Módulo 9 - celulaUACM

CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
5. ORGANELOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA:
MITOCONDRIAS Y RESPIRACIÓN CELULAR
MITOCONDRIAS
Las células eucarióticas contienen complejos organelos
denominados mitocondrias, estructuras que constituyen el
sitio donde ocurren la mayor parte de las reacciones químicas
que convierten la energía química de los nutrientes en otro tipo
de energía química: el trifosfato de adenosina (ATP).
En una célula muy activa se
pueden
encontrar
numerosas mitocondrias.
En una célula del hígado se
han contado hasta 1000
mitocondrias, pero este
número varía con los
diferentes tipos de células.
Las mitocondrias tienen un
tamaño variable: de 2 a 8 m de longitud y de 0,5 a 1 m de diámetro,
pudiendo además cambiar de tamaño y forma en muy breve lapso.
Cada mitocondria está delimitada por una doble membrana que crea dos compartimientos
distintos dentro del organelo. El espacio intermembranoso es el compartimiento que se forma entre las
membranas interna y externa, en tanto que la matriz está delimitada por la membrana interna. La
membrana externa de la mitocondria es lisa, y en cierta forma es como un colador, ya que permite el
paso de muchas moléculas pequeñas (hasta 5 kDa). Contiene múltiples copias de un tipo de proteína
denominada porina, que se caracteriza por adoptar una forma de “barril ” 1.
La membrana externa también
contiene enzimas involucradas en la síntesis de
lípidos mitocondriales y de otras que convierten
los nutrientes lipídicos (ácidos grasos de los
triglicéridos) en formas que son luego
metabolizadas en la matriz.
En contraste, la membrana interna
regula estrictamente los tipos de moléculas que
pueden pasar a través de ella. Esta membrana
está plegada repetidamente formando crestas,
que sirven para incrementar el área de
superficie interior. La membrana interna de la
mitocondria contiene series complejas de
enzimas y otras proteínas que intervienen en la
transformación de la energía de las moléculas de nutrientes en diferentes formas de energía química,
almacenada en el ATP.
El espacio intermembranoso contiene varias enzimas que usan el ATP que proviene de la
matriz para fosforilar otros nucleótidos. Finalmente, la matriz contiene una variedad de enzimas,
1
Motivo predominante de hoja plegada en la que las láminas antiparalelas se disponen dejando un espacio
central; las láminas son predominantemente hidrofóbicas y de esa forma se forma una estructura cilíndrica que
interactúa con los fosfolípidos de la membrana, en tanto que algunas cadenas polares quedan hacia el centro del
barril, a modo de poros acuosos.
1
Gonzalo Vázquez Palacios 2
esencialmente las que se utilizan para la oxidación del piruvato y de los ácidos grasos y las enzimas que
intervienen en el ciclo del ácido cítrico. En la matriz también hay ADN (circular, como el de los
procariotes) que constituye el genoma mitocondrial, ribosomas especiales, ARNt y varias proteínas
requeridas para la expresión de los genes mitocondriales.
Transporte de proteínas en mitocondrias
Aunque casi todo el ADN de las células eucarióticas se encuentra en el núcleo, las
mitocondrias (al igual que los cloroplastos en las células vegetales) contienen moléculas de ADN en
sus compartimientos internos, así como ribosomas, lo que les permite producir un pequeño número de
las proteínas que se encuentran en estos organelos. Sin embargo, la mayor parte de las proteínas de
las mitocondrias las fabrican los ribosomas libres del citoplasma, que después se transportan al
sitio adecuado del organelo. Las relativamente pocas proteínas codificadas por el genoma mitocondrial
se ubican en la membrana interna de las mitocondrias.
Las proteínas sintetizadas en el citosol que están destinadas a la matriz mitocondrial son
orientadas hacia la mitocondria por secuencias de señal específicas. Las proteínas con destino
mitocondrial son transportadas desde el citosol por medio de proteínas chaperonas2. La secuencia de
señal tiene que ser reconocida por una proteína de membrana y luego la proteína atraviesa al mismo
tiempo ambas membranas y pasa a la matriz, donde una peptidasa corta la secuencia de señal. La
proteína es entonces tomada por otra proteína chaperona ubicada en la matriz mitocondrial, y llevada a su
forma tridimensional funcional.
Si las proteínas citosólicas estaban destinadas a anclarse en la membrana mitocondrial interna o
en el espacio mitocondrial, una segunda secuencia de señal, de tipo hidrofóbico, reorienta la proteína que
ya había entrado a la matriz. Si la proteína está destinada al espacio intermembranal, una segunda
peptidasa separará la secuencia hidrofóbica.
El genoma mitocondrial es muy simple
La mayoría de las proteínas presentes en las mitocondrias son codificadas por el ADN nuclear y,
como se ha dicho, sintetizadas en el citosol, pero una parte menor de las mismas se sintetizan en los
propios organelos. La información para su síntesis se encuentra en el ADN mitocondrial y también existen
ribosomas propios dentro de la matriz mitocondrial.
Las mitocondrias no se hacen de novo: siempre provienen de la división de mitocondrias ya
existentes y esta división no necesariamente está en fase con la división celular. Antes de la división debe
2
Las chaperonas se unen a las proteínas destinadas a las mitocondrias e impiden su plegamiento, con lo que favorecen su
ingreso al organelo.
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
dividirse el ADN mitocondrial, de modo que las células hijas posean una cantidad de mitocondrias
equivalente a la que poseía la célula madre. La división ocurre por fisión binaria, como en las bacterias.
El ADN mitocondrial es bastante simple y salvo unas pocas excepciones (algunas algas y
protozoarios) es de tipo circular y (tal como ocurre en las bacterias) no contiene histonas asociadas. La
existencia de un juego separado de moléculas de ADN en mitocondrias, junto con otras características
semejantes a las de células procarióticas (los ribosomas mitocondriales son también semejantes a los de
las bacterias) han sido un importante apoyo a la teoría endosimbiótica mencionada anteriormente, que
establece que estos organelos evolucionaron a partir de organismos procarióticos que originalmente vivían
dentro de células de mayor tamaño (los precursores de los organismos eucariontes).
OXIDACIÓN DE NUTRIENTES Y PRODUCCIÓN DE ENERGIA
Los átomos de C y de H que forman parte de las moléculas de los alimentos pueden ser utilizados
como fuentes energéticas porque no se encuentran en su estado más estable. La atmósfera contiene una
gran cantidad de oxígeno (21%), en presencia del cual las formas más estables del C y del H son el CO 2 y
el H2O, respectivamente. La célula puede obtener energía a partir de la glucosa o de otros nutrientes
porque en presencia de oxígeno los convierte en dióxido de carbono y agua, las formas en las que el
carbono y el hidrógeno presentan mayor estabilidad.
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
Pero la célula no oxida a las moléculas orgánicas en un solo paso, como ocurre en un incendio,
sino que lo hace en una serie de pasos que generalmente no implican la adición directa de oxígeno. La
oxidación no implica necesariamente la participación del oxígeno en una reacción, sino que se refiere al
concepto más general de transferencia de electrones de un átomo a otro. A menudo, cuando una molécula
toma un electrón, toma al mismo tiempo un protón (H+) del medio acuoso que conforma el citoplasma, con
lo que el efecto neto es la incorporación de un átomo de hidrógeno:
A + e + H+
AH
Así, aunque un electrón más un protón estén involucrados, en lugar de sólo un electrón, las
reacciones de hidrogenación son reducciones, así como las reacciones de deshidrogenación son
oxidaciones. La reducción es un proceso químico en el cual una sustancia gana electrones. Los
electrones liberados durante una reacción de oxidación no existen en las células en forma libre. Por esta
razón, toda reacción de oxidación debe acompañarse por una reacción de reducción, en la cual los
electrones son aceptados por otro átomo o molécula. La oxidación de una molécula produce energía, (que
si no es aprovechada se disipa como calor);
NAD+ oxidado
NADH reducido
en tanto que la reducción de una molécula en
general requiere energía. Las reacciones de
oxidorreducción, llamadas reacciones redox,
son una parte esencial de la respiración
celular, de la fotosíntesis y de otros aspectos
Nicotinamida
del metabolismo.
Ribosa
Ribosa
Transferencia de hidrógeno y de electrones
Al eliminar átomos de hidrógeno de un
Adenosina
Adenosina
compuesto orgánico éstos con frecuencia se
llevan consigo parte de la energía que estaba
almacenada en los enlaces químicos. El
hidrógeno, junto con su energía, se transfiere a una molécula aceptora de hidrógeno, que suele ser una
coenzima. Uno de los aceptores de hidrógeno que se encuentran con mayor frecuencia es el dinucleótido
3
Gonzalo Vázquez Palacios 4
de nicotinamida y adenina, representado por las siglas NAD. Esta coenzima empaqueta temporalmente
grandes cantidades de energía.
La siguiente ecuación ejemplifica la transferencia de hidrógeno desde un compuesto XH 2, que
pierde hidrógeno y se oxida a X, hacia la molécula de NAD (en realidad NAD+ , porque al unirse con la
ribosa, la nicotinamida adquiere una carga positiva en el nitrógeno que participa en la unión, ver la
fórmula):
XH2 + NAD
X + NADH + H
Nótese que el NAD se reduce cuando se combina con el hidrógeno. Antes de ser reducido, el
NAD es un ion con una carga neta positiva. Cuando se agrega el hidrógeno, la carga se neutraliza. La
forma reducida del compuesto, la molécula de NADH, es eléctricamente neutra. Parte de la energía de los
enlaces que sostenían al hidrógeno con la molécula X se transfiere, por medio de esta reacción, al NADH.
Así, esta energía se usa en los procesos metabólicos, o puede transferirse al ATP mediante una serie de
complicadas reacciones.
Otro importante aceptor de hidrógeno
es el dinucleótido de flavina y adenina
(FAD), que al aceptar un par de átomos de
hidrógeno y sus electrones se convierte en
FADH2.
Las células obtienen energía útil de la
"combustión" de la glucosa o de otros
nutrientes sólo porque lo hacen de una manera
controlada. Las reacciones catabólicas que
producen energía están estrechamente
asociadas ("acopladas") a las reacciones
anabólicas, que son las responsables de la
síntesis de nuevos compuestos. Todas las células vivas deben extraer energía de las moléculas de
nutrientes orgánicos que capturan del ambiente. Estos nutrientes se metabolizan y parte de su energía
química se transfiere al trifosfato de adenosina (ATP), que luego se empleará en el trabajo celular. El
metabolismo resulta entonces estar compuesto de dos procesos opuestos: a) el catabolismo, que
consiste en la ruptura de moléculas grandes hasta convertirse en otras más pequeñas, que habitualmente
es generador de energía, y b) el anabolismo, responsable de la síntesis de las sustancias que requiere el
medio celular y que usualmente requiere de aporte energético.
RESPIRACIÓN CELULAR
El mecanismo utilizado por la célula para degradar
nutrientes depende del tipo de ambiente en que dicha
célula vive. Las células que habitan en un ambiente
rico en oxígeno utilizan el eficiente mecanismo
aerobio, que requiere de oxígeno molecular. En
cambio, las células que habitan en el suelo o en aguas
contaminadas, donde el oxígeno es escaso, se
adaptan a utilizar el mecanismo anaerobio, que
aunque es menos eficiente, no requiere de oxígeno.
La respiración celular es por lo general
aerobia; es decir, requiere de oxígeno. Durante la
respiración aerobia completa, los nutrientes se
catabolizan hasta convertirse en dióxido de carbono y
agua. Una de las vías más comunes de la respiración
celular aerobia implica la degradación del nutriente
común, la glucosa.
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
Las reacciones químicas de la respiración celular se agrupan en cuatro fases:
1. Glucólisis
Implica la conversión de la glucosa (seis carbonos) en dos moléculas de tres carbonos (C3), el
ácido pirúvico (usualmente en forma de piruvato), con la formación de dos moléculas de ATP y
producción de dos moléculas de NADH.
2. Formación de la acetil-coenzima A (decarboxilación oxidativa del piruvato)
Las dos moléculas de piruvato (C3) se decarboxilan (pierden el grupo ácido liberando dióxido de
carbono) y se transforman en dos moléculas de dos carbonos (acetilo) que se combinan con la coenzima
A para formar dos moléculas de acetil-coenzima A. En el proceso, como se dijo, se liberan las dos
primeras moléculas de CO2 y se producen 2 NADH adicionales (no hay generación de ATP en esta etapa).
3. Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs)
Convierte los dos restos acetilo (C2) de la acetil coenzima A en 4 moléculas de dióxido de carbono
y elimina electrones e hidrógenos, con una producción neta de 2 ATP y generación de 6 NADH y 2 FADH 2.
El ciclo se inicia con la reacción del ácido oxalacético (C4) con el resto acetilo (C2) de la acetil-coenzima A.
La subsiguiente liberación de la coenzima A genera la energía que permite la formación del ácido cítrico
(C6). En el proceso hay cuatro reacciones de oxidación, la producción de una molécula de ATP y la
liberación de dos moléculas de CO2 antes de volver al punto inicial. Dado que ingresaron dos restos
acetilo, el ciclo debe recorrerse dos veces, con lo que el resultado es el que se mencionó más arriba.
4. Sistema de transporte de electrones y fosforilación oxidativa (cadena respiratoria)
Los electrones e hidrógeno tomados de la molécula de combustible durante las fases precedentes
se transfieren a lo largo de la cadena de aceptores de electrones situada en las crestas mitocondriales
(membrana interna). Al tiempo que los electrones pasan de un aceptor a otro, se bombean protones desde
la matriz mitocondrial, a través de la membrana mitocondrial interna, al espacio intermembranoso, con lo
que se genera un
gradiente
protónico,
que representa un
potencial de energía.
Finalmente los
protones regresan a la
matriz mitocondrial a
través de canales
específicos localizados
en
la
membrana
interna,
que
se
encuentran formando
parte de la ATP
sintetasa, enzima que
aprovecha la energía
generada
por
el
reingreso
de
los
protones para unir el
fosfato inorgánico al
ADP y formar ATP. Cuando los protones se mueven a través de estos canales a favor de un gradiente de
energía, la energía liberada se utiliza para operar la síntesis de ATP. Este gradiente de protones a través
de la membrana mitocondrial interna acopla la fosforilación (del ADP para formar ATP) con la oxidación de
la molécula de glucosa producida a lo largo de la serie de reacciones que tuvieron lugar inicialmente en el
citoplasma durante la glucólisis y luego en las mitocondrias al producirse primero la decarboxilación
oxidativa del ácido pirúvico (con formación de acetil-coenzima A) y luego el ciclo de Krebs.
5
Gonzalo Vázquez Palacios 6
GLUCÓLISIS
La glucólisis (literalmente "ruptura de la glucosa") es la secuencia de reacciones que convierten
una molécula de glucosa (compuesto de seis carbonos) en dos moléculas de piruvato (compuesto de tres
carbonos más oxidado) produciendo ATP. Cada reacción es regulada por una enzima específica y en el
proceso total hay una ganancia neta de dos moléculas de ATP. Las reacciones de la glucólisis se
llevan a cabo en el citoplasma. Los ingredientes necesarios, como ADP, NAD+ y fosfato, se encuentran
libremente en el citoplasma y se utilizan conforme se hace necesario. La glucólisis no requiere de
oxígeno y puede realizarse tanto en condiciones aerobias como anaerobias.
La glucólisis se realiza en dos etapas. En la fase preparatoria hay una inversión inicial de energía
para facilitar la degradación. Se gasta una molécula de ATP para fosforilar inicialmente a la glucosa, que
pasa a glucosa-6-fosfato y luego es transformada en su isómero fosfatado (fructosa-6-fostato); una
segunda molécula de ATP convierte a la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-difosfato, que luego se
desdobla en dos moléculas de triosa fosfato que son interconvertibles: la dihidroxiacetona fosfato (DHAP)
y el gliceraldehído 3-fosfato (GALP). En resumen, esta es una etapa en la que se invierten dos moléculas
de ATP por cada molécula de glucosa que comienza a ser degradada y se obtienen dos moléculas de tres
átomos de carbono conteniendo grupos fosfato. El proceso involucra cinco reacciones enzimáticas
acopladas.
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
El retorno energético tiene lugar en la fase de beneficio, que implica otras cinco reacciones y que
comienza con la oxidación y fosforilación de las dos moléculas de GALP producidas en la fase anterior, las
que se convierten finalmente en dos moléculas de ácido 1,3-difosfoglicérico, lo que genera dos moléculas
de NADH. La energía producida por la oxidación es aprovechada para incorporar fosfato inorgánico del
medio (Pi) en una unión de alta energía (representada por el símbolo ), que en el siguiente paso se
rompe y permite fabricar ATP a expensas de ADP (“fosforilación a nivel de sustrato”). El ácido 3fosfoglicérico así formado pasa a una forma isomérica (2-fosfo-glicérico), pierde agua para formar el ácido
fosfo-enol pirúvico y finalmente pasa ácido pirúvico con una nueva ganancia de ATP (segunda fosforilación
a nivel de sustrato).
El resultado neto de esta etapa es la producción de 4 moléculas de ATP por cada molécula de
glucosa, con lo que el balance energético de la glucólisis es positivo (+ 2 ATP). El proceso se puede
resumir en la siguiente ecuación:
Glucosa (C6)+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
2 piruvato (C3) + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
Como puede verse, todos los productos intermedios entre la glucosa y el piruvato están
fosforilados. Ello se debe a que al valor del pH celular los grupos fosfato están ionizados y en
consecuencia poseen carga negativa. Dado que la membrana plasmática es impermeable a las moléculas
cargadas, los intermediarios fosforilados no pueden difundir al exterior, con lo que se asegura su
permanencia dentro de la célula
Eficiencia del proceso de glucólisis
Aunque las enzimas de la glucólisis se describen como solubles en el citosol, existen cada vez
más pruebas de que están formando complejos multienzimáticos, de modo que el producto de una
reacción catalizada por una enzima pasa automáticamente a ser el reactivo de la otra enzima que es
vecina a ella. Algunas de las enzimas glucolíticas están fijadas a filamentos de actina o a microtúbulos,
que favorecerían el acercamiento de las enzimas que catalizan pasos sucesivos. Además, la enzima
responsable de fosforilar la glucosa (hexoquinasa) apenas ésta entra a la célula está fijada a la cara
externa de la membrana de las mitocondrias, de modo que el ATP fabricado en este organelo pase
directamente a ella, sin que tenga posibilidades de diluirse en el citosol. Todo ello conduce a incrementar
la eficiencia del proceso glucolítico.
Destino del piruvato en anaerobiosis. Fermentaciones
En condiciones aeróbicas el
ácido pirúvico se oxida a dióxido de
carbono y agua a través del pasaje a
acetil-coenzima A y posterior ingreso en
el ciclo de Krebs. Pero en condiciones
de anaerobiosis (falta de oxígeno) el
ácido pirúvico es reducido a ácido
láctico, se libera una molécula de
dióxido de carbono y en el proceso el
NADH vuelve a transformarse en NAD ,
necesario para seguir procesando más
moléculas de glucosa. Durante una
actividad física extenuante, como
correr, la cantidad de oxígeno que llega
a las células musculares puede ser
insuficiente para mantener la acelerada
tasa de oxidación de combustibles. En estas condiciones, las células musculares forman ácido láctico, que
al acumularse contribuye a producir la fatiga muscular (“calambres”).
7
Gonzalo Vázquez Palacios 8
Muchos microorganismos fermentan la glucosa a ácido láctico, como ocurre en el caso de los
lactobacilos, que son utilizados en el proceso de obtención de quesos y yogures, o en la obtención de
repollo agrio ("chucrut") en lo que constituye la fermentación láctica.
Las levaduras (que son hongos unicelulares) llevan a cabo la fermentación alcohólica. Cuando
son privadas de oxígeno, las levaduras separan el dióxido de carbono del piruvato y forman un compuesto
de dos carbonos llamado acetaldehído. El hidrógeno del NADH producido en la glucólisis se transfiere al
acetaldehído para reducirlo a etanol (el alcohol común). Estas reacciones anaerobias son la base de la
producción de la cerveza, el vino y otras bebidas alcohólicas. Las células de levadura también se utilizan
en la industria del pan porque el dióxido de carbono generado provoca que la masa se levante (leudado).
El metabolismo anaerobio es muy ineficiente porque el combustible sólo se oxida en parte. El
alcohol, producto final de la fermentación de las células de levadura, puede quemarse (de hecho puede
utilizarse como combustible). Como es evidente, contiene una gran cantidad de energía que las células de
levadura son incapaces de extraer utilizando métodos anaerobios. El lactato, compuesto de tres carbonos,
contiene aún más energía que el alcohol de dos carbonos. La ineficiencia del metabolismo anaerobio
requiere de un gran suministro de glucosa. Por lo tanto, las células que funcionan en anaerobiosis
degradan rápidamente muchas moléculas de combustible ("efecto Pasteur": las moléculas de glucosa son
consumidas por la levadura mucho más rápidamente en anaerobiosis que en presencia de oxígeno) y con
ello compensan la pequeña cantidad de energía que obtienen de cada una de ellas. Para realizar la misma
cantidad de trabajo que una célula aerobia, una célula anaerobia necesita veinte veces la cantidad de
glucosa que utiliza ésta, lo que resulta beneficioso desde el punto de vista biotecnológico, porque la
cantidad de producto (ácido láctico o etanol, según el caso) es mucho mayor.
FORMACIÓN DE LA ACETIL-COENZIMA A (DECARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO)
El piruvato, producto final de la glucólisis, contiene la mayor parte de la energía total de la
molécula original de glucosa. Como acabamos de mencionar, cuando no hay oxígeno disponible la célula
utiliza la vía de la fermentación. El piruvato acepta electrones del NADH y se convierte en ácido láctico o
alcohol etílico. Estas reacciones se realizan en el citoplasma.
En presencia de oxígeno, las moléculas de
piruvato se desplazan hacia el interior de la
mitocondria, en donde se llevan a cabo las
reacciones subsecuentes de la respiración celular.
Una vez que la molécula de piruvato entra en la
mitocondria, se convierte en acetil-coenzima A
(acetil CoA), un compuesto que puede entrar en el
ciclo del ácido cítrico. En esta complicada reacción,
el piruvato es sometido a un proceso de
decarboxilación oxidativa como consecuencia de la
acción de un complejo enzimático en el que
participan tres enzimas y cinco coenzimas: el
complejo piruvato deshidrogenasa, localizado en
el interior de las mitocondrias de las células
eucariotas y en el citosol de las procariotas.
La reacción transcurre en varios pasos, a
través de los cuales el piruvato es primero
decarboxilado con producción de CO2 y generación
de un aldehído de C2 (acetaldehído), que es oxidado
a ácido y unido a la coenzima A, formando acetilcoenzima A, que luego ingresará en el ciclo del
ácido cítrico. Como consecuencia de la oxidación
del acetaldehído se liberan hidrógenos que son
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
tomados por el NAD+, con producción de NADH. No hay en esta etapa producción directa de ATP.
Debe tenerse en cuenta que a través de la glucólisis una molécula de glucosa genera dos
moléculas de piruvato y que en consecuencia el resultado neto de esta etapa es doble: se liberan 2
moléculas de CO2 y dos de NADH, con producción de dos moléculas de acetil-coenzima A que ingresan a
continuación al ciclo del ácido cítrico.
CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO (CICLO DE KREBS O DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS)
La primera observación a
hacer es que mientras la glucólisis
es una secuencia lineal de
reacciones, las del ácido cítrico
componen un ciclo, por lo que los
reactivos
no
se
"gastan"
(teóricamente, una única molécula
de oxalacetato, que comienza el
ciclo, sería suficiente para procesar
todas las moléculas de acetilcoenzima A de una célula). En cada
vuelta entran dos carbonos (los del
acetato) y salen dos moléculas de
un carbono (CO2). Cuatro de los
pasos del proceso implican
oxidaciones en las que la energía
se conserva en forma de NADH y
FADH2, en tanto que una molécula de ATP se produce en forma directa (fosforilación a nivel de sustrato).
El ciclo del ácido cítrico también se llama ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) o ciclo de Krebs,
en honor de Sir Hans Krebs, quien trabajó en él durante el decenio de 1930. Este ciclo es la ruta final de la
oxidación del piruvato, ácidos grasos y cadenas de carbono de los aminoácidos. Dicho ciclo se lleva a
cabo en la mitocondria y consta de varios pasos, en los que cada reacción es catalizada por una enzima
específica. En la mayoría de los procariotes las enzimas del ciclo se localizan en el citosol, en tanto que en
los eucariotes están dentro de las mitocondrias.
Aunque el ciclo genera en forma directa un sólo ATP por vuelta, en el mismo se producen cuatro
oxidaciones que dan lugar a 3 moléculas de NADH y 1 de FADH 2, que serán canalizados a través de la
cadena respiratoria. Teniendo en cuenta que por cada molécula de glucosa son dos los restos de acetilo
(en forma de acetil-coenzima A) que entran al ciclo, el rendimiento total se eleva a 2 moléculas de ATP
(fosforilación a nivel de sustrato), 6 de NADH y 2 de FADH2.
Cabe preguntarse si se justifica un ciclo de varias reacciones para procesar una molécula de dos
carbonos, que aparece como contradictorio con el principio de máxima economía de la lógica molecular de
las células vivas. Ocurre que el papel del ciclo no se reduce a la oxidación del acetato, sino que constituye
el núcleo del metabolismo intermedio, llamado así porque a él confluyen productos finales de 4 y 5
átomos de carbono que provienen de otras fuentes (grasas y proteínas) y que sirven como combustibles.
Por otra parte, algunos intermedios pueden ser retirados del ciclo para actuar como precursores de otras
vías biosintéticas. El ciclo de Krebs no representa necesariamente la vía más corta desde el acetato hasta
el CO2, sino aquella que ha conferido mayores ventajas selectivas durante la evolución a los organismos
que la poseían. En los organismos aerobios, el ciclo es una vía anfibólica (es decir, se usa tanto en
procesos anabólicos como catabólicos). Funciona no solamente en el catabolismo oxidativo de glúcidos,
ácidos grasos y aminoácidos, sino que también genera precursores de aminoácidos o de nucleótidos.
9
Gonzalo Vázquez Palacios 10
CATABOLISMO DE OTROS NUTRIENTES
Muchos organismos dependen de otros nutrientes, además o en lugar de la glucosa. Los seres
humanos y otros animales obtienen más energía mediante la oxidación de los ácidos grasos provenientes
de los triglicéridos (aceites o grasas) que de la oxidación de la glucosa. En algunos casos también los
aminoácidos de las proteínas pueden ser utilizados como combustible. Estos nutrientes se transforman en
alguno de los intermediarios que intervienen en la glucólisis o en el ciclo del ácido cítrico.
Oxidación de ácidos grasos
Cada gramo de triglicérido contiene más del doble de calorías que 1 g de glucosa o de
aminoácidos. Las grasas son ricas en calorías porque contienen un gran número de átomos de hidrógeno.
Tanto el glicerol como los ácidos grasos de las grasas neutras pueden utilizarse como combustible. El
glicerol es fosforilado y luego oxidado a PGAL y entonces sigue la ruta de la glucólisis, pero el 95% de la
energía de las grasas reside en los ácidos grasos. Los ácidos grasos son convertidos en unidades de
acetil-coenzima A en un proceso que se denomina “ -oxidación” porque el carbono destinado a ser
oxidado es el carbono “ ” (el carbono siguiente al “ ”, que es el vecino al grupo ácido).
Los ácidos grasos deben ser “activados” mediante su unión a la coenzima A (acil-CoA) y luego en
cuatro pasos sucesivos y dos oxidaciones producen acetil-coenzima A y un ácido dos carbonos más corto,
que se mantiene unido a la coenzima A y repite el ciclo hasta que todo el ácido graso se transforme en
acetil-coenzima A. En general los ácidos grasos de los triglicéridos tienen número par de átomos de
carbono, por lo que el número de moléculas de coenzima A producidas es igual a la mitad del número de
átomos de carbono del ácido graso sometido a -oxidación.
Oxidación de aminoácidos
En las proteínas hay 20 aminoácidos con diversos esqueletos carbonados, por lo que hay 20 rutas
catabólicas distintas para la degradación de los aminoácidos. De todos modos, estas veinte rutas
catabólicas de los aminoácidos convergen el ciclo de Krebs. En el ser humano los aminoácidos sólo
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
aportan del 10% al 15% de la producción energética corporal, por lo que las rutas degradativas
individuales de las proteínas son mucho menos activas que la glucólisis y la oxidación de los ácidos
grasos.
Los animales carnívoros pueden obtener hasta el 90% de sus necesidades energéticas a partir de
la oxidación de los aminoácidos ingeridos. Los herbívoros están mucho más limitados, en tanto que los
microorganismos pueden incorporar aminoácidos si éstos se encuentran en el entorno. Finalmente, las
plantas difícilmente oxidan aminoácidos, si es que lo hacen alguna vez, para obtener energía (la costosa
incorporación de nitrógeno a través de la absorción de nitratos por las raíces y la disponibilidad de almidón
y otros carbohidratos mediante la fotosíntesis no permiten semejante despilfarro). De todos modos, las
rutas metabólicas son esencialmente similares en la mayoría de los organismos.
En los animales, la degradación de aminoácidos puede deberse a tres causas: a) que durante el
recambio proteico normal algunos de los aminoácidos no se necesiten para la síntesis de nuevas
proteínas, b) que la dieta sea muy rica en proteínas y c) que el organismo se encuentre en estado de
inanición, recurriendo entonces a todas sus reservas.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (CADENA RESPIRATORIA)
La fosforilación oxidativa (síntesis de ATP impulsada por la transferencia de los electrones al
oxígeno) es la culminación del metabolismo productor de energía en los organismos aeróbicos. Todos los
pasos enzimáticos de la degradación oxidativa de glúcidos, grasas y aminoácidos en las células aeróbicas
convergen en esta etapa final de la respiración celular, en la que los electrones fluyen desde intermedios
catabólicos al O2 produciendo energía para la generación de ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico
(Pi).
Nuestros
conocimientos actuales sobre
la síntesis del ATP en la
mitocondria
y
en
los
cloroplastos se basan en una
hipótesis formulada por Peter
Mitchell en 1961 y que le
valiera el premio Nobel en
1978. Mitchell propuso que el
transporte de electrones y la
síntesis de ATP se acoplan
mediante
un
gradiente
protónico a través de la
membrana mitocondrial. La
hipótesis ha recibido fuerte
apoyo desde entonces y se ha
convertido en la teoría
quimiosmótica.
La
membrana
mitocondrial externa es fácilmente permeable a pequeñas moléculas e iones gracias a los canales que
forma la proteína porina, que permite el pasaje de moléculas de hasta 5 kDa. La membrana interna es
impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas e iones, incluidos los protones. Las únicas especies
químicas que atraviesan la membrana son aquellas que cruzan la membrana interna a través de proteínas
transportadoras específicas. Recuérdese que la matriz mitocondrial contiene el complejo de la piruvato
deshidrogenasa y las enzimas del ciclo del ácido cítrico, de la ruta de la -oxidación de los ácidos grasos y
de las rutas de oxidación de los aminoácidos, es decir todas las rutas de oxidación de combustibles,
excepto la glucólisis, que tiene lugar en el citosol.
Los electrones que entran en la cadena respiratoria son en su mayoría provenientes de la acción
de deshidrogenasas que captan electrones de las reacciones oxidativas del complejo de la piruvato
11
Gonzalo Vázquez Palacios 12
deshidrogenasa, del ciclo del ácido cítrico, de la ruta de la -oxidación y de los pasos oxidativos del
catabolismo de los aminoácidos. La mayoría de las deshidrogenasas son específicas para el NAD y las
restantes utilizan el FAD.
La cadena respiratoria mitocondrial consta de una serie de transportadores electrónicos, la
mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos
electrones. Estos transportadores electrónicos funcionan dentro de complejos ordenados en serie (I a III),
que van transfiriendo los electrones hasta el oxígeno molecular, que es el aceptor final de los mismos.
El flujo de electrones va acompañado de un pasaje de protones desde la matriz mitocondrial hacia
el espacio intermembranal. Las pruebas experimentales que se han realizado permiten suponer que se
bombean unos diez protones por cada par de electrones que son transferidos desde el NADH hasta el O 2.
El resultado es un estado estacionario con una diferencia de aproximadamente una unidad de pH entre la
matriz y el medio, siendo el interior (la matriz) alcalino.
La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria libera energía más que suficiente
para canalizar la síntesis de ATP a expensas de ADP y Pi. Determinaciones cuidadosas revelan que con el
NADH como dador electrónico se producen 3 ATP por par de electrones transferidos al oxígeno y que con
el FADH2 se obtienen 2 ATP en las mismas condiciones. La síntesis del ATP en la mitocondria es
responsabilidad de un complejo membrana-proteína de gran tamaño, la ATP sintetasa, un complejo de
proteína periférica de membrana que se mantiene unida con una proteína integral. Esta última forma un
canal transmembrana a través del cual pasan los protones. La energía generada como consecuencia del
reingreso de los protones a la matriz mitocondrial es utilizada por la ATP sintetasa para unir el ADP al Pi y
formar ATP.
Balance energético de la respiración
La generación de moléculas de ATP a expensas del proceso de oxidación de la glucosa a dióxido
de carbono y agua tiene, como hemos visto, dos vertientes: (a) la fosforilación a nivel de sustrato, es decir
la producción de ATP como consecuencia de reacciones de fosforilación asociadas a oxidaciones y (b) la
fosforilación oxidativa, donde el ATP es el resultado del flujo de protones a través de la membrana interna
mitocondrial. El siguiente cuadro resume estos hechos
Etapa
Fosforilación a nivel de sustrato Transportadores de electrones
NADH
FADH2
glucólisis
2 ATP
2 NADH
Decarboxílación oxidativa del piruvato
2 NADH
Ciclo del ácido cítrico
2 ATP
6 NADH
2 FADH2
TOTALES
4 ATP
10 NADH
2 FADH2
Teniendo en cuenta que la producción de ATP a partir de los transportadores de electrones se
basa en que por cada NADH se producen 3 moléculas de ATP y que por cada FADH2 se producen 2
moléculas de ATP, tendríamos 4 ATP producidos por fosforilaciones a nivel de sustrato, 30 ATP
provenientes del transporte de electrones por intermedio de NADH y 4 ATP a través del FADH 2, lo que
hace un total de 38 moléculas de ATP generadas como consecuencia de la respiración aerobia de una
molécula de glucosa.
Se requieren sistemas de lanzadera para la oxidación mitocondrial del NADH citosólico
La membrana mitocondrial interna no es permeable al NADH, que es una molécula grande. El
NADH producido en el citoplasma por la deshidrogenación en la glucólisis no puede entrar por difusión en
la mitocondria y así transferir sus protones y electrones al sistema de transporte electrónico. A diferencia
del ATP y del ADP, el NADH no cuenta con una proteína acarreadora para su transporte a través de la
membrana. En cambio, se han desarrollado varios sistemas para transferir los electrones del NADH (no las
moléculas de NADH) hacia el interior de la mitocondria.
CÉLULA I/ Mitocondrias y Respiración Celular
Gonzalo Vázquez Palacios
UACM-SLT
En las células de hígado y riñón
humanas, así como en las células
cardíacas, un sistema especial llamado
sistema de lanzadera malatoaspartato transfiere electrones del
NADH citosólico a través de la
membrana mitocondrial interna a una
molécula de NAD que se encuentra en
la matriz. En este caso el potencial del
NADH de origen citosólico se conserva,
ya que dentro de la matriz mitocondrial
aparece otra molécula de NADH.
En las células del músculo
esquelético, cerebro y algunos otros
órganos, opera un sistema distinto que
es el sistema de lanzadera del
Representación del sistema de la lanzadera de malato-aspartato
glicerol-3-fosfato. Difiere del anterior
en que cede los electrones al FAD, con lo
que en la matriz se genera FADH2 y no
NADH. Dado que el rendimiento de la
fosforilación oxidativa es menor cuando el
transportador es el FADH2 (2 moléculas de
ATP en lugar de las 3 que produce el NADH)
el número de moléculas de ATP producidas
por la oxidación completa de 1 mol de
glucosa en las células del músculo
esquelético y en las que tienen este tipo de
lanzadera es de 36 ATP en lugar de 38.
Representación del sistema de la lanzadera del glicerol-3-fosfato
CUESTIONARIO TÉÓRICO
1) Las mitocondrias contienen varias copias de ADN en su interior. Qué función cumple? Esto le permite
a la mitocondria prescindir de la información del ADN nuclear?
2) ¿Cómo realizan la respiración celular aeróbica algunas bacterias si carecen de mitocondrias?
3) ¿A qué se llama “metabolismo”? ¿Bajo qué criterio y cómo clasificaría las reacciones que lo
componen?
4) ¿Qué entiende por “Compuesto Reducido” y “Compuesto Oxidado?.
5) ¿Que entiende por “Reacciones Acopladas”?
6) ¿Cuáles son las etapas del Catabolismo en eucariotes aerobios? ¿Dónde ocurre cada una de ellas?
7) ¿A qué se llama Respiración Celular? ¿Cuál es su función y cómo se la divide para su estudio?
8) ¿Qué entiende por “Glucólisis”? ¿Dónde se lleva a cabo?
9) ¿A qué se llama “Fosforilación a Nivel de Sustrato”?
10) ¿Cuál es el rendimiento energético de la Glucólisis respecto a la combustión de una molécula de
Glucosa?
11) ¿A qué proceso se lo denomina Fermentación?
12) Realice un cuadro comparativo entre la Glucólisis y la Fermentación indicando: producción de ATP,
productos finales y organismos que la desarrollan.
13) Sabemos que las células animales tienen la capacidad de realizar fermentación láctica y respiración
aeróbica. Sin embargo estas células mueren rápidamente en ausencia de oxígeno. ¿A qué se debe?
13
Gonzalo Vázquez Palacios 14
14) ¿De dónde provienen las moléculas de Glucosa que se degradan en la Glucólisis en animales,
plantas y bacterias?
15) ¿A qué se llama “Descarboxilación Oxidativa”? ¿Dónde ocurre?
16) ¿Qué es el “Ciclo del Ácido Cítrico”? ¿Dónde se lleva a cabo?
17) Durante el “Ciclo del Ácido Cítrico” no se requiere directamente oxigeno. Sin embargo, en su ausencia
el ciclo se interrumpe. A qué se debe ello?
18) ¿Cuál es la importancia de éste proceso como centro integrador del Metabolismo? ¿Por qué se dice
que es una Vía “Anfibólica”?
19) ¿A qué se denomina “Fosforilación Oxidativa”? ¿Dónde Ocurre?
20) Explique conceptualmente la Teoría Quimiosmótica.
21) ¿Qué son los sistemas de “Lanzaderas” y para qué sirven?
22) ¿Cuál es el balance energético final de la degradación total de una molécula de Glucosa?
¿Cómo se integran otros nutrientes (Ácidos Grasos y Aminoácidos) a éste esquema catabólico?
23) ¿Qué entiende por “beta-Oxidación”. ¿Dónde se lleva a cabo?
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALBERTS, B., D. BRAY, A. JOHNSON, J. LEWIS, M. RAFF, K. ROBERTS Y P. WALTER (1998)
“Essential Cell Biology. An Introduction to the Molecular Biology of the Cell”. Garland Publishing, Inc.,
New York & London.
LEHNINGER, A.L., D.L. NELSON Y M.M. COX (1993) “Principios de Bioquímica”, Ediciones Omega,
Barcelona, 2ª. edición (traducido de la segunda edición inglesa. 1993).
LODISH, H., A. BERK, S.L. ZIPURSKY, P. MATSUDAIRA, D. BALTIMORE & J. DARNELL. Biología
Celular y Molecular, Editorial Médica PANAMERICANA, 2002.
PURVES, K.W., D. SADAVA, G.H. ORIANS & H.C. HELLER (2003) “Vida. La Ciencia de la Biología”, 6ª.
Edición. Editorial Médica Panameicana (traducido de la 6ª edición inglesa, 2001).
COOPER, G.M. (2002). La Célula. 2ª edición. Marbán Libros, S.L., España. (traducido de la 2ª edición
inglesa, 2000).