Metabolismoquimitrofo de la energa:respiracinaerobiahttp://booksmedicos.blogspot.comT-r

-n el captuloanterior hemosaprendidoque algunas clulas satisfacen requisitosenergticos sus mediantela fermentacin aerbica, bien porquesean anaerobias estrictas porque seanclulas o bien anaerobias facultativas, capaces de funcionar en situaciones ausencia escasez oxlgede o de no. Sin embargo, tambinhemosvisto quela fermentacin produce nicamentecantidades limitadas de energa. En ausencia un aceptorde electrones de externo-uno que no forma parte por s mismo de la ruta glucoltica- los que electrones seliberan de un compuesto orgnicode tres carbonos(gliceraldehdo-3-fosfato) transfieren final a se al (piruvato), la diferencia y otro compuesto trescarbonos de de energa tal que slo segeneran molculas ATP es dos de por cadamolcula glucosa. de En resumen, fermentacin la puedesatisfacer requilos sitosenergticos una clula, pero el rendimientodeAIP de esbajo,porquela clulaslo tiene acceso una partelimia tada de la energalibre potencialmente disponible de las molculasoxidables, que usa como sustratos. Adems,la fermentacintiene a menudo como consecuencia, acula mulacin de productosde desecho como el etanolo el lactato,quesi seacumulan,sontxicosparala clula,a no ser, claro est,que seanexcretados la clulay metabolizapor dosposteriormente otro lugar del organismo. en

Respiracin celular: maximizando el rendimiento del ATPTodo esto cambia dramticamente cuando se trata de la respiracin celular, o para abreviar, respiracin.Cuando se dispone de un aceptor de electrones externo, se puede dar la oxidacin completa del sustrato, obtenindose ms ATP.

Seentiendecomorespiracin celular, flujo deelectrones el en o a travs una membrana, de desde coenzimas reducidas hasta un aceptor electrones, de normalmente acompaado la de produccin ATP.Posteriormente de abordaremos signifiel y cado de de de esta de definicin.Por ahora,centrmonos las coenzimas en rey ductoras los aceptores electrones. hemosvisto que de Ya por la coenzima reducidaque segenera el catabolismo glucoltico de los azcares compuestos o relacionados el es NADH. Como veremos continuacin, a otrasdos coenziy mas,EAD (dinucletido adenina flavina) y coenzima de Q (o ubiquinona), tambinrecogen electrones, selilos que ylos transfieberandesde compuestos orgnicos oxidables ren al aceptorfinal de electrones, travsde una seriede a transportadores electrnicos. Paramuchosorganismos, incluyendoal autor y los lectoresde estelibro, el aceptorfinal de electrones el oxgees no,laforma reducida este de aceptor el agua,yseconoes ce al procesoen su conjunto como respiracin aerobia. Mientras que la gran mayora de los quimitrofos en la Tierra llevan a cabo la respiracinaerobia,existenvarios aceptores finalesde electrones son usados que por otros organismos, especialmentepor las bacterias. Algunos ejemplos estos aceptores y de alternativos de susformasreducidas son el azufre(S/H2S), protones(H+/Hr) y los los ionesde hierro (Fe3+/Fe2*). procesos Los respiratorios que incluyenaceptores electrones de como stos, necesitan no el ogeno moleculary son,por tanto,ejemplos respirade cin anaerobia.La respiracinanaerobiadesempea un papel importante en los ciclos ambientales elementos de como el azufre,el hidrgenoy el hierro,y contribuyensignificativamentea la economaenergtica la biosfera. de Nosotros,sin embargo, centraremos nos aquen la respiraRespiracin celular: maximizando el rendimiento ATP del

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porquerepresenta fuenteprincipaldel mecin aerobia la tabolismo energtico el mundo aerbico quesomos en del partenosotros otrosorganismos y superiores.

Pondremos especialatencin en la mitocondria (Figura 10.1) porque la mayor parte de la produccin aerbica de AIP tiene lugar dentro de esteorgnulo.

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Figuta10.10 Regulacin ciclo del TCA. EI ciclo del TCA y la reaccin deshidrogenasa del precedentedel piruvato semuestran aqu en formato resaltado,con las enzimasreguladorasen azul. Los efectosreguladoresprincipales seindican como activacin (+) o inhibicin (-). Los reguladoresalostricosincluyen CoA, NAD+, AMP yADP como activadoresy acetil CoA, NADH, AIP y succinil CoA como inhibidores. Aparte de su efecto alostrico sobrela actividad de la piruvato deshidrogenasa, AIP activa la PDH quinasa (Er), la enzima que fosforila el uno de los componentesdel complejo PDH, haciendo que se inactive.La enzimaPDH fosfatasa(8,), elimina el grupo fosfato,volviendo a activar al complejo PDH.

quimitrofo laenerga: Captulo Metabolsmo 10 de respiracin aerobia

color rojo y un signo ms de color verde, en la Figupiel alostrica, complejo Apartede la regulacin ra 10.10. (PDH) seactivae inactivamedianruvato deshidrogenasa de reversible uno de te una fosforilaciny desfosforilacin proteicos. suscomponentes del de el Paraapreciar significado la regulacin ciclo del que TCA,recuerde usaacetilCoA,NAD*, FADyADP como y sustratos que generacomo productosNADH, FADH2, productos 10.3). Tiesde estos Reaccin CO, yATP (vasela -NADH, AIR y acetilCoA- sonimportantes de efectores como se muestraen la Figura 10.10. una o ms enzimas, NAD+, ADP y AMP activancadauno al menosa Adems, Desde punto devista,el este reguladoras. lasenzimas una de de redoxy energtico sensible losestados a cicloesaltamente la relacinNADH/NAD* y las la clula,valoradoscomo relativas ATRADP yAMP. de concentraciones generadoras NADH que de Lascuatrodeshidrogenasas en semuestran la Figura10.10son inhibidaspor NADH. de El aumentode la concentracin NADH en la mitocondeshidrogepor dria disminuye, tanto,la actividadde estas lo nasas, que conducea una reduccinen la actividaddel el ciclo del TCA.Adems, complejoPDH esinhibido por el y cuandohay muchaenerga), ATP (que esmsabundante son tanto la PDH como la isocitratodeshidrogenasa acticuandoserepor el ADP y AMP (msabundantes vadas quiereenergla). de La disponibilidadgeneral acetilCoA estdeterminada principalmente por la actividad del complejo PDH (taseReaccin que esinhibido alostricamente 10.1), Por NADH, ATP y acetilCoA y esactivadopor NAD+, AMP y este CoA libre (Figura10.10).Asimismo, complejoenzimpor tico esinactivado la fosforilacinde uno de suscompoproteicos cuandola relacin[ATP]/[ADP] esbaja. nentes estn de Estasreacciones fosforilaciny desfosforilacin respectiporla PDH quinasaylaPDH fosfatas4 catalizadas por No vamente. essorprendente lo tanto, que el AIP sea y un inactivadorde la quinasa un inhibidor de la fosfatasa. Como resultado de estos mltiples mecanismosde a control, la produccin de acetil CoA essensible las relaciones[acetilCoA]/[CoA] y [NADH]/[NAD] en la mitocondria y tambin al contenido mitocondrial de ATP. del reguladores sobrelasreacciones efectos Apartede estos del ciclo del TCA, existeun control por retroalimentacin sobrela ruta glucoltica,graciasa los efectosinhibiciclo doresdel citrato y de la acetilCoA sobrela fosfofructoqui(vanseFigts' respectivamente nasay la piruvatoquinasa, y 10.10). ras9.I2 central un El ciclo del TCAdesempea pape de en el catabolismo grasasy proteinas Es imprescindibleentenderel papel central del ciclo del TCA en todo el metabolismoenergticoaerbico.Hasta ahora, hemos consideradoa la glucosacomo el sustrato A principal de la respiracincelular. pesarde que la mayor

para el metabogenerales descritas parte de las reacciones lismo energtico quimitrofo consideran a Ia glucosa como el compuestode partida, debemossealarel papel alternativas como carburanteen el mede otrasmolculas celular y en el ciclo del TCA, espetabolismo energtico Lejosde ser una ruta cialmentelos lpidos y las protenas. de menor para el catabolismo un nico azicar,el ciclo del la TCA representa principal opcin del metabolismoenerdesde gtico aerobio en un gran abanicode organismos, y superiores los animales. los microbioshastalos vegetales La Efasa comounafuentede energfa, Cuando nos enconen tramospor primeraveza lasgrasas el Captulo3, analiy de zamossu papelen el almacenamiento energa observamos que son compuestosaltamente reducidos que Iiberan ms energapor gramo tras su oxidacin que los razn, grasas un almacn las son de Por carbohidratos. esta Las de energa largo plazoparamuchosorganismos. reseren importantes los animason vasde grasa especialmente tambin una les hibernantesy migratorios y representan energay carbono por las forma comn de almacenar parasu funLas son plantas sussemillas. grasas ideales en porque permiten el miximo almacenacin de almacn con el mlnimo pesoy volumen. miento de caloras en La mayorade la grasasealmacena forma de triacil(tambin llamados triacilgJicridos), que son gliceroles grasos cadena larga de neutrosde glicerolycidos tristeres (vaseFignra de El 3.27b). catabolismo los triacilgliceroles licon su hidrlisisen gliceroly cidosgrasos comienza bres.El glicerol se desvaa la ruta glucollticapor su confosfato,como seinversinoxidativaen dihidroxiacetona estnunidos a la dica en la Figura9.9.Los cidosgrasos que A coenzima para formar acil CoA grasos, son postepor mediante proceso un riormentedegradados oxidacin y que secuencial implica la oxidacinsucesiva la eliminagenerndose acetilCoA de cin de unidades doscarbonos, reducidas NADH y FADHT. ylas coenzimas de secuencial catabolismo cidosgrasos de Esteproceso a acetilCoA sedenominaB oxidacin porqueel acontecitienelugaren miento oxidativoinicial en cadaciclosucesivo en el tomo de carbonoque seencuentra la posicinB del carbonodesde grupo carel cidograso(esdecir,el segundo derivados las de boxilo). De estamanera,los cidosgrasos grasas, igual que el piruvato derivadode los carbohidraal pospor tos,seconvierten oxidacinen acetilCoA,queser por teriormentecatabolizado el ciclo del TCA. Es ms,las estnlocalizade enzimas la oxidacinde los cidosgrasos dasen la mitocondriaen muchas(si no en todas)lasclulas por eucariotas, lo que el acetilCoA que provienede lasgradentro del misse sasnormalmente producey secataboliza e celular(vas Figura I 0.1b ). mo compartimiento y comounafuentede enefgla de aminocidos. Las protenas normalmentecomo fuente Lasprotenasno seconsideran papelesms importantes de energaya que desempeana vueltas laoxidacin 287 con tricarboxlico: Elciclo cido del

dentro de la clula -como enzimas, protenas transportadoras,hormonas y receptores, por ejemplo-. pero lasprotenas,tambin pueden ser catabolizadas para generarATp si es necesario, especialmente cuando los depsitosde grasasy de azwcarcs estn vacos o no estn disponibles. En los animales,el catabolismoproteico es importante en condicionesde ayuno o de inanicin, o cuando la ingestade protenas en la dieta supera las necesidades aminocidos. de En los vegetales, catabolismo de protenas proporciona el la materia prima para la sntesisde protenas durante la germinacin o durante el almacenamientode protelnas en las semillas.Asimismo, todas las clulasllevan a cabo una renovacin de las protenasy de las estructurasque contienen protenas.Los aminocidos en los que una protena se degrada, puedenser reciclados proteinaso serdegradaen dos oxidativamentepara obtener energa. El catabolismo de las protenas comienza con la hidrIisis del enlacepeptdico que mantiene a los aminocidos unidos en una cadenapolipeptdica.El procesose denomina proteolisis, y las enzimasque lo llevan a cabo,proteasas.

Los productos de la digestin proteoltica son pequeos pptidos y aminocidos libres. Las digestionesposteriores de los pptidos estn catalizadas por las peptidasas,que hidrolizan, tanto enlacespeptdicos internos (endopiptidasas),como externos (exopeptidasas). Los aminocidos libres, ya seaningeridos o provengan de la digestin de las protenas, pueden ser catabolizaos para la obtencin de energa. Normalmente, estossustratos alternativosse convierten en intermediarios de rutas metablicas ms importantes en el menor nmero de pasosposible.A pesar de su diversidad numrica y qumica, todas estas rutas desembocan finalmente en unos pocos intermediarios del ciclo del TCA, principalmente acetil CoA, a-cetoglutarato,oxoalacetato, fumarato y succinil CoA. De los 20 aminocidos que se pueden encontrar en las protenas,tres dan lugar a intermediarios del ciclo del TCA de una manera directa. Estos aminocidos son la alanina, el aspartatoy el glutamato, que pueden ser convertidos en piruvato, oxoalacetato a-cetoglutarato, y respectivamente (Figura 10.11).Los dems aminocidos requieren rutas

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Figura 10,11 Interconversin varios de y aminocidos sus conespondientes cetocidos el ciclo del TCA. Los en aminocidos(a) alanina,(b) aspartato v (c) glutamato puedenserconvelrtidos eversiblemente suscorrespondientes en z-cetocidos: piruvato,oxalacetato y r-cetogl utarato, respectivamente. Cada uno de estos cetocidos un es intermediario del ciclo dei TCA, del que se representa una parte para situar el contextometablicopara estas reacciones. En cadacaso, grupo amino semuestra el en azul y el grupo ceto en amarillo. Estas reacciones rpidamentereversibles son y desempean funcincatabolica la de convertirlos aminocidos en intermediariosdel ciclo del TCA para la oxidacinaCOry HrO y la funcin anablica de convertir ios intermediarios del ciclo del TCA en aminocidos para usarlos la snlesis proteinas. rutas en de Las catablicas anablicas y para otros aminocidos pero son menosdirectas, tambien finalizan y parten de intermed iariosdel metabolismo respiratorio.

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Captulo 10

Metabolismo quimitrofo la energa: de respracin aerobta

con muchos intermefrecuentemente ms complicadas, estasrutas en el futuro' diarios. Encontrarseguramente probablemente un cursodebioqumica.Cuandoassea, en de asegrese distinguir cuntosde ellos tienen productos finalesque son intermediariosdel ciclo del TCA' porque esto reforzarms an el papel central del ciclo del TCA celular. para todo el metabolismoenergtico una El ciclo del TCAconsttuye fuentede preculsores pafatutas anablicas el La funcin principal del ciclo del TCA es,claramente, habidacuentade su papelen la oxidacindel catabolismo, conacetilCoA a dixido de carbono,con la consiguiente reducilibre en forma de coenzimas de energa servacin la das.En prcticamente mayorade las clulasexisteun dentro y fuera del ciclo de intermediaflujo considerable Estas reacrios de cuatro,cincoy seistomosde carbono' de suministro intermediarios reponen el colaterales ciones a en el ciclo, segnlas necesidades, \a vez que se utilizan de derivados algunode los de parala sntesis compuestos intermediariosdel ciclo.Debido a que el ciclo del TCA rea y presentaun nexo entre rutas catablicas anablicas, (del menudo se le denomina como una ruta anfiblica ). significa griegoamphi-,que el Ademsde su papel central en el catabolismo, ciclo anablicos. del TCA estinvolucradoen variosprocesos en que las Por ejemplo, tresreacciones semuestran la Fia-cetodel ciclo los gura 10.11convierten intermediarios y aspartato glutamaalanina, del TCA en los aminocidos de son to. Estosaminocidos constituyentes lasprotenas, en asque el ciclo del TCA estimplicado indirectamente proteica, aportandovariosde los aminocidos la sntesis El en que senecesitan el proceso. citratoy el succinilCoA que metablicos proveeel ciclo del son otros precursores TCA.El succinilCoA esel punto de partidaparala sntesis del grupo hemo,mientrasque el citrato puedeser transportado a la mitocondria y usado como fuente de acetil grasos el citosol. en posterior cidos de CoA parala slntesis

que estaruta puedensintetizar Los organismos poseen como el de -ompuestosde dos carbonos, azicaresipartir glioxilatoposibilitatambinla converEl acetato. ciclo del en almacenadas carbohidratos. sin de las grasas

Transporte de electrones: flrrjo d electrones desde las coenzimas al oxgeno

etapas la resde las ya Habiendo considerado dosprimeras piracin aerobia-la glucolisisy el ciclo del TCA- hagaqu parapreguntarnos hemosconsepausa mosuna breve 10.3, el en guido hastaahora.Como seseala Ia Reaccin metabolismoquimitrofo de la energaa travsdel ciclo de del TCA, tiene como resultadola sntesis cuatro moly dos culasde ATP por cadaglucosa, de la glucolisis otras dos del ciclo del TCA. La oxidacincompletade la glucosa hea CO, puedeproducir 686kcal/mol,peronicamente de mos obtenidomenosdel l0o/o esacantidad(slo4 AIP 10 con aproximadamente kcal/molcadauno, basndonos de en el valor de AG' parala sntesis ATP en una clula estel se normal) Dnde, podra uno podrapreguntar, el de la energa? cundoobtendremos rendimienresto Y de mayor de AIP caracterstico la to significativamente respiracin? La est es La respuesta muy sencilla. energa justo ah en por de representada lasmolculas coenzi10.3, la Reaccin a y FADHT. Como veremos contiNADH mas reducidas cuando gran cantidadde energa nuacin,se libera una por la transfereducidasson reoxidadas estascoenzimas al rencia de sus electrones ogeno molecular.De hecho, potenciallibre que estpresende cercadel 90o/o la energa en se de te en una molcula glucosa conserva las l0 moleque seforde culasde NADH y en las2 molculas FADHT, man cuando se oxida una molculade glucosaa COt son, por tanto, (vase 10.3).Dichascoenzimas Reaccin que puedenser usadospara de compuestos alta energa en de de impulsarIa sntesis AIP despus serconvertidos la transmemelectroqumico potencial gradiente del energa elacetil CoA convierte El ciclodelglioxilato branade protones. en carbohdratos mediantela de El proceso reoxidacinde lascoenzimas transferenciade electronesal oxgeno se conoce como con el ciclo del TCA, pero que estrelacionada Una ruta es El transporte de electrones. transportede electrones la es una que desempea funcin anablica el ciclo del glioFigutercera etapa del metabolismo respiratorio (vase que sedescribe el Anexo 10A.Estareaccintiene en xilato de de El llamadoglioxiso- ra 10.1b). proceso sntesis ATP que lo acompaa de lugar en un tipo especial peroxisoma (etapa 4), se analizarposteriormenteen este captulo. .ma.Elciclo glioxilato reacciones el con varias comparte del que de no en de ciclo del TCA pero le faltanlasdosreacciones descarbo- Tenga cuenta, obstante, el transporte electroindependientes. de de molculas ace- nesy la sntesis ATP no son procesos En xilacin de ste. su lugar,seusandos Los dos son parte integrantede la respiracincelulary estato (queentranen la ruta como acetilCoA) paraproducir el tn vinculados,funcionalmente, uno al otro por el gra(vase Figuun succinato, compuestode cuatro carbonos que esal mismo tiemde fosfoenol- dienteelectroqumico protones' en despus se ra I0A.2).El succinato convierte y po el resultado transportede electrones el origende la del por glucoazcares piruvato del que puedensintetizarse que impulsala sntesis AIP. de energa neognesis.al oxigeno 289 desde flujo de Transportelectrones: deelectrones lascoenzimas

Er crcro DEL GLIoxILATo, Los clroxrsoMAs y LA GERMINACTN sEMTLLAS oELas especies vegetales que almacenanreservas sustanciales de carbono y energlaen sus semillasen forma de grasa,seenfrentan a un particular reto metablico cuando sussemillasgerminan: deben convertir la grasaalmacenada sacarosa, en que eslifuente inmediata de carbono y energapara la mayora de las clulasdurante la germinacin. Muchas plantas pertenecena estacategora, incluyendo especies oleaginosas conocidascomo Ia soja,el tan cacahuete, girasol,el ricino y el m alz.La grasaestformada el principalmente en triacilgliceroles(triglicridos) y sealmacena como cuerpos lpidicos,yaseaen los cotiledonesdel embrin de la planta o en el endospermo,el tejido nutritivo que rodea y nutre al embrin durante su desarrollo.La micrografia electrnicade la Figura 10A.1muestra la prominencia de los cuerposlipdicos en el cotiledn de una semilla de pepino. La ventaja de almacenargrasaen vez de carbohidratos, sehace patente si consideramosque un gramo de triacilglicerol contiene ms del doble de energaque un gramo de carbohidratos. Esta diferencia permite a las especies que almacenangrasas, empaquetar Ia mayor cantidad de carbono y calorasen el mnimo esp"tio posible. Sin embargo,esto implica que dichas especies tienen que ser capaces convertir la grasaalmacenadaenazicar cuando las de semillasgerminen. La transformacin de grasasen azcar no esposible para la mayora de los organismos.Muchos organismosconvierten rpidamente azcary otros carbohidratos en grasasque se almacenan.Pero la mayora de los organismos eucariotasno pueden llevar a cabo el proceso inverso.Paralas semillasde las especies vegetales que almacenangrasa,sin embargo,la conversin de los triacilglicerolesalmacenadosen sacarosa esencial,porque es la sacarosa la forma en la que setransporta carbono y energal es brote en crecimiento y a los picesde las racesde la semilla en desarrollo. Las rutas metablicasque hacen esto posible son la B-oxidacin y el ciclo del glioxilato. La funcin de la B-oxidacin esdegradarla grasaalmacenadaa acetil CoA. El acetil CoA entra despusen el ciclo del glioxilato (Figura 10A.2),una ruta cclica de cinco pasos, que recibe su nombre de uno de sus intermediarios, el cetoiido de dos carbonos denominado glioxilato. El ciclo del glioxilato est relacionado con el ciclo del TCA, con quien tiene tres reaccionesen comn. Sin embargo,hay una diferencia crucial: la presenciade dos enzimasespecficas los glioxisomas,la isocitratoliasayla malato de sintasa.Atravs del uso de estasdos enzimas,el ciclo del glioxilato sesaltalas dos reaccionesde descarboxilacindel ciclo del TCA. Adems,el ciclo del glioxilato introduce no una, sino dos molculas de acetil CoA por luelta del ciclo, generndose succinato,una molcula de cuatro tomos de carbono. As, el ciclo del glioxilato es anablico (el carbono entra como molcula de dos tomos de carbono y 1oabandona en forma de molcula de cuatro carbonos), mientras que el ciclo del TCA es catablico (el carbono entra como una molcula de dos carbonosy lo abandonacomo 2 molculasde

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En las semillasde las especies oleosas, enzimasde la las B-oxidacin y del ciclo del glioxilato selocalizan en orgnulos denominados glioxisomas. Los glioxisomasse encueniran en las semiasde las especies que almacenangrasay algunasvecesen las hojas ejas. En la micrografia electrnica de la Figura 10A.1 se pueden observar los glioxisomas.La ntima asociacinde los glioxisomascon los cuerpos lipdicos, presumiblemente facilita el transporte de cidos grasosdesdeestosultimos a aqullos. La Figura 104.2 recogetodo el metabolismo relivante dentro del contexto intracelular. Los triacilglicerolesalmacenadosse hidrolizan en los cuerposlipldicos, Iiberando cidos grasos.Estosse transportan dentro del glioxisoma y son degradadosmediante la oxidacin a acetil CoA, que estransformado en succinato por las enzimasdel ciclo del glioxilato. El succinato pasaa la mitocondria, donde se convierte en malato pasandopor fumarato en una reaccin que forma parte del ciclo del TCA. (Desecuenta de que existentambin mitocondrias en el cotiledn del pepino de l Figura 10A.1.) El malato estransportado posteriormente al citosol y oxidado a oxalacetato, cual es descarboxiladopara formar el

Proplastidos Glioxisomas lpdicos

Mtocondria

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Fi$uta10A.1 La asociacinentre los glioxisomasy los cuerposlipidicosen las semillasoleaginosas. Aqu semuestra Ia clula de un cotiledn de una semilla de pepino durante las primeras etapasdel desarrollo germinativo.los glioxisomasy las mitocondrias implicadas en la movilizacin de grasas en la gluconeognesis y estnlntimamente asociadas-con cuerpos pdicos en ls que se almacenala grasa.La los grasaesr,presente principalmente-en forma de triacilgliceroles (tambin llamados triglicridos). Sepuede obseivar la presenciad! proplastid-ios vez de plastosmaduros, lo que pone en evidencia que el cotiledn no es an fotosiniticamente activo y por en es lo tanto, heterotrfico en su modo de nutrirse (TEM).

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quimifofo laenerga: Captulo Metabolismo 10 de respiracin aerobia

fosfoenolpiruvato (PEP).EI PEP sirve como punto de partida de la en gluconeognesis el citosol, dando como producto final sacarosa, que setransporta a los tejidos en ' el carbohidrato por excelencia, crecimientode la planta. es La ruta desdelos triacilgliceroleshastala sacarosa obviamente bastantecompleja,e implica a enzimasde los cuerposlipdicos, de los

el glioxisomas,de la mitocondria y del citosol. Perorepresenta cordn umbilical metablico del que dependenlas semillasde todas Y de las especies plantasque almacenangrasa. complementagran parte del metabolismo que hemos estadoviendo en los Captulos 9 y el 10,incluyendo la gluconeognesis, ciclo del TCA, Ia B-oxidacin, y ahora tambin el ciclo del glioxilato.

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que Enzimas catalizan estas reacciones sintasa GC-1:Citrato GC-2:Aconitasa liasa GC-3: lsocitrato sintasa GC-4: Malato GC-5:Malatodeshdrogenasa

MITOCONDRIA

en Figura10A.2 El ciclo del glioxilato y la gluconeognesis las semillasoleaginosas. Las semillasde las plantas que almacenangrasapueden se transformar staen azicar. Los cidosgrasosderivadosde la hidrlisis de los triacilglicerolesalmacenados, oxidan a acetil CoA mediante el anablicade cinco en procesode la B-oxidacin. El acetil CoA setransforma despus succinatomediante el ciclo del glioxilato, una secuencia Todas GC-3 y GC-4, respectivamente. que recibe su nombre del glioxilato, la molcula que seconsumey segeneraen las reacciones ieacciones, las enzimase Ia B-oxidacin y del ciclo del glioxilato seencuentran en el glioxisoma.La transformacin de succinatoen malato tiene lugar en tiene y la mitocondria, mientras que el metabolismo posterior del malato pasandopor el fosfoenolpiruvato,a hexosas por tanto, a sacarosa, el como la soja,el cacahuete, maz y el ricino, el acetil CoA proviene de lugar en el citosol. En las semillasde las plantas que almacenangrasas, de h y'-oxidacin de cidosgrasos.En las bacteriasy el los microorganismos eucariotascapaces crecersobresustratosde dos carbonoscomo el enol o el actafo, el a,rtil CoA se genera a parfir del acetato lilre en una fosfurilac'n dependienged9,ATP

al oxgeno 291 desde flujo de Transportelectrones: deelectrones lascoenzimas

El sistemade transporte electlones de conduce los electrones desdelas coenzimas reducidas oxgeno al Evidentemente, buena parte de la energaliberadapor el catabolismooxidativo de los carbohidratos, grasao protenasse almacena las coenzimas en reducidasde elevada que energa seproducen este proceso. ms,estos en Es procesos oxidativospuedencontinuar nicamentesi hay molculas coenzimas de oxidadas disponibles como aceptores de electrones. Esto, a su vez, dependede la reoxidacin continua de coenzimas reducidasmediantela transferen-Or, ciade electrones un aceptor a terminalde electrones en el casode la respiracinaerobia.

coenzimas reducidasal oxgeno,estacopladoal bombeo de protones a travsde la membrana,producindose de estamanera el gradienteelectroqumicode protones del quedepende sntesis AIP? la de El sistemade transporte electrones de consisteen cnco tipos diferentes transportadores de

Los transportadores que constituyenel sistemasonflavoprotenas,ferrosulfoprotenas, citocromos, citocromos que contienen cobrey una quinonadenominada coenzima Q. Excepto coenzima todoslostransportadores prola son Q, tenascon grupos prostticos especficos capaces ser de oxidados reducidos y reversiblemente. todaslastransCasi y la oxidacin las coenzimas. El transporte electrones de de ferencias electrones de ocurrenen las membranas, lo por El transportede electrones implica la oxidacinaltamente que no essorprendente la mayorpartede estos que transexergnica NADH y de FADH, con el oxgenocomo del portadores sean molculas hidrfobas. hecho, mayoDe la aceptorterminal de electrones, pudiendo escribirlas reacra de estos intermediarios aparecen la membrana en como cionesglobales la manerasiguiente: de partede grandes complejos protenas de llamados compleNADH+H++iOr-NAD++H2O jos respiratorlos. Echaremos vistazoa la qumica de esun AGo' : -52,4kcallmol (10.4) tostransportadores electrones despus de y veremos cmo se organizan complejos en respiratorios se ordenanen y FADH2+ )Or--+ FAD + H2O una cadena transportadores, transfieren electrode que los AGo' : -45,9 kcalimol (10.5) nesdesde coenzimas las reducidas oxgeno. al El transporte electrones, lo tanto,no sloconllede por va Ia reoxidacinde las coenzimas el consumode oigey Flavoplotenas. el transportede electrones En participan no, sinotambinla liberacin agua, de que esla forma revariasflavoprotenas unidas a membrana,que usancomo ducidadel oigeno y uno de los dos productos finales grupo prosttico, del bien al dinucletido flavina adenina de metabolismo (El energtico aerobio. otro productofinal es (FAD),bien al mononucletido flavina (FMN). El FMN de el dixido de carbonoproducido en el ciclo delTCA;van- es,en esencia, mediamolculade FAD,como semuestra sela Figura10.8 la Reaccin y 10.19.) en la Figura10.9. ejemplode flavoprotena la NADH Un es deshidrogenasa, forma parte del complejo proteico que Elsistema transporte electrones.El aspecto de de que aceptalos pares de electrones msimque provienen del portantede las Reacciones y 10.5esla gran cantidad NADH. Otro ejemplo, conocidopor nosotros ciclo 10.4 ya del de energa libre desprendidadurante la oxidacin del del TCA,esla enzimasuccinato deshidrogenasa, tiene que NADH y del FADH, por la transferencia electrones de al FAD como grupo prostticoy forma parte de un comal oxgeno. valores AG'' de estas Los de reacciones dejanclaplejorespiratorio unido a membrana,queacepta pares los ro que la oxidacinde una coenzima un proceso es altade electrones succinatoa travsdel FAD.Una caractedel menteexergnico. transferencia electrones lleva a La de se rsticaimportante de las flavoprotenas de la coenzima (y caboen un proceso muchospasos, implicauna se- NADH tambin)esquetransfieren, de que tanto protones, como rie de transportadores electrones de oxidablesreversible- electrones medidaqueson oxidados reducidos a y reversimente que funcionan conjuntamenteen lo que se ha llablemente. mado cadenade transporte de electrones(ETS).De esta manera, gran diferenciade energa la libre entrelascoenziFenosulfoplotenas. ferrosulfolrotenas,tambin llaLas mas reducidas el oxgenoestrepartidaen una seriede y (protenas madas ferredoxinas frricassingrupohemo),fortransferencias electrones seliberade maneragradual, man parte de una familia de protenas, de y cadauna con un llevando al mximolas oportunidadespara la sntesis (Fe-S), consiste tomos hiede centro que en de ferrosulfuroso AIP y minimizando la prdida de energaen forma de rroy antfreasociados los gruposcistena la protecon de calor. na.Seconocen, menos, al una docena centros de Fe-Scue Nuestroanlisis sistema transportede electrones participan en el sistemamitocondrial de transportede del de se centraren tres cuestiones: Cules los prin(1) son electrones. tomosde hierro de estos Los centrosson los cipales transportadores electrones la ETS?(2) Cal verdaderos de en transportadores. Cadatomo de hierro alterna es Ia secuencia estostransportadores la cadena? entrela forma oxidada de (Fe3*) la reducida en (Fe2+) y durante (3) Cmo organizan se estos transportadores la memen el transportede electrones, en estecasoafectaa un que brana,para garantizarqrreel flujo de electrones desdelas nico electrn.Es ms, las protenas ferrosulfurosas no 292quimitrofola energa: Captulo Metabolismo 10 de respiracin aerobia

toman o cedenprotonesmientrascambianentre los estay dosoxidados los reducidos, aspecto un cuyaimportancia seharpatentemsadelante. Gitocromos, igual que las ferrosulfoprotenas, citoA1 los cromostambincontienen hierro,pero formandopartedel grupo prosttico una porfirina llamadohemo, queprode d, bablemente ustereconozca como componente la hemode globina(vanseFiguras3.4y 10.12). Existen, menos, al cinco tiposdiferentes citocromos el sistema transporte de en de de electrones, designados comocitocromosh c,cp ay ar.El tomo de hierro del grupo prosttico hemo,al igual que el del centroferrosulfuroso, sirvecomotransportador elecde tronesen los citocromos. fu, Ios citocromosson tambin transportadores un nico electrn,sin transferirprotode nes.Mientrasque los citocromosb, cr, Ay a3son protenas integrales membrana, citocromoc esuna protenapede el rifricade membrana, asociada indirectamente la caraexa terna de sta.Es ms,el citocromo c no forma partede un grancomplejoy puedepor tanto difundir muchomsrpidamente, propiedadclave una paradesempear papelen su proteicos. la transferencia electrones de entrecomplejos que Citocromos contienen cobre. Ademsde sustomosde hierro, los citocromosay a3tambin contienenun tomo de cobreunido al grupo hemo del citocromo,dondeseen-

cuentraasociado con un tomo de hierro para formar un centro bimetilico hierro-cobre (Fe-Cu).De la mismamanera que los tomos de hierro, el cobre tambin puede convertirse reversiblemente la forma oxidada(Cu2*) a de (Cu+)aceptando donandoelectrones. cenla reducida o El tro hierro-cobredesempea papelcrucialmanteniendo un una molculade O, unida al complejocitocromo oxidasa hastaque hayatomado los cuatro electrones los cuatro y protones requeridos,momento en el que el O, se libera como dosmolculas agua.(Un dato nutricional: si algude na vez se ha preguntadopara qu necesita elementos los cobrey hierro en la dieta,el transportede electrones un es buen ejemplo.) Coenzima La coenzimaQ (CoQ), el nico componente Q. no proteico de la ETS,es una quinona cuya estructurase muestra la Figura10.13. en Debidoa su carcter ubicuoen Ianaturaleza, conocea la coenzimaQ como ubiquinona. se La Figura 10.13ilustra tambinla reduccinreversible, en

tl H3c-o\c,,.."roH.

gH. l" i i (cN2- : c - cHr),oH cH , .,-^rc-c',c tlO CoQ (ubiquinona)

r.**-.lf\l+ Grupos vinilo

H^COJ -n-n-nu -nl

cH,

I I/ 7

tlo i, , e v

llr'"** |ll" I - (cH2cH= c - cHr),oH 2cI

Hac-o\C,,c=..arcH. ,-, _.,rc-c "" lv

cH"

CH:CH,

OH

(semiquinona) CoQH

r.**-.llcH^ cH^ ol'

\l

9H, II oHEIVO Figwa LQ.L2 La estructuta del gtupo hemo. El grupo hemo, tambin llamado ferroprotoporfirina IX, es el grupo prosttico en los citocromos b, c,y c Una molcula parecida,llamada hemo A, estpresenteen los citocromos ay a3.El hemo de los citocromos c, y c, esfunido covalentementea la protena mediante enlaces tioster entre los grupos sulfhidrilo de dos cistenasde la protena y grupos vinilo (-CH:CHr) del hemo (destacados amarillo). en En los otros citocromos, el grupo prosttico hemo estunido de forma no covalentea la protena.

ll

llr '-*n tf

CH. llll" (CH2-cH :c - CH2) loH , .. -^rC-c 2c "l OH CoQHr(dihidroquinona)Figura10.13 Las formas oxidadasy reducidasde la coenzimaQ. La coenzima Q (tambin llamada ubiquinona) aceptatanto electrones como protones segnva siendo reversiblementereducido en dos pasossucesivos un electrn cada uno, formndose primero de CoQH (la forma semiquinona) y posteriormente CoQH, (la forma dihidroquinona).

OH I - O..".C*,rCHs H.C

Transporte lectrones: deelectrones de flujo desde coenzimasoxgeno las al

293

la dospasosde un electrn,desde forma quinona (CoQ) a (CoQHr), pasando la forma dihidroquinona antespor la (CoQH). A diferenciade la mayorade forma semiquinona las protenasde la ETS,la coenzimaQ no forma parte de un complejorespiratorio,sino que seencuentraen el interior apolarde la membranamitocondrial interna (o de la membranaplasmtica, el casode procariotas). moen Las lculasde CoQ son los transportadores electrones de ms abundantes la membranay ocupanun lugar centralen en la ETS,sirviendo como un punto de recoleccin elecde tronesdesde gruposprostticos los reducidosde las deshidrogenasas unidasal FMN o al FAD en la membrana. Desecuentade que la coenzima no slo acepta los Q electrones cuandosereduce, sino tambinlos protonesy que libera,tanto los electrones, como los protonescuando seoxida.Estapropiedadescrucialen la funcin de la coenzima en el transporteactivo,o bombeo,de protoQ nesa travsde la membrana mitocondrialinterna.Cuando la CoQ sereducea CoQH2,acepta siemprelos protones desde un lado de la membrana, posteriormente difunde a travsde ella haciala superficieexterna,donde se oxida a CoQ, propulsandolos protoneshaciael otro lado de la membrana.Esto proporcionauna bomba de protonesacoplada transporte electrones, esuno al que de por los que se piensaque las mitode los mecanismos y y condrias,los cloroplastos los procariotasestablecen mantienenun gradiente electroqumico protonesque de la se usa para almacenar energa transportede elecdel trones. Lostranspoltadoles electlones de funcionan una en que secuenca venedeteminadaporsus potenciales de reduccin Ahora que conocemos tipos de transportadores los que conforman la ETS,nuestrasiguientepreguntahace referenciaa la secuencia que estos en transportadores operan. qu significael poParaello, es precisoque entendamos tencial de reduccin estndar, Es', que esuna medida,en por voltios(V), de la afinidadquetieneun compuesto los Describe facilidadde un compuesto la para gaelectrones. y nar electrones reducirse. potenciales reduccin Los de se por determinanexperimentalmente un par redox (reduccin-oxidacin), que consisteen dos molculasque son por interconvertibles la prdida o gananciade electrones. Por ejemplo,el NAD+ y el NADH constituyenun par rey dox,al igualque el Fe2+ el Fe3+, el ]O, y el HrO, como o semuestra lasEcuaciones a 10.8. en 10.6 (10.6) NAD- + H- + 2e- -""'-> NADH..

presentes un electrones cuandovariosparesredoxestn en mismo sistema, como esel casodel sistemade transporte de electrones. Como seha descritoanteriormente, potencialde reel duccin es una medida de la afinidad por los electrones, quetienela forma oxidadade un par redox.Tenerun valor positivo de Eo' para un par redox significa que la forma oxidadatiene una gran afinidadpor los electrones, consy tituye, por tanto, un buen aceptor electrones. ejemde Por plo, el valor de Eo'paraeI par OrlHrO esaltamente positique significa que el O, es un buen aceptor de vo, 1o electrones. su parte,el par NAD+/NADH tiene un vaPor lor de Eo' muy negativo, que quieredecir que el NAD+ lo esun aceptorde electrones malo. Por otro lado, un valor negativode Eo' puedeservisto como una medidade la capacidadcomo donador de electrones, tiene la forma que reducidade un par redox.De estamanera,el valor de Eo' tan negativodel par NADH significaque el NADH constituyeun buen donadorde electrones. Conocimientoslospotencales leduccin de estndaLPara de estandarizar clculos lascomparaciones los potenlos y de ciales reduccin variospares de de redox,necesitamos valores determinados bajo condicionesespecficas. este Con propsito,usaremos potencialde reduccinestndar el (Eo'),que esel potencial reduccin para un par redox de (25 bajo condiciones estndar "C, I M de concentracin, 1 atmsfera presiny un pH de 7,0).Los potenciales de de reduccinde los paresredox ms relevantes muestran se en la Thbla10.2. Por convencin, usael par redox2H+/H, comorefese rencia,al que se le asigna valor de 0,00V (Tabla10.2, el lnea en negrita).Un par redox que tengaun potencialde reduccin estndarpositivo significa que, bajo condicionesestndar, forma oxidadadel par poseeuna afinidad la que mayorpor los electrones el H- y que aceptar eleclos tronesdel Hr. En cambio,un potencialde reduccinnegativo quieredecir que la forma oxidadadel par tiene menos que afinidadpor loselectrones el H+ y quepor lo tantodonarlos electrones H- paraformar Hr. al Lospares redoxde la Tabla10.2estn colocados oren (es den, con los valoresde Eo' ms negativos deci los y, mejoresdonadores electrones por tanto,los agentes de reductores ms fuertes)en la parte superior.Todoslos pares redoxque semuestranen la Figura10.2puedenllevar a cabouna reaccin redox con cualquierotro par.El sentidode dichareaccin bajo condiciones estndar pueporque,la forma reducida cualquier de predecirse, par de redoxreducirespontneamenteforma oxidadade cualla por quierpar queseencuentre debajo l en Ia tabla.De de estamanera,el NADH puedereducir al piruvato alactato, pero no puedemediarla reduccindel a-cetoglutarato a isocitrato. La tendenciade una forma reducidade un par a reducir la forma oxidadade otro par puedecuantificarse deter-

te-

t+

+e

-

- )+ ---------)Fe-

(r0.7)(lo.s)

ior+

2l':'++ 2e- -------->Hro

Losvaloresrelativosde Eo' nos permiten compararpares redox y predeciren qu direccin tenderna fluir los294

quimitrofo laenerga: Captulo Metabolismo 10 de respiracin aerobia

para redox Tabla 10.2 Potenciales reduccin lospares de de importancia biolgica*Palesredox * (forma reducida) oxidada formaAcetato --+ piruvato Succinato --+ d-cetoglutarato Acetato + acetaldehdo 3-fosfoglicerato --+ gliceraldehdo 3-P a-cetoglutarato + NAD- +NADH FMN+FMNH2 + 1,3-difosfoglicee Acetaldehdo + Piruvato + etanol gliceraldehdo 3-P isocitrato

N,e de electrones

lla con un valor negativo AGo'y positivode AEo'.Para de reaccin oxidacin-reduccin, est cualquier de AGo' relala cionadocon AEn'mediante ecuacin:

Eo'(V)-0,70 -0,67 -0,60 -0,55 -0,38 -0,32 -0,30 -0,29 -0,20 - 0,19 - 0,18

AG' : -nF a,Eo'

(r0.rr)

z2 2 2 2

y donde n es el nmero de electrones transferido F es la constante Faraday(23.062callmol). Por ejemplo,la de reaccin NADH con el ogeno (Reaccin del 10.4)implide por cala transferencia doselectrones, lo quela AGo'de puedecalcularse la siguiente reaccin esta de manera AGo': -2F LEo': *2(23.062)(+1.136) : 52,400 (10.12) callmol:52,4 kcal/mol El valorde esta reaccin negativo, lo quela transes por ferencia electrones de desde NADH al O, estermodinel micamente espontnea bajo condiciones estndar. de Es, potenciales reduccin hecho,Ia diferencia de de entrelos pares redoxNAD+/NADHy OrlHrO,la quedirigela ETSy mantiene gradiente el electroqumico protones. de

z2

z2 2 2 2 2 2 I 2

Iactato

FAD+FADH2 Oxalacetato --+ malato Fumarato + succinato

-0,r7 -0,030,00+* +0,04 +0,07 +0,25 +0,29 +0,55 +0,77 +0,816

Reuniendo sistema transporte electrones, este el de de En momento disponemos la informacinnecesaria de para 1 Citocromo c (Fe3++ Fe2t) juntar laspiezas la ETS.Como ya sabemos, de consiste en 1 Lltocromo a (t'e" + te- ) variasdeshidrogenasas unidasal FMN y al FAD,protenas .- + - )+. t Lltocromo4J(te- +te) ferrosulfurosas un totalde 12o mscentros con Fe/S, cinco -. 1+ -- )+ ,. + Fe' (ion inorgnico) Fe'1 citocromos, de elloscon un centroFe/S, un conjunto dos y tlzOr+ 11rg 1 de molculas CoQ queseencuentran una forma oxide en (CoQH) o en la forma dada(CoQ),parcialmente reducida * El valor de AEo' corresponde la siguientehemirreaccin, a donde n esel (CoQHr).En la Figura10.14 muestran prinreducida se los nmero de electrones transferidos: cipales componentes la ETSordenados funcindesus de en + forma reducida Forma oxidada* nH- I ne (los ** Por definicin,estepar redox esel punto de referencia potenciales reduccin de estndar valores AEo'estn de que seusapara que [H]] : 1,0My determinar valores losotrospares los de redox; requiere se calculados segn Thbla10.2), Ia desde NADH libre (Eo': el po tanto,el pH es0,0.A un pH de 7,0,el valordelpar 2H*lH2es -0,42. -0,32V) y el del FADH2 de la succinatodeshidrogenasa (Eo': -0,18V) al ogeno (Eo': +0,816V). En trminos de energa, punto clavede la Figuel ra 10.14 que la posicinde cadatransportador es estdeminando AEo',la diferencia entre los valores de Eo' entre terminado por su potencial de reduccin estndar.En dos pares: palabras, sistema transporte electrones el de de con(lo.e) otras AEo' : Eo'u..pto.- Eo'donudo, siste una serie transportadores difierenqumicaen de que menteentres y cuyo orden de partipacinen Ia transfePor ejemplo, AEo' para la transferencia de electrones (Reaccin10.4) se calcula de la manera renciade electrones determinada suspotenciales por est desdeNADH al O, de reduccinrelativos. su vez,estoquieredecir que la A siguiente,con el NADH como donador y el O, como aceptransferencia electrones de tor: desde NADH o el FADH, en el la partesuperioral O, en la parteinferior esespontnea y - E''do*dor: * 0,816- (-0,32): t1.136V AEo' : Eo'u*ro, exergnica, algunas las transferencias con de entretrans(1o.ro) portadoressucesivos por grandesdiferencaracfeizadas ciasen susvaloresde Eo' y en consecuencia grandes por en libre. cambios la energa La refacin entte AGo'y AF', Como yahabr podido imaCitocromo & (Fe3+--+ Fe2*)

2H+ +Hz CoQ- --+ 66q1,

ginar, AE6' es una medida de Ia esponteanidadde la reaccin redox entre dos pares redox cualquiera en condiciones estndar.La espontaneidadde una reaccin redox en condicionesestndarpuede expresarse como AGo' o AEo'. Por convencin el signo de AEo' es el contrario del de AGo', de tal manera que una reaccin exergnicaes aqu-

La mayora los transportadores de estnorSanizados en cuatrograndes compleos respitatorios Aunque existenmuchostransportadores electrones de implicadosen la ETS,la mayorpartede ellosno seencuentran

de flujo Transportelectrones: deelectrones lascoenzimas desde al oxgeno 295

@*"-0,2Gomplejo l: NADH-coenzima Q oxidorreductasa Complejo ll: Succinato-coenzima Q oxidorreductasaoX 6 C q)

oC

o.)

c.) o)X

o(J

IJJ

Complejolll: Coenzima c Q-citocromo oxidorreductasa

u,tr '@

b c) oq) c O

c) o qC) c

oO

b tu v,a