sustratos y nivel que ingresan
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III. SUSTRATOS Y NIVEL QUE INGRESAN
A. Cadena de transporte de electrones en eucariotas
Muchos procesos bioquímicos catabólicos, tales como la glucólisis, el
ciclo de Krebs y la beta oxidación, producen la coenzima reducida
NADH. Esta coenzima contiene electrones que tiene un elevado
potencial de transferencia; es decir, que liberan una gran cantidad de
energía tras su oxidación. Sin embargo, la célula no libera toda esta
energía a la vez, sino sería una reacción incontrolable. En vez de ello,
los electrones eliminados del NADH y transferidos al oxígeno a través
de una serie de enzimas cada una de las cuales libera una pequeña
cantidad de energía. Este conjunto de enzimas, que consiste en
complejos, del I al IV, llamado cadena de transporte de electrones se
encuentra en la membrana de la mitocondria. El succinato también es
oxidado por la cadena de transporte de electrones, pero entra en la vía
metabólica por un punto diferente.
En eucariotas, las enzimas en este sistema de transporte de electrones
utilizan la energía liberada de la oxidación de NADH para bombear
protones a través de la membrana interna mitocondrial. Esto provoca
una acumulación de protones en el espacio intermembrana, y genera
un gradiente electroquímico a través de la membrana. La energía
almacenada en este potencial es luego utilizada por la ATP sintasa para
producir ATP. La fosforilación oxidativa en las mitocondrias de
organismos eucariotas es el ejemplo de este proceso mejor
comprendido. Las mitocondrias están presentes en casi todos los
eucariotas, con la excepción de los protozoarios anaeróbicos tales
como Trichomonas vaginalis que en su lugar reducen protones a
hidrógeno en una reminiscencia de mitocondria llamada
hidrogenosoma.
Se ha comprobado que las enzimas de la cadena respiratoria se sitúan
preferentemente en la membrana de las crestas mitocondriales. La
membrana crestal está enriquecida en los componentes de estos
complejos, aproximadamente en un 70% del total. Se ha sugerido que
esta distribución asimétrica podría deberse a que las juntas crestales
suponen una barrera dinámica.
ENZIMAS RESPIRATORIAS Y SUSTRATOS TÍPICOS DE EUCARIOTAS.
Enzima respiratoria Par redoxPotencial
medio (Volts)
NADH deshidrogenasa NAD+ / NADH −0,3230
Succinato deshidrogenasa
FMN o FAD / FMNH2 o FADH2 −0,2030
Complejo del citocromo bc1
Coenzima Q10ox / Coenzima Q10red
+0,0630
Complejo del citocromo bc1
Citocromo box / Citocromo bred +0,1230
Complejo IV Citocromo cox / Citocromo cred +0,2230
Complejo IV Citocromo aox / Citocromo ared +0,2930
Complejo IV O2 / HO- +0,8230
Condiciones: pH = 730
B. Cadena de transporte de electrones en procariotas
En contraste con la similaridad general en cuanto a estructura y función
de la cadena de transporte de electrones en eucariotas, las bacterias y
arqueas poseen una gran variedad de enzimas de transferencia de
electrones. Estas utilizan un conjunto igualmente amplio de sustratos.81
Al igual que en los eucariotas, la cadena de transporte de electrones de
los procariotas utiliza la energía liberada de la oxidación de un sustrato
para bombear iones a través de la membrana y generar un gradiente
electroquímico. En bacterias, la fosforilación oxidativa en Escherichia
coli ha sido estudiada en profundidad, mientras que los sistemas de
arqueas han sido poco estudiados.82
La principal diferencia entre la fosforilación oxidativa en procariotas y
eucariotas es que tanto bacterias como arqueas utilizan una gran
variedad de donantes y aceptores de electrones. Esto permite a los
procariotas desarrollarse en una amplia variedad de condiciones
ambientales.83 En E. coli, por ejemplo, la fosforilación oxidativa puede
ser llevada a cabo por un gran número de pares de agentes reductores
y oxidantes, los cuales son listados a continuación. El potencial medio
de un químico mide cuanta energía es liberada cuanto este es oxidado
o reducido, teniendo los agentes reductores un potencial negativo y los
agentes oxidantes un potencial positivo.
Enzimas respiratorias y sustratos en E. coli.84
Enzima respiratoria Par redoxPotencial
medio (Volts)
Formiato deshidrogenasa Bicarbonato / Formiato −0,43
Hidrogenasa Protón / Hidrógeno −0,42
NADH deshidrogenasa NAD+ / NADH −0,32
Glicerol-3-fosfato deshidrogenasa
DHAP / Gli-3-P −0,19
Piruvato oxidasa Acetato + Dióxido de carbono / Piruvato
?
Lactato deshidrogenasa Piruvato / Lactato −0,19
D-aminoácido deshidrogenasa
2-oxoácido + Amoníaco / D-aminoácido
?
Glucosa deshidrogenasa Gluconato / Glucosa −0,14
Succinato deshidrogenasa Fumarato / Succinato +0,03
Ubiquinol oxidasa Oxígeno / Agua +0,82
Nitrato reductasa Nitrato / Nitrito +0,42
Nitrito reductasa Nitrito / Amoníaco +0,36
Dimetil sulfóxido reductasa DMSO / DMS +0,16
Trimetilamina N-óxido reductasa
TMAO / TMA +0,13
Fumarato reductasa Fumarato / Succinato +0,03
IV. EJEMPLOS DE INHIBIDORES DE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Existen varias drogas y toxinas que inhiben la fosforilación oxidativa.
Aunque estas toxinas inhiben sólo una enzima en la cadena de transporte
de electrones, la inhibición de cualquier paso detiene el resto del proceso.
Por ejemplo, cuando la oligomicina inhibe a la enzima ATP sintasa, los
protones no pueden ser devueltos a la mitocondria.104 Como resultado, las
bombas de protones son incapaces de operar, y el gradiente se torna
demasiado fuerte como para ser superado. NADH deja de ser oxidado y el
ciclo del ácido cítrico deja de operar porque la concentración de NAD+ cae
por debajo de la concentración que estas enzimas pueden utilizar.
Cianuro : El cianuro es un potente veneno que inhibe la cadena de
transporte de electrones y la fosforilación oxidativa bloqueando el paso
de electrones del citocromo a3 al oxígeno en el complejo IV. Esto
bloquea la cadena de transporte de electrones, lo que conlleva que no
se genere el gradiente de protones y por tanto no se produzca la
obtención de ATP con la consiguiente acumulación de NADH y FADH2.
Además el cianuro se une a la hemoglobina impidiendo también la
captación de oxígeno.
Oligomicina : La oligomicina, un antibiótico producido por
Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad Fo e
interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la
síntesis de ATP y como consecuencia de no eliminar el gradiente de
protones se inhibe también a la cadena de transporte de electrones. por
lo tanto disminuirá el consumo de O2 y se acumulará NADH y FADH2.
2,4-Dinitrofenol : El 2,4-dinitrofenol es un agente desacoplante, es
decir, desacopla la cadena de transporte de electrones de la
fosforilación oxidativa. El desacoplamiento se produce ya que el 2,4-
dinitrofenol hace permeable a los protones la membrana interna
mitocondrial deshaciendo la relación obligada entre la cadena
respiratoria y la fosforilación oxidativa. El efecto de este veneno por
tanto es la inhibición de la producción de ATP al no generarse el
gradiente de pH pero si permite que la cadena de transporte de
electrones continúe funcionando.
Compuesto Uso Efecto en la fosforilación oxidativa
Cianuro ymonóxido de carbono
Veneno
Inhiben la cadena de transporte de electrones ya que se unen más fuertemente que el oxígeno a los centros Fe–Cu en la citocromo c oxidasa, y por tanto evitan la reducción del oxígeno.105
Oligomicina AntibióticoInhibe la ATP sintasa bloqueando el flujo de protones a través de la subunidad Fo.104
CCCP2,4-Dinitrofenol
Veneno
Ionóforos que interrumpen el gradiente de protones transportando estos a través de la membrana. Este ionoforo desacopla el bombeo de electrones de la ATP sintasa debido a que transporta electrones a través de la membrana mitocondrial interna.106
Rotenona PesticidaImpide la transferencia de electrones del complejo I a la ubiquinona al bloquear los sitios de unión a la ubiquinona.107
Malonato y oxaloacetato
Inhibidores competitivos de la succinato de hidrogenasa (complejo II).108
No todos los inhibidores de la fosforilación oxidativa son toxinas. En el tejido
adiposo marrón, los canales de protones regulados llamados proteínas
desacopladoras son capaces de desacoplar la respiración de la síntesis de
ATP.109 Esta respiración rápida produce calor, y es particularmente importante
como una vía para mantener la temperatura corporal en la hibernación de los
animales, aunque estas proteínas pueden también tener una función más general
en la respuesta de las células al estrés oxidativo
V. QUÉ ES LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza energía
liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato
(ATP). Se le llama así para distinguirla de otras rutas que producen ATP
con menor rendimiento, llamadas "a nivel de sustrato". Se calcula que hasta
el 90% de la energía celular en forma de ATP es producida de esta forma.1
Consta de dos etapas: en la primera, la energía libre generada mediante
reacciones químicas redox en varios complejos multiproteicos -conocidos
en su conjunto como cadena de transporte de electrones- se emplea para
producir, por diversos procedimientos como bombeo, ciclos quinona/quinol
o bucles redox, un gradiente electroquímico de protones a través de una
membrana asociada en un proceso llamado quimiosmosis. La cadena
respiratoria está formada por tres complejos de proteínas principales
(complejo I,III, IV), y varios complejos "auxiliares", utilizando una variedad
de donantes y aceptores de electrones. Los tres complejos se asocian en
supercomplejos para canalizar las moléculas transportadoras de electrones,
la coenzima Q y el citocromo c, haciendo más eficiente el proceso.
La energía potencial de ese gradiente, llamada fuerza protón-motriz, se
libera cuando se translocan los protones a través de un canal pasivo, la
enzima ATP sintasa, y se utiliza en la adición de un grupo fosfato a una
molécula de ADP para almacenar parte de esa energía potencial en los
enlaces anhidro "de alta energía" de la molécula de ATP mediante un
mecanismo en el que interviene la rotación de una parte de la enzima a
medida que fluyen los protones a través de ella. En vertebrados, y
posiblemente en todo el reino animal, se genera un ATP por cada 2,7
protones translocados. Algunos organismos tienen ATPasas con un
rendimiento menor.
Existen también proteínas desacopladoras que permiten controlar el flujo de
protones y generar calor desacoplando ambas fases de la fosforilación
oxidativa.
Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran variedad de
nutrientes, casi todas realizan la fosforilación oxidativa para producir ATP, la
molécula que provee de energía al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua
debido a que es una forma altamente eficaz de liberación de energía, en
comparación con los procesos alternativos de fermentación, como la
glucólisis anaeróbica.
Pese a que la fosforilación oxidativa es una parte vital del metabolismo,
produce una pequeña proporción de especies reactivas del oxígeno tales
como superóxido y peróxido de hidrógeno, lo que lleva a la propagación de
radicales libres, provocando daño celular, contribuyendo a enfermedades y,
posiblemente, al envejecimiento. Sin embargo, los radicales tienen un
importante papel en la señalización celular, y posiblemente en la formación
de enlaces disulfuro de las propias proteínas de la membrana interna
mitocondrial. Las enzimas que llevan a cabo esta ruta metabólica son
blanco de muchas drogas y productos tóxicos que inhiben su actividad.
VI. EJEMPLOS DE ACOPLADORES
Inhibidores de la respiración
Los inhibidores de la respiración son sustancias que inhiben la respiración
celular.
Tipos de Inhibidores
Inhibidores de la cadena respiratoria
Inhibidores de la fosforilación oxidativa
Desacopladores de la fosforilación oxidativa
1. Los inhibidores de la respiración
Este tipo de inhibidores reciben este nombre porque su principal función es el
inhibir el transporte de electrones en la cadena de la respiración. Los
inhibidores del transporte de electrones más comúnmente usados pueden
reunirse en tres grupos principales según el sitio de la cadena respiratoria
donde actúan:
Sobre la NADH-deshidrogenasa, bloqueando la transferencia de electrones
entre la flavina y la ubiquinona. (Inhibidores del sitio I)
Barbitúricos , como el amobarbital
Piericidina A (antibiótico)
Rotenona (insecticida)
Actúa bloqueando la transferencia de electrones entre el citocromo b y el
citocromo c1. (inhibidores de sitio III)
Antimicina
Actúan sobre el Hemo a3 de la citocromooxidasa impidiendo su interacción
con el oxígeno (inhibidores de sitio IV)
Cianuro
Monóxido de carbono
H2S
2. Inhibición de la fosforilación
Actúan en el complejo enzimático (ATPasa) que cataliza la síntesis de ATP,
bloquean el paso en el cual el ADP se une al fosfato impidiendo que la energía
del potencial electroquímico llegue al sistema fosforilante.
Oligomicina
Atractilósido (inhib e el transportador que introduce ADP a la
mitocondria)
3. Desacopladores
La acción de estos consiste en disociar la oxidación en la cadena respiratoria,
de la fosforilación. Bloquean la síntesis de ATP, al tiempo que permite que
continúe el transporte electrónico a lo largo de la cadena respiratoria hasta el
O2.
Son ácidos débiles solubles en lípidos.
Un desacoplante muy usado es el 2,4-dinitrofenol (DNP) el cual actúa de
aproximándose a la membrana interna y protonandose, debido al pH más bajo
existente en esta zona, esta protonación aumenta la hidrofobicidad del DNP, lo
cual permite que difunda en la membrana y que la atraviese por la acción de
masa. Una vez dentro de la matriz, el pH más alto hace que el hidroxilo
fenólico desprotone. Así pues, el desacoplador tiene el efecto de transporte de
H+ de vuelta hacia la matriz, evitando el canal protónico Fo y, por tanto, sin
síntesis de ATP. Ya que la entrada de los H+ en la matriz, a través del canal
Fo proporciona la energía necesaria para impulsar la síntesis de ATP, Otros
desacopladores son:
Dinitrocresol
Pentaclorofenol
CCCP (m-clorocarbonilcianuro fenilhidrazona), 100 veces más activa
que el primero.
Transferencia de electrones en dos pasos, en el complejo III: Q-citocromo c oxidorreductasa. Luego de cada paso, Q (en la parte superior de la figura) abandona la enzima.
Mecanismo de la ATP sintasa. El ATP se muestra en rojo, el ADP y fosfato en rosado y la subunidad γ rotando, en negro.