El Mundo de la Célula - Metabolismo Quimiótrofo - PDF

Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia E n el capítulo anterior hemos aprendido que algunas células satisfacen sus requisitos energéticos mediante la fermentación aeróbica, bien porque sean anaerobias estrictas o bien porque sean células anaerobias facultativas, capaces de funcio...

Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia E n el capítulo anterior hemos aprendido que algunas células satisfacen sus requisitos energéticos mediante la fermentación aeróbica, bien porque sean anaerobias estrictas o bien porque sean células anaerobias facultativas, capaces de funcionar en situaciones de ausencia o escasez de oxígeno. Sin embargo, también hemos visto que la fermentación produce únicamente cantidades limitadas de energía. En ausencia de un aceptor de electrones externo —uno que no forma parte por sí mismo de la ruta glucolítica— los electrones que se liberan de un compuesto orgánico de tres carbonos (gliceraldehído-3-fosfato) se transfieren al final a otro compuesto de tres carbonos (piruvato), y la diferencia de energía es tal que sólo se generan dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. En resumen, la fermentación puede satisfacer los requisitos energéticos de una célula, pero el rendimiento de ATP es bajo, porque la célula sólo tiene acceso a una parte limitada de la energía libre potencialmente disponible de las moléculas oxidables, que usa como sustratos. Además, la fermentación tiene a menudo como consecuencia, la acumulación de productos de desecho como el etanol o el lactato, que si se acumulan, son tóxicos para la célula, a no ser, claro está, que sean excretados por la célula y metabolizados posteriormente en otro lugar del organismo. Respiración celular: maximizando el rendimiento del ATP Todo esto cambia dramáticamente cuando se trata de la respiración celular, o para abreviar, respiración. Cuando se dispone de un aceptor de electrones externo, se puede dar la oxidación completa del sustrato, obteniéndose más ATP. 10 Se entiende como respiración celular, el flujo de electrones en o a través de una membrana, desde coenzimas reducidas hasta un aceptor de electrones, normalmente acompañado de la producción de ATP. Posteriormente abordaremos el significado de «membrana» y de «producción de ATP» de esta definición. Por ahora, centrémonos en las coenzimas reductoras y los aceptores de electrones. Ya hemos visto que la coenzima reducida que se genera por el catabolismo glucolítico de los azúcares o compuestos relacionados es el NADH. Como veremos a continuación, otras dos coenzimas, FAD (dinucleótido de adenina y flavina) y coenzima Q (o ubiquinona), también recogen los electrones, que se liberan desde compuestos orgánicos oxidables y los transfieren al aceptor final de electrones, a través de una serie de transportadores electrónicos. Para muchos organismos, incluyendo al autor y los lectores de este libro, el aceptor final de electrones es el oxígeno, la forma reducida de este aceptor es el agua, y se conoce al proceso en su conjunto como respiración aerobia. Mientras que la gran mayoría de los quimiótrofos en la Tierra llevan a cabo la respiración aerobia, existen varios aceptores finales de electrones que son usados por otros organismos, especialmente por las bacterias. Algunos ejemplos de estos aceptores alternativos y de sus formas reducidas son el azufre (S/H2S), los protones (H
/H2) y los iones de hierro (Fe3
/Fe2
). Los procesos respiratorios que incluyen aceptores de electrones como éstos, no necesitan el oxígeno molecular y son, por tanto, ejemplos de respiración anaerobia. La respiración anaerobia desempeña un papel importante en los ciclos ambientales de elementos como el azufre, el hidrógeno y el hierro, y contribuyen significativamente a la economía energética de la biosfera. Nosotros, sin embargo, nos centraremos aquí en la respiraRespiración celular: maximizando el rendimiento del ATP 273 ción aerobia porque representa la fuente principal del metabolismo energético en el mundo aeróbico del que somos parte nosotros y otros organismos superiores. Pondremos especial atención en la mitocondria (Figura 10.1) porque la mayor parte de la producción aeróbica de ATP tiene lugar dentro de este orgánulo. Mitocondria Triglicéridos (a) Mitocondria CO2 ATP Glucosa Piruvato 1 Piruvato Hidrólisis Acetil CoA Ácidos grasos  oxidación GLUCOLISIS CO2 NADH NADH CITOSOL 2 CICLO DEL TCA 3NADH 2 e− CO2 FADH2 ATP 1/ 2 MATRIZ Membrana interna Espacio intermembrana Membrana externa 2e − H+ H+ H+ O2 H2 O + 2H H+ H+ H+ H+ H+ H H + H+ H+ H+ H+ + H+ H H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ + H+ H+ H+ H + H+ H H+ H+ H+ 3a TRANSPORTE DE ELECTRONES 3b y BOMBEO DE PROTONES Cresta + H+ ADP H+ ATP + Pi H+ H+ H+ ADP H+ + Pi 4 H+ H ATP ADP H+ + Pi ATP SÍNTESIS DE ATP + H+ H+ H+ (b) Localización de la respiración aerobia dentro de la mitocondria Figura 10.1 Papel de la mitocondria en la respiración aerobia. (a) La mitocondria desempeña un papel central en la respiración aerobia; la mayor parte de la producción de ATP de la respiración en las células eucariotas ocurre en este orgánulo. (b) La oxidación de la glucosa y de otros azúcares comienza en el citosol con la glucolisis (etapa 1), produciéndose piruvato. El piruvato se transporta a través de la membrana mitocondrial interna y se oxida dentro de la matriz a Acetil CoA, el primer sustrato del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (etapa 2). El Acetil CoA se puede formar también por la
-oxidación de los ácidos grasos. El transporte de electrones (etapa 3a) está acoplado a un bombeo de protones (etapa 3b), conservándose la energía del transporte de electrones como un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana interna de la mitocondria (o de la membrana plasmática, en el caso de los procariotas). La energía del gradiente de protones se usa, en parte, para la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (etapa 4). 274 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia La respiración aerobia produce mucha más energía que la fermentación Con el oxígeno como último aceptor de electrones, podemos empezar desde el piruvato generado por la glucolisis y preguntarnos cómo se cataboliza el piruvato y cómo se conserva la energía libre producida en el proceso, mediante la producción de ATP. Como ya sabemos por el Capítulo 9, los productos terminales de la respiración aerobia son el dióxido de carbono y el agua (véase Reacción 9.12). Éstas son las mismas moléculas con las que comienza la fotosíntesis, exigencia del flujo cíclico de materia entre el mundo quimiotrópico y el fototrópico. Por otra parte, el rendimiento energético de la respiración aerobia es considerablemente mayor que el de la fermentación. En vez de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, la respiración aerobia puede producir potencialmente hasta 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa en procariotas, y entre 36 y 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa en eurocariotas, dependiendo del tipo celular. El oxígeno hace posible todo esto sirviendo como el aceptor terminal de electrones, y proporcionando un modo de reoxidación continua del NADH y de otras coenzimas reducidas. Estas moléculas aceptan electrones durante la oxidación posterior de intermediarios orgánicos derivados del piruvato u otros sustratos oxidables. Transfieren después estos electrones al oxígeno por medio de una secuencia de transportadores de electrones unidos a membrana. De esta manera, la respiración aerobia incluye, tanto rutas de oxidación en las que se liberan los electrones de sustratos orgánicos y transferidos a coenzimas transportadores, como procesos concomitantes en los que las coenzimas reducidas (portadoras de electrones) son reoxidadas por el transporte de electrones al oxígeno, con la producción indirecta de ATP. La respiración incluye la glucolisis, el ciclo del TCA, el transporte de electrones y la síntesis de ATP Consideraremos la respiración aerobia en cuatro etapas, dos que se refieren a los procesos oxidativos mediados por coenzimas y otros dos, que incluyen la reoxidación de las coenzimas y la producción de ATP. Estas etapas se muestran en la Figura 10.1b. En la célula, por supuesto, todos estos procesos ocurren continuamente y al mismo tiempo. Su división en cuatro etapas arbitrarias puede ser útil para su discusión, pero tenga en cuenta que ninguna de estas etapas funciona aisladamente; cada una es una parte integral del proceso respiratorio general. La etapa 1 es la ruta glucolítica que hemos tratado en el Capítulo 9. La glucolisis tiene el mismo resultado en condiciones aeróbicas y anaeróbicas: la oxidación de la glucosa a piruvato. Pero el destino del piruvato es diferente en presencia de oxígeno (véase Figura 9.8). En lugar de servir de aceptor de electrones como en la fermentación, el piruvato es oxidado posteriormente a un compuesto denominado acetil coenzima A (acetil CoA), que entra en la etapa 2, el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). Esta ruta cíclica oxida completamente los carbonos entrantes a CO2 y conserva la energía en forma de coenzimas reducidas, que son, en sí mismos, compuestos ricos en energía. La etapa 3 consiste en el transporte de electrones, es decir, la transferencia de electrones desde coenzimas reducidas hasta el oxígeno, acoplado a un transporte activo, o bombeo, de protones a través de una membrana. La transferencia de electrones desde las coenzimas hasta el oxígeno es un proceso exergónico y aporta la energía que dirige el bombeo de electrones a través de la membrana en la que están embebidos los transportadores, generando un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de la membrana. En la etapa 4, la energía de este gradiente de protones se usa para impulsar la síntesis de ATP. Este modelo de síntesis de ATP dependiente de oxígeno se denomina fosforilación oxidativa. Nuestro objetivo en este capítulo es comprender los procesos señalados como etapas 2, 3 y 4 en la Figura 10.1b. En particular, queremos examinar (1) qué ocurre con el piruvato (y otros sustratos oxidables como los lípidos y los aminoácidos) en situaciones aeróbicas; (2) cómo median las coenzimas y otros transportadores de electrones la transferencia exergónica de electrones desde sustratos oxidables al oxígeno; (3) cómo se usa la energía del transporte de electrones para mantener el gradiente electroquímico de protones; y (4) cómo la energía de este gradiente dirige la síntesis de ATP. Comenzaremos el estudio del metabolismo energético aeróbico, centrándonos en la mitocondria, debido al papel determinante que desempeña este orgánulo en el metabolismo energético eucariota. La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso Nuestro análisis de la respiración aerobia comenzará con una descripción de la mitocondria, ya que la mayor parte del metabolismo energético aeróbico ocurre dentro de este orgánulo. Debido a esto, la mitocondria es frecuentemente llamada la «central energética» de la célula eucariota. Ya en 1850, el biólogo alemán Rudolph Kölliker, describió la presencia de lo que él llamó «una serie ordenada de partículas» en las células musculares. Se observó que estas partículas aisladas se hinchaban en el agua, lo que llevó a Kölliker a la conclusión de que estas partículas estaban rodeadas de una membrana semipermeable. Actualmente se conoce a estas partículas como mitocondrias y se cree que provienen de bacterias que fueron englobadas por células más grandes, pero que sobrevivieron y quedaron como residentes permanentes en el citoplasma de la célula hospedadora (véase la Teoría Endosimbiótica, Anexo 11A). La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 275 Hace casi 100 años que empezaron a acumularse pruebas que sugerían la participación de este orgánulo en procesos oxidativos. En 1913, por ejemplo, Otto Warburg mostró que estos orgánulos podían consumir oxígeno. Sin embargo, la mayor parte de nuestro conocimiento acerca de la función de la mitocondria en el metabolismo energético proviene del desarrollo de la centrifugación diferencial, desarrollado por Albert Claude (véase Figura 12A.2). En 1948 se consiguió aislar mediante esta técnica, mitocondrias intactas y funcionalmente activas. Posteriormente, Eugene Kennedy, Albert Lehninger y otros, mostraron que estos orgánulos eran capaces de llevar a cabo todas las reacciones del ciclo del TCA, el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. Las mitocondrias se encuentran con frecuencia en los lugares en los que la necesidad de ATP es mayor Las mitocondrias están presentes en prácticamente todas las células aeróbicas de los organismos eucariotas y son elementos destacados de la mayoría de los tipos celulares cuando se examinan al microscopio electrónico (Figura 10.2). Las mitocondrias se encuentran, tanto en las células quimiótrofas como en las fotótrofas y por lo tanto son elementos comunes no sólo en los animales, sino también en las plantas. Su presencia en células fotótrofas nos recuerda que también los organismos fotosintéticos pueden llevar a cabo la respiración, de la que dependen para satisfacer sus necesidades energéticas y de carbono durante los periodos de oscuridad, y en todo momento en los tejidos no fotosintéticos, como las raíces de las plantas. La importancia de la mitocondria para cubrir las necesidades celulares de ATP, se refleja frecuentemente en la localización de las mitocondrias dentro de la célula. Muchas veces, las mitocondrias se encuentran agrupadas en las regiones celulares con mayor actividad metabólica, donde los requerimientos de ATP son mayores. Las células musculares son un buen ejemplo de esto (véase Figura 4.13). En estas células, las mitocondrias se encuentran organizadas en columnas a lo largo de las fibrillas responsables de la contracción. Otros ejemplos de estas localizaciones estratégicas de las mitocondrias se observan en los cilios y flagelos o en la cola de los espermatozoides (véase Figura 4.12). ¿Son las mitocondrias redes interconectadas en vez de orgánulos independientes? Cuando se observan mitocondrias en micrografías electrónicas como las de las Figuras 10.2 y 4.13, suelen aparecer como estructuras ovaladas, con forma de salchicha, con Retículo endoplásmico rugoso Gránulos de glucógeno Mitocondrias Peroxisomas 0,5 m Figura 10.2 La importancia de las mitocondrias. Las mitocondrias son elementos destacados en esta fotografía de microscopio electrónico de una célula hepática de rata. Se muestran también otros componentes celulares, como el retículo endoplásmico rugoso, los gránulos de glucógeno y los peroxisomas (TEM). 276 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia una longitud de varios micrómetros y con un diámetro de 0,5-1,0 m, si bien pueden tener formas y tamaños diferentes dependiendo del tipo celular. Esta apariencia ha fomentado la ampliamente aceptada visión de que las mitocondrias son entidades separadas y que son orgánulos grandes y muy numerosos. De hecho, una mitocondria de esas dimensiones tiene un tamaño similar a una bacteria y representa el orgánulo más grande después del núcleo en la mayoría de las células animales (véase Figura 1A.1). (En las células vegetales, los cloroplastos y algunas vacuolas son normalmente más grandes incluso que las mitocondrias). Se han hecho cálculos basados en micrografías electrónicas de cortes transversales, que indican que el número de mitocondrias por célula es muy variable, en un rango que va desde una o muy pocas por célula en muchos protistas, hongos y algas (y en muchas células de mamíferos también) hasta miles por célula en algunos tejidos de vegetales superiores y de animales. Por ejemplo, se estima que cada hepatocito de mamífero contiene alrededor de 500-1.000 mitocondrias, a pesar de que sólo unas pocas de ellas se ven en una sección fina típica preparada para microscopía electrónica, como se muestra en la Figura 10.2. El concepto de que las formas mitocondriales que se observan en las micrografías electrónicas representan orgánulos independientes de tamaño y abundancia conocido cambió a partir del trabajo de Hans-Peter Hoffman y Charlotte Avers. Después de examinar series completas de cortes finos a lo largo de toda la célula de una levadura, dichos investigadores concluyeron que las formas ovaladas que se observaban en micrografías individuales representaban porciones de una única mitocondria grande y muy ramificada (Figura 10.3). Estos resultados sugieren que el número de mitocondrias presentes en una célula puede ser considerablemente menor que lo que se suele pensar, y que el tamaño de una mitocondria puede ser mucho mayor del que se puede calcular a partir de las formas individuales observadas en cortes transversales de micrografías electrónicas de cortes delgados. Los estudios de células vivas intactas, examinadas con el microscopio de contraste de fases o mediante microscopía de fluorescencia, utilizando colorantes fluorescentes específicos de las mitocondrias, suponen un apoyo añadido al concepto de que la mitocondrias forman una red interconectada más que un conjunto de numerosos orgánulos separados. Estas investigaciones ponen de manifiesto que las células vivas contienen mitocondrias grandes y ramificadas en un estado de flujo dinámico, con segmentos separándose por gemación y fusionándose con otra mitocondria. Gran parte del análisis y las ilustraciones de este capítulo se basarán en la visión convencional de las mitocondrias como unidades independientes, pero recuerde que lo que entendemos como mitocondrias individuales, bien podrían ser, al menos en algunos tipos celulares, partes de una gran red dinámica. Figura 10.3 El modelo de las redes mitocondriales interconectadas. Este modelo se propuso tras examinar series completas de cortes finos a lo largo de una célula epidérmica. Se muestra que los perfiles mitocondriales individuales, observados en micrografías de secciones finas, pueden representar partes de una red más grande de mitocondrias interconectadas. Algunos estudios de microscopía de contraste de fases en células vivas apoyan este modelo. La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 277 Las membranas externa e interna definen dos compartimientos separados En la Figura 10.4 se representa una mitocondria típica —o puede que un pequeño fragmento de una red mucho más grande—. De cualquier manera, la presencia de dos membranas, llamadas membrana externa e interna, es una característica distintiva. La membrana externa no representa una barrera de permeabilidad significativa para el paso de iones y moléculas pequeñas, ya que dispone de unos canales proteicos transmembranosos denominados porinas, que permiten el paso de solutos de un peso molecular de hasta 5.000. Estas proteínas son similares a las que encontramos en las membranas externas de los cloroplastos de las plantas o en la membrana externa de las bacterias Gramnegativas. Debido a que las porinas permiten el libre trasiego de pequeñas moléculas e iones a través de la membrana externa, el espacio intermembrana entre la membrana externa y la interna de la mitocondria o del cloroplasto, es esencialmente continuo con el citosol, con relación a los solutos importantes para la función de estos orgánulos. Sin embargo, las enzimas localizadas en el espacio intermembrana se encuentran precisamente confinadas allí porque las enzimas, al igual que otras proteínas solubles, son demasiado grandes para pasar a través de las porinas. A diferencia de la membrana externa, la membrana interna de la mitocondria sí representa una barrera para la permeabilidad de la mayoría de los solutos, separando, por tanto, los espacios intermembrana y del interior del orgánulo, en dos compartimientos separados. La membrana interna de la mayoría de las mitocondrias presenta unas invaginaciones características llamadas crestas, que aumentan enormemente su superficie. Por ejemplo, en una mitocondria hepática normal, el área de la membrana interna es aproximadamente cinco veces mayor que la de la membrana externa. Gracias a esta gran superficie, la membrana interna puede alojar un gran número de complejos proteicos necesarios para el transporte de electrones y la síntesis de ATP, aumentando de esta manera la capacidad de la mitocondria para producir ATP. La Figura 10.5 muestra los detalles estructurales de las membranas mitocondriales interna y externa mediante la técnica de criofractura descrita en el Apéndice. Póngase especial atención en la gran densidad de proteínas asociadas con las dos caras de fractura de la membrana interna. Las proteínas representan hasta el 75% del peso de la membrana interna, una proporción mayor que en cualquier otra membrana celular. Entre estas proteínas se encuentran las partes transmembranosas de las proteínas implicadas en el transporte de solutos, en el transporte de electrones y en la síntesis de ATP. La relativa importancia de las crestas en la mitocondria refleja normalmente la actividad metabólica relativa de la célula o el tejido en el que se encuentra el orgánulo. Las células del corazón, el riñón o los músculos presentan actividades respiratorias elevadas, y en correspondencia un elevado número de crestas. Los músculos del vuelo de las aves tienen una actividad respiratoria especialmente elevada y sus mitocondrias están particularmente dotadas de crestas. Membranas interna y externa Crestas Membrana externa Espacio intermembrana Membrana interna Matriz Matriz Crestas (a) Diagrama esquemático (b) Micrografía electrónica 1 m Figura 10.4 Estructura mitocondrial. (a) La estructura mitocondrial se representa esquemáticamente en esta visión tridimensional seccionada. (b) Imagen de una mitocondria del páncreas de un murciélago vista con microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las crestas son invaginaciones de la membrana interna. 278 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia Tabla 10.1 Localización de las funciones metabólicas dentro de la mitocondria Membrana o compartimiento Caras de fractura de la membrana mitocondrial externa Membrana mitocondrial externa Caras de fractura de la membrana mitocondrial interna Funciones metabólicas Membrana externa Síntesis de fosfolípidos Insaturación de ácidos grasos Elongación de ácidos grasos Membrana interna Transporte de electrones Fosforilación oxidativa Transporte metabólico Matriz Oxidación del piruvato Ciclo del TCA
-oxidación de lópidos Replicación del DNA Síntesis de RNA (transcripción) Síntesis de proteínas (traducción) Las funciones mitocondriales tienen lugar en membranas específicas o dentro de los compartimientos gunas de las funciones principales que tienen lugar en cada uno de los compartimientos de la mitocondria. La mayor parte de las enzimas mitocondriales que participan en la oxidación del piruvato, en el ciclo del TCA, y en el catabolismo de ácidos grasos y de aminoácidos, son enzimas de la matriz. De hecho, cuando se rompe la mitocondria en condiciones muy suaves, se liberan 6 de las 8 enzimas del ciclo del TCA como un único complejo multiproteico, lo que sugiere que el producto de una enzima pasa directamente a la enzima siguiente sin tener que difundir por la matriz. Por otro lado, la mayoría de los intermediarios en la cadena de transporte de electrones son componentes integrales de la membrana interna, donde se encuentran organizados formando grandes complejos. Sobresaliendo desde la membrana interna hacia la matriz se encuentran unas esferas con forma de puño que se llaman complejos F1 (Figura 10.6). Cada complejo consiste en seis polipéptidos ensamblados. En la Figura 10.6a se puede observan uno de los complejos F1, una micrografía electrónica tomada a gran aumento usando una técnica denominada tinción negativa, que tiene como resultado una imagen clara sobre un fondo oscuro. Los complejos F1 tienen un diámetro aproximado de 9 nm y son especialmente abundantes en las crestas (Figura 10.6b). Cada complejo F1 está unido mediante un pequeño tallo proteico a un complejo Fo*, conjunto ensamblado de proteínas hidrofóbicas que se encuentra insertado en la membrana interna (Figura 10.6c). La asociación de un complejo F1 y otro Fo, se conoce como complejo FoF1 y se considera como una ATP sintasa, porque ésa es su función habitual en el metabolismo energético. El complejo Fo F1 es de hecho el responsable de la mayor parte de la producción de ATP que tiene lugar en la mitocondria —así como también en las células procariotas y en los cloroplastos—. En Las funciones y las rutas específicas se han localizado en la mitocondria mediante la ruptura del orgánulo y la separación de sus distintos componentes. La Tabla 10.1 recoge al- * Obsérvese que el subíndice de Fo es la letra «o» y no el número 0. Esto es debido a que, en su día, se demostró que el complejo Fo confería resistencia al antibiótico oligomicina. Espacio intermembrana Membrana mitocondrial interna Figura 10.5 Estructura de las membranas mitocondriales interna y externa. Cuando se somete a las membranas mitocondriales interna y externa a criofractura, cada una de las membranas se escinde por su interior hidrofóbico en dos caras de fractura. En esta figura se han superpuesto partes de micrografías electrónicas de las dos caras de fractura tanto para la membrana interna como la externa, a un diagrama esquemático de las membranas fracturadas, para mostrar la densidad de partículas proteicas en cada membrana. En contraste, las células vegetales, tienen tasas de respiración menores que la mayoría de las células animales y tienen, por lo tanto, menos crestas en sus mitocondrias. El interior de la mitocondria está relleno de una matriz semifluida. En la matriz se encuentran muchas de las enzimas involucradas en la función mitocondrial, al igual que moléculas de DNA y ribosomas. En la mayor parte de los mamíferos, el genoma mitocondrial consiste en una molécula circular de DNA de entre 15.000 y 20.000 pares de bases que codifican RNAs ribosomales, RNAs de transferencia y alrededor de una docena de subunidades polipeptídicas de proteínas de la membrana interna. Además de las proteínas que están codificadas en el genoma mitocondrial, la mitocondria contiene numerosas proteínas codificadas en el núcleo, que se sintetizan en los ribosomas citoplasmáticos y que son importadas posteriormente por la mitocondria (véase Capítulo 22). La mitocondria: donde tiene lugar todo el proceso 279 ATP sintasa FoF1 (a) Membrana mitocondrial interna Porinas Crestas Complejo Fo Complejo F1 Tallo Membrana externa Espacio intermembrana Matriz Membrana interna Membrana interna Porina Matriz (con ribosomas) Espacio intermembrana Membrana externa DNA (c) Corte transversal esquemático de una parte de una cresta que muestra los complejos FoF1 (b) Corte transversal esquemático de una mitocondria Figura 10.6 Los complejos F1 y Fo de la membrana mitocondrial interna. (a) Esta micrografía electrónica se preparó mediante tinción negativa para mostrar los complejos F1 esféricos alineados en la cara de la membrana interna que da a la matriz de una mitocondria del corazón de una oveja (TEM). (b) Corte transversal de una mitocondria, mostrando sus principales características estructurales. (c) Detalle de un pequeño fragmento de una cresta, que muestra cómo los complejos F1 se proyectan desde la cara que da a la matriz de la membrana interna, y a los complejos Fo insertados en la membrana interna. Cada complejo F1 está unido a un complejo Fo mediante un tallo proteico. La pareja FoF1 constituye una ATP sintasa funcional. todos los casos, la producción de ATP por los complejos Fo F1 está dirigida por un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de la membrana en la que dichos complejos Fo F1 están anclados, asunto que trataremos más adelante en este capítulo. En los procariotas, las funciones respiratorias se localizan en la membrana plasmática y en el citoplasma Los procariotas no tienen mitocondrias y, sin embargo, la mayoría de las células procariotas son capaces de realizar la respiración aerobia. ¿Dónde se encuentran los distintos componentes del metabolismo respiratorio en la célula procariota? Básicamente, el citoplasma y la membrana plasmática de una célula procariota realizan las mismas funciones, respectivamente, que la matriz mitocondrial y 280 la membrana interna. En las células procariotas, por tanto, la mayoría de las enzimas de la glucolisis, del ciclo del TCA y del catabolismo de ácidos grasos y aminoácidos, se encuentran en el citoplasma, mientras que las proteínas del transporte de electrones, se localizan en la membrana plasmática. El complejo FoF1 está también en la membrana plasmática de los procariotas, con el componente Fo incrustado en la membrana y el componente F1 sobresaliendo desde la membrana hacia el citoplasma. El ciclo del ácido tricarboxílico: a vueltas con la oxidación Habiendo considerado la localización de las funciones respiratorias en la mitocondria y en las células procariotas, Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia 2 O 1 CoA!SH + CH3!C!C!O Piruvato Coenzima A NAD+ NADH – O " Como hemos señalado, la entrada de carbono en el ciclo del TCA es en forma de acetil CoA, pero en el Capítulo 9 hemos visto que la ruta de la glucolisis termina en piruvato, y no en acetil CoA. El paso de piruvato a acetil CoA requiere la actividad de la piruvato deshidrogenasa (PDH), un O 3 " El piruvato se convierte en acetil coenzima A mediante la descarboxilación oxidativa complejo multiproteico enorme, con peso molecular de 4.6  106, que consta de tres enzimas, cinco coenzimas, y dos proteínas reguladoras. Todos estos componentes trabajan juntos para catalizar la descarboxilación oxidativa del piruvato: " volveremos ahora al contexto eucariota y seguiremos una molécula de piruvato a través de la membrana interna de una mitocondria para ver qué destino le espera allí dentro. En presencia de oxígeno, el piruvato se oxida completamente a dióxido de carbono y la energía liberada en el proceso se usa para promover la síntesis de ATP. La primera etapa en este proceso es una ruta cíclica, que es la piedra angular del metabolismo energético de casi todas los quimitrofos aeróbicos. Un intermediario importante en estas series de reacciones cíclicas es el citrato, que tiene tres grupos carboxilo y, por lo tanto, es un ácido tricarboxílico. Por esta razón, esta ruta se denomina ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). Este ciclo también se conoce habitualmente como ciclo de Krebs en honor a Hans Krebs, cuyo laboratorio desempeñó un papel central en el descubrimiento de esta ruta metabólica en la década de 1930. El ciclo del TCA metaboliza acetil coenzima A (acetil CoA), que consiste en un acetato unido a un transportador llamado coenzima A. (La coenzima A fue descubierta por Fritz Lipmann, que compartió el Premio Nobel con Krebs en 1953 por su trabajo sobre la respiración aerobia.) El acetil CoA proviene de la descarboxilación oxidativa del piruvato o de la ruptura oxidativa de los ácidos grasos (véase Figura 10.1b). Independientemente de su origen, el acetil CoA transfiere su grupo acetato a un aceptor de cuatro carbonos llamado oxalacetato, formándose de esta manera citrato. El citrato es posteriomente sometido a dos descarboxilaciones oxidativas y a varias oxidaciones, dejando al final un compuesto de cuatro carbonos a partir del cual se regenera el oxalacetato inicial. Cada vuelta del ciclo de Krebs implica la entrada de dos carbonos (el acetato del acetil CoA), la liberación de dos carbonos en forma de dióxido de carbono, y la regeneración de oxalacetato. La oxidación tiene lugar en cinco etapas: cuatro dentro del mismo ciclo y una en la reacción que convierte el piruvato en acetil CoA. En todos los casos, los electrones son captados por coenzimas. Los sustratos del ciclo de Krebs son por tanto, el acetil CoA, las coenzimas oxidadas, el ADP, y el Pi, y los productos son dióxido de carbono, coenzimas reducidas, y una molécula de ATP (o GTP, un nucleótido íntimamente relacionado). Teniendo presente este esquema general, analizemos el ciclo del TCA más detalladamente, centrándonos en lo que les sucede a las moléculas de carbono que entran como acetil CoA y cómo se conserva la energía liberada en cada una de las oxidaciones en forma de coenzimas reducidas. 1 2 CoA!S!C!CH3 + CO2 Acetil CoA (10.1) Esta reacción es una descarboxilación porque uno de los carbonos del piruvato (el átomo de carbono 1) se libera como dióxido de carbono. El resultado es que, los átomos de carbono 2 y 3 del piruvato se convierten, respectivamente, en los carbonos 1 y 2 del acetato. Además, esta reacción es una oxidación porque se transfieren dos electrones (además de un protón) desde el sustrato a la coenzima NAD
. Los electrones transportados por el NADH representan energía potencial que se utiliza cuando el NADH es reoxidado posteriormente por el sistema de transporte de electrones. La oxidación del piruvato tiene lugar en el átomo de carbono 2, que es oxidado de un -ceto a un grupo carboxílico. Esta oxidación es posible gracias a la eliminación concominante del átomo de carbono 1 en forma de dióxido de carbono. La oxidación es altamente exergónica (⌬G°⬘⫽ ⫺7,5 kcal/mol), y la energía libre se utiliza para activar la molécula de acetato mediante su unión al grupo sulfhidrilo de la coenzima A (CoA), formando acetil CoA. Como se muestra en la Figura 10.7, la CoA es una molécula compleja que contiene a la vitamina B ácido pantoténico. Al igual que la nicotinamida del NAD⫹, el ácido pantoténico se clasifica como una vitamina porque los hombres y otros vertebrados la necesitan como parte de una coenzima esencial que no pueden sintetizar por sí mismos. El grupo sulfhidrilo, o tiol en el extremo de la molécula de CoA puede formar un enlace tioéster con ácidos orgánicos como el acetato. El grupo tiol es lo suficientemente importante para que cuando abreviemos la coenzima A no lo hagamos como CoA sólo, sino como CoA––SH. Si lo comparamos con un enlace éster, el enlace tioéster es un enlace más energético porque se libera significativamente más energía tras su hidrólisis. De la misma manera que el NAD⫹ está diseñado para el transporte de electrones, la coenzima A lo está para el transporte del acetato o de otros grupos acilo. (De hecho, el «A» de su nombre viene de su función transportadora de grupos acilos.) Por lo tanto, el grupo acetilo que se transfiere a la coenzima A mediante una de las enzimas del complejo PDH (representado en la Figura 10.7 como E—SH), está en una forma activada, o de alta energía. El ciclo del ácido tricarboxílico: a vueltas con la oxidación 281 O H CH2 SH CH2 S CH2 Grupo sulfhidrilo CH2 Grupo tioéster N C H O N Formación de acetil CoA Acetil CoA CH2 CH2 H Ácido pantoténico E N C O E H HC O Grupo acetilo unido a la enzima CH3 C S C SH Enzima libre O C CH3 Figura 10.7 Estructura de la coenzima A y formación de acetil CoA. La parte de la coenzima recuadrada en rojo es el ácido pantoténico, perteneciente al complejo vitamínico B. La formación del enlace tioéster entre la CoA y un grupo acetilo genera la acetil coenzima A. El grupo acetilo se forma por la descarboxilación oxidativa del piruvato (reacción PDH en la Figura 10.8) y es transferido a la CoA por una de las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, a la que está unido como un tioéster tras la oxidación del piruvato. CH3 CH3 CH2 NH2 O −O Puente pirofosfato P N O H O −O P N O CH2 N H N Adenina H O Ribosa O O O P OH O− O− Coenzima A El ciclo del TCA comienza con la entrada de acetato en forma de acetil CoA En dos reacciones de oxidación del ciclo del TCA se forma NADH y se libera CO2 El ciclo del TCA (Figura 10.8) comienza con la entrada de acetato en forma de acetil CoA. En cada vuelta del ciclo del TCA, entran dos átomos de carbono en la forma orgánica (como acetato) y salen dos átomos de carbono en forma inorgánica (como dióxido de carbono). En la primera reacción (TCA-1), el grupo acetato de dos carbonos del acetil CoA, se une al compuesto de cuatro carbonos oxalacetato, para formar citrato, una molécula que contiene seis carbonos. Esta condensación está dirigida por la energía libre de hidrólisis del enlace tioéster y está catalizada por la enzima citrato sintasa. Obsérvese que el citrato es un ácido tricarboxílico —el tipo de compuesto que da al ciclo del TCA su nombre—. (Los dos átomos de carbono entrantes se muestran en color rosa en la Figura 10.8, con el fin de facilitar su búsqueda en las reacciones subsiguientes.) A continuación veremos que cuatro de las ocho etapas del TCA son oxidaciones. Este hecho es patente en la Figura 10.8 ya que en cuatro de las reacciones (TCA-3, TCA-4, TCA-6 y TCA-8) intervienen coenzimas que entran en forma oxidada y salen en forma reducida. Cada una de estas reacciones está catalizada por una deshidrogenasa, que es específica de un sustrato en particular. Las dos primeras de estas reacciones, TCA-3 y TCA-4, son también etapas descarboxilativas: se elimina una molécula de CO2 en cada una, y se reduce el número de carbonos de seis a cinco y después de cinco a cuatro. Previamente, sin embargo, la reacción TCA-2 convierte al citrato en un compuesto relacionado, el isocitrato, mediante la aconitasa. A diferencia del citrato, el isocitrato tiene un grupo hidroxilo que puede ser fácilmente oxidable. Este grupo hidroxilo del isocitrato se convierte en la diana 282 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia De la b-oxidación De la glucolisis CoA H H O O C C C H CO2 SH PDH H Piruvato NAD + H O C C H Acetil CoA S CoA NADH TCA-8 H C C C C H O C O HO O O C C C H H2O TCA-1 H+ + H+ Malato TCA-7 O C C O NAD+ H SH H H O H Oxalacetato NADH CoA OH C C C C H O H TCA-2 CitratO H O C C C C O H CICLO DEL TCA H2O Enzimas que catalizan estas reacciones PDH: Piruvato deshidrogenasa TCA-1: Citrato sintasa TCA-2: Aconitasa TCA-3: Isocitrato deshidrogenasa TCA-4: a-cetoglutarato deshidrogenasa TCA-5: Succinil CoA sintetasa TCA-6: Succinato deshidrogenasa TCA-7: Fumarato hidratasa TCA-8: Malato deshidrogenasa Fumarato FADH 2 TCA-6 FAD H O H C C C C H O H Succinato TCA-5 GTP GDP ADP Pi SH H O H C C H C H C S NADH NAD+ TCA-4 CoA O Succinil CoA O H C C H C C C C O OH O H Isocitrato NAD+ NADH CoA H TCA-3 H O H C C H C H C C O O CO2 a-cetoglutarato CO2 ATP Figura 10.8 El ciclo del ácido tricarboxílico. Los dos átomos de carbono del piruvato que entran en el ciclo vía Acetil CoA se señalan en rosa en el citrato y las siguientes moléculas, hasta que se desordenan por la simetría de la molécula del fumarato. El átomo de carbono que se pierde en forma de CO2 se muestra en gris, ya que son los dos grupos carboxilos del oxalacetato los que generan CO2 en las reacciones TCA-3 y TCA-4. De todas las reacciones, cinco son oxidaciones, con el NAD⫹ como aceptor de electrones en cuatro de ellas (PDH, TCA-3, TCA-4 y TCA-8) y FAD en un caso (TCA-6). La forma reducida de la coenzima se muestra en violeta en cada caso. Nótese que cuando se libera CO2 , no se desprende ningún H⫹ durante la reducción del NAD+, manteniéndose de esta manera el equilibrio de carga de estas reacciones. La producción de GTP que se indica en la reacción TCA-5 es característico de las mitocondrias de los animales. En las mitocondrias de los vegetales y de las bacterias, se forma ATP directamente, pero las reacciones son equivalentes desde un punto de vista energético ya que le GTP y el ATP poseen la misma energía de hidrólisis y son fácilmente interconvertibles, como se muestra en TCA-5. El ciclo del ácido tricarboxílico: a vueltas con la oxidación 283 de la primera oxidación, o deshidrogenación, del ciclo (TCA-3). El isocitrato es oxidado por la enzima isocitrato deshidrogenasa a un compuesto de seis carbonos llamado oxalosuccinato (que no se muestra en la figura), con el NAD⫹ como aceptor de electrones. El oxalosuccinato es inestable e inmediatamente sufre una descarboxilación y se convierte en -cetoglutarato. Esta reacción es la primera de las dos reacciones de descarboxilación oxidativa del ciclo. La segunda descarboxilación oxidativa tiene lugar en el siguiente paso, la reacción TCA-4, y también utiliza al NAD⫹ como aceptor de electrones. Esta reacción es parecida a la descarboxilación oxidativa del piruvato mostrada anteriormente. Tanto el -cetoglutarato, como el piruvato son -cetoácidos, por lo que no debe sorprender que el mecanismo de oxidación sea el mismo en los dos, finalizando con una descarboxilación y la unión del producto de la oxidación a la coenzima A, en forma de tioéster. De esta manera, el -cetoglutarato se oxida a succinil CoA, en una reacción catalizada por la enzima -cetoglutarato deshidrogenasa. La producción directa de GTP (o ATP) tiene lugar en una etapa del ciclo del TCA En estos momentos, el balance de carbono del ciclo está satisfecho: han entrado dos átomos de carbono en forma de acetil CoA, y se han liberado dos átomos de carbono como CO2. (Pero observe con atención en la Figura 10.8 que los dos átomos de carbono que son liberados en un ciclo no son los mismos dos átomos que entraron en la reacción TCA-1 del ciclo). Ya nos hemos encontrado con dos de las cuatro reacciones de oxidación del ciclo del TCA y, por lo tanto, se han generado dos moléculas de NADH. Además, hemos visto que el succinil CoA es un compuesto que, al igual que el acetil CoA, tiene un enlace tioéster, cuya hidrólisis es altamente exergónica. La energía de este enlace tioéster se usa para generar una molécula de ATP (en las mitocondrias de bacterias y de células vegetales) o GTP (en las mitocondrias de las células animales). De hecho, es la formación de succinil CoA más que el succinato libre de la reacción precedente (TCA-4), el que conserva la energía de la oxidación del -cetoglutarato en forma de un enlace tioéster, el cual, una vez hidrolizado, es capaz de generar ATP o GTP posteriormente en la reacción TCA-5. Obsérvese que el GTP y el ATP son energéticamente equivalentes ya que sus uniones fosfoanhídridas terminales tienen la misma energía libre de hidrólisis. De esta manera, el resultado neto de la hidrólisis del succinil CoA es la producción de una molécula de ATP, ya sea directamente o a través del GTP, como se recoge en la Figura 10.8. Las reacciones oxidativas finales del ciclo del TCA generan FADH2 y NADH De las tres etapas restantes del ciclo del TCA, dos son oxidaciones. En la reacción TCA-6, el succinato formado en el 284 paso anterior se oxida a fumarato. Esta reacción es única, en el sentido de que los electrones provienen de átomos de carbono adyacentes y se forma de esta manera un doble enlace C"C. (Hasta ahora, todas las oxidaciones que nos hemos encontrado implicaban la pérdida de electrones de un carbono y un oxígeno adyacentes, generándose un doble enlace C"O). La oxidación de un enlace carbono-carbono libera menos energía que la oxidación de un enlace carbono-oxígeno, de hecho no es suficiente para transferir los electrones exergónicamente al NAD⫹. Por esto, el aceptor de electrones para esta deshidrogenación no es NAD⫹ sino una coenzima de menor energía, el dinucleótido de flavina y adenina (FAD). Al igual que el NAD+ y la coenzima A, el FAD posee una vitamina del complejo B como parte de su estructura, riboflavina, en este caso (Figura 10.9). El FAD acepta dos protones y dos electrones, por lo que la forma reducida se indica como FADH2. Como veremos más adelante, el rendimiento máximo de ATP de la oxidación de las coenzimas es de aproxidamente tres para el NADH y sólo alrededor de dos para el FADH2. En el siguiente paso del ciclo, el doble enlace del fumarato es hidratado, formándose malato (reacción TCA-7, catalizada por la enzima fumarato hidratasa). Dado que el fumarato es una molécula simétrica, el grupo hidroxilo del agua tiene la misma probabilidad de unirse a cualquiera de los átomos de carbono internos. Como resultado, los átomos de carbono de la Figura 10.8 que estaban marcados en rosa para seguir la pista al grupo acetato que ha entrado en el ciclo más recientemente, se distribuyen al azar en este paso y por lo tanto no se marcarán con ningún color a partir de ahora. En la reacción TCA-8, el grupo hidroxilo del malato se convierte en la diana de la oxidación final del ciclo. De nuevo, el NAD+ actúa como aceptor de electrones, y el producto lo constituye el correspondiente -cetoácido, el oxalacetato. En resumen: los productos del ciclo del TCA son CO2, ATP, NADH y FADH2 Con la regeneración del oxalacetato, se completa una vuelta del ciclo. Podemos resumir el proceso señalando las siguientes propiedades del ciclo del TCA: 1. El acetato entra en el ciclo como acetil CoA y se une a una molécula aceptora de cuatro átomos de carbono para formar citrato, un compuesto de seis carbonos. 2. La descarboxilación ocurre en dos etapas del ciclo por lo que la entrada de dos carbonos en forma de acetato se compensa por la pérdida de dos carbonos en forma de dióxido de carbono. 3. La oxidación tiene lugar en cuatro etapas, con el NAD+ como aceptor de electrones en tres casos y el FAD en uno de ellos. 4. El ATP se genera en un solo momento, con el GTP como intermediario en las células animales. Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia H O H 3C N H 3C N H N N + 2 [H] O CH2 H C OH H C OH H C OH Reducción Oxidación Riboflavina (forma oxidada) CH2 P NH2 N O −O P H 3C N N CH2 H N H C OH H C OH H C OH H O Riboflavina (forma reducida) N O CH2 O N H O Puente pirofosfato N CH2 O −O O H 3C N Adenina H FADH2 O Ribosa O HO OH FAD Figura 10.9 Estructura de FAD y su oxidación y reducción. La parte de la coenzima recuadrada en rojo es la riboflavina, una vitamina B. Las flechas señalan los dos átomos de nitrógeno de la riboflavina que toman cada uno un protón y un electrón cuando el FAD se reduce a FADH2. La mitad de la molécula que incluye a la riboflavina y a un grupo fosfato representa la estructura del mononucleótido de flavina (FMN), una coenzima relacionada. 5. Se completa una vuelta del ciclo con la regeneración del oxoalacetato, el aceptor original de cuatro carbonos. Reuniendo las ocho reacciones que componen el ciclo del TCA que se muestra en la Figura 10.8, obtenemos a una reacción global (en ésta y en las reacciones posteriores, los protones y las moléculas de agua no se muestran explícitamente si están sólo presentes para la compensación eléctrica o química). Esta reacción tiene la siguiente forma: Acetil CoA ⫹ 3 NAD+ ⫹ FAD ⫹ ADP ⫹ Pi : 2CO2 ⫹ 3NADH ⫹ FADH2 ⫹ CoA—SH ⫹ ATP (10.2) Como el ciclo tiene que verificarse dos veces para metabolizar las dos moléculas de acetil CoA que derivan de una única molécula de glucosa, la producción por molécula de glucosa se puede obtener multiplicando por dos la Reacción 10.2. Si añadimos después a ésta el conjunto de reacciones de la glucolisis hasta piruvato (Reacción 9.16) y la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil CoA (Reacción 10.2, multiplicada también por 2), obtenemos la siguiente reacción global que resume la secuencia completa de la glucosa a lo largo del ciclo del TCA: glucosa ⫹ 10 NAD+ ⫹ 2FAD ⫹ 4ADP ⫹ 4Pi : 6CO2 ⫹ 10NADH ⫹ 2FADH2 ⫹ 4ATP (10.3) Hay dos aspectos chocantes en esta reacción de resumen: que el rendimiento de ATP después de todo, es bastante modesto y que son muchas las moléculas de coenzimas que se reducen durante la oxidación de la glucosa. No obstante, debemos tener también en cuenta que las coenzimas NADH y FADH2 son compuestos de alta energía. Como veremos más adelante en este capítulo, la transferencia de electrones desde estas coenzimas hasta el oxígeno es altamente exergónica. De esta manera, la reoxidación de 12 coenzimas reducidas que se muestran en la parte derecha de la Reacción 10.3, proporciona la energía necesaria para dirigir la síntesis de la mayor parte de las moléculas de ATP que se producen durante la oxidación completa de la glucosa. Para la liberación de esa energía, debemos tratar las etapas restantes del metabolismo respiratorio —transporte de electrones y la fosforilación oxidativa—. No obstante, antes de hacerlo, trataremos algunos aspectos adicionales del ciclo del TCA; su regulación, su papel central en el metabolismo energético y su función en otras rutas metabólicas. Varias enzimas del ciclo del TCA están sujetas a una regulación alostérica Como todas las rutas metabólicas, el ciclo del TCA debe estar cuidadosamente regulado para asegurar que su activiEl ciclo del ácido tricarboxílico: a vueltas con la oxidación 285 dad esté acoplada a las necesidades de la célula. Los principales lugares de regulación se muestran en la Figura 10.10. La mayor parte del control consiste en la regulación alostérica de cuatro enzimas clave, por medio de moléculas efectoras específicas que se unen a ellas de forma reversible. Como podemos recordar del Capítulo 6, las moléculas efectoras pueden ser tanto inhibidoras como activadoras, y son indicadas, respectivamente, como un signo menos de Acetil CoA NADH ATP Enzimas que catalizan estas reacciones E1: PDH fosfatasa E2: PDH quinasa Todas las demás enzimas como se muestran en la Figura 10-8 Piruvato P Piruvato deshidrogenasa (inactiva) H2O Pi E1 E2 ADP NAD+ Piruvato deshidrogenasa (activa) ATP NADH CO2 Acetil CoA + + CoA Malato deshidrogenasa NADH + NAD+ AMP Oxalacetato TCA-1 TCA-8 Malato NAD+ Citrato NADH TCA-7 TCA-2 Fumarato FADH 2 CICLO DEL TCA Isocitrato NAD+ TCA-6 FAD TCA-3 NADH Isocitrato deshidrogenasa TCA-5 GTP Succinil CoA ATP NAD+ a-cetoglutarato GDP ADP ADP CO2 NADH TCA-5 NADH + Succinato CO2 TCA-4 Pi a-cetoglutarato deshidrogenasa NADH Succinil CoA Figura 10.10 Regulación del ciclo del TCA. El ciclo del TCA y la reacción deshidrogenasa precedente del piruvato se muestran aquí en formato resaltado, con las enzimas reguladoras en azul. Los efectos reguladores principales se indican como activación (⫹) o inhibición (⫺). Los reguladores alostéricos incluyen CoA, NAD⫹, AMP y ADP como activadores y acetil CoA, NADH, ATP y succinil CoA como inhibidores. Aparte de su efecto alostérico sobre la actividad de la piruvato deshidrogenasa, el ATP activa la PDH quinasa (E2), la enzima que fosforila uno de los componentes del complejo PDH, haciendo que se inactive. La enzima PDH fosfatasa (E1), elimina el grupo fosfato, volviendo a activar al complejo PDH. 286 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia color rojo y un signo más de color verde, en la Figura 10.10. Aparte de la regulación alostérica, el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH) se activa e inactiva mediante una fosforilación y desfosforilación reversible de uno de sus componentes proteicos. Para apreciar el significado de la regulación del ciclo del TCA, recuerde que usa acetil CoA, NAD⫹, FAD y ADP como sustratos y que genera como productos NADH, FADH2, CO2 y ATP (véase la Reacción 10.3). Tres de estos productos —NADH, ATP, y acetil CoA— son importantes efectores de una o más enzimas, como se muestra en la Figura 10.10. Además, NAD⫹, ADP y AMP activan cada uno al menos a una de las enzimas reguladoras. Desde este punto de vista, el ciclo es altamente sensible a los estados redox y energético de la célula, valorados como la relación NADH/NAD⫹ y las concentraciones relativas de ATP, ADP y AMP. Las cuatro deshidrogenasas generadoras de NADH que se muestran en la Figura 10.10 son inhibidas por NADH. El aumento de la concentración de NADH en la mitocondria disminuye, por tanto, la actividad de estas deshidrogenasas, lo que conduce a una reducción en la actividad del ciclo del TCA. Además, el complejo PDH es inhibido por el ATP (que es más abundante cuando hay mucha energía), y tanto la PDH como la isocitrato deshidrogenasa son activadas por el ADP y AMP (más abundantes cuando se requiere energía). La disponibilidad general de acetil CoA está determinada principalmente por la actividad del complejo PDH (véase Reacción 10.1), que es inhibido alostéricamente por NADH, ATP y acetil CoA y es activado por NAD⫹, AMP y CoA libre (Figura 10.10). Asimismo, este complejo enzimático es inactivado por la fosforilación de uno de sus componentes proteicos cuando la relación [ATP]/[ADP] es baja. Estas reacciones de fosforilación y desfosforilación están catalizadas por la PDH quinasa y la PDH fosfatasa, respectivamente. No es sorprendente por lo tanto, que el ATP sea un inactivador de la quinasa y un inhibidor de la fosfatasa. Como resultado de estos múltiples mecanismos de control, la producción de acetil CoA es sensible a las relaciones [acetil CoA]/[CoA] y [NADH]/[NAD] en la mitocondria y también al contenido mitocondrial de ATP. Aparte de estos efectos reguladores sobre las reacciones del ciclo del TCA, existe un control por retroalimentación del ciclo sobre la ruta glucolítica, gracias a los efectos inhibidores del citrato y de la acetil CoA sobre la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa, respectivamente (véanse Figuras 9.12 y 10.10). El ciclo del TCA desempeña un papel central en el catabolismo de grasas y proteínas Es imprescindible entender el papel central del ciclo del TCA en todo el metabolismo energético aeróbico. Hasta ahora, hemos considerado a la glucosa como el sustrato principal de la respiración celular. A pesar de que la mayor parte de las reacciones generales descritas para el metabolismo energético quimiótrofo consideran a la glucosa como el compuesto de partida, debemos señalar el papel de otras moléculas alternativas como carburante en el metabolismo energético celular y en el ciclo del TCA, especialmente los lípidos y las proteínas. Lejos de ser una ruta menor para el catabolismo de un único azúcar, el ciclo del TCA representa la principal opción del metabolismo energético aerobio en un gran abanico de organismos, desde los microbios hasta los vegetales superiores y los animales. La grasa como una fuente de energía. Cuando nos encontramos por primera vez a las grasas en el Capítulo 3, analizamos su papel en el almacenamiento de energía y observamos que son compuestos altamente reducidos que liberan más energía por gramo tras su oxidación que los carbohidratos. Por esta razón, las grasas son un almacén de energía de largo plazo para muchos organismos. Las reservas de grasa son especialmente importantes en los animales hibernantes y migratorios y representan también una forma común de almacenar energía y carbono por las plantas en sus semillas. Las grasas son ideales para su función de almacén porque permiten el máximo almacenamiento de calorías con el mínimo peso y volumen. La mayoría de la grasa se almacena en forma de triacilgliceroles (también llamados triacilglicéridos), que son triésteres neutros de glicerol y ácidos grasos de cadena larga (véase Figura 3.27b). El catabolismo de los triacilgliceroles comienza con su hidrólisis en glicerol y ácidos grasos libres. El glicerol se desvía a la ruta glucolítica por su conversión oxidativa en dihidroxiacetona fosfato, como se indica en la Figura 9.9. Los ácidos grasos están unidos a la coenzima A para formar acil CoA grasos, que son posteriormente degradados por oxidación mediante un proceso secuencial que implica la oxidación sucesiva y la eliminación de unidades de dos carbonos, generándose acetil CoA y las coenzimas reducidas NADH y FADH2. Este proceso secuencial de catabolismo de ácidos grasos a acetil CoA se denomina ␤ oxidación porque el acontecimiento oxidativo inicial en cada ciclo sucesivo tiene lugar en el átomo de carbono que se encuentra en la posición
del ácido graso (es decir, el segundo carbono desde el grupo carboxilo). De esta manera, los ácidos grasos derivados de las grasas, al igual que el piruvato derivado de los carbohidratos, se convierten por oxidación en acetil CoA, que será posteriormente catabolizado por el ciclo del TCA. Es más, las enzimas de la oxidación de los ácidos grasos están localizadas en la mitocondria en muchas (si no en todas) las células eucariotas, por lo que el acetil CoA que proviene de las grasas normalmente se produce y se cataboliza dentro del mismo compartimiento celular (véase Figura 10.1b). Las proteínas como una fuente de energía y de aminoácidos. Las proteínas no se consideran normalmente como fuente de energía ya que desempeñan papeles más importantes El ciclo del ácido tricarboxílico: a vueltas con la oxidación 287 dentro de la célula —como enzimas, proteínas transportadoras, hormonas y receptores, por ejemplo—. Pero las proteínas, también pueden ser catabolizadas para generar ATP si es necesario, especialmente cuando los depósitos de grasas y de azúcares están vacíos o no están disponibles. En los animales, el catabolismo proteico es importante en condiciones de ayuno o de inanición, o cuando la ingesta de proteínas en la dieta supera las necesidades de aminoácidos. En los vegetales, el catabolismo de proteínas proporciona la materia prima para la síntesis de proteínas durante la germinación o durante el almacenamiento de proteínas en las semillas. Asimismo, todas las células llevan a cabo una renovación de las proteínas y de las estructuras que contienen proteínas. Los aminoácidos en los que una proteína se degrada, pueden ser reciclados en proteínas o ser degradados oxidativamente para obtener energía. El catabolismo de las proteínas comienza con la hidrólisis del enlace peptídico que mantiene a los aminoácidos unidos en una cadena polipeptídica. El proceso se denomina proteolisis, y las enzimas que lo llevan a cabo, proteasas. H3N+ CH3 CH O C CH3 Alanina O O C C Los productos de la digestión proteolítica son pequeños péptidos y aminoácidos libres. Las digestiones posteriores de los péptidos están catalizadas por las peptidasas, que hidrolizan, tanto enlaces peptídicos internos (endopeptidasas), como externos (exopeptidasas). Los aminoácidos libres, ya sean ingeridos o provengan de la digestión de las proteínas, pueden ser catabolizados para la obtención de energía. Normalmente, estos sustratos alternativos se convierten en intermediarios de rutas metabólicas más importantes en el menor número de pasos posible. A pesar de su diversidad numérica y química, todas estas rutas desembocan finalmente en unos pocos intermediarios del ciclo del TCA, principalmente acetil CoA, -cetoglutarato, oxoalacetato, fumarato y succinil CoA. De los 20 aminoácidos que se pueden encontrar en las proteínas, tres dan lugar a intermediarios del ciclo del TCA de una manera directa. Estos aminoácidos son la alanina, el aspartato y el glutamato, que pueden ser convertidos en piruvato, oxoalacetato y -cetoglutarato, respectivamente (Figura 10.11). Los demás aminoácidos requieren rutas Piruvato (a) CO2 Acetil CoA H3N+ O CH C C CH2 C O O TCA-1 C CH2 O C Aspartato Citrato O TCA-2 Isocitrato Oxalacetato TCA-3 (b) CO2 H3N+ O CH O O C C CH2 CH2 CH2 CH2 C O C Glutamato O a-cetoglutarato (c) 288 C Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia Figura 10.11 Interconversión de varios aminoácidos y sus correspondientes cetoácidos en el ciclo del TCA. Los aminoácidos (a) alanina, (b) aspartato y (c) glutamato pueden ser convertidos reversiblemente en sus correspondientes -cetoácidos: piruvato, oxalacetato y -cetoglutarato, respectivamente. Cada uno de estos cetoácidos es un intermediario del ciclo del TCA, del que se representa una parte para situar el contexto metabólico para estas reacciones. En cada caso, el grupo amino se muestra en azul y el grupo ceto en amarillo. Estas reacciones son rápidamente reversibles y desempeñan la función catabólica de convertir los aminoácidos en intermediarios del ciclo del TCA para la oxidación a CO2 y H2O y la función anabólica de convertir los intermediarios del ciclo del TCA en aminoácidos para usarlos en la síntesis de proteinas. Las rutas catabólicas y anabólicas para otros aminoácidos son menos directas, pero también finalizan y parten de intermediarios del metabolismo respiratorio. más complicadas, frecuentemente con muchos intermediarios. Encontrará seguramente estas rutas en el futuro, probablemente en un curso de bioquímica. Cuando así sea, asegúrese de distinguir cuántos de ellos tienen productos finales que son intermediarios del ciclo del TCA, porque esto reforzará más aún el papel central del ciclo del TCA para todo el metabolismo energético celular. El ciclo del TCA constituye una fuente de precursores para rutas anabólicas La función principal del ciclo del TCA es, claramente, el catabolismo, habida cuenta de su papel en la oxidación del acetil CoA a dióxido de carbono, con la consiguiente conservación de energía libre en forma de coenzimas reducidas. En prácticamente la mayoría de las células existe un flujo considerable dentro y fuera del ciclo de intermediarios de cuatro, cinco y seis átomos de carbono. Estas reacciones colaterales reponen el suministro de intermediarios en el ciclo, según las necesidades, a la vez que se utilizan para la síntesis de compuestos derivados de alguno de los intermediarios del ciclo. Debido a que el ciclo del TCA representa un nexo entre rutas catabólicas y anabólicas, a menudo se le denomina como una ruta anfibólica (del griego amphi-, que significa «ambos»). Además de su papel central en el catabolismo, el ciclo del TCA está involucrado en varios procesos anabólicos. Por ejemplo, las tres reacciones que se muestran en la Figura 10.11 convierten los intermediarios -ceto del ciclo del TCA en los aminoácidos alanina, aspartato y glutamato. Estos aminoácidos son constituyentes de las proteínas, así que el ciclo del TCA está implicado indirectamente en la síntesis proteica, aportando varios de los aminoácidos que se necesitan en el proceso. El citrato y el succinil CoA son otros precursores metabólicos que provee el ciclo del TCA. El succinil CoA es el punto de partida para la síntesis del grupo hemo, mientras que el citrato puede ser transportado a la mitocondria y usado como fuente de acetil CoA para la síntesis posterior de ácidos grasos en el citosol. El ciclo del glioxilato convierte el acetil CoA en carbohidratos Una ruta que está relacionada con el ciclo del TCA, pero que desempeña una función anabólica es el ciclo del glioxilato que se describe en el Anexo 10A. Esta reacción tiene lugar en un tipo especial de peroxisoma llamado glioxisoma. El ciclo del glioxilato comparte varias reacciones con el ciclo del TCA pero le faltan las dos reacciones de descarboxilación de éste. En su lugar, se usan dos moléculas de acetato (que entran en la ruta como acetil CoA) para producir succinato, un compuesto de cuatro carbonos (véase Figura 10A.2). El succinato se convierte después en fosfoenolpiruvato del que pueden sintetizarse azúcares por gluconeogénesis. Los organismos que poseen esta ruta pueden sintetizar azúcares a partir de compuestos de dos carbonos, como el acetato. El ciclo del glioxilato posibilita también la conversión de las grasas almacenadas en carbohidratos. Transporte de electrones: flujo de electrones desde las coenzimas al oxígeno Habiendo ya considerado las dos primeras etapas de la respiración aerobia —la glucolisis y el ciclo del TCA— hagamos una breve pausa para preguntarnos qué hemos conseguido hasta ahora. Como se señala en la Reacción 10.3, el metabolismo quimiótrofo de la energía a través del ciclo del TCA, tiene como resultado la síntesis de cuatro moléculas de ATP por cada glucosa, dos de la glucolisis y otras dos del ciclo del TCA. La oxidación completa de la glucosa a CO2 puede producir 686 kcal/mol, pero únicamente hemos obtenido menos del 10% de esa cantidad (sólo 4 ATP con aproximadamente 10 kcal/mol cada uno, basándonos en el valor de ⌬G⬘ para la síntesis de ATP en una célula normal) ¿Dónde, se podría uno podría preguntar, está el resto de la energía? ¿Y cuándo obtendremos el rendimiento significativamente mayor de ATP característico de la respiración? La respuesta es muy sencilla. La energía está justo ahí en la Reacción 10.3, representada por las moléculas de coenzimas reducidas NADH y FADH2. Como veremos a continuación, se libera una gran cantidad de energía cuando estas coenzimas reducidas son reoxidadas por la transferencia de sus electrones al oxígeno molecular. De hecho, cerca del 90% de la energía potencial libre que está presente en una molécula de glucosa se conserva en las 10 moleculas de NADH y en las 2 moléculas de FADH2, que se forman cuando se oxida una molécula de glucosa a CO2 (véase Reacción 10.3). Dichas coenzimas son, por tanto, compuestos de alta energía que pueden ser usados para impulsar la síntesis de ATP después de ser convertidos en la energía potencial del gradiente electroquímico transmembrana de protones. El proceso de reoxidación de las coenzimas mediante la transferencia de electrones al oxígeno se conoce como transporte de electrones. El transporte de electrones es la tercera etapa del metabolismo respiratorio (véase Figura 10.1b). El proceso de síntesis de ATP que lo acompaña (etapa 4), se analizará posteriormente en este capítulo. Tenga en cuenta, no obstante, que el transporte de electrones y la síntesis de ATP no son procesos independientes. Los dos son parte integrante de la respiración celular y están vinculados, funcionalmente, el uno al otro por el gradiente electroquímico de protones, que es al mismo tiempo el resultado del transporte de electrones y el origen de la energía que impulsa la síntesis de ATP. Transporte de lectrones: flujo de electrones desde las coenzimas al oxígeno 289 Anexo 10A En detalle El ciclo del glioxilato, los glioxisomas y la germinación de semillas Las especies vegetales que almacenan reservas sustanciales de carbono y energía en sus semillas en forma de grasa, se enfrentan a un particular reto metabólico cuando sus semillas germinan: deben convertir la grasa almacenada en sacarosa, que es la fuente inmediata de carbono y energía para la mayoría de las células durante la germinación. Muchas plantas pertenecen a esta categoría, incluyendo especies oleaginosas tan conocidas como la soja, el cacahuete, el girasol, el ricino y el maíz. La grasa está formada principalmente en triacilgliceroles (triglicéridos) y se almacena como cuerpos lípidicos, ya sea en los cotiledones del embrión de la planta o en el endospermo, el tejido nutritivo que rodea y nutre al embrión durante su desarrollo. La micrografía electrónica de la Figura 10A.1 muestra la prominencia de los cuerpos lipídicos en el cotiledón de una semilla de pepino. La ventaja de almacenar grasa en vez de carbohidratos, se hace patente si consideramos que un gramo de triacilglicerol contiene más del doble de energía que un gramo de carbohidratos. Esta diferencia permite a las especies que almacenan grasas, empaquetar la mayor cantidad de carbono y calorías en el mínimo espacio posible. Sin embargo, esto implica que dichas especies tienen que ser capaces de convertir la grasa almacenada en azúcar cuando las semillas germinen. La transformación de grasas en azúcar no es posible para la mayoría de los organismos. Muchos organismos convierten rápidamente azúcar y otros carbohidratos en grasas que se almacenan. Pero la mayoría de los organismos eucariotas no pueden llevar a cabo el proceso inverso. Para las semillas de las especies vegetales que almacenan grasa, sin embargo, la conversión de los triacilgliceroles almacenados en sacarosa es esencial, porque la sacarosa es la forma en la que se transporta carbono y energía al brote en crecimiento y a los ápices de las raíces de la semilla en desarrollo. Las rutas metabólicas que hacen esto posible son la
-oxidación y el ciclo del glioxilato. La función de la
-oxidación es degradar la grasa almacenada a acetil CoA. El acetil CoA entra después en el ciclo del glioxilato (Figura 10A.2), una ruta cíclica de cinco pasos, que recibe su nombre de uno de sus intermediarios, el cetoácido de dos carbonos denominado glioxilato. El ciclo del glioxilato está relacionado con el ciclo del TCA, con quien tiene tres reacciones en común. Sin embargo, hay una diferencia crucial: la presencia de dos enzimas específicas de los glioxisomas, la isocitrato liasa y la malato sintasa. A través del uso de estas dos enzimas, el ciclo del glioxilato se salta las dos reacciones de descarboxilación del ciclo del TCA. Además, el ciclo del glioxilato introduce no una, sino dos moléculas de acetil CoA por vuelta del ciclo, generándose succinato, una molécula de cuatro átomos de carbono. Así, el ciclo del glioxilato es anabólico (el carbono entra como molécula de dos átomos de carbono y lo abandona en forma de molécula de cuatro carbonos), mientras que el ciclo del TCA es catabólico (el carbono entra como una molécula de dos carbonos y lo abandona como 2 moléculas de CO2). En las semillas de las especies oleosas, las enzimas de la
-oxidación y del ciclo del glioxilato se localizan en orgánulos denominados glioxisomas. Los glioxisomas se encuentran en las semillas de las especies que almacenan grasa y algunas veces en las hojas viejas. En la micrografía electrónica de la Figura 10A.1 se pueden observar los glioxisomas. La íntima asociación de los glioxisomas con los cuerpos lipídicos, presumiblemente facilita el transporte de ácidos grasos desde estos últimos a aquéllos. La Figura 10A.2 recoge todo el metabolismo relevante dentro del contexto intracelular. Los triacilgliceroles almacenados se hidrolizan en los cuerpos lipídicos, liberando ácidos grasos. Éstos se transportan dentro del glioxisoma y son degradados mediante la
oxidación a acetil CoA, que es transformado en succinato por las enzimas del ciclo del glioxilato. El succinato pasa a la mitocondria, donde se convierte en malato pasando por fumarato en una reacción que forma parte del ciclo del TCA. (Dese cuenta de que existen también mitocondrias en el cotiledón del pepino de la Figura 10A.1.) El malato es transportado posteriormente al citosol y oxidado a oxalacetato, el cual es descarboxilado para formar Proplastidos Glioxisomas Cuerpos lipídicos Mitocondria 5 m Figura 10A.1 La asociación entre los glioxisomas y los cuerpos lipídicos en las semillas oleaginosas. Aquí se muestra la célula de un cotiledón de una semilla de pepino durante las primeras etapas del desarrollo germinativo. Los glioxisomas y las mitocondrias implicadas en la movilización de grasas y en la gluconeogénesis están íntimamente asociadas con los cuerpos lipídicos en los que se almacena la grasa. La grasa está presente principalmente en forma de triacilgliceroles (también llamados triglicéridos). Se puede observar la presencia de proplastidios en vez de plastos maduros, lo que pone en evidencia que el cotiledón no es aún fotosintéticamente activo y es por lo tanto, heterotrófico en su modo de nutrirse (TEM). 290 Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia glioxisomas, de la mitocondria y del citosol. Pero representa el cordón umbilical metabólico del que dependen las semillas de todas las especies de plantas que almacenan grasa. Y complementa gran parte del metabolismo que hemos estado viendo en los Capítulos 9 y 10, incluyendo la gluconeogénesis, el ciclo del TCA, la
-oxidación, y ahora también el ciclo del glioxilato. fosfoenolpiruvato (PEP). El PEP sirve como punto de partida de la gluconeogénesis en el citosol, dando como producto final sacarosa, el carbohidrato por excelencia, que se transporta a los tejidos en crecimiento de la planta. La ruta desde los triacilgliceroles hasta la sacarosa es obviamente bastante compleja, e implica a enzimas de los cuerpos lipídicos, de los Triacilgliceroles Ácidos grasos G-6-P CUERPO LIPÍDICO Sacarosa Ácidos grasos F-6-P oxidación Gluconeogénesis Acetil CoA Triosa fosfato NADH + H+ Oxalacetato GC-1 GC-5 NAD+ Malato GC-4 Ciclo del glioxilato Glioxilato + Fosfoenolpiruvato Citrato GC-2 CO2 Oxalacetato Isocitrato GC-3 Malato CITOSOL GLIOXISOMA Succinato Enzimas que catalizan estas reacciones GC-1: Citrato sintasa GC-2: Aconitasa GC-3: Isocitrato liasa GC-4: Malato sintasa GC-5: Malato deshidrogenasa Malato Fumarato Succinato Ciclo del glioxilato MITOCONDRIA Figura 10A.2 El ciclo del glioxilato y la gluconeogénesis en las semillas oleaginosas. Las semillas de las plantas que almacenan grasa pueden transformar ésta en azúcar. Los ácidos grasos derivados de la hidrólisis de los triacilgliceroles almacenados, se oxidan a acetil CoA mediante el proceso de la
-oxidación. El acetil CoA se transforma después en succinato mediante el ciclo del glioxilato, una secuencia anabólica de cinco reacciones, que recibe su nombre del glioxilato, la molécula que se consume y se genera en las reacciones GC-3 y GC-4, respectivamente. Todas las enzimas de la
-oxidación y del ciclo del glioxilato se encuentran en el glioxisoma. La transformación de succinato en malato tiene lugar en la mitocondria, mientras que el metabolismo posterior del malato pasando por el fosfoenolpiruvato, a hexosas y por tanto, a sacarosa, tiene lugar en el citosol. En las semillas de las plantas que almacenan grasas, como la soja, el cacahuete, el maíz y el ricino, el acetil CoA proviene de la
-oxidación de ácidos grasos. En las bacterias y el los microorganismos eucariotas capaces de crecer sobre sustratos de dos carbonos como el etanol o el acetato, el acetil CoA se genera a partir del acetato libre, en una fosforilación dependiente de ATP. Transporte de lectrones: flujo de electrones desde las coenzimas al oxígeno 291 El sistema de transporte de electrones conduce los electrones desde las coenzimas reducidas al oxígeno Evidentemente, buena parte de la energía liberada por el catabolismo oxidativo de los carbohidratos, grasa o proteínas se almacena en las coenzimas reducidas de elevada energía que se producen en este proceso. Es más, estos procesos oxidativos pueden continuar únicamente si hay moléculas de coenzimas oxidadas disponibles como aceptores de electrones. Esto, a su vez, depende de la reoxidación continua de coenzimas reducidas mediante la transferencia de electrones a un aceptor terminal de electrones —O2, en el caso de la respiración aerobia. El transporte de electrones y la oxidación de las coenzimas. El transporte de electrones implica la oxidación altamente exergónica del NADH y de FADH2 con el oxígeno como aceptor terminal de electrones, pudiendo escribir las reacciones globales de la manera siguiente: NADH ⫹ H⫹ ⫹ ᎏ12ᎏO2 !: NAD⫹ ⫹ H2O ⌬G°⬘ ⫽ ⫺52,4 kcal/mol (10.4) FADH2 ⫹ ᎏ12ᎏO2 !: FAD ⫹ H2O ⌬G°⬘ ⫽ ⫺45,9 kcal/mol (10.5) El transporte de electrones, por lo tanto, no sólo conlleva la reoxidación de las coenzimas y el consumo de oxígeno, sino también la liberación de agua, que es la forma reducida del oxígeno y uno de los dos productos finales del metabolismo energético aerobio. (El otro producto final es el dióxido de carbono producido en el ciclo del TCA; véanse la Figura 10.8 y la Reacción 10.19.) El aspecto más importante de las Reacciones 10.4 y 10.5 es la gran cantidad de energía libre desprendida durante la oxidación del NADH y del FADH2 por la transferencia de electrones al oxígeno. Los valores de ⌬G°⬘ de estas reacciones dejan claro que la oxidación de una coenzima es un proceso altamente exergónico. La transferencia de electrones se lleva a cabo en un proceso de muchos pasos, que implica una serie de transportadores de electrones oxidables reversiblemente que funcionan conjuntamente en lo que se ha llamado cadena de transporte de electrones (ETS). De esta manera, la gran diferencia de energía libre entre las coenzimas reducidas y el oxígeno está repartida en una serie de transferencias de electrones y se libera de manera gradual, llevando al máximo las oportunidades para la síntesis de ATP y minimizando la pérdida de energía en forma de calor. Nuestro análisis del sistema de transporte de electrones se centrará en tres cuestiones: (1) ¿Cuáles son los principales transportadores de electrones en la ETS? (2) ¿Cuál es la secuencia de estos transportadores en la cadena? (3) ¿Cómo se organizan estos transportadores en la membrana, para garantizar que el flujo de electrones desde las El sistema de transporte de electrones. 292 coenzimas reducidas al oxígeno, esté acoplado al bombeo de protones a través de la membrana, produciéndose de esta manera el gradiente electroquímico de protones del que depende la síntesis de ATP? El sistema de transporte de electrones consiste en cinco tipos diferentes de transportadores Los transportadores que constituyen el sistema son flavoproteínas, ferrosulfoproteínas, citocromos, citocromos que contienen cobre y una quinona denominada coenzima Q. Excepto la coenzima Q, todos los transportadores son proteínas con grupos prostéticos específicos capaces de ser oxidados y reducidos reversiblemente. Casi todas las transferencias de electrones ocurren en las membranas, por lo que no es sorprendente que la mayor parte de estos transportadores sean moléculas hidrófobas. De hecho, la mayoría de estos intermediarios aparecen en la membrana como parte de grandes complejos de proteínas llamados complejos respiratorios. Echaremos un vistazo a la química de estos transportadores de electrones y después veremos cómo se organizan en complejos respiratorios y se ordenan en una cadena de transportadores, que transfieren los electrones desde las coenzimas reducidas al oxígeno. Flavoproteínas. En el transporte de electrones participan varias flavoproteínas unidas a membrana, que usan como grupo prostético, bien al dinucleótido de flavina adenina (FAD), bien al mononucleótido de flavina (FMN). El FMN es, en esencia, media molécula de FAD, como se muestra en la Figura 10.9. Un ejemplo de flavoproteína es la NADH deshidrogenasa, que forma parte del complejo proteico que acepta los pares de electrones que provienen del NADH. Otro ejemplo, ya conocido por nosotros del ciclo del TCA, es la enzima succinato deshidrogenasa, que tiene al FAD como grupo prostético y forma parte de un complejo respiratorio unido a membrana, que acepta los pares de electrones del succinato a través del FAD. Una característica importante de las flavoproteínas (y de la coenzima NADH también) es que transfieren, tanto protones, como electrones a medida que son oxidados y reducidos reversiblemente. Ferrosulfoproteínas. Las ferrosulfoproteínas, también lla- madas ferredoxinas (proteínas férricas sin grupo hemo), forman parte de una familia de proteínas, cada una con un centro ferrosulfuroso (Fe-S), que consiste en átomos de hierro y azufre asociados con los grupos cisteína de la proteína. Se conocen, al menos, una docena de centros Fe-S que participan en el sistema mitocondrial de transporte de electrones. Los átomos de hierro de estos centros son los verdaderos transportadores. Cada átomo de hierro alterna entre la forma oxidada (Fe3⫹) y la reducida (Fe2⫹) durante el transporte de electrones, que en este caso afecta a un único electrón. Es más, las proteínas ferrosulfurosas no Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia toman o ceden protones mientras cambian entre los estados oxidados y los reducidos, un aspecto cuya importancia se hará patente más adelante. Citocromos. Al igual que las ferrosulfoproteínas, los citocromos también contienen hierro, pero formando parte del grupo prostético de una porfirina llamado hemo, al que probablemente uste reconozca como componente de la hemoglobina (véanse Figuras 3.4 y 10.12). Existen, al menos, cinco tipos diferentes de citocromos en el sistema de transporte de electrones, designados como citocromos b, c, c1, a y a3. El átomo de hierro del grupo prostético hemo, al igual que el del centro ferrosulfuroso, sirve como transportador de electrones en los citocromos. Así, los citocromos son también transportadores de un único electrón, sin transferir protones. Mientras que los citocromos b, c1, a y a3 son proteínas integrales de membrana, el citocromo c es una proteína periférica de membrana, asociada indirectamente a la cara externa de ésta. Es más, el citocromo c no forma parte de un gran complejo y puede por tanto difundir mucho más rápidamente, una propiedad clave para desempeñar su papel en la transferencia de electrones entre complejos proteicos. cuentra asociado con un átomo de hierro para formar un centro bimetálico hierro-cobre (Fe-Cu). De la misma manera que los átomos de hierro, el cobre también puede convertirse reversiblemente de la forma oxidada (Cu2⫹) a la reducida (Cu⫹) aceptando o donando electrones. El centro hierro-cobre desempeña un papel crucial manteniendo una molécula de O2 unida al complejo citocromo oxidasa hasta que haya tomado los cuatro electrones y los cuatro protones requeridos, momento en el que el O2 se libera como dos moléculas de agua. (Un dato nutricional: si alguna vez se ha preguntado para qué necesita los elementos cobre y hierro en la dieta, el transporte de electrones es un buen ejemplo.) Coenzima Q. La coenzima Q (CoQ), el único componente no proteico de la ETS, es una quinona cuya estructura se muestra en la Figura 10.13. Debido a su carácter ubicuo en la naturaleza, se conoce a la coenzima Q como ubiquinona. La Figura 10.13 ilustra también la reducción reversible, en O Citocromos que contienen cobre. Además de sus átomos de hierro, los citocromos a y a3 también contienen un átomo de cobre unido al grupo hemo del citocromo, donde se en- H3C O H3C O C C C C C C CH3 (CH2 CH3 CH C CH2) 10H CoQ (ubiquinona) O H+ + e− CH2 CH3 H+ + e− Grupos vinilo CH N CH2 Fe CH2 CH3 N CH N HC CH2 O H3C O C C C C C C OH CH H CH2 H3C CH3 (CH2 CH3 CH C CH2) 10H Oxidación N H3C O C CH H Reducción O CH CoQH (semiquinona) H+ + e− H+ + e− CH3 CH2 C OH O H3C O H3C O HEMO C C Figura 10.12 La estructura del grupo hemo. El grupo hemo, también llamado ferroprotoporfirina IX, es el grupo prostético en los citocromos b, c, y c1. Una molécula parecida, llamada hemo A, está presente en los citocromos a y a3. El hemo de los citocromos c, y c1 está unido covalentemente a la proteína mediante enlaces tioéster entre los grupos sulfhidrilo de dos cisteínas de la proteína y grupos vinilo (—CH"CH2) del hemo (destacados en amarillo). En los otros citocromos, el grupo prostético hemo está unido de forma no covalente a la proteína. C C C C OH CH3 (CH2 CH3 CH C CH2) 10H CoQH2 (dihidroquinona) Figura 10.13 Las formas oxidadas y reducidas de la coenzima Q. La coenzima Q (también llamada ubiquinona) acepta tanto electrones como protones según va siendo reversiblemente reducido en dos pasos sucesivos de un electrón cada uno, formándose primero CoQH (la forma semiquinona) y posteriormente CoQH2 (la forma dihidroquinona). Transporte de lectrones: flujo de electrones desde las coenzimas al oxígeno 293 dos pasos de un electrón, desde la forma quinona (CoQ) a la forma dihidroquinona (CoQH2), pasando antes por la forma semiquinona (CoQH). A diferencia de la mayoría de las proteínas de la ETS, la coenzima Q no forma parte de un complejo respiratorio, sino que se encuentra en el interior apolar de la membrana mitocondrial interna (o de la membrana plasmática, en el caso de procariotas). Las moléculas de CoQ son los transportadores de electrones más abundantes en la membrana y ocupan un lugar central en la ETS, sirviendo como un punto de recolección de electrones desde los grupos prostéticos reducidos de las deshidrogenasas unidas al FMN o al FAD en la membrana. Dese cuenta de que la coenzima Q no sólo acepta los electrones cuando se reduce, sino también los protones y que libera, tanto los electrones, como los protones cuando se oxida. Esta propiedad es crucial en la función de la coenzima Q en el transporte activo, o bombeo, de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Cuando la CoQ se reduce a CoQH2, acepta siempre los protones desde un lado de la membrana, posteriormente difunde a través de ella hacia la superficie externa, donde se oxida a CoQ, propulsando los protones hacia el otro lado de la membrana. Esto proporciona una bomba de protones acoplada al transporte de electrones, que es uno de los mecanismos por los que se piensa que las mitocondrias, los cloroplastos y los procariotas establecen y mantienen un gradiente electroquímico de protones que se usa para almacenar la energía del transporte de electrones. Los transportadores de electrones funcionan en una secuencia que viene determinada por sus potenciales de reducción Ahora que conocemos los tipos de transportadores que conforman la ETS, nuestra siguiente pregunta hace referencia a la secuencia en que estos transportadores operan. Para ello, es preciso que entendamos qué significa el potencial de reducción estándar, E 0⬘, que es una medida, en voltios (V), de la afinidad que tiene un compuesto por los electrones. Describe la facilidad de un compuesto para ganar electrones y reducirse. Los potenciales de reducción se determinan experimentalmente por un par redox (reducción-oxidación), que consiste en dos moléculas que son interconvertibles por la pérdida o ganancia de electrones. Por ejemplo, el NAD⫹ y el NADH constituyen un par redox, al igual que el Fe2⫹ y el Fe3⫹, o el ᎏ12ᎏO2 y el H2O, como se muestra en las Ecuaciones 10.6 a 10.8. NAD+ ⫹ H+ ⫹ 2e⫺ !: NADH 1 ᎏᎏ 2 (10.6) 2⫹ (10.7) O2 ⫹ 2H⫹ ⫹ 2e⫺ !: H2O (10.8) Fe 3⫹ ⫺ ⫹ e !: Fe Los valores relativos de E 0⬘ nos permiten comparar pares redox y predecir en qué dirección tenderán a fluir los 294 electrones cuando varios pares redox estén presentes en un mismo sistema, como es el caso del sistema de transporte de electrones. Como se ha descrito anteriormente, el potencial de reducción es una medida de la afinidad por los electrones, que tiene la forma oxidada de un par redox. Tener un valor positivo de E 0⬘ para un par redox significa que la forma oxidada tiene una gran afinidad por los electrones, y constituye, por tanto, un buen aceptor de electrones. Por ejemplo, el valor de E 0⬘ para el par O2/H2O es altamente positivo, lo que significa que el O2 es un buen aceptor de electrones. Por su parte, el par NAD⫹/NADH tiene un valor de E 0⬘ muy negativo, lo que quiere decir que el NAD⫹ es un aceptor de electrones malo. Por otro lado, un valor negativo de E 0⬘ puede ser visto como una medida de la capacidad como donador de electrones, que tiene la forma reducida de un par redox. De esta manera, el valor de E0´ tan negativo del par NADH significa que el NADH constituye un buen donador de electrones. Conocimientos de los potenciales de reducción estándar. Para estandarizar los cálculos y las comparaciones de los potenciales de reducción de varios pares redox, necesitamos valores determinados bajo condiciones específicas. Con este propósito, usaremos el potencial de reducción estándar (E 0⬘), que es el potencial de reducción para un par redox bajo condiciones estándar (25 °C, 1 M de concentración, 1 atmósfera de presión y un pH de 7,0). Los potenciales de reducción de los pares redox más relevantes se muestran en la Tabla 10.2. Por convención, se usa el par redox 2H⫹/H2 como referencia, al que se le asigna el valor de 0,00 V (Tabla 10.2, línea en negrita). Un par redox que tenga un potencial de reducción estándar positivo significa que, bajo condiciones estándar, la forma oxidada del par posee una afinidad mayor por los electrones que el H⫹ y que aceptará los electrones del H2. En cambio, un potencial de reducción negativo quiere decir que la forma oxidada del par tiene menos afinidad por los electrones que el H⫹ y que por lo tanto donará los electrones al H⫹ para formar H2. Los pares redox de la Tabla 10.2 están colocados en orden, con los valores de E 0⬘ más negativos (es decir, los mejores donadores de electrones y, por tanto, los agentes reductores más fuertes) en la parte superior. Todos los pares redox que se muestran en la Figura 10.2 pueden llevar a cabo una reacción redox con cualquier otro par. El sentido de dicha reacción bajo condiciones estándar puede predecirse, porque, la forma reducida de cualquier par redox reducirá espontáneamente la forma oxidada de cualquier par que se encuentre por debajo de él en la tabla. De esta manera, el NADH puede reducir al piruvato a lactato, pero no puede mediar la reducción del -cetoglutarato a isocitrato. La tendencia de una forma reducida de un par a reducir la forma oxidada de otro par puede cuantificarse deter- Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia Tabla 10.2 Potenciales de reducción para los pares redox de importancia biológica* Pares redox (forma oxidada : forma reducida) N.º de electrones E0⬘(V) Acetato : piruvato 2 ⫺0,70 Succinato : ␣-cetoglutarato 2 ⫺0,67 Acetato : acetaldehído 2 ⫺0,60 3-fosfoglicerato : gliceraldehído 3-P 2 ⫺0,55 ␣-cetoglutarato : isocitrato NAD⫹ : NADH FMN : FMNH2 1,3-difosfoglicerato : gliceraldehído 3-P Acetaldehído : etanol Piruvato : lactato FAD : FADH2 Oxalacetato : malato Fumarato : succinato 2Hⴙ : H2 CoQ⫹ : CoQH2 Citocromo b (Fe3⫹ : Fe2+) Citocromo c (Fe3⫹ : Fe2+) Citocromo a (Fe3⫹ : Fe2+) Citocromo a3 (Fe3⫹ : Fe2+) Fe3⫹ : Fe2⫹ (ion inorgánico) 1/2O : H 0 2 2 2 ⫺0,38 2 ⫺0,32 2 ⫺0,30 2 ⫺0,29 2 ⫺0,20 2 ⫺0,19 2 ⫺0,18 2 ⫺0,17 2 ⫺0,03 2 0,00** 1 ⫹0,04 2 ⫹0,07 1 ⫹0,25 1 ⫹0,29 1 ⫹0,55 1 ⫹0,77 1 ⫹0,816 * El valor de ⌬E 0⬘ corresponde a la siguiente hemirreacción, donde n es el número de electrones transferidos: Forma oxidada ⫹ nH⫹ ⫹ ne⫺ : forma reducida ** Por definición, este par redox es el punto de referencia que se usa para determinar los valores de los otros pares redox; se requiere que [H+] ⫽ 1,0 M y por tanto, el pH es 0,0. A un pH de 7,0, el valor del par 2 H+/H2 es ⫺0,42. minando ⌬E 0⬘, la diferencia entre los valores de E 0⬘ entre dos pares: ⌬E 0⬘ ⫽ E 0⬘aceptor ⫺ E 0⬘donador (10.9) Por ejemplo, ⌬E 0⬘ para la transferencia de electrones desde NADH al O2 (Reacción 10.4) se calcula de la manera siguiente, con el NADH como donador y el O2 como aceptor: ⌬E0⬘ ⫽ E0⬘aceptor ⫺ E0⬘donador ⫽ ⫹ 0,816 – (⫺0,32) ⫽ ⫹1.136 V (10.10) La relación entre ⌬G°⬘ y ⌬E °⬘. Como ya habrá podido imaginar, ⌬E 0⬘ es una medida de la esponteanidad de la reacción redox entre dos pares redox cualquiera en condiciones estándar. La espontaneidad de una reacción redox en condiciones estándar puede expresarse como ⌬G0⬘ o ⌬E 0⬘. Por convención el signo de ⌬E 0⬘ es el contrario del de ⌬G0⬘, de tal manera que una reacción exergónica es aqué- lla con un valor negativo de ⌬G0⬘ y positivo de ⌬E 0⬘. Para cualquier reacción de oxidación-reducción, ⌬G0⬘ está relacionado con ⌬E 0⬘ mediante la ecuación: ⌬G0⬘ ⫽ ⫺nF ⌬E 0⬘ (10.11) donde n es el número de electrones transferido y F es la constante de Faraday (23.062 cal/mol). Por ejemplo, la reacción del NADH con el oxígeno (Reacción 10.4) implica la transferencia de dos electrones, por lo que la ⌬G0⬘ de esta reacción puede calcularse de la siguiente manera ⌬G0⬘ ⫽ ⫺2F ⌬E 0⬘ ⫽ ⫺2(23.062)(⫹1.136) ⫽ 52,400 cal/mol ⫽ 52,4 kcal/mol (10.12) El valor de esta reacción es negativo, por lo que la transferencia de electrones desde el NADH al O2 es termodinámicamente espontánea bajo condiciones estándar. Es, de hecho, la diferencia de potenciales de reducción entre los pares redox NAD+/NADH y O2 /H2O, la que dirige la ETS y mantiene el gradiente electroquímico de protones. Reuniendo el sistema de transporte de electrones. En este momento disponemos de la información necesaria para juntar las piezas de la ETS. Como ya sabemos, consiste en varias deshidrogenasas unidas al FMN y al FAD, proteínas ferrosulfurosas con un total de 12 o más centros Fe/S, cinco citocromos, dos de ellos con un centro Fe/S, y un conjunto de moléculas de CoQ que se encuentran en una forma oxidada (CoQ), parcialmente reducida (CoQH) o en la forma reducida (CoQH2). En la Figura 10.14 se muestran los principales componentes de la ETS ordenados en función de sus potenciales de reducción estándar (los valores de ⌬E 0⬘ están calculados según la Tabla 10.2), desde el NADH libre (E0⬘ ⫽ ⫺0,32V) y el del FADH2 de la succinato deshidrogenasa (E 0⬘ ⫽ ⫺0,18V) al oxígeno (E 0⬘ ⫽ ⫹0,816V). En términos de energía, el punto clave de la Figura 10.14 es que la posición de cada transportador está determinado por su potencial de reducción estándar. En otras palabras, el sistema de transporte de electrones consiste en una serie de transportadores que difieren químicamente entre sí y cuyo orden de partipación en la transferencia de electrones está determinada por sus potenciales de reducción relativos. A su vez, esto quiere decir que la transferencia de electrones desde el NADH o el FADH2 en la parte superior al O2 en la parte inferior es espontánea y exergónica, con algunas de las transferencias entre transportadores sucesivos caracterizadas por grandes diferencias en sus valores de E 0⬘ y en consecuencia por grandes cambios en la energía libre. La mayoría de los transportadores están organizados en cuatro grandes complejos respiratorios Aunque existen muchos transportadores de electrones implicados en la ETS, la mayor parte de ellos no se encuentran Transporte de lectrones: flujo de electrones desde las coenzimas al oxígeno 295 Succinato −0,4 12 1,2 2 e− NADH 2 e − 50 FMN −0,2 1, FAD Complejo II: Succinato-coenzima Q oxidorreductasa Fe-S Fe Fe-S 0,0 40 0,8 CoQ CoQ E ′0 (V) Cit +0,2 Complejo III: Coenzima Q-citocromo c oxidorreductasa Cit 0,6 1 Cit c Cta Cit +0,4 +0,6 0,4 Complejo IV: Citocromo c oxidasa 30 20 ∆ °′ (kcal/mol) (con respecto al oxígeno) ∆G Fe-S e- ∆E ′0 (V) (con respecto al oxígeno) Complejo I: NADH-coenzima Q oxidorreductasa Citt a3 0,2 10 e− O2 +0,8 0,0 0 Figura 10.14 Principales componentes de los complejos respiratorios y sus energéticas. Los intermediarios más importantes en el transporte de electrones desde el NADH (⫺0,32 V) se colocan verticalmente en función de sus niveles energéticos, que se miden por sus potenciales de reducción estándar (E 0⬘, eje izquierdo). Se muestran los cuatro complejos respiratorios como grandes óvalos marrones, que contienen los principales transportadores de electrones encuadrados en otro óvalo interior. La coenzima Q y el citocromo c son intermediarios móviles y pequeños que transfieren los electrones entre varios complejos. Las líneas rosas marcan el flujo exergónico de electrones a lo largo del sistema. En los ejes de la derecha se encuentran los valores de ⌬E 0⬘ y ⌬G0⬘ del oxígeno (es decir, los cambios en los potenciales de reducción estándar y la energía libre estándar de la transferencia de electrones al O2). en la membrana como entidades individuales. Al contrario, el comportamiento de estos transportadores en experimentos de aislamiento mitocondrial indican que están organizados en complejos multiproteicos. Por ejemplo, cuando se extraen membranas mitocondriales mediante procedimientos delicados, sólo la coenzima Q y el citocromo c se liberan fácilmente. Los demás transportadores permanecen unidos a la membrana interna y no se liberan, a no ser que se trate a la membrana con detergentes o con soluciones salinas concentradas. Dichos tratamientos extraen el resto de los transportadores de electrones no como moléculas individuales sino como cuatro grandes complejos. Basándose en éstos y otros resultados similares, se piensa que los transportadores de electrones en la ETS están or296 ganizados en la membrana mitocondrial interna en cuatro tipos diferentes de complejos respiratorios. Estos complejos se muestran en la Figura 10.14 en forma de óvalos marrones y con números romanos, que indican no sólo el orden de los diferentes transportadores de electrones en función de sus valores de E 0⬘ sino también su organización en la membrana. Propiedades de los complejos respiratorios. Cada complejo respiratorio está formado por la unión de polipéptidos y grupos prostéticos, y cada uno desempeña una única función en el proceso del transporte de electrones. La Tabla 10.3 recoge algunas de las propiedades de estos complejos. Capítulo 10 Metabolismo quimiótrofo de la energía: respiración aerobia Tabla 10.3 Propiedades de los complejos respiratorios mitocondriales Complejo respiratorio Número Nombre Flujo de electrones Número de polipéptidos* Grupos prostéticos Aceptado de Pasado a Protones translocados (por par de electrones) I NADH–coencima Q oxirreductasa (NADH deshidrogenasa) 43 (7) 1 FMN 6–9 centros Fe-S NADH Coenzima Q 4 II Succinato–coenzima Q oxidorreductasa (succinato deshidrogenasa) 4 (0) 1 FAD 3 Fe-S centros Succinato a Coenzima Q través de enzima unida a FAD) 0 III Coenzima Q–citocromo c oxidorreductasa (complejo citocromo b-c1) 11 (1) 2 citocromo b 1 citocromo c1 1 centro Fe-S Coenzima Q Citocromo c 4** IV Citocromo c oxidasa 13 (3) 1 citocromo a 1 citocromo a3 2 centros Cu (como centros Fe-Cu con el citocromo a3) Citocromo c Oxígeno (O2) 2 *En cada complejo se indica entre paréntesis el número de polipéptidos codificado por el genoma mitocondrial. **El valor del complejo III incluye 2 protones translocados por la coenzima Q. El complejo I transfiere los electrones desde el NADH a la coenzima Q y se denomina complejo NADH-coenzima Q oxidorreductasa (o complejo NADH deshidrogenasa). El complejo II transfiere a la CoQ los electrones derivados del succinato de la reacción TCA-6. Este complejo se conoce formalmente como complejo succinato-coenzima Q oxidorreductasa, aunque frecuentemente se utiliza el nombre abreviado, succinato deshidrogenasa. El complejo III se denomina complejo coenzima Q-citocromo oxidorreductasa porque acepta los electrones de la coenzima Q y los pasa al citocromo c. A veces, se hace referencia a este complejo como citocromo b/c1 porque son estos dos citocromos sus principales componentes. El complejo IV transfiere los electrones desde el citocromo c al oxígeno y se llama citocromo c oxidasa. La Figura 10.15 muestra los tres complejos necesarios para la oxidación del NADH (complejos I, III y IV) en su apropiado contexto eurocariota, la membrana mitocondrial interna (no se incluye el complejo II en la figura porque éste no participa en la oxidación del NADH). También se muestra en la figura el bombeo hacia el exterior de protones a través de la membrana, que acompaña al transporte de electrones. Cada uno de estos complejos representa un punto de bombeo de protones. El paso de electrones a través del complejo II no está asociado a una translocación de protones a través de la membrana. La función de la citocromo c oxidasa. Entre todos los com- plejos respiratorios que partici