaeróbica de la glucosa y otros monosacáridos; aquí el proceso es denominado fermentación. Los productos terminales difieren para distintos microorganismos. Algunos forman lactato (fermentación láctica), otros producen etanol y C02 (fermentación alcohólica) y otros pueden formar glicerol.

En los seres aerobios, la glucólisis constituye la primera parte del catabolismo de la glucosa. En ellos el piruvato puede continuar su degradación hasta la oxidación total a C02 y H20. Sin embargo, en estos seres aerobios, cuando un tejido funciona con una provisión de oxígeno insuficiente para sus necesidades, como sucede en el músculo esquelético durante un ejercicio brusco e intenso, el piruvato es convertido en lactato, al igual que en la fermentación láctica

Las transformaciones químicas de la glucólisis comprenden cambios en la molécula del sustrato original (glucosa) que determinan la producción de metabolitos ricos en energía, utilizable para la síntesis de ATP. Esta capacidad de generar ATP por mecanismos de fosforilación a nivel de sustrato, que no requieren participación de oxígeno ni de la cadena respiratoria, otorga importancia fisiológica a la glucólisis. Es precisamente este proceso el que permite al músculo obtener energía para su contracción en anaerobiosis.

La glucólisis o vía de Embden-Meyerhof, presenta una serie de reacciones, que pueden dividirse en dos fases. En la primera fase, la molécula de hexosa (glucosa) sufre dos fosforilaciones y es escindida en dos triosas fosfato. Es ésta una fase preparatoria, durante la cual se invierte energía para formar compuestos que no pueden escapar de la célula y que son químicamente más reactivos que la glucosa, más aptos para sufrir nuevas transformaciones. El resultado del primer grupo de reacciones es la ruptura de la molécula inicial de 6 carbonos en dos gliceraldehído-3 - fosfato, de tres carbonos. En la segunda fase, la triosa fosfato sufre una oxidación y redistribución de elementos en la molécula que llevan a la formación de intermediarios de alta energía, capaces de transferir grupos fosforilo al ADP para formar ATP (fosforilación a nivel de sustrato). Es en esta fase que se obtiene el rédito energético de la vía.

Todas las enzimas involucradas se encuentran en el citosol, razón por la cual la glucólisis se cumple íntegramente en el citoplasma de las células.

  • Primera fase de la glucólisis

Se ha visto que la utilización de la glucosa exige, como etapa inicial obligatoria, su fosforilación en el carbono 6. Sólo el éster glucosa-6 fosfato está en condiciones de participar en las transformaciones de la glucólisis.

Las reacciones necesarias para obtener glucosa-6-fosfato (G-6-P) son distintas según que la “materia prima" utilizada por el tejido sea glucosa o glucógeno.

A partir de glucosa, la fosforilación es catalizada por las hexoquinasas. Gracias a la gran afinidad de las isozimas I a III por la glucosa, la utilización de la hexosa en los tejidos no se afecta significativamente aun cuando los niveles de glucemia sufran alguna disminución. En el hígado, la isozima IV o glucoquinasa sólo actúa cuando los niveles de glucosa son elevados.

Glucosa Glucosa -6- fosfato

ATP ADP

Como se hizo notar anteriormente, esta reacción es irreversible en las condiciones reinantes en la célula.

Cuando se parte de glucógeno, la degradación hasta glucosa-6-fosfato se cumple en dos etapas, catalizadas sucesivamente por fosforilasa y fosfo-gluco quinasa.

GLUCOGENO GLUCOSA -1- P GLUCOSA-6-P

A partir de glucosa-6-fosfato (G-6-P) la vía glucolítica continúa con las siguientes reacciones:

1.- Formación de fructosa-6-fosfato:

Por un proceso de isomerización, la glucosa-6-fosfato es convertida en fructosa-6-fosfato (F-6-P). La reacción es fácilmente reversible y es catalizada por la fosfo-glucoisomerasa en ambos sentidos. La fosfo-glucoisomerasa requiere la presencia de iones Mg2+ o Mn2+.

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2.- Fosforilación de la fructosa-6-fosfato:

La fructosa-6-fosfato sufre una fosforilación en el carbono 1 y se transforma en fructosa-1, 6-bisfosfato (F-1,6-bisP). La reacción exige la transferencia de un grupo fosforilo, el cual es aportado por ATP. Cataliza esta transformación la fosfo-fructo quinasa, que requiere iones Mg2+.

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Esta reacción, esencialmente irreversible, es muy importante en la regulación de esta vía metabólica. La fosfo-fructoquinasa es una enzima alostérica cuya actividad puede ser modulada por distintos efectores. Es activada por AMP, ADP y fructosa-2,6-bisfosfato, e inhibida por ATP y citrato.

Al igual que en la reacción catalizada por la hexoquinasa, el acoplamiento con la hidrólisis de ATP hace posible la síntesis del éster fosfórico en el carbono 1.

3.- Formación de triosas-fosfato:

La fructosa-1,6-bisfosfato es escindida en dos triosas fosfato: D-gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona-fosfato. La reacción es catalizada en ambos sentidos por una liasa denominada aldolasa.

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Pese a que la reacción de ruptura de la fructosa- 1,6-bisfosfato es endergónica, con un G muy positivo, transcurre con toda facilidad ya que los productos (triosas- fosfato) son eliminados rápidamente por las siguientes reacciones.

4.- Interconversión de las triosas-fosfato:

De las dos triosas-fosfato producidas en la reacción anterior, sólo la D-gliceraldehído-3-fosfato puede continuar directamente la vía metabólica. La dihidroxi-acetona fosfato también sigue el camino de la glucólisis, pero para ello debe ser convertida en D-gliceraldehído-3-fosfato.

Esto es posible gracias a la conversión reversible de las triosas entre sí por acción de la triosa-fosfato isomerasa.

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  • Segunda fase de la glucólisis

En la reacción anterior se ha visto cómo la dihidroxi-acetona fosfato puede convertirse en

D-glíceraldehído-3-fosfato. Por esta razón, se considera que cada molécula de glucosa da lugar a dos moléculas de gliceraldehído. Ambas mitades de la hexosa seguirán en adelante el mismo camino.

5.- Oxidación y fosforilación del gliceraldehído-3-fosfato:

Es ésta una etapa de gran importancia en la glucólisis. En ella se produce una oxidación por dehidrogenación del gliceraldehído. La energía que esta reacción genera es utilizada para introducir ortofosfato (Pi) del medio y formar 1,3-bisfosfo-glicerato, compuesto rico, en energía. La reacción es catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato dehidrogenasa, óxidoreductasa que utiliza NAD como coenzima.

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El gliceraldehído-3-fosfato se une a un grupo sulfhidrilo esencial en el sitio activo de la enzima y es oxidado a ácido glicérico-3-fosfato. Luego se introduce un fosfato y se libera 1,3-bisfosfo-glicerato, un fosfato de acilo que posee una muy elevada energía de hidrólisis.

6.- Fosforilación a nivel de sustrato:

El fosfato de alta energía puede ser transferido para la formación de ATP en una reacción entre

1,3-bisfosfo-glicerato y ADP, catalizada por la enzima fosfoglicerato quinasa, que da como productos 3-fosfo-glicerato y ATP.

Esta reacción es exergónica ( H = negativo), G = negativo y mayor que 0, por lo tanto la reacción es espontánea.

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Las reacciones (5) y (6), sumadas, resultan reversibles en las condiciones de la célula. El potencial de transferencia de fosforilo del fosfato de acilo permite la formación de ATP a partir de ADP. Es ésta una fosforilación a nivel de sustrato y la primera reacción de la glucólisis en la cual se produce conservación de energía.

7.- Formación de 2-fosfoglicerato:

El 3-fosfoglicerato es convertido a 2-fosfoglicerato por transferencia intramolecular del radical fosfato. Esta reacción es catalizada, en ambos sentidos, por la fosfo-glicero mutasa y necesita la presencia de Mg2+.

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8.- Formación de fosfo-enol piruvato:

Se produce una deshidratación y redistribución intramolecular en el 2-fosfo-glicerato para generar un compuesto rico en energía, el fosfo-enol piruvato. La enzima que cataliza esta reacción reversible se llama enolasa y requiere la presencia de cationes Mg2+ o Mn2+.

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La pérdida de una molécula de agua produce tal redistribución de la energía del 2-fosfoglicerato, que el enlace del fosfato en el fosfoenol piruvato adquiere una muy elevada energía libre de hidrólisis.

9.- Segunda fosforilación a nivel de sustrato:

El fosfo-enol piruvato tiene potencial de transferencia suficiente para ceder el fosfato a ADP y formar ATP. La reacción es catalizada por piruvato quinasa, que requiere iones Mg2+ o Mn2+. El catión K* tiene un efecto activador sobre esta enzima.

El enol piruvato resultante de la reacción se transforma de inmediato, espontáneamente, en piruvato.

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Se ha generado así otra molécula de ATP en una segunda reacción de fosforilación a nivel de sustrato.

10.- Formación de lactato:

El piruvato formado puede seguir distintos caminos. En otra sección se tratará su degradación en condiciones de aerobiosis.

Cuando la disponibilidad de oxígeno es escasa o nula (anaerobiosis), el piruvato es reducido a lactato por acción de la lactato dehidrogenasa, enzima que utiliza NAD como coenzima. El proceso es fácilmente reversible.

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La reacción catalizada por la lactato dehidrogenasa tiene gran importancia funcional En ausencia o deficiencia de oxígeno, el NADH formado durante la oxidación del glíceraldehído-3-fosfato (reacción 5) no puede oxidarse a NAD transfiriendo equivalentes de reducción a la cadena respiratoria, pues ésta no funciona (como veremos más adelante, en aerobiosis, esta transferencia se realiza por vía indirecta, ya que la membrana interna de la mitocondria es impermeable a la coenzima). Por esta razón, la glucólisis estaría muy limitada, pues se detendría una vez que el existente en el citosol se hubiese reducido. La conversión de piruvato en lactato es un mecanismo que asegura la reoxidación del NADH y permite el funcionamiento sostenido de la glucólisis.

Esta reacción explica por qué el lactato es el producto final de la glucólisis en los tejidos que funcionan en relativa anaerobiosis, por ejemplo, el músculo esquelético.

Balance energético de la glucólisis

A fin de establecer cuál es el aprovechamiento neto de energía durante la glucólisis, es necesario realizar el balance de la vía completa.

Cada mol de glucosa que ingresa en la vía da origen a dos moles de triosa fosfato y finalmente se convierte en dos moles de lactato.

Durante la glucólisis o vía de Embden-Meyerhof a partir de glucosa hay dos etapas en las cuales se consume ATP. Cada mol de glucosa requiere un mol de ATP en la fosforilación inicial para formar

G-6-P y otro mol de ATP en la segunda fosforilación de fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bisfosfato. Cuando se parte de glucógeno no se consume ATP en la fosforilación inicial con la fosforilasa.

En la segunda fase de la glucólisis se producen dos etapas en las cuales hay síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Son las reacciones catalizadas por la fosfo-glicerato quinasa y la piruvato quinasa. Cada mol de 1,3-bisfosfo glicerato genera un mol de ATP a partir de ADP y cada mol de fosfo-enol piruvato engendra otro mol de ATP. Por lo tanto, si consideramos que cada glucosa da lugar a dos triosas fosfato, la producción total de ATP por cada mol de glucosa será de cuatro moles.

En consecuencia, el balance final de la glucólisis será una ganancia neta de dos moles de ATP por mol de glucosa utilizado.

Cada mol de ATP que se hidroliza a ADP puede ceder aproximadamente 7,3 kcal en condiciones estándar. El rendimiento de la glucólisis por mol de glucosa será entonces de 14,6 kcal en términos de energía almacenable.

Si se tiene en cuenta que el total de energía contenida en la glucosa es de 686 kcal/mol, el rendimiento logrado por el proceso de glucólisis es ínfimo. Sin embargo, es necesario tener en cuenta, para medir la eficiencia de esta vía, el hecho de que las dos moléculas de lactato formadas como producto final contienen todavía más del 93 % de la energía original de la glucosa. Esa energía puede aún aprovecharse durante la oxidación total a CO2 y H20. La glucólisis es un mecanismo perfectamente dispuesto para obtener energía de la glucosa sin recurrir a su oxidación y, en este sentido, es altamente eficaz. Gracias a ella se produce energía para la contracción muscular y otros procesos sin consumir significativamente el potencial energético del sustrato.

El lactato que se genera en los músculos durante el ejercicio pasa a la sangre y puede ser reconvertido en glucosa en el hígado, u oxidado completamente en otros tejidos, lo cual permite utilizar la energía aún contenida en su molécula que, como se dijo, es muy poco inferior a la existente en la glucosa inicial.

GASTO DE ATP (Por Mol de Glucosa)

Glucosa Glucosa-6-fosfato

- 1 Mol ATP

Fructosa-6-P Fructosa-1,6-bisP

- 1 Mol ATP

PRODUCCION DE ATP

(Por Mol de Glucosa)

1,3-bisfosfoglicerato 3-fosfoglicerato

+2 Mol ATP

Fosfo-enol piruvato Piruvato

+ 2 Mol ATP

Balance Total

+ 2 Mol ATP

DESCARBOXILACION OXIDATIVA DEL PIRUVATO

Cuando existe adecuada provisión de oxígeno, el piruvato producido en la vía glucolítica puede ser totalmente oxidado a dióxido de carbono y agua. Incluso el lactato formado en anaerobiosis sigue el mismo destino cuando hay disponibilidad de oxígeno; para ello debe ser convertido en piruvato por acción de la lactato dehidrogenasa. De esta manera, el lactato producido por el músculo en los períodos de actividad intensa es utilizado como combustible.

El piruvato formado en el citoplasma de las células como producto de la glucólisis o vía de Embden-Meyerhof es degradado oxidativamente dentro de las mitocondrias. Para ello atraviesa la membrana interna de estas organelas gracias a un transportador que lo introduce en la matriz. Aquí se cumple el primer paso de su degradación, que es una descarboxilación oxidativa, en la cual se pierde el grupo carboxilo, se desprende CO2, y queda un resto de dos carbonos (acetilo o acetato).

La descarboxilación oxidativa del piruvato es catalizada por un sistema multienzimático denominado complejo piruvato dehidrogenasa. Este complejo es una voluminosa agrupación molecular, constituida por tres enzimas: a) piruvato dehidrogenasa, también llamada piruvato descarboxilasa,

b) dihidrolipoil transacetilasa c) dihidrolipoil dehidrogenasa.

Participan cinco coenzimas: a) pirofosfato de tiamina (PPT) b) ácido lipoico c) coenzima A d) FAD y e) NAD. El ordenamiento de los componentes del sistema en el complejo asegura un funcionamiento eficiente.

De las coenzimas participantes, el pirofosfato de tiamina (PPT) es un derivado de tiamina o vitamina B1. El ácido lipoico es un ácido graso saturado de ocho carbonos, que posee grupos sulfhidrilos en los carbonos 6 y 8. Los grupos -SH se oxidan reversiblemente, formando un puente disulfuro (-S-S-). La presencia de los grupos sulfhidrilos hace que el lipoato actúe como aceptor y transportador de hidrógenos.

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La coenzima A (CoA) posee estructura nucleotídica. Está constituida por adenina, ribosa, dos restos fosfato, un resto ácido pantoténico (vitamina del complejo B) y mercapto etilamina. La coenzima A actúa como aceptora y transportadora de restos acilo, que se unen a ella por una unión tioéster de gran energía libre de hidrólisis.

En forma resumida, el proceso puede representarse por la siguiente ecuación total:

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Básicamente, las etapas son las siguientes: a) La piruvato dehidrogenasa, unida a PPT, cataliza la descarboxilación del piruvato. Se libera C02 y queda un resto de dos carbonos (acetilo, que es cedido a ácido lipoico. b) El resto acetil es transferido desde el ácido lipoico a coenzima A, en una reacción catalizada por la dihidrolipoil transacetilasa; lipoato queda reducido c) El siguiente paso consiste en la oxidación de lipoato, catalizada por la dihidrolipoil dehidrogenasa, una flavoproteína con FAD, que final mente transfiere los hidrógenos a NAD. El proceso es irreversible en condiciones fisiológicas En esta serie de reacciones se forman C02, NADH + H+ y acetil-CoA.

La actividad del complejo de la piruvato dehidrogenasa puede ser modificada por diferentes metabolitos, hecho que convierte a este sistema multienzimático en un sitio de regulación.

Como se ha visto, el resto de dos carbonos resultante de la descarboxilación del piruvato queda unido por un enlace tioéster de alta energía a la coenzima A, formando acetil-CoA, también llamado “acetato activo”. El acetilo ad quiere así gran reactividad y puede participar en transformaciones químicas. El NAD reducido (NADH + H+) generado en la reacción, cede sus hidrógenos a la cadena respiratoria, donde finalmente se unen con oxígeno para formar agua. Cada dos hidrógenos que se transfieren en la cadena respiratoria desde NAD generan tres moléculas de ATP a partir de ADP. Por esta razón la descarboxilación oxidativa de un mol de piruvato puede engendrar tres moles de ATP.

GRAFICO 11-6 DEL LIBRO DE BLANCO

CICLO DE KREBS, DEL ACIDO CÍTRICO O DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

La acetil-coenzima A es un intermediario "clave" en el metabolismo oxidativo y también en el proceso de síntesis de muchos constituyentes de la célula. Este intermediario no sólo se forma por descarboxilación del piruvato, sino también por oxidación de ácidos grasos, de aminoácidos, etc. Además, este resto de dos carbonos puede ser utilizado para la síntesis de estructuras moleculares como colesterol, ácidos grasos y otras. Esto convierte al acetato activo en una importantísima encrucijada a la cual convergen numerosas vías metabólicas.

El resto acetilo puede ser oxidado en las células, hasta CO2 y H20. Esto se cumple a través de un ciclo metabólico, propuesto en la década del 30 por Hans Krebs, uno de los más destacados bioquímicos de este siglo. Esta vía es conocida por los nombres de ciclo de Krebs, o del ácido cítrico, o de los ácidos tricarboxílicos y se cumple íntegramente dentro de las mitocondrias. Comprende una serie de reacciones en las cuales se produce la oxidación total de restos acetato procedentes de muy distintos orígenes (de glúcidos, grasas, aminoácidos, etc.) La acetil-CoA actúa como alimentadora del ciclo e inicia las reacciones combinándose con oxalo-acetato. Al final del cielo se regenera oxalo-acetato. Puede decirse que este compuesto funciona de una manera catalítica en la oxidación del resto acetilo, el cual forma dos moléculas de C02.

Reacciones del ciclo de Krebs:

1.- Formación de ácido cítrico.

La condensación del resto de dos carbonos de la acetil-coenzima A con oxalo-acetato, intermediario dicarboxílico de cuatro carbonos, da citrato (forma iónica del ácido cítrico), compuesto de seis

carbonos y tres grupos carboxílicos. Esta reacción es catalizada por una enzima condensante,

la citrato sintetasa. El estado "activado" del resto acetilo permite la formación de una unión

carbono-carbono entre el metilo del acetato y el carbonilo del oxalo-acetato.

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Debido a la hidrólisis exergónica del enlace tioéster del acetil-CoA, la reacción es fuertemente desplazada hacia la formación de citrato y puede considerarse esencialmente irreversible.

La citrato sintetasa es una enzima regulatoria, inhibida por ATP.

2.- Formación de isocitrato:

El citrato sufre un proceso de isomerización, convirtiéndose, en isocitrato en dos etapas: primero se deshidrata a cís-aconítato y luego recupera agua y forma isocitrato. Ambas etapas son catalizadas por la misma enzima, la aconitasa.

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3.- Oxidación de isocitrato:

El isocitrato experimenta una dehidrogenación que lo convierte en oxalo-succinato. Cataliza esta reacción la isocitrato dehidrogenasa, óxido-reductasa que utiliza NAD como coenzima y requiere Mg2+ o Mn2+ para su actividad. Es una enzima alostérica; su afinidad por el sustrato es aumentada por la presencia de ADP, mientras que el ATP y el NADH tienen efecto inhibitorio. Se considera que esta etapa es el principal sitio de regulación del funcionamiento del ciclo.

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Hasta aquí los intermediarios formados son compuestos con tres carboxilos en su molécula, razón por la cual el ciclo de Krebs suele también ser llamado de los ácidos tricarboxílicos.

4.- Descarboxilación del oxalo-succinato.

La misma enzima responsable de la reacción anterior, la isocitrato dehidrogenasa, puede catalizar la descarboxilación del oxalo-succinato para dar -ceto-glutarato.

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En esta etapa se libera la primera molécula de CO2 y se origina un intermediario dicarboxílico de cinco carbonos.

5.- Descarboxilación oxidativa del -cetoglutarato :

El -cetoglutarato sufre una descarboxilación oxidativa que tiene mucho en común con la descripta para el piruvato. El proceso es catalizado por un sistema multienzimático llamado complejo -ceto-glutarato dehidrogenasa, formado por tres enzimas que requieren las coenzimas pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, coenzima A, FAD y NAD. El mecanismo de la reacción es similar al de la descarboxílación del piruvato. Los productos de la reacción son C02 , NADH + H+ y succinil-SCoA. Este último es un resto dicarboxílico de cuatro carbonos unido a la coenzima A por un enlace tioéster de alta energía. En resumen, la reacción puede representarse así:

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La reacción es fuertemente exergónica y prácticamente irreversible.

6.- Formación de succinato:

La succinilcoenzima A es convertida en succinato y CoA libres por la acción de la succinato tioquinasa. Esta reacción requiere la presencia del nucleótido guanosina difosfato (GDP) y de fosfato inorgánico (Pi). La energía contenida en la unión tioéster es utilizada para realizar una fosforilación del GDP y obtener el compuesto rico en energía, guanosina trifosfato (GTP).

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Es ésta la única etapa del ciclo de Krebs en la cual se genera una unión fosfato de alta energía a nivel del sustrato.

A partir del GTP se puede formar ATP, por la reacción catalizada por nucleósido difosfato quinasa:

GTP + ADP GDP + ATP

7.- Dehidrogenación del succinato:

El succinato es oxidado a fumarato por acción de la succinato dehidrogenasa, flavoproteína que posee FAD como aceptor de hidrógenos. La enzima muestra gran especificidad, produce sólo el isómero trans (fumarato). No se forma maleato, compuesto isómero de configuración cis.

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A diferencia de las otras enzimas que participan en el ciclo, todas las cuales se encuentran en la matriz mitocondrial, la succinato dehidrogenasa está firmemente unida a la membrana interna de la organela.

Esta enzima es pasible de regulación, ya que es fuertemente inhibida en forma competitiva por oxalo-acetato, último (o primer) intermediario del ciclo.

8. Hidratación del fumarato.

El fumarato sufre adición de H2O y se convierte en malato. La reacción es catalizada por una hidratasa llamada fumarasa.

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9.- Oxidación del malato.

El malato pierde dos hidrógenos para transformarse en oxaloacetato. Cataliza la reacción la enzima malato dehidrogenasa, que utiliza NAD como coenzima.

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Esta reacción es endergónica, con un G muy positivo. Sin embargo, en condiciones fisiológicas marcha fácilmente de izquierda a derecha.

Con la formación de oxalo-acetato, compuesto final e inicial de la serie de reacciones, se cierra el ciclo. Durante una vuelta completa del mismo se han liberado dos moléculas de CO2 y ocho átomos de Hidrógeno. Tres pares de esos hidrógenos han sido cedidos a NAD y el par restante, a FAD. En la cadena respiratoria esos cuatro pares de hidrógeno formarán, uniéndose con oxígeno, cuatro moléculas de H2O.

Mediante estudios con isótopos radiactivos se ha comprobado que los dos carbonos liberados en forma de CO2 en cada vuelta no pertenecen al acetato que ingresa en el ciclo en esa vuelta, sino que proceden del oxalo-acetato. En los ciclos siguientes se eliminarán los carbonos que se introdujeron con el primer acetilo. De cualquier modo, los dos carbonos liberados mantienen el balance del ciclo y, a los efectos prácticos, pueden considerarse producto de la oxidación del acetato.

GRAFICO 11-8 PÁGINA 228 DEL LIBRO DE BLANCO

Balance energético del ciclo de Krebs

La oxidación del acetato en el ciclo del ácido cítrico tiene un alto rendimiento en cuanto a energía capturada en forma de potencial de transferencia de fosforilo.

En las reacciones de oxidación del ciclo, las coenzimas que son reducidas ceden sus hidrógenos, en la cadena respiratoria, en la cual el flujo de electrones se acopla con la fosforilación de ADP para dar ATP. Cada par de hidrógenos transferidos a partir de NAD genera tres moléculas de ATP; los que ingresan a partir de flavoproteínas (FAD) producirán dos ATP.

Balance energético de la oxidación del acetato en el ciclo de Krebs

Isocitrato Oxalosuccinato

(NADH)

3 Mol ATP

-Cetoglutarato Succinil-CoA

(NADH)

3 Mol ATP

Succinil-CoA Succinato

1 Mol ATP

Succinato Fumarato

(FADH2)

2 Mol ATP

Malato Oxala-acetato

(NADH)

3 Mol ATP

Total por Mol de acetato

12 Mol ATP

Balance energético de la oxidación de la glucosa

Se puede ahora calcular la producción total de energía a partir de un mol de glucosa, cuando ésta es completamente degradada en el organismo hasta CO2 y H20.

- Glucólisis: En anaerobiosis, 1 mol de glucosa genera 2 moles de ATP. Cuando hay adecuada provisión de oxígeno, el NAD reducido durante la oxidación gliceraldehído-3fosfato puede transferir sus electrones a la cadena respiratoria. Se producen así 3 enlaces de ATP.

Dado que una glucosa origina dos triosas fosfato, por cada glucosa se producen 6 ATP en esta etapa. Estos, sumados a los 2 ATP de la, glucólisis, dan una producción de 8 ATP por glucosa.

- Descarboxilación del piruvato: Se generan 3 ATP en la cadena respiratoria por transferencia de los equivalentes reductores del NAD reducido. Como cada glucosa da dos piruvatos, la ganancia de ATP en este proceso será de 6 moles por mol de glucosa.

- Ciclo del ácido cítrico: La producción total por acetato es de 12 ATP. Cada glucosa origina dos acetatos, de modo que la producción por mol de glucosa será 24 moles de ATP.

Producción energética total de la oxidación de 1 mol de glucosa

Glucólisis

8 moles de ATP

Descarboxilación oxidativa

piruvato

6 moles de ATP

Ciclo del ácido cítrico

24 moles de ATP

Producción total

38 moles de ATP

Como la energía libre de la hidrólisis de ATP es 7,3 kcal/mol, la energía total captada en forma de ATP por mol de glucosa es de alrededor de 277 kcal.

Cuando un mol de glucosa es quemado en un calorímetro, se forma C02 y H2 0 y se liberan 686 kcal. Del cálculo realizado se deduce que el rendimiento (porcentaje de la energía contenida en el combustible aprovechada para la realización de trabajo) de la vía oxidativa en el organismo es aproximadamente el 40 %.

Oxidaciones biológicas

Gran parte de los sustratos que se oxidan en el organismo sufren dehidrogenación. Los hidrógenos sustraídos al sustrato han de unirse finalmente a oxígeno molecular para formar agua:

½ O2 + 2 H+ + 2 e - H2O

El potencial de reducción (Eo) de esta semireacción es + 0,82 voltios.

Las reacciones de dehidrogenación son catalizadas por enzimas (dehidrogenasas) específicas para cada sustrato; los hidrógenos son captados por la coenzima, que puede ser un nucleótido de nicotinamida (NAD o NADP) o una flavina (FAD).

Para el NAD, la semirreacción puede representarse:

NAD+ + 2 H+ + 2 e- NADH + H+

Eo = -0,32 voltios

La diferencia de potencial entre las cuplas redox ½ 02/H20 y NAD+/NADH + H+ es + 0,82 - (-0,32) =

1, 14 voltios. Por lo tanto, el G de la reacción de óxido-reducción entre ambos pares será:

G = - n . F. EO = -2 x 23,062 x 1,14 = -52,58 kcal/mol

Se trata de una reacción fuertemente exergónica; si ocurriese en una etapa, se produciría en forma brusca una liberación considerable de energía que la célula no podría aprovechar y se dispersaría en el medio como calor. En los procesos biológicos, en general los hidrógenos que se quitan al sustrato no son directamente oxidados por el oxígeno, sino que van siendo transferidos, en etapas sucesivas, a distintas sustancias aceptoras de potencial de reducción creciente. De este modo, la energía producida es liberada en forma fraccionada, en porciones adecuadas para su captación por la célula.

Este esquema muestra de que manera se realiza el proceso.

El sustrato reducido (SH2) es oxidado por un compuesto A cuyo potencial de reducción es superior. El sustrato reducido cede sus hidrógenos a A, que se reduce (AH2). La liberación de energía en esta reacción es proporcional a la diferencia entre los potenciales de reducción del sustrato y de A. A continuación, AH2 es oxidado por el compuesto B, de un potencial algo mayor y, de nuevo, ocurre una moderada liberación de energía. El proceso se repite entre BH2 y el compuesto siguiente (C) y luego entre CH2 y el compuesto D, cuyo potencial de reducción está más próximo al del agente oxidante terminal, que es el oxígeno molecular. El resultado final es el mismo del de la oxidación directa, el oxígeno capta los dos hidrógenos para formar agua, pero la liberación de energía ha sido subdividida en fracciones que pueden ser utilizadas para la producción de trabajo.

Potenciales de reducción estándar (Eo) de algunos pares redox de importancia biológica

Semirreacción

Eo (en Voltios)

-cetoglutarato + 2 H+ + 2 e -

Succinato + CO2

- 0,67

Acetato + 2 H+ + 2 e -

Acetaldehído

- 0,60

H+ + e -

½ H2

- 0,42

NAD+ + 2 H+ + 2 e -

NADH + H+

- 0,32

NADP+ + 2 H+ + 2 e -

NADPH + H +

- 0,32

Piruvato + 2 H+ + 2 e -

Lactato

- 0,19

FAD + 2 H+ + 2 e -

FADH2

- 0,12

Fumarato + 2 H+ + 2 e -

Succinato

+ 0,03

Citocromo b (Fe 3+)

Citocromo b (Fe 2+)

+ 0,04

Coenzima Q + 2 H+ + 2 e -

Coenzima QH2

+ 0,10

Citocromo c1 (Fe 3+) + e -

Citocromo c1 (Fe 2+)

+ 0,22

Citocromo c (Fe 3+) + e -

Citocromo c (Fe 2+)

+ 0,25

Citocromo a (Fe 3+) + e -

Citocromo a (Fe 2+)

+ 0,29

½ O2 + 2 H+ + 2 e -

H2O

+ 0,82

Representación de la oxidación biológica

GRAFICO 8-3 PAGINA 169 DEL LIBRO DE BLANCO

Cadena respiratoria

Los hidrógenos sustraídos a los sustratos son transferidos en forma gradual a través de una serie de aceptores, los cuales experimentan cambios reversibles en su estado redox. Estos aceptores están dispuestos ordenadamente según un gradiente de potencial de reducción creciente y asociados íntimamente a las enzimas que catalizan las transferencias. El conjunto recibe el nombre de cadena respiratoria o cadena de transporte electrónico, proceso exergónico, G negativo.

Se ha visto también que muchos sustratos sufren dehidrogenación catalizada por enzimas específicas cuyas coenzimas captan los hidrógenos nos y los ceden luego a aceptores de la cadena respiratoria.

En la consideración global de este proceso, debe tenerse en cuenta que dos hidrógenos cedidos en una reacción redox representan la suma de dos protones (H+) y dos electrones (e - ).

Hidrógenos y electrones frecuentemente son denominados equivalentes de reducción.

La cadena respiratoria comprende una serie de etapas. En las primeras se transfieren juntos los dos protones y los dos electrones pertenecientes al par de hidrógenos cedido por el y sólo los electrones continúan el pasaje desde un aceptor a otro. Al final el oxígeno capta electrones para formar 0 2-, altamente reactivo, que se une a dos protones del medio y da agua como producto terminal.

Durante todo el recorrido, los electrones fluyen naturalmente en el sentido que les fija el desnivel en el potencial de reducción de los aceptores. Como en el sistema esquematizado anteriormente, se deslizan desde A a B, a C, a D, y a oxígeno secuencialmente, impulsados por un potencial creciente.

Al analizar el proceso de oxidación de un sustrato y la transferencia ordenada de electrones, uno podría preguntarse por qué el sustrato no entrega sus hidrógenos directamente al oxígeno o a otros aceptores con mayor potencial de reducción que el NAD por ej., siendo que esas reacciones son termodinámicamente más favorables. Para comprender este fenómeno debe recordarse que toda reacción bioquímica transcurre, en las condiciones existentes en la célula, gracias a la existencia de catalizadores que disminuyen la energía de activación. Sólo la presencia de enzimas específicas asegura el cumplimiento de las etapas que han de cumplirse y la liberación de energía en forma gradual y controlable. Los hidrógenos no pasan directamente de un sustrato dado al oxígeno o a cualquier otro aceptor si no existen enzimas que catalizan en esas transferencias.

Mitocondrias

Las mitocondrias son las organelas en las cuales tiene lugar la transferencia ordenada de electrones y la captación de la energía que ese flujo de electrones produce. El tamaño, forma y número varían de un tejido a otro, pero la estructura básica de las mitocondrias es la misma en todos. Poseen una membrana externa, en contacto con el medio citoplasmático o citosol, permeable a iones y moléculas de pequeño tamaño. Esta permeabilidad se debe a la existencia de poros o canales formados por una proteína transmembrana llamada porina. Dentro de la membrana externa se encuentra un segundo saco cerrado, constituido por la membrana interna, que delimita un espacio central o matriz mitocondrial. La membrana interna posee una permeabilidad muy selectiva; solo puede ser atravesada libremente por el

agua, el 02, el C02, el NH3 y algunos monocarboxilatos. Presenta invaginaciones llamadas crestas, las cuales son más abundantes en mitocondrias de células con intensa actividad respiratoria. En la cara interna, existe un gran número de formaciones esferoidales (partículas submitocondriales) que, implantadas en un corto tallo, hacen saliencia hacia la matriz.

Se han ideado procedimientos para separar ambas membranas mitocondriales y estudiar la localización de sus componentes, Hay varias enzimas ubicadas en la membrana externa y en el espacio intermembrana. En la masa gelatinosa de la matriz se encuentra un gran número de enzimas integrantes de importantes vías metabólicas. En la membrana interna existen, incluidas en la doble capa lipídica, muchas proteínas que le confieren gran importancia funcional. En ella se encuentran los componentes de la cadena respiratoria, las estructuras y enzimas responsables de la captación de energía y síntesis de ATP y los distintos sistemas de transporte de sustancias a través de la membrana.

Partículas

Matriz Submitocondriales

'Biología'

Espacio Cresta Membrana

Intermembrana Interna

Componentes de la cadena respiratoria

Todos los integrantes de la cadena de transporte de electrones se encuentran en la membranana interna de la mitocondria, constituyendo un sistema multienzimático altamente ordenado. Su inclusión en la membrana asegura la disposición espacial adecuada para un óptimo funcionamiento.

A la matriz mitocondrial llegan, o en ella se forman, numerosos sustratos oxidables de distinta naturaleza (piruvato, -ectoglutarato, malato, isocitrato, glutamato, 3-0H-acilcoenzinia A, etc.) que son dehidrogenados en reacciones catalizadas por enzimas específicas (dehidrogenasas) cuya coenzima es un nucleótido de nicotinamida. La nicotinamida, derivada M núcleo piridina, está relacionada con el ácido nicotínico, vitamina perteneciente al grupo o complejo B. En las células existen dos coenzimas de este tipo, el nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) y el nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP). Ambos actúan como aceptores de hidrógeno y electrones. En su estado reducido, estas coenzimas se encuentran unidas a un hidrógeno y a un electrón, de modo que de los dos hidrógenos cedidos por el sustrato queda un protón en el medio. Las reacciones pueden representarse:

AH2 + NAD+ A + NADH + H+

AH2 + NADP+ A + NADPH + H+

La porción nicotinamida de la molécula es la que actúa como aceptora de hidrógeno y electrones. Uno de los hidrógenos se une al carbono 4 anillo piridina, mientras que un electrón del otro hidrógeno se fija al nitrógeno del ciclo. Queda un protón libre en el medio.

'Biología'
'Biología'

La oxidación del NADH citosólico se realiza mediante sistemas lanzaderas, con capacidad de transferir hidrógenos desde el citosol hacia la cadena respiratoria en las mitocondrias. Los equivalentes de reducción no es el mismo si han sido captados por NAD o por el NADP. El NAD reducido en la matriz mitocondrial cede hidrógenos a la cadena respiratoria para cumplir con la finalidad de producir energía, mientras que el NADP reducido transfiere hidrógenos a ser utilizados preferentemente en la síntesis de compuestos como ácidos grasos, esteroides, etc. Sin embargo, eventualmente el NADP reducido puede transferir H al NAD en una reacción catalizada por la enzima transhidrogenasa :

NADPH + NAD+ NADP+ + NADH

De esta manera los hidrógenos originalmente captados por el NADP podrían llegar a la cadena respiratoria.

Flavoproteínas: El NAD reducido es oxidado por el primer complejo enzimático de la cadena respiratoria que contiene a la NADH dehidrogenasa y está incluido en la membrana interna de la mitocondria. El complejo llamado NADH-ubiquinona reductasa contiene una molécula de flavina mononucleótido (FMN) como grupo prostético firmemente unido a y 16 a 24 átomos de hierro que forman parte de 5 a 8 centros-sulfurados. Estos centros poseen átomos de hierro. Cada átomo capta un electrón y pasa de estado férrico a ferroso (Fe3+ a Fe2+).

Los electrones transferidos desde NADH al complejo NADH-ubiquinona reductasa serian captados inicialmente por el FMN, el cual se reduce a FMNH2; luego pasan sucesivamente por átomos de Fe de distintos centros Fe-S del complejo y finalmente son cedidos a la ubiquinona o Coenzima Q. El FMN y los átomos de Fe se reoxidan y la coenzima Q se reduce (CoQH2).

En la matriz mitocondrial existen otros sustratos, como el succinato, acil-coenzima A, 3-fosfo-glicerol, etc, que pueden ser oxidados por dehidrogenasa con flavina adenina dnucleótido (FAD) el cual se reduce a FADH2 .

Coenzima Q: Recibe el nombre de ubiquinona, Es el único aceptor de la cadena que no está unido a proteínas. Se aloja en la zona apolar de la bicapa lipídica de la membrana interna dentro de la cual se desplaza. Esto se debe a su naturaleza hidrófoba. Actúa como un portador móvil de electrones.

La CoQH2 es reoxidada transfiriendo dos electrones al sistema de los citocromos. En este punto quedan 2 electrones libres.

Citocromos: Son hemoproteínas con capacidad de aceptar electrones. El átomo de Fe del hemo capta un electrón, pasando de un estado oxidado (Fe3+) al reducido (Fe2+).

Hay varios tipos de citocromos en la cadena respiratoria (a, b y c) que se distinguen por la estructura proteica y por tener distintas cadenas laterales en el grupo hemo. Hay 2 citocromos a (a y a3), 2 citocromos b (b566 y b562) y 2 citocromos c ( c y c1). Su ordenación es por potencial de reducción creciente b566-b562-c1-c-a-a3 y en ese orden participan en la transferencia de electrones en la cadena respiratoria.

Los electrones pasan desde la coenzima Q reducida al citocromo b566 del complejo; luego al citocromo b562, al centro Fe-S y al citocromo c1, para ser finalmente cedidos al citocromo c. Este citocromo c es una hemoproteína, compuesta por 104 restos aminoácidos y un grupo prostético hemo igual al de la hemoglobina y la mioglobina. Se ubica del lado exterior de la membrana mitocondrial interna. Recibe electrones de la ubiquinona-citocromo c reductasa y los transfiere al complejo citocromo oxidasa, que tiene a cargo la última etapa del transporte.

La citocromo oxidasa está formada por siete subunidades polipeptídicas. Este complejo atraviesa todo el espesor de la membrana, al igual que los de NADH-ubiquinona reductasa y ubiquinona-citocromo c reductasa.

Cada complejo citocromo oxidasa contiene un citocromo a, uno a3 y dos iones cobre, que formarían dos centros hemo-Cu. La citocromo oxidasa es el único componente del sistema de transporte electrónico con capacidad para reaccionar directamente con oxígeno transfiriéndole electrones. Una molécula de oxígeno (02) capta cuatro electrones y se convierte en oxígeno activado(02-)2, que se une a cuatro protones para formar dos moléculas de agua. La reacción total sería:

02 + 4 e- + 4 H+ - 2 H20

En esta reacción convergen al mismo tiempo cuatro electrones, lo cual plantea un interrogante de difícil respuesta, ya que el citocromo a3, último aceptor de la cadena, sólo transporta un electrón por vez y los electrones no pueden existir libres en el medio.

Se ha propuesto, para explicar esta reacción, que la reducción completa del oxígeno se realizaría en un ciclo de varias etapas durante el cual una molécula de oxígeno es fijada por la c¡tocromo oxidasa entre los iones Fe2 y Cu+ de su centro citocromo C3-CU. Por cesión de un electrón de cada uno de esos iones, el oxígeno se convierte en un dianión (0-) 2, al cual se le agregan luego otros dos electrones del citocromo a y del ión Cu restante. Durante las etapas del ciclo ingresan cuatro electrones y cuatro protones y se liberan dos moléculas de agua.

El complejo I comprende a la NADHubiquinona reductasa. Por intermedio del NAD, recibe hidrógenos de sustratos oxidados por dehidrogenasas ligadas a esa coenzima. Contiene FMN y varios centros Fe-S. Entrega los hidrógenos a la ubiquinona.

El complejo II corresponde a la succinato ubiquinona reductasa. Posee un grupo prostético FAD y tres centros Fe-S. Transfiere equivalentes de reducción desde el succinato a la coenzima Q.

El complejo III es la ubiquinona-citocromo c reductasa. Contiene los citocromos b566, b562 Y c, y un centro Fe-S. Transfiere electrones desde la ubiquinona hacia el citocromo c.

El complejo IV es la citocromo oxidasa, en la cual están incluidos los citocromos a y a3 y dos iones Cu.

GRAFICO 9-13 PAGINA 223 DE CURTIS

Inhibidores: Un recurso útil para establecer la secuencia de la cadena ha sido el uso de inhibidores que actúan en sitios específicos. El estado redox de los distintos componentes puede ser determinado por espectrofotometría directamente en suspensiones de mitocondrias y puede conocerse así cuáles están más reducidos y cuáles más oxidados. Cuando se agrega a la preparación un inhibidor que bloquea la transferencia de electrones en un punto determinado, los componentes de la cadena que participan en las instancias anteriores al sitio afectado aparecerán reducidos y los que corresponden a etapas posteriores estarán más oxidados, pues no reciben electrones. Los estudios con distintos agentes bloqueantes del transporte de electrones apoyan el ordenamiento propuesto Entre los inhibidores más utilizados en estas experiencias citaremos sólo algunos como ejemplo.

Actúan a nivel del complejo I (NADHubiquinona reductasa), la rotenona, producto vegetal que es un poderoso veneno de peces, el amital y otros barbitúricos, anestésicos como el halotano, etc. Estas sustancias impiden la llegada a la CoQ de hidrógenos procedentes de sustratos oxidados por dehidrogenasas ligadas a NAD. No afectan, en cambio, la oxidación de succinato y otros sustratos que ceden hidrógenos a flavoproteínas con FAD, probando así que éstos siguen otra vía.

El antibiótico antimicina inhibe el transporte de electrones entre el citocromo b y el c, esto es, afecta al complejo III

Los cianuros (CN- ), el monóxido de carbono (C0) y las azidas (N3- ) inhiben específicamente a la citocrorno-oxidasa o complejo IV y bloquean la etapa final de activación del oxígeno.

El uso de inhibidores no sólo ha ayudado a establecer la secuencia de la cadena respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos fármacos y de ciertos venenos.

FOSFORILACION OXIDATIVA

Hasta aquí se ha analizado el curso de las oxidaciones en las mitocondrias y el flujo de electrones en la cadena respiratoria a favor del gradiente de potencial de reducción. Se trata de un proceso exergónico, que transcurre con disminución de energía libre (- G). Interesa ahora examinar cómo el potencial de transferencia de electrones es convertido en potencial de transferencia de fosforilos para la síntesis de ATP. La unión de ADP con fosfato inorgánico (Pi):

ADP + Pi - ATP + H20

es una reacción endergónica que puede ocurrir si es "acoplada" a procesos que suministren la energía necesaria. La producción de ATP utilizando la energía liberada durante el transporte de electrones a lo largo de la cadena respiratoria es denominada fosforilación oxidativa.

Puesto que el G de hidrólisis de la unión entre el tercer y el segundo fosfato del ATP es de -7,3 kcal por mol, es lógico pensar que se requerirá una cantidad igual o mayor de energía para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.

Cuando un sustrato es oxidado en reacciones catalizadas por enzimas que utilizan NAD, éste transfiere los equivalentes de reducción al primer componente de la cadena (NADH dehidrogenasa) y desde allí recorren todos los aceptores intermedios hasta producir finalmente una molécula de agua. Según el cálculo expuesto anteriormente, este proceso transcurre con una disminución total de energía libre de

-52,58 kcal por mol, la cual se fracciona en una serie de etapas. Tres de esas etapas producen liberación de energía suficiente como para acoplar a cada una la formación de un enlace fosfato de alta energía: a) la transferencia de hidrógenos desde NADH a CoQ ( G = -16,6 kcal/mol), b) la cesión de electrones de citocromo b a c1 ( G = -8,3 kcal/mol) y c) la reacción final entre citocromos a-a3 y oxígeno ( G = -24,4 kcal/mol).

Inhibidores y agentes bloqueantes de la fosforilación oxidativa han suministrado pruebas en favor de la existencia de tres sitios en la cadena respiratoria en los cuales se acopla el transporte de electrones con la síntesis de ATP. Esos sitios parecen coincidir, con gran aproximación, con los de las etapas altamente exergónicas.

El primer sitio se encontraría a nivel de la NADH-ubiquinona reductasa o complejo I, el segundo, entre los citocromos b y c, es decir, comprende el complejo III o ubiquinona-citocromo c reductasa y el tercero, entre el complejo de la citocromooxidasa y el oxígeno.

Utilizando malato, compuesto que cede dos hidrógenos a NAD en una reacción catalizada por una dehidrogenasa, se comprobó que la relación entre moléculas de fosfato y átomos de oxígeno consumidos (relación P: O) es igual a tres. Por cada par de hidrógenos o electrones transferidos a todo lo largo de la cadena respiratoria, se unen tres moléculas de fosfato a ADP para formar ATP. Esto apoya la afirmación de que el flujo de un par de electrones permite la síntesis de tres moléculas de ATP. La misma relación P:O de 3 se obtiene con otros sustratos que ceden hidrógenos a NAD.

Cuando se utiliza succinato, sustrato oxidado en una reacción catalizada por una dehidrogenasa ligada a FAD, la relación P:O es igual a 2. La producción de ATP es de dos moléculas por cada par de electrones transferidos. El valor 2 para la relación P:O se observa también con sustratos oxidados en reacciones en las cuales la coenzima es FAD. Estos resultados confirman la observación de que uno de los sitios de producción de ATP se encuentra asociado a la NADH-ubiquinona reductasa (sitio l), pues cuando los equivalentes de reducción ingresan por otra vía (FAD - CoQ), el rendimiento es de dos ATP en lugar de tres por cada par de electrones.

Mecanismos de la fosforilación oxidativa

Un problema muy difícil de resolver es el del mecanismo por el cual la energía producida por la transferencia de electrones es aplicada a la síntesis de ATP.

El primer paso importante fue el aislamiento, en la década del 60, de las estructuras en las cuales se forma el ATP a partir de ADP y Pi. Esta función está asociada a las partículas submitocondriales, formaciones esferoidales implantadas en la cara de la membrana interna que mira hacia la matriz. Las partículas están constituidas por un conjunto de nueve unidades polipeptídicas. Cuando están separadas de la membrana, estas partículas sólo catalizan la hidrólisis de ATP, razón por la cual inicialmente se las consideró como una adenosín trifosfatasa (ATPasa). La partícula fue designada FI. Normalmente están unidas a la membrana por un vástago proteínico. Este tallo y la porción de membrana a él asociada reciben el nombre de segmento F0 Las proteínas del tallo atraviesan todo el espesor de la membrana y poseen un conducto o "túnel" en su centro. El complejo F1-F0 integrado a la membrana puede actuar como ATP sintetasa.

GRAFICO 8-13 PAGINA 180 DEL LIBRO DE BLANCO

Aún existen muchos aspectos no resueltos del mecanismo de acoplamiento entre la transferencia de electrones y la síntesis de ATP, es decir, el proceso de transducción de energía. Este abarca la transmisión de la energía producida durante el transporte electrónico al sitio donde se encuentran los complejos de fosforilación y la utilización de la energía por esos complejos (partículas submitocondriales) para la síntesis de ATP.

Se han postulado varias hipótesis:

1) En 1953, Slater propuso la hipótesis llamada química, que postula la formación de un intermediario químico de alta energía, muy inestable, entre la cadena respiratoria y la síntesis de ATP. Hasta ahora nadie ha podido demostrar la existencia de tal intermediario.

2) En 1964 Boyer presentó su hipótesis conformacional, la cual sostiene que el proceso de transducción de energía se realiza a través de proteínas capaces de sufrir cambios conformacionales responsables de transferir energía de los sistemas redox a la síntesis de ATP. No se ha logrado obtener pruebas experimentales convincentes para esta propuesta.

3) La hipótesis quimio-osmótica, enunciada en 1981 por Mitchell, bioquímico inglés, es la que actualmente cuenta con mayor aceptación. Sostiene que el proceso de transporte electrónico de la cadena respiratoria actúa como un sistema translocador de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio exterior a la membrana interna, originando así un gradiente de protones con una mayor concentración de H+ y, por ende, menor PH, del lado citoplasmático de la membrana. El gradiente de protones crea también una diferencia de potencial eléctrico entre ambas caras de la membrana, con el lado externo más positivo que el interior. La síntesis de ATP se realiza en las partículas submitocondriales que actúan como ATP sintetasa y es motorizada por el retorno de protones al interior de la mitocondria, a favor del gradiente creado. El funcionamiento de este sistema requiere la existencia de un sistema transportador de electrones dispuesto asimétricamente en la membrana mitocondrial interna y la impermeabilidad de ésta a los protones.

POSIBLE DISPOSICIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA CADENA RESPIRATORIA, EN LA MEMBRANA INTERNA DE LA MITOCONDRIA.

GRAFICO 8-14 PAGINA 181 DEL LIBRO DE BLANCO

El proceso de translocación de protones ocurre, en una primera etapa, a través del complejo NADH-ubiquinona reductasa. Los dos hidrógenos tomados en la cara interna son transportados unidos a FMN hasta la cara externa. En este punto, dos electrones son transferidos a los centros Fe-S, que los devuelven hacia el interior, mientras se expulsan dos protones al espacio intermembrana. Los dos electrones de los centros ferro sulfurados son cedidos a la ubiquinona y simultáneamente ésta toma dos protones de la matriz. La CoQ puede movilizarse dentro de la membrana y transloca los dos hidrógenos (2 H+ + 2 e- ) hacia la cara externa. Aquí se transfieren dos electrones al citocromo b y se liberan al medio exterior otros dos protones. El citocromo b devuelve los electrones a la superficie interna y se toman dos protones de la matriz. Protones y electrones son captados otra vez por CoQ, la cual los transloca hacia la superficie "citoplasmática", donde libera el tercer par de protones al espacio intermembrana. Los electrones son aceptados por el citocromo e, y luego el c, que los cede al citocromo aa3. Como el complejo de la citocromooxidasa atraviesa toda la membrana, puede conducir los electrones hacia la superficie interna y allí donarlos a oxígeno.

Por cada par de electrones que se transfieren a lo largo de la cadena, se translocan seis protones desde la matriz hacia el espacio exterior. Observaciones más recientes, sin embargo, indican que el número de protones enviados hacia el exterior sería mayor. Se acepta que los protones son ”bombeados” en tres sitios, correspondientes a los de los complejos NADH-ubiquinona reductasa, ubiquinona-citocromo c reductasa y citocromo oxidasa; en el primero se expulsarían tres protones, y en cada uno de los otros dos, cuatro. Los tres complejos abarcan todo el espesor de la membrana, de ahí que sean aptos para transferir los protones desde la matriz hasta el espacio intermembrana y además generan suficiente energía durante el transporte de electrones como para acoplarla al mecanismo protón-motriz.

Se crea de este modo un gradiente de concentración de protones (de PH) y una diferencia de potencial eléctrico que tienden a hacer fluir esos Protones espontáneamente hacia el interior. Como la membrana es impermeable a los iones H+ este flujo de retorno sólo puede producirse en sitios en los cuales existan estructuras que permitan el paso de protones, eludiendo la apolaridad de la doble capa lipídica. Estos sitios son los segmentos F0 del complejo F1-F0. El túnel o hueco central en la proteína del tallo actúa como un "canal de protones".

GRAFICO 8-16 PAGINA 182 DEL LIBRO DE BLANCO

El ingreso de protones a favor de los gradientes de PH y de potencial de membrana provee la energía necesaria para la síntesis de ATP.

La hipótesis quimio-osmótica cuenta con apoyo experimental y es actualmente la más aceptada.

No se conoce aún el mecanismo íntimo del acoplamiento de la fosforilación en la ATP sintetasa. Una de las hipótesis formuladas postula que el ADP y el Pi se unen al complejo F1; cuando ingresan dos protones, reaccionan con uno de los oxígenos del fosfato, formando agua y el resto del fosfato, ahora altamente reactivo, se une al ADP. Otra propuesta plantea la posibilidad de que la entrada de protones promueva un cambio conformacional en la partícula que de este modo libera ATP formado en su interior.

GRAFICOS 8-15 PAGINA 181 DEL LIBRO DE BLANCO , GRAFICOS 9-14 PAGINA 223 Y

9-17 PAGINA 225 DE CURTIS.

Inhibidores de la fosforilación oxidativa

Los inhibidores del transporte de electrones presentados anteriormente afectan, como es lógico, la fosforilación oxidativa. Existen otros agentes que no bloquean el flujo de electrones, pero disocian a éste del proceso de fosforilación. A este tipo de sustancias se les llama desacoplantes.

Uno muy utilizado es el 2,3-dinitrofenol (DNP), que actúa transfiriendo iones hidrógeno desde el lado externo de la mitocondria hacia la matriz, lo cual produce la abolición del gradiente de protones creado por la cadena de transporte. A los compuestos que transportan iones a través de la membrana se les llama ionóforos; el DNP se comporta como un ionóforo de protones.

Existen antibióticos de naturaleza peptídica, corno la valinomicina y la nigericina, que actúan como ionóforos de K+. La transferencia de K+ puede suprimir el gradiente de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana y entorpecer la fosforilación acoplada al ingreso de protones.

Otra sustancia que interfiere la fosforilación oxidativa es el antibiótico oligomicina, el cual se une específicamente a una proteína del segmento F0 del complejo de síntesis de ATP.

COMO RESUMEN DE GLUCÓLISIS Y RESPIRACIÓN GRAFICO 9-18 DE CURTIS

Mg2+

Hexoquinasa

Fosforilasa

Pi

Fosfo-gluco

mutasa

Membrana externa