92509-03a.qxd 11/4/11 12:55 PM Page 71 -...

Metabolismo

92509-03a.qxd 11/4/11 12:55 PM Page 71

Bioquímica Humana ©2012. Editorial Médica Panamericana

ATPEl nucleótido adenosintrifosfato (ATP)

constituye el principal método de almacena-miento de energía química en la célula. Ladivisión de ATP es extremadamente exergó-nica: la energía liberada en este proceso (ΔG)es utilizada para fomentar ciertos mecanis-mos endergónicos como la biosíntesis y losprocesos de desplazamiento y transportemediante el acoplamiento energético (véasep. 16). Existen asimismo coenzimas de nucleó-sido trifosfato (GTP, CTP y UTP) con caracte-rísticas químicas similares a las del ATP. Sinembargo, el metabolismo las emplea paracubrir otras necesidades (véase p. 92).

A. Estructura del ATPEl ATP es un nucleósido trifosfato, cuya

cadena compuesta por tres fosfatos se en-cuentra unida al grupo 5´-OH del nucleósidoadenosina (véase p. 64). Existen fosfatos α, βy γ. El fosfato α está conectado a la ribosamediante enlaces ésteres del ácido fosfórico. La unión entre los diferentes fosfatos (uniónde anhídridos del ácido fosfórico) es en cam-bio mucho más débil. La única coenzima real-mente efectiva es generalmente el complejoentre ATP y un ion de Mg2+, que se encuen-tra unido a los fosfatos α y β (Mg2+ · ATP4-).Pese a esto se suele hablar simplemente deATP.

B. Energías de hidrólisisLa fórmula de fosfatos con uniones sim-

ples y dobles (A) no muestra la verdaderadistribución de la carga energética en el ATP.Los átomos de oxígeno de los tres fosfatostienen una carga negativa muy similar (colornaranja), mientras que los átomos de fósforoconstituyen centros de carga positiva (colorverde). La inestabilidad de las uniones deanhídridos del ácido fosfórico se debe funda-mentalmente a que los átomos con carganegativa se repelen. Cuando los fosfatos seseparan este rechazo tiende a desaparecer. Elanión de fosfato libre formado durante lahidrólisis de ATP está además mucho mejorhidratado y su resonancia es más estable quela del fosfato correspondiente en el ATP. Estocontribuye a exacerbar el carácter exergóni-co de la hidrólisis de ATP.

Bajo condiciones normales, la entalpíalibre ΔG0’ (véase p. 18) de la hidrólisis de lasuniones de anhídridos del ácido fosfóricoen niveles de pH = 7 oscila entre los -30 ylos -35 kJ · mol–1. Mientras tanto, el valor deΔG0’ permanece prácticamente constante,sin importar cuál de las uniones de anhídri-dos es la que se separa en el ATP (1, 2).Incluso la hidrólisis de difosfato (4) superalos –30 kJ · mol–1. La separación del enlace

éster entre la ribosa y el fosfato (3) no supe-ra, por el contrario, los –9 kJ · mol–1.

La ΔG efectiva de la hidrólisis de ATP esconsiderablemente mayor dentro de la célu-la debido a que la concentración de ATP, ADPy Pi es muy inferior a aquella en condicionesnormales (= 1 mol · L–1) y también a que losniveles de ATP superan ampliamente los deADP. El pH y la concentración de Mg2+ pue-den modificar asimismo el valor de ΔG. Lautilización de energía fisiológica de la hidróli-sis de ATP para ADP y fosfato inorgánico (Pi)es de aproximadamente –50 kJ · mol–1.

C. Tipos de formación de ATPPocas uniones contienen fosfatos con el

suficiente potencial químico (véase p. 18)como para transferírselos al ADP y así per-mitir que se lleve a cabo la síntesis de ATP.Aquellos mecanismos a través de los cualesse incrementa el potencial del fosfato inorgá-nico a dichos niveles se denominan fosforila-ciones de cadenas de sustrato (véase p. 106).Este tipo de reacciones se pueden observarúnicamente durante la glucólisis (véase p.130) y el ciclo del citrato (véase p. 114). El fos-fato de creatina constituye otra unión de fos-fato con una alta carga de energía. Se produ-ce en el músculo a partir de ATP y es inclusocapaz de regenerarlo (véase p. 344).

No obstante, la mayor parte del ATP celularno se genera a partir del mecanismo descritoanteriormente (es decir, traslado de los restosde fosfato de moléculas orgánicas al ADP),sino mediante fosforilación oxidativa (véasep. 120), un proceso que se desarrolla en lasmitocondrias (en las plantas en los cloroplas-tos) y está unido energéticamente a un gra-diente de protones por medio de una mem-brana. Estos gradientes de H+ se generangracias a una cadena respiratoria y constitu-yen la fuente de energía de la enzima ATP-sin-tasa para que el fosfato inorgánico se unadirectamente al ADP (véase p. 122). A di-ferencia de la fosforilación de cadenas de sustrato, la fosforilación oxidativa requierenecesariamente la presencia de oxígeno (con-diciones aeróbicas) para poder llevarse a cabo.

104 Metabolismo energético

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 104


ATP 105

A. Estructura del ATP

aden

ina

1. Fórmula

uniones de anhídridode ácido fosfórico

unión éster de ácido fosfórico

unión N-glucosídica

neutral

ribosa

adenosina

2. Complejo de Mg2+

restos de fosfato

B. Energías de hidrólisis

C. Tipos de formación de ATP

positiva

ATP

→ a

deno

sina

ATP

→ A

DP

ATP

→ A

MP

negativa

sustrato 2sustrato 1

resto de fosfato conalto potencial químico

matriz

espacio intermembrana

2. Fosforilación oxidativa

ATP-sintasa

flujo de protones

2. ATP: carga eléctrica1. Energías de hidrólisis

flujo de electrones

1. Transferencia de fosfato

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 105


http://www.medicapanamericana.com/Libros/Libro/4444/Bioquimica-Humana.html

Acoplamiento energéticoEl acoplamiento energético se define co-

mo un mecanismo en el que un procesodependiente de energía (endergónico) seune funcionalmente con un segundo procesoque libera energía (exergónico) de tal mane-ra que el mecanismo se lleva a cabo volunta-riamente (véase p. 16). Siguiendo esta lógica,en una linterna por ejemplo, la producciónendergónica de luz se acopla a una reacciónquímica exergónica mientras que un motoreléctrico utiliza el flujo exergónico de elec-trones para realizar el trabajo mecánicoendergónico.

A. Acoplamiento energéticoLas células vivientes acoplan los procesos

endergónicos de todo tipo a una reacciónquímica específica, a saber la separación deadenosintrifosfato (ATP, véase p. 104) en ADPy fosfato o AMP y difosfato. Es por ello que elATP y ciertas moléculas similares son co-múnmente llamadas uniones “ricas en ener-gía”. Esta expresión es de todos modos algoengañosa, ya que la energía de enlace entrelos átomos de ATP no es mayor que entreotras moléculas, pero sí lo es la cantidad deenergía (expresada en ΔG, véase p. 18) que seutiliza en la transferencia de fosfato desde elATP a otras moléculas.

Para poder evaluar el potencial de trans-ferencia de grupo de las uniones “ricas enenergía” se compara arbitrariamente la va-riación en la entalpía libre (ΔG0’) durante lahidrólisis (véanse pp. 18 y 104). Esto no signi-fica, sin embargo, que el ATP se hidroliza enreacciones acopladas energéticamente. Encaso de que se llevara a cabo paralelamentela hidrólisis de ATP junto a un proceso ender-gónico, la hidrólisis sólo proporcionaría calorsin influenciar el proceso endergónico. Paraque se produzca un acoplamiento químicoambas reacciones deben estar sincronizadasde manera que se genere un producto inter-medio conjunto. Este fenómeno se explica eneste capítulo tomando como ejemplo la reac-ción glutamina sintetasa.

La transferencia directa de NH4+ al glutama-

to es endergónica (ΔG0’ = +14 kJ · mol–1), por loque, en condiciones normales, no funciona deforma espontánea (véase p. 18). Dentro de lacélula, la reacción se divide en dos pasos exer-gónicos: en primer lugar se transfiere el restode γ-fosfato del ATP al glutamato. Se genera deesta forma un anhídrido de ácido mixto “ricoen energía”. En un segundo paso se sustituyeel resto fosfato del producto intermedio porNH3, proceso en el cual se genera glutamina yfosfato libre. El balance de energía de la reac-ción total (ΔG0’ 17 kJ · mol–1) es equivalente a la

suma de las variaciones de la entalpía libre dela formación directa de glutamina (ΔG0’ =+14 kJ · mol–1) y de la hidrólisis de ATP(ΔG0’ = –31 kJ · mol–1) a pesar de que en reali-dad el ATP no se hidroliza.

B. Fosforilación de cadenas de sustratoEn la célula existen sólo unos pocos meta-

bolitos capaces de transferir el fosfato al ADPpor medio de una reacción exergónica y pro-ducir así ATP (véase p. 104). Durante la sínte-sis de ATP se transfiere el fosfato inorgánicoo el fosfato unido de manera similar al éstera los enlaces con un alto potencial de trans-ferencia de fosfato. Este tipo de reacciones sedenominan comúnmente fosforilaciones decadenas de sustratos, ya que constituyenpequeñas partes de las rutas metabólicas(“cadenas de sustrato”).

En la reacción gliceral-3-fosfato deshidro-genasa, uno de los pasos de la glucólisis(izquierda), el grupo aldehído se oxida trans-formándose de gliceral-3-fosfato a un grupocarboxilo. A lo largo de la reacción se incor-pora asimismo un fosfato inorgánico al pro-ducto, de manera tal que se genera un anhí-drido ácido mixto (1,3-bifosfoglicerato). Lafosfopiruvato hidratasa (enolasa, ver centrodel gráfico) es la encargada de catalizar laseparación de las moléculas de agua del 2-fosfoglicerato. En el enolfosfato resultante(fosfoenolpiruvato), el potencial del restofosfato alcanza niveles extremadamente ele-vados (ΔG0’ de la hidrólisis = –62 kJ · mol–1), adiferencia del 2-fosfoglicerato. Otro tipo dereacción similar es la producción de succinil-fosfato, una de las etapas de la reacción tioci-nasa succinil-CoA ligasa que se lleva a caboen el ciclo de Krebs. Durante esta reacción elfosfato inorgánico es incorporado nueva-mente a la unión de anhídrido ácido mixtopara ser luego transferido al GDP. El succinil-fosfato es no obstante sólo un productointermedio que la enzima no libera.

El concepto de “fosforilación de cadenasde sustrato” se utiliza a menudo de maneraambigua. Algunos autores afirman que estafosforilación comprende todas aquellas reac-ciones que provocan un aumento en el po-tencial del fosfato. Otros emplean este térmi-no para referirse a las reacciones posteriores,en las cuales el organismo produce ATP oGTP a partir de productos intermedios “ricosen energía”.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 106


Acoplamiento energético 107

A. Acoplamiento energético

glutamina

1. Reacción glutamina sintetasa

1. Glutaminasintetasa

glutamato-γγ-fosfato

reacción 2: ATP + H2O – 31 kJ · mol–1 ADP +

suma : glutamato + NH3 + ATP – 17 kJ · mol–1 glutamina + ADP +

reacción 1: glutamato + NH3 + 14 kJ · mol–1 glutamina + H2O

1 Gliceral-3-fosfato deshidrogenasa2 Enolasa 3 Tiocinasa

2. Balance de energía

glutamato

resto fosfato conalto potencialquímico1,3-bifosfo-

glicerato

2-fosfo-glicerato

fosfoenol-piruvato

gliceral-3-fosfato

fosfatoinorgánico succinil-CoA fosfato

inorgánico

potencialquímico

B. Fosforilación de cadenas de sustrato

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 107


Almacenamiento de energía en lasmembranas

La energía metabólica no sólo se almacenaen forma de uniones con “carga energética”(véase p. 106) sino también cuando las cargaseléctricas se separan, proceso en el cual seconsume energía, y se cubren con una capaaislante que impide que vuelvan a unirse ydistribuirse a lo largo de la célula. Este siste-ma se denomina comúnmente condensador.En las membranas biológicas la energía esalmacenada obedeciendo este principio. Sehabla por ello de “energía conservada”. Lamembrana actúa como aislante mientras quelas cargas están constituidas por átomos ymoléculas con carga eléctrica (iones).

A. Gradiente electroquímicoExiste una diversidad de iones (Na+, K+,

Ca2+, Cl–, entre otros) distribuidos aleatoria-mente fuera y dentro de la célula viva (1).Esto se debe al efecto de ciertos procesos detransporte activo (B) y a que las membranasbiológicas contienen canales iónicos selecti-vos que regulan el flujo de ciertos tipos deiones (véase p. 402). El gradiente electroquí-mico es el que determina si un ion atraviesala membrana o no la atraviesa, y en qué di-rección lo hace. Es por ello que está ín-timamente relacionado con el grado de concentración del ion a ambos lados de lamembrana (gradiente de concentración) asícomo con la diferencia de potencial eléctricoentre el espacio interior y exterior de la célu-la (potencial de membrana).

El comportamiento de un determinadotipo de ion se calcula a través de la ecuaciónde Nernst, en la que ΔΨG = (R · T/F · n) · ln(cexterior/cinterior). ΔΨG expresa el potencial demembrana (en milivoltios, mV), en el que nose desarrolla ningún tipo de transporte netodel ion en cuestión a través de la membrana(potencial de equilibrio). Para los iones uni-valentes, el factor R·T/F·n es de 26 mV a unatemperatura de 25 °C. Si observamos la tablade la derecha (2), el potencial de equilibriode K+ es de alrededor de –90 mV, es decir unvalor similar al potencial de reposo. Para losiones de Na+, en cambio, ΔΨG el equilibrio depotencial es de +70 mV, valor muy superioral potencial de reposo. Esto ocasiona que losiones de Na+ ingresen inmediatamente a lacélula al abrirse los canales (véase p. 360).

El potencial de membrana de las célulasen reposo (potencial de reposo) oscila entrelos –50 y los –90 mV, es decir que en el inte-rior de la membrana plasmática predominala carga negativa. Los cationes Na+ y K+, el Cl–

y los aniones orgánicos son los que más con-tribuyen al potencial de reposo (1). De la

tabla se desprenden los niveles de concen-tración de estos iones en el exterior e interiorde las células animales al igual que los res-pectivos coeficientes de permeabilidad (2).

B. Bomba sodio-potasio La bomba sodio-potasio (Na+/K+ - ATPasa)

de la membrana plasmática es la principalcausa de la distribución desigual de iones desodio y potasio dentro y fuera de la célulaviva, lo que se ve claramente al observar supotencial de membrana. Esto ocasiona que lamembrana plasmática consuma ATP y expul-se continuamente 3 iones de Na+ al exterior acambio de 2 iones de K+. La bomba sodio-potasio [1] es un proceso inherente a todaslas células y el que consume la mayor partede ATP del organismo.

El ciclo catalítico de la bomba sodio-pota-sio (2) recorre varios estadios: primero fo-menta la unión de tres iones de sodio en lacara interna de la membrana (parte superiorderecha del gráfico). En el exterior de la célu-la, por su parte, la fosforilación de los restosde aspartato en la subunidad α provoca quese modifique su conformación y se liberenlos iones de sodio. En una tercera etapa seunen allí dos iones de potasio. La enzimarecupera luego su conformación original gra-cias a la hidrólisis del aspartilfosfato. Trasliberar los iones de sodio en el interior de lacélula, la enzima se encuentra finalmentepreparada para dar comienzo a un nuevociclo.

C. Gradientes de protonesLos iones oxonio (H3O+, “iones H+”, véase

p. 14) pueden generar asimismo gradienteselectroquímicos. En lo que respecta a la fosfo-rilación oxidativa, estos gradientes de proto-nes desempeñan un papel decisivo en la sín-tesis celular de ATP (véase p. 120). Al igualque en todos los iones, el contenido energé-tico depende directamente del gradiente deconcentración, en otras palabras, de la dife-rencia de pH ΔpH entre ambos lados de lamembrana. Cabe mencionar, no obstante,que el potencial de membrana ΔΨ contribuyetambién a aumentar o disminuir el conteni-do energético. El resultado de ambos cocien-tes es la fuerza protón-motriz Δp, que mide elrendimiento químico del gradiente de H+. Esasí como el gradiente de protones, por ejem-plo, libera aproximadamente 24 kJ por molde H+ a través de la membrana interna de lasmitocondrias (véase p. 122).


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 108


Almacenamiento de energía en las membranas 109

B. Bomba sodio-potasio

A. Gradiente electroquímico

3. canal de Cl–

Nivel de concentraciónIon

mM mM 109·cm s–1 mV

1 bomba sodio-potasio1. Distribución de iones

caniones orgánicos(A–)

Potencialde equili-brio

Permea-bilidad

EspacioextracelularCitoplasma

canal de K+

1 bomba sodio-potasio

1. Estructura

exteriorinterior

2. Mecanismo

exteriorinterior

C. Gradientes de protones

diferenciade pH

potencial demembrana

fuerza protón-motriz

proteína

gradiente de pHΔpH = pHa – pHi (en

unidades de pH)

potencial de membrana

Δψ = ψa – ψi (en V)

2. Potenciales de equilibrio

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 109


Metabolismo energético: conceptos generales

A. Metabolismo energético: conceptosgenerales

Se denomina metabolismo energético alconjunto de rutas metabólicas y reaccionesque tienen como objetivo generar energíaquímica en forma de ATP (véase p. 104) en lacélula. Según mencionamos anteriormenteen la página 96, a lo largo del proceso evolu-tivo se han ido desarrollando diferentes tiposde alimentación. Los animales, y por ende elser humano, cuentan con un metabolismopuramente quimioheterótrofo. Para producirATP dependen de sustancias orgánicas queingieren a través de los alimentos y degradanluego en un proceso oxidativo a través de lasrutas metabólicas catabólicas. El oxígeno mo-lecular (O2) desempeña un rol clave en estemecanismo ya que su presencia/ausenciadetermina qué moléculas pueden degradarsey si dicha degradación será sólo parcial ototal.

Cuando existen cantidades suficientes deO2 (estado aeróbico, 1), el organismo puedeemplear todos los tipos de metabolitos paraobtener la energía necesaria. Entre estos me-tabolitos figuran la glucosa, los ácidos grasos,los aminoácidos y todas aquellas sustanciasque ingresan al ciclo de Krebs a través de lasrutas catabólicas. En ausencia de O2 (estadoanaeróbico, 2) o en caso de que se produzcaun déficit temporario de éste (hipoxia), losmamíferos sólo pueden producir ATP si recu-rren a la descomposición de glucosa median-te glucólisis anaeróbica (1a, 1b).

En condiciones aeróbicas (parte izquierdadel gráfico), el ATP se forma casi exclusiva-mente mediante fosforilación oxidativa (6).Después de ser activados y transformados enacil-Co (2), los ácidos grasos son transporta-dos al interior de la matriz mitocondrial pormedio de la carnitina (véase p. 146). Una vezallí comienza el proceso de β-oxidación (4),por el cual los ácidos grasos son degradadosa restos de acetilo unidos a la coenzima A(CoA). En el citoplasma, la glucosa es trans-formada en piruvato mediante la glucólisis(véase p. 130) y este a su vez en acetil Co-Apor descarboxilación oxidativa (3), procesoque tiene lugar en la matriz mitocondrial. ElNADH producido en el citoplasma llega a lamatriz mitocondrial gracias al transportadormalato (véase p. 118). Los restos de acetilo seoxidan hasta formar CO2 durante el ciclo deKrebs (5). De la degradación de aminoácidosresultan asimismo restos de acetilo así comoproductos que fluyen inmediatamente alciclo de Krebs (véase p. 168 y sig.). Las coen-

zimas reducidas (NADH, QH2) son absorbidaspor las moléculas de oxígeno mediante lacadena respiratoria, proceso en el cual selibera energía química que el organismoemplea mediante un gradiente de protonespara producir ATP (6).

En condiciones anaeróbicas (parte supe-rior derecha del gráfico) el NADH y QH2 ya nopueden reoxidarse por medio de la cadenarespiratoria. Esto ocasiona que se detenga lasíntesis de ATP en las mitocondrias parali-zando incluso todo el metabolismo de lamatriz mitocondrial. Como consecuencia, la célula sólo puede producir ATP a través de laglucólisis anaeróbica. En caso de que esteproceso se lleve a cabo de manera continua,el NADH del citoplasma debe ser reoxidadoconstantemente. Para cumplir con dicha exigencia las células animales reducen elpiruvato a lactato, siempre bajo condicionesanaeróbicas, para volcarlo luego al torrentesanguíneo. Este tipo de proceso se denominafermentación. Sólo se crean 2 ATP por gluco-sa durante la producción de lactato debido aque el proceso de fermentación consumebajas cantidades de ATP.

Para calcular el número de moléculas deATP formadas en estado aeróbico es necesa-rio hacer uso del cociente P/O, es decir larelación molar entre el ATP (“P”) y las molé-culas de agua (“O”) creadas en el proceso. Deacuerdo con los estudios realizados hasta elmomento, se cree que durante la transloca-ción de dos electrones de NADH al O2 in-gresan alrededor de 10 protones al espaciointermembrana. En el caso del ubiquinol(QH2) sólo ingresan 6. La ATP-sintasa (véasep. 122) requiere aproximadamente tresmoléculas de H+ para sintetizar un ATP, por loque el cociente P/O no puede ser jamás supe-rior a 3 o 2. Como resultado se calcula que elconsumo de energía asciende hasta los 38ATP por mol de glucosa. Sin embargo, el valorreal suele ser bastante más bajo ya que elgradiente de H+ favorece el desplazamientode algunos metabolitos a la matriz mitocon-drial así como el intercambio de ATP4– porADP3– (véase p. 118). El cociente P/O real deoxidación de NADH y QH2 oscila entre 2,5 y1,5, lo que ocasiona que el consumo de ener-gía sea de aproximadamente 32 ATP por glu-cosa. De todas maneras, no se puede afirmarque éste sea un valor constante, ya quepuede adaptarse a las necesidades específi-cas del organismo a través de proteínas desa-coplantes (UCPs, véase p. 124) y otros meca-nismos.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 110


Metabolismo energético: conceptos generales 111

A. Metabolismo energético: conceptos generales

glucosaglucosa1. Aeróbico

acil-CoA piruvatopiruvato

acil-CoA

lactato

ácidos grasos

acetil-CoA

cito-plasmamatriz

espaciointermem-brana

membranaexterior

membranainterior

4 β oxidación (MM) 147 acil-CoA → n acetil-CoA p. 145 p. 145

1b glucólisis anaeróbica (CP) 131 glucosa → 2 lactato p. 139 p. 125

3 descarboxilación oxidativa (MM) 113 piruvato → acetil-CoA p. 101 p. 101

2 activación de ácidos grasos (MME) 147 ácido graso → acil-CoA p. 145 p. 145

1a glucólisis aeróbica (CP) 131 glucosa → 2 piruvato p. 139 p. 139

Proceso Nombre P. Reactivo(s)/Producto(s) Enzima(s) Regulado clave mediante

piruvato

2. Anaeróbico

6 fosforilación oxidativa (MMI) 121 NADH, ETFH2, O2, ADP → – [NAD+]/[NADH]NAD+, ETF, H2O, ATP [ADP]/[ATP]

p. 125

5 ciclo de Krebs (MM) 115 acetil-CoA→ 2 CO2 citrato citrato , NADH ,117 sintasa succinil-CoA

isoci- ADP , Ca2+ ,trato-DH ATP , NADHoxoglu- Succinil-CoA ,tarato-DH NADH

CP: citoplasma, DH: deshidrogenasa, MM: matriz mitocondrial, MME: membrana mitocondrial exterior, MMI: membrana mitocondrial interior

↓

↓↓

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 111


Oxoácido deshidrogenasasEn el metabolismo intermediario existen

diversos complejos multienzimáticos que ca-talizan la descarboxilación oxidativa de 2-oxo-ácidos y la translocación de los restos aciloresultantes a la coenzima A. La moléculaNAD+ actúa como aceptor de electrones.Entre las coenzimas que participan en estareacción se encuentran el difosfato de tiami-na, la lipoamida y el FAD. A la categoría de lasoxoácido deshidrogenasas pertenecen asimis-mo a) el complejo piruvato deshidrogenasa(PDH, piruvato → acetil-CoA), b) el complejo2-oxoglutarato deshidrogenasa del ciclo deKrebs (ODH, 2-oxoglutarato → succinil-CoA),y c) las enzimas del metabolismo catabólicode aminoácidos, como por ejemplo el com-plejo deshidrogenasa de cadena ramificada(véase p. 170)

A. Piruvato deshidrogenasa: reaccionesLa reacción piruvato-deshidrogenasa se

lleva a cabo en la matriz mitocondrial. Estecomplejo multienzimático de PDH (B) estácompuesto por tres enzimas (E1 a E3).[1] En una primera etapa la piruvato deshi-

drogenasa [E1] cataliza la descarboxila-ción de piruvato y la translocación de losrestos hidroxietilo al difosfato de tiamina(TPP). Esta misma enzima es luego laencargada de catalizar la oxidación delgrupo hidroxietilo unido al TPP y conver-tirlo en restos acetilo que son transporta-dos a su vez a la lipoamida junto con losequivalentes de reacción obtenidos.

[2] La segunda enzima, la dihidrolipoil acetil-transferasa [E2] desplaza el resto acetilode la lipoamida hacia la coenzima A, de-jando atrás el componente dihidrolipoilreducido.

[3] La tercera enzima, la dihidrolipoil deshi-drogenasa [E3] es la responsable de reoxi-dar la dihidrolipoil-lisina, proceso duran-te el cual produce NADH. El FAD unido ala enzima absorbe los electrones que sontranslocados al NAD+ diluido por mediode un puente de disulfuro de la subuni-dad de E3 (no se muestra en el gráfico)que posee un efecto catalítico. Esto sóloes posible debido a que el entorno en elque se encuentra el FAD del interior de laproteína E3 le brinda un potencial dereducción-oxidación inusualmente bajo(véase p. 13B).

Las cinco coenzimas que forman parte delmecanismo reactivo del complejo enzimáti-co se pueden unir a los componentes enzi-máticos de diferentes maneras. El difosfatode tiamina está unido en forma no covalentea E1, mientras que la lipoamida y el resto lisi-na de E2 sí se encuentran unidas de manera

covalente y el FAD se conecta a E3 comogrupo prostético. El NAD+ y la coenzima A,por el contrario, se asocian sólo temporal-mente al complejo enzimático ya que perte-necen al grupo de las coenzimas solubles.

Las relaciones espaciales entre los compo-nentes del complejo constituyen un factordeterminante de la catálisis de PDH. La coen-zima lipoamida de unión covalente es partede un dominio móvil de E2, lo que la con-vierte en una coenzima extremadamentemóvil. Durante el proceso de catálisis el bra-zo lipoamida oscila constantemente entre E1y E3, lo que le permite entrar en contactotanto con el TPP unido a E1 como con lacoenzima A diluida y el FAD, que actúa comoaceptor de electrones en E3.

B. Complejo PDH de la Escherichia coliEl complejo PDH de la bacteria Escherichia

coli ha sido objeto de numerosos estudios alo largo de los años. Tiene un diámetro supe-rior a los 30 nm, su tamaño es mayor al de unribosoma, y una masa de 5,3·106 Da. Estácompuesto por un total de 60 polipéptidos(1, 2): 24 moléculas de E2 (8 trímeros) con-forman el núcleo cubiforme. Cada una de lasseis caras de este cubo contiene dímeros decomponentes de E3 mientras que en sus 12aristas se localizan moléculas dímeras de E1.Si bien las oxoácido deshidrogenasas de losanimales tienen una estructura muy similar,el número de subunidades y la masa varíanampliamente de las de este tipo de bacterias.

Información adicional. La reacción PDH esprácticamente irreversible y se lleva a caboen un momento estratégico: entre el meta-bolismo de carbohidratos y de lípidos. Liberaademás los restos acetilo necesarios para ini-ciar el ciclo de Krebs. Es por ello que el orga-nismo regula la actividad de la PDH de ma-nera muy estricta. En las células animales, lainterconversión desempeña un papel clave(véase p. 102B). Algunas proteincinasas espe-cíficas de PDH desactivan los componentesde E1 mediante fosforilación, mientras quelas proteínas fosfatasas son las encargadas dereactivarlos. La unión de cinasas y fosfatasasal complejo PDH está regulada por metaboli-tos. Es así como la presencia de altos nivelesde concentración de acetil-CoA, por ejemplo,fomentan la unión de cinasas e inhiben lareacción, mientras que el Ca2+ aumenta laactividad de las fosfatasas. La hormona insu-lina activa el PDH impidiendo que se lleve acabo la fosforilación.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 112


Oxoácido deshidrogenasas 113

A. Piruvato deshidrogenasa: reacciones

acetil-CoA

acetil-lipoamida

acetil-CoA + CO2 + NADH + H+piruvato + NAD+ + coenzima A

hidroxialquil difosfatode tiamina

piruvato

1 Piruvato deshidro-genasa

2 Dihidrolipoil acetiltransferasa

3 Dihidrolipoil deshidrogenasa

1. 2.

B. Complejo PDH de Escherichia Coli

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM 3


Ciclo de Krebs: reaccionesEl ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico es

una ruta metabólica cíclica que tiene lugaren la matriz mitocondrial. En ocho pasos rea-liza la oxidación de restos acetilo (CH3–CO–)para producir dióxido de carbono (CO2), pro-ceso en el cual se obtienen equivalentes dereacción que son desplazados luego al NAD+

y a la ubiquinona y de éstos a la cadena res-piratoria (véase p. 120). En la página 116 sedescriben otras de las funciones del ciclo deKrebs en el metabolismo.

A. Ciclo de KrebsLa acetil-CoA constituye la principal pre-

cursora del ciclo ya que le brinda los restosacetilo necesarios. Se origina a partir de la β-oxidación de ácidos grasos (véase p. 146) yde la reacción piruvato deshidrogenasa (véasep. 112), ambos procesos se llevan a cabo en lamatriz mitocondrial.[1] En una primera etapa, la citrato sintasa

[1] cataliza la transferencia un resto ace-tilo de la acetil-CoA (véase p. 8) a la molé-cula transportadora oxalacetato. Comoresultado de esta reacción exergónica seproduce ácido cítrico de tres carbonos, deallí que el ciclo de Krebs se denominetambién ciclo del ácido cítrico.

[2] Durante la segunda reacción el citrato seisomeriza y se convierte en isocitrato(desplazamiento de un grupo hidroxilodentro de la molécula). La enzima res-ponsable es la aconitato hidratasa (“aco-nitasa” [2]), ya que durante la reacción se emplea aconitato insaturado (no semuestra en el gráfico) como productointermedio unido a una enzima. Debido alas propiedades de la aconitasa, la isome-rización transcurre de manera completa-mente estereoespecífica: a diferencia delcitrato, sustancia no quiral, el isocitratoposee dos centros quirales, es decir quepuede presentarse en cuatro formas iso-méricas diferentes. En el ciclo de Krebs seproduce, no obstante, un único estereoi-sómero, el (2R,3S)-isocitrato.

[3] Primera etapa de oxidación: la isocitratodeshidrogenasa [3] oxida el grupo hidro-xilo del isocitrato y lo convierte en grupocetona al mismo tiempo que uno de losgrupos carboxilo se divide, formandoCO2, y se producen 2-oxoglutarato (antesllamado α-cetoglutarato) y NADH.

[4] En el cuarto paso se obtiene succinil-CoAque conlleva asimismo un proceso deoxidación y uno de carboxilación. La 2-oxoglutarato deshidrogenasa [4], uncomplejo multienzimático muy similar alcomplejo fuerza catalizadora de esta reac-

ción, en la que se produce nuevamenteNADH.

[5] La posterior división del tioéster succinil-CoA en succinato y coenzima A por laacción de la tiocinasa [5] es un procesofuertemente exergónico que se emplea enla síntesis de un enlace anhídrido delácido fosfórico (“fosforilación de cadenasde sustrato”, véase p. 104). El organismo,sin embargo, no produce ATP como seríade esperar sino trifosfato de guanosina(GTP), sustancia que sólo puede ser trans-formada en ATP mediante una nucleósidodifosfato cinasa (no se muestra en el grá-fico).

[6] Por medio de las reacciones descritashasta el momento, el resto acetilo seoxida por completo hasta convertirse enCO2. Paralelamente, la molécula trans-portadora oxalacetato se reduce asimis-mo a succinato. Durante el ciclo de Krebsse llevan a cabo tres reacciones más, enlas cuales el succinato es regenerado paraproducir nuevamente oxalacetato: la suc-cinato deshidrogenasa [6] reduce el succi-nato a fumarato. A diferencia de lasdemás enzimas del ciclo de Krebs, la suc-cinato deshidrogenasa constituye unaproteína integral de la membrana mito-condrial interior. Es por ello que se la cla-sifica como complejo II de la cadena res-piratoria. La succinato deshidrogenasacontiene FAD como grupo prostético,aunque el principal aceptor de electroneses la ubiquinona.

[7] Al añadir agua a la unión doble del fuma-rato por medio de la fumarasa [7] se creael compuesto quiral (2S)-malato.

[8] En el paso final del ciclo de Krebs, elmalato se vuelve a oxidar (por acción dela malato deshidrogenasa [8]) hasta for-mar nuevamente oxalacetato, proceso enel cual se produce asimismo NADH. Secierra aquí el ciclo y comienza uno nuevo.Como el equilibrio de la reacción estádeterminado por el malato, la producciónde oxalacetato [8] depende de la reacciónexergónica [1], que rompe inmediata-mente dicho equilibrio.

A modo de balance podemos afirmar quedurante el ciclo de Krebs se transforma unresto acetilo y 2 H2O en 2 CO2. Se producen almismo tiempo 1 GTP, 3 NADH+H+ y 1 ubiqui-nona reducida (QH2). La célula genera a par-tir de estas coenzimas reducidas y por mediode fosforilación oxidativa alrededor de 9moléculas de ATP (véase p. 122), que junto alrecién formado GTP esta cifra asciende a 10ATP por grupo acetilo.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 114


Ciclo de Krebs: reacciones 115

acetil-CoA + 3 NAD+ + Q + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + 3H+ + QH2 + GTP + CoA

centro quiral

(25)-malato

cadena respiratoria

acetil-CoA

fumarato

1 Citrato sintasa

2 Aconitato hidratasa

3 Isocitrato deshidrogenasa

succinil-CoA

succinato

A. Ciclo de Krebs

oxalacetato

citrato

(2R,3S)-isocitrato

2-oxoglutarato

4 Complejo 2-oxoglutarato d2 H2Oeshidrogenasa

5 Tiocinasa

6 Succinato deshidrogenasa

7 Fumarasa

8 Malato deshidrogenasa

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 115


Ciclo de Krebs: funciones metabólicas

A. Ciclo de Krebs: funciones

El ciclo de Krebs (véase p. 114) se graficanormalmente como rueda del metabolismointermediario. Cumple funciones tanto cata-bólicas como anabólicas, es anfibólico.

Como ruta catabólica da comienzo a la“oxidación final” de los sustratos de energía.Muchas rutas metabólicas desembocan enproductos intermedios del ciclo de Krebs oliberan metabolitos tales como piruvato o acetil-CoA que pueden formar parte asi-mismo del ciclo. Una vez allí, los átomos decarbono son oxidados y transformados enCO2. Los equivalentes de reducción obtenidosson empleados luego en la fosforilación oxi-dativa, es decir para la producción aeróbicade ATP (véase p. 104). El ciclo de Krebs liberaademás componentes de las rutas anabólicas.Los productos intermedios de este ciclo seconvierten en:• Glucosa (gluconeogénesis, componentes:

oxalacetato y malato, véase p. 134),• Porfirina (componente: succinil-CoA, véa-

se p. 188),• Aminoácidos (componentes: 2-oxogluta-

rato, oxalacetato, véase p. 174),• Ácidos grasos e isoprenoides (componen-

te: citrato, véase más adelante).En las mitocondrias, los niveles de con-

centración de productos intermedios delciclo Krebs son extremadamente bajos. Sibien durante la oxidación de acetil-CoA a CO2éstos se regeneran continuamente, su nivelde concentración permanece generalmenteconstante. Las rutas metabólicas anabólicasque toman productos intermedios del ciclode Krebs (p. ej. gluconeogénesis) consumirí-an en poco tiempo las pequeñas cantidadespresentes en las mitocondrias en caso de queno ingresen más metabolitos al circuito parareemplazar a las sustancias ya consumidas.Las transformaciones que nutren al ciclo deKrebs obedeciendo a este mecanismo sondenominadas reacciones anapleróticas. Lacontrapartida está constituida por reaccio-nes catapleróticas, es decir reacciones queextraen del ciclo los metabolitos superfluos.En esta categoría se encuentran las transami-naciones, reacciones que consumen oxalace-tato y 2-oxoglutarato (véase p. 168).

La degradación de la mayoría de los ami-noácidos es de carácter anaplerótico, ya quede ella surgen intermediarios del ciclo deKrebs o piruvato (aminoácidos glucogénicos,véase p. 168). Es por ello que se puede afir-mar que este proceso constituye la base de lagluconeogénesis. Uno de los pasos anapleró-ticos más importantes del metabolismo ani-

mal consiste en la transformación de piruva-to en oxalacetato. Esta reacción consume ATPy es catalizada por medio de la piruvato car-boxilasa [4]. Así es que sustancias como losaminoácidos liberadores de piruvato y lacta-to son empleadas en el proceso de gluconeo-génesis.

La acetil-CoA, por el contrario, tiene unefecto no anaplerótico en el metabolismoanimal. En el ciclo de Krebs, el esqueleto car-bonado de la acetil-CoA se oxida por comple-to hasta convertirse en CO2, impidiendo queel organismo lo utilice en algún mecanismode biosíntesis. La única sustancia que se libe-ra durante la degradación de ácidos grasos esla acetil-CoA. Esto explica que los animalesno sean capaces de transformar los ácidosgrasos en glucosa. Es por ello, a su vez, queen períodos de ayuno el organismo utilizaprimero las proteínas y no las reservas degrasa. A diferencia de los ácidos grasos, losaminoácidos liberados en este proceso pue-den mantener constantes los niveles de glu-cosa (véase p. 378).

El ciclo de Krebs no sólo absorbe acetil-CoA resultante de la degradación de ácidosgrasos sino que también aporta el materialnecesario para la biosíntesis de ácidos grasose isoprenoides. La acetil-CoA, producida en lamatriz de las mitocondrias gracias a la acciónde la piruvato deshidrogenasa (véase p. 112),es incapaz de atravesar la membrana mito-condrial interior. Esto ocasiona que el restoacetilo y el oxalacetato se condensen pormedio de la citrato sintasa y se conviertan encitrato, que es luego expulsado de la mito-condria al tiempo que ingresa malato pormedio de un antiportador (parte derecha delgráfico, véase p. 118). Una vez en el citoplas-ma, el citrato se divide en acetil-CoA y oxala-cetato por medio de la citrato liasa [1], unaenzima que consume ATP. La malato deshi-drogenasa [2] del citoplasma reduce el oxala-cetato a malato, que es transportado deregreso al interior de la mitocondria a travésdel antiportador mencionado anteriormente.El malato también puede ser oxidado ytransformado en piruvato mediante la “enzi-ma malato” [3] en un proceso de descarboxi-lación. El NADPH resultante es utilizado asi-mismo en la biosíntesis de ácidos grasos.

Información adicional. Las plantas y bacte-rias son capaces de transformar la acetil-CoAen succinato mediante el ciclo del glioxilatopara incorporarlo luego al ciclo de Krebs. Espor ello que en estos organismos la degrada-ción de ácidos grasos tiene un efecto anaple-rótico. En las plantas esta ruta metabólicaestá localizada en orgánulos especiales lla-mados glioxisomas.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 116


Ciclo de Krebs: funciones metabólicas 117

oxalacetato PEP

Ala

CO2

Ala, Ser,Cys, Gly

piruvato

glucosa

glucógeno

piruvato

grasa

acil-CoA

acetil-CoA

citrato

oxalacetato

malato

acil-CoA

citrato

matriz mitocondrial

acil-CoA

grasa

succinato

fumarato

oxalace-tato

2-oxoglu-tarato

porfirina

isocitrato

succinil-CoA

piruvato

acetil-CoA

malato

citoplasma

1 Citrato liasa 2 Malato deshidrogenasa 3 Enzima malato 4 Piruvato carboxilasa

piruvatomalatooxalacetato

acetil-CoA

citrato

paso cataplerótico

paso anaplerótico

paso anfibólico

ruta catabólicaruta anabólica

A. Ciclo de Krebs: funciones

malato

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 117


Transporte mitocondrialLas mitocondrias están rodeadas por dos

membranas (véase p. 206). La membranaexterior contiene porina, sustancia que lahace permeable a moléculas con una masainferior a los 10 kDa (véase 206), a diferenciade la membrana interior, impermeable inclu-so frente a moléculas pequeñas (los gasescomo el O2 y el CO2 constituyen la excep-ción). Esto provoca que tanto los sustratosdel metabolismo mitocondrial como sus pro-ductos deban atravesar la mitocondria conayuda de un transportador específico. Existeun sistema de transporte especial a lo largode ambas membranas encargado de queingresen proteínas codificadas en el núcleo(véase p. 218).

A. Transporte de metabolitosLa intensidad y dirección del transporte de

metabolitos a través de la membrana mito-condrial depende de la situación metabólica.En el gráfico de la derecha se muestran diver-sos procesos de transporte que combinan losdiferentes “pools” de metabolitos del citoplas-ma y de la matriz mitocondrial en un entornocatabólico (izquierda) y anabólico (derecha).

En el citoplasma, los carbohidratos sonconvertidos en piruvato que llega a la matrizcon la ayuda del transportador monocarboxi-lato (1), mientras que el NADH lo hace indi-rectamente a través de otro tipo de transpor-tadores (3) (véase C). Los ácidos grasosingresan a la matriz en forma de acil-CoA através del transportador de carnitina (2,véase p. 146) mientras que el amino nitróge-no se incorpora principalmente en forma deglutamina y glutamato. El ATP formado en lamatriz mitocondrial es expulsado al citoplas-ma a cambio de ADP.

En situaciones anabólicas las mitocondriasexpulsan sobre todo oxalacetato y citrato, queactúan como precursores de la gluconeogéne-sis y de la biosíntesis de ácidos grasos. Lostransportadores involucrados en este procesose describen más detalladamente en B.

B. Tipos de transporteEl transporte relacionado con la hidrólisis

de ATP, es decir el transporte primario activo(véase p. 210), no resulta relevante a nivel mi-tocondrial. Los procesos de transporte sonimpulsados principalmente por el gradientede protones y el potencial de membrana a tra-vés de la membrana interna (véase p. 108). Ladistribución desigual de iones y el hecho deque la concentración de H+ en el espacio inter-membrana sea entre 10 y 100 veces mayor(véase p. 120), provoca que el potencial de lamatriz sea entre 180 y 200 mV más negativoque en el exterior de la mitocondria. Esto re-sulta favorable para todos los procesos de

transporte en los que se transfiera una carganegativa de la matriz hacia el espacio inter-membrana o carga positiva hacia la matriz.Esto se aplica por ejemplo a la ADP/ATP-trans-locasa y al transportador de tricarboxilato, tal y como se puede observar a partir de la cargade los metabolitos transportados (númerosrojos).

El piruvato producido en el citoplasma(izquierda) ingresa a la matriz mediante elantiportador a cambio de OH–. Si bien se trataaquí de un proceso electroneutral, los iones deOH– reaccionan en el espacio intermembranade manera irreversible con los iones de H+ allípresentes. Como resultado de esta reacción seproduce agua. De esta manera se mantieneconstante el gradiente de concentración deOH–. El cotransporte de fosfato y H+ medianteel transportador de fosfato es impulsado a suvez por el gradiente de protones.

C. Transportador de malato y glicerofosfato

En la membrana interna no existe ningúntransportador de NADH, por lo que éste debeingresar a la matriz indirectamente.

En el caso del transportador de malato(izquierda), activo en el corazón, hígado yriñones por ejemplo, el oxalacetato es reduci-do mediante la malato deshidrogenasa [1a]con la ayuda de NADH hasta ser transforma-do en malato. Éste ingresa a su vez a la matrizunido al antiportador a cambio de 2-oxoglu-tarato. Una vez allí, la isoenzima mitocondrialde la MDH (malato deshidrogenasa) [1b] re-genera el oxalacetato y el NADH. Este últimoes reoxidado a través de la cadena respira-toria mientras que el oxalacetato, sustanciapara la cual no existe ningún transportadoren la membrana interior, es transformado enaspartato por medio de la aspartato transa-minasa [2a]. El aspartato es expulsado nueva-mente de la matriz y libera oxalacetato en elcitoplasma para el paso [1a] y glutamato paraser así transportado una vez más a la matriz[2b]. A modo de resumen podemos afirmarentonces que el NADH se desplaza del cito-plasma hacia la matriz sin consumir ATP.

El transportador de glicerofosfato (dere-cha) se encuentra activo en la musculatura yen el cerebro de los animales superiores. Eneste proceso se emplea NADH citoplasmáticopara reducir glicerona-3-fosfato, un interme-diario de la glucólisis, a glicerol-3-fosfato [3a],que ingresa al espacio intermembrana a travésde la porina y vuelve a ser oxidado en la caraexterna de la membrana interior y convertidoa glicerona-3-fosfato mediante la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa [3b]. Los equivalentesde reducción se incorporan a la cadena respi-ratoria por medio de la ubiquinona (QQ).


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 118


Transporte mitocondrial 119

glucosa glucosa

B. Tipos de transporte

A. Transporte de metabolitos

C. Transportador de malato y glicerofosfato

ácidos grasos

aminoá-cidos

citoplasma

ácidos grasos

aminoá-cidos

piruvato

ciclo deKrebs

piruvato

ciclo deKrebs

oxala-cetato

acetil-CoA

citratocitrato

glutamato

glutamato

1. Catabólico

MMI

glutamato

glutamato

piruvato acil-CoA piruvato

oxala-cetato

1 Transportador de monocarboxilato 2 Transportador de carnitina 3 Transportador de malato 4 Transportador de tricarboxilato 5 ADP/ATP-translocasa

2. Anabólico

acil-CoAacetil-CoA

citrato malatomalato

matriz

malatocitratomalatopiruvato

transportadorde fosfato

transportador detricarboxilato

transportador dedicarboxilato

transportador demonocarboxilato

espaciointer-mem-brana

MMI

glicerona-3-fosfato

cito-plasma

oxala-cetato

malato

6 Transportador de malato y oxoglutarato 7 Transportador de aspartato y glutamato

1a, 1b Malato deshidrogenasa 2a, 2b Aspartato transaminasa 3a, 3b Glicerofosfato deshidrogenasa

glicerol-3-fosfato

oxalace-tato

cito-plasma

malato

porina

espacio inter-membrana

malato

matriz

2OG

Asp

2OG

Asp

2OG

Asp

Glu Glu Glu


glicerol-3-fosfato

glicerona-3-fosfato

1. Transportador de malato

matrizacetil-

CoA

ADP/ATP-translocasa

piruvato

2. Transportador de glicerofosfato

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 119


Cadena respiratoriaLa cadena respiratoria forma parte del pro-

ceso de fosforilación oxidativa (véase p. 110).Es la encargada de catalizar el transporteprogresivo de electrones de NADH o ubiqui-nona reducida (QH2) hacia el oxígeno mole-cular. Se trata de una reacción fuertementeexergónica (véase p. 12) debido a la grandiferencia de potencial redox entre el donan-te (NADH o QH2) y el aceptor (O2). Una granparte de la energía obtenida en este procesoes utilizada para generar un gradiente deprotones en la membrana mitocondrial inte-rior y éste, a su vez, para producir ATP a par-tir de la ATP-sintasa.

A. Componentes de la cadena respiratoria

La cadena de transporte de electrones estácompuesta por tres grandes complejos pro-teicos (complejos I, III y IV), todos éstos inte-grados en la membrana interna de la mito-condria, y dos moléculas de transferenciamóviles: ubiquinona (coenzima Q) y citocro-mo c. Pese a que pertenece en realidad alciclo de Krebs, la succinato deshidrogenasa esconsiderada el complejo II de la cadena respi-ratoria. La ATP-sintasa (véase p. 122) sueleser denominada también complejo V a pesarde que no participa en el transporte de elec-trones.

Estos complejos están compuestos pornumerosas subunidades y contienen cofacto-res redox unidos a proteínas (véanse pp. 86 y122). Entre ellas figuran la flavina (FMN o FADen los complejos I y II), los centros hierro-azu-fre (en I, II y III) y los grupos hemo (en II, III yIV). Sólo 13 de los más de 80 polipéptidos dela cadena de transporte están codificados porel genoma mitocondrial (véase p. 126). Todoslos demás son codificados en el núcleo ydeben ser trasladados a las mitocondrias trasser sintetizados en el citoplasma.

Los electrones se incorporan a la cadenade transporte a través de diferentes rutas.Durante la oxidación de NADH mediante elcomplejo I se unen a la ubiquinona (Q) pormedio de FMN y los centros Fe/S. Los electro-nes obtenidos a partir de la oxidación de suc-cinato, acil-CoA y otros sustratos se incorpo-ran por medio de la succinato deshidrogenasay otras deshidrogenasas mitocondriales a laubiquinona a través del FADH2 unido a la en-zima, y de la flavoproteína transportadora deelectrones (ETF, véase p. 146). El ubiquinoltransfiere electrones al complejo III, que lostraspasa a su vez a la pequeña proteína hemocitocromo c a través de dos grupos hemo detipo b, uno del centro Fe/S y otro del hemo c1.El citocromo c transporta los electrones al

complejo IV, la citocromo c oxidasa, que tienecomo componentes redox activos dos cen-tros de cobre (CuA y CuB) y los grupos hemo ay a3, a través de los cuales los electrones seincorporan finalmente al oxígeno. Comoresultado de la reducción de 2 electrones demedio átomo de O2 se genera, al menos for-malmente, el anión O2–, fuertemente básico,que se convierte en agua al unirse con dosprotones. La producción de un gradiente deprotones está conectada al flujo de electro-nes mediante los complejos I, III y IV (véasep. 108).

B. DisposiciónEl transporte de protones a través de los

complejos I, III y IV se lleva a cabo siguiendoun cálculo de vectores desde la matriz haciael espacio intermembrana. Si los electronesde desplazan por medio de la cadena detransporte, se produce como consecuenciaun incremento en la concentración de H+, esdecir que el pH disminuye en al menos unaunidad. Por cada molécula de H2O se bom-bean alrededor de 10 iones de H+ al espaciointermembrana. En caso de que la membra-na esté intacta, el reflujo de protones a lamatriz se puede dar únicamente por acciónde la ATP-sintasa (véase p. 122). Sobre esteprincipio se basa la relación entre el trans-porte de electrones y la producción de ATP(véase p. 124).

Como mencionamos anteriormente, loscomplejos I a V se encuentran integrados enla membrana interna de la mitocondria apesar de que no entran en contacto entre sí,ya que los electrones son transportados através de la ubiquinona y el citocromo c. De-bido a su extensa cadena lateral apolar, laubiquinona se puede desplazar librementepor la membrana, mientras que el citocro-mo c, sustancia soluble en agua, está adheri-do a la cara externa de la membrana interna.

La oxidación de NADH mediante el com-plejo I se lleva a cabo en la cara interna de lamembrana, o sea en la matriz, en donde tam-bién se localizan el ciclo de Krebs y la β-oxi-dación, los dos procesos más importantes enlos que se libera NADH. La reducción de O2 yla producción de ATP se desarrollan asimis-mo en la matriz con la ayuda de un antipor-tador. El ATP obtenido ingresa al espaciointermembrana (véase p. 118) al tiempo queéste expulsa ADP. Una vez allí, el ATP estransferido al citoplasma a través de porinas.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 120


Cadena respiratoria 121

B. Disposición

A. Componentes de la cadena respiratoria

fumarato

flujo de protones

succinato

flujo de electrones

ATP-sintasa

citocromo c12 kDa. 1 hemo

Complejo IV

citocromo c oxidasa

≈ 200 kDa, 8-13 subunidades,3 Cu, 1 hemo a, 1 hemo a3

porina

matriz

membranamitocondrialinterna


membranamitocondrialexterna

ciclo de Krebs, β-oxidación, deshidrogenasas

Complejo V

ATPasa de H+

(ATP-sintasa)

500 kDa, >20 subunidades

Complejo II

succinato deshidrogenasa

125 kDa, 4-6 subunidades, 1 FAD,3 centros hierro-azufre, 2 ubiqui-nona, 1 hemo de tipo b

Complejo I

NADH deshidrogenasa

900 kDa, 43 subunidades,

1FMN, 5-6 centros hierro-azufre

ubiquinona (coenzima Q)

Complejo III

ubiquinol-citocromoc reductasa

240 kDa (monómero), 11 sub-unidades, 2 Fe2S2, 2 hemo de tipob, 1 hemo c1

NADH + H+ + 1/2 O2 + 10 H+interior NAD+ + H2O + 10 H+

exterior + 220 kJ · mol–1

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 121


Síntesis de ATPEn la cadena respiratoria (véase p. 120) los

electrones son desplazados desde NADH oubiquinol (QH2) hacia la molécula de O2. Laenergía obtenida en este proceso se empleapara generar un gradiente de protones en lamembrana mitocondrial interna. La síntesisde ATP depende por ello de que se produzcaun reflujo de protones del espacio inter-membrana hacia la matriz.

A. Sistemas redox de la cadena respiratoria

El traspaso de electrones de NADH al oxí-geno se desarrolla de manera progresiva cir-culando a lo largo de al menos diez sistemasredox intercalados de los cuales en su mayorparte se encuentran unidos como gruposprostéticos en los complejos I, III y IV. Llamala atención la gran cantidad de coenzimasque están involucradas en el transporte deelectrones. Como se explica en la página 12,en las reacciones redox, la entalpía libre ΔG,es decir el rendimiento químico, varía única-mente de acuerdo con la diferencia de poten-cial redox entre el donante y el aceptor. Lacantidad de energía que consume una reac-ción no sufre ninguna modificación al incluirnuevos sistemas redox.

En el caso de la cadena respiratoria, la dife-rencia de los potenciales normales del donan-te (NAD+/NADH, E0’ = –0,32 V) y del aceptor(O2/H2O, E0’ = +0,82 V) corresponde a unadiferencia energética ΔG°’ superior a los200 kJ · mol–1, cantidad que se divide luego enpequeños “paquetes”, cuyo tamaño estádeterminado por la diferencia de los poten-ciales redox de cada uno de los productosintermedios. Sólo en este proceso de divisiónel organismo consume el 60% de toda la ener-gía disponible para la cadena respiratoria.

En el gráfico se pueden observar los siste-mas redox más importantes del transportemitocondrial de electrones y sus respectivospotenciales redox (valores aproximados).Estos potenciales son los responsables dedeterminar la ruta por la que circularán loselectrones, ya que los eslabones de una serieredox deben estar ordenados en sentidoascendente para que el transporte se lleve acabo de manera espontánea (véase p. 12).

En el complejo I, los electrones pasan deNADH+H+ al FMN (véase p. 86) para atravesarluego varios centros hierro-azufre (Fe/S).Estos sistemas redox sólo son estables dentrode las proteínas. Contienen, según el tipo,entre 2 y 6 iones de hierro que forman com-plejos al entrar en contacto con sulfuro inor-gánico y grupos SH de restos cisteína. La ubi-quinona (coenzima Q, véase p. 12) es un

transportador móvil que absorbe los electro-nes de los complejos I y II así como de la ETFpara incorporarlos al complejo III. Los gruposhemo y sus numerosas variantes participanasimismo del proceso de transporte de elec-trones. Los hemo de tipo b son los que com-ponen la hemoglobina (véase p. 286). Elhemo c del citocromo c se encuentra unidoen forma covalente a la proteína, mientrasque anillo tetrapirrólico del hemo a está iso-prenilizado y contiene un grupo formilo. Enel complejo IV, un ion cobre (CuB) y el hemo a3reaccionan directamente con el oxígeno.

B. ATP-sintasaLa ATP-sintasa transportadora de H+ (com-

plejo V) constituye una compleja “máquinamolecular”. La enzima está conformada pordos partes, un canal de protones (F0, “sensiblea la oligomicina”) integrado a la membrana yuna unidad catalítica (F1) que sobresale de lamatriz. La parte F0 está compuesta por docepéptidos c que tensan la membrana y la atra-viesan y una subunidad a. La “cabeza” de laparte F1 está formada por tres subunidades αy tres subunidades β, entre las cuales se loca-lizan tres centros catalíticos activos. La“base” de la estructura entre F0 y F1 está com-puesta por una subunidad γ y una subuni-dad ε. Existen asimismo dos polipéptidos, b2y δ, que forman una especie de “estátor”,encargado de fijar de manera relativa lassubunidades α y β con la parte F0.

El ciclo catalítico puede dividirse en tres fa-ses, cada una de las cuales pasa por los trescentros catalíticos activos. En la primera fasese unen el ADP y Pi, luego se forma el enlacede anhídridos y por último se divide el pro-ducto. Cuando los protones fluyen a lo largodel canal proteico F0, los tres centros activospasan al siguiente estado. Se supone que laenergía del transporte de electrones se utili-za primero en una rotación de la subunidad γque cambia en forma cíclica la conformaciónde las subunidades α y β relativamente está-ticas en la parte F0, promoviendo de estamanera la síntesis de ATP.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 122


Síntesis de ATP 123

A. Sistemas redox de la cadena respiratoria

B. ATP-sintasa

hemo a

centro Fe/S

2 hemo b

centro hierro-azufre

centro Fe/S

hemo c1

FMN/FMNH2

hemo a3

H+

exterior

espacio intermembrana

matrizH+ interior

H+

exterior

hemo a

H+ exterior

subunidad γ2. Ciclo catalítico

hemo c

1. Estructura y localización

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 123


Regulación del metabolismo energéticoLa degradación de los nutrientes y la pro-

ducción de ATP deben adaptarse continua-mente a los cambiantes requerimientos deenergía del organismo. Esto pone de mani-fiesto la necesidad de coordinar la produc-ción y el consumo de ATP ya que la cantidadtotal de coenzimas presentes en el organis-mo son insuficientes. Si bien el cuerpohumano produce alrededor de 65 kg de ATPpor día, en total contiene sólo entre 3 y 4 g denucleótidos de adenina (AMP, ADP y ATP).Esto ocasiona por lo tanto que cada molécu-la de ADP deba ser fosforilada hasta transfor-marse en ATP y desfosforilada nuevamentemiles de veces al día.

A. Control respiratorioEl control respiratorio constituye un meca-

nismo sencillo de regulación que adapta“automáticamente” la síntesis de ATP al con-sumo. Consiste en acoplar el ciclo de Krebs (1),la cadena respiratoria (2) y la síntesis de ATP(3) a través de coenzimas comunes.

Cuando la célula consume bajas cantida-des de ATP (1), la mitocondria deja práctica-mente de producir ADP. Sin el ADP la ATP-sintasa (3) no puede disminuir el gradientede protones en la membrana mitocondrialinterna, lo que inhibe a su vez el transportede electrones en la cadena respiratoria demanera tal que el NADH no puede ser reoxi-dado a NAD+. Esto provoca que aumente larelación NADH/NAD+, lo que inhibe el ciclode Krebs y afecta por ende la degradación delos sustratos AH2. Por el contrario, el incre-mento en el consumo de ATP (2) estimula ladegradación de nutrientes y la cadena respi-ratoria. Al impedir la formación de un gra-diente H+, ya sea por desacoplamiento (3,véase B) u otro fenómeno, se aceleran la oxi-dación del sustrato (1) y el transporte deelectrones (2). Durante este proceso, sinembargo, el organismo no produce ATP sinoque genera únicamente calor.

B. DesacoplantesAquellas sustancias que separan funcio-

nalmente la oxidación y la fosforilación sedenominan desacoplantes. Las proteínasdesacoplantes son las encargadas de disiparel gradiente de protones permitiendo que losiones H+ se desplacen desde el espacio inter-membrana hacia la matriz mitocondrial sinla participación de la ATP-sintasa.

Este desacoplamiento puede ser causadopor daños en la membrana interna o por com-puestos liposolubles capaces de transportarprotones a través de la membrana, como porejemplo el 2,4-dinitrofenol (1). La proteínaUCP-1 (del inglés uncoupling protein I, también

llamada “termogenina”, 2) actúa como desa-coplante natural. Es un canal iónico de lasmitocondrias del tejido adiposo pardo, presen-te en los recién nacidos y en los animales quehibernan, cuya única función consiste engenerar calor. El frío activa la lipasa sensible ahormonas [1] (véase p. 330) debido a la acciónde la noradrenalina (p. 434). La exacerbaciónde la lipólisis favorece la producción de gran-des cantidades de ácidos grasos libres en lostejidos adiposos que activan el transporte deH+ mediante la segregación de UCP-1. Estoprovoca a su vez que la descomposición deácidos grasos se lleve a cabo independiente-mente de la cantidad de ADP disponible, esdecir alcanza niveles de velocidad máxima ylibera únicamente calor. Cada vez resulta másevidente que en otras células existen asimis-mo otros tipos de proteínas UCP reguladas porhormonas como la tiroxina (véase p. 426). Asíes como controlan la producción de ATP y, enconsecuencia, el metabolismo basal.

C. Proteincinasa dependiente de AMPOtro de los mecanismos globales de regula-

ción del metabolismo energético se basa en laactividad de una determinada proteincinasa(véase p. 410) que se activa por medio del ade-nosinmonofosfato (AMP). Este mecanismoregula la actividad de las rutas anabólicas ycatabólicas en relación con la disponibilidadde ATP. Esta proteincinasa dependiente de AMP(AMPK) actúa principalmente en el hígado, losmúsculos y el sistema nervioso central.

Las rutas anabólicas y ciertos procesosendergónicos como la contracción muscularconsumen grandes cantidades de ATP,aumentando de esta manera el nivel de con-centración de ADP dentro de la célula. Alincrementarse, la adenilato cinasa [2] (véasep. 344) comienza a transformar más ADP enATP y AMP, lo que induce a su vez que seactive la AMPK, responsable de la fosforila-ción de numerosas enzimas clave del meta-bolismo intermediario (véase p. 100). Estoinhibe las rutas anabólicas que consumenATP al mismo tiempo que activa las vías cata-bólicas que lo producen. Al aumentar nueva-mente la concentración de ATP, el organismodeja de producir AMP, lo que ocasiona quedisminuya la actividad de la cinasa.

En el hígado, la AMPK favorece por ejem-plo la β-oxidación de los ácidos grasos y lacetogénesis (véase p. 318), mientras que seinhibe la biosíntesis de ácidos grasos a travésde la desactivación de la acetil-CoA carboxi-lasa (véase p. 150). En los músculos, por suparte, la AMPK fomenta, entre otros proce-sos, la absorción de glucosa al activar la pro-teína GLUT4 (véase p. 140) e inhibe la forma-ción de glucógeno.


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 124


Regulación del metabolismo energético 125

A. Control respiratorio B. Desacoplantes

2. Aumenta la necesidad de ATP

procesos endergónicos

H+

exterior

noradrenalina

espaciointermem-brana

ATP-sintasa

H+

exterior

ciclo deKrebs

ciclo deKrebs


matriz

1. 2,4-dinitrofenol

cadenarespiratoria

H+

interior


ATP-sintasa

H+

interiorcadena

respiratoria

1. Disminuye la necesidad de ATP

ácidosgrasos

frío grasa

desacoplante

H+

exterior

cadena respiratoria


ciclo de Krebs

3. Desacoplado

calor

H+

interior

rutas anabólicas,procesos endergónicos

rutas catabólicas

fosforila-ción de enzimas clave

C. Proteincinasa dependiente de AMP

UCP-1 (canal de H+)

2. UCP-1 (termogenina)

1. Lipasa sensible a hormonas

matriz

fosforila-ciónde enzimasclave

3 Proteincinasa dependiente de AMP

2 Adenilato cinasa

92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 125


Bioquímica patológicaLa mayor parte del ATP celular se genera

cuando se lleva a cabo la fosforilación oxida-tiva en las mitocondrias en contacto con oxí-geno molecular (O2) (véase p. 110). Es porello que los órganos que consumen grandescantidades de ATP (cerebro, fibras muscula-res rojas, etc.) dependen directamente deeste tipo de obtención de energía más efecti-vo y pueden verse seriamente afectados encaso de sufrir algún déficit agudo o crónicode oxígeno (hipoxia, A) o defecto en la fun-ción mitocondrial (B). Incluso una breve inte-rrupción en la irrigación de sangre oxigenada(en caso de un accidente cerebrovascular oinfarto de miocardio) puede ocasionar dañosirreversibles en el sistema nervioso central yel miocardio. Es por ello que el estudio de losprocesos bioquímicos que ocurren en la célu-la permitiría lograr grandes avances en eltratamiento de estas afecciones tan frecuen-tes.

A. HipoxiaExiste una serie de mecanismos fisiológi-

cos y bioquímicos que aseguran la irrigaciónde O2 al aumentar la demanda o disminuir sudisponibilidad. La falta transitoria de O2 secompensa de la siguiente manera (1): el pul-món aumenta la incorporación de O2 alaumentar la frecuencia respiratoria y la ven-tilación a la vez que el corazón se contraemás rápido y con más fuerza, lo que le per-mite transportar más sangre por unidad detiempo. En los eritrocitos los efectores alosté-ricos de la hemoglobina tales como el 2,3-bisfosfoglicerato (véase p. 290) se encargande que los tejidos reciban más O2. Al sufrirepisodios continuos de hipoxia a largo plazoaumenta el número de eritrocitos (hemato-crito) por acción de hormonas como la eri-tropoyetina (epo). Hoy en día se sabe que lascélulas del cuerpo cuentan asimismo conmecanismos que adaptan el metabolismo auna posible hipoxia. En este proceso resultande vital importancia los factores de trans-cripción (véase p. 240) denominados factoresinducibles por hipoxia (HIF).

El activador de genes más estudiado es elHIF-1αα que se une al DNA y favorece a travésdel mediador CBP/p300 (véase p. 243) latranscripción de genes cuyos productos sonrequeridos en condiciones de hipoxia. Entreello figuran no sólo numerosas enzimas de laglucólisis y otras rutas metabólicas, sinotambién la hormona epo productora de san-gre (véase más arriba), y algunos factores decrecimiento que mejoran la irrigación vascu-lar de los tejidos a largo plazo.

Se ha podido constatar por qué el HIF-1αse activa únicamente en condiciones de

hipoxia (2): cuando la disponibilidad de O2es normal (normoxia, izquierda), las prolil yasparaginil hidroxilasas [1] hidroxilan losrestos prolina y asparagina de HIF-1α. Cuan-do la proteína VHL se une a la proteína hidro-xilada el complejo es degradado por el prote-asoma (véase p. 162). En caso de que seproduzca un déficit de O2 (hipoxia, derecha)no existe tal hidroxilación, lo que permiteque el HIF-1α se una al factor de transcrip-ción activo.

B. Enfermedades mitocondrialesEl DNA funcional se encuentra no sólo en

el núcleo celular sino también en las mito-condrias (DNAmt, véase p. 206), aunque cabemencionar que el genoma mitocondrialrepresenta menos del 0,1% del DNA total dela célula. En el ser humano, el DNAmt estácompuesto por una hélice doble circular de16.569 pares de bases que contiene 37 genes.La mayoría de los genes codifican los RNArequeridos en la traducción y únicamente 13 proteínas que se presentan como subuni-dades de los complejos de la cadena respira-toria. Las proteínas mitocondriales restantesestán codificadas en el núcleo y deben sertransportadas a la mitocondria tras la tra-ducción.

Las enfermedades originadas a causa demutaciones del DNAmt son denominadasenfermedades mitocondriales. En la Tabla dela derecha se enumeran algunos de los tras-tornos más frecuentes. El cuadro clínico pue-de incluir desde pequeñas disfunciones hastagraves daños en los órganos que pueden ma-nifestarse incluso desde edades tempranas.Los tejidos que consumen más energía sonlos más afectados por este tipo de enferme-dades. Entre los síntomas más frecuentes seencuentran la debilidad muscular (miopatí-as) y trastornos neurológicos.

Según una teoría muy controvertida (aun-que carente de fundamentos sólidos), la cre-ciente degeneración de los órganos en edadavanzada está ocasionada por la acumula-ción de mutaciones en el genoma mitocon-drial. Las mutaciones del DNAmt son dehecho especialmente frecuentes ya que lasmitocondrias contienen, por un lado, gran-des concentraciones de “especies reactivasdel oxígeno” (ERO, véase p. 288) que favore-cen el desarrollo de mutaciones, y carecen almismo tiempo de las enzimas reparadorasde DNA (véase p. 254).


92509-03a.qxd 11/4/11 12:56 PM Page 126


92509-03a.qxd 11/4/11 12:55 PM Page 71 -...

Documents

Transcript of 92509-03a.qxd 11/4/11 12:55 PM Page 71 -...