martes, 3 de enero de 2012

Metabolismo: cadena respiratoria.


En entradas anteriores hemos analizado las fases iniciales del metabolismo de la glucosa: la glucolisis y la fosforilación oxidativa, junto con los mecanismos de degradación anaerobia y el Ciclo de Krebs. En este paso analizaremos la cadena respiratoria.

La cadena respiratoria es la tercera parte de la degradación aerobia. En ella, los electrones son llevados hasta el O2 que se oxidará a H2O.
Llevaremos doce pares de elecrones: dos de ellos provienen de la glucolisis, otros dos de la decarboxilación oxidativa y los ocho pares restantes provienen del Ciclo de Krebs.
Es decir:
Glucolisis:
  • 2 NADH

Decarboxilación oxidativa:
  • 2 NADH

Ciclo de Krebs:
  • 6 NADH
  • 2 FADH2

La cadena respiratoria es el conjunto de compuestos, incluidos en la membrana mitocondrial interna, que son transportadores de electrones. Hay entre doce y quince (no se conoce exactamente su número). Todos ellos están asociados a proteínas. Y todos excepto el Citocromo 6 son hidrófobos, es decir, están en proteínas integrales de membrana.

Coenzimas: NAD, FAD y FMN.

Coenzima Q: es un compuesto muy liposoluble, que difunde con mucha facilidad a través de la membrana y lleva a cabo la siguiente reacción:


CoQ + 2 H  CoQH2

Proteínas ferrosulfuradas: o proteínas Fe-S. Tienen complejos de hierro y azufre que funcionan como un par redox que puede tomar electrones.


Citocromos: son hemoproteínas con un hierro. Se conocen varios citocromos: b, c1 c, a y a3. La c es hidrosoluble. El grupo hierro puede sufrir la siguiente reacción, con el consiguiente trasiego de electrones:

Fe2+  Fe3+

Los pares rédox se ordenan según su potencial, primero los más electropositivos. En cada reacción el primer componente se oxida y el otro se reduce. Esto va pasando de uno a otro, en cadena, hasta llegar al O2.
Pares rédox
 En el complejo III están los dos tipos de citocromo b. Y en el complejo I hay al menos cuatro proteínas hierro-azufre. Es decir, el esquema está simplificado.

Los complejos tienen su nombre concreto:
  • El complejo o grupo I se denomina NADH-Coenzima Q reductasa.
  • El complejo o grupo II se denomina Succinato-Coenzima Q reductasa.
  • El complejo o grupo III es el Coenzima QH2-Citocromo  C reductasa.
  • El complejo o grupo IV se denomina Citocromo C oxidasa.

La aubiquinona y el citocromo C son independientes.

La ubiquinona es un punto de entrada de electrones que proviene de otros enzimas que transportaron electrones de otras vías. El FADH2 puede entrar por otros sitios.

El Citocromo C es una proteína periférica, no está integrado en la membrana.

Al final del proceso:

2 O2 + 2 e- 2 O2-
2 O2- + 2 H+ H2O2 + O2
H2O2 H2O + ½ O2

El ión O2- se dennomina ión superóxido y es muy tóxico para la célula, por eso debe ser metabolizado. La segunda reacción es catalizada por la superóxido dismutasa y su producto, el peróxido de hidrógeno (H2O2) tampoco es un producto tolerable. Por eso es metabolizado en la última reacción por la catalasa.

Si sumamos las tres reacciones obtenemos que:

2 O2 + 2 e- + 2 H+ H2O

En la reacción total del catabolismo de la glucosa, tenemos que:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Como tenemos doce pares de electrones y cada par de electrones necesita ½ O2 necesitaremos 6 O2 quedando por tanto en concordancia con la reacción.

Es decir:
10 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 6 O2 10 NAD+ + 2 FAD2+ + 12 H2O

Con la energía de oxidación por transportar los pares de electrones en la cadena (en los tres puntos, en los complejos) se nos formará, gracias a la energía desprendida en cada complejo, ATP a partir de ADP.

Se trata de una serie de escalones energéticos.

Para ver estos escalones energéticos, veremos los potenciales. Partimos de los NADH y FADH2 mitocondriales y los escalones son los diferentes complejos:
Escala de potenciales
Cada NADH mitocondrial, mediante la cadena respiratoria, forma 3 ATP. El FADH2, a través de la cadena, desprenderá energía para fabricar 2 ATP.

Pero tenemos un NADH de la glucolisis en el citoplasma que no puede entrar en la mitocondria directamente. Entrará mediante unas reacciones intermedias llamadas lanzaderas. Pasa los electrones a otros compuestos que pueden entrar en la mitocondria.

Hay lanzaderas de dos tipos: la del glicerol-fosfato, típica del músculo y que entra a nivel del coenzima Q, con lo que con ese NADH solo se formarán dos ATP. Y la del malato-aspartato, típica del hígado y que hace entrar un compuesto más electronegativo en la cadena, con lo que se producirán los correspondientes tres ATP con el NADH, es decir, se obtiene rendimiento máximo.

Fosforilación oxidativa.

La cadena respiratoria, el el caso del NADH, se resumiría de la siguiente forma:

NADH + ½ O2 NAD+ + H2O - ΔGº’ = -52,6 Kcal/mol

Es, por lo tanto, una reacción muy exergónica.

La fosforilación acoplada sería:

3 ATP + 3 Pi 3 ATP + 3 H2O - ΔGº’ = 3*7,3 = 21,9 Kcal/mol

Es decir, que conseguimos aprovechar casi 23Kcal/mol de las 52,6Kcal/mol que se generan. El rendmiento es del 41,6%.

La cadena respiratoria para el FADH2 sería:

FADH2 + ½ O2 NAD + H2O - ΔGº’ = -43,4 Kcal/mol

La fosforilación acoplada:

2 ATP + 2 Pi 2 ATP + 2 H2O - ΔGº’ = 2*7,3 = 14,6 Kcal/mol

Es decir, que el nivel de aprovechamiento es menor, el 34% en este caso.

Las 686Kcal/mol posibles de la combustión de la glucosa se va acumulando en las distintas coenzimas. Y tras todo el proceso, la cadena respiratoria para una molécula de glucosa sería:

10 (NADH+H+) + 2 FAD + 6 O2 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O
ΔGº’ = 10*(-52,6) + 2*(-43,4) = 613 Kcal/mol

Respecto a las 686Kcal/mol posibles supone un rendimiento del 90%.

En el caso de la fosforilación oxidativa acoplada (que es la que realmente le dará energía a la célula), dependerá de si se produce en un sitio u otro, en función de la lanzadera.

Por ejemplo, en el músculo:

32 ADP + 32 Pi 32 ATP + 32 H2O - ΔGº’ = 7,3*32 Kcal/mol = 233,6 Kcal/mol

Los 32 ATP privienen de que 8 NADH mitocondriales generarán 24 ATP (tres cada uno) y 2 NADH de la glucolisis (citoplasma) generarán 4 ATP (dos cada uno), a los que sumaremos otros 4 ATP provenientes de 2 FADH2.

En el caso del hígado en lugar de 32 ATP obtendríamos 34 ATP, ya que los 2 NADH de la glucolisis generan 3 ATP cada uno en lugar de 2.

Producción de ATP.

¿Cómo se producen los ATP a partir de la cadena de transporte de electrones? A esta pregunta responde la teoría quimiosmótica de Mitchell.

Sabemos que tiene lugar en la mitocondria. La mitocondria posee una membrana interna y una membrana externa. La membrana externa posee muchas proteínas, constituyendo hasta el 80% de su peso. Pueden ser de tres tipos:
  • Elementos de la caden respiratoria.
  • ATP sintetasas.
  • Elementos de transporte.

La membrana interna no es lisa, sino que tiene entrantes y salientes denominados crestas mitocondriales. El interior de la mitocondria se denomina matriz mitocondrial. Y el espacio que queda entre la membrana interna y la membrana externa se denomina espacio intermembrana.

Dentro de la membrana interna hay una proteína de membrana especialmente abundante, la proteína Fi.
Partículas Fi en la membrana interna de la mitocondria
Los complejos se encuentran en la membrana interna de la mitcondria de la siguiente forma:
Complejos en la membrana interna de la mitocondria.
En cuanto a las partículas Fi, serían de la sigueinte forma:
Partícula FoFi
 La parte Fo son seis cadenas polipeptídicas de varios tipos, hidrófobas y formando un canal (es decir, lo que vemos en Fo es un corte en sección, en realidad tiene forma cilíndrica).

En la parti Fi hay cinco tipos de plipéptidos, α3, β3, γ, θ y ε.

En la mitocondria hay un sistema de transporte específico. Solo entra por si mismo el O2 y solo sale por si mismo el CO2. El resto de compuestos necestan transportadores. Se trata de una membrana muy impermeable.

Según la teoría de Mitchell la cadena de transporte electrónico va a utilizar su energía de oxidación para transportar protones (H+) en contra de su gradiente de concentración, desde la matriz hasta el espacio intermembrana. Es decir, se comportará como una bomba de protones.

Estos protones pasarán a nivel de la NADH-Q reductasa, a nivel de la QH2-Citocromo C reductasa y a nivel de la Citcromo C oxidasa. Como consecuencia de este transporte se va a formar un gradiente electroquímico de protones que tendrá como componentes un gradiente de voltaje (ΔΨ) y un gradiente de concentración que, al tratarse de un gradiente de protones, se traducirá como un gradiente de pH (ΔpH).

El conjunto de estos dos gradientes se le conoce como fuerza protónmotora o fuerza protónmotriz, rigiéndose por la siguiente fórmula:

Sabemos que ΔΨ rondará los 160mV y ΔpH rondará 1mV. El valor de la pmF rondará los 220mV.

Es decir, la energía redox es transformada en esto, en una fuerza protonmotriz. Y esta fuerza es usada para transformar ADP en ATP. De esta transformación se encarga la parte Fi de la proteína.

Se debe a que los protones tratarán de entrar en la matriz cmo sea y lo harán por el canal constituido por Fo. En las esferas (Fi) el flujo, la energía de paso de esos protones, hace que el ADP se transforme en ATP.

Puede ser que la transformación se deba a un cambio conformacional de las proteínas que catalizan la reacción. Pero hay más hipótesis. Otra es que los protones ayudan a la formación del ATP. Lo que si está claro es que sin el flujo de protones, el ADP no se fosforila a ATP.

Por cada dos electrones que se transadan del NADH al oxígeno se traslocan un número de protones. No se sabe exactamente cuantos. Al volver, al romper el gradiente, forsforilan un ATP. Y como el trasloque ocurre en tres sitios, hay que multiplicar por tres, por lo cual por cada NADH se forman 3 ATP.

Sabemos que, como mínimo, deben pasar dos protones en cada uno, aunque puede que sean más. Para que todo esto funcione, la membrana interna debe ser impermeable a los protones. Con todos los elementos orientados, perfectamente cerrada e intacta. De lo contrario, no se formaría el gradiente.

La energía química se ha transformado en enegía redox y esta, a su vez, se ha transformado en la energía de un gradiente de protones. Esta energía se transforma en la energía del enlace fosfato del ATP, un enlace de alta energía.

Utilizar el gradiente de protones para formar ATP no es la única función. Puede hacerse un proceso inverso, creando un gradiente de protones a parter de ATP. Es decir, puede actuar tanto como ATP sintetasa como ATP-asa. Que funcione d euna manera u otra depende de que la fuerza protonmotriz del gradiente de protones domine o que domine la energía de hidrólisis del ATP.

Sabemos que:

Si dominase la segunda opción, se bombearían protones hacia el otro lado. En condiciones normales lo que ocurre es que el ATP sale da la matriz por medio de su correspondiente permeasa, de forma que nunca se acumula y por lo tanto nunca sobra.

Todo esto está sometido a regulación. Está ajustado a las necesidades de ATP. Aquí el factor determinante es el ADP. Además, está acoplada. La cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa no funcionan la una sin la otra.

Si tenemos NADH y suficiente O2 (si no hay estos dos componentes no puede funcionar la cadena) pero no hay ADP, el sistema no funciona. No solo deja de funcionar la ATP sintentasa, deja de funcionar toda la cadena. La modulación que lo regula es el propio gradiente de protones. El gradiente de protones estimula la actividad de la ATP sintetasa e inhibe la cadena respiratoria. Si tenemos poco ATP en el medio, aumenta la concentración de ADP, aumenta el sustrato de la ATP sintetasa. El equilibrio se desplaza a la erecha. Se deshace el gradiente de protones. Y esto estimula la cadena respiratoria.

Hay factores o agentes químicos que producen desajustes en estos procesos. Cualquier factor que haga que se desajuste o desacople el gradiente, por ejemplo, estropeará la cadena. Por ejemplo, si la membrana se hace permeable a los protones. Desarticula todo el sistema, la ATP sintetas deja de funcionar y sin embargo la cadena respiratoria no deja de funcionar, sino que se activa aun más, ya que no hay gradiente, lo cual la excita, la empuja a trabajar más deprisa. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se rompe la membrana.

La energía del gradiente de protones se utiliza también en otras estructuras celulares. Por ejemplo, en los cloroplastos. Y en las bacterías se produce un gradiente semejante, en esta ocasión del exterior respecto del interior de la propia bacteria. La cadena respiratoria se encontraría en la membrana exerna. Y las ATP-asas de las bacterias se encuentran también en una posición equivalente.
Gradiente de protones en bacterias
 En la mitocndria, en la bacteria y en el cloroplasto se produce ATP. En la mitocondria, además, transporta fosfato mediante un sistema de cotransporte del fosfato con los protones (los protones arrastran a los fosfatos).

También hay ransportes para el calcio (Ca2+). De hecho hay dos transportes, uno de entrada y uno de salida. El transporte hacia el interior se lleva a cabo por medio de diferencia de cargas. El de salida es una bomba de intercambio con los protones.

Existe un intercambio de ADP y ATP. El ATP sale y el ADP entra. El interior es más negativo y en este intercambio metemos tres cargas negativas del ADP (ADP3-) y secamos cuatro cargas negativas del ATP (ATP4-), siendo por lo tanto un intercambio favorable.

En las bacterias existe una turbina de protones, que hace que se muevan los flagelos bacterianos. La energía viene dada por el gradiente de protones.
Bomba de protones en el flagelo de procariotas
 La energía del gradiente de protones en la mitocondria puede ser usada para producir calor. Esto aparece en unas mitocondrias especiales, porosas a los protones. Esta porosidad hace que se deshaga el gradiente (ya que los protones pasan con facilidad), disipándose la energía de este modo en forma de calor. Es muy útil en animales de climas fríos.

El resumen final de todo el consumo de glucosa sería como sigue:

Glucólisis:

Glucosa + 2NAD + 2(ADP+PI) 2 Piruvato + 2(NADH + H+) + 2H2O + 2ATP

Descarboxilaicón oxidativa:

2Piruvato+ 2CoA-SH + 2NAD 2AcetilCoA + 2(NADH + H+) + 2CO2

Ciclo de Krebs:

2AcetilCoA + 6NAD + 2FAD + 2(ADP+PI) + 4H2O 6(NADH+H+) + 2FADH2 + ATP + 4CO2

Cadena respiratoria:
10(NADH + H+) + 2FADH2 + 6O2 10NAD + 2FAD + 12H2O

Fosforilación oxidativa:

32(ADP + Pi) 32(ATP + H2O)

Si sumamos todos los procesos, obtenemos que:
Glucosa + 6O2 + 36ADP + 36Pi 6CO2 + 36ATP + 42H2O
ΔGº=-686 + (7,3x36)
Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H2O - ΔG=-686
36ADP + 36Pi 36ATP + 36H2O - ΔGº=262,8Kcal/mol
Rendimiento: 38,3% (en el músculo).
Resumen del catabolismo aeróbico de la glucosa


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