C
A
P
I
T
U
L
O
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc IMPORTANCIA IMPORTANCIA BIOMÉDICA Los organismos aerobios aerobios pueden captar una proporción m ucho m a yor de la energía libre disponible de los sustratos respiratorios que los organismos anaerobios. La mayor parte de este proceso tiene lugar dentro de las mitocondrias, que se han denom inado las “cen “cen trales de energía” de la célula. célula. La respiración está acoplada a la ge ne ración del intermediario de alta energía, ATP, por medio de fosfori lación oxidativa. oxidativa. Diversos fármacos (p. ej., amobarbital) y venenos (p. ej., cianuro, monóxido de carbono) inhiben la fosforilación oxi dativa, por lo general con consecuencias mortales. Se han señalado varios defectos defectos hereditarios de las mitocondrias, que afectan com po nent ne nt es de la cad ena en a res pirat pi rat oria or ia y la fosfor fos forilac ilación ión oxid ativa. ativ a. Los pacien pac ien tes m ue stran st ran miopatía y encefalopatía, y suelen tener acidosis láctica.
ENZIMA S ESPECÍ ESPECÍFIC FICAS AS ACTÚA N COMO MARCADORES DE COMPARTIMIENTOS SEPARADOS POR LAS MEMBRANAS MITOCONDRIALES Las mitocondrias tienen una membrana externa perm pe rm eab le a casi ca si todos los metabolitos, y una membrana interna selectivamente perm pe rm eab le, que qu e en cierr ci err a un a matriz (fig. (fig. 13-1). 13-1). La mem brana exter na se caracteriza por la presencia de diversas enzimas, entre ellas la acil-CoA sintetasa y glicerolfosfato aciltransferasa. aciltransferasa. La adenilil cinasa y la creatina cinasa se encuentran en el espacio espacio intermem brana. El fosfolí fosfolípido pido cardiolipina cardiolipina está concentrado en la mem brana in ter na, junto con las enzimas de la cadena respiratoria, ATP sintasa y diversos diversos transportado res de membrana.
LA CADENA RESPIRATORIA OXIDA EQUIVALENTES EQUIVA LENTES REDUCTORE REDUCTORES S Y ACTÚA COMO UNA BOMBA DE PROTONES Casi toda la energía que se libera durante la oxidación de carbohi dratos, ácidos grasos y aminoácidos queda disponible d entro d e las las mitocondrias como equivalentes reductores (—H o electrones) (fig. 13-2). Note que las enzimas del ciclo del ácido cítrico y de la (3-oxidac (3-oxidación ión (caps. 22 y 17) 17) están conte nidas en mito cond rias, junto con la cadena respiratoria, que reúne y transp orta equivalentes equivalentes re ductores, y los dirige hacia su reacción final con oxígeno para for mar agua, y la maquinaria para la fosforilación oxidativa, el proceso
mediante el cual la energía libre liberada se atrapa como fosfato de alta energía.
Los Los component comp onent es de la cadena respiratoria respir atoria están están cont enidos en en cuatro complejos proteínicos grandes insertos en la membrana membrana mit ocondr ial int erna Los electrones electrones fluyen por la cadena respiratoria a través de un in tervalo redox de 1.1 1.1 V desde NAD+/NADH NAD+/NADH hacia 0 2/2H 20 (cuadro 12-1), y pasan por tres complejos proteínicos grandes: NADH-Q oxidorreductasa (complejo I), donde se transfieren electrones desde NADH hacia la coenzima Q (Q) (también llamada ubiquinona); Q-citocromo c oxidorreductasa (complejo III), que pasa los electrones hacia el citocromo c, y citocromo c oxidasa oxidasa (comple los electrones hacia hacia 0 2y hace jo IV), que completa la cadena, pasa los que se reduzca a H 20 (fig. (fig. 13-3). 13-3). Algunas sustancias con po tenc ia les redox más positivos que NAD+/NADH (p. ej., succinato) pasan electrones hacia hacia Q po r medio de u n cua rto complejo, la la succinatoQ reductasa (complejo II), en lugar de me diante el complejo I. Los cuatro complejos están embebidos en la membrana mitocondrial interna, pero Q y citocromo c son móviles. Q se difunde con rapi dez dentro de la membrana, mientras que el citocromo c es una prot pr oteí eína na solubl sol uble. e. El flujo fluj o de elec tro nes ne s a trav t rav és de los com plej os I, III y IV da por resultado el bombeo de protones desde la matriz a través través de la memb rana m itocondrial in terna hacia el espacio espacio inter membrana (fig. 13-7).
Las flavopr oteínas y las las prot eínas eínas hierro h ierro-azufre (Fe-S) son componentes de los complejos d e la cadena cadena respir atoria Las flavoproteínas (cap. 12) son componentes de importancia de los complejos I y II. El nucleótido flavina oxidado (FMN o FAD) pu ed e red ucirs uc irsee en rea ccion cci ones es qu e inv olu cra n la tra nsfe ns feren ren cia de dos electrones (para forma forma r FMNH 2o FADH2), FADH2), pero también p ue den aceptar un electrón para formar la semiquinona (fig. 12-2). Las proteínas hierro-azufre (proteínas hierro no hem, Fe-S) se en cuentran en los complejos I, II y III, los cuales pueden contener uno, dos o cuatro átomos de Fe enlazados a átomos de azufre inor gánico, o por medio de grupos de cisteína-SH cisteína-SH a la proteína, o am bos bo s (fig. 13-4). Las Fe-S p arti ar tici cipa pa n en reacci rea ccion ones es de tra nsfe ns feren ren cia de un solo electrón electrón en las cuales un átom o de Fe pasa por oxidorreducción entre Fe2+y Fe3+. 10 3
10 4
SECCIÓN II
Bioenergética y el metabolismo de carbohid ratos y lípidos
Las enzimas de la membrana interna son: Acar reado res d e ele ctrone s (complejos I a IV) ATP sin tasa Transportadores de membrana ■ Las enzimas de la matriz mitocondrlal son: Enzimas del ciclo del ácido cítrico Enzimas de p-oxldación Piruvato deshldrogenasa
Espacio brana
do cítrico (fig. 17-3) y a continuación los electrones se pasan por me dio de varios centro s Fe-S hacia Q (fig. 13-5). El glicerol-3-fosfato (generado en la desintegración de triacilgliceroles o a partir de la glucólisis, fig. 18-2) y la acil-CoA también pasan electrones ha cia Q mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas (fig. 13-5).
El ciclo Q acopla la transferencia de electrones al transp ort e de protones en el complejo III Los electrones se pasan desde QH2hacia el citocromo c por medio del complejo III (Q-citocromo c oxidorreductasa): Q H 2 + 2 C i t cmldado + 2H+matrlz
Membrana externa Las enzimas en la membrana externa son: Acll CoA sin tetasa Glicerolfosfato acil transferasa
FIGURA 13-1
Estructura de las membranas mitocondriales.
Note que la mem brana Interna con tiene m uchos pliegues (crestas).
Q acepta electrones mediante el co mplejo I y el co mplejo II La NADH -Q oxidorreductasa o complejo I es una proteína grande, en forma de L, de múltiples subunidades, que cataliza la transfer en cia de electrones desde NA DH h acia Q, junto con la transferencia de cuatro H+a través de la membrana: NAD H + Q + 5 H+mat,¡2 -4 NAD + QH, + 4H +,espacio intermembrana
En un inicio los electrones se transfieren desde NA DH hacia FMN, después hacia una serie de centros Fe-S, y por último hacia Q (fig. 13-5). En el complejo II (succinato-Q reductasa), se forma FADH2 durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo del áci
Q
2Cit Cre(¡uc¡d0 + 4 H
eSpac¡0 ¡ntermembrana
Se cree que el proceso incluye citocromos c„ bL y fcH, y un Fe-S Rieske (un Fe-S poco com ún en el cual uno de los átomos de Fe está enlazado a dos grupos de histidina-SH más que a dos grupos de cisteína-SH) (fig. 13-5), y se conoce como el ciclo Q (fig. 13-6). Q puede existir en tres formas, la quinona oxidada, el quinol redu cido o la semiquinona (fig. 13-6). Esta última se forma de modo transitorio d uran te el ciclo, una vuelta del cual origina la oxidación de 2QH 2 a Q, lo que libera 4H +hacia el espacio intermem brana , y la reducción de un a Q a QH 2, lo que hace que 2H+sean captad os desde la matriz (fig. 13-6). Note que aun c uando Q acarrea dos electrones, los citocromos acarrean sólo uno; de esta manera, la oxidación de un Q H2 está acoplada a la reducción de dos moléculas de citocrom o c med iante el ciclo Q.
El oxígeno m olecular se reduce hacia agua por medio del comp lejo IV El complejo IV (citocromo c oxidasa) oxida el citocromo c reducido, con la reducción con com itante de 0 2hacia dos moléculas de agua: 4Cit
C , educido +
0 2 + 8 H +matr¡z
4C¡t Coxidado + 2H20 + 4H+espad0¡ntermembrana
A li m en to Grasa -
Carbohidrato -
Proteína ■
de equivalentes reductores
FIGURA 13-2
Participación de la cadena respiratoria de las mitocondrias en la conversión de la energía
proveniente de alimentos en ATP. La oxidación de los principales alimentos conduce a la generación de equivalentes reductores (2H) que son recolectados por la cadena respiratoria para oxidación y generación acoplada de ATP.
CAP ÍTULO 13 Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
10 5
Succinato Fumarato
Complejo III Q-cit c oxidorreductasa
Complejo 1 NADH-Q oxidorreductasa
FIGURA 13_3
Complejo IV Cite oxidasa
Perspectiva general del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria. (Q, coenzima Q o
ubiquinon a; cit, citocromo.)
Esta transferenc ia de cuatro electrones desd e el citocromo c hacia 0 2comprende dos grupos hem, a y a}, y Cu (fig. 13-5). Los elec trones se pasan inicialmente a un c entro de Cu (CuA), que contie ne átomos 2Cu enlazados a dos grupos proteína cisteína-SH (que semejan una Fe-S), luego en secuencia hacia hem a, hem a3, un segundo c entro de Cu, CuB> que está enlazado a hem a3, y por último a 0 2. De los ocho H + eliminados de la matriz, cuatro se usan para formar dos moléculas de agua, y cuatro se bombean
Pr
\
Cis
Cis
X
hacia el espacio intermembrana. De este modo, por cada par de electrones que pasa por la caden a desde NA DH o FADH2, el com ple jo IV bo m be a 2H + a tra vés de la m em br an a. El 0 2 pe rm an ec e estrechamente unido al complejo IV hasta que se reduce por completo, y esto minimiza la liberación de intermediarios en po tencia perjudiciales, como aniones superóxido, o peróxido, que se forman cuand o el 0 2acepta uno o dos electrones, respectivamen te (cap. 12).
Pr
s \
Pr
Fe
\
Cis
Cis Cis
\
Pr
Pr A
Pr
Pr
\
/
Cis
Cis
\
/ \
/
Fe F ;
/ /
Cis
/
Pr
: Fe
Cs)
V
/
Pr
\ Cis
\
\ Cis
C
Pr
B
FIGURA 13-4
Proteínas hierro-a zufre (Fe-S). (A) La Fe-S más simple con un Fe unid o p or cu atro cisternas.
(B) Centro de 2Fe-2S. (C) Centro de 4Fe-4S. (© , azufre ino rgán ico; Pr, apopro teína ; Cis, cisteína.)
\
Pr
106
SECCIÓN II
Bioenergética y el metabolismo de carboh idratos y lípidos Glicerol-3-fosfato
(íí?)
'I'
(4¡<)
Espacio ¡ntermembrana
rt
Membrana mitocondrial interna
Hem a + a3 CuACuB Complejo IV
Matriz mitocondrial
f
I
I-----Citi) ■*' Cit ci
Complejo I Fe-SFAD
Complejo I
\ \
NADH + H+ NAD
Fumarato
I
\
V20 2 + 2H+
H20
Succinato
Piruvato Ciclo del ácido cítrico Cuerpos cetónicos Acil CoA
FIGURA 13-5
Flujo de electrones a través de los complejos de cadena respiratoria, que muestra los puntos de entrada de equivalentes
reductores desde sustratos importantes. Q y cit son componentes móviles del sistema según se indica por las flechas punteadas. El flujo a través del complejo III (el ciclo Q) se muestra con mayor detalle en la figura 13-6. (Fe-S, proteína hierro-azufre; ETF, flavoproteína transferidora de electrón; Q, coenzima Q o ub iquinona; cit, citocromo.)
EL TRANSPORTE DE ELECTRONES MEDIA NTE LA CADENA RESPIRATORIA CREA UN GRADIENTE DE PROTÓN QUE IMPULSA LA SÍNTESIS DE ATP El flujo de electrones por la cadena respiratoria gene ra ATP por m e dio del proceso de fosforilación oxidativa. La teoría quimiosmótica, pro puest a p or Peter M itche ll en 1961, postul a que los dos pr oce sos están acoplados mediante un gradiente de protón a través de la membrana mitocondrial interna, de manera que la fuerza motriz de protón causada por la diferencia de potencial electroquímico (negativa en el lado de la matriz) impulsa el mecanismo de síntesis de ATP. Como se mencionó, los complejos I, III y IV actúan como bombas de protones. Dado que la membrana m itocondrial interna es imperm eable a iones en general, y en especial a protones, éstos se acumulan en el espacio intermembrana, lo que crea la fuerza motriz de protón predicha por la teoría quimiosmótica.
Una ATP sintasa ubicada en la membrana funciona como un motor rotatorio para for mar ATP La fuerza motriz de protón impulsa una ATP sintasa ubicada en la me mb rana que e n presencia de P¡ + ADP f orma ATP. La ATP sinta sa está embebida en la membrana interna, junto con los complejos de la cadena re spiratoria (fig. 13-7). Varias subunidades de la proteí na forman una estructura parecida a bola alrededor de un eje cono cido como Fj, que se proyecta hacia la matriz y contiene el meca nis mo de fosforilación (fig. 13-8). Ft está fijo a un complejo de proteína de membrana conocido como F0, que también consta de varias subunidades proteínicas. F0 abarca la membrana y forma un canal de protones. El flujo de estos últimos a través de F0 hace que rote, lo que impulsa la producción de ATP en el complejo F[ (flgs. 13-7 y
13-8). Se cree que esto ocurre po r medio de un m ecanism o de cam bio de unión en el cual, a medida q ue el eje rota, la conform ación de las subunidades (3en Fj cambia de sde una que se une co n firmeza al ATP hacia otra que libera ATP y se une a ADP y P¡, de modo que pu ed e for ma rse el sigu iente ATP. Los estimado s sugieren que po r cada NADH oxidado, los complejos I y III translocan cuatro proto nes cada uno, y el complejo IV transloca dos.
LA CADENA RESPIRATORIA PROPORCIONA LA MAYOR PARTE DE LA ENERGÍA CAPTADA DURANTE EL CATABOLISMO El ADP capta, en forma de fosfato de alta energía, una proporción impo rtante de la energía libre derivada de los procesos catabólicos. El ATP resultante se ha denominado la “moneda” de energía de la célula porque pasa esta energía libre para impu lsar los procesos que requieren energía (fig. 11-6). Hay una captación directa neta de dos grupos fosfato de alta energía en las reacciones glucolíticas (cu adro 18-1). En el ciclo del ácido cítrico se captan dos fosfatos de alta energía más por mol de glucosa durante la conversión de succinil CoA en succinato. Todas estas fosforilaciones sobrevienen en el nivel de sustrato. Por cada mol de sustrato oxidado mediante los complejos I, III y IV en la cadena respiratoria (es decir, por medio de NADH), se forman 2.5 mol de ATP por cada 0.5 mol de 0 2consumido; esto es, la propor ción P:0 = 2.5 (fig. 13-7). Por otra parte, cuando un mol de sustra to (p. ej„ succinato o 3-fosfoglicerato) se oxida por medio de los complejos II, III y IV, sólo se forman 1.5 mol de ATP; es decir, P:0 = 1.5. Estas reacciones se conocen como fosforilación oxidativa en el ámbito de la cadena respiratoria. Al tomar en cuenta estos valo res, se estima que cerca de 90% de los fosfatos de alta energía pro ducidos a partir de la oxidación completa de 1 mol de glucosa se
CAPÍ TULO 13 Cadena respirato ria y fosforilación oxidañva
O CH3 c h
3
I [CH2CH = CCH 2]nH
O 'Q : forma s emiquin ona (radical libre)
Q: forma por com pleto oxidada
QH2: forma reducida (quinol) (QH2)
(quinona)
Cit 0
Espacio intermembrana
f
,
_____
Cito
2H+
A
k
1
\
Membrana mitocondrial interna
C it C1
A
QH2 ^
‘ *---
^
— *
t_ J L v------Fe-S
Q< _________ __
•».----------- -
J
Fe -S —
b H- < ---- b L
> - b H ----- >
-----
Cit e.
Matriz mitocondrial
FIGURA 13-6
El ciclo Q. Durante la oxidación de QH2a Q, se dona un electrón a cit c po r m edio de una Fe-S de Rieske y
cit c„ y el segundo a una Q para formar la semiquinona m ediante cit b L y cit bH, con liberación de 2H+ hacia el espacio intermembrana. A continuación ocurre un proceso similar con una segunda QH2, pero en este caso el segundo electrón se do na a la sem iqu ino na, lo que la redu ce a QH2, y 2H+ son cap tado s des de la matriz. (Fe-S, pro teína hi erro-azu fre; Q, coen zima Q o ubiquinona; cit, citocromo.)
(2hly
Membrana mitocondrial interna
Complejo
I
■yA
Ï
i
Espacio intermembrana + + + + + + I + + + + + + Q ...... ►
/^j+\
( h ^ )
Desacopladores
© @ © -
X
Complejo III
t v
Matriz mitocondrial 1/20 2 + 2H
NADH + H NAD
H20 ADP + Pi
ATP
Complejo
r
Succinato
FIGURA 13-7
Fumarato
La teoría qu imio sm ótica de la fosforilación ox idativa. Los complejos II, III y IV actúan com o
bom bas de prot ón, lo que crea un gradien te de protó n a través de la mem bran a, qu e es negativa en el lado de la matriz. La fuerza mo triz de pr otón generad a impu lsa la síntesis de ATP con form e los protones fluy en de regreso hacia la matriz por m edio d e la enzima ATP sintása (fig. 13-8). Los desacopladores aum entan la permeab ilidad de la membrana a iones, lo que colapsa el gradiente de protón al permitir que el H+ pase sin atravesar la ATP sintasa y, así, desacopla el flujo de electrón a través de los complejos respiratorios, de la síntesis de ATP. (Q, coenzima Q o ubiquinona; cit, citocromo.)
107
108
SECCIÓ N II
Bioenergética y el metabolism o de carbohidrato s y lípidos
AD P + P¡
FIGURA 13-8
Mecanism o de p rodu cción de ATP por la ATP
sintasa. El com plejo enzimàtic o consta de un s ubc om plejo F0 qu e es un disco de su bunid ades de pr oteina "C". Hay una subu nidad y fija en form a de un "eje doblado". Los protones qu e pasan por el disco de
Dentro
unidades " Ch ace n rotar el disco y la subunidad y fija. La subunidad y se adapta dentro del sub comp lejo F, de tres subunidades a y tres subu nidades (3, qu e están fijas a la memb rana y no ro tan. Las
Membrana mitocondrial interna
subu nidades p captan de manera sec uendal ADP y P¡ para formar
Afuera
ATP, qu e se ex p ul sa a m ed id a q u e la s u b u n id ad y ro ta to ri a sac a c ad a subu nidad p a la vez y cambia su confor mació n. De este modo , se gener an tres m oléculas de ATP por cada revolució n. En aras de la claridad, no todas las sub unidad es que se han ident ificado se muestran; p. ej., el "eje" tambi én c ontien e una su bunid ad.
obtiene mediante fosforilación oxidativa acoplada a la cadena res piratoria (cuadro 18-1).
El control respiratorio asegura un aporte constante de ATP La disponibilidad de ADP puede controlar el índice de respira ción de las mitocondrias, lo cual se debe a que la oxidación y fos forilación están firmemen te acopladas; esto es, la oxidación no puede pro ced er po r la cadena respiratoria sin fosforilación co n comitante de ADP. En el cuadro 13-1 se muestran las cinco condi ciones que controlan el índice de respiración en las mitocondrias. Casi todas las células en el estado en reposo se encuentran en es tado 4, y la disponibilidad de ADP controla la respiración. Cu an do se realiza trabajo, el ATP se convierte en ADP, lo que permite que ocurra más respiración que, a su vez, reabastece las reservas de ATP. En ciertas condiciones, la concentración de fosfato inor gánico también puede afectar el índice de funcionamiento de la cadena respiratoria. A medida que se incrementa la respiración
CU AD RO 13-1
Estados de control respiratorio
Condiciones que lim itan el índice de respiración Estado 1
Disponib ilidad de ADP y sustrato
Estado 2
Disponibilid ad sólo de sustrato
Estado 3
La capacidad de la cadena respiratoria en sí, cuando todos los sustratos y los comp onentes están presentes en cantidades que origin an saturación
Estado 4
Disponib ilidad de sólo ADP
Estado 5
Disponibilidad de únicamente oxígeno
(como durante ejercicio), la célula se aproxima al estado 3 o el estado 5 cuando la capacidad de la cadena respiratoria queda sa turada o la P0 2 disminuye por debajo de la K m para el hem a3. También existe la posibilidad de que el transportador de ADP/ ATP, que facilita la entrada de ADP citosólico a la mitocondria, y la salida de ATP desde esta última, se conviertan en el limitante de la velocidad. De este modo, la manera en la cual los procesos oxidativos bio lógicos permiten que la energía libre resultante de la oxidación de alimento quede disponible para ser captada es por pasos, eficiente y controlada, en lugar de explosiva, ineficiente e incontrolada, como en muchos procesos biológicos. La energía libre restante que no se capta como fosfato de alta energía se libera como calor. Esto no necesita considerarse “desperdicio”, porque asegura que el sistema respiratorio en conjunto sea lo bastante exergónico como para que se saque de equilibrio, lo que permite el flujo unidireccional conti nuo y suministro constante de ATP. También contribuye al mante nimiento de la temperatura corporal.
MUCHOS VENENOS INHIBEN LA CADENA RESPIRATORIA Gran parte de la información acerca de la cadena respiratoria se ha obtenido por medio del uso de inhibidores y, a la inversa, esto ha proporcionado conocimiento respecto del mecanismo de acción de varios venenos (fig. 13-9), mismos que se clasifican como inh i bidores de la cadena respiratoria, inhibidores de la fosforilación oxi dativa y desacopladores de esta última. Los barbitúricos, como el amobarbital, inhiben el transporte de electrones mediante el complejo I al bloquear la transferencia desde Fe-S hacia Q. En dosificación suficiente, son mortales in vivo. La antimicina A y el dimercaprol inhiben la cadena respiratoria en
CAPÍT ULO 13 Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
109
Maionato
Complejo II Succinato H2S CO CN~
Complejo IV | NADH-
—
Desacopladores
Cit. c -
hem a
hem a3
Cu
Cu
i" *9
Desacopladores i
Oligomicina mmm
Oligomicina ADP + P¡
ATP
ADP + P,
ATP
ADP + P|
-► Oo
«© ATP
FIGURA 13-9 Sitios de inhibició n (© ) de la cadena respiratoria po r fármacos, sustancias químicas y antibiótico s específicos. (BAL, dimerc aprol; TTFA, un agente qu elante de Fe. Las otras abreviaturas s ignifican lo mismo que las de la figura 13-5.)
Afuer a
Membrana mitoco ndrial interna
Dentro
el complejo III. Los venenos clásicos H2S, monóxido de carbono y cianuro inhiben el complejo IV y, en consecuencia, pueden suspen der por completo la respiración. El malonato es un inhibidor com petitivo del complejo II. El atractilósido inhibe la fosforilación oxidativa mediante la inhibición del transportador de ADP hacia dentro de la mitocondria, y de ATP hacia afuera de ella (fig. 13-10). El antibiótico oligo micina bloquea por completo la oxidación y fosforilación al blo quear el flujo de protones por medio de la ATP sintasa (fig. 13-9). Los desacopladores disocian la oxidación en la cadena respira toria, de la fosforilación (fig. 13-7). Estos compuestos son tóxicos in vivo, lo que hace que la respiración se torne incontrolada, puesto que el índice ya no queda limitado por la concentración de ADP o P¡. El desacoplador que se ha usado con mayor frecuencia es el 2,4dinitrofenol, pero otros compuestos actúan de manera similar. La termogenina (o la proteína desacopladora) es un desacoplador fi siológico que se encuentra en el tejido adiposo pardo que funciona para generar calor corporal, en particular para el recién nacido y durante la hibernació n en animales (cap. 25).
LA TEORÍA Q UIMIOSM ÓTICA PUEDE EXPLICAR EL CONTROL RESPIRATORIO Y LA ACCIÓN DE DESACOPLADORES
FIGURA 13-10 Sistemas de transporte de la membrana m i t o c o n d r i al i n t e r n a. © T r a n s p o r t a d o r d e f o s f at o , © s i m p o r t e p i r u v at o , © t r a n s p o r t a d o r d e d i c a rb o x i l at o , © t r a n s p o r t ad o r d e t r i c a rb o x i l at o , © t r a n s p o r t a d o r d e a- c e to g l u t a r at o , © t r a n s p o r t a d o r d e n u c l e ó t i d o adenina. La N-etilmaleimida, hidroxicinamato y atractilosida inhiben (©) los sistemas indicados. También hay sistemas transpo rtadores para glutamato/aspartato (pero no se muestran aquí) (fig. 13-13), glutamina, orniti na, aminoácid os neutros y carnitin a (fig. 22-1).
La diferencia de potencial electroquímico a través de la mem brana, una vez establecida como resultado de translocación de protón, inhibe el transporte adicional de equivalentes reductores por la cadena respiratoria, a menos que se descargue por translocación retrógrada de protones a través de la membrana mediante la ATP sintasa. Esto, a su vez, depende de la disponibilidad de ADP y Pj. Los desacopladores (p. ej„ dinitrofenol) son antipáticos (cap. 15) y aumentan la permeabilidad de la membrana mitocondrial in terna lipoide a protones, lo que reduce el potencial electroquímico y suscita cortocircuito de la ATP sintasa (fig. 13-7). De este modo, la oxidación puede p roceder sin fosforilación.
110
SECCIÓN II
Bioenergética y el metabolismo de carbohidratos y lípidos
LA IMPERMEABILIDAD RELATIVA DE LA MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA REQUIERE TRANSPORTADORES DE INTERCAMBIO Sistemas de difusión de intercambio que incluyen proteínas trans portadoras que abarcan la membrana están presentes en la misma para intercambio de aniones contra iones OHTy cationes contra io nes H+. Esos sistemas se necesitan para captación y salida de meta bolitos ionizados, mientras que preservan los equilibrios eléctrico y osmótico. La membrana mitocondrial interna es libremente per meable a moléculas pequeñas no cargadas, como oxígeno, agua, C 0 2, NH 3y ácidos monocarboxílicos, como 3-hidroxibutírico, acetoacético y acético. Los ácidos grasos de cadena larga se transp ortan hacia las mitocondrias por medio del sistema de carnitina (fig. 221), y hay también un acarreador especial para el piruvato que com prende un simporte que utiliza el gradiente de H +desde afuera hacia dentro de la mito condria (fig. 13-10). Sin embargo, los aniones dicarboxilato y tricarboxilato y los aminoácidos requieren sistemas transportadores o acarreadores específicos para facilitar su paso a través de la membrana. Los ácidos monocarboxílicos penetran con mayor facilidad en su forma no disociada y más liposoluble. El transporte de aniones dicarboxilato y tricarboxilato está es trechamen te enlazado con el de fosfato inorgánico, que pen etra con facilidad como el ion H 2P 0 4~en intercambio por OH". La captación neta de malato por el transportador dicarboxilato necesita fosfato inorgánico para intercambio en la dirección opuesta. La captación neta de citrato, isocitrato o ds-aconitato por el transportador tricar boxilato requiere malato a cambio. El tran sporte de a-cetoglutarato también exige un intercambio con malato. El transportador de nucleótido adenina permite el intercambio de ATP y ADP, no así de AMP. Es vital para permitir que el ATP salga de las mitocondrias hacia los sitios de utilización extramitocondrial y que ocurra el re greso de ADP para la producción de ATP dentro de la mitocondria (fig. 13-11). Dado que en esta translocación se eliminan de la matriz cuatro cargas negativas por cada tres introd ucidas, el gradiente elec troquímico a través de la membrana (la fuerza motriz de protón) favorece la exportación de ATP. El Na+ puede intercambiarse por H+, impulsado por el gradiente de protón. Se cree que la captación activa de Ca2+ por mitocondrias o curre con una transferencia de carga neta de 1 (unipo rte de Ca+), posiblemente por medio de un
Afuera
Membrana mitocondrial interna
Dentro
FIGURA 13-11
C o m b i n a c ió n d e t r a n s p o r t ad o r d e f o s f a to © c o n el transpo rtado r de n ucleó tido ad enina ® en la síntesis de ATP. El sim po rte H+/P¡ mos trado es equiv alente al antipo rte P¡/OH~ mos trado en la figura 13-10.
antiporte Ca2+/H+. La liberación de calcio a partir de las mitocon drias se facilita por intercambio con Na+.
Los ionóforos permiten que cationes específicos penetren en las membranas Los ionóforos son moléculas lipofílicas que forman complejos con cationes específicos y facilitan su transporte a través de mem branas biológicas, por ejemplo, valinomicina (K+). En realidad, los desaco pladores clásicos como el dinitrofenol, son ionóforos de protón.
Una transhidr ogenasa translocadora de pro tón es una fuente de NADPH intramitocondrial La transhidrogenasa enlazada con energía, una proteína de la membrana mitocondrial interna, acopla el paso de protones por el gradiente electroquímico desde afuera hacia dentro de la mitocon dria, con la transferencia de H desde NADH intramitocondrial ha-
FIGURA 13-12 Transbordador de glicerofosfato para la transferencia de equivalentes reductores desde el citosol hacia la mitocondria.
CAPÍ TULO 13 Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Citosol
Membrana interna
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Mitocondria
FIGURA 13-13
Transbor dador de m alato para la transferencia de equiv alentes reducto res desde el citosol hacia la mitocond ria. © transpor tador de alfa-cetoglutarato, ® transportado r de glutamato/aspartato (note el simporte protón con glutamato).
cía NADPH para enzimas intramitocond riales como glutamato deshidrogenasa e hidroxilasas incluidas en la síntesis de esteroide.
Procesos que — requieren energía v. (p. ej., contracción muscular) X ATP ADP
La oxidación de NADH extramitocondrial está mediada por transbor dadores de sustrato El NADH no puede penetrar en la membrana mitocondrial, sino que se produce de manera continua en el citosol por la 3-fosfogliceraldehído deshidrogenasa, una enzima en la secuencia de glucólisis (fig. 18-2). Empero, en condiciones aeróbicas, el NADH extramitoco ndrial no se acumula, y se cree que la cadena respiratoria lo oxida en las mitocondrias. La transferencia de equivalentes reductores a través de la membrana mitocondrial requiere pares de sustrato, enlazados por deshidrogenasas idóneas a cada lado de la membrana mitocondrial. En la figura 13-12 se muestra el mecanismo de transferencia u sando el transbordador de glicerofosfato. Puesto que la enzima mitocondrial está enlazada a la cadena respiratoria por medio de una flavoproteína más que por NAD, por cada átomo de oxígeno consumido sólo se forman 1.5 mol de ATP en lugar de 2.5. Si bien este transbordador está presente en algunos tejidos (p. ej., cerebro, músculo blanco), en otros (p. ej., músculo cardiaco) es deficiente. Por ende, se cree que el sistema del transbordador malato (fig. 13-13) es de utilidad más universal. La complejidad de este sistema se debe a la impermeabilidad de la mem brana mitocondrial al oxaloacetato, que debe reaccionar con el gluta mato para formar aspartato y a-cetoglutarato mediante transaminación antes de transporte a través de la membrana mitocondrial y reconstitución hacia oxaloacetato en el citosol.
El trans po rte de ion en las mito condrias está enlazado con energía Las mitocondrias mantienen o acumulan cationes como K+, Na+, Ca2+, Mg2+y P¡. Se supone que una bomba de protón primaria im pulsa el intercambio de catión.
FIGURA 13-14
El transbo rdado r de creatina fosfato del corazón y el músculo estriado. El transbordador permite el transporte rápido de fosfato d e alta energía desde la matriz mito con drial hacia el citosol. (CKa, creatina cinasa relacionada con requerimientos grandes de ATP, p. ej., contracc ión muscular; CKc, creatina cinasa para man tener el equilib rio entre creatina y creatina fosfato y ATP/ADP; CKg, creatina cinasa que acop la la glucóli sis co n la síntesis de creatin a fosfato; CK,,,, creatina cinasa mitocondrial que media la producción de creatina fosfato a partir de ATP formad o en la fosforilación oxidativa; P, proteína poro en la memb rana m itocondrial externa.)
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SECCIÓ N II
Bioenergética y el metabolism o de carbohidratos y lípidos
El transb ord ador de creatina fosfato facilit a el trans port e de fosfato de alta energía desde mitocond rias Este transb ordador (fig. 13-14) increm enta las funciones de la crea tina fosfato como un amortiguador de energía al actuar como un sistema dinámico para la transferencia de fosfato de alta energía desde mitocond rias en tejidos activos como el corazón y el músculo estriado. Una isoenzima de la creatina cinasa (CKm) se encuentra en el espacio intermembrana mitocondrial, catalizando la transfe rencia de fosfato de alta energía hacia creatina desde ATP que surge a partir del transportador de nucleótido adenina. A su vez, la creati na fosfato se transporta hacia el citosol por medio de poros de pro teína en la membrana mitocondrial externa, y queda disponible para la generación de ATP extr amitocondrial.
ASPECTOS CLÍNICOS La enfermedad conocida como miopatía mitocondrial mortal in fantil con disfunción renal comprende disminución grave o falta de casi todas las oxidorreductasas de la cadena respiratoria. En el síndrome MELAS (del inglés mi toc ho nd ria l ence phal opa thy, lac tic aci dos is a nd s trok e, mitencefalopatía, acidosis láctica y apoplejía mitocondriales) es una enfermedad hereditaria debida a deficiencia de NAD H-Q oxidorreductasa (complejo I) o citocromo oxidasa (com plejo IV). Se produce p or una m utación del DNA mitocondrial, y se cree que está involucrada en la enfermedad de Alzheimer y la dia betes mellitus. Diversos fármacos y venenos actúan por inhibición de la fosforilación oxidativa.
RESUMEN ■ Casi toda la energía liberada a partir de la oxidación de carbohidratos, grasas y proteínas se pone a disposición en las mitocondrias como equivalentes reducto res (—H o e"), los cuales se encauzan hacia la
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cadena respiratoria, donde pasan p or u n gradiente redox de acarreadores hacia su reacción final con oxigeno para formar agua. Los acarreado res redox están agrup ados en cuatro complejos de cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna. Tres de los cuatro complejos tienen la capacidad para usar la energía liberada en el gradiente redox para bombear protones hacia el exterior de la membrana, lo que crea un potencial electroquímico entre la matriz y el espacio de la mem brana interna. La ATP sintasa abarca la membrana y actúa como un motor rotatorio usando la energía potencial del gradiente de protón o fuerza motriz de pr otó n pa ra sinte tizar ATP a par tir de ADP y P¡. De este mod o, la oxidación está estrechamente acoplada a la fosforilación para satisfacer las necesidades de ene rgía de las células. Dado que la membrana mitocondrial interna es impermeable a pro tones y otros iones, los transpo rtadores de intercambio especiales abarcan la membrana para permitir que iones como OH“, ATP4-, ADP3“ y metabolitos, pasen sin descargar el gradiente electroquímico a través de la membrana. Muchos venenos bien conocidos, como el cianuro, suspenden la respiración mediante inhibición de la cadena respiratoria.
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