OOBioquimica.Pratt

6. La succinato deshidrogenasa genera ubiquinol

Las tres reacciones finales del ciclo del ácido cítrico reconvierten succinato en

el sustrato inicial del ciclo, oxalacetato. La succinato deshidrogenasa cataliza la

deshidrogenación reversible de succinato a fumarato. Esta reacción redox re-

quiere un grupo prostético FAD, que se reduce a FADH2 durante la reacción:

COOϪ Enz-FAD Enz-FADH2
HCH
H COOϪ
C

HCH Succinato deshidrogenasa ϪOOC C

COOϪ H

Succinato Fumarato

Para regenerar la enzima, el grupo FADH2 debe reoxidarse. Dado que la Figura 14-11. Unión del sustrato a la
succinato deshidrogenasa está embebida en la membrana mitocondrial interna (es la
única de las ocho enzimas del ciclo del ácido cítrico que no es soluble en la matriz succinil-CoA sintetasa. La succinil-
mitocondrial), puede ser reoxidada por el portador de electrones liposoluble ubiqui- CoA (representada por coenzima A,
nona (página 305) más que por el cofactor soluble NAD+. La ubiquinona (que se rojo) se une a la enzima y su grupo
abrevia Q) adquiere dos electrones para convertirse en ubiquinol (QH2). succinilo se fosforila. El fosfato de
succinilo transfiere entonces su grupo
Q QH2 fosforilo a la cadena lateral de His 246
(verde). Un asa proteínica que contiene
Enzima-FADH2 Enzima-FAD la cadena lateral fosfo-His debe
experimentar un gran movimiento,
7. La fumarasa cataliza una reacción de hidratación porque el nucleósido difosfato que
espera la fosforilación (ADP,
En la séptima reacción, la fumarasa cataliza la hidratación reversible de un doble anaranjado) se une a un sitio a 35 Å de
enlace para convertir fumarato en malato: distancia. (Estructura de la succinil-CoA

COOϪ COOϪ sintetasa de E. coli (pdb 1CQI) determinada por

M.A. Joyce, M.E. Fraser, M.N.G. James, W.A.

Bridger y W.T. Wolodko.)

CH H2O H C OH

HC Fumarasa HCH

COOϪ COOϪ

Fumarato Malato

8. La malato deshidrogenasa regenera oxalacetato

El ciclo del ácido cítrico concluye con la regeneración de oxalacetato a partir de
malato en una reacción de oxidación dependiente de NAD+:

COOϪ COOϪ
H C OH NADϩ NADH ϩ Hϩ CO

CH2 Malato deshidrogenasa CH2

COOϪ COOϪ

Malato Oxalacetato

El cambio de energía libre estándar para esta reacción es de +29.7 kJ • mol–1, lo cual
indica que la reacción tiene baja probabilidad de ocurrir como está escrita. Sin embargo,
el producto oxalacetato es un sustrato para la siguiente reacción (reacción 1 del ciclo del
ácido cítrico). La reacción de la citrato sintasa, muy exergónica –y por tanto muy favo-
rable–, ayuda a impulsar hacia la derecha la reacción de la malato deshidrogenasa. Ésta
es la razón del aparente desperdicio de la energía libre generada por la escisión del enla-
ce tioéster de la acetil-CoA en la primera reacción del ciclo del ácido cítrico.

14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico | 371

El ciclo del ácido cítrico es un ciclo catalítico generador
de energía

Dado que la octava reacción del ciclo del ácido cítrico devuelve el sistema a su estado
original, toda la vía actúa de manera catalítica para disponer de los átomos de car-
bono derivados de aminoácidos, carbohidratos y ácidos grasos. Albert Szent-Györ-
gyi descubrió la naturaleza catalítica de la vía al observar que las pequeñas adiciones
de compuestos orgánicos como succinato, fumarato y malato estimulaban la capta-
ción de O2 en un preparado de tejido. Dado que el consumo de O2 era mucho ma-
yor que el que se requeriría para la oxidación directa de estas sustancias, el
investigador infirió que los compuestos actuaban de manera catalítica.

Ahora se sabe que se consume O2 durante la fosforilación oxidativa, el proceso
que reoxida los cofactores reducidos (NADH y QH2) que se producen en el ciclo del
ácido cítrico. Aunque este ciclo genera una molécula de GTP (o ATP), se genera
considerablemente más ATP cuando los cofactores reducidos son reoxidados por
O2. Cada NADH rinde unos 2.5 ATP, y cada QH2 rinde alrededor de 1.5 ATP (en
la sección 15-4 se verá por qué estos valores no son números enteros). Así, cada
unidad acetilo que ingresa en el ciclo del ácido cítrico puede generar un total de 10
equivalentes de ATP. Es posible calcular el rendimiento de energía de una molécula
de glucosa, que genera dos unidades acetilo:

Glucosa

2 NADH 5 ATP
2 ATP

Piruvato

2 NADH 5 ATP

Acetil-CoA

6 NADH 15 ATP
2 QH2 3 ATP
2 GTP

2 CO2

Un músculo que funciona de manera anaeróbica produce sólo 2 ATP por gluco-
sa, pero en condiciones aerobias, en que el ciclo es del todo funcional, cada molécu-
la de glucosa genera 32 equivalentes de ATP. Este fenómeno general se denomina
efecto Pasteur, en honor de Luis Pasteur, quien fue el primero en observar que la
tasa de consumo de glucosa por las células de levadura disminuía mucho cuando las
células cambiaban de condiciones anaeróbicas a aeróbicas.

El ciclo del ácido cítrico es regulado en tres pasos

El flujo de intermediarios en el ciclo del ácido cítrico es regulado en mayor medida
en los tres pasos metabólicamente irreversibles del ciclo: los catalizados por citrato
sintasa (reacción 1), isocitrato deshidrogenasa (reacción 3) y α-cetoglutarato deshi-
drogenasa (reacción 4). Los principales reguladores se muestran en la figura 14-12.

372 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

Acetil-CoA Figura 14-12. Regulación del ciclo

Oxalacetato Citrato del ácido cítrico. La inhibición se
representa con símbolos rojos, y la
activación, con símbolos verdes.

Malato Isocitrato
Fumarato
ADP

NADH Ca2ϩ

␣-Cetoglutarato
Ca2ϩ

Succinato Succinil-CoA

Ni la acetil-CoA ni el oxalacetato se encuentran en concentraciones lo suficiente
altas para saturar la citrato sintasa, de modo que el flujo a través del primer paso del
ciclo del ácido cítrico depende en gran medida de las concentraciones de sustrato. El
producto de la reacción, citrato, inhibe la citrato sintasa (el citrato también inhibe la
fosfofructocinasa, con lo cual reduce el suministro de acetil-CoA producida por glucó-
lisis). La succinil-CoA, el producto de la reacción 4, inhibe la enzima que la produce.
También actúa como retroinhibidor al competir con la acetil-CoA en la reacción 1.

La actividad de la isocitrato deshidrogenasa es inhibida por su producto de reac-
ción, NADH. El NADH también inhibe la α-cetoglutarato deshidrogenasa y la ci-
trato sintasa. Ambas deshidrogenasas son activadas por iones Ca2+, lo que en general
significa la necesidad de generar energía libre celular. El ADP, que también representa
la necesidad de más ATP, activa la isocitrato deshidrogenasa.

Es probable que el ciclo del ácido cítrico haya surgido Acetil-CoA
como una vía sintética
Oxalacetato Citrato

Una vía compleja como el ciclo del ácido cítrico debe haber surgido a partir de

una serie de reacciones bioquímicas preexistentes más simples. Es posible en- Oxidación Isocitrato
contrar indicios de su origen examinando el metabolismo de organismos pare- Malato

cidos a formas de vida anteriores. Tales organismos surgieron antes de que se Reducción
dispusiera de oxígeno atmosférico, y pueden haber usado azufre como su

agente oxidante final, que reducían a H2S. Sus contrapartes actuales son autó- ␣-Cetoglutarato
trofos anaeróbicos que cosechan energía libre por vías que son independientes Fumarato
de las vías del metabolismo del carbono. Por tanto, estos organismos no usan

el ciclo del ácido cítrico para generar cofactores reducidos que luego son oxi-

dados por oxígeno molecular. Sin embargo, todos los organismos deben sinte- Succinato
tizar moléculas pequeñas que puedan usarse para formar proteínas, ácidos
nucleicos, carbohidratos, etcétera. Figura 14-13. Vías que pudieron
haber dado origen al ciclo del ácido
Incluso organismos que no usan el ciclo del ácido cítrico contienen genes para cítrico. La vía que parte de oxalacetato y
algunas de las enzimas de dicho ciclo. Por ejemplo, las células pueden condensar procede hacia la derecha es una vía
acetil-CoA con oxalacetato, lo que produce α-cetoglutarato, que es un precursor de biosintética oxidativa, mientras que la vía
varios aminoácidos. También pueden convertir oxalacetato en malato, luego en fu- que procede hacia la izquierda es una
marato y luego en succinato. Juntas, estas dos vías se asemejan al ciclo del ácido cí- vía reductiva. El ciclo del ácido cítrico

trico, donde la rama derecha sigue la secuencia oxidativa usual del ciclo y la rama moderno pudo haber surgido de la

izquierda sigue una secuencia reductiva inversa (figura 14-13). La secuencia de re- conexión de estas dos vías.

14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico | 373

Piruvato acciones reductiva podría haber surgido como una manera de regenerar los
cofactores reducidos durante otras reacciones catabólicas (p. ej., el NADH
CO2 producido por la reacción del gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa de la
Acetil-CoA glucólisis; véase sección 13-1).

Es fácil suponer que el surgimiento de una enzima que interconvirtiera α-

cetoglutarato y succinato pudo haber creado una vía cíclica similar al ciclo del

Oxalacetato Citrato ácido cítrico moderno. Resulta interesante el hecho de que en E.coli ese ciclo es
normal en condiciones aeróbicas, pero es interrumpido como el de la figura

14-13 cuando el microorganismo se desarrolla en condiciones anaeróbicas.

Dado que las cuatro reacciones finales del ciclo del ácido cítrico moder-

Malato Isocitrato no son metabólicamente reversibles, la forma primitiva bien pudo haber
dado cabida a un flujo unidireccional en el sentido del reloj, formando un

Fumarato CO2 ciclo oxidativo. Si el ciclo completo procedía en el sentido contrario al
␣-Cetoglutarato reloj, el resultado habría sido una vía biosintética reductiva (figura 14-14).
Esta vía, que habría incorporado o “fijado” CO2 atmosférico en moléculas
Succinato biológicas, pudo haber precedido a la vía fijadora de CO2 moderna pre-
CO2 sente en las plantas y algunas bacterias fotosintéticas (la cual se describe en
la sección 16-3).

Figura 14-14. Una vía biosintética REPASO DE CONCEPTOS
• Describa las fuentes de los grupos acetilo que ingresan en el ciclo del ácido cítrico.
reductiva propuesta basada en el • Enumere los sustratos y productos para cada una de las ocho reacciones del ciclo.
ciclo del ácido cítrico. Esta vía pudo • ¿Cuáles productos del ciclo del ácido cítrico representan formas de moneda
haber funcionado para incorporar CO2
en moléculas biológicas. energética para la célula?

• ¿Cuáles sustratos y productos del ciclo del ácido cítrico regulan el flujo por la vía?

• Describa el modo en que las vías biosintéticas oxidativas y reductivas primitivas
pudieron haberse combinado para generar una vía metabólica circular.

14-3 Funciones anabólicas y catabólicas
del ciclo del ácido cítrico

CONCEPTOS CLAVE En los mamíferos, 6 de los 8 intermediarios del ciclo del ácido cítrico (todos excepto
• El ciclo del ácido cítrico aporta isocitrato y succinato) son los precursores de productos de otras vías. Por esta razón,
es imposible designar este ciclo como una vía puramente catabólica o anabólica.
precursores para la síntesis de
otros compuestos. Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico son
• Los intermediarios del ciclo del precursores de otras moléculas
ácido cítrico pueden reponerse.
Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico pueden desviarse para formar otros
compuestos (figura 14-15). Por ejemplo, la succinil-CoA se emplea para la síntesis
de hemo. El α-cetoglutarato (a veces llamado 2-oxoglutarato), de cinco carbonos,
puede experimentar aminación reductiva por glutamato deshidrogenasa para produ-
cir el aminoácido glutamato:

COOϪ NADH ϩ Hϩ NADϩ COOϪ

CH2 ϩNH4ϩ Glutamato CH2
CH2 deshidrogenasa CH2 ϩ H2O
H C NH3ϩ
CO COOϪ

COOϪ Glutamato

␣-Cetoglutarato

374 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

Glucosa Ácidos grasos,
colesterol
Piruvato Oxalacetato Citrato
Malato
Isocitrato

Fumarato ␣-Cetoglutarato
Succinato
Aminoácidos,
nucleótidos

Succinil-CoA

Hemo

Figura 14-15. Intermediarios del ciclo del ácido cítrico como precursores
biosintéticos.

El glutamato es un precursor de los aminoácidos glutamina, arginina y prolina. A su
vez, la glutamina es precursora de la síntesis de nucleótidos purínicos y pirimidíni-
cos. Ya se ha visto que el oxalacetato es procursor de monosacáridos (véase sección
13-2). En consecuencia, cualesquiera de los intermediarios del ciclo del ácido cítri-
co, que pueden ser convertidos por este ciclo en oxalacetato, pueden servir en última
instancia como precursores gluconeogénicos.

El citrato producido por la condensación de acetil-CoA con oxalacetato puede
transportarse fuera de las mitocondrias al citosol. La ATP-citrato liasa cataliza en-
tonces la reacción:

ATP ϩ citrato ϩ CoA ADP ϩ Pi ϩ oxalacetato ϩ acetil-CoA

La acetil-CoA resultante se emplea en la síntesis de ácidos grasos y colesterol, que
ocurre en el citosol. Nótese que la reacción de la ATP-citrato liasa revierte el trabajo
de la reacción de la citrato sintasa, exergónica. Esto parece dispendioso, pero la ATP-
citrato liasa citosólica es esencial porque la acetil-CoA, que se produce en las mito-
condrias, no puede cruzar la membrana mitocondrial para llegar al citosol, mientras
que el citrato sí puede hacerlo. El oxalacetato producido en la reacción de la ATP-
citrato liasa puede ser convertido en malato por una deshidrogenasa málica (o mala-
to deshidrogenasa) citosólica que opera hacia la izquierda. El malato se descarboxila
entonces por la acción de la enzima málica para producir piruvato:

COOϪ NADPϩ NADPH COOϪ
Enzima málica C O ϩ CO2
CH OH CH3

CH2 Piruvato
COOϪ

Malato

El piruvato puede reingresar en las mitocondrias y ser reconvertido en oxalacetato
para completar el ciclo mostrado en la figura 14-16. En las plantas, el isocitrato se
desvía del ciclo del ácido cítrico en una vía biosintética conocida como vía del
glioxilato (recuadro 14-B).

14-3 Funciones anabólicas y catabólicas del ciclo del ácido cítrico | 375

MEMBRANA
MITOCONDRIAL

INTERNA

MATRIZ CITOSOL

Citrato Citrato

ATP- Biosíntesis
citrato liasa de lípidos

Citrato Acetil-CoA
sintasa
Acetil-CoA

Oxalacetato

Oxalacetato Malato
deshidrogenasa

Piruvato Malato
carboxilasa
CO2 Enzima CO2
málica
Piruvato
Piruvato

Figura 14-16. Sistema de transporte de citrato. Tanto citrato como piruvato
cruzan la membrana mitocondrial interna vía proteínas de transporte específicas. Este
sistema permite transferir átomos de carbono de la acetil-CoA mitocondrial hacia el
citosol para la síntesis de ácidos grasos y colesterol.

RECUADRO 14-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Vía del glioxilato

Las plantas y algunas células bacterianas contienen determinadas glioxisómica malato sintasa para formar el compuesto de cuatro
enzimas que actúan en conjunto con algunas enzimas del ciclo del carbonos malato. El malato puede entonces convertirse en
ácido cítrico para convertir acetil-CoA en oxalacetato, un precursor oxalacetato para la gluconeogénesis. Las dos reacciones exclusivas
gluconeogénico. Los animales carecen de las enzimas para hacerlo y de la vía del glioxilato se muestran en verde en la figura de la
por tanto no pueden emprender la síntesis neta de carbohidratos a siguiente página; las reacciones idénticas a las del ciclo del ácido
partir de precursores de dos carbonos. En las plantas, la vía del cítrico se muestran en azul.
glioxilato incluye reacciones que ocurren en las mitocondrias y
el glioxisoma, un organelo que, como el peroxisoma, contiene En esencia, la vía del glioxilato evita los dos pasos generadores de
enzimas que realizan algunos procesos metabólicos esenciales. CO2 del ciclo del ácido cítrico (catalizados por isocitrato deshidro-
genasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa) e incorpora una segunda
En el glioxisoma, la acetil-CoA se condensa con oxalacetato unidad acetilo (en el paso de la malato sintasa). El resultado neto
para formar citrato, que entonces se isomeriza a isocitrato, como de la vía del glioxilato es la producción de un compuesto de cuatro
en el ciclo del ácido cítrico. Sin embargo, el paso siguiente no es la carbonos que puede usarse para sintetizar glucosa. Esta vía es muy
reacción de la isocitrato deshidrogenasa sino una catalizada por la activa en semillas en germinación, donde los aceites (triacilglicero-
enzima glioxisómica isocitrato liasa, que convierte isocitrato en les) almacenados se degradan a acetil-CoA. De este modo, la vía
succinato y el compuesto de dos carbonos glioxilato. El succinato del glioxilato constituye una ruta para la síntesis de glucosa a
continúa del modo acostumbrado por el ciclo del ácido cítrico partir de ácidos grasos. Dado que los animales carecen de isocitrato
mitocondrial para regenerar oxalacetato. liasa y malato sintasa, no pueden emprender la síntesis neta de
carbohidratos a partir de grasa.
En el glioxisoma, el glioxilato se condensa con una segunda
molécula de acetil-CoA en una reacción catalizada por la enzima

376 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

UN VISTAZO MÁS DE CERCA Continuación

O

CH3 C SCoA

Acetil-CoA

Citrato

Oxalacetato COOϪ COOϪ
Malato
CH2 CH2
Fumarato CH COOϪ
CH2
COOϪ CH OH COOϪ
COOϪ CH OH
Succinato
Isocitrato CH2

Isocitrato liasa Malato sintasa

OH COOϪ
C
COOϪ Malato

Glioxilato

O Oxalacetato
Gluconeogénesis
CH3 C SCoA

Acetil-CoA

Las reacciones anapleróticas restituyen intermediarios
del ciclo del ácido cítrico

Los intermediarios que se desvían del ciclo del ácido cítrico para otros fines pueden
reponerse por medio de reacciones anapleróticas (del griego ana, “arriba”, y plero-
tikos, “llenar”; figura 14-17). Una de las reacciones más importantes es catalizada por
piruvato carboxilasa (éste es también el primer paso de la gluconeogénesis; véase
sección 13-2):

Piruvato ϩ CO2 ϩ ATP ϩ H2O oxalacetato ϩ ADP ϩ Pi

La acetil-CoA activa la carboxilasa pirúvica, de modo que cuando la actividad del
ciclo del ácido cítrico es baja y se acumula acetil-CoA, se produce más oxalacetato.
La concentración de oxalacetato es baja en condiciones normales, dado que la reac-
ción de la deshidrogenasa málica es termodinámicamente desfavorable y la reacción
de la citrato sintasa es muy favorable. El oxalacetato que se repone es convertido en
citrato, isocitrato, α-cetoglutarato, etcétera, de modo que las concentraciones de
todos los intermediarios del ciclo del ácido cítrico aumentan y el ciclo puede proce-
der con mayor rapidez. Dado que el ciclo del ácido cítrico actúa como catalizador, al
aumentar las concentraciones de sus componentes aumenta el flujo por la vía.

La degradación de ácidos grasos con número impar de átomos de carbono genera
el intermediario del ciclo del ácido cítrico succinil-CoA. Otras reacciones anapleró-
ticas incluyen las vías para la degradación de algunos aminoácidos, que producen

14-3 Funciones anabólicas y catabólicas del ciclo del ácido cítrico | 377

Figura 14-17. Reacciones Piruvato,
anapleróticas del ciclo del ácido aminoácidos
cítrico.
Oxalacetato
Malato Citrato
Isocitrato

Fumarato ␣-Cetoglutarato
Succinato
Aminoácidos Aminoácidos

Succinil-CoA

Aminoácidos, ácidos
grasos de cadena impar

α-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato. Algunas de estas reacciones
son transaminaciones, como:

COOϪ COOϪ COOϪ COOϪ
CH CO CH
ϩ CH3 CO ϩ CH3
ϩ ϩ H3N
H3N CH2 Piruvato

CH2

COOϪ COOϪ

Aspartato Oxalacetato Alanina

Dado que las reacciones de transaminación tienen valores ΔG cercanos a cero, el
sentido del flujo hacia dentro o fuera del depósito de intermediarios del ciclo del
ácido cítrico depende de las concentraciones relativas de los reactivos.

En el músculo en actividad vigorosa, las concentraciones de intermediarios del
ciclo del ácido cítrico aumentan unas 3 a 4 veces en pocos minutos. Esto suele ayu-
dar a impulsar la actividad generadora de energía de dicha vía, pero no puede ser el
único mecanismo, dado que el flujo por el ciclo en realidad aumenta hasta 100 veces
debido al incremento en la actividad de las tres enzimas en los puntos de control:
citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato-deshidrogenasa. La ele-
vación de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico puede ser en realidad un me-
canismo para dar cabida al incremento de piruvato que resulta de la glucólisis rápida
al inicio de la actividad física. No todo el piruvato se convierte en lactato (véase
sección 13-1); parte se desvía al depósito de intermediarios del ciclo del ácido cítrico
vía la reacción de la piruvato carboxilasa. Parte del piruvato también experimenta
una reacción reversible catalizada por alanina aminotransferasa.

COOϪ COOϪ

COOϪ CH2 COOϪ CH2

C Oϩ CH2 ϩ

H3N C H ϩ CH2

CH3 H C NH3ϩ CH3 CO

COOϪ Alanina COOϪ

Piruvato Glutamato ␣-Cetoglutarato

El α-cetoglutarato incrementa entonces el depósito de intermediarios del ciclo del
ácido cítrico, con lo que eleva la capacidad del ciclo para oxidar el piruvato extra.

378 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

Debe hacerse notar que ningún compuesto que ingresa en el ciclo del ácido cítri-
co como intermediario es oxidado en sí mismo; simplemente impulsa la actividad
catalítica del ciclo, cuya reacción neta sigue siendo la oxidación de los dos carbonos
de la acetil-CoA.

REPASO DE CONCEPTOS
• Describa el modo en que el ciclo del ácido cítrico aporta los precursores para la

síntesis de aminoácidos, glucosa y ácidos grasos.
• ¿Qué se logra con la reacción de la ATP-citrato liasa?
• ¿Por qué es baja la concentración de oxalacetato?
• ¿Por qué la síntesis de más oxalacetato incrementa el flujo del ciclo del ácido

cítrico?

RESUMEN

14-1. Reacción de la piruvato deshidrogenasa • Las reacciones reguladas del ciclo del ácido cítrico son sus
pasos irreversibles, catalizados por citrato sintasa, isocitrato
• Para ingresar en el ciclo del ácido cítrico, el piruvato, que es deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa.
el producto de la glucólisis, debe experimentar descarboxi-
lación oxidativa catalizada por el complejo multienzimático • De manera probable el ciclo del ácido cítrico se originó de vías
de la piruvato deshidrogenasa, que genera acetil-CoA, CO2 biosintéticas que conducen a α-cetoglutarato o succinato.
y NADH.
14-3. Funciones anabólicas y catabólicas del ciclo
14-2. Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico del ácido cítrico

• Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico funcionan • Seis de los ocho intermediarios del ciclo del ácido cítrico
como un catalizador de múltiples pasos para convertir los sirven como precursores de otros compuestos, incluidos
dos carbonos de la acetil-CoA en 2 CO2. aminoácidos, monosacáridos y lípidos. Las reacciones ana-
pleróticas convierten otros compuestos en intermediarios
• Los electrones liberados en las reacciones oxidativas del ci- del ciclo del ácido cítrico, con lo que permiten un mayor
clo del ácido cítrico se transfieren a 3 NAD+ y a ubiqui- flujo de carbonos acetilo por la vía.
nona. La reoxidación de los cofactores reducidos genera
ATP por fosforilación oxidativa. Además, la succinil-CoA
sintetasa rinde una molécula de GTP o ATP.

GLOSARIO

Ciclo del ácido cítrico Fosforilación al nivel del sustrato Reacción anaplerótica
Complejo multienzimático Glioxisoma Vía del glioxilato
Efecto Pasteur Matriz mitocondrial

PROBLEMAS

14-1. Reacción de la piruvato deshidrogenasa OH S ϩ 2 H2O
ϪO As ϪO As
1. ¿Cuáles son las cuatro posibles transformaciones del piruvato
en las células de los mamíferos? OH S

2. Determine cuál de los cinco pasos de la reacción del complejo Arsenito
de la piruvato deshidrogenasa es metabólicamente irreversible y ex-
plique por qué. ϩ

3. El producto del complejo de la piruvato deshidrogenasa, acetil- HS
CoA, se libera en el paso 3 de la reacción general. ¿Cuál es el objetivo
de los pasos 4 y 5? HS
R
4. El beriberi es una enfermedad que resulta de la falta alimentaria
de tiamina, la vitamina que actúa como el precursor de pirofosfato Dihidrolipoamida
de tiamina (TPP). Existen dos metabolitos que se acumulan en los
individuos con beriberi, en especial después de la ingestión de gluco- 6. Usando como modelo la reacción del complejo de la piruvato
sa. ¿Cuáles metabolitos se acumulan y por qué? deshidrogenasa, reconstruya la reacción de la descarboxilasa pirúvica
de la levadura dependiente de TPP en la fermentación alcohólica
5. El arsenito es tóxico, en parte porque se une a compuestos sul- (recuadro 13-B).
fhidrilo como la lipoamina, como se ilustra. ¿Qué efecto tendría en
el ciclo del ácido cítrico la presencia de arsenito?

Problemas | 379

14-2. Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico 13. La estructura cristalina de la isocitrato deshidrogenasa revela
que hay un grupo de aminoácidos muy conservados en el bolsillo de
7. ¿Por qué es ventajoso que el citrato, que es el producto de la unión al sustrato: tres argininas, una tirosina y una lisina. ¿Por qué
reacción 1 del ciclo del ácido cítrico, inhiba la fosfofructocinasa, que se conservan estos residuos y cuál es una posible función de las cade-
cataliza la tercera reacción de la glucólisis? (Véase sección 13-1.) nas laterales de dichos aminoácidos en la unión a sustrato?

8. Los animales que han ingerido las hojas de la planta sudafrica- 14. La expresión de varias enzimas se modifica cuando la levadura
na venenosa Dichapetalum cymosum exhiben un incremento de 10 cultivada con glucosa se cambia de manera abrupta a una fuente
veces en las concentraciones de citrato celular. La planta contiene alimentaria de dos carbonos como acetato.
fluoroacetato, que es convertido en fluoroacetil-CoA. Describa el
mecanismo que incrementa las concentraciones de citrato en los ani- a) ¿Por qué el nivel de expresión de la isocitrato deshidrogenasa
males que han ingerido esta planta venenosa. (Nota: la fluoroacetil- aumenta cuando la levadura se cambia de glucosa a acetato?
CoA no es un inhibidor de la citrato sintasa.) b) El metabolismo de una levadura mutante con una enzima
isocitrato deshidrogenasa no funcional se comparó con el de
9. Se emplearon técnicas de mutagénesis dirigida al sitio para sin- una levadura de tipo silvestre. Las levaduras se cultivaron con
tetizar una enzima citrato sintasa mutante en la cual la histidina del glucosa y luego se cambiaron de manera abrupta a acetato como
sitio activo se convirtió en alanina. ¿Por qué la citrato sintasa mutan- única fuente de carbonos. El cociente [NAD+]/[NADH] se
te exhibió menor actividad catalítica? midió durante un periodo de 48 h. Los resultados se muestran
enseguida. ¿Por qué aumentó ligeramente el cociente a las 36 h
10. El compuesto S-acetonil-CoA puede sintetizarse a partir de para la levadura de tipo silvestre? ¿Por qué el aumento fue más
1-bromoacetona y coenzima A. pronunciado para la levadura mutante?

O 150

H3C C CH2 S CoA 120

S -Acetonil-CoA 90

a) Escriba la reacción para la formación de S-acetonil-CoA. Mutante
b) Se muestra la gráfica de Lineweaver-Burk para la reacción de 60
la citrato sintasa con y sin S-acetonil-CoA. ¿A qué tipo de inhibi-
dores pertenece la S-acetonil-CoA? Explique. 30
1/v (min/nmol) Silvestre
[NADϩ] / [NADH]0.45
0
0.4 0 12 24 36
0.35 Con I Tiempo (h)

0.3 15. Utilizando como modelo la reacción del complejo de la piru-
vato deshidrogenasa, escriba los intermediarios de la reacción de la
0.25 α-cetoglutarato deshidrogenasa. Describa lo que ocurre en cada uno
de los cinco pasos de la reacción.
0.2 Sin I
0.15 16. Usando el mecanismo que escribió para el problema 15, expli-
que por qué el succinil fosfonato (abajo) inhibe la α-cetoglutarato
0.1 −0.1 −0.05 0 0.05 0.1 deshidrogenasa.
0.05
OϪ
0
ϪO P O
1/[acetil-CoA] (μM−1)
CO
c) La acetil-CoA actúa como un activador alostérico de la
carboxilasa pirúvica. La S-acetonil-CoA no activa la carboxilasa CH2
pirúvica, y no puede competir con la acetil-CoA por la unión
a la enzima. ¿Qué le dice esto acerca de los requerimientos de CH2
unión para un activador alostérico de la carboxilasa pirúvica? COOϪ

11. La administración de altas concentraciones de oxígeno (hipe- Succinil fosfonato
roxia) es eficaz en el tratamiento de lesiones pulmonares, pero tam-
bién puede ser muy perjudicial. 17. La succinil-CoA-sintetasa también se llama succinato tiocina-
sa. ¿Por qué se considera que esta enzima es una cinasa?
a) Se ha demostrado que la actividad de la aconitasa pulmonar
disminuye en grado notable durante la hiperoxia. ¿Cómo podría 18. La succinil-CoA sintetasa es un dímero formado por una subu-
verse afectada la concentración de intermediarios del ciclo del nidad α y una β. Un solo gen codifica la proteína de la subunidad α.
ácido cítrico? Dos genes codifican dos proteínas diferentes de la subunidad β: una
b) El decremento de la actividad de aconitasa y de la respiración subunidad es específica para GDP, y otra es específica para ADP.
mitocondrial en hiperoxia se acompaña de niveles elevados de
glucólisis y la vía de las pentosas. Explique por qué.

12. Estudios de cinética enzimática realizados con aconitasa en el
decenio de 1970-79 revelaron que la trans-aconitasa es un inhibidor
competitivo de la enzima si se usa cis-aconitasa como sustrato. Pero
si se usa citrato como sustrato, la trans-aconitasa es un inhibidor no
competitivo. Proponga una hipótesis que explique esta observación.

380 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

a) La subunidad β específica para ADP se expresa en “tejidos tándar del ácido cítrico en su capacidad de generar energía libre
catabólicos” como encéfalo y músculos, mientras que la subunidad disponible para la célula?
β específica para GDP se expresa en “tejidos anabólicos” como
hígado y riñones. Proponga una hipótesis para explicar esta COOϪ COOϪ
observación.
b) Los individuos que nacen con una mutación en el gen que CH2 CH2
codifica la subunidad α de la enzima experimentan acidosis lácti- CH2 CH2
ca grave y suelen morir a los pocos días de nacidos. ¿Por qué es CO CO
tan dañina esta mutación? COOϪ OϪ
c) Los individuos que nacen con una mutación en el gen que
codifica la subunidad β específica para ADP de la enzima experi- ␣-Cetoglutarato Succinato
mentan concentraciones normales a moderadamente elevadas de
lactato y suelen sobrevivir hasta poco después de los 20 años CO2 COOϪ
de edad. ¿Por qué el pronóstico es mejor para estos pacientes CH2
que para los que tienen una mutación en el gen que codifica la CH2 NADH
subunidad α? CO NADϩ

19. El malonato es un inhibidor competitivo de la succinato des- H
hidrogenasa. ¿Cuáles intermediarios del ciclo del ácido cítrico se
acumulan si hay malonato presente en un preparado de mitocon- Semialdehído succinato
drias aisladas?
14-3. Funciones anabólicas y catabólicas del ciclo
20. La succinato deshidrogenasa no se considera parte de la vía del ácido cítrico
del glioxilato, pero es vital para el funcionamiento apropiado de
ésta. ¿Por qué? 29. Muchos aminoácidos se degradan a intermediarios del ciclo
del ácido cítrico.
21. El ΔG°´ para la reacción de la fumarasa es de -3.4 kJ • mol–1,
pero el valor de ΔG es cercano a cero. ¿Cuál es el cociente de fuma- a) ¿Por qué estos “remanentes” de aminoácidos no pueden oxi-
rato sobre malato en condiciones celulares a 37 °C? ¿Es probable que darse por completo a CO2 en el ciclo del ácido cítrico?
la reacción sea un punto de control para el ciclo del ácido cítrico? b) Explique por qué los aminoácidos que se degradan a piruvato
pueden oxidarse por completo en el ciclo del ácido cítrico.
22. ¿Cómo se verían afectadas las concentraciones de a)
piruvato,b) lactato, c) fumarato y d) malato en un paciente con de- 30. Describa el modo en que la reacción de transaminación que
ficiencia de fumarasa? sigue podría funcionar como una reacción anaplerótica para el ciclo
del ácido cítrico.
23. Las reacciones 8 y 1 del ciclo del ácido cítrico pueden consi-
derarse acopladas, porque la escisión exergónica del enlace tioéster de la COOϪ COOϪ ϩH3N COOϪ
acetil-CoA en la reacción 1 impulsa la regeneración de oxalacetato CH COOϪ
en la reacción 8. CO CH3 CH
ϩ ϩH3N ϩC O
a) Escriba la ecuación para la reacción global acoplada y calcule CH2
su ΔG°´. CH2 COOϪ CH3
b) ¿Cuál es la constante de equilibrio para la reacción acopla- COOϪ
da? Compare esta constante de equilibrio con la propia de la
reacción 8 sola. Oxalacetato Alanina Aspartato Piruvato

24. La malato deshidrogenasa es más activa en células que oxidan 31. Diga si es posible la síntesis neta de glucosa a partir de los si-
glucosa de manera aeróbica que en células que la oxidan de manera guientes compuestos:
anaeróbica. Explique por qué.
a) El ácido graso palmitato (16:0), que se degrada a ocho acetil-
25. a) Se agrega oxalacetato marcado con 14C en C4 a una suspen- CoA.
sión de mitocondrias que realizan la respiración. ¿Cuál es el destino b) Gliceraldehído 3-fosfato.
del carbono marcado? c) Leucina, que se degrada a acetil-CoA y acetoacetato (un
compuesto que equivale en sentido metabólico a dos grupos
b) Se agrega acetil-CoA marcado con 14C en C1 a una suspen- acetil-CoA).
sión de mitocondrias que realizan la respiración. ¿Cuál es el d) Triptófano, que se degrada a alanina y acetoacetato.
destino del carbono marcado? e) Fenilalanina, que se degrada a acetoacetato y fumarato.

26. Cuando se elabora pan con levadura, la masa se deja reposar 32. Las células de los islotes pancreáticos cultivadas en presencia
en un sitio caliente para que “suba” y aumente su volumen. Dé una de glucosa 1 a 20 mM presentaron mayores actividades de piruvato
explicación bioquímica para esta observación. carboxilasa y la subunidad E1 del complejo de piruvato deshidroge-
nasa de manera proporcional al aumento de la concentración de
27. El flujo por el ciclo del ácido cítrico es regulado por el meca- glucosa. Explique por qué.
nismo simple de a) disponibilidad de sustrato, b) inhibición por
producto y c) retroinhibición. Dé ejemplos de cada caso. 33. Un médico intenta diagnosticar a un neonato con una defi-
ciencia de carboxilasa pirúvica. Una inyección de alanina normal-
28. Determinados microorganismos con ciclo del ácido cítrico mente induce una respuesta gluconeogénica, pero en el paciente no
incompleto descarboxilan α-cetoglutarato para producir semialde- ocurre tal respuesta. Explique.
hído succínico. Una deshidrogenasa convierte entonces este último
en succinato. Estas reacciones pueden combinarse con otras reaccio- Problemas | 381
nes del ciclo estándar del ácido cítrico a fin de crear una vía de citra-
to a oxalacetato. ¿Cómo se compara esta vía alterna con el ciclo es-

34. El médico trata al paciente descrito en el problema 33 admi- 42. El metabolito vegetal ácido hidroxicítrico (que se muestra en
nistrando glutamina. Explique por qué los suplementos de glutami- su forma ionizada) se publicita como un agente que previene la acu-
na son eficaces para tratar la enfermedad. mulación de grasa.

35. La ubre de la oveja utiliza la mayor parte de la glucosa sinteti- CH2 COOϪ
zada por el animal tanto en la producción del azúcar de la leche HO C COOϪ
lactosa como en la producción de triacilgliceroles. Durante el invier-
no, la producción de leche disminuye a causa de alimentación defi- HO CH COOϪ
ciente. La administración de propionato (que es convertido en suc-
cinil-CoA en los rumiantes) es un remedio apropiado. ¿Cómo Hidroxicitrato
funciona este tratamiento?
a) ¿En qué difiere este compuesto del citrato?
36. Se midieron los metabolitos en el músculo de una rata antes y b) El hidroxicitrato inhibe la actividad de la ATP-citrato liasa.
después de actividad física. Después del ejercicio, el músculo mostró ¿Qué tipo de inhibición es probable que ocurra?
un incremento en la concentración de oxalacetato, un descenso de la c) ¿Por qué la inhibición de la ATP-citrato liasa podría bloquear
concentración de fosfoenolpiruvato, y ningún cambio en la concen- la conversión de carbohidratos en grasas?
tración de piruvato. Explique. d) ¿La síntesis de cuáles otros compuestos podría ser inhibida
por hidroxicitrato?
37. En E. coli, la actividad de la enzima isocitrato deshidrogenasa
es regulada por la unión covalente de un grupo fosfato a la enzima. 43. Helicobacter pylori es una bacteria que coloniza la parte supe-
La isocitrato deshidrogenasa fosforilada es inactiva. Cuando la fuen- rior del tubo digestivo del humano y es el agente causal de gastritis
te de alimento para un cultivo de E. coli es acetato, la isocitrato crónica, úlceras y quizá cáncer gástrico. El conocimiento del meta-
deshidrogenasa se fosforila. bolismo intermedio de este microorganismo será útil en el desarrollo
de farmacoterapias eficaces para esas enfermedades. El “ciclo” del
a) Trace un diagrama que muestre el modo en que se metaboliza ácido cítrico de H. pylori es en realidad una vía ramificada acíclica
el acetato en E. coli. que se utiliza para producir intermediarios biosintéticos en vez de
b) Cuando se agrega glucosa al cultivo, el grupo fosfato se energía metabólica. En la “rama reductiva” se produce succinato,
elimina de la enzima isocitrato deshidrogenasa. ¿Cómo cambia mientras que en la “rama oxidativa” se produce α-cetoglutarato. Las
el flujo por las vías metabólicas en E. coli cuando la fuente de dos ramas se relacionan mediante una reacción de α-cetoglutarato
alimento es glucosa en vez de acetato? oxidasa. La vía se muestra en forma de diagrama:

38. Las levaduras son inusuales en el sentido de que son capaces Glioxilato NADϩ NADH Oxalacetato
de usar etanol como sustrato gluconeogénico. El etanol es converti- ϩ Citrato Acetil-CoA
do en glucosa con ayuda de la vía del glioxilato. Describa el modo en Malato
que ocurre la conversión etanol glucosa. Acetil-CoA deshidrogenasa sintasa

39. Los animales carecen de una vía del glioxilato y no pueden Malato Citrato
convertir grasas en carbohidratos. Si se alimenta a un animal con un sintasa
ácido graso en el que todos los carbonos se han sustituido por el
isótopo 14C, algunos de los carbonos marcados aparecen más tarde Malato
en glucosa. ¿Cómo es posible esto?
H2O Fumarasa
40. Una bacteria mutante con bajas concentraciones de isocitrato
deshidrogenasa se desarrolla de manera normal cuando el medio de Fumarato
cultivo se complementa con glutamato. Explique por qué.
QH2 Fumarato Aconitasa
41. El ciclo de los nucleótidos purínicos (que se muestra ensegui- Q reductasa
da) es una vía importante en las células musculares. La actividad del
ciclo aumenta durante periodos de actividad muscular intensa. Ex- Succinato Isocitrato
plique el modo en que este ciclo contribuye a la capacidad de la cé-
lula muscular de generar energía durante el ejercicio intenso. IMP es CO2, ␣-Cetoglutarato Isocitrato NADPϩ
monofosfato de inosina. QH2 oxidasa deshidrogenasa

Q NADPH
␣-Cetoglutarato
H2O Adenosina NHϩ4
desaminasa
a) Compare y contraste el ciclo del ácido cítrico de H. pylori con
AMP IMP el de los mamíferos.
b) Los valores de KM para las enzimas del cuadro siguiente
Fumarato Aspartato ϩ GTP son mayores que los propios de las enzimas correspondientes
Adenosilsuccinato liasa Adenosilsuccinato en otras especies de bacterias. ¿Qué le indica esto acerca de las
Adenosilsuccinato condiciones en las cuales funciona el ciclo del ácido cítrico en
sintetasa H. pylori?
c) Compare las propiedades de la citrato sintasa de H. pylori con
GDP ϩ Pi la propia de los mamíferos.

382 | CAPÍTULO 14 Ciclo del ácido cítrico

d) ¿Cuáles enzimas podrían servir para regular el ciclo del ácido enzimas proteolíticas las cuales destruyen el patógeno si el hospedero
cítrico en H. pylori? tiene suerte. Sin embargo, algunos microorganismos pueden sobre-
e) ¿Cuáles enzimas podrían constituir blancos farmacológicos en vivir a las condiciones drásticas del fagolisosoma. Un ejemplo es My-
personas que sufren de gastritis, úlceras o cáncer gástrico? cobacterium tuberculosis, que puede vivir en el macrófago en un esta-
do latente por tiempo prolongado. Los investigadores observaron
Enzima Sustrato Inhibidores Activadores que después de que el macrófago engulle los microorganismos, las
concentraciones de isocitrato liasa, malato sintasa, citrato sintasa y
Citrato sintasa Acetil-CoA, ATP malato deshidrogenasa bacterianas aumentan hasta en un factor de
oxalacetato 20 respecto a los valores normales.

Aconitasa Citrato a) ¿Cuál o cuáles vías emplea M. tuberculosis mientras se encuen-
tra en el fagosoma y por qué son estas vías esenciales para su
Isocitrato Isocitrato, Mayores con- AMP (ligero) supervivencia?
deshidrogenasa NADP+ centraciones b) ¿Cuáles podrían ser buenos blancos farmacoterapéuticos para
(dependiente de NADP+, tratar a un paciente infectado por M. tuberculosis?
de NADP+) isocitrato
47. Las bacterias y plantas (pero no los animales) poseen la enzi-
α-Cetogluta- α-Cetoglu- CoASH ma fosfoenolpiruvato carboxilasa (PPC), que cataliza la reacción que
rato oxidasa tarato, FAD se muestra.

Malato deshi- Oxalacetato,

drogenasa NADH COOϪ

Fumarasa Malato CH2 PPC CH2 ϩ
CO
Fumarato Fumarato, C O Pi ϩ HCO3Ϫ Pi
reductasa QH2 COOϪ COOϪ

Malato sintasa Glioxilato, Fosfoenolpiruvato Oxalacetato
acetil-CoA

44. H. pylori, cuyo ciclo del ácido cítrico tiene una rama oxidativa a) ¿Cuál es la importancia de esta reacción para el organismo?
y una rama reductiva (problema 43), utiliza aminoácidos y ácidos b) La PPC es activada alostéricamente por acetil-CoA y por fruc-
grasos presentes en el tubo digestivo como fuente de intermediarios tosa 1,6-bisfosfato. Explique estas estrategias regulatorias.
biosintéticos.
48. El ácido succínico es un compuesto importante empleado por
a) Describa el modo en que H. pylori usa la acetil-CoA deriva- las industrias farmacéuticas, de los cosméticos y alimentaria. La pro-
da de la degradación de ácidos grasos para sintetizar glucosa y ducción “verde” de ácido succínico por bacterias fermentadoras es
glutamato. una manera menos contaminante de producir el compuesto, que
b) Describa el modo en que H. pylori convierte aspartato en solía sintetizarse a partir de petroquímicos. Los investigadores inte-
glutamato. resados en optimizar la producción bacteriana de ácido succínico
observaron que la actividad de malato deshidrogenasa aumentaba en
45. Las células de levadura que se cultivan en sustratos no fermen- condiciones anaeróbicas.
tables y luego se cambian de manera abrupta a glucosa exhiben des-
activación inducida por sustrato de varias enzimas. ¿Cuáles enzimas a) Escriba un esquema de reacción en el que delinee el modo en
desactivaría la glucosa, y por qué? que puede producirse ácido succínico a partir de fosfoenolpi-
ruvato. Incluya los nombres de todos los reactivos, productos y
46. Fagocitos como macrófagos y neutrófilos son componentes enzimas.
celulares del sistema inmunitario que protegen al hospedero contra b) ¿Por qué es esencial que la producción de ácido succínico se
daños causados por microorganismos invasores. Los fagocitos engu- realice en condiciones anaeróbicas?
llen e interiorizan microorganismos, formando una estructura mem-
branosa llamada fagosoma. El fagosoma se fusiona entonces con el
lisosoma, un organelo celular que contiene una amplia variedad de

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Owen OE, Kalhan SC, Hanson RW: The key role of anaple-
rosis and cataplerosis for citric acid cycle function, J. Biol. Chem.
Barry MJ: Enzymes and symmetrical molecules, Trends Bio- 2002;277:30409-30412. [Describe la adición (anaplerosis) y eli-
chem. Sci. 1997;22: 228-230 (1997). [Reseña el modo en que minación (cataplerosis) de intermediarios del ciclo del ácido cí-
experimentos y discernimiento revelaron que la molécula de ci- trico en diferentes aparatos y sistemas.]
trato, simétrica, puede reaccionar de manera asimétrica.]

Milne JLS, Wu X, Borgnia MJ et al.: Molecular structure of a
9-MDa icosahedral pyruvte dehydrogenase subcomplex contai-
ning the E2 and E3 enzymes using cryoelectron microscopy, J.
Biol. Chem. 2006;281:4364-4370 (2006).

Problemas | 383

FOSFORILACIÓN capítulo
OXIDATIVA
15

Los ratones, como el resto de los mamíferos, mueren cuando
no disponen de oxígeno para respirar. No obstante, cuando se
les expone a sulfuro de hidrógeno (H2S) en el laboratorio, estos
animales reducen su consumo de O2 a alrededor de 10% del
normal y entran en un estado de animación suspendida. Los
ratones se recuperan por completo, incluso después de estar
expuestos a H2S por seis horas. Un descenso de la respiración
inducido por H2S podría tener aplicaciones prácticas cuando se
intenta minimizar el daño tisular durante cirugías o para prolongar
la viabilidad de órganos que se trasplantarán.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

EEste capítulo constituye una desviación respecto a los temas de los dos capítulos
previos dedicados al metabolismo de la glucosa (véase capítulo 13) y ciclo del ácido
cítrico (véase capítulo 14), que en mayor medida rastrean los destinos de los átomos
de carbono. Este capítulo sigue el movimiento de electrones y energía libre en la
fosforilación oxidativa, que es la síntesis de ATP impulsada por la energía libre de
reacciones redox. Electrones de los productos reducidos de otras vías metabólicas,
incluidas glucólisis y ciclo del ácido cítrico, se transfieren a través de una serie de
proteínas integrales de membrana, y por último a oxígeno. Comprender el trans-
porte de electrones es la clave para entender la teoría de la quimiósmosis, un tema
importante de este capítulo. Un fenómeno similar subyace a la fotosíntesis, que es
el tema del capítulo 16. ■

384 |

La oxidación de combustibles metabólicos como BIOPOLÍMEROS
glucosa, ácidos grasos y aminoácidos así como la

oxidación de carbonos acetilo hasta CO2 en el Proteínas Ácidos nucleicos Polisacáridos Triacilgliceroles
ciclo del ácido cítrico genera los cofactores re-

ducidos NADH y ubiquinol (QH2). Estos
compuestos son formas de moneda energética

(véase sección 12-3) no porque sean especiales MONÓMEROS

en términos químicos sino porque su reoxida-

ción –en última instancia por oxígeno molecu- Aminoácidos Nucleótidos Monosacáridos Ácidos grasos

lar en organismos aeróbicos– es una reacción

exergónica. La energía libre generada de este NH4+
modo se cosecha para sintetizar ATP, un fenó-

meno llamado fosforilación oxidativa. En el NAD+ NAD+

esquema presentado en la figura 12-10, la fos-

forilación oxidativa representa la fase final del

catabolismo de combustibles metabólicos y INTERMEDIARIOS

la principal fuente del ATP para las células de 2 y 3 carbonos

(figura 15-1).

La fosforilación oxidativa difiere de las re-

acciones bioquímicas ordinarias que fueron el NAD+, Q Ciclo Fotosíntesis
centro de atención de los dos capítulos ante- del ácido
riores. En particular, la síntesis de ATP no se
cítrico

acopla de manera directa a una reacción quí-

mica discreta, como una reacción catalizada CO2
por cinasa. Más bien, la fosforilación oxidativa

es un proceso más indirecto en el cual la ener-

gía libre se convierte en –o se conserva como– NADH, QH2
un gradiente transmembrana de protones que

se usa para impulsar la síntesis de ATP. O2

Para comprender la fosforilación oxidativa, ADP

primero debe considerarse el modo en que los Fosforilación oxidativa
cofactores reducidos que se producen en otras

reacciones metabólicas son reoxidados por ATP
oxígeno molecular. El flujo de electrones des-

de compuestos reducidos como NADH y H2O
QH2 hasta un compuesto oxidado como O2 es NAD+, Q
un proceso termodinámicamente favorable. Se

verá que los cambios de energía libre para las Figura 15-1. Fosforilación oxidativa
reacciones de transferencia de electrones pueden cuantificarse considerando los po-
tenciales de reducción de las especies químicas implicadas. Después se rastrearán los en contexto. Los cofactores reducidos
movimientos de los electrones por una serie de portadores de electrones que inclu- NADH y QH2, que se generan en el
yen moléculas pequeñas así como grupos prostéticos de grandes proteínas inte- catabolismo oxidativo de aminoácidos,
grales de membrana. Conforme los electrones se transportan de NADH y QH2 a monosacáridos y ácidos grasos, son
oxígeno molecular, las proteínas de membrana transponen protones de un lado de la reoxidados por oxígeno molecular. La
energía libre de este proceso se conserva
membrana al otro. Este proceso es el primer paso de la quimiósmosis, la formación de una manera que impulsa la síntesis

y disipación de un gradiente químico transmembrana. Por último, se examinará la de ATP a partir de ADP + Pi.
estructura de la ATP sintasa, el complejo enzimático que extrae la energía libre del

gradiente protónico para sintetizar ATP a partir de ADP + Pi.

15-1. Termodinámica de las reacciones redox

Las reacciones de oxidación-reducción (o reacciones redox; véase sección 12-2) son CONCEPTOS CLAVE
similares a otras reacciones químicas en que se transfiere una porción de una molécula • El potencial de reducción estándar
–electrones en este caso–. En cualquier reacción redox, un reactivo (llamado agente
oxidante u oxidante) se reduce al ganar electrones. El otro reactivo (llamado indica la tendencia de una
agente reductor o reductor) se oxida al donar electrones: sustancia a reducirse; el potencial
de reducción real depende de las
concentraciones de los reactivos.

15-1. Termodinámica de las reacciones redox | 385

• Los electrones se transfieren de Aoxidado ϩ Breducido Areducido ϩ Boxidado
una sustancia con menor potencial
de reducción a otra con mayor Por ejemplo, en la reacción de la succinato deshidrogenasa (paso 6 del ciclo del ácido
potencial de reducción. cítrico; véase sección 14-2), los dos electrones del grupo prostético FADH2 reducido
de la enzima se transfieren a ubiquinona (Q), de modo que el FADH2 se oxida y la
• El cambio de energía libre para ubiquinona se reduce:
una reacción redox depende
del cambio en el potencial de FADH2 ϩ Q FAD ϩ QH2
reducción. (reducido) (oxidada) (oxidado) (reducido)

En esta reacción, los dos electrones se transfieren como átomos de H (un átomo de
H consiste en un protón y un electrón, o H+ y e–). En las reacciones redox en que
interviene el cofactor NAD+, el par de electrones asume la forma de un ion hidruro
(H–, un protón con dos electrones). En los sistemas biológicos los electrones suelen

viajar en pares, aunque como se verá también pueden transferirse uno a la vez.

El potencial de reducción indica la tendencia de una
sustancia a aceptar electrones

Es posible cuantificar la tendencia de una sustancia a aceptar electrones (a reducirse)
o a donar electrones (a oxidarse). Aunque una reacción redox por necesidad implica
tanto un oxidante como un reductor, es útil considerar sólo una sustancia a la vez, es
decir, una semirreacción. Empleando el ejemplo anterior, la semirreacción para la
ubiquinona (que por convenio se escribe como una reacción de reducción) es:

Q ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ QH2

(la reacción inversa describiría una semirreacción de oxidación).
La afinidad de una sustancia como la ubiquinona por los electrones es su poten-

cial de reducción estándar , con unidades de volts (nótese que el símbolo de
grados y la prima indican un valor en condiciones bioquímicas estándar, a presión
de 1 atm, temperatura de 25 °C y pH de 7.0, y donde todas las especies se encuen-
tran a concentraciones de 1 M). A mayor valor de , mayor la tendencia de la
forma oxidada de la sustancia a aceptar electrones y reducirse. Los potenciales de
reducción estándar de algunas sustancias biológicas se presentan en el cuadro 15-1.

Como un valor de ΔG, el potencial de reducción estándar depende de las concen-
traciones reales de las especies oxidada y reducida. El potencial de reducción real
se relaciona con el potencial de reducción estándar mediante la ecuación de
Nernst:

ϭ ϩ RT ln [ Areducido]
n [ A oxidado ]

R (la constante de los gases) tiene valor de 8.3145 J • K–1 • mol–1, T es la tempe-
ratura en kelvins, n es el número de electrones transferidos (1 o 2 en la mayoría de
las reacciones que se estudiarán aquí), y es la constante de Faraday (96,485 J •
V–1 • mol–1; equivale a la carga eléctrica de un mol de electrones). A 25 °C (298 K),
la ecuación de Nernst se reduce a:

ϭ ϩ 0.026 V ln [ Areducido]
n [ A oxidado ]

Se utiliza la ecuación de Nernst para determinar el potencial de
reducción real cuando se conocen las concentraciones de los reactivos.

De hecho, para muchas sustancias en sistemas biológicos, las concentraciones de las
especies oxidadas y reducidas es similar, por lo que el término logarítmico es peque-
ño (recuérdese que ln 1 = 0) y es cercano a .

386 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

CUADRO 15-1 | Potenciales de reducción estándar de algunas
sustancias biológicas

Semirreacción E°‘ (V)

1 O2 ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ yz H2O 0.815
2 0.48
SO24Ϫ ϩ 2 H ϩ ϩ 2 eϪ yz SO23Ϫ ϩ H2O 0.42
Ϫ Hϩ eϪ yz NO2Ϫ 0.385
NO 3 ϩ 2 ϩ 2 ϩ H2O 0.29
0.235
Citocromo a3 (Fe3ϩ) ϩ eϪ citocromo a3 (Fe2ϩ) 0.22
Citocromo a (Fe3ϩ) ϩ eϪ citocromo a (Fe2ϩ) 0.077
0.045
Citocromo c (Fe3ϩ) ϩ eϪ citocromo c (Fe2ϩ) 0.031
~0.
Citocromo c1(Fe3ϩ) ϩ eϪ citocromo c1(Fe2ϩ) Ϫ 0.166
Citocromo b (Fe3ϩ) ϩ eϪ citocromo b (Fe2ϩ) (mitocondrial ) Ϫ 0.185
Ϫ 0.197
Ubiquinona ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ ubiquinol Ϫ 0.23
Ϫ 0.29
Fumarato– ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ succinato– Ϫ 0.315
Ϫ 0.320
FAD ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ FADH2 (en flavoproteínas) Ϫ 0.346
Oxalacetato– ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ malato– Ϫ 0.581

Piruvato– ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ lactato–

Acetaldehído ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ etanol

S ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ H2S
Ácido lipoico ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ ácido dihidrolipoico

NADϩ ϩ Hϩ ϩ 2 eϪ NADH

NADPϩ ϩ Hϩ ϩ 2 eϪ NADPH

Acetoacetato– ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ 3-hidroxibutirato–

Acetato– ϩ 3 Hϩ ϩ 2 eϪ acetaldehído ϩ H2O

Fuente : La mayor parte de Loach, P.A., in Fasman, G.D. (ed.), Handbook of Biochemistry and Molecular Biology (3rd
ed.), Physical and Chemical Data, Vol. I, pp. 123 – 130, CRC Press (1976).

El cambio de energía libre puede calcularse a partir del
cambio en el potencial de reducción

Conocer los potenciales de reducción de diferentes sustancias es útil para predecir el
movimiento de electrones entre las dos sustancias. Cuando éstas se encuentran jun-
tas en solución o conectadas por un alambre en un circuito eléctrico, los electrones
fluyen de manera espontánea desde la sustancia con el menor potencial de reducción
hacia la sustancia con el mayor potencial de reducción. Por ejemplo, en un sistema
dqduaereQdcHaodn2otaiseNenneAeQDl /c+QuoaHdd2reoyN1NA5DA-1DH, s+e/aNoQAb.sDeErHmva,pqelesuaepnodsoiblloepspaprroaedtNeencAcirDiasl+ies(lo-d0se.e3rl1eed5cturVcoc)nieóessnflmeusetinráánonr-
que para la ubiquinona (0.045 V). Por tanto, el NADH tenderá a transferir sus
electrones a la ubiquinona; esto es, el NADH se oxidará y la Q se reducirá.

Una reacción redox completa no es más que una combinación de dos semirreac-
ciones. Para la reacción de NADH y ubiquinona, la reacción neta es la semirreacción
de reducción de la ubiquinona (la semirreacción como se presenta en el cuadro 15-1)
combinada con la semirreacción de oxidación del NADH (la inversa de la semirre-
acción mostrada en el cuadro 15-1). Obsérvese que dado que la semirreacción del
NAD+ se ha invertido para representar la oxidación, también se invierte el signo de
su valor de :

NADH NADϩ ϩ Hϩ ϩ 2 eϪ ϭ ϩ0.315 V
ϭ 0.045 V
Q ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ QH2

neto: NADH ϩ Q ϩ Hϩ NADϩ ϩ QH2 ⌬ ϭ ϩ0.360 V

Cuando las dos semirreacciones se suman, sus potenciales de reducción también se

suman, de donde se obtiene un valor de Δ . Debe tenerse presente que el poten-

cial de reducción es una propiedad de la semirreacción y es independiente del senti-
do en que ocurre la reacción. Invertir el signo de Δ , como se hizo antes, es sólo
un atajo para simplificar la tarea de calcular Δ . Otro método para calcular este

último consiste en usar la siguiente ecuación:

15-1. Termodinámica de las reacciones redox | 387

⌬ ϭ (eϪ aceptor) Ϫ (eϪ donador)

No resulta sorprendente que a mayor diferencia en valores de (a mayor Δ ),
mayor la tendencia de los electrones a fluir de una sustancia a la otra, y mayor el
cambio de energía libre del sistema. ΔG se relaciona con Δ como sigue:

⌬GЊЈ ϭ Ϫn ⌬ o ⌬G ϭ Ϫn ⌬ [15-4]

Se utiliza la ecuación 15-4 para interconvertir cambios
de potencial de reducción y cambios de energía libre.

En consecuencia, una reacción redox con valor positivo grande de Δ tiene un valor
positivo grande de ΔG (ejemplo de cálculo 15-1). Dependiendo de los potenciales
de reducción implicados, una reacción redox puede generar cantidades considerables de
energía libre. Esto es lo que ocurre en las mitocondrias, donde los cofactores reduci-
dos generados por la oxidación de combustibles metabólicos se reoxidan. La energía
libre generada en este proceso impulsa la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa.
La figura 15-2 muestra los principales componentes del transporte mitocondrial de
electrones dispuestos por orden de potencial de reducción. Cada etapa de transferen-
cia de electrones, de NADH a O2 (el aceptor final de electrones) ocurre con un
cambio negativo de energía libre.

REPASO DE CONCEPTOS
• Explique por qué una reacción redox debe incluir tanto un oxidante como un

reductor.
• Cuando dos reactivos se mezclan, ¿cómo puede predecirse cuál se reducirá y cuál

se oxidará?
• Explique cómo es que sumar los valores de de dos semirreacciones da un

valor de Δ y un valor de ΔG°´ para una reacción redox.

Figura 15-2. Resumen del transporte −0.4

mitocondrial de electrones. Se NADH NAD+
indican los potenciales de reducción de
portadores clave de electrones. Las −0.2 ΔG = − 69.5 kJ • mol−1
reacciones redox mediadas por los Complejo I ΔG = − 36.7 kJ • mol−1
complejos I, III y IV generan energía
libre.

0 Q
(V) 0.2 Complejo III
Citocromo c

0.4

Complejo IV ΔG = − 112 kJ • mol−1

0.6

0.8 O2 H2O

388 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

EJEMPLO DE CÁLCULO 15-1

Calcular el cambio de energía libre estándar para la oxidación de malato por PROBLEMA
NAD+. ¿Es la reacción espontánea en condiciones estándar?

Método 1 SOLUCIÓN
Se escriben las semirreacciones implicadas, invirtiendo la semirreacción del malato
(de modo que se convierta en una reacción de oxidación) y cambiando el signo de
su :

malato oxalacetato ϩ 2Hϩ ϩ eϪ ϭ ϩ0.166 V
ϭ Ϫ 0.315 V
NADϩ ϩ Hϩ ϩ 2 eϪ NADH

malato ϩ NADHϩ oxalacetato ϩ NADHϩ Hϩ ⌬ ϭ Ϫ0.149 V

Método 2

Se identifican el aceptor de electrones (NAD+) y el donador de electrones (malato).
Se sustituyen sus potenciales de reducción estándar en la ecuación 15-3:

⌬ ϭ (eϪaceptor) Ϫ (eϪdonador)
ϭ Ϫ0.315 V Ϫ (Ϫ0.166 V)
ϭ Ϫ0.149 V

Ambos métodos
El Δ para la reacción neta es de -0.149 V. Se emplea la ecuación 15-4 para
calcular ΔG°´:

⌬G ЊЈ ϭ Ϫn ⌬
ϭ Ϫ(2)(96,485 J и VϪ1 и molϪ1)(Ϫ0.149 V)
ϭ ϩ28,750 J и molϪ1
ϭ ϩ28.8 kJ и molϪ1

La reacción tiene valor positivo de ΔG°´ y por tanto no es espontánea. (In vivo,
esta reacción endergónica ocurre en el paso 8 del ciclo del ácido cítrico y está
acoplada al paso 1, que es exergónico.)

15-2. Transporte mitocondrial de electrones

En los organismos aeróbicos, el NADH y ubiquinol producidos por glucólisis, ci- CONCEPTOS CLAVE
clo del ácido cítrico, oxidación de ácidos grasos y otras vías metabólicas son reoxi- • La membrana mitocondrial interna
dados en última instancia por oxígeno molecular, un proceso llamado respiración.
El potencial de reducción estándar de +0.815 V para la reducción de O2 a H2O contiene la matriz e incluye
indica que el O2 es un agente oxidante más eficaz que cualquier otro compuesto proteínas de transporte específicas.
biológico (cuadro 15-1). La oxidación de NADH por O2, esto es, la transferencia • El complejo I transfiere electrones
de electrones de NADH directamente a O2, generaría una gran cantidad de energía de NADH a ubiquinona.
libre, pero esta reacción no ocurre en un solo paso. En cambio, los electrones son • El ciclo del ácido cítrico, oxidación
transportados de NADH a O2 en un proceso de múltiples pasos que ofrece varias de ácidos grasos y otros procesos
oportunidades para conservar la energía libre de la oxidación. En las eucariotas, también generan ubiquinol
todos los pasos de la fosforilación oxidativa son realizados por una serie de comple- mitocondrial.
jos proteínicos unidos a membrana en las mitocondrias (en procariotas, las proteí- • El ciclo Q mediado por el complejo
nas de membrana plasmática realizan funciones similares). En la siguiente sección III reduce el citocromo c.
se describe el modo en que los electrones fluyen por esta “cadena respiratoria” desde • El complejo IV utiliza electrones del
cofactores reducidos hasta oxígeno. citocromo c para reducir O2 a H2O.

Las membranas mitocondriales definen dos
compartimentos

De conformidad con su origen como un simbionte bacteriano, la mitocondria tiene
dos membranas. La membrana externa, análoga de la propia de algunas bacterias, es
relativamente porosa debido a la presencia de proteínas tipo porina que permiten la

15-2. Transporte mitocondrial de electrones | 389

Membrana externa difusión transmembrana de sustancias con masa hasta de 10 kD (en la sección 9-2

Espacio intermembrana se da un ejemplo de la estructura y función de las porinas). La membrana interna

Membrana interna tiene estructura contorneada que encierra un espacio llamado matriz mitocondrial.

Matriz Dado que la membrana mitocondrial interna impide los movimientos transmem-

Figura 15-3. Modelo de la estructura brana de iones y moléculas pequeñas (excepto por medio de proteínas de transporte
mitocondrial. La membrana
mitocondrial interna, relativamente específicas), la composición de la matriz difiere de la propia del espacio entre las
impermeable, contiene la matriz, rica en
proteína. El espacio intermembrana membranas interna y externa. De hecho, la composición iónica del espacio inter-
tiene composición iónica similar a la del
citosol, porque la membrana membrana se considera equivalente a la del citosol, debido a la presencia de las po-
mitocondrial externa es permeable a
sustancias con masas de menos de unos rinas en la membrana mitocondrial externa (figura 15-3).
10 kD. Se acostumbra representar a las mitocondrias como organelos en forma de riñón,

en los cuales la membrana mitocondrial interna forma un sistema de divisiones lla-
madas crestas (figura 15-4A). Sin embargo, la tomografía electrónica, una técnica
que permite visualizar estructuras celulares en tres dimensiones analizando micro-
grafías de cortes celulares secuenciales, revela que las mitocondrias son estructuras
muy variables. Por ejemplo, las crestas pueden ser irregulares y bulbosas en vez de
planas, y pueden establecer varias conexiones tubulares con el resto de la membrana
mitocondrial interna (figura 15-4B). Además, una célula puede contener cientos a
miles de mitocondrias discretas en forma de bacterias, o un solo organelo tubular
puede asumir la forma de una red extendida con muchas ramas e interconexiones.
Mitocondrias individuales pueden moverse por la célula y experimentar fusión
(unirse) y fisión (separarse).

Como un reflejo de su origen antiguo como organismos de vida libre, las mito-
condrias tienen su propio genoma y maquinaria de síntesis de proteínas consistente
en rRNA y tRNA codificados por estos mismos organelos. El genoma mitocondrial
codifica 13 proteínas, que son componentes de los complejos de la cadena respirato-
ria. Éste es sólo un pequeño subgrupo de las alrededor de 1 500 proteínas necesarias
para el funcionamiento mitocondrial; las otras proteínas de la cadena respiratoria,
enzimas de la matriz, transportadoras y demás son codificadas por el genoma nuclear
de la célula, sintetizadas en el citosol e importadas al interior de las mitocondrias (a
través de ambas membranas) por mecanismos especiales.

Gran parte del NADH y QH2 de la célula es generada por el ciclo del ácido cítri-
co en la matriz mitocondrial. La oxidación de ácidos grasos también ocurre en gran
medida en la matriz y genera NADH y QH2. Estos cofactores reducidos transfieren
sus electrones a los complejos proteínicos de la cadena de transporte de electrones,
que están relacionados de manera estrecha con la membrana mitocondrial interna.
Sin embargo, el NADH producido por glucólisis y otros procesos oxidativos en el
citosol no puede llegar directamente a la cadena respiratoria. No existe una proteína
de transporte que pueda llevar NADH de un lado a otro de la membrana mitocon-
drial interna. En cambio, la matriz importa “equivalentes reductores” por medio de
las reacciones químicas de sistemas como el sistema lanzadera de malato y aspartato
(figura 15-5).

Las mitocondrias también necesitan un mecanismo para exportar ATP e impor-

tar ADP y Pi, dado que la mayor parte del ATP de la célula se genera en la matriz por
fosforilación oxidativa y se consume en el citosol. Ua proteína de transporte llamada

nucleótido de adenina translocasa exporta ATP e importa ADP, uniéndose a uno u

Figura 15-4. Imágenes de (a) (b)
mitocondrias. a) Micrografía
electrónica ordinaria que muestra
crestas como un sistema de divisiones
planas. (K. Porter/Photo Researchers.)
b) Reconstrucción tridimensional de
una mitocondria por tomografía
electrónica, que muestra crestas
tubulares irregulares. (Cortesía de

Carmen Mannella, Wadsworth Center,
Albany, Nueva York.)

390 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

COO− COO− NADH + H+ NAD+ COO− Figura 15-5. Sistema lanzadera de

+ CO HO C H malato y aspartato. El oxalacetato
citosólico se reduce a malato para el
H3N C H CH2 Malato CH2 transporte al interior de las
CH2 COO− deshidrogenasa COO− mitocondrias. El malato se reoxida
COO− entonces en la matriz. El resultado neto
Oxalacetato de la matriz Malato es la transferencia de “equivalentes
Aspartato reductores” del citosol a la matriz. El
oxaloacetato mitocondrial puede ser
MATRIZ exportado de vuelta al citosol después de
CITOSOL ser convertido en aspartato por una
aminotransferasa.

COO− COO− Malato COO−
CO deshidrogenasa HO C H
+
CH2 citosólica CH2
H3N C H COO− COO−
CH2 NADH + H+ NAD+
COO−
Oxalacetato Malato
Aspartato

otro y cambiando su conformación para liberar el nucleótido en el lado opuesto de
la membrana (figura 15-6A). El fosfato inorgánico, un sustrato para la fosforilación
oxidativa, se importa desde el citosol en simporte con H+ (figura 15-6B).

Los complejos proteínicos que realizan el transporte de electrones y la síntesis de
ATP se orientan en la membrana mitocondrial interna de manera que pueden unirse
a NADH, ADP y Pi presentes en la matriz. Los estudios de microscopia electrónica
dan indicios firmes de que los complejos se asocian entre sí, lo que incrementaría la
eficiencia del transporte de electrones entre ellos. La colocación de los complejos en
la membrana mitocondrial interna también es esencial para su capacidad de generar
o disipar un gradiente protónico transmembrana, dado que la membrana misma es
impermeable a los protones.

El complejo I transfiere electrones desde el NADH
hacia la ubiquinona

El trayecto de los electrones en la cadena respiratoria comienza con el complejo I,
también llamado NADH:ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa.
Esta enzima cataliza la transferencia de un par de electrones de NADH a ubiquinona:

NADH ϩ Hϩ ϩ Q NADϩ ϩ QH2

El complejo I es la más grande de las proteínas de transporte de electrones en la

cadena respiratoria mitocondrial, con 46 diferentes subunidades y masa total de al-

rededor de 900 kD en los mamíferos. Su forma tridimensional se ha visualizado por

microscopia crioelectrónica (véase sección 4-5). En conjunto, el complejo tiene for-

ma de L, con su brazo globular soluble conectado por un tallo estrecho a un pie

ATP Figura 15-6. Sistemas de transporte

MATRIZ mitocondriales. a) La nucleótido de
adenina translocasa se une a ATP o
ESPACIO ADP y cambia su conformación para
INTERMEMBRANA liberar el nucleótido en el lado opuesto
de la membrana mitocondrial interna.
ADP Pi H+ Este transportador puede exportar
(a) (b) entonces ATP e importar ADP. b) Una
proteína simporte Pi–H+ permite el
movimiento simultáneo de fosfato
inorgánico y un protón al interior de la
matriz mitocondrial.

15-2. Transporte mitocondrial de electrones | 391

CH2OPO32Ϫ CH2OPO32Ϫ
HO C H HO C H

HO C H HO C H
HO C H
2 Hϩ, 2 eϪ HO C H

H3C CH2 O H3C CH2 H O
NN NN

H3C N H3C N
NH NH

O HO

Mononucleótido de flavina (FMN) FMNH2

Figura 15-7. Mononucleótido de flavina (FMN). Este grupo prostético recuerda al
dinucleótido de flavina y adenina (FAD; véase figura 3-4C), pero carece del grupo AMP
del FAD. La transferencia de dos electrones y dos protones al FMN genera FMNH2.

Cys S embebido en la membrana. El tallo tiene sólo unos 30 Å de diámetro, pero es lo

Cys Fe Cys suficientemente grande para constituir una vía que permite a los electrones viajar
Fe
entre el sitio de unión a NADH en el brazo y el sitio de unión a quinona en el pie.
S Cys El complejo I incluye varios grupos prostéticos que participan en la transferencia
2Fe–2S
electrónica al experimentar reducción cuando reciben electrones y oxidación cuando
Cys S Cys los ceden al siguiente grupo en la cadena. Resulta ser que estos grupos, o centros
Fe redox, tienen potenciales de reducción que se encuentran de manera aproximada
entre los potenciales de reducción de NAD+ ( = -0.315 V) y ubiquinona ( =
Fe S +0.045 V). Esto les permite formar una cadena en la cual los electrones siguen un
Cys S Fe recorrido de potencial de reducción creciente. Los centros redox no necesitan estar en
contacto estrecho entre sí, como sería el caso si el grupo por transferir fuera una
S entidad química más grande. Un electrón puede moverse entre centros redox a 14 Å
de distancia mediante efecto de tunel a través de los enlaces covalentes de la proteína.
Fe
Los dos electrones donados por NADH son captados primero por mononucleó-
Cys tido de flavina (FMN; figura 15-7). Este grupo prostético unido de modo no cova-
4Fe–4S lente, que es similar al FAD, transfiere los electrones, uno a la vez, a un segundo tipo
de centro redox, un grupo hierro-azufre (Fe–S). El complejo I porta 8 o 9 de estos
Figura 15-8. Grupos hierro-azufre. grupos prostéticos, que contienen cantidades iguales de iones hierro y azufre (figura
Aunque algunos grupos hierro-azufre 15-8). A diferencia de los portadores de electrones que se han presentado hasta aho-
contienen hasta ocho átomos de Fe, los ra, los grupos Fe–S son portadores de un electrón. Tienen estado de oxidación de +3
más comunes son los grupos 2Fe–2S y (oxidado) o +2 (reducido), sin importar el número de átomos de Fe en el grupo
4Fe–4S. En todos los casos, los grupos (cada grupo es una estructura conjugada que funciona como unidad independien-
hierro-azufre son coordinados por los te). Los electrones viajan entre varios grupos Fe-S antes de llegar a la ubiquinona. Al
átomos de S de cadenas laterales de Cys. igual que el FMN, la ubiquinona es un portador de dos electrones (página 305),
Estos grupos prostéticos experimentan pero acepta un electrón a la vez de un donador Fe –S. Es posible que los grupos Fe–S
reacciones redox de un electrón. se encuentren entre los portadores de electrones más antiguos, procedentes de un
tiempo en que los abundantes hierro y azufre eran importantes componentes de las
reacciones químicas prebióticas de la Tierra.

A medida que se transfieren electrones de NADH a ubiquinona, el complejo I trans-
fiere cuatro protones de la matriz al espacio intermembrana. El movimiento de proto-
nes de un lado a otro de la membrana es realizado por cambios conformacionales de
proteínas que ocurren cuando los grupos redox se reducen de manera transitoria y se
reoxidan. La vía de transporte de protones no es un poro en el sentido habitual (véase
sección 9-2) sino que asume la forma de un alambre protónico, una serie de grupos
proteínicos unidos por enlaces de hidrógeno más moléculas de agua que forman una
cadena a través de la cual puede enviarse un protón con rapidez (el salto de protones
entre moléculas de agua se muestra en la figura 2-11). Nótese que en este mecanismo
de transmisión, los protones captados de la matriz no son los mismos que se liberan en
el espacio intermembrana. Las reacciones del complejo I se resumen en la figura 15-9.

392 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

NADH + H+ Figura 15-9. Funcionamiento del

NAD+ complejo I. Cuando se transfieren dos
electrones del NADH, hidrosoluble, a la
MATRIZ ubiquinona, liposoluble, cuatro
protones se transponen de la matriz al
2e− Q espacio intermembrana.

Complejo QH2
I

ESPACIO
INTERMEMBRANA

4 H+

Otras reacciones de oxidación contribuyen a la reserva
de ubiquinol

El producto quinona reducido de la reacción del complejo I se une a una reserva de
quinonas que son solubles en la membrana mitocondrial interna en virtud de sus largas
colas isoprenoides hidrófobas (página 305). La reserva de quinonas reducidas aumenta
por la actividad de otras reacciones redox. Una de éstas es catalizada por succinato des-
hidrogenasa, que realiza el paso 6 del ciclo del ácido cítrico (véase sección 14-2).

Succinato ϩ Q fumarato ϩ QH2
La succinato deshidrogenasa es la única de las enzimas del ciclo del ácido cítrico que
no es soluble en la matriz mitocondrial; está embebida en la membrana interna. Al
igual que los otros complejos respiratorios, contiene varios centros redox, incluido un
grupo FAD. La succinato deshidrogenasa también se llama complejo II de la cadena
respiratoria mitocondrial. Sin embargo, es más como un tributario porque no realiza
la transposición de protones y por tanto no aporta de manera directa la energía libre de
su reacción redox a la síntesis de ATP. Con todo, proporciona equivalentes reductores
como ubiquinol a la cadena de transporte de electrones (figura 15-10A).

RR

HCH HC

HCH CH
CO CO

Succinato Fumarato SCoA SCoA

MATRIZ

2e− Q 2e− Q Deshidrogenasa Q
QH2 mitocondrial
Succinato QH2 Acil-CoA
deshidrogenasa deshidrogenasa 2e− QH2

ESPACIO (complejo II) (b)
INTERMEMBRANA
(a)
H2C OH H2C OH
Figura 15-10. Reacciones que contribuyen a la reserva de ubiquinol. CO HO C H
CH2OPO32−
a) La reacción de la succinato deshidrogenasa (complejo II) transfiere CH2OPO32−
electrones a la reserva de ubiquinona reducida en la membrana mitocondrial Dihidroxiacetona
interna. b) La reacción de la acil-CoA deshidrogenasa, que es un paso de la fosfato Glicerol
vía de oxidación de ácidos grasos, genera ubiquinol. R representa la cola del 3-fosfato
hidrocarburo del ácido graso. c) En el sistema lanzadera de glicerol 3-fosfato,
un glicerol 3-fosfato deshidrogenasa emplea electrones del NADH citosólico Deshidrogenasa
para reducir dihidroxiacetona fosfato a 3-fosfato de glicerol. La enzima citosólica
mitocondrial, embebida en la membrana interna, reoxida entonces el glicerol
3-fosfato, y en última instancia transfiere los dos electrones a la reserva de NADH + H+ NAD+
ubiquinona en la membrana.
(c)

15-2. Transporte mitocondrial de electrones | 393

Una fuente importante de ubiquinol es la oxidación de ácidos grasos, otra vía cata-
bólica generadora de energía que actúa en la matriz mitocondrial. Una grasoacil-CoA
deshidrogenasa unida a la membrana cataliza la oxidación de un enlace C–C en un
ácido graso unido a coenzima A. Los electrones extraídos en esta reacción de deshidro-
genación se transfieren a ubiquinona (figura 15-10B). Como se verá en la sección 17-
1, la oxidación completa de un ácido graso también produce NADH, que se reoxida
en la cadena transporte mitocondrial de electrones, comenzando con el complejo I.

Los electrones del NADH citosólico también pueden ingresar en la reserva de
ubiquinol mitocondrial a través de las acciones de un glicerol 3-fosfato deshidroge-
nasa citosólica y una mitocondrial (figura 15-10C). Este sistema, que lleva electro-
nes de NADH a ubiquinol, evita el complejo I.

El complejo III transfiere electrones del ubiquinol al
citocromo c

El ubiquinol es reoxidado por el complejo III, una proteína integral de membrana con
11 subunidades en cada una de sus dos unidades monoméricas. El complejo III, tam-
bién llamado ibiquinol:citocromo c oxidorreductasa o citocromo bc1, transfiere elec-
trones a la proteína periférica de membrana citocromo c. Los citocromos son proteínas
con grupos prostéticos hemo. El nombre citocromo significa literalmente “color celu-
lar”; los citocromos son en gran medida responsables del color pardo purpúreo de las
mitocondrias. Suelen distinguirse por medio de letras (a, b o c), las cuales indican la
estructura exacta del anillo porfirínico de su grupo hemo (figura 15-11). La estructura
del grupo hemo y el microambiente proteínico circundante influyen en el espectro de
absorción de la proteína. También determinan los potenciales de reducción de los ci-
tocromos, que varían entre alrededor de -0.080 V y alrededor de +0.385 V.

A diferencia de los grupos prostéticos hemo de hemoglobina y mioglobina (véase
sección 5-1), los grupos hem de los citocromos experimentan reducción reversible
de un electrón, y el átomo de Fe central alterna entre los estados Fe3+ (oxidado) y
Fe2+ (reducido). En consecuencia, la reacción neta para el complejo III, en la cual se
transfieren dos electrones, incluye dos proteínas citocromo c.

CH2 CH CH3 QH2 ϩ 2 citocromo c (Fe3ϩ) Q ϩ 2 citocromo c (Fe2ϩ)ϩ 2 Hϩ

H3C NN CH CH2 El complejo III mismo contiene dos citocromos (citocromo b y c1) que son pro-
H3C Fe3ϩ CH3 teínas integrales de membrana. Estas dos proteínas, junto con una ferrosulfoproteí-
na (también llamada proteína de Rieske), constituyen el centro funcional del
NN complejo III (estas tres subunidades son las únicas que tienen homólogos en el com-
plejo respiratorio bacteriano correspondiente). Cada monómero del complejo III
CH2 CH2 está anclado a la membrana por 14 hélices α transmembrana (figura 15-12).

CH2 CH2 El flujo de electrones a través del complejo III es complicado, en parte porque los
dos electrones donados por el ubiquinol deben separarse a fin de viajar por una serie
COOϪ COOϪ de portadores de un electrón que incluye el grupo 2Fe–2S de la ferrosulfoproteína,
citocromo c1, y b (que en realidad contiene dos grupos hemo con potenciales de re-
Hem b ducción ligeramente distintos). Excepto por el grupo 2Fe-2S, todos los centros re-
dox se disponen de tal manera que los electrones pueden pueden pasar por efecto de
Figura 15-11. Grupo hemo de un tunel de uno a otro. La ferrosulfoproteína debe cambiar su conformación rotando y
moviéndose unos 22 Å a fin de captar y enviar un electrón. Para complicar aún más
citocromo b. El anillo porfirínico, plano, el panorama, cada unidad monomérica del complejo III tiene dos sitios activos en
rodea un átomo de Fe central, mostrado los cuales los cofactores quinona experimentan reducción y oxidación.
en su estado oxidado (Fe3+). Los grupos
sustituyentes de hemo, en azul, difieren La intrincada ruta de los electrones desde el ubiquinol hasta el citocromo c se
en los citocromos a y c (el grupo hemo describe por medio del ciclo Q de dos rondas, que se esquematiza en la figura 15-13.
de hemoglobina y mioglobina tiene la El resultado neto del ciclo Q es que dos electrones de QH2 reducen dos moléculas
estructura b; página 121). de citocromo c. Además, se transponen cuatro protones al espacio intermembrana,
dos de QH2 en la primera ronda del ciclo Q y dos de QH2 en la segunda ronda. Este
movimiento de protones contribuye al gradiente protónico transmembrana. En la
figura 15-14 se resumen las reacciones del complejo III.

394 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

MATRIZ

ESPACIO
INTERMEMBRANA

(a) (b)

Figura 15-12. Estructura del complejo III de los mamíferos. a) Modelo de esqueleto. Ocho hélices transmembrana en cada
monómero del complejo dimérico son aportadas por el citocromo b (amarillo). La ferrosulfoproteína (anaranjado) y el citocromo c1
(rojo) se proyectan en el espacio intermembrana. Se indica la posición aproximada de la membrana. b) Disposición de los grupos
prostéticos. Los dos grupos hemo de cada citocromo b (amarillo) y el grupo hemo del citocromo c1 (rojo), junto con los grupos
hierro-azufre (anaranjado), constituyen una vía para los electrones entre el ubiquinol (en la membrana) y el citocromo c (en el espacio
intermembrana). (Estructura [pdb 1BE3] determinada por S. Iwata, J.W. Lee, K. Okada, J.K. Lee, M. Iwata, S. Ramaswamy y B.K. Jap.)

Ronda 1 1. En la primera ronda, el QH2 dona un electrón Figura 15-13. Ciclo Q.
a la ferrosulfoproteína (ISP). El electrón viaja
MATRIZ
entonces al citocromo c1 y luego al citocromo c
.Q−
Q cit b cit c1 2. El QH2 dona su otro electrón al citocromo b.
3 Los dos protones del QH se liberan en el
2
Q e− 2
QH2 e−
1 ISP espacio intermembrana
ESPACIO
INTERMEMBRANA 3. La ubiquinona oxidada se difunde a otro sitio
de unión a quinona, donde acepta el electrón
2 H+ del citocromo b y se convierte en una
semiquinona semirreducida (•Q–)

cit c(Fe3+) cit c(Fe2+)

Ronda 2
2 H+

QH2 cit b cit c1 4. En la segunda ronda, un segundo QH2
.Q− cede sus dos electrones al complejo III y
5 sus dos protones al espacio intermembrana.
Q e− Un electrón va a reducir al citocromo c
QH2 e−
4 ISP 5. El otro electrón va al citocromo b y luego
a la semiquinona en espera producida en
la primera parte del ciclo. Este paso regenera
QH2 utilizando protones de la matriz

2 H+ cit c(Fe3+) cit c(Fe2+)

15-2. Transporte mitocondrial de electrones | 395

Figura 15-14. Funcionamiento del 2 H+

complejo III. Por cada dos electrones MATRIZ
que pasan del ubiquinol al citocromo c,
se transponen cuatro protones al espacio QH2 Q Complejo
intermembrana. III

2 QH2 2e −

ESPACIO 2 cit c(Fe2+)
INTERMEMBRANA

4 H+

2 cit c(Fe3+)

El complejo IV oxida citocromo c y reduce O2

Del mismo modo en que la ubiquinona lleva electrones del complejo I y otras enzi-
mas al complejo III, el citocromo c lleva electrones entre los complejos III y IV. A
diferencia de la ubiquinona y las otras proteínas de la cadena respiratoria, el citocro-
mo c es soluble en el espacio intermembrana (figura 15-15). Debido a que esta pe-
queña proteína periférica de membrana es fundamental para el metabolismo de
muchos organismos, el análisis de su secuencia tuvo un papel importante en la dilu-
cidación de las relaciones evolutivas.

El complejo IV, también llamado citocromo c oxidasa, es la última enzima en
manejar los electrones derivados de la oxidación de combustibles metabólicos. Cua-
tro electrones transportados por el citocromo c se consumen en la reducción de
oxígeno molecular a agua:

4 citocromo c (Fe2ϩ) ϩ O2 ϩ 4 Hϩ 4 citocromo c (Fe3ϩ) ϩ 2 H2O

Los centros redox del complejo IV de los mamíferos incluyen grupos hemo y iones cobre
situados entre las 13 subunidades en cada mitad del complejo dimérico (figura 15-16).

Cada electrón viaja del citocromo c al centro redox CuA, que tiene dos iones co-
bre, y luego a un grupo hemo a. De ahí viaja a un centro binuclear consistente en el
átomo de hierro de hemo a3 y un ion cobre (CuB). La reducción del O2 cuatro elec-
trones ocurre en el centro binuclear Fe-Cu. En la figura 15-17 se muestra una posi-
ble secuencia de intermediarios de reacción. Nótese que la reducción química de O2
a H2O consume cuatro protones de la matriz mitocondrial.

Figura 15-15. Citocromo c. La
proteína se muestra como una superficie
transparente gris sobre su esqueleto en
forma de listón. El grupo hemo (rosa
oscuro) yace en un bolsillo profundo. El
citocromo c transfiere un electrón a la
vez del complejo III al complejo IV.

(Estructura de citocromo c de atún (pdb 5CYT)

determinada por T. Takano.)

396 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

Fe2ϩ Cuϩ
O2

Fe2ϩ Cuϩ
O2
Hϩ, eϪ

Figura 15-16. Estructura de la citocromo c oxidasa. Las 13 subunidades en cada Fe4ϩ Cu2ϩ
mitad monomérica del complejo de mamífero comprenden 28 hélices α O2Ϫ OHϪ
transmembrana. (Estructura [pdb 20CC] determinada T. Tsukihara y M. Yao.)
Hϩ
La citocromo c oxidasa también transfiere cuatro protones adicionales de la ma- H2O
triz al espacio intermembrana (dos protones por cada par de electrones). Al parecer
el complejo proteínico contiene dos alambres protónicos. Uno conduce iones H+ de Fe4ϩ Cu2ϩ
la matriz al sitio activo reductor de oxígeno. El otro cubre la distancia de 50 Å entre la O2Ϫ
matriz y las caras intermembrana de la proteína. Los protones se envían por los
alambres protónicos cuando la proteína cambia su conformación en respuesta a Hϩ, eϪ
cambios en su estado de oxidación. La producción de agua y los envíos de protones
agotan la concentración protónica de la matriz y por tanto contribuyen a la forma- Fe3ϩ Cu2ϩ
ción de un gradiente protónico de un lado a otro de la membrana mitocondrial in- OHϪ
terna (figura 15-18).
Hϩ, 2 eϪ
REPASO DE CONCEPTOS
• Describa los compartimentos de una mitocondria. H2O
• ¿Cuáles proteínas de transporte se encuentran en la membrana mitocondrial
Fe2ϩ Cuϩ
interna?
• Enumere los diferentes tipos de centros redox en la cadena de transporte Figura 15-17. Un modelo propuesto

electrónica respiratoria. ¿Cuáles son portadores de un electrón y cuáles de dos? para la reacción de la citocromo c
• ¿Cómo se envían electrones a los complejos I, III y IV? oxidasa. Aunque se desconoce la
• ¿Por qué es oxígeno el aceptor final de electrones de la cadena respiratoria? secuencia exacta de transferencias
• ¿Cuál es la función de un alambre protónico? electrónicas y protónicas, los
intermediarios de reacción mostrados se
1 O2 + 2 H+ infieren de dados espectroscópicos y de
2 otros tipos. Un radical tirosina
enzimático (no mostrado) participa en
la transferencia electrónica.

MATRIZ H2O

Complejo
IV

2e −

ESPACIO 2 cit c(Fe3+)
INTERMEMBRANA 2 cit c(Fe2+)

2 H+

Figura 15-18. Funcionamiento del complejo IV. Por cada dos electrones que el
citocromo c dona, se transponen dos protones al espacio intermembrana. En la
reacción ½O2 H2O también se consumen dos protones de la matriz (la reducción
completa de O2 requiere cuatro electrones).

15-2. Transporte mitocondrial de electrones | 397

15-3. Quimiósmosis

CONCEPTOS CLAVE En la reducción de O2 a H2O se ha dispuesto ya de la totalidad de los electrones
• La formación de un gradiente captados de los combustibles metabólicos durante su oxidación. Sin embargo, su

protónico transmembrana durante energía libre se ha conservado. ¿Cuánta energía libre está potencialmente disponible?
el transporte de electrones aporta Usando los valores de ΔG calculados a partir de los potenciales de reducción están-
la energía libre para sintetizar ATP.
• Tanto concentración como carga dar de los sustratos y productos de los complejos I, III y IV (presentados de manera
contribuyen a la energía libre del
gradiente protónico. gráfica en la figura 15-2), es posible ver que cada uno de los tres complejos respira-

torios en teoría genera suficiente energía libre para impulsar la fosforilación ender-
gónica de ADP y formar ATP (ΔG°´ = +30.5 kJ • mol–1).

Complejo I: NADH QH2 ⌬G ЊЈ ϭ Ϫ69.5 kJ и molϪ1
Complejo III: QH2 citocromo c ⌬G ЊЈ ϭ Ϫ36.7 kJ и molϪ1
Complejo IV: citocromo c O2 ⌬G ЊЈ ϭ Ϫ112.0 kJ и molϪ1
NADH O2
⌬G ЊЈ ϭ Ϫ218.2 kJ и molϪ1

La quimiósmosis vincula el transporte de electrones
con la fosforilación oxidativa

++ + Hasta el decenio de 1960-69, la conexión entre transporte de electrones respirato-
+ + rio (medido como consumo de O2) y síntesis de el ATP era un misterio. El crédito
por descubrir la conexión corresponde en mayor medida a Peter Mitchell, quien se
inspiró en su trabajo sobre el transporte mitocondrial de fosfato y reconoció la
importancia de la compartimentación en los sistemas biológicos. En su teoría
quimiosmótica, Mitchell propuso que la actividad de transposición de protones
de los complejos de transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna
genera un gradiente protónico de un lado a otro de la membrana. Los protones no
pueden difundirse de regreso al interior de la matriz porque la membrana es im-
permeable a los iones. El desequilibrio de protones representa una fuente de ener-
gía libre, también llamada fuerza protomotriz, que puede impulsar la actividad
de una ATP sintasa.

Ahora se sabe que por cada par de electrones que fluye por los complejos I, III y IV,
se transponen 10 protones de la matriz al espacio intermembrana (que en sentido ió-
nico es equivalente al citosol). En las bacterias, los complejos de transporte de electro-
nes de la membrana plasmática transponen protones del citosol al exterior de la célula.

La teoría de la quimiósmosis de Mitchell en realidad explica más que la sola
respiración aeróbica. También se aplica a sistemas en los que la energía de
la luz solar se utiliza para generar un gradiente protónico transmembra-
na (este aspecto de la fotosíntesis se describe en la sección 16-2).

+ + +
+
+ MATRIZ El gradiente de protones es un gradiente
+

I III IV

+ + ++++++++++++++ + +++++++++++++++++ + +++++++++++++++ ++ IESPACIO electroquímico
+ + ++ +++ INTERMEMBRANA

++ Cuando los complejos mitocondriales transponen protones de un
lado a otro de la membrana mitocondrial interna, la concentración de
Figura 15-19. Generación de un H+ aumenta fuera y disminuye adentro (figura 15-19). Este desequilibrio de
protones, un estado fuera del equilibrio, tiene energía libre asociada (la fuerza
gradiente protónico. Durante las que llevaría el sistema de vuelta al equilibrio). La energía libre del gradiente protó-
reacciones redox catalizadas por los nico tiene dos componentes, que reflejan la diferencia en la concentración de la es-
complejos mitocondriales I, III y IV, se pecie química y la diferencia de carga eléctrica de los protones, con carga positiva
transponen protones (representados (por esta razón, el gradiente protónico mitocondrial se considera un gradiente elec-
como cargas positivas) desde la matriz troquímico y no sólo un gradiente de concentración). El cambio de energía libre
hacia el espacio intermembrana. Esto para generar el desequilibrio químico de protones es:
crea un desequilibrio tanto en la
concentración de protones como en la ⌬G ϭ RT ln [ H ϩfuera]
carga eléctrica. [ H ϩdentro]

398 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa

El pH (–log [H+]) del espacio intermembrana (fuera) suele ser unas 0.75 unidades
menor que el pH de la matriz (dentro).

El cambio de energía libre para generar el desequilibrio eléctrico de protones es:

⌬G ϭ Z ⌬␺

donde Z es la carga iónica (+1 en este caso) y Δψ es el potencial de membrana cau-
sado por el desequilibrio de cargas positivas (véase sección 9-1). Para las mitocon-
drias, Δψ es positivo, de unos 150 a 200 mV. Este valor indica que el espacio
intermembrana o citosol es más positivo que la matriz (recuérdese de la sección 9-1
que para una célula completa, el citosol es más negativo que el espacio extracelular y
Δψ es negativo).

Combinando los efectos químicos y eléctricos se obtiene un cambio global de
energía libre para el transporte de protones desde la matriz (dentro) hasta el espacio
intermembrana (fuera):

⌬G ϭ RT ln [[HHϩϩdfeunetrrao]]ϩ Z ⌬␺

El cambio de energía libre para transponer un protón fuera de la matriz suele ser de unos
+20 kJ • mol–1 (en el ejemplo de cálculo 15-2 puede verse una aplicación detallada
de la ecuación 15-7). Éste es un suceso termodinámicamente costoso. El paso del
protón de regreso al interior de la matriz, siguiendo su gradiente electroquímico,
tendría un cambio de energía libre de unos -20 kJ • mol–1. Este suceso es termo-
dinámicamente favorable, pero no genera suficiente energía libre para impulsar la
síntesis de ATP. Sin embargo, los 10 protones que se transponen por cada par de
electrones transferido de NADH a O2 tienen una fuerza protomotriz asociada
de más de 200 kJ • mol–1, suficiente para impulsar la fosforilación de varias molé-
culas de ADP.

EJEMPLO DE CÁLCULO 15-2

Calcular el cambio de energía libre necesaria para transponer un protón fuera de la PROBLEMA
matriz mitocondrial, donde pHmatriz = 7.8, pHcitosol = 7.15, Δψ = 170 mV,
y T = 25 °C.

Dado que pH = -log [H+] (ecuación 2-4), el término logarítmico de la ecuación SOLUCIÓN
15-7 puede reescribirse. La ecuación 15-7 pasa a ser entonces:

⌬G ϭ 2.303 RT (pHdentro Ϫ pHfuera) ϩ Z ⌬␺
Sustituyendo los valores conocidos se obtiene:

⌬G ϭ 2.303 (8.3145 J и KϪ1 и molϪ 1)(298 K)(7.8 Ϫ 7.15)
ϩ (1)(96 485 J и VϪ1 и molϪ 1)(0.170 V)

ϭ 3 700 J и molϪ1 ϩ 16 400 J и molϪ1
ϭ ϩ20.1 kJ и molϪ1

REPASO DE CONCEPTOS

• ¿Cuál es la fuente de los protones que forman el gradiente de un lado a otro de
la membrana mitocondrial interna?

• ¿Por qué la energía libre del gradiente protónico tiene un componente químico y
otro eléctrico?

15-3. Quimiósmosis | 399

15-4. ATP sintasa

CONCEPTOS CLAVE La proteína que aprovecha el gradiente protónico electroquímico para fosforilar
• La transposición de protones
ADP se conoce como F1F0 ATP sintasa (o complejo V). Una parte de la proteína,
impulsa la rotación de una parte de llamada F0, funciona como canal transmembrana que permite el flujo de H+ de
la ATP sintasa.
• Cambios conformacionales vuelta al interior de la matriz, siguiendo su gradiente. El componente F1 cataliza la
inducidos por rotación permiten reacción ADP + Pi ATP + H2O (figura 15-20). En esta sección se describen las
a la ATP sintasa unirse a ADP y Pi, estructuras de los dos componentes de la ATP sintasa y se muestra el modo en que
fosforilar el ADP, y liberar ATP.
• Dado que la síntesis de ATP está sus actividades se vinculan para que el transporte de H+, exergónico, pueda acoplarse
vinculada de manera indirecta
al transporte de electrones, el a la síntesis de ATP endergónica.
cociente P:O no es un número
entero. La ATP sintasa gira a medida que transpone protones
• El suministro de cofactores
reducidos determina la velocidad No resulta sorprendente que la estructura de la ATP sintasa esté altamente conser-
de la fosforilación oxidativa. vada entre diferentes especies. Aquí el interés se centrará en mayor medida en la
proteína de E. coli, que se localiza en la membrana plasmática bacteriana y difiere de
ADP + Pi ATP la enzima de los mamíferos (mitocondrial) sólo en el número de algunas de las subu-
nidades más pequeñas (figura 15-21). El componente F0, embebido en la mem-
F1 brana, consta de una subunidad a, dos subunidades b que se extienden hacia arriba
H+ para interactuar con el componente F1, y 12 subunidades c que forman un anillo
(una “dona”) en la membrana. El número exacto de subunidades c varía con la
MATRIZ fuente; la ATP sintasa de los cloroplastos, por ejemplo, tiene 14 subunidades c.

F0 El transporte protónico a través de F0 implica la rotación del anillo c frente a la
subunidad a, estacionaria. La cadena lateral carboxilato de un residuo Asp altamen-
te conservado en cada subunidad c sirve como sitio de captación de protones (figura
15-22). Cuando se coloca de modo correcto frente a la subunidad a, una subunidad
c puede captar un protón del espacio intermembrana. Un doceavo de rotación (30°)
del anillo c coloca otra subunidad c en posición para poder liberar su protón en la

ESPACIO ␦ F1
INTERMEMBRANA ␣ ␤␣

Figura 15-20. Funcionamiento de la
ATP sintasa. Cuando los protones
fluyen por el canal transmembrana F0
desde el espacio intermembrana hacia la
matriz, el componente F1 cataliza la
síntesis de ATP a partir de ADP + Pi.

bb ␥ F0
⑀

a c c cc

(a) (b)

Figura 15-21. Estructura de la ATP sintasa. a) Modelo de la enzima de E. coli con
las unidades individuales marcadas. El componente F0 tiene la composición ab2c12, y el
componente F1 tiene la composición α3β3γδε. b) Estructura determinada por
cristalografía de rayos X de la ATP sintasa de levadura a la resolución de 3.9 Å. Cada
residuo se representa como una esfera. En este modelo no se incluyen las proteínas
correspondientes a las subunidades a, b y δ en la parte (a). (Estructura [pdb 1QO1]

determinada por D. Stock, A.G. Leslie y J.E. Walker.)

400 | CAPÍTULO 15 Fosforilación oxidativa