Introducción al Metabolismo Energético

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son biomoléculas que aceleran la velocidad de las reacciones químicas. Por ejemplo, la degradación del azúcar en CO2 + H2O + Energía (parte en forma de calor). Son moléculas centrales en todos los procesos bioquímicos, actuando de forma secuenciada para catalizar cientos de reacciones intermedias necesarias para la degradación de nutrientes, la conservación y transformación de la energía química, y la formación de macromoléculas a partir de precursores simples.

Definiciones Clave

  • Todas las enzimas son proteínas (excepto algunas moléculas catalíticas de ARN). Su actividad depende de la integridad de su conformación nativa.
  • Cofactor: Componente químico adicional a la enzima.
  • Coenzima: Complejo orgánico o metalo-orgánico adicional a la enzima. Algunas enzimas necesitan ambos, uno o ninguno.
  • Grupo prostético: Coenzima o ión metálico unido a la proteína enzimática.
  • Holoenzima: Enzima completa (proteína + cofactor y/o coenzima).
  • Apoenzima: Parte proteica de la enzima.

Las coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos; la mayoría son vitaminas.

Clasificación de las Enzimas

Existe un sistema internacional que clasifica las enzimas en 6 clases principales:

  1. Oxidoreductasas
  2. Transferasas
  3. Hidrolasas
  4. Liasas
  5. Isomerasas
  6. Ligasas

Ejemplo: ATP + D-Glucosa → ADP + D-Glucosa-6-fosfato (ATP Glucosa fosfotransferasa). EC 2.7.1.1 (Comisión de Enzimas).

Cinética Enzimática

Las reacciones químicas se clasifican según el número de moléculas que deben reaccionar para formar productos (reacciones monomoleculares, bimoleculares y trimoleculares). También se clasifican según su cinética, en cuatro órdenes:

  • De orden cero: Independientes de la concentración de los reactivos; la velocidad depende de la concentración del catalizador.
  • De primer orden: La velocidad es proporcional a la concentración de un reactivo. Se expresan como A → P.
  • De segundo orden: La velocidad es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos o a la segunda potencia de un reactivo; se expresaría como A + B → P.
  • De tercer orden: Relativamente escasas; la velocidad es proporcional al producto de tres términos de concentración.

A las reacciones enzimáticas se aplican los mismos principios que a las reacciones químicas, excepto en la saturación por sustrato. En una reacción A → P, cuando la concentración del sustrato aumenta, la velocidad aumenta hasta un punto donde no aumenta más, a pesar de aumentar la concentración del sustrato. En este punto, se dice que la enzima se ha “saturado”.

Ecuación de Michaelis-Menten: Vo = Vmax [S] / (Km + [S]), donde Km = (K1 + K2) / K1

Introducción al Metabolismo

Las autótrofas pueden obtener el carbono del CO2, mientras que las heterótrofas no pueden utilizar el CO2 y necesitan obtenerlo de formas químicas complejas como la glucosa.

Las fotótrofas obtienen la energía a partir de la luz (solar), mientras que las quimiótrofas la obtienen de reacciones de óxido-reducción, que a su vez pueden subdividirse en:

  • Litoquimiótrofas: Pueden utilizar dadores electrónicos sencillos como el amoníaco o el azufre.
  • Organo-quimiótrofas: Necesitan moléculas más complejas como la glucosa.

Las aeróbicas utilizan el O2 molecular como aceptor final de electrones. Las anaeróbicas utilizan otra molécula. Las aeróbicas facultativas pueden vivir en condiciones anaeróbicas y aeróbicas, mientras que los anaeróbicos estrictos solo pueden vivir en anaerobiosis.

El metabolismo intermediario es la suma total de todas las reacciones enzimáticas que se producen en la célula. El anabolismo es la formación de biomoléculas, mientras que la degradación de estas se denomina catabolismo. Todos los productos intermediarios de estas rutas se denominan catabolitos.

Distinguimos tres fases en ambas rutas:

  • Fase 1 (catabolismo): Las moléculas complejas se degradan hasta sus componentes sillares o elementos principales, por ejemplo, almidón → glucosa.
  • Fase 2: Se produce una degradación hasta moléculas más sencillas, glucosa → acetil-CoA.
  • Fase 3: Estas moléculas sencillas se degradan hasta su producto final, CO2 y H2O.

Las rutas anabólicas y metabólicas de los mismos productos no son iguales, sino que comparten algunos pasos en paralelo. Existe una tercera ruta, denominada anfibólica, que puede utilizarse tanto para la síntesis como para la degradación.

La reacción catabólica de los componentes nutritivos se acompaña de la conservación de parte de su energía en los enlaces fosfato del ATP. La energía química también se puede transportar en forma de coenzimas reducidos, especialmente NADPH.

Ciclo del ATP

La estructura del ATP fue deducida por Lohmann en 1930. Es un nucleótido (adenina) unido al C1 de la ribosa, la cual, en su C5 se une a grupos fosfato. A pH 7, tanto ATP como ADP se encuentran como iones muy cargados; el ATP posee 4 protones ionizables y el ADP 3. En las células intactas suelen presentarse en forma de complejos con el Mg2+ en proporción uno a uno (MgATP2- y MgADP–). La concentración de Mg2+ es alta en el citoplasma.

La termodinámica de estos enlaces demuestra que su rotura es capaz de liberar 7 Kcal/mol (muy exergónica). Otros nucleótidos son el GTP, UTP, CTP, dATP, dTTP, etc.

El ATP se forma gracias a la acción del complejo ATP sintetasa (EC 3.6.3.14), también conocido como complejo V o FoF1-ATP sintetasa, que es una enzima de la cara interna de la membrana interna de las mitocondrias encargada de sintetizar ATP a partir de ADP y un grupo fosfato, utilizando la energía suministrada por un flujo de protones (H+). La síntesis de ATP gracias a esta enzima se denomina fosforilación oxidativa. La tasa de síntesis es grande; el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo.

Glucólisis

Los organismos heterótrofos obtienen energía de reacciones de óxido-reducción. Los aeróbicos la obtienen en su mayor parte de la respiración, que es la oxidación de combustibles orgánicos por el O2 molecular (el aceptor electrónico final en la respiración). Los heterótrofos anaeróbicos también la obtienen de reacciones de óxido-reducción, pero en este caso, en el proceso de fermentación, los electrones pasan a un intermediario orgánico, con lo que no se produce una oxidación completa del combustible. Los organismos anaeróbicos pueden ser estrictos (no pueden emplear el O2), o facultativos, que una vez concluida la fermentación anaeróbica continúan oxidando los productos a expensas del O2 molecular.

Entre las muchas clases de fermentación de la glucosa, predominan dos tipos:

  • En la glucólisis o fermentación homoláctica, la glucosa se degrada hasta la formación de dos moléculas de 3 carbonos.
  • En la fermentación alcohólica se forman dos moléculas de etanol y dos de CO2.

La glucólisis se encuentra catalizada por 11 enzimas que actúan de una manera secuenciada (fase acuosa del citoplasma). Todos los intermediarios se encuentran fosforilados, cumpliendo tres funciones:

  1. Proporciona a los intermediarios una carga negativa que impide su salida por difusión del interior de la célula (la membrana citoplasmática es poco permeable a moléculas muy polares).
  2. Actúan como grupos de enlace o de reconocimiento para la formación de los complejos enzima-sustrato.
  3. Es la forma de conservación de energía en estos grupos fosfato.

En la glucólisis anaeróbica hay dos fases principales:

  • 1ª fase: Se prepara la glucosa para su metabolismo mediante su fosforilación y escisión en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Se consumen 2 ATP para fosforilar la hexosa en los carbonos 1 y 6.
  • 2ª fase: Se producen las etapas de óxido-reducción que van a liberar energía que se transfiere al ADP, que a su vez la conserva en forma de ATP. Se produce un total de 4 moléculas de ATP, al que si restamos los 2 necesarios para fosforilar a la glucosa, nos da un rendimiento neto de 2 ATP por cada glucosa degradada a lactato.

En la glucólisis se distinguen tres tipos de transformaciones:

  1. La ruta de los átomos de carbono, en la que se degrada el esqueleto carbonado de la glucosa para dar dos moléculas de 3 carbonos del piruvato.
  2. La ruta del fosfato, en la que el fosfato inorgánico se incorpora al ATP.
  3. La ruta de los electrones, es decir, la secuencia de óxido-reducción.

Etapas de la 1ª Fase

  1. Fosforilación de la Glucosa: Por ATP. Este proceso es catalizado por dos enzimas: la hexoquinasa y la glucoquinasa. La hexoquinasa es la más difundida; también cataliza la fosforilación de D-fructosa, D-manosa y D-Glucosamina. Además, esta enzima es reguladora, siendo inhibida por el producto (Glucosa-6-fosfato). La glucoquinasa solo fosforila a la D-Glucosa. El paso inverso, Glucosa-6-P a D-Glucosa, se produce en el hígado mediante la acción de Glucosa-6-fosfatasa y permite liberar Glucosa hacia la sangre.
  2. Conversión a Fructosa-6-P: Catalizado por Glucosa-6-isomerasa, es irreversible.
  3. Fosforilación a Fructosa-1,6-difosfato: Se necesita un segundo fosfato proveniente del ATP para volver a fosforilar la Fructosa, catalizada por 6-fosfofructoquinasa. Es una enzima alostérica (reguladora). El enzima necesita Mg++ para actuar, probablemente el sustrato verdadero sea MgATP2-. El ATP puede ser sustituido por UTP o ITP.
  4. Escisión en Fosfato de dihidroxiacetona y gliceraldehído-3-fosfato: Catalizado por Fructosa-difosfato aldolasa. Es una condensación aldólica donde se forman dos fosfatos de triosa diferentes. El gliceraldehído-3-fosfato puede degradarse, pero el fosfato de dihidroxiacetona no puede hacerlo, por lo que necesita convertirse en 3-fosfogliceraldehído, lo que se consigue por triosa-fosfato isomerasa.

Etapas de la 2ª Fase

  1. Gliceraldehído se oxida a 3-fosfogliceril-fosfato: Catalizado por la gliceraldehído-fosfato deshidrogenasa (enzima alostérica). Ácido 3-fosfoglicérido + ácido fosfórico → 3-fosfogliceril-fosfato. Otro componente importante es el NAD+ → NADH2.
  2. Transferencia de Fosfato al ADP: El 3-fosfoglicerilfosfato + ADP → ATP + 3-fosfoglicerato, catalizada por fosfoglicerato quinasa.
  3. El 3-fosfoglicerato se convierte en 2-fosfoglicerato: Catalizada por fosfoglicerato mutasa, es esencial el Mg.
  4. El 2-fosfoglicerato se deshidrata a fosfoenolpiruvato: Catalizada por enolasa.
  5. Transferencia de Fosfato al ATP: Esta transferencia va a producir piruvato libre y ATP desde el fosfoenolpiruvato, se encuentra catalizada por piruvato quinasa que precisa de Mg o Mn y de un catión de metal alcalino normalmente K+.
  6. Finalmente, el piruvato se reduce a lactato: Por acción de lactato deshidrogenasa.

Balance Global

Glucosa + 2Pi + 2ADP → 2 lactato + 2ATP + 2 H2O

Incorporación de Otros Glúcidos

  1. Almidón y glucógeno: Acción de dos enzimas: la glucógeno fosforilasa (o almidón fosforilasa) y la fosfoglucomutasa, que son miembros de un grupo de enzimas denominadas a(1→4) glucógeno fosforilasas que catalizan: (Glucosa)n + HPO42- → (Glucosa)n-1 + Glucosa-1P. La ramificación con enlace a(1→6) no lo puede atacar. Entonces actúa la amilo-1,6-glucosidasa. La Glucosa 1P debe transformarse en Glucosa 6P por acción de una fosfoglucomutasa.
  2. Incorporación de disacáridos: Generalmente son hidrolizados en sus componentes antes de ser absorbidos. Las reacciones más importantes son:
    • Sacarosa + H2O — b-fructofuranosidasa (sacarasa) → D-Glucosa + D-Fructosa
    • Maltosa + H2O — a-glucosidasa (maltasa) → 2 D-Glucosa
    • Lactosa + H2O — b-galactosidasa (lactasa) → D-Glucosa + D-Galactosa

    La lactasa, una b-galactosidasa segregada en el intestino delgado, presenta una actividad reducida o casi nula en muchos adultos árabes, japoneses, bantúes, judíos, indios americanos y filipinos, que son incapaces de digerir la lactosa, presentando el cuadro clínico de su intolerancia.

  3. Incorporación de otros monosacáridos: En el hígado, la Fructosa + Fosfato — fructoquinasa → D-Fructosa 1P que se escinde en D-gliceraldehído y fosfato de dihidroxiacetona por acción de una aldolasa. El gliceraldehído libre se fosforila para rendir gliceraldehído 3P y ambos son intermediarios de la ruta glucolítica. La Galactosa se incorpora después de su fosforilación por el ATP catalizada por la galactosa quinasa. A continuación, se convierte en su epímero, la Glucosa 1P que luego se convierte en Glucosa 6P. La Manosa se convierte primero en Manosa 6P y luego en Fructosa 6P. Finalmente, las pentosas pueden incorporarse a la vía glucolítica, pero primero tienen que fosforilarse y convertirse en hexosas o triosas fosfato.

Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos (Ciclo de Krebs)

El ciclo de los ácidos tricarboxílicos, junto con la cadena respiratoria, se corresponde con lo conocido como respiración celular. El ciclo consiste en una serie de reacciones que se producen en los organismos aeróbicos. Se encuentra catalizada por un sistema multi-enzimático que acepta al grupo acetilo del CoA como combustible y lo degrada a CO2 y H2O. Estos últimos se llevan a través de un sistema de proteínas transportadoras de electrones hasta el O2 molecular, que se reduce y forma agua.

Historia

Hans Krebs, en 1936, comenzó a estudiar las interrelaciones en el metabolismo oxidativo de los ácidos dicarboxílicos y tricarboxílicos en suspensiones (papillas) de tejido muscular pectoral de palomas, que tiene un ritmo respiratorio muy elevado, y le condujo a postular el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, que originalmente denominó como “ciclo del ácido cítrico” y que también conserva su epónimo.

Esquema Respiratorio

El acetilo-CoA proveniente de la oxidación de los hidratos de carbono, lípidos y aminoácidos (Fase II del catabolismo) se incorpora al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, donde se degrada enzimáticamente para dar 2 moléculas de CO2 y 4 pares de H+. Los últimos (electrones) se van a incorporar a la cadena respiratoria, donde se produce un descenso enorme de energía libre que se conserva en gran parte por la fosforilación del ADP a ATP en el proceso que se denomina fosforilación oxidativa.

Su naturaleza cíclica se diferencia de la secuencia lineal de la glucólisis. En cada vuelta se incorpora 1 molécula de ácido acético (2C) en forma de acetil-CoA y salen otros 2 C en forma de CO2, regenerándose la molécula inicial que se une con el acetil-CoA (el oxalacetato). En este sentido, el ciclo es doblemente catalítico; por un lado, cada una de las etapas se encuentra catalizada por una enzima específica, pero además existe el efecto catalítico de los propios intermediarios, ya que una sola molécula de oxalacetato (o de cualquier otro intermediario) puede provocar la rotura de muchas moléculas de acetato.

La localización del lugar donde se produce el ciclo de los ácidos tricarboxílicos fue descubierto en 1948 por EP Kennedy y AL Lehninger al aislar mitocondrias hepáticas de ratas y comprobar que se producía la catalización del piruvato a expensas del O2 molecular.

Oxidación del Piruvato a Acetil-CoA

Primero es necesario que el piruvato se oxide a acetil-CoA, lo que se produce con pérdida de CO2 y catalizado por el complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa. Es irreversible en tejidos animales y no forma parte en sí misma del ciclo de Krebs. Necesita de 3 enzimas y 5 coenzimas. Se realiza en 5 etapas en las que actúa la piruvato deshidrogenasa en primer lugar, luego dihidrolipoil transacetilasa y la dihidrolipoil deshidrogenasa. Si el nivel celular de ATP es alto, se produce la inhibición de la enzima; por el contrario, si el nivel de ADP es alto, se activa y se incrementa por el ión Ca++.

Reacciones del Ciclo de los Ácidos Carboxílicos

  1. Formación del ácido cítrico: Se realiza por condensación del acetil-CoA con el oxalacetato por acción de citrato sintasa, que fue descubierta por Severo Ochoa. Esta es la primera etapa que condiciona el ritmo del ciclo, ya que su velocidad se encuentra determinada por la disponibilidad de acetil-CoA y del oxalacetato, además de por la concentración de succinil-CoA, que compite con el acetil-CoA inhibiendo a la citrato sintasa.
  2. Conversión de citrato en isocitrato: La aconitasa cataliza la interconversión de citrato en isocitrato pasando por un intermediario, el cis-aconitato.
  3. Oxidación del isocitrato a a-oxoglutarato: Esta catalizada por isocitrato deshidrogenasa. Es irreversible en las células animales y se efectúa por el complejo enzimático de la a-oxoglutarato deshidrogenasa.
  4. Oxidación del a-oxoglutarato a succinil-CoA: El succinil-CoA pierde su grupo CoA por una reacción con conservación de energía con el GDP y el fosfato inorgánico. La succinil-CoA sintetasa produce la formación de un enlace fosfato de alta energía del succinil-CoA. El GTP cede, a continuación, su fosfato al ADP → ATP. La formación de GTP acoplado a la desacilación del succinil-CoA se denomina “fosforilación a nivel de sustrato”.
  5. Oxidación de succinato a fumarato: Por acción de succinato deshidrogenasa, que es una flavoproteína que contiene FAD+ unido covalentemente.
  6. Hidratación de fumarato a malato: Esta catalizada por fumarato hidratasa y rinde malato.
  7. Oxidación de malato a oxalacetato: Catalizada por la malato deshidrogenasa, que rinde oxalacetato que puede volver a dar otra vuelta.

Por cada grupo acetilo entrante aparecen 2 carbonos en forma de CO2, pero estos átomos no son los mismos que los entrantes. La deshidrogenación enzimática produce 4 pares de hidrógenos, 3 se emplean en reducir el NAD+ y 1 en reducir el FAD+ de la succinato deshidrogenasa. Estos 4 pares de hidrógenos se convierten en H+; los electrones correspondientes se combinan con el oxígeno continuando su transporte a lo largo de la cadena respiratoria.

Regulación del Ciclo de Krebs

La fosforilación ATP-dependiente disminuye la actividad del complejo de la piruvato deshidrogenasa y se activa por la defosforilación del fosfoenzima. El punto principal de control se encuentra en la condensación del acetil-CoA con el oxalacetato para rendir citrato. Otro punto de control es la reacción de la isocitrato deshidrogenasa dependiente del NAD+, que precisa de ADP como modulador alostérico estimulante o positivo. También existe otro punto de regulación en la deshidrogenación del succinato, que es inducida por concentraciones altas de succinato, fosfato inorgánico, ATP y de ubiquinona reducida. El ciclo también se encuentra regulado por la concentración de varios intermediarios.

Enzimas de Óxido-Reducción y Transporte Electrónico

Los pares de electrones procedentes de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos y de otros sustratos circulan a lo largo de la cadena respiratoria hasta llegar al oxígeno molecular, denominándose transporte electrónico, y es la fuente principal de la energía celular, la mayor parte de la cual se conserva en la energía de enlace del ATP por un proceso denominado fosforilación oxidativa. La mayoría de las enzimas se encuentran incrustadas en la membrana mitocondrial interna.

Reacciones de Óxido-Reducción (Redox)

Estas reacciones son aquellas donde se verifica una transferencia de electrones desde un agente dador (reductor) hasta un agente aceptor (oxidante). En algunas de estas reacciones la transferencia de electrones se produce mediante la transferencia de hidrógeno, por ello la deshidrogenación es igual a la oxidación. Tanto los agentes reductores como los oxidantes actúan como pares redox conjugados. La tendencia de un agente reductor a perder electrones (o de un oxidante a ganarlos) viene definida por su potencial de óxido-reducción estándar y es diferente para cada uno de ellos.

Clases de Enzimas Transferidoras de Electrones

En el transporte de electrones participan 4 clases de enzimas:

  1. Deshidrogenasas piridin-dependientes que necesitan NAD o NADP como coenzimas. Se conocen unas 200 y catalizan las reacciones generales:
    • Sustrato reducido + NAD → sustrato oxidado + NADH + H+
    • Sustrato reducido + NADP → sustrato oxidado + NADPH + H+
  2. Deshidrogenasas y oxidasas flavin-dependientes. Tienen como grupo prostético un flavin-mononucleótido (FMN) o un flavin-adenin-dinucleótido (FAD).
  3. Proteínas ferrosulfuradas que contienen hierro y azufre.
  4. Citocromos. Son proteínas transferidoras de electrones que contienen grupo de ferro-porfirina y solo se encuentran en células aeróbicas. Actúan secuencialmente para transportar los electrones originados en varios sistemas de deshidrogenasas. Los citocromos fueron descubiertos por C. MacMunn en 1866 y los denominó como histohematina, pero hubo que esperar a 1925 para que el inglés D. Kerlin los redescubriera y describiera su significado biológico, renombrándolos como citocromos y agrupándolos en 3 clases principales: a, b y c.

Ubiquinona (CoQ)

Además de los anteriores, también participa la ubiquinona o CoQ en el transporte de electrones desde los sustratos hasta el oxígeno en la cadena respiratoria de la mitocondria. Este compuesto liposoluble es una quinona con una larga cadena lateral isoprenoide cuya longitud las diferencia. La más frecuente en los tejidos humanos es la Q10. Debido a su capacidad de transferencia de electrones y, por tanto, por actuar como un antioxidante, también se utiliza como suplemento dietético, ya que las personas mayores y los enfermos pueden no ser capaces de generar la suficiente cantidad de esta coenzima, por lo que pasa a ser una vitamina.

En la membrana interna de la mitocondria se encuentran dispuestas las proteínas y acarreadores de electrones que los conducen desde el NADH2 hasta el O2, que es el aceptor final de electrones y que en conjunto constituyen la cadena respiratoria terminal. El transporte de electrones se puede considerar como una cascada de electrones que pasan del NADH2, por flavoproteína, centros hierro-azufre, CoQ y sobre todo por varios tipos de citocromos.

La cascada de electrones comienza con la reoxidación del NADH2 por medio de NADH deshidrogenasa, la cual contiene un grupo flavina mononucleótido como grupo prostético y cataliza: NADH + H+ + FMN → NAD+ + FMNH2. El complejo enzimático también acepta electrones del NADPH2, pero de manera poco eficiente. La vía más utilizada es la oxidación del NADPH2 con la reducción del NAD+ por medio de transhidrogenasa: NADPH2 + NAD+ → NADP+ + NADH2. El complejo NADH deshidrogenasa contiene también un número de centros Fe-S. Estos centros Fe-S pueden hallarse en 3 formas (FeS, Fe2S2 y Fe4S4) y contienen, 1 ó 5 azufres del grupo tiol de cisteínas y sulfuros inorgánicos. Estos grupos transfieren 1 ó 5 electrones del FMNH2 hacia la CoQ, cambiando el número de oxidación del hierro. A su vez, la CoQ transfiere los electrones a una serie de citocromos. Éstos durante las reacciones de óxido-reducción modifican el número de oxidación del metal asociado, entre +2 y +3 en el caso del hierro y entre +1 y +2 en el caso del cobre. Los citocromos son transportadores de un solo electrón. Cada par redox participante en la cadena respiratoria terminal tiene un potencial redox estándar característico. El flujo de electrones se realizará del potencial más negativo hacia el más positivo. Estas reacciones liberan una cantidad significativamente alta de energía por cada par de electrones, la cual sirve para la síntesis de ATP. Sabemos que durante todos los pasos que conducen a la oxidación completa de un mol de glucosa a CO2 + H2O, atraviesan 12 pares de electrones de la cadena respiratoria.

Fosforilación Oxidativa

Actualmente, se acepta como modelo para la síntesis de ATP el modelo de acoplamiento quimio-osmótico propuesto en 1961 por el bioquímico inglés Peter Mitchell. De una manera general, el modelo propone que la energía proveniente del transporte de electrones se utiliza en un transporte activo de protones desde la matriz de la mitocondria, es decir, que este transporte saca protones de la matriz. Esta acción origina un gradiente electroquímico de protones, por la existencia de un pH inferior en la parte externa de la membrana interna. Los protones en la parte externa tienen la tendencia termodinámica de regresar e igualar el pH en ambos lados de la membrana. En otras palabras, la energía generada se utiliza para mantener el gradiente de protones. Los protones en su regreso atraviesan el sistema ATPasa. El complejo Fo contiene un conducto específico o poro para el paso de H+ que fueron bombeados fuera de la mitocondria por el transporte de electrones. La energía derivada de este transporte de protones se usa en la síntesis de ATP.

Balance Global

De la oxidación completa de la glucosa en CO2 y H2O. Por la secuencia glucolítica obtenemos:

Glucosa + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Por el ciclo de los ácidos tricarboxílicos:

2 piruvato + 5O2 + 30 ADP + 30Pi → 6CO2 + 30ATP + 34H2O

Por la oxidación del NADH extramitocondrial:

2 NADH + H+ + O2 + 4Pi + 4ADP → 2 NAD+ + 4ATP + 6H2O

Si sumamos las 3, la reacción global:

Glc + 6O2 + 36 Pi + 36 ADP à 6CO2 + 36 ATP + 42H2O.  La eficacia de la oxid.completa de la Glc es del 38%. OXlDACIÓN DE LOS AG Los AG juegan un papel imxtante en los animales sup, x ser combustibles ricos en É (8 Kcal/gr frente a 4 Kcal/gr de prot y HC) q pueden almacenarse en grandes cantidades en las Θ en forma casi anhidra como gotitas de grasa  intracelular. Los AG cubren hasta un 40% de las necesidades  en una persona con una dieta normal. Los tejidos animales suelen contener cantid.ínfimas de AG libres (algo tóxicos). Estos AG provienen de los triglicéridos de depósito q se localizan en el tejido adiposo corxal, y q se ha escindido x acción de lipasas q se encuentran controladas x hormonas. Estos AG liberados se unen a prot.transxtadoras q los llevan hacia los tej pr su oxidación. Una vez en el int de la Θ se “activan” en el citoplasma pr penetrar posteriormente en la mitocondria. El cerebro es el único tejido dd los AG de cad.larga no se oxidan hasta CO2 y H2O. En ciertas circunstancias, pueden oxidar el hidroxibutirato q es un catabolito del metabolismo de los AG.  La movilización, distribución y oxidación de los AG se encuentran integrados con las de los HC y ambas se encuentran sometidas a una compleja regulación endocrina. Historia Desde finales del XIX se sospechaba q los AG se sintetiza y degradan al añadir o restar fragmentos de 2 C, sospecha basada en q los diabéticos durante un ayuno prolongado los AG se oxidan de manera incompleta, se acumulan en sangre y se eliminan x orina como ác. de 4 C: acetoacético y D-B-hidroxibutírico. Ad, el bioquímico alemán F. Knoop (1904) marcó  AG con un grupo fenilo en el metilo terminal y lo administró a conejos; observó q si administraba AG con un nº par de C se producía la excreción de ác. fenil-acético pero si administraba AG con un nº impar de C se excretaba ác.benzóico, lo q da a entender q los AG se degradan x eliminación oxidativa de fragmentos sucesivos de 2 C a partir del extremo carboxílico. Estos experimentos hicieron q Knoop postulara q los AG se oxidan x un proceso de B-oxidación o lo q es lo mismo q se oxidan en el C B pr rendir un B-oxoác.; resumiendo 1 ác.acético y 1 ác.graso con 2 C -. Hasta 1943 no se pudo demostrar q la B-oxidación se podía producir en un sist exento de Θ. En ese año L.F. Leloir y J.M. Muñoz, en Argentina, lo consiguieron y comprobaron q es un sistema extremadamente lábil. A.L. Lehninger (USA) demostró q se necesitaba ATP pr “activar” al AG en su gr.carboxilo. Tb descubrió q los AG se oxidan pr dar u de 2C q pueden incorxarse al ciclo ác.tricarboxilicos y, en 1948, junto a EP Kennedy, q la oxid se produce exclusivamente en la mitocondria. + tarde, F. Lynen et al, en Alemania, encontraron q la activación dependiente del ATP implica su esterificación con el gr.tiol del CoA pr rendir un derivado acetil-CoA. Inicio Los AG de cad.larga antes de oxidarse deben activarse en el citoplasma pr poder entrar en la mitocondria. Esta activación consiste en su esterificación con el CoA extra-mitocondrial impulsada x el ATP pr dar acil(graso)-CoA. La reac.gral sería: R-COOH +ATP + CoA-SH ßà R-CO-S-CoA + AMP + PPi Se encuentra catalizado x un grupo de enz q se dn acetil-CoA sintetasas. A continuación se produce la transferencia del gr.acilo del acil-(graso)-CoA a la moléc q lo va a transxtar al interior de la mitocondria, la carnitina, x acción de carnitin-acil transferasa. Una vez en el int, se vuelve a transferir el gr.acilo al CoA intramitocondrial. Esta forma compleja de entrada dn “lanzadera del ác.graso” cuya utilidad es la de mantener seprdos el CoA y los AG intra y extra-mitocondriales ya q va a ser sólo el AG intramitocondrial el q se va a oxidar. En la matriz mitocondrial Σ otra enz, la acil-CoA sintetasa q participa en la activación del AG pero q a utilizar GTP en lugar de ATP sg la siguiente reacción: AG + GTP + CoA ßà acetil-CoA + GDP + Pi A partir de este momento comienza la B-oxidación  q se produce en una serie de etapas en el compartimento interno de la mitocondria B-oxidación 1ª etapa de deshidrogenación. El tioester del acil-(graso)-CoA sufre una deshidrogenación enzimática x acción de  acil-CoA deshidrogenasa en los C a y B (2 y 3) pr rendir A2-enoil-CoA22 q tiene una configuración TRANS. El FADH2 no puede ceder sus e- directamente al O x lo q lo hace a la cad.respiratoria. 2ª Etapa de hidratación. A continuación el doble enlace del A2-transenoil-CoA se hidrata pr formar L-Hidroxiacil-CoA x la acción de enoil-CoA hidratasa. 3 2ª etapa de deshidrogenación. En ésta se deshidrogena el L-hidroxiacil-CoA pr à3-oxoacil-CoA x la acción de 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa. La NADH cede sus e- a la cad.respiratorias. 4 Escisión. El 3-oxoacil-CoA experimenta una oxidación x acción de una tiolasa con interacción de un CoA libre à acetil-CoA, el fragmento de 2C del extremo carboxilo. El AG restante qda en forma de tioester del CoA. El acetil-CoA entra en el ciclo ác.tricarboxilicos. Balance. Hemos visto 1 vuelta del ciclo, en la q se ha seprdo 1 acetil-CoA y 2 pares de H+ del AG inicial. Si tomamos al palmitoil-CoA como ejemplo tendremos: Palmitoil-CoA+CoA+FAD+FAD+NAD++H2O ßàMiristoil-CoA+acetil-CoA+FADH2+NADH +H+ Si continuamos con los pasos sucesivos hasta degradar completamente el ác.palmítico tendremos: Palmítoil-CoA + 7CoA + 7FAD+ + 7NAD+ +7H2O ßà 8acetil-CoA+7FADH2+7NADH +7H+ Cada FADH2 cede 1 par de e- al CoQ de loa cad.respiratoria generando 2 ATP. De la misma manera cada NADH resulta en 3 ATP; en total se forman 5 ATP en cada vuelta de la B-oxidación, x lo q: PalmitoilCoA+7 CoA+7O2+35 Pi+35ADP ßà8 Acetil-CoA+ 35ATP+ 42H20 Cada acetil-CoA se incorxa al ciclo ác.tricarboxilicos formándose 12 ATP, con lo q: 8acetilCoA + 16 O2 +96Pi + 96ADPßà 8CoA + 96ATP + 104 H2O + 16 CO2 Si unimos las 2 reacciones anteriores nos da el global de la oxid. del palmítico: Pamitoil-CoA+23 O2+131Pi+131ADPàCoA+ 16 CO2+146 H2O+131 ATP Oxidación de los AGI. Los AGI se oxidan x la misma ruta gral q los AGS pero hay q resolver 2 problemas. Los dobles enlaces en los AG naturales se encuentran en CIS, mientras q en los intermediarios de la oxid se encuentran con la TRANS. Ad los dobles enlaces suelen encontrarse en posiciones q no coinciden con las zonas de eliminación de 2 C, produciendo derivados acilos grasos-A3-no saturados del CoA Pr resolver estos prob disponemos de unos enz aux, La enoil-CoA isomerasa va a catalizar un desplazamiento reversible del doble enlace desde la TRANS. El acil-(graso insaturado A2TRANS)-CoA es el sustrato de la enz enoil-CoA hidratasa pr rendir L-3_hidroacil-CoA De esta manera, la oxid.completa en estos casos necesita de una etapa adicional enzimática catalizada x  enoil-CoA isomerasa. Los AGP, como el linoléico, van a necesitar una 2ª enzima auxiliar al contener 2  ó + dobles enlaces en posición CIS. Si seprmos 3 u de acetil-CoA del linoleil-CoA qda un doble enlace A3-Cis como en el caso anterior pero, en este caso, la enoil-CoA isomerasa da un D-estereoisómero q necesita de 3-hidroxiacil-CoA epimerasa pr convertirse en el L-estereoisómero y poder seguir el ciclo habitual. Estas 2 enzimas: la enoil-CoA isomerasa y la 3-hidroxiacil-CoA epimerasa permiten oxidar completamente los AG no saturados habituales. En estas oxidaciones à nº Oxidación de AG de nº impar de C. El proceso de oxid es = al q hemos visto anteriormente (B-oxidación) hasta llegar al resto terminal, propionil-CoA, q contiene 3 C. El propionilo-CoA tb se forma en la oxid de los aas Iso y Va1. El propionil-CoA se carboxila a D-metilmalonil-CoA x accion de propionil-CoA carboxilasa y con consumos de ATP. A continuación à Lmetilmalonil-CoA x acción de metilmalonil-CoA racemasa (epimerasa). Finalmente actúa una mutasa q lo transforma en succinil-CoA; esta mutasa necesita de la vit B12 corno cofactor. Este es el motivo de q los pacientes q tienen una deficiencia de Bl2 x carencia del factor intrínseco (aquilia, atrofia gástrica, cáncer gástrico, etc.) excreten x orina grandes cantidades de L-metilmalonil-CoA. El succinil-CoA pierde el CoA y qda como succinato libre q es uno de los intermediarios del ciclo ác.s tricarboxilicos. Oxidación de los cuerpos cetónicos CC Los CC son prod de la degradación de los AG  q se sintetizan en la matriz mitocondrial del hígado y, en B-hidroxibutirato. Posiblemente esto se produzca, en periodos de una prod excesiva del acetil-CoA x una fuerte oxidación de los AG. Estos 2 comp pueden ser oxidados x los tejidos periféricos, incluido el hidroxibutirato x el tejido cerebral. El acetoacetil libre, el D-B-hidroxibutirato y la cetona se conocen en conjunto como cuerpos cetónicos. El aceto-acetato libre –> en D-B-hidroxibutirato x la acción de D-B-hidroxibutirato deshidrogenasa q se encuentra en la membrana mitocondrial interna ligada al NDA+, sg la siguiente reacción: Acetoacetato +NADH + H+ßàD-B-hidroxibutirato+NAD+ Una vez formado, ambos pueden difundir fuera del hepatocito y salir a sangre q lo transxta hacia los tejidos periféricos. En los tejidos periféricos el D-B-hidroxibutirato se oxida a aceto-acetato q se activa x transferencia de CoA y del Succinil-CoA, q a su vez procede de la oxidación del a-oxoglutarato. El acetoacetil sufre una escisión tiolítica rindiendo 2 acetil-CoA q puede incorxarse al ciclo ác.tricarboxilicos. El cerebro emplea de manera casi exclusiva la Glc como fuente É pero en el ayuno prolongado puede utilizar el B-hidroxibutirato. Mediante las reacciones anteriores se convierte en acetil-CoA e incorxarse al ciclo de Krebs. DEGRADACIÓN OXIDATIVA DE LOS  AA. Los aas actúan como sillares de  prot y tb actúan como precursores de otras biomoléculas imxtantes como hormonas, pirimidinas, purinas, algunas vits y xfirinas. Tb como fuente de É, sobre todo cuando se ingieren en cant.sup a las q se requieren pr sustituir a los comp.corxales. Pr ser utilizados como combustible primero pierden sus gr.aminos cuyo N se va a eliminar x la orina, mt q gr.carboxilos pueden seguir 2 rutas:  l.Una de ellas es su conversión en Glc x el proceso de la gluconeogénesis, 2.- Su oxidación a CO2 y H2O a través del ciclo ác.tricarboxilicos. Los vertebrados son capaces de oxidar los aas exógenos (provenientes de la dieta) y los endógenos (procedentes del recambio metabólico). Deducir experimentalmente q un hombre de 70 Kg recambia diariamente unos 400 gr de prot. La 4ª parte de esta cant se oxida o se convierte en Glc y es sustituido x el ingreso alimentario; el resto (los 3/4) se reciclan. Diariamente se eliminan de 6-20 gr de N, incluso sin comer nada de prot se pueden llegar a excretar 5 gr de N al día q se corresponde a unos 30 gr de prot endógenas. La vel y proxción de utilización de los dif aas depende de varios fact como la disponibilidad de otros combustibles, de la asequibilidad de los aas exógenos, de la necesidad corxal de los aas pr la síntesis proteica o pr la síntesis de otras biomoléculas y la dependencia hacia los aas esenciales. Proteolísis. La > de los aas q ingerimos lo hace en forma de prot y los primero q hay q hacer es hidrolizarlas lo q se hace x la acción de enzimas segregadas x el estómago, el páncreas y el ID. La digest de las prot comienza en el estómago x acción de la pepsina q se segrega en forma de profermento (pepsinógeno) x las Θ principales de la mucosa gástrica. El  pepsinógeno à en pepsina activa x acción de la propia enz mediante la liberación de 42 restos desde el extremo amino-terminal. La pepsina, aunque posee una especificidad amplia, ataca preferentemente los e.peptídicos en los q intervienen aas aromáticos así como en los q intervienen la Met y Leu. El resultado es q esta reacción aunq libera pocos aas, rompe la proteínas en péptidos + cortos. A cont actúa el jugo pancreático q contiene varias enz q tb se segregan en forma de profermento, son el tripsinógeno, el quimotripsinógeno, las procarboxipeptidasas A y B, y 1as proelastasas. La activación tb se produce x las pérdida de residuos y la enz  es la enteroquinasa intestinal segregada x los enterocitos princip del yeyuno, esta enz activa a la tripsina q, a su vez, activa el resto. La tripsina hidroliza e.peptídicos en los q intervienen los gr.carboxilos de la Arg y Lis. La quimotripsina hidroliza los e.peptídicos q contienen gr.carboxilos de aas aromáticos. La carboxipeptidasa, una enz q contiene Zn2+, hidroliza casi todos los e.peptídicos con gr.carboxilos terminales, mt q la B lo hace con los restos de Lis o Arg C-terminal. Después de todo este proceso las prot àaas libres o péptidos cortos. Finalmente actúan unas peptidasas segregadas x la mucosa intestinal como le leucinamino peptidasa, q tb requiere Zn2+, q sepr los restos N-terminales de los péptidos. El resultado final es la rotura completa de las prot en aas libre y di y tripéptidos q son absorbidos x la mucosa intestinal, su paso a sangre y su transxte hacia el hígado x el sistema circulatorio xtal. q, posteriormente, los distribuirá x el org. Oxidación. C/u de los 20 aas q forman las prot tiene su propia secuencia degradativa q finalmente convergen en unas pocas rutas terminales y q lo van a transformar en piruvato, acetil-CoA o hacia diversos intermediarios del ciclo de Krebs. 11 aas rinden acetil-CoA bien de forma directa o a través del piruvato o el acetoacetil CoA; 5 aas se convierten en oxoglutarato, 3 rinden succinil-CoA y 2 oxalacetato. 2 aas, la fenilalanina y la tirosina se degradan de tal manera q una parte de su esqleto entra en el ciclo ác.tricarboxilicos como acetil CoA y la otra parte como fumarato. Los N de gr a-amino se excretan x la orina en forma de urea, amoníaco o ác.úrico sg la sp animal Las 2 rutas principales q inician la seprción del grupo a-arnino son la transaminación y la desaminación oxidativa. A Transaminación  El gr.a-amino de  al – 12 aas se transfieren a un C a de un a-oxoác.(el oxoglutarato) q se amina pr rendir ác. L-glutámico. Es catalizado x  transaminasas. De esta forma los gr.aminos de varios aas se recogen en uno q suele ser el ác.glutámico. Éste penetra en la matriz mitocondrial dd se desamina directamente o bien actúa como dador del gr.amino al oxalacetato q va a rendir aspartato q es uno de los dadores de los gr.amino inmediatos en la formación de urea. B Desaminación oxidativa. El glutamato formado x las transaminasas puede experimentar una desaminación rápida x la acción de glutamato deshidrogenasa hepática q sepr el grupo a-amino en forma de iones NH4+ sg la reac: L-glutamato + NAD++H2O à a-oxoglutarato+NH4++ NADH