BIOENERGÉTICA Y CADENA RESPIRATORIA Los seres vivos necesitan energía La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Las células convierten energía potencial, normalmente en forma de enlaces covalentes carbono-carbono o enlaces fosfoanhidro del ATP, en la energía necesaria para la división celular, crecimiento, biosíntesis y transporte activo a través de membrana, entre otras cosas. El sol es la fuente última de energía para la vida de todos los organismos ya que la luz es utilizada por los organismos fotosintéticos para convertir el carbono inorgánico del CO2 en carbono orgánico de los glúcidos, a partir de los que sintetizan todas sus moléculas. Los animales utilizan nutrientes vegetales o animales para sintetizar sus propias moléculas. Procesos acoplados y energía Las células obtienen la energía a partir de su entorno y sintetizan los componentes de sus macromoléculas mediante un conjunto ordenado de reacciones químicas conocidas como metabolismo. En el metabolismo celular ocurren simultáneamente procesos degradativos (catabólicos) y de síntesis (anabólicos) donde la energía liberada en unos es utilizada en otros. (Fig. 1).

Figura 1. Esquema que muestra la relación energética entre el catabolismo y el anabolismo. Las reacciones que liberan energía se denominan exergónicas y aquellas reacciones que necesitan energía para que ocurran son endergónicas . Las reacciones exergónicas son espontáneas ya que ocurren con disminución de la energía libre ∆Gº´ (G productos – G reactivos < 0), de acuerdo a las leyes de la termodinámica.

Una reacción A B + C ∆Gº´ = + 5 Kcal/mol (endergónica), es termodinámicamente desfavorable y para que ocurra debe estar acoplada a una termodinámicamente favorable: B D ∆Gº´ = - 8 Kcal/mol En ausencia de esta segunda reacción, la reacción endergónica no se produciría. Como los cambios de energía libre son aditivos, la conversión de A hasta C y D tiene un ∆Gº´ negativo, es decir, una reacción termodinámicamente desfavorable puede ser dirigida por una termodinámicamente favorable acoplada a ella. A B + C ∆Gº´ = + 5 Kcal/mol B D ∆Gº´ = - 8 Kcal/mol

A C + D ∆Gº´ = - 3 Kcal/mol En las células, a menudo las reacciones energéticamente desfavorables están acopladas a la hidrólisis del ATP, reacción con un ∆Gº´ = - 7,5 Kcal/mol por lo que la reacción global tiene ∆Gº´ negativo.

ATP + H2O ADP + Pi + energía El sistema ATP-ADP es muy importante en el ciclo de la energía celular (Fig. 2). El ADP puede aceptar un fosfato con consumo de energía para convertirse en ATP y este proceso se conoce como FOSFORILACIÓN . ADP + Pi + energía ATP Movimiento

Biosíntesis Transporte activo

Fotosíntesis

Oxidación de macromoléculas Figura 2. Ciclo ATP – ADP y algunos procesos celulares a los que se asocia.

ADP

ATP ∆Gº’= -7,5 kcal ∆Gº’= 7,5 kcal

Panorámica del metabolismo En la figura 3 se presenta un mapa metabólico simplificado, donde se muestra tres niveles de complejidad tanto para las vías catabólicas como para las anabólicas. En el nivel 1 del catabolismo las macromoléculas se hidrolizan y rinden monómeros. En el nivel 2 confluyen una serie de metabolitos comunes a todas las vías metabólicas y en el último la degradación total culmina con la formación de moléculas sencillas como CO2 y H2O.

Si una molécula glucídica, por ejemplo un polisacárido, fuera oxidada a CO2 y agua en un solo paso, se liberaría una cantidad de energía varias veces mayor a la que una molécula transportadora puede tomar y, por lo tanto, se perdería energía en forma de calor con el consiguiente perjuicio para la célula. Por el contrario, las células utilizan enzimas para llevar a cabo la oxidación en una serie de reacciones donde se liberan pequeñas cantidades de energía que son almacenadas en enlaces químicos de moléculas transportadoras. En

Figura 3. Rutas centrales del metabolismo energético.

algunas de esas reacciones se transporta energía como ATP y en otras, como coenzimas reducidas, NADH.H y FADH2 (Figura 4).

Figura 4. Catabolismo de glúcidos.

El NADH y el FADH2 son moléculas ricas en energía porque contienen un par de electrones con elevado potencial de transferencia. El NAD+ es el cofactor de la mayoría de las enzimas deshidrogenasas que actúan en las rutas oxidativas de los nutrientes. Oxidaciones y generación de energía En las reacciones bioquímicas los electrones liberados por una molécula se transfieren a otra; así que si una molécula se oxida (pierde electrones), hay otra que se reduce (gana electrones). A veces junto a los electrones se transfieren protones y por lo tanto la reducción es una ganancia de hidrógenos y la oxidación una pérdida de los mismos (Fig. 5).

Figura 5. El par redox NAD+ - NADH en la transferencia de electrones. A los pares de compuestos tales como el NADH y NAD+ se les denomina pares redox ya que el NADH es convertido en NAD+ por la pérdida de electrones en la reacción.

NADH NAD+ + H+ +2e-

El NADH es un dador fuerte de electrones porque sus electrones están unidos por un enlace de alta energía y así es favorable que pierda sus electrones. Por el contrario es difícil formar un enlace de alta energía y el NAD+ es un aceptor de electrones débil. La tendencia a transferir electrones de un par redox se puede medir experimentalmente formando un circuito eléctrico con una mezcla equimolar del par redox con un segundo par que se selecciona como estándar (Eo=0,00 V). De esa forma se puede medir la diferencia de voltaje entre ellos que se denomina potencial redox ∆E. Par redox estandar: H2 2H+ + 2 e- (Eo=0,00 V)

Los sistemas que tienen un potencial negativo respecto al H2 son reductores, tienen baja afinidad electrónica. Los electrones se desplazarán espontáneamente desde un par redox que tiene baja afinidad por los electrones como el del NADH/ NAD+ hacia un par redox como el O2/H2O que tiene alto potencial redox y, por consiguiente, una elevada afinidad por los electrones (Tabla 1).

Transporte de electrones La mayor parte de la energía libre que se produce durante la oxidación de glúcidos, lípidos y proteínas es retenida en las coenzimas reducidas NADH y FADH2. Durante la respiración se liberan electrones del NADH y el FADH2, que al final son transferidos al O2 para formar H2O, según las reacciones generales: NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O FADH2 + ½ O2 FAD + H2O Estas reacciones son muy exergónicas y la energía liberada en las mismas es suficiente para impulsar la síntesis de varias moléculas de ATP a partir de ADP y Pi. En la mitocondria se maximiza la producción de ATP mediante la transferencia de electrones del NADH y del FADH2 a través de una serie de transportadores electrónicos, todos menos uno, componentes integrales de la membrana interna. La secuencia de reacciones se denomina cadena transportadora de electrones o cadena respir atoria y el oxígeno es el aceptor final de electrones. La mayoría de los transportadores de electrones mitocondriales tienen grupos prostéticos como hemo, centros Fe-S y cobre y están unidos a cuatro complejos multiproteicos. Por ejemplo los citocromos son proteínas con un grupo hemo y el transporte de electrones se produce por la oxidación y reducción del átomo de Fe en el centro del hemo: Fe3+

ox + e- Fe2+red

Los cuatro complejos enzimáticos responsables del transporte de los electrones son : 1) complejo de la NADH deshidrogenasa, 2)complejo de la succinato deshidrogenasa, 3) complejo citrocromo b-c (citocromo c coenzima Q oxidoreductasa) y 4) complejo de la citocromo oxidasa. También forman parte de la cadena de transporte, la coenzima Q y el citocromo c (Fig. 6). La coenzima Q o ubiquinona es el único transportador de electrones que no está unido a una proteína y es soluble en fosfolípidos por lo que se difunde libremente en la membrana mitocondrial interna. Cada uno de los transportadores de electrones, ordenados según su potencial redox (Tabla 1), desde los de menor afinidad a mayor afinidad por los electrones, se reduce al ganar electrones del transportador que le precede en la cadena y a continuación se oxida porque dona sus electrones al transportador siguiente (Fig. 6). En cada transferencia sucesiva los electrones pierden energía libre que se emplea para generar un gradiente de protones. Tabla 1. Potenciales redox estándar de hemireacciones redox

Hemireacción Eº’ (V) NAD+ + H+ + 2e- NADH + H+ -0,320 FAD + 2H+ + 2e- FADH2 +0,031 Ubiquinona + 2H+ + 2e- ubiquinol +0,07 2 citocromo box + 2e- 2 citocromo bred +0,10 2 citocromo cox + 2e- 2 citocromo cred +0,254 2 citocromo aox + 2e- 2 citocromo ared +0,385 ½ O2 + 2H+ + 2e- H2O +0,816

Figura 6. Flujo de electrones a través de la cadena respiratoria desde el NADH y el FADH2 hasta el O2. Síntesis de ATP: la mayor parte del ATP se forma en procesos de transporte de electrones asociados a membranas. En eucariotas el transporte de electrones hasta el oxígeno se realiza en la membrana interna de las mitocondrias y en procariotas en la membrana celular. Cualquiera sea la membrana, el pasaje de los electrones por la cadena de transportadores, libera energía que es utilizada para bombear protones en contra de su gradiente de concentración a través de la membrana hacia un espacio limitado y de esa forma se genera un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de la misma (figura 7). El gradiente así formado constituye una forma de almacenar energía que luego puede ser utilizada para realizar un trabajo útil si se permite que los iones fluyan a favor de su gradiente electroquímico hacia el otro lado de la membrana. La mitocondria tiene doble membrana, una externa que es permeable a moléculas pequeñas o iones y una interna que está plegada formando crestas y es impermeable a iones y moléculas cargadas. De esta forma, las mitocondrias tienen dos compartimentos: el espacio intermembrana y la matriz que es el espacio encerrado por la membrana interna.

Figura 7. Esquema de la mitocondria y del movimiento de protones.

En la membrana interna se encuentran embebidas las proteínas que constituyen la cadena respiratoria y las moléculas de ATP sintasa necesarias para la obtención de ATP por fosforilación oxidativa. Los pliegues de la membrana interna de la mitocondria incrementan enormemente la superficie en la que tiene lugar la síntesis de ATP. La energía de los electrones se conserva en el grad iente de protones Tres de los complejos multiproteicos transportadores de electrones desde el NADH son responsables del bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana (Fig. 8). Como consecuencia, se establece un gradiente electroquímico de protones, tornándose mas positivo el espacio intermembrana que la matriz mitocondrial, lo que genera una fuerza protón-motriz. La energía acumulada en ese gradiente de protones impulsa, cuando estos se mueven nuevamente hacia la matriz (a favor del gradiente electroquímico), la formación de ATP.

Figura 8. Transporte de electrones (en azul) y de protones (en rojo) en la membrana mitocondrial interna.

Fosforilación oxidativa En las membranas donde se forma ATP, los H+ fluyen a favor de su gradiente electroquímico a través de un complejo proteico denominado ATP sintasa que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Esta enzima actúa como una turbina permitiendo que el gradiente de protones impulse la producción de ATP. Este proceso se llama quimiósmosis y la forma de producción de ATP asociada al transporte electrónico, fosforilación oxidativa. La relación P/O corresponde a cuantos ATP se sintetizan por cada par de electrones transportados hasta el oxígeno. Esta relación es 3/1 cuando se inicia a partir de NADH y 2/1 para el FADH2. ATP sintasa La molécula que hace posible la síntesis de ATP es la ATPsintasa (Fig. 9) que genera una vía hidrofílica de pasaje de los protones a través de la membrana mitocondrial interna, a favor de su gradiente electroquímico. La energía liberada durante ese pasaje se acopla a la fosforilación del ADP para dar ATP, reacción que requiere energía. La ATP sintasa o complejo F0F1 es una proteína de gran tamaño formada por varias subunidades que tiene su parte F0 en la membrana y la F1 proyectada hacia la matriz mitocondrial y es capaz de producir hasta 100 moléculas de ATP por segundo. Las moléculas de ADP producidas en el citosol de la célula entran por transportadores de membrana a la mitocondria para convertirse rápidamente en ATP que es bombeado al citosol para ser utilizado en el metabolismo. Las bacterias aerobias tienen los transportadores de electrones de la cadena respiratoria en la membrana plasmática y producen ATP a partir de los electrones provenientes de coenzimas de deshidrogenasas que actúan en el citosol. Esta semejanza entre el proceso en mitocondrias y bacterias constituye una evidencia de que las mitocondrias pudieron originarse de bacterias aerobias invasoras de las células eucariotas durante el curso de la evolución.

Figura 9. Modelo de la ATP sintasa.

F1

Fo

Inhibidores

Numerosos productos químicos pueden bloquear la transferencia de electrones en la cadena respiratoria, o la transferencia de electrones al oxígeno. Todos ellos son potentes venenos. Por ejemplo, el monóxido de carbono se combina directamente con la citocromo oxidasa terminal, y bloquea la entrada de oxígeno a la misma y el cianuro se une al hierro del citocromo e impide la transferencia de electrones.

Desacopladores En la fosforilación oxidativa el proceso de oxido-reducción de las moléculas de la cadena respiratoria está acoplado a la formación de ATP y para ello se requiere que la membrana mitocondrial interna esté intacta. Algunos compuestos químicos desacoplan los dos procesos y, por lo tanto, se produce el pasaje de electrones pero no se produce ATP y la energía se disipa como calor. Cuando hay desacopladores se bombean protones al espacio intermembrana como consecuencia del pasaje de electrones pero los protones vuelven a la matriz mitocondrial sin atravesar la ATP sintasa porque estos compuestos aumentan la permeabilidad de la membrana para los protones. El 2,4 dinitrofenol es un ejemplo de compuesto que actúa como desacoplador y ha sido usado en agricultura como herbicida. Grasas pardas El pasaje en la cadena respiratoria tiene como función primaria la producción de ATP pero en determinadas situaciones tiene otra función. La grasa parda que se encuentra en mamíferos recién nacidos o animales en hibernación es un tejido en el que abundan mitocondrias especializadas que no sintetizan ATP a partir del pasaje de los electrones, sino que producen calor. Estas mitocondrias tienen termogenina, una proteína ausente en otras mitocondrias, que funciona como un canal para que los protones vuelvan desde el espacio intermembrana a la matriz sin atravesar la ATP sintasa.