CAPÍTULO 10: Metabolismo aerobio II: transporte de electrones y fosforilación oxidativa

Sinopsis

LA FORMA DE VIDA AEROBIA DEPENDE DE GRANDES CANTIDADES DE ENERGÍA QUE EL OXÍGENO HACE POSIBLE OBTENER. TAMBIÉN EXISTE UNA NECESIDAD DIRECTA O INDIRECTA de oxígeno, por su capacidad generadora de energía, para 1 000 reacciones bioquímicas que no pueden ocurrir en condiciones anaeróbicas. Sin embargo, se paga un alto precio por los enormes beneficios del oxígeno. La investigación ha revelado que los organismos aeróbicos desarrollaron diversos mecanismos que protegen de los productos intermediarios tóxicos del metabolismo del oxígeno. Muchas enzimas y moléculas antioxidantes previenen casi siempre la mayor parte del daño celular por la oxidación. No obstante, a pesar de esta protección existe una lesión. Ahora se sabe que los metabolitos del oxígeno contribuyen a diversos trastornos humanos, incluidos el cáncer, cardiopatías y enfermedades neurológicas.

El oxígeno posee varias características que combinadas han hecho posible un mecanismo muy favorable de extracción de la energía de las moléculas orgánicas. En primer lugar, el oxígeno se encuentra en todas partes en la superficie de la Tierra. Por el contrario, la mayoría de los demás aceptores de electrones son relativamente escasos. En segundo lugar, el oxígeno se difunde con facilidad a través de las membranas celulares. Esto no ocurre con muchos otros aceptores de electrones. Por ejemplo, las especies cargadas (como el sulfato y el nitrato) no difunden con facilidad a través de las membranas celulares. Por último, su estructura birradical le permite aceptar electrones sin problemas. Esta capacidad es causal de otra propiedad del oxígeno, su tendencia a formar metabolitos con gran capacidad de destrucción llamados especies reactivas de oxígeno (ROS).

En este capítulo se describen los principios básicos de la fosforilación oxidativa, el mecanismo complejo mediante el cual las células aerobias fabrican ATP. La discusión comienza con un estudio del sistema de transporte electrónico en el que coenzimas reducidas ceden los electrones a la cadena de transporte de electrones (ETC, por sus siglas en inglés). Ésta consiste en un conjunto de transportadores de electrones localizados en la membrana interna de las mitocondrias de los organismos eucariotas y en la membrana plasmática de las células procariotas aerobias. A continuación se realiza una descripción de la quimiósmosis, el medio por el cual la energía extraída del flujo de electrones se captura y se usa para sintetizar ATP. Este capítulo 10 finaliza con una consideración de la formación de los productos tóxicos del oxígeno y de las estrategias que utilizan las células para protegerse.

La cadena de transporte de electrones (ETC) mitocondrial, que también se denomina sistema de transporte de electrones, es un conjunto de portadores o acarreadores de electrones situados en la membrana interna, en orden creciente de afinidad electrónica; son estas moléculas las que transfieren los electrones que proceden de las coenzimas reducidas al oxígeno. Durante esta transferencia se produce una disminución del potencial de oxidación-reducción (ΔE°′). Cuando el donador de electrones es el NADH y el oxígeno es el aceptor de electrones, el cambio en el potencial de reducción estándar es de +1.14 V [p. ej., +0.82 V − (−0.32 V), véase el cuadro 9.1]. La energía que se libera durante la transferencia de electrones se acopla a varios procesos endergónicos, de los que el más importante es la síntesis de ATP. Otros procesos inducidos por el transporte de electrones es el bombeo de Ca²⁺ al interior de la matriz mitocondrial y la generación de calor en el tejido adiposo marrón (que se describe en la pág. 326). Las coenzimas reducidas que proceden de la glucólisis, del ciclo del ácido cítrico y de la oxidación de los ácidos grasos, son las principales fuentes de electrones.

Transporte de electrones y sus componentes

Los componentes de la ETC de los organismos eucariotas se encuentran en la membrana interna mitocondrial (fig. 10.1) organizados en cuatro complejos. Cada uno de estos complejos, los cuales funcionan como enzimas oxidorreductasas, consta de varias proteínas y grupos prostéticos. A continuación se describen brevemente las propiedades estructurales y características funcionales de cada complejo, al igual que las funciones de la coenzima Q (ubiquinona, UQ) y de los citocromos. En la figura 10.1 se resume el flujo de electrones en la ETC.

El complejo I, también denominado complejo NADH deshidrogenasa, cataliza la transferencia de electrones del NADH a la UQ. Es el componente proteínico más grande de la membrana interna. Por ejemplo, la enzima mitocondrial del corazón bovino tiene al menos 45 subunidades. Además de una molécula de mononucleótido de flavina (FMN), el complejo contiene siete centros hierro-azufre (fig. 10.2). Dichos centros, que pueden constar de dos o cuatro átomos de hierro que forman complejos con un número igual de iones sulfuro, son intermediarios en reacciones de transferencia de un solo electrón. Las proteínas que contienen centros hierro-azufre se denominan también ferroproteínas no hémicas. Aunque la estructura y la función del complejo I aún no se comprenden bien del todo, se cree que el NADH primero reduce al FMN a FMNH₂. A continuación se transfieren los electrones de uno en uno del FMNH₂ a un centro hierro-azufre. Después de ser transferidos de un centro hierro-azufre a otro, cada electrón es eventualmente cedido a la UQ, un transportador de electrones liposoluble móvil capaz de aceptar y donar electrones, uno a la vez (fig. 10.3).

En la figura 10.4 se presenta la transferencia de electrones a través del complejo I. El transporte de electrones va acompañado por el movimiento neto de protones desde la matriz a través de la membrana interna al interior del espacio intermembranal. Se discutirá el significado de este fenómeno en la síntesis del ATP.

El complejo de la succinato deshidrogenasa (complejo II), también llamado succinato ubiquinol reductasa, consiste en cuatro subunidades proteínicas. Hay que recordar que tanto ShdA, una flavoproteína con un sitio de unión para succinato y un FAD unido por enlace covalente, así como ShdB, una ferrosulfoproteína con tres centros de hierro-azufre, se extienden hasta la matriz. Las subunidades C y D son proteínas integrales de la membrana. El sitio de unión hidrófobo para la UQ está en una hendidura alineada con las cadenas laterales de ShdC y ShdD. El dímero CD también contiene un sitio de unión para el grupo hemo. La función del grupo hemo es suprimir la fuga electrónica del complejo II, un proceso que puede conducir a la formación de radicales de oxígeno.

El complejo II media la transferencia de electrones del succinato a la UQ. Después de la reducción del FAD (en la oxidación del ciclo del ácido cítrico del intermediario succinato), sus electrones se transfieren a una serie de tres centros de hierro-azufre y luego a la UQ. A diferencia de otros complejos de la ETC, la succinato deshidrogenasa no transloca los protones de la matriz al espacio de la membrana interna. Otras flavoproteínas también ceden electrones a la UQ (fig. 10.5). En algunos tipos celulares, la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, una enzima localizada en la superficie externa de la membrana mitocondrial interna, transfiere electrones del NADH citoplásmico a la ETC. La acil-CoA deshidrogenasa, la primera enzima de la oxidación de los ácidos grasos (cap. 12), transfiere los electrones a la UQ desde el lado de la matriz de la membrana interna.

El complejo III, también llamado complejo del citocromo bc1, es un dímero en donde cada monómero contiene 11 subunidades. Entre éstas están tres citocromos (cit b_L, cit b_H y cit c₁) y un centro hierro-azufre. Los citocromos son un conjunto de proteínas transportadoras de electrones que contienen un grupo prostético hemo semejante al que contiene la hemoglobina y la mioglobina. Los electrones son transferidos por citocromos uno a la vez en asociación con un cambio reversible en el estado de oxidación de un hierro hem (p. ej., entre un hierro reducido Fe²⁺ y uno oxidado Fe³⁺). La función del complejo III es transferir electrones de la coenzima Q reducida (UQH₂) a una proteína llamada citocromo c (cit c). El citocromo c (fig. 10.6) es un transportador móvil de electrones unido de manera laxa a la cara externa de la membrana interna mitocondrial.

El paso de electrones a través del complejo III (fig. 10.7), conocido como ciclo Q, es complicado. Sin embargo, la reacción global del proceso en que cada UQH₂ dona dos electrones al citocromo c (cit c) es directa:

Durante el ciclo Q, las moléculas de coenzima Q se difunden dentro de la membrana interna entre los donadores de electrones de los complejos I o II y el aceptor del complejo III. La UQH₂ dona sus dos electrones, uno a la vez. Uno se desplaza a la proteína Fe-S (o ferredoxina), que lo transfiere al cit c₁, y subsecuentemente, al cit c (fig. 10.7a). Los productos de esta transferencia son $UQ•¯$ y dos protones de UQH₂ que son transferidos al espacio intermembranal. Luego, $UQ•¯$ transfiere su segundo electrón, primero a cit b_L y luego a cit b_H. El producto de la primera etapa en el ciclo Q es UQ, con la transferencia de un electrón al cit c y el segundo electrón al cit b_H; dos protones son tranferidos al espacio intermembranal. La segunda etapa del ciclo Q involucra una segunda molécula de UQH₂, la cual transfiere un electrón al cit c de la misma manera que en la primera etapa. Luego, el producto $UQ•¯$ acepta el electrón de cit b_H y dos protones de la matriz mitocondrial para formar UQH₂. El efecto neto es que dos electrones y cuatro protones alimentan el espacio intermembranal del lado de la membrana interna para oxidar el cit c y contribuir al gradiente de protones. Se forman una molécula de UQ y una de UQH₂ dentro de la membrana con dos protones aportados por la matriz mitocondrial.

La citocromo oxidasa (complejo IV) es un complejo proteínico que cataliza la reducción de cuatro electrones de O₂ para formar H₂O. El complejo transmembranal (fig. 10.8) de los mamíferos contiene 13 subunidades, dependiendo de la especie. El complejo IV contiene los citocromos a y a₃ y tres iones cobre. Dos de éstos forman Cu_A/Cu_A, un centro binuclear Cu-Cu; el hem a₃ y el Cu_B forman un centro binuclear Fe-Cu. Ambos centros aceptan electrones, uno a la vez. Los electrones fluyen del citocromo c al Cu_A/Cu_A, luego al citocromo a, de aquí a a₃-Cu_B y por último a O₂. Cuatro protones y cuatro electrones son impulsados a través del complejo IV desde la cara externa de la membrana mitocondrial interna hasta la matriz para su entrega al dioxígeno unido al citocromo a₃-Fe(II). Se forman dos moléculas de agua, que salen del sitio:

En el complejo IV y cit c hay sitios de unión de ATP reguladores. Cuando la concentración de ATP es alta, el ATP actúa como inhibidor alostérico, se une a estos sitios y causa un decremento en la actividad del transporte de electrones.

La oxidación del NADH resulta en la liberación de una cantidad sustancial de energía, determinada por un decremento en los potenciales de reducción (ΔE°′), en la medida en que los electrones fluyen por los complejos I, III y IV (fig. 10.9). Se sintetizan aproximadamente 2.5 moléculas de ATP por cada par de electrones que se transfieren entre el NADH y el O₂ en la ETC. De la transferencia de cada par donado por el FADH₂ que se produce en la oxidación del succinato resultan alrededor de 1.5 moléculas de ATP. El mecanismo por el cual la síntesis de ATP se acopla con el transporte de electrones, el gradiente de protones, se describe en el siguiente capítulo. Los componentes de la ETC se resumen en el cuadro 10.1.

Transporte de electrones: los modelos del estado fluido y del estado sólido

El modelo del estado fluido ha sido la idea convencional del transporte de electrones mitocondrial por varias décadas. Basado en parte en la extracción experimental y purificación de los cuatro complejos ETC en su forma enzimática activa, el modelo del estado fluido describe la transferencia de electrones entre los componentes de ETC. La transferencia de electrones se ve como resultado de las colisiones aleatorias entre los complejos ETC y los acarreadores móviles de electrones como la UQ y el cit c. Sin embargo, en la última década ha surgido evidencia significativa que apoya en cambio una organización en estado sólido para el proceso del transporte de electrones. Como resultado de los métodos más suaves de extracción y purificación, se han aislado e identificado varios supercomplejos formados por combinaciones de complejos I, III y IV (p. ej., I, III y III, IV_1-4, pero no el complejo II). El supercomplejo I, III₂, IV_1-2 se ha encontrado en varios animales, plantas y hongos. Ahora conocido como respirasoma, se cree que es la unidad respiratoria funcional porque es la versión más activa y estable del ETC. (El símbolo III₂ representa el dímero del complejo III.)

Según el modelo del estado sólido, la transferencia de electrones es eficiente dadas las cortas distancias de difusión de los transportadores de electrones móviles. Los estudios estructurales del supercomplejo bovino cardiaco I, III₂, IV indican que los sitios de unión de los transportadores de electrones móviles de los complejos ETC están muy próximos entre sí. Por ejemplo, el sitio de unión UQ en el complejo I está directamente frente al sitio de unión del complejo III para la UQ reducida. Otra característica de la membrana mitocondrial interna también apoya el modelo del estado sólido. Esta membrana tiene una densidad excepcional de proteínas (una relación de 75%/25% proteína/lípido). Por consiguiente, el movimiento aleatorio de proteínas, como se considera en el modelo en estado fluido, está limitado por los múltiples pliegues de la membrana interna.

Inhibidores del transporte de electrones

Varias moléculas inhiben de forma específica el proceso de transporte de electrones (fig. 10.10). Los inhibidores han sido muy valiosos para determinar el orden correcto de los componentes de la ETC cuando se han utilizado junto con las medidas del potencial de reducción. En estos experimentos se determina el transporte de electrones con un electrodo de oxígeno. (El consumo de oxígeno es una medida sensible del transporte de electrones.) Cuando se inhibe el transporte de electrones, el consumo de oxígeno se reduce o se elimina. Los componentes oxidados de la ETC se acumulan en el lado reductor de oxígeno del sitio de la inhibición. Los componentes reducidos de la ETC se acumulan en el lado contrario al del oxígeno del sitio de la inhibición. Por ejemplo, la antimicina A inhibe al cit b en el complejo III. Si se añade este inhibidor a una suspensión de mitocondrias, quedan más reducidas las moléculas de NAD⁺, las flavinas y el cit b. Los citocromos c₁, c y a quedan más oxidados. Otros ejemplos destacados de inhibidores de la ETC son la rotenona y el amital, que inhiben a la NADH deshidrogenasa (complejo I). El monóxido de carbono (CO), la azida $(N3−)$ y el cianuro (CN⁻) inhiben la citocromo oxidasa.

La fosforilación oxidativa, proceso en el que la energía generada mediante la ETC se conserva por la fosforilación del ADP para producir ATP, se explica por la teoría de acoplamiento quimiosmótica propuesta por Peter Mitchell en 1961. En la quimiósmosis, la energía liberada por el transporte de electrones genera un gradiente electroquímico a través de una membrana, que a su vez impulsa la síntesis de ATP.

Teoría quimiosmótica

La teoría quimiosmótica de acoplamiento tiene las siguientes características:

1. Al pasar los electrones a través de la ETC se transportan protones desde la matriz y se liberan en el espacio intermembranal. Como consecuencia, se crea un potencial eléctrico ψ y un gradiente de protones ΔpH a través de la membrana interna. El gradiente electroquímico de protones se denomina algunas veces como la fuerza protón motriz Δp.

2. Los protones, que se encuentran en grandes cantidades en el espacio intermembranal como resultado de la actividad de la ETC, pueden pasar a través de la membrana interna y volver a la matriz a favor de su gradiente de concentración sólo a través de conductos especiales. (La membrana interna es en sí misma impermeable a los iones como son los protones.) El ATP se sintetiza a partir de ADP y P_i mediante una máquina molecular llamada ATP sintasa. También se conoce como complejo V, el cual contiene un canal de protones. La síntesis de ATP se produce como resultado de las condiciones termodinámicas favorables que produce el flujo de protones a través del canal.

Mitchell uso el término quimiosmótico para destacar que las reacciones químicas pueden acoplarse a los gradientes osmóticos. En la figura 10.11 se da una visión general del modelo quimioosmótico tal y como funciona en las mitocondrias.

Entre los ejemplos de las pruebas que respaldan la teoría quimiosmótica se encuentran los siguientes:

1. Las mitocondrias que respiran de forma activa expulsan protones. El pH de una suspensión de mitocondrias débilmente amortiguada medido con un electrodo cae cuando se añade O₂. El gradiente de pH típico a través de la membrana interna es aproximadamente 0.05 unidades de pH.

2. La síntesis de ATP se interrumpe cuando la membrana interna se rompe. Por ejemplo, aunque el transporte de electrones continúe, la síntesis de ATP se detiene en mitocondrias colocadas en una solución hipertónica. El hinchamiento de las mitocondrias hace que se pierdan protones a través de la membrana interna.

3. Diversas moléculas que inhiben la síntesis de ATP disipan de forma específica el gradiente de protones (fig. 10.12). Según la teoría quimiosmótica, un gradiente de protones interrumpido disipa la energía que procede de las moléculas de los alimentos en forma de calor. Los desacoplantes, como el dinitrofenol, colapsan el gradiente de protones igualando la concentración de protones a ambos lados de las membranas. (Conforme se difunden a través de la membrana, los desacoplantes toman protones de un lado y los liberan en el otro.) Los ionóforos son moléculas hidrófobas que disipan los gradientes osmóticos al insertarse a sí mismos en la membrana y formar canales. Por ejemplo, la gramicidina es un antibiótico que forma un canal en las membranas por el que pasan H⁺, K⁺ y Na⁺.

Los gradientes de protones que generan los sistemas de transporte electrónico se disipan con dos fines generales: el ATP se sintetiza al fluir los protones a través de la ATP sintasa y la pérdida regulada de protones impulsa otras clases de trabajo biológico. Los ejemplos incluyen generación de calor y transporte de sustancias como el fosfato y los nucleótidos de adenina ADP y ATP a través de la membrana interna. En la siguiente sección se describe la síntesis de ATP y su regulación dentro de las mitocondrias seguido de una breve visión general de la generación de energía a partir de la glucosa. La sección 10.2 finaliza con una discusión sobre la termogénesis hormonodependiente, un mecanismo en el que el gradiente mitocondrial de protones de determinadas células animales regula la temperatura corporal.

Síntesis de ATP

Los primeros estudios de microscopia electrónica descubrieron la presencia de numerosas estructuras con forma de paleta de caramelo tachonando la superficie interna de la membrana interna (fig. 10.13). Los experimentos que comenzaron en los primeros años de la década de 1960 descubrieron que cada estructura en forma de paleta es una ATP sintasa que transloca protones. En estas investigaciones se emplearon partículas submitocondriales (SMP), que son pequeñas vesículas membranosas que se forman al someter a las mitocondrias a sonicación. Estudios posteriores demostraron que la ATP sintasa (fig. 10.14) está formada por dos componentes principales. La unidad F₁, la ATPasa activa, posee cinco subunidades diferentes que se presentan en la proporción α₃: β₃: γ : δ: ∊. Existen tres sitios catalíticos de unión a nucleótidos en la F₁. La unidad F₀, un canal transmembranal para los protones, posee tres subunidades presentes en la siguiente proporción: a: b₂: c_10-12. La subunidad F₀ recibe ese nombre porque su función se inhibe por la oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, un grupo de bacterias grampositivas. La oligomicina bloquea el canal de protones cuando se une con la subunidad a.

La ATP sintasa consta de dos rotores (motores giratorios) unidos entre sí por un estator (componente estacionario de un motor) resistente y flexible. En los organismos que respiran, el motor F₀ convierte la fuerza protón motriz en una fuerza rotatoria que impulsa la síntesis de ATP catalizada por la unidad F₁. El componente giratorio, el anillo c (formado a partir de las subunidades c), que está unido a un eje central constituido por las subunidades ∊ y γ, gira dentro del hexámero α,β de la unidad F₁. El estator (las subunidades b y δ) impide que el hexámero α,β gire.

La síntesis de cada ATP requiere de translocar tres protones a través de la ATP sintasa. (Se requiere la transferencia de otro protón para el transporte de ATP y de OH⁻ fuera de la matriz a cambio de ADP y de P_i.) Cuando los protones fluyen por la F₀, la rotación del conducto de protones (c₁₂, también llamado anillo c) se transmite a la subunidad γ que se proyecta en el núcleo de la unidad F₁. La rotación del eje central lo coloca en tres posiciones posibles respecto a cada dímero α,β. En efecto, la fuerza protón motriz induce tres rotaciones secuenciales de 120° del hexámero α,β. Conforme procede la rotación, cada uno de los tres sitios de unión a nucleótidos experimenta una serie de cambios conformacionales que dan por resultado la síntesis de ATP. En determinadas circunstancias (p. ej., en el caso de E. coli en condiciones anaerobias y de bacterias que fermentan ácido láctico) la unidad F₁, actuando como motor, trabaja en el sentido opuesto, de modo que se hidroliza ATP. Como resultado, los protones se bombean hacia afuera. El gradiente de protones hacia afuera se usa entonces para realizar trabajo celular, como es la rotación de flagelos y el transporte de nutrimentos.

El mecanismo de la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa es el siguiente. En la unidad F₀ cada subunidad c del anillo c consta de dos hélices transmembrana antiparalelas. La hélice del C-terminal de las subunidades c contiene un residuo esencial de aspartato que con la protonación causa un movimiento giratorio, el cual a su vez induce la rotación de toda la subunidad. La desprotonación de este residuo hace que la hélice del C-terminal vuelva a su conformación original. Los protones entran en el anillo c a través de un canal en la subunidad α. Al final de este canal, en la interfaz de la subunidad α y la subunidad proximal c, un residuo básico (Arg) transfiere el protón entrante al residuo de Asp en la subunidad c. Como resultado de la rotación de la subunidad c, se desplaza de la subunidad α. Cuando el siguiente protón pasa por el canal de la subunidad α, el proceso se repite. El efecto neto es la rotación del anillo c en sentido contrario al de las manecillas del reloj (visto desde la membrana). La desprotonación ocurre cuando cada subunidad c llega al conducto de la subunidad α y el protón sale hacia la matriz mitocondrial. La fuerza de torsión generada por la rotación de la subunidad c hace que el eje central asimétrico (constituido por las subunidades ∊ y γ) gire en una camisa dentro del hexámero α,β. Los sitios catalíticos del hexámero α,β están en las subunidades β. Se encuentran en tres conformaciones en términos de afinidad por los ligandos de nucleótido de adenina: abierta (O) (inactiva con baja afinidad), apretada (T) (activa con alta afinidad) y laxa (L) (también inactiva) (fig. 10.15). La interconversión entre estas conformaciones es causada por interacción con la subunidad γ giratoria. Ocurren básicamente tres pasos en el proceso de síntesis de ATP: 1) ADP y P_i se unen a un sitio L, 2) se sintetiza ATP cuando la conformación L se transforma en una T, y 3) se libera ATP cuando la conformación T se convierte en O. Conforme la subunidad γ gira e interactúa de manera secuencial con cada subunidad β, cada sitio activo es forzado a pasar por las conformaciones O, T y L.

Control de la fosforilación oxidativa

El control de la fosforilación oxidativa permite a las células adaptarse a los requerimientos siempre fluctuantes de energía. Recuérdese que en circunstancias normales el transporte de electrones y la síntesis de ATP están estrechamente acopladas. El valor del cociente P/O (el número de moles de P_i que se consumen para que se reduzca cada átomo de oxígeno a H₂O) refleja el grado de acoplamiento que se observa entre el transporte de electrones y la síntesis de ATP. El cociente máximo medido para la oxidación del NADH es 2.5. El cociente P/O máximo para el FADH₂ es 1.5. Cuando se les proporciona a las mitocondrias aisladas un sustrato oxidable (p. ej., succinato), todo el ADP se convierte al final en ATP. En este punto disminuye en gran medida el consumo de oxígeno. Éste aumenta de manera considerable cuando se suministra ADP. El control de la respiración aerobia mediante el ADP se denomina control respiratorio.

La formación de ATP parece estar fuertemente relacionada con el cociente de acción de masas del ATP ([ATP]/[ADP][P_i]). En otras palabras, la ATP sintasa se inhibe por una concentración elevada de su producto (ATP) y se activa cuando las concentraciones de ADP y Pi son altas. Las cantidades relativas de ATP y de ADP dentro de las mitocondrias están controladas en gran medida por las dos proteínas de transporte de la membrana interna: el translocador de ADP-ATP y el transportador de fosfato. El translocador de ADP-ATP (fig. 10.16) es una proteína dimérica causal del intercambio 1:1 del ATP intramitocondrial por el ADP producido en el citoplasma. Como se describió antes, existe una diferencia de potencial a través de la membrana mitocondrial interna (negativo en el interior). Dado que las moléculas de ATP tienen una carga negativa más que las moléculas de ADP, está favorecido el transporte hacia afuera del ATP y el transporte hacia adentro del ADP. El transporte de H₂PO₄₋ junto con un protón se produce por medio de la translocasa de fosfato, que también se denomina simportador (cotransportador unidireccional) de $H2PO4−/H+.$ (Los cotransportadores unidireccionales son proteínas de transporte transmembrana que mueven los solutos a través de la membrana en la misma dirección. Véase la sección 11.2, donde se consideran los mecanismos de transporte de membrana.) Se requiere del transporte, hacia la matriz, de 4 protones para la síntesis de cada molécula de ATP: 3 para impulsar el rotor de la ATP sintasa y de 1 para impulsar el transporte de fosfato hacia el interior.

Oxidación total de la glucosa

En el cuadro 10.2 se resume el origen de las moléculas de ATP que se producen a partir de una molécula de glucosa. En el capítulo 12 se considera la producción de ATP a partir de los ácidos grasos, la otra fuente importante de energía. Recuérdese que durante la glucólisis se producen dos moléculas de NADH. Cuando se dispone de oxígeno, es preferible la oxidación de NADH por medio de la ETC (en términos de producción de energía) a la formación de lactato. Sin embargo, la membrana mitocondrial interna es impermeable a las moléculas de NADH. Las células animales han generado varios mecanismos de lanzadera para transferir los electrones desde el NADH del citoplasma a la ETC mitocondrial. Los ejemplos más destacados son la lanzadera del fosfato de glicerol y la lanzadera de malato-aspartato.

En la lanzadera del fosfato de glicerol (fig. 10.17a), el fosfato de dihidroxiacetona (DHAP), un intermediario glucolítico, se reduce por el NADH para formar glicerol-3-fosfato. Tras esta reacción se produce la oxidación del glicerol-3-fosfato a través de la deshidrogenasa de glicerol-3-fosfato mitocondrial. (La enzima mitocondrial utiliza el FAD como aceptor de electrones.) Dado que el glicerol-3-fosfato interactúa con la enzima mitocondrial sobre la superficie externa de la membrana interna, el sustrato realmente no entra en la matriz. El FADH₂ que se produce en esta reacción se oxida más adelante en la ETC. El FAD como aceptor de electrones sólo produce 1.5 ATP por molécula de NADH citoplásmico.

Aunque la lanzadera de malato-aspartato (fig. 10.17b) es un mecanismo más complicado que el de la lanzadera del fosfato del glicerol, es más eficaz en términos energéticos. La lanzadera comienza con la reducción del oxaloacetato citoplásmico a malato por medio del NADH. Tras su transporte a la matriz mitocondrial, el malato se reoxida. Entonces el NADH que se produce se oxida a través de la ETC. Para que continúe la lanzadera, el oxaloacetato debe volver al citoplasma. Debido a que la membrana interna es impermeable al oxaloacetato, éste se convierte en aspartato en una reacción de transaminación (cap. 14) en la que participa el glutamato.

El aspartato se transporta al citoplasma por un intercambio con el glutamato (a través de la proteína de transporte glutamato-aspartato), donde puede convertirse en oxaloacetato. El α-cetoglutarato se transporta al citoplasma a cambio del malato (por medio de la proteína de transporte malato-α-cetoglutarato), donde puede convertirse en glutamato. El transportador glutamato-aspartato requiere el movimiento de un protón a la matriz. Por lo tanto, la síntesis neta de ATP utilizando este mecanismo es un tanto más reducida. En lugar de generar 2.5 moléculas de ATP por cada molécula de NADH, el rendimiento es cercano a 2.25 moléculas de ATP.

Queda aún una última cuestión relacionada con la síntesis de ATP a partir de la glucosa. Recuérdese que se producen dos moléculas de ATP en el ciclo del ácido cítrico (a partir de GTP). El precio de su transporte al citoplasma, donde se utilizará, es la captación de dos protones dentro de la matriz. Por lo tanto, la cantidad total de ATP que se produce a partir de una molécula de glucosa se reduce en 0.5 moléculas de ATP.

Dependiendo de la lanzadera que se utilice, el número total de moléculas de ATP que produce cada molécula de glucosa varía (poco más o menos) desde 29.5 a 31. Suponiendo que la cantidad promedio de ATP que se produce es de 30 moléculas, la reacción neta de la oxidación total de la glucosa es la siguiente:

El número de moléculas de ATP que se genera durante la oxidación total de la glucosa contrasta en gran medida con las dos moléculas de ATP que se forman a través de la glucólisis. Es evidente que los organismos que utilizan el oxígeno para oxidar la glucosa tienen una ventaja sustancial.

Transporte de electrones desacoplado

Determinadas proteínas, llamadas proteínas desacoplantes, disipan en parte la energía oxidativa al reubicar protones a través de la membrana mitocondrial interna sin requerir la síntesis de ATP. La proteína desacoplante 1 (UCP1), el ejemplo mejor caracterizado, es un dímero que forma un canal de protones. La UCP1, también llamada termogenina, se encuentra sólo en las mitocondrias de la grasa parda, una forma especializada de tejido adiposo presente en los neonatos humanos (en los que ayuda a estabilizar la temperatura corporal) y en mamíferos que hibernan (en los que calienta sus cuerpos al final del invierno). (El color característico del tejido adiposo pardo se debe al gran número de mitocondrias que contiene.) Las funciones de UCP₂ y UCP₃, que se localizan en diversos tejidos, aún se desconocen.

La UCP1, que constituye alrededor del 10% de las proteínas de la membrana mitocondrial interna, se activa cuando se une a ácidos grasos. Durante la reducción del gradiente de protones por la UCP1, la energía capturada en el transporte de electrones se disipa en forma de calor. El proceso completo de generación de calor por medio de la grasa parda, que se denomina termogénesis hormonodependiente, está regulado por la norepinefrina. (En la termogénesis hormonodependiente se produce calor por la contracción muscular involuntaria.) Esta hormona, un neurotransmisor liberado por neuronas especializadas que terminan en el tejido adiposo pardo, inicia un mecanismo en cascada que en última instancia hidroliza las moléculas de grasa. Los ácidos grasos producto de la hidrólisis de las grasas activan la proteína desacoplante. La oxidación de los ácidos grasos continúa hasta que termina la señal de la norepinefrina o hasta que se agotan las reservas de grasa de la célula.

Todos los procesos vitales ocurren en un ambiente redox que puede definirse como la suma del potencial de reducción y la capacidad reductora de pares redox relacionados como NAD(P)H/NAD(P)⁺ y GSH/GSSG (formas reducida y oxidada, respectivamente, del glutatión, un agente reductor celular clave). El “estado redox” de cada célula se regula dentro de un margen estrecho debido a la naturaleza sensible a los procesos de oxidación-reducción de muchas vías metabólicas y de señalización. Estos procesos contienen numerosas proteínas cuyas propiedades funcionales (activación y desactivación) cambian cuando se altera el estado redox de tioles (grupos−SH) críticos. Por ejemplo, la oxidación de grupos sulfhidrilo en proteínas para formar los ácidos sulfénico (R-SOH), sulfínico (R-SO₂H) y sulfónico (R-SO₃H) puede cambiar las propiedades funcionales de estas moléculas. Es evidente que ocurren cambios redox limitados durante determinados procesos celulares normales. Por ejemplo, el citoplasma de células que experimentan división celular se hace más reducido, mientras que el de células diferenciadas se hace más oxidado, en términos relativos. Los compartimentos intracelulares también tienen condiciones redox distintivas. El núcleo y las mitocondrias están más reducidos que el citoplasma (el cociente GSH/GSSG es alto) y el ER está más oxidado (el cociente GSH/GSSG es bajo).

La regulación redox es de fundamental importancia debido a la naturaleza del oxígeno molecular. Como se mencionó antes, las ventajas del uso del oxígeno están ligadas a una condición peligrosa: el oxígeno puede aceptar electrones individuales para formar derivados inestables, que se denominan especies reactivas del oxígeno (ROS). Entre los ejemplos de las ROS se encuentran el radical superóxido, el peróxido de hidrógeno, el radical hidroxilo y el oxígeno singulete. Debido a que las ROS son tan reactivas, cuando se forman en cantidades significativas pueden dañar a las células. En los seres vivos, la formación de ROS suele mantenerse en un mínimo gracias a los mecanismos antioxidantes de defensa. Los antioxidantes son sustancias que reaccionan con las ROS con mayor facilidad que con biomoléculas críticas y, por tanto, mitigan los efectos dañinos a los tejidos de estos subproductos metabólicos muy reactivos. A pesar de sus propiedades potencialmente tóxicas, las ROS funcionan, en cantidades pequeñas, como señalizadores celulares al modificar el estado redox de proteínas diana como las enzimas metabólicas, los componentes citoesqueléticos, las proteínas reguladoras del ciclo celular, los factores de transcripción y los reguladores de la traducción. Su tamaño diminuto, su fácil difusión y su vida media breve les permiten a las ROS, en cantidades controladas, actuar como importantes integradores del funcionamiento celular.

En determinadas condiciones, que en conjunto se denominan estrés oxidativo, los mecanismos antioxidantes son superados y puede producirse algún daño. El daño es consecuencia en primera instancia de la inactivación enzimática, de la despolimerización de polisacáridos, de la degradación del DNA y de la destrucción de las membranas. Entre las circunstancias que pueden producir daño oxidativo grave se encuentran las infecciones, los procesos inflamatorios, determinadas anomalías metabólicas, el consumo excesivo de ciertos fármacos, la exposición a una radiación intensa, o el contacto frecuente con determinados contaminantes ambientales (p. ej., el humo del tabaco). Además de contribuir con el proceso de envejecimiento, el daño oxidativo se ha asociado al menos con 100 enfermedades humanas. Entre ellas el cáncer, las enfermedades cardiovasculares como la ateroesclerosis, el infarto del miocardio, la hipertensión y las enfermedades neurológicas, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA o enfermedad de Lou Gehrig), la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer.

En la actualidad se sabe que varias clases de células producen deliberadamente cantidades elevadas de ROS. Por ejemplo, en los cuerpos animales los fagocitos, como los macrófagos y los neutrófilos, buscan de manera continua microorganismos y células dañadas. En un proceso que consume oxígeno y que se denomina estallido respiratorio, se generan las ROS que se utilizan para destruir y desmantelar estas células.

Especies reactivas de oxígeno

Las propiedades del oxígeno están relacionadas de forma directa con su estructura molecular. El dioxígeno es un birradical debido a que posee dos electrones no apareados. Por ésta y otras razones, el dioxígeno cuando reacciona sólo puede aceptar un electrón cada vez.

Recuérdese que durante el transporte de electrones mitocondrial se forma H₂O como consecuencia de la transferencia secuencial de cuatro electrones al O₂. Durante este proceso se forman varias ROS. La citocromo oxidasa (y otras proteínas activadoras del oxígeno) atrapa estos intermediarios reactivos dentro de su sitio activo hasta que se han transferido los cuatro electrones al oxígeno. Sin embargo, los electrones pueden escaparse de la vía de transporte de electrones y reaccionar con el O₂ para formar las ROS (fig. 10.18).

En circunstancias normales, los mecanismos de defensa contra la oxidación de la célula minimizan cualquier daño. Las ROS se forman también durante procesos no enzimáticos. Por ejemplo, la exposición a la luz UV y a la radiación ionizante da lugar a la formación de ROS.

La primera ROS que se forma durante la reducción del oxígeno es el radical superóxido $O2•¯$. La mayoría de los radicales superóxido se producen por electrones que proceden del ciclo Q del complejo III y por la flavoproteína NADH deshidrogenasa (complejo I). El $O2•¯$ actúa como nucleófilo y, en circunstancias específicas, como oxidante o como reductor. Debido a sus propiedades de solubilidad, el $O2•¯$ produce un daño considerable a los componentes fosfolipídicos de las membranas. Cuando se genera en un ambiente acuoso, el $O2•¯$ reacciona consigo mismo para producir O₂ y peróxido de hidrógeno (H₂O₂):

Puesto que el H₂O₂ no tiene electrones no apareados, no es un radical. La reactividad limitada del H₂O₂ le permite cruzar las membranas y dispersarse de manera general. La consiguiente reacción del H₂O₂ con el Fe²⁺ (o con otros metales de transición) origina la producción del radical hidroxilo (•OH), una especie muy reactiva.

El radical hidroxilo sólo se difunde en una distancia corta antes de reaccionar con cualquier molécula con la que choque. Los radicales como el hidroxilo son especialmente peligrosos debido a que pueden iniciar una reacción autocatalítica de radicales en cadena (fig. 10.19). El oxígeno singulete (¹O₂), un estado excitado del dioxígeno en el que los electrones apareados se han desapareado, puede formarse a partir de un superóxido:

o a partir de peróxidos:

El oxígeno singulete que se forma en determinadas reacciones del H₂O₂ y durante la captura de luz en la fotosíntesis puede reaccionar con dobles enlaces en biomoléculas. Es especialmente dañino para compuestos aromáticos y para alquenos conjugados.

Como se ha mencionado, las ROS se generan durante varias actividades celulares además de la reducción del O₂ para formar H₂O. Entre ellas están la biotransformación de los xenobióticos y el estallido respiratorio (fig. 10.20) en los leucocitos. Asimismo, los electrones en ocasiones se escapan de las vías de transporte electrónico del retículo endoplásmico (p. ej., el sistema de transporte de electrones del citocromo P₄₅₀) para formar superóxido mediante su combinación con el O₂. Entre las reacciones en las que intervienen las ROS se incluyen la hidroxilación y la peroxidación. Otra de estas reacciones, la carbonilación, es una modificación proteínica no enzimática que resulta de la oxidación de cadenas laterales de aminoácidos (p. ej., Thr, Lys, Arg o Pro) o de la reacción de cadenas laterales de Cys, Lys o His con radicales carbonilo reactivos.

También existen numerosos radicales que contienen nitrógeno. Debido a que con frecuencia su síntesis está ligada a la de las ROS, las especies reactivas de nitrógeno (RNS) a menudo se clasifican como ROS. Entre los ejemplos más importantes están el óxido nítrico (^•NO), dióxido de nitrógeno (^•NO₂) y el peroxinitrito (ONOO⁻). El óxido nítrico (^•NO) es un gas muy reactivo. Debido a su estructura de radical libre, hasta hace poco se consideraba que el ^•NO era en mayor medida un factor que contribuía con la destrucción de la capa de ozono en la atmósfera terrestre y un precursor de la lluvia ácida. Sin embargo, investigaciones recientes han revelado que el ^•NO es una importante molécula de señal producida en todo el cuerpo de los mamíferos.

Las actividades fisiológicas en las que ahora se cree que participa el ^•NO incluyen regulación de la presión sanguínea, inhibición de la coagulación y la inducción de macrófagos para la destrucción de células extrañas dañadas o cancerosas. La pérdida de la precisa regulación normal de la síntesis de ^•NO se ha vinculado con numerosos estados patológicos como la apoplejía, la migraña, la impotencia, el choque séptico y numerosas afecciones neurodegenerativas como la enfermedad de Parkinson. El ^•NO puede dañar proteínas con grupos sulfhidrilo, como la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (pág. 266), al convertir grupos SH en derivados nitrosotiol (—SNO). El ^•NO también daña las ferredoxinas. Sin embargo, parte del daño atribuido al ^•NO de hecho es causado por sus productos de oxidación, ^•NO₂ (2 ^•NO + O₂ → 2 ^•NO₂) y peroxinitrito (^•NO + O₂ → ONOO⁻).

Sistemas enzimáticos antioxidantes

Para protegerse del estrés oxidativo, los seres vivos han elaborado varios mecanismos de defensa antioxidante. Estos mecanismos emplean diversas metaloenzimas y moléculas antioxidantes.

Las principales defensas antioxidantes contra el estrés oxidativo son la superóxido dismutasa, la glutatión peroxidasa, la peroxirredoxina y la catalasa. La extensa distribución de estas actividades enzimáticas subraya el problema siempre presente del daño oxidativo.

Las superóxido dismutasas (SOD) son una clase de enzimas que catalizan la formación de H₂O₂ y de O₂ a partir del radical superóxido:

Existen dos formas principales de SOD. En el ser humano, la isoenzima Cu-Zn se encuentra en el citoplasma. Una isoenzima que contiene manganeso se encuentra en la matriz mitocondrial. Cerca del 20% de los casos de esclerosis lateral amiotrófica (ALS, amyotrophic lateral sclerosis), también llamada enfermedad de Lou Gehrig, se produce por una mutación en el gen que codifica la isoenzima Cu-Zn citosólica de la SOD. La ALS es una enfermedad degenerativa en la que se destruyen neuronas motoras.

La glutatión peroxidasa, una enzima que contiene selenio, es un componente clave de un sistema enzimático causante principal del control de la concentración de los peróxidos celulares. Recuérdese que esta enzima cataliza la reducción de diversas sustancias por medio del reductor GSH (cuadro 5.3). Además de reducir el H₂O₂ para formar agua, la glutatión peroxidasa transforma los peróxidos orgánicos en alcoholes:

Cuantiosas enzimas ancestrales respaldan la función de la glutatión peroxidasa (fig. 10.21). El GSH se regenera a partir del GSSG mediante la glutatión reductasa:

Las moléculas de NADPH que se requieren en esta reacción las aportan en primera instancia múltiples reacciones de la vía de las pentosas fosfato (cap. 8). Recuérdese que el NADPH también se produce en las reacciones que catalizan la isocitrato deshidrogenasa y la enzima málica.

Las peroxirredoxinas (PRX) son una clase de enzimas que desintoxican peróxidos. Su mecanismo catalítico implica la oxidación de un grupo sulfhidrilo de la cadena lateral de la cisteína con actividad redox por medio del sustrato peróxido para formar ácido sulfénico (RSOH). El ácido sulfénico es reducido después por una proteína que contiene un grupo tiol conocida como tiorredoxina (TRX). Ésta participa en reacciones redox mediadas por el sistema reductasa de peroxirredoxina/tiorredoxina (TR) (que a veces se denomina sistema centrado en TRX) (fig. 10.22). Las TR y TRX también devuelven a su forma sulfhidrilo reducida funcional a muchas proteínas celulares oxidadas, incluidos muchos factores de transcripción; realizan este cambio por medio de un desplazamiento de electrones (catalizado por medios enzimáticos) desde la tiorredoxina reducida [TRX-(SH)₂] hasta la proteína diana. La tiorredoxina reductasa reduce la tiorredoxina oxidada [TRX(S₂)] con electrones que recibe a través de un NADPH móvil y un FADH₂ fijo. La TRX también funciona como lanzadera de electrones para otros sistemas enzimáticos no antioxidantes como el de la ribonucleótido reductasa.

La catalasa es una enzima cuya función principal es catalizar la conversión de H₂O₂ en agua y dioxígeno. (Por cada dos moléculas de H₂O₂ que se degradan, una se oxida para formar O₂ y la otra se reduce a H₂O.) La catalasa contiene un grupo prostético hemo-Fe(III) con el siguiente mecanismo:

Se han identificado dos isoenzimas de la catalasa: HPI y HPII. La HPI es una enzima bifuncional en la que el segundo H₂O₂ puede sustituirse por un grupo orgánico que contiene oxígeno (fenoles, aldehídos, ácidos y alcoholes). Esta reacción de peroxidación convierte la molécula orgánica que con frecuencia es menos tóxica:

Por ejemplo, el estallido respiratorio de los macrófagos genera H₂O₂ como microbicida en primer lugar a través de la oxidación incompleta de ácidos grasos. A diferencia de la HPI, la HPII tiene un solo sustrato, H₂O₂. Se encuentra en grandes cantidades en los eritrocitos y en los peroxisomas de leucocitos fagocíticos. Fuera del peroxisoma, el principal generador de H₂O₂ es la SOD.

Moléculas antioxidantes

Los seres vivos utilizan moléculas antioxidantes para protegerse de los radicales. Los humanos obtienen tocoferol α (vitamina E), ácido ascórbico (vitamina C) y caroteno β (fig. 10.23) de la dieta.

El α-tocoferol, un potente eliminador de radicales, pertenece a una clase de compuestos que se denominan antioxidantes fenólicos. Los fenoles son antioxidantes eficaces debido a que los productos radicales de estas moléculas se estabilizan por resonancia y son así relativamente no reactivos:

Debido a que la vitamina E (que se encuentra en los vegetales, en los aceites de semillas, en los cereales enteros y en los vegetales de hojas verdes) es liposoluble, desempeña una función importante en la protección de la membrana de los radicales peroxilo lipídicos.

El β-caroteno, que se encuentra en las frutas de colores amarillo-naranja y verde oscuro, y en los vegetales como las zanahorias (Daucus carota), las patatas dulces (Ipomoea batatas), el brócoli (Brassica oleracea) y los albaricoques (Prunus armeniaca), es un miembro de una clase de pigmentos vegetales que se denominan carotenoides. En los tejidos vegetales los carotenoides absorben parte de la energía luminosa que se utiliza para impulsar la fotosíntesis y los protegen frente a las ROS que se forman a intensidades luminosas elevadas. En los animales, el β-caroteno es precursor del retinol (vitamina A) y un antioxidante importante de las membranas. (El retinol es precursor del retinal, el pigmento que absorbe luz en los bastones de la retina.)

Se ha demostrado que el ácido ascórbico es un antioxidante eficaz. Esta molécula hidrosoluble, que se presenta fundamentalmente como ascorbato, elimina varias ROS dentro de los compartimentos acuosos de las células y en los líquidos extracelulares. El ascorbato se oxida de manera reversible, de la siguiente forma:

El ascorbato protege a las membranas mediante dos mecanismos. En primer lugar, el ascorbato reacciona con los radicales peroxilo que se forman en el citoplasma antes de que puedan alcanzar la membrana. En segundo lugar, el ascorbato potencia la actividad antioxidante de la vitamina E regenerando el α-tocoferol a partir del radical (fig. 10.24). Luego se regenera el ascorbato por su reacción con el GSH.

Cabe mencionar que en individuos bien alimentados, el consumo de cantidades excesivas de suplementos antioxidantes hace a las células del organismo más vulnerables al estrés oxidativo. En pequeñas cantidades, las ROS actúan como moléculas señalizadoras. Cuando las células experimentan estrés oxidativo (p. ej., infección e inflamación), la concentración de ROS empieza a elevarse. Al principio de este proceso, las ROS oxidan y/o modifican de manera covalente los grupos sulfuro de los factores de transcripción, con lo cual desencadenan la expresión de docenas de genes que refuerzan las defensas antioxidantes de la célula. Además de mayores concentraciones de catalasa, de SOD y de otras enzimas antioxidantes, se producen otras proteínas de estrés. Si las células contienen cantidades excesivas de moléculas antioxidantes, obtenidas a través de suplementos alimenticios, los mecanismos de defensa activados por ROS se ven afectados.

Resumen del capítulo

1. El dioxígeno (O₂), que suele denominarse oxígeno, lo utilizan los organismos aerobios como aceptor electrónico terminal en la generación de energía. Varias propiedades físicas y químicas del oxígeno lo hacen adecuado para esta función. Además de su fácil disponibilidad (se encuentra prácticamente en todas partes sobre la superficie de la Tierra), el oxígeno se difunde con facilidad a través de las membranas celulares. El oxígeno es un birradical reactivo y un excelente agente oxidante que acepta con facilidad electrones de otras especies.

2. Las moléculas de NADH y FADH₂ que se producen en la glucólisis, la vía de la β-oxidación y el ciclo del ácido cítrico, generan energía utilizable en la vía de transporte de electrones. La vía está formada por un conjunto de transportadores redox que reciben los electrones del NADH y del FADH₂. Al final de la vía los electrones, junto con los protones, se ceden al oxígeno para formar H₂O.

3. Durante la oxidación del NADH hay tres pasos en los que la energía que se pierde es suficiente para producir la síntesis de ATP. Estos pasos ocurren dentro de los complejos I, III y IV de la ETC.

4. La fosforilación oxidativa es el mecanismo por medio del cual el transporte de electrones se acopla a la síntesis de ATP. Según la teoría quimiosmótica, la creación de un gradiente de protones que acompaña al transporte de electrones está acoplada a la síntesis de ATP.

5. La oxidación total de una molécula de glucosa da lugar a la síntesis de 29.5 a 31 moléculas de ATP, dependiendo de si la lanzadera del glicerol fosfato o la lanzadera malato-aspartato transfieren los electrones del NADH citoplásmico a la ETC mitocondrial.

6. La utilización del oxígeno por los organismos aerobios está unida a la producción de ROS. Éstas se forman debido a que cada molécula de oxígeno birradical acepta electrones uno a la vez. Entre las ROS se encuentran el radical superóxido, el peróxido de hidrógeno, el radical hidroxilo y el oxígeno singulete. Son RNS notables el óxido nítrico, el dióxido de nitrógeno y el peroxinitrito.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• α-tocoferol

• antioxidantes

• β-caroteno

• ciclo Q

• control respiratorio

• desacoplantes

• especies reactivas de nitrógeno (RNS)

• especies reactivas de oxígeno (ROS)

• estrés oxidativo

• estallido respiratorio

• fosforilación oxidativa

• fuerza protón motriz

• ionóforos

• lanzadera del fosfato de glicerol

• lanzadera de malato-aspartato

• proteína desacoplante

• radical

• respirasoma

• teoría quimiosmótica de acoplamiento

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Describa las características principales de la teoría quimiosmótica.

2. La hipótesis del acoplamiento químico (fosforilación a nivel del sustrato) no logró explicar por qué debía estar intacta la membrana mitocondrial durante la síntesis de ATP. ¿Cómo explica la teoría quimiosmótica este fenómeno?

3. ¿Cuáles son las fuentes principales de electrones para la vía de transporte de electrones?

4. Describa los procesos que se cree que están impulsados por el transporte de electrones mitocondrial.

5. ¿Cómo inhibe el dinitrofenol la síntesis de ATP?

6. Se requieren cuatro protones para impulsar la fosforilación del ADP. Explíquese la función de cada protón en este proceso.

7. Proporciónense varias razones por las que se utiliza el oxígeno en la producción de energía.

8. ¿Cuáles de las siguientes son especies reactivas de oxígeno? ¿Por qué son peligrosas las ROS?

   1. O₂

   2. OH⁻

   3. RO•

   4. $O2•¯$

   5. CH₃OH

   6. ¹O₂

9. Describa las actividades enzimáticas que utilizan las células para protegerse del daño oxidativo.

10. ¿Cuáles serían los productos finales si las siguientes sustancias fueran los aceptores finales de electrones en un sistema de transporte de electrones: nitrato, ion férrico, dióxido de carbono, sulfato y azufre?

11. La valinomicina es un antibiótico ionóforo que hace a las membranas biológicas permeables al K⁺. Sus efectos secundarios en pacientes con infecciones bacterianas incluyen aumento de la temperatura corporal y sudación. Explíque la causa.

12. ¿Qué metabolitos se acumulan cuando se agrega azida a mitocondrias en respiración activa?

13. Cuando se agrega rotenona a mitocondrias en respiración activa, la proporción NADH:NAD⁺ aumenta, pero el cociente FADH₂/FAD permanece sin cambios. ¿Qué paso del sistema está siendo inhibido?

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

1. El etanol se oxida en el hígado para formar acetato, que se convierte en acetil-CoA. Determínese cuántas moléculas de ATP se producen a partir de 1 mol de etanol. Nótese que se producen 2 moles de NADH cuando se oxida el etanol para formar acetato.

2. La glutamina se degrada para formar $NH4+,$ CO₂ y H₂O. ¿Cuántas moléculas de ATP pueden generarse a partir de 1 mol de este aminoácido? (La eliminación del grupo amino genera una molécula de NADH.)

3. El consumo de dinitrofenol por los animales provoca un aumento inmediato de la temperatura corporal. Explíquese este fenómeno. ¿Por qué no debe usarse este desacoplante como un complemento dietético?

4. Los potenciales de reducción del hierro en cada uno de los citocromos del sistema de transporte de electrones pueden variar de −0.1 V a −0.39 V. ¿Por qué son necesarios estos valores diferentes para la operación del sistema?

5. Entre las numerosas consecuencias destructivas del estrés oxidativo están reacciones de •OH con átomos del esqueleto polipeptídico. El proceso comienza con la extracción de átomos de α-hidrógeno para formar radicales carbonados.

   

   Después, dichos radicales reaccionan con O₂ para formar radicales alquilperoxilo (ROO•). Comenzando con los átomos del esqueleto no dañado y O₂, descríbase la vía que da por resultado la formación de un radical alquilperoxilo.

10.1

1. NADH

2. FADH₂

3. Cyt b (reducido)

4. NADH

5. NADH

10.2

El DNP es una molécula lipófila que se une de forma reversible a los protones. Disipa ese gradiente protónico en las mitocondrias transfiriendo los protones a través de la membrana interna. El desacoplamiento del transporte electrónico de la fosforilación oxidativa hace que la energía de los alimentos se disipe como calor. El DNP produce insuficiencia hepática por una síntesis insuficiente de ATP en un órgano metabólicamente exigente.

10.3

No, para que ocurra la síntesis de ATP, la concentración de protones debe ser superior dentro de las partículas mitocondriales invertidas. La síntesis de ATP requiere que los protones se muevan a favor de un gradiente de concentración por medio de la base de la ATP sintetasa a través de la membrana.

10.4

Sin considerar la fuga de protones y suponiendo que actúa la lanzadera de fosfato de glicerol, se producirán 38 ATP en la oxidación aerobia de una molécula de glucosa. Si actúa la lanzadera del malato, sólo se producirán 36 ATP.

10.5

La sacarosa es un disacárido formado por glucosa y fructosa. Como se describió antes (pág. 318), la oxidación de 1 mol de glucosa proporciona un máximo de 31 moles de ATP. La fructosa, que como la glucosa se degrada parcialmente por la vía glucolítica, también proporciona un máximo de 31 moles de ATP. El rendimiento total máximo de energía es de 62 moles de ATP por mol de sacarosa.

10.6

Los átomos de selenio, más grandes, retienen sus electrones con menor fuerza que el azufre. El selenio se oxida con mayor facilidad y por lo tanto actúa como un mejor eliminador de oxígeno que el azufre.

10.7

Los grupos SH reducen peróxido de hidrógeno o atrapan radicales hidroxilo para formar agua. Un ejemplo de una molécula que no contiene un grupo sulfhidrilo que debería ser capaz de realizar esta actividad es la vitamina C o cualquiera de varios otros antioxidantes (carotenoides, flavonoides, tocoferoles, etc.).

10.8

Los grupos fenólicos de ambas moléculas son responsables de su actividad antioxidante debido a la facilidad de formación de radicales fenoxi, con la neutralización ulterior de las ROS con deficiencia de electrones.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

3

Las principales fuentes de electrones para el sistema de transporte de electrones mitocondrial son NADH y FADH₂.

6

Es necesaria la translocación de tres protones para impulsar la síntesis de ATP. El cuarto protón impulsa en transporte de ADP y P_i.

9

Las principales defensas enzimáticas contra el estrés oxidativo son la superóxido dismutasa, la catalasa y la glutatión peroxidasa.

13

La NADH deshidrogenasa (complejo I) oxida el NADH hasta NAD⁺. Cuando se inhibe el complejo I, el NADH se acumula (lo que aumenta el índice NADH:NAD⁺); el FADH₂ no se altera, ya que se oxida en el complejo II.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

16

El dinitrofenol colapsa el gradiente protónico a través de la membrana interna mitocondrial. La energía que en condiciones normales se usa para impulsar la síntesis de ATP se pierde como calor.