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Tomado de La Célula
de Cooper. Marban
00, 2da edición
Bioenergética y metabolismo
Mitocondrias, cloroplastos y P eroxisomas
LOS ORGÁNULOS CITOPLÁSMICOS, ADEMÁS DE ESTAR IMPLICADOS EN EL
TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LAS PROTEÍNAS, proporcionan compartimentos
especializados en los que tienen lugar diversas actividades metabólicas. Una actividad
fundamental de todas las células es generar energía metabólica, y son dos los orgánulos que
están dedicados específicamente al metabolismo energético y a la producción de ATP. Las
mitocondrias son responsables de generar la mayoría de la energía útil derivada de la
degradación de los lípidos y de los carbohidratos, y los cloroplastos utilizan la energía obtenida
de la luz solar para generar tanto ATP como poder reductor para sintetizar carbohidratos a
partir de CO2 y H2O. El tercer orgánulo que se trata en este Capítulo, el peroxisoma, contiene
enzimas que intervienen en diversas rutas metabólicas, incluyendo la degradación de los ácidos
grasos y el metabolismo de un derivado de la fotosíntesis.
Las mitocondrias, los cloroplastos y los peroxisomas difieren de los orgánulos tratados en el
Capítulo anterior no sólo en sus funciones, sino también en su mecanismo de formación. Las
proteínas destinadas a los peroxisom as, mitocondrias y cloroplastos, en lugar de sintetizarse
en los ribosomas unidos a membrana y ser trasladadas al retículo endoplásmico, se
sintetizan en los ribosomas libres del citosol y son importadas a sus orgánulos de destino en
forma de cadenas polipeptídicas completas. Las mitocondrias y los cloroplastos también
contienen sus propios genomas, que incluyen algunos genes que se transcriben y traducen
en el propio orgánulo. Por lo tanto, la distribución de las proteínas a los orgánulos
citoplásmicos tratados en este Capítulo es diferente de las rutas de transporte vesicular que
conectan el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas y la membrana plasmática.
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Mitocondrias
Las mitocondrias desempeñan un papel crucial en la generación de energía metabólica en las
células eucariotas. Como ya se comentó en el Capítulo 2, son responsables de la mayor
parte de la energía útil derivada de la degradación de los carbohidratos y de los ácidos grasos,
que es convertida en ATP por el proceso de la fosforilación oxidativa. La mayoría de las
proteínas mitocondriales son traducidas en los ribosomas citoplásmicos libres, y son
importadas al orgánulo debido a señales directoras específicas. Además, las mitocondrias
son únicas entre los orgánulos citoplásmicos ya tratados en que contienen su propio ADN,
que codifica ARNt, ARNr, y algunas proteínas mitocondriales. El ensamblaje de las
mitocondrias implica, por tanto, a proteínas codificadas por su genoma propio y traducidas en
el orgánulo, así como a proteínas codificadas por el genoma nuclear e importadas desde el
citosol.
Organización y función de las mitocondrias
Las mitocondrias están rodeadas por un sistema de doble membrana, constituido por una
membrana mitocondrial interna y otra externa separadas por un espacio intermembrana (Fig.
10.1). La membrana interna forma numerosos pliegues (crestas), que se extienden hacia el
interior (o matriz) del orgánulo. Cada uno de estos componentes desempeña un papel funcional
distinto, siendo la matriz y la membrana interna los principales compartimentos funcionales de
las mitocondrias.
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Figura 10.1 Estructura de una mitocondria. Las mitocondrias están rodeadas por un sistema de doble membrana,
constituido por una membrana interna y una externa. Los pliegues de la membrana interna y una externa. Los pliegues de
la membrana interna (crestas) se extienden hacia el interior de la matriz.(Microfotografía por K.R. Poster/Photo
Rechearches, Inc.)
La matriz contiene el sistema genético mitocondrial así como las enzimas responsables de las
reacciones centrales del metabolismo oxidativo (Fig. 10.2). Como ya se trató en el Capítulo 2,
la fuente principal de energía metabólica en las células animales es la degradación oxidativa de
la glucosa y de los ácidos grasos, Las etapas iniciales del metabolismo de la glucosa (glicolisis)
tienen lugar en el citoplasma, donde la glucosa es convertida a piruvato (véase Fig. 2.32). El
piruvato es posteriormente transportado al interior de la mitocondria, donde su oxidación
completa a C02 produce la mayor parte de la energía utilizable (ATP) procedente del
metabolismo de la glucosa. Esto implica la oxidación inicial del piruvato a acetil CoA, que
posteriormente es degradado hasta CO2 a través del ciclo del ácido cítrico (véanse Figs. 2.33 y
2.34). La oxidación de los ácidos grasos también produce acetil CoA (véase Fig. 2.36), que de
forma similar es metabolizado por el ciclo del ácido cítrico en las mitocondrias. Por lo tanto, las
enzimas del ciclo del ácido cítrico (localizadas en la matriz mitocondrial) tienen un papel
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central en la degradación oxidativa tanto de los carbohidratos como de los ácidos grasos.
Figura 10.2 Metabolismo en la matriz de las mitocondrias. El piruvato y los áciso grasos son importados desde el
citosol y convertidos en acetil CoA en la matriz mitocondrial. El acetil CoA se oxida a CO2 a través del ciclo del ácido cítrico,
la ruta principal del metabolismo oxidativo.
La oxidación del acetil CoA a CO2 está acoplada a la reducción de NAD+ y FAD a NADH y
FADH2 respectivamente. Por lo tanto, la mayor parte de la energía derivada del metabolismo
oxidativo es producida por el proceso de fosforilación oxidativa (que se tratará en detalle en la
siguiente sección), que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. Los electrones de alta
energía del NADH y FADH2 se transfieren al oxígeno molecular a través de una serie de
transportadores de la membrana. La energía derivada de estas reacciones de transferencia de
electrones se convierte en energía potencial acumulada en forma de un gradiente de
protones a través de la membrana, que es utilizada para dirigir la síntesis de ATP. La
membrana interna mitocondrial representa de esta manera el lugar principal de generación de
ATP, y este papel fundamental se refleja en su estructura. Primero, el incremento de su
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superficie mediante su plegamiento en crestas. Además, la membrana interna mitocondrial
contiene una proporción inhabitualmente elevada (mas del 70%) de proteínas, que intervienen
en la fosforilación oxidativa así como en el transporte de metabolitos (p. ej., piruvato y ácidos
grasos) entre el citosol y la mitocondria. Por otra parte, la membrana interna es impermeable a
la mayoría de los iones y de las moléculas pequeñas una propiedad crítica para mantener el
gradiente de protones que dirige la fosforilación oxidativa.
A diferencia de la membrana interna, la membrana externa mitocondrial es completamente
permeable a las moléculas pequeñas. Esto es debido a que contiene unas proteínas
denominadas porinas, que forman canales que permiten la difusión libre de moléculas
menores de 6.000 daltons. Por lo tanto, la composición del espacio intermembrana es similar a
la del citosol respecto a los iones y a las moléculas pequeñas. Consecuentemente, la
membrana mitocondrial interna es la barrera funcional para el paso de moléculas pequeñas
entre el citosol y la matriz y mantiene el gradiente de protones que dirige la fosforilación
oxidativa.
Sistema genésico de las mitocondrias
Las mitocondrias contienen su propio sistema genético, el cual está separado y es distinto
del genoma nuclear de la célula. Como ya se comentó en el Capítulo 1, se cree que las
mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias que desarrollaron una relación simbiótica
viviendo dentro de células más grandes (endosimbiosis). Esta hipótesis ha sido confirmada
recientemente por los resultados del análisis de secuencias de ADN, que han revelado
similitudes notables entre el genoma de las mitocondrias y el de la bacteria Rickettsia
prowazekii. Las rickettsias son parásitos intracelulares que, al igual que las mitocondrias, sólo
son capaces de reproducirse dentro de células eucariotas. De acuerdo con sus estilos de vida
similares simbióticos, las secuencias de ADN genómico de Rickettsia y de las mitocondrias
sugieren que compartieron un ancestro común, a partir del cual se originó el sistema genético
de las mitocondrias actuales.
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El genoma mitocondrial está constituido por moléculas circulares de ADN, como los de las
bacterias, presentes en varias copias por orgánulo. Varían considerablemente en tamaño entre
las diferentes especies. Los genomas de las mitocondrias humanas y de la mayoría de los
animales tienen sólo alrededor del 6 kb, pero se han encontrado genomas mitocondriales
sustancialmente más grandes en las levaduras (aproximadamente 80 kb) y en las plantas
(más de 20o kb). Sin embargo, estos genomas mitocondriales más grandes están compuestos
fundamentalmente por secuencias no codificantes y no parece que contengan mucha más
información genética. Por ejemplo, el genoma mitocondrial más grande secuenciado es el de la
planta Arabidopsis thaliana Aunque el ADN mitos condrial de Arabidopsis tiene alrededor de
367 kb, codifica sólo 32 proteínas: Un poco más del doble de las que codifica el ADN
mitocondrial humano. El ADN mitocondrial con mayor número de genes es el del protozoo
Reclinomonas americana, que tiene 69 kb y contiene 97 genes. El genoma mitocondrial de
Reclinomonas parece que se asemeja más al genoma bacteriano del que evolucionaron las
mitocondrias que la mayoría de los genomas mitocondriales actuales, que sólo codifican un
pequeño número de proteínas que son componentes esenciales del sistema de fosforilación
oxidativa. Además, el genoma mitocondrial codifica todos los ARNs ribosómicos y la mayoría de
los ARNs de transferencia necesarios para la traducción en la mitocondria de estas
secuencias codificantes. Otras proteínas mitocondriales son codificadas por genes nucleares;
se piensa que éstas han sido transferidas al núcleo desde el genoma mitocondrial
ancestral.
El genoma mitocondrial humano codifica 13 proteínas implicadas en el transporte de electrones
y en la fosforilación oxidativa (Fig. 10.3). Además, el ADN mitocondrial humano codifica
ARNr 16S y 12S y 22 ARNt que se requieren para la traducción de las proteínas codificadas
por el genoma del orgánulo. Los dos ARNr son los únicos componentes de ARN de los
ribosomas mitocondriales de los animales y levaduras, mientras que los ribosomas bacterianos
contienen tres ARNr (23S, 16S y 5S). Sin embargo, el ADN mitocondrial de las plantas
también codifica un tercer ARNr de 5S. Las mitocondrias de las plantas y de los protozoos
también difieren de las de los animales en que importan y utilizan ARNT codificados tanto
por el genoma nuclear como por el mitocondrial, mientras que en las mitocondrias animales
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todos los ARNt son codificados por el orgánulo.
Figura 10.3 Genoma mitocondrial humano. El genoma contiene 13 secuencias codificadoras de proteinas, que son designadas
como componentes de los complejos respiratorios I, III, IV, o V. Además, el genoma contiene genes para los ARNr 12S y
16S y para 22 ARNt, que son designados ´por el código de una letra para el aminoácido correspondiente. La región del
genoma designada <<bucle D>> contiene un origen de replicación del DN y secuencias promotoras de la transcripción.
El pequeño número de ARNt codificados por el genoma mitocondrial pone de manifiesto
una característica importante del sistema genético mitocondrial -el uso de un código genético
ligeramente diferente, que es distinto del código genético "universal" utilizado por las
células procariotas y eucariotas (Tabla 10. l). Como ya se trató en el Capítulo 3, hay 64
codones posibles, de los cuales 61 codifican los 20 aminoácidos diferentes incorporados en
las proteínas (véase Tabla 3. l).Muchos ARNt tanto en las células procariotas como en
las eucariotas son capaces de reconocer más de un único codón en el ARNm debido al
,balanceo», que permite el desapareamiento entre el anticodón del ARNt y la tercera posición
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de determinados codones complementarios (véase Fig. 7.3). Sin embargo, se requieren al
menos 30 ARNt diferentes para traducir el código universal de acuerdo a las reglas del balanceo.
Sin embargo, el ADN mitocondrial humano codifica sólo 22 especies de ARNt, y estos son los
únicos ARNt que se utilizan para la traducción de los ARNm mitocondriales. Esto se lleva a
cabo por una forma extrema de balanceo en la que la U en el anticodón del ARNt puede
aparearse con cualquiera de las cuatro bases en la tercera posición del codón de ARNm, lo
que permite que un único ARNt reconozca cuatro codones. Además, en las mitocondrias
algunos codones especifican aminoácidos distintos de los que codifica el código universal.
Al igual que el ADN de los genomas nucleares, el ADN mitocondrial puede alterarse por
mutaciones, que frecuentemente son nocivas para el orgánulo. Puesto que casi todas las
mitocondrias del óvulo fecundado las aporta el oocito en vez del espermatozoide, las
mutaciones germinales en el ADN mitocondrial son transmitidas a la siguiente generación por la
madre. Dichas mutaciones se han asociado con varias enfermedades. Por ejemplo, la
neuropatía óptica hereditaria de Leber, una enfermedad que conduce a la ceguera,
puede producirse por mutaciones en los genes mitocondriales que codifican los
componentes de la cadena de transporte de electrones. Además, se ha sugerido que la
acumulación progresiva de mutaciones en el ADN mitocondrial durante la vida de los
idividuos contribuye al proceso de envejecimiento.
Internalización de proteínas y formación de las mitocondrias
A diferencia de lo que sucede con los ARN miembros del aparato de traducción e las
mitocondrias (ARNr y ARNt), la mayoría de los genomas mitocondriales 0 codifican las proteínas
requeridas para la replicación, transcripción o traducción del ADN. Los enes que codifican las
proteínas requeridas para la replicación y expresión del ADN mitocondrial se encuentran en el
núcleo. Además, el núcleo contiene los genes que codifican la mayoría de las proteínas
mitocondriales requeridas para la fosforilación oxidativa y todas las enzimas que intervienen en
el metabolismo mitocondrial (p. ej., las enzimas del ciclo del ácido cítrico). Las proteínas
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codificadas por estos genes (más del 95 % de las proteínas mitocondriales) son
sintetizadas en ribosomas citosólicos libres e introducidas en las mitocondrias como
cadenas polipeptídicas completas. Debido a la estructura de doble membrana de las
mitocondrias, la internalización de las proteínas es considerablemente más complicada
que la transferencia de un polipéptido a través de una única bicapa fosfolipídica. Las
proteínas destinadas a la matriz tienen que atravesar tanto la membrana mitocondrial interna
como la externa, mientras que otras proteínas han de distribuirse a distintos compartimentos
en el orgánulo (p. ej., el espacio intermembrana).
La internalización de proteínas a la matriz es el aspecto mejor conocido de la distribución de
las proteínas en la mitocondria (Fig. 10.4). La mayoría de las proteínas son marcadas y dirigidas
a la mitocondria mediante secuencias amino terminales de 20 a 35 aminoácidos
(denominadas presecuencias) que se escinden por rotura proteolítica tras entrar en el
orgánulo. Las presecuencias de las proteínas mitocondriales, caracterizadas por primera
vez por Gottfried Schatz, contienen múltiples residuos de aminoácidos con carga positiva,
habitualmente en forma de hélice 3( antipática. El primer paso en la internalización de la
proteína es la unión de estas presecuencias a receptores en la superficie de la mitocondria. A
continuación la cadena polipeptídica se inserta en un complejo proteínico que dirige la
translocación a través de la membrana externa (la transiocasa de la membrana externa o
complejo Tom). Después, las proteínas se transfieren a un segundo complejo proteínico en la
membrana interna (la transiocasa de la membrana interna o complejo Tim). La
translocación de proteínas requiere el potencial electroquímico que se establece a través de
la membrana interna mitocondrial durante el transporte de electrones. Como se verá en la
siguiente sección de este Capítulo, la transferencia de electrones de alta energía desde el
NADH y FADH2 al oxígeno molecular está acoplada a la transferencia de protones desde la
matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Puesto que los protones son partículas
cargadas, esta transferencia establece un potencia¡ eléctrico a través de la membrana
interna, siendo la matriz negativa. Durante la internalización de las proteínas, este
potencia] eléctrico dirige la translocación de la presecuencia cargada positivamente.
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Figura 10.4 Internalización de las proteinas en las mitocondrias. Las proteinas son marcadas y dirigidas a las mitocondrias
mediante una presecuencia amino terminal que contiene aminoácidos con carga positiva. Las proteinas se mantienen
parcialmente desplegadas mediante la asociaron con una Hsp 70 citosólica y son reconocidas porun receptor en la
superficie de la mitocondria. Las cadenas polipeptídicas sin plegar son trnasferidas a través del complejo Tom en la
membrana externa y tranferida al complejo Tim en la membrana interna. El componente
de voltaje del gradiente
electroquimico es requerido para la traslocación a través de la membrana interna. La presecuencia es escidida por una
proteasa de la matriz, y una Hsp70 mitocondrial se une a la cadena polipeptídica al atravesar la membrana interna, dirigiendo
la translocación del resto de la proteina. A continuación una Hsp60 mitocondrial facilita el plegamiento del polipéptido
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internalizado en la matriz
Para ser trasladadas a través de la membrana mitocondrial, las proteínas deben estar, al menos
parcialmente, desplegadas. Por lo tanto, la internalización de las proteínas en las mitocondrias
requiere chaperonas moleculares además de las proteínas de membrana implicadas en la
translocación (véase Fig. 10.4). En el lado citoplásmico, los miembros de la familia de
chaperonas Hsp7O mantienen las proteínas parcialmente desplegadas para que puedan
ser insertadas en la membrana mitocondrial. A medida que cruzan la membrana interna,
las cadenas polipeptídicas sin plegar se unen a otro miembro de la familia Hsp7O, que está
asociado con el complejo Tim y que actúa como un motor que dirige la internalización
de las proteínas. El polipéptido es transferido a continuación a una chaperona de la familia
Hsp6O (una chaperonina), dentro de la cual se produce el plegamiento de la proteína. Puesto
que estas interacciones de las cadenas polipeptídicas con las chaperonas moleculares
dependen de ATP, la internalización de proteínas requiere ATP tanto fuera como en el
interior de las mitocondrias, además del potencial eléctrico a través de la membrana interna.
Como se ha mencionado previamente, algunas proteínas mitocondriales se dirigen a la
membrana externa, a la membrana interna o al espacio intermembrana en lugar de a la
matriz, por lo que se requieren mecanismos adicionales para dirigir estas proteínas al
compartimento submitocondrial correcto. Estas proteínas son dirigidas a sus destinos
mediante una segunda señal de distribución tras la presecuencia con carga positiva que
dirige la internalización a laitocondria. La distribución de las proteínas a las membranas
mitocondriales parece estar mediada por secuencias hidrófobas de terminación de la
transferencia que interrumpen la translocación de las cadenas polipeptídicas a través de los
complejos Tim o Tom, quedando insertadas en la membrana mitocondrial interna o externa,
respectivamente (Fig. 10.5). Las proteínas pueden dirigirse al espacio intermembrana mediante
varios mecanismos diferentes (Fig. 10.6). Algunas proteínas son transferidas a través de la
membrana externa mediante el complejo Tom pero a continuación se liberan en el espacio
intermembrana en lugar de ser transferidas al complejo Tim. Otras proteínas son transferidas
al complejo Tim pero a continuación se liberan al espacio intermembrana como
consecuencia de la escisión de las secuencias hidrófobas de interrupción de la
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transferencia. Aún, otras proteínas pueden entrar en la matriz mitocondrial y después ser
exportadas a través de la membrana interna al espacio intermembrana.
Figura 10.5 Inserción de las proteínas de la membrana mitocondriales. Las proteínas dirigidas a las membranas
mitocondriales contienen secuencias hidrófobas de terminación de la transferencia que interrumpen su translocación
a través de los complejos Tom o Tim, dan lugar a su incorporación en las membranas externa o interna respectivamente.
No sólo las proteínas, sino también los fosfolípidos de las membranas mitocondriales son
importados desde el citosol.
En las células animales, la fosfatidilcolina y la
fosfatidiletanolamina se sintetizan en el RE y se transportan a las mitocondrias mediante
proteínas de transferencia de fosfolípidos, que extraen moléculas aisladas de fosfolípidos de la
membrana del RE.
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Figura 10.6 Distribución de las proteínas al espacio intermembrana.
Las proteínas pueden dirigirse al espacio intermembrana mediante varios mecanismos. Algunas proteínas (I) son transportadas a
través del complejo Tom y se liberan en el espacio intermembrana. Otras proteínas (II) se transfieren desde el complejo Tom al
complejo Tim, pero contienen secuencias hidrofóbicas de terminación de la transferencia que interrumpen el transporte a
través delcomplejo Tim. Entonces, se escinden estas secuencias de interrupción de la transferencia para que las proteínas se
liberen al espacio intermembrana. Aún, otras proteínas (III) entran en la matriz, como se representó en la Fig. 10.4. La liberación de la
presecuencia en la matriz expone una secuencia señal hidrófoba, que dirige a la proteína de vuelta a través de la membrana
interna hacia el espacio intermembrana.
Entonces el lípido puede transportarse a través del ambiente acuoso del citosol, protegido
por el sitio de unión hidrofóbico de la proteína, y liberarse cuando el complejo llega a una
nueva membrana, como la de las mitocondrias. Las mitocondrias sintetizan fosfatidilserina a
partir de fosfatidiletanolamina, y además catalizan la síntesis del fosfolípido poco frecuente
cardiolipina, que contiene cuatro cadenas de ácidos grasos (Fig. 10.7).
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Figura 10.7 Estructura de la Cardiología. La cardiolipina es un fosfolípido <<doble>> poco frecuente, que se
encuentra principalmente en la membrana mitocondrial interna.
Mecanismo de la fosforilación oxidativa
La mayor parte de la energía utilizable obtenida de la degradación de los hidratos de carbono o
de las grasas, deriva de la fosforilación oxidativa que tiene lugar en el interior de la
mitocondria. Por ejemplo, la degradación de la glucosa mediante la glicálisis y el ciclo del
ácido cítrico rinde un total de cuatro moléculas de ATP diez moléculas de NADH, y dos
moléculas de FADH2 (véase Cap. 2). Los electrones del NADH y del FADH2 son transferidos
después al oxígeno molecular, lo cual está acoplado a la formación de 32 a 34
moléculas adicionales de ATP mediante la fosforilación oxidativa. El transporte de
electrones y la fosforilación oxidativa son actividades críticas de los complejos de las
proteínas de la membrana mitocondrial interna, que puede considerarse como la fuente principal
de energía celular.
Cadena de transporte de electrones
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Durante la fosforilación oxidativa los electrones derivados del NADH y FADH2 se combinan
con el O2, y la energía liberada de estas reacciones de oxidación/reducción es utilizada para
dirigir la síntesis de ATP a partir del ADP. La transferencia de electrones desde el NADH al
02 es una reacción que desprende mucha energía, con una AG'= -52,5 kcal/mol por cada
par de electrones transferidos. Para poderse utilizar, esta energía debe producirse
gradualmente,
mediante
el
paso
de
los electrones a través de una serie de
transportadores que constituyen la cadena de transporte
de
electrones.
Estos
transportadores están organizados en cuatro complejos en la membrana mitocondrial
interna. Un quinto complejo de proteínas sirve después para acopiar las reacciones del
transporte de electrones, productoras de energía, a la síntesis de ATP.
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Los electrones del NADH entran en la cadena de transporte de electrones en el complejo
I, constituido aproximadamente por 40 cadenas polipeptídicas (Fig. 10.8). Estos electrones
primero se transfieren desde el NADH a un mononucleótido de flavina, y después, a través
de un transportador de hierro-azufre, a la coenzima a -un proceso que desprende energía con
una AG '= -1 6,6 kcal/mol-. La coenzima Q (también denominada ubiquinona) es una
molécula pequeña, liposoluble, que transporta los electrones desde el complejo I, a través
de la membrana, hasta el complejo III, que está constituido aproximadamente por 10
polipéptidos. En el complejo III los electrones se transfieren desde el citocromo b al
citocromo c -una reacción que libera energía con una AG ' = -10,1 kcal/mol-. El citocromo
c, una proteína de membrana periférica, unida a la cara externa de la membrana interna,
transporta a continuación los electrones al complejo IV ( citocromo oxidasa), donde finalmente
son transferidos al O2 (AG ' = -25,8 kcal/mol).
Un complejo de proteínas diferente (complejo II), constituido por cuatro polipéptidos,
recibe los electrones del succinato, que es un producto intermediario del ciclo del ácido
cítrico (Fig. 10.9). Estos electrones son transferidos al FADH2, en lugar de al NADH, y
después a la coenzima Q. Desde la coenzima Q, los electrones se transfieren al
complejo III y después al complejo IV, como ya se ha descrito. A diferencia de la
transferencia de electrones desde el NADH a la coenzima Q en el complejo I, la transferencia
de electrones desde el FADH2 a la coenzima Q no lleva asociada una disminución significativa
de la energía libre, por lo que no está acoplada a la síntesis de ATP. Por lo tanto, el paso de
los electrones derivados del FADH2 a través de la cadena de transporte de electrones sólo
rinde energía libre en los complejos III y IV.
La energía libre derivada del paso de electrones a través de los complejos I, III, y IV se
obtiene al acoplarse con la síntesis de ATP. Es importante destacar que el mecanismo por
el que la energía derivada de estas reacciones de transporte de electrones se acopla a la
síntesis de ATP, es fundamentalmente diferente de la síntesis de ATP durante la glicólisis o
el ciclo del ácido cítrico, En estos últimos, un fosfato rico en energía se transfiere directamente
al ADP desde otro sustrato, en una reacción que libera energía. Por ejemplo, en la reacción
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final de la glicólisis, el fosfato rico en energía del fosfoenolpiruvato es transferido al ADP,
dando lugar a piruvato más ATP (véase Fig. 2.32). Esta transferencia directa de grupos
fosfato de alta energía no tiene lugar durante el transporte de electrones. En su lugar, la
energía derivada del transporte de electrones está acoplada a la generación de un gradiente
de protones a través de la membrana mitocondrial interna. La energía potencial almacenada
en este gradiente se obtiene mediante un quinto complejo proteínico que acopla el flujo,
energéticamente favorable, de los protones a través de la membrana, a la síntesis de ATP.
Acoplamiento quimiosmótico
El mecanismo de acoplamiento del transporte de electrones a la generación de ATP, el
acoplamiento quimiosmótico, es un ejemplo significativo de la relación entre estructura
y función en la biología celular. La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico fue propuesta por
primera vez en 1961 por Peter Mitchell, quien sugirió que el ATP se genera utilizando la energía
almacenada en forma de un gradiente de protones a través de las membranas biológicas, en
lugar de por una transferencia química directa de grupos ricos en energía. Inicialmente, los
bioquímicos fueron muy escépticos con este planteamiento, y la hipótesis quimiosmática tardó
más de una década en ganar la aceptación general de la comunidad científica. Sin embargo,
con el tiempo se acumuló una evidencia abrumadora a su favor, y actualmente el
acoplamiento quimiosmótico se reconoce como un mecanismo general de generación de ATP,
que interviene no sólo en las mitocondrias sino también en los cloroplastos y en las bacterias,
donde se genera ATP mediante un gradiente de protones a través de la membrana plasmática.
El transporte de electrones a través de los complejos I, III y IV está acoplado al transporte
de protones fuera del interior de la mitocondria (véase Fig. 10.8). Por lo tanto, las reacciones
del transporte de electrones que liberan energía están acopladas a la transferencia de protones
desde la matriz al espacio intermembrana, lo que establece un gradiente de protones a
través de la membrana interna. Los complejos I y IV parece que actúan como bombas de
protones, que tranfieren protones a través de la membrana como consecuencia de cambios
conformacionales inducidos por el transporte de electrones. En el complejo III, los protones
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son
transportados a través de la membrana mediante la coenzima Q, que acepta protones de la
matriz en los complejos I y II y los libera en el espacio intermembrana en el complejo
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III. Los complejos I y III transfieren cuatro protones cada uno a través de la membrana por
cada par de electrones. En el complejo IV, por cada par de electrones se bombean dos
protones a través de la membrana y otros dos protones se combinan con el O2 para formar
H2O en la matriz. Así, en cada uno de estos tres complejos, se transporta fuera de la matriz
mitocondrial el equivalente de cuatro protones por cada par de
electrones.
Esta transferencia de protones desde la matriz al espacio intermembrana
desempeña el papel fundamental de convertir la energía derivada de las reacciones de
oxidación/reducción del transporte de electrones en la energía potencial almacenada en un
gradiente de protones.
Debido a que los protones son partículas cargadas eléctricamente, la energía potencial
almacenada en el gradiente de protones es de naturaleza tanto eléctrica como química. El
componente eléctrico corresponde a la diferencia de voltaje a través de la membrana
mitocondrial interna, siendo la matriz de la mitocondria negativa y el espacio intermembrana
positivo. La energía libre correspondiente viene dada por la ecuación
AG = -FA V
donde F es la constante de Faraday y AV es el potencial de membrana. La energía libre
adicional que corresponde a la diferencia en la concentración de protones a través de la
membrana, viene dada por la ecuación:G = RT in [H+]j
[H+]o
donde [H+]j y [H+]o se refieren a la concentración de protones dentro y fuera de la
mitocondria, respectivamente.
En las células metabólicamente activas, los protones son bombeados fuera de la matriz de
tal manera que el gradiente de protones a través de la membrana interna corresponde
aproximadamente a una unidad de pH, o a una concentración de protones en el interior
de la mitocondria diez veces menor (Fig. 10. 10). Por lo tanto, el pH de la matriz mitocondrial
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es aproximadamente 8, comparado con el pH neutro (aproximadamente 7) del citosol y del
espacio
intermembrana. Este
gradiente también genera un potencial eléctrico de
aproximadamente 0, 14 V a través de la membrana, siendo la matriz negativa. Tanto el
gradiente de pH como el potencia¡ eléctrico dirigen el flujo de protones desde el citosol de
vuelta a la matriz, por lo que su combinación supone un gradiente electroquímico a través
de la membrana mitocondrial interna, con una AG correspondiente de alrededor de -5
kcal/mol por protón.
Debido a que la bicapa fosfolipídica es impermeable a los iones, los protones sólo pueden
atravesar la membrana a través de un canal de proteínas.
Esta restricción permite
aprovechar la energía de¡ gradiente electroquímico y que sea convertida en ATP, mediante la
acción del quinto complejo que interviene en la fosforilación oxidativa, el complejo V, o
ATP sintetasa (véase Fig. 10.8). La ATP sintetasa está constituida por dos componentes
estructuralmente diferentes, Fo y F1, que están unidos por un tallo estrecho (Fig. 1 0.11).
La porción Fo atraviesa la membrana interna y proporciona un canal a través del cual los
protones fluyen de vuelta desde el espacio intermembrana a la matriz.
El
retorno
energéticamente favorable de los protones a la matriz está acoplado con la síntesis de ATP
mediante la subunidad Fl, que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP e iones fosfato
(Pi). Estudios estructurales detallados han establecido el mecanismo de acción de la ATP
sintetasa, que implica el acoplamiento mecánico entre las subunidades Fo y F1. Concretamente,
el flujo de protones a través de Fo determina la rotación de F1 que actúa como un motor de
rotación que dirige la síntesis de ATP.
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Figura 10.10 Naturaleza electroquímica del gradiente de protones. Debido a que los protones están cargados positivamente,
el gradiente de protones que se establece a través de la membrana mitocondrial interna tiene un componente tanto químico
como eléctrico. El componente químico es el gradiente de la concentración de protones, o de pH, que se corresponde con una
concentración de protones aproximadamente diez veces superior en el lado cito- sólico de la membrana mitocondrial interna
(una diferencia de una unidad de pH). Además, hay un potencial eléctrico a través de la membrana, debido al incremento neto
de la carga positiva en el lado cito-plásmico.
Parece que se requiere el flujo de vuelta a través de la membrana de cuatro protones a través
de Fo para dirigir la síntesis de una molécula de ATP por F1, lo que concuerda con que cada una
de las transferencias de protones en los complejos I, III y IV, contribuye con la suficiente
energía libre al gradiente de protones como para dirigir la síntesis de una molécula de ATP. De
esta manera, la oxidación de una molécula de NADH da lugar a la síntesis de tres moléculas
de ATP, mientras que la oxidación de FADH2, que entra en la cadena de transporte de
electrones en el complejo II, genera sólo dos moléculas de ATP.
22
Transporte de metabolitos a través de la membrana interna
Además de dirigir la síntesis de ATP, la energía potencia¡ almacenada en el gradiente
electroquímico dirige el transporte de moléculas pequeñas dentro y fuera de la
mitocondria. Por ejemplo, el ATP sintetizado en las mitocondrias tiene que ser exportado al
citosol, mientras que el ADP y el Pj, tienen que ser importados desde el citoplasma para que
continúe la síntesis de ATP. El gradiente electroquímico generado por el bombeo de
protones proporciona la energía requerida para el transporte de estas moléculas y de
otros metabolitos que se necesitan en las mitocondrias (Fig. 10.12).
Figura 10. 11 Estructura de la ATP
sintetasa.
La
ATP
sintetasa
mitocondrial
(complejo
V)
está
constituida por
dos subunidades, Fo y F1, que están
unidas por un tallo estrecho.
Fo
atraviesa la bicapa lipídica, formando
un canal a través de¡ cual los protones
pueden atravesar la membrana. F1
aprovecha la energía libre derivada del
flujo de protones a favor de¡ gradiente
electroquímico, catalizando la síntesis de
ATP.
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El transporte de ATP y ADP a través de la membrana interna está mediado por una proteína
integral de membrana, el transportador de nucleótidos de adenina, que transporta una
molécula de ADP al interior de la mitocondria a cambio de una molécula de ATP
transferida desde la mitocondria al citosol. Debido a que el ATP tiene una carga negativa
mayor que el ADP (-4 en comparación con -3), este intercambio está dirigido por el
componente eléctrico del gradiente electroquímico. Puesto que el gradiente de protones
establece una carga positiva en el lado citosólico de la membrana, el intercambio de ATP por
ADP es energéticamente favorable.
Además de ADP, la síntesis de ATP en la mitocondria también requiere iones fosfato (Pj), por lo
Esto lo realiza otra proteína
que también debe importarse Pj desde el citoplasma.
transportadora de membrana, que importa fosfato (H2PO4-) y exporta iones hidroxilo (OH-).
Este intercambio es eléctricamente neutro porque tanto los iones fosfato como los iones
hidroxilo tienen una carga de -1. Sin embargo, el intercambio está dirigido por el gradiente de la
concentración de protones; el pH más elevado en el interior de las mitocondrias se corresponde
con una mayor concentración de iones hidroxilo, lo que favorece su translocación al lado
citosólico de la membrana.
Figura 10.12 Transporte de metabolitos a través
de la membrana interna mitocondrial. El transporte
de moléculas pequeñas a través de la membrana
interna mitocondrial está mediado por proteínas
transportadoras que atraviesan la membrana y está
dirigido por el gradiente electroquímico. Por ejemplo,
el ATP es exportado desde las mito-condrias al
citosol mediante un transportador que lo
intercambia por ADP. El componente eléctrico
del
gradiente
elec- troquímico dirige este
intercambio: el ATP tiene una mayor carga negativa
(-4) que el ADP (-3), por lo que el ATP es exportado
desde la matriz mitocondrial al citosol mientras que
el ADP es importado a la m¡-tocondria. Por el
contrario, el transporte de fosfato (P,) y de piruvato
está acoplado a un intercambio de iones hidroxilo
(OH ); en este caso el componente de pH del
gradiente electroquímico dirige la exportación de
iones hidroxilo, acoplada al transporte de P, y
piruvato al interior de las mitocondrias.
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La energía del gradiente electroquímico se utiliza de forma similar para dirigir el transporte
de otros metabolitos al interior de las mitocondrias. Por ejemplo, el transporte de piruvato
desde el citoplasma (donde se produce por la glicólisis) al interior de la mitocondria está
mediado por un transportador que intercambio piruvato por iones hidroxilo. Otros intermediarios
del ciclo del ácido cítrico son capaces de ir y venir entre las mitocondrias y el citosol
mediante mecanismos de intercambio similares.
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