viernes, 8 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos. Respiración celular. // Los orgánulos energéticos: La mitocondria (II)

En esta entrada hablaremos de
mitocondrias, metabolismo aeróbico,
síntesis de ATP...
¿bien, no?
Estabas pidiéndolo; estabas deseándolo; estabas creyendo que ya nos habíamos olvidado... Has esperado casi un año y por fin vamos a hablar de la mitocondria de nuevo! En realidad, esta entrada está enfocada a una ruta importantísima y de dos fenómenos acoplados de vital importancia para nuestras células, pero que ocurren todos en las mitocondrias y no en el citosol.
 
Aprovecho para hacer publicidad de la entrada inmediatamente anterior a ésta y que trata de cómo se transforma la glucosa en piruvato (que también aparece aquí) y de dos posibles caminos que éste puede tomar en ausencia de oxígeno.
 
 
Pero no. Todo lo que viene a continuación ocurre sólo en presencia de oxígeno, y por eso el conjunto se conoce como respiración celular: las células consumen oxígeno y expelen dióxido de carbono y agua al degradar el piruvato; el proceso íntegro sucede en las mitocondrias, que, según la teoría endosimbiótica postulada por la gran Lynn Margulis, son los actuales representantes de primitivas bacterias aeróbicas que fueron fagocitadas por una célula mayor probablemente ya nucleada; entre ambas se habría establecido una relación de simbiosis tan favorable que ha evolucionado y perdurado hasta nuestros días con el éxito evidente. Realmente, el metabolismo aeróbico que las mitocondrias nos proporcionan es lo que nos mantiene en pie.

Vamos a analizarlo.


Si has seguido la entrada de glucólisis, recordarás que nos quedamos en que después de haberte comido una galleta y de que ésta fuera digerida, sus monosacáridos componentes fueron absorbidos por las células del intestino y fueron distribuidos por la sangre. En una situación de necesidad energética, la glucosa entraría en las células y sería degradada hasta piruvato vía glucólisis. En el caso anterior (una carrera de estas que te dejan con la lengua fuera), la falta de disponibilidad de oxígeno para tus músculos obligaba a las células a fermentar el piruvato a ácido láctico, que se reciclaba en el hígado a piruvato y después a glucosa, que era transportada a los músculos de nuevo mediante la sangre, pues en la ruta glucolítica obteníamos dos moléculas (o mol) de ATP por molécula (o mol) de glucosa degradada. Pero ahora es diferente, ahora sólo estás estudiando para tus exámenes finales. Estamos forzando el cerebro, que necesita energía, y respiramos con toda calma. El aporte de glucosa que te has metido con la galleta va a funcionar en la respiración celular, mucho más rentable energéticamente que una simple fermentación.
 
En el citosol la glucosa se degrada a piruvato como hemos visto, pero esta vez, el piruvato será introducido en las mitocondrias y descarboxilado a acetil-CoA. Esta reacción está catalizada por un complejo de tres enzimas que en conjunto se conocen como piruvato descarboxilasa (PDH). La reacción va a depender de cinco coenzimas (pirofosfato de tiamina TPP, coenzima A, ácido lipólico, FAD y NAD* ). Puedes ver un esquema del ciclo catalítico de la piruvato descarboxilasa pinchando sobre esta frase.
 
Esquema de la descarboxilación del piruvato
(no está representado el complejo PDH)
Fórmula de la acetil-CoA
 
La actividad de este complejo enzimático está regulado primero por la inhibición que ejercen los productos sobre la propia enzima y también luego por activación/desactivación por desfosforilación/fosforilación. Valores elevados de NADH frente a NAD*, de acetil-CoA frente a coenzima A y/o ATP frente a ADP actúan como efectores o reguladores positivos de la piruvato-deshidrogenasa quinasa, que fosforila el complejo, inactivándolo. Cuando estas proporciones revierten, la piruvato-deshidrogenasa fosfatasa elimina el grupo fosfato que bloquea el ciclo catalítico y la PDH sigue deshidrogenizando piruvato a acetil-CoA.

La molécula de acetil-CoA es un compuesto intermediario que conecta numerosas rutas metabólicas; consiste, como nos dice su nombre, en un grupo acetil unido a la coenzima A. Este acetil-CoA puede tomar muchos caminos tanto catabólicos como anabólicos, pero en nuestro caso de necesidad energética urgente, entrará en un proceso cíclico en el que se van a obtener coenzimas reducidas NADH y FADH2 y que conocemos como ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs.

En este esquema puedes ver que el ciclo abarca ocho intermediarios, y empezamos en la condensación de una molécula de acetil-CoA con una molécula de oxalacetato. De esta fusión se origina una molécula de citrato (ácido cítrico), que es isomerizado por la aconitasa a isocitrato, el cual sufre una descarboxilación y una oxidación. Su resultante, el alfa-cetoglutarato, también es descarboxilado y oxidado a succinil-CoA, cuya transformación en succinato libera energía capturada en forma de GTP (que puede convertirse por acción enzimática en ATP). El succinato se oxida a fumarato, que se hidrata para dar malato, que se oxida para reponer el oxalacetato, que queda disponible para volver a empezar el ciclo.
 
La descarboxilación del isocitrato por la isocitrato deshidrogenasa, la descarboxilación del alfa-cetoglutarato por la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y la formación de citrato a partir de acetil-CoA y oxalacetato por la citrato sintasa son las tres reacciones irreversibles de la ruta. Las enzimas de estas reacciones están finamente reguladas por factores alostéricos; la isocitrato deshidrogenasa se inhibe a concentraciones altas de ATP y NADH+H*, mientras que la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y la citrato sintasa se inhiben por altas concentraciones de succinil-CoA y NADH+H*. Esto tiene un significado práctico: altos niveles de ATP y NADH+H* mitocondrial reflejan un alto nivel energético en la célula, por lo que le estamos diciendo al sistema metabólico que no se necesita producir más ATP y, por tanto, paramos el mecanismo de producción de coenzimas reducidas. Si las concentraciones de ATP bajan y empieza a haber más NAD* que NADH+H*, las enzimas pueden volver a funcionar. Además, el ciclo de Krebs también está regulado en cuanto a la disponibilidad de sus sustratos: altas concentraciones de acetil-CoA (que puede provenir del catabolismo de azúcares, de ácidos grasos y de algunos aminoácidos) y oxalacetato (que procede del catabolismo de algunos aminoácidos) pueden estimular el ciclo del ácido cítrico frente a su escasez.

Resulta también interesante comentar que el citrato inhibe la fosfofructoquinasa que fosforila la fructosa-6-fosfato en a la glucólisis. Esto afina la coordinación entre glucólisis y el ciclo de Krebs, ya que niveles altos de citrato significa que el ciclo del ácido cítrico está pausado (ya que el citrato no se transforma) y que no se necesita gran cantidad de piruvato.
 
Volveremos a hablar mucho del ciclo de Krebs porque, en realidad, se trata de una ruta anfibólica (no es ni catabólica ni anabólica); sus intermediarios no sólo participan en el catabolismo de azúcares, sino en la biosíntesis de muchos otros compuestos, como por ejemplo aminoácidos.
 
 
Lo importante en nuestro caso es que el ciclo de Krebs (aunque sirve para más cosas) nos aporta las coenzimas reducidas necesarias para la síntesis de ATP. Estas coenzimas portan los electrones que vueltas del ciclo atrás pertenecieron a una molécula de glucosa/piruvato/acetil-CoA; aquí va energía de los nutrientes, además de la que se ha usado para fosforilar ADP a nivel de sustrato (como sucedía en la glucólisis). Pero el proceso de síntesis masiva de ATP no ocurre a nivel de sustrato, sino por un proceso acoplado al transporte electrónico que tiene lugar en la membrana interna mitocondrial. En esta membrana hay una gran cantidad y variedad de proteínas, entre las que se encuentran las proteínas de la cadena de transporte electrónico, que van a tomar los electrones capturados por las coenzimas NADH y FADH2 y se los van a pasar unas a otras (en orden de mayor a menor potencial de reducción).
 
Los complejos proteicos han sido ordenados como complejo I (NADH deshidrogenasa), complejo II (succinato deshidrogenasa), complejo III (complejo citocromo bc1), complejo IV (citocromo c oxidasa) y un complejo V que se conoce mejor por ATPsintasa. Estos cinco complejos proteicos están embebidos en la membrana. A mayores, existen transportadores con capacidad de difundir y moverse rápidamente por la bicapa lipídica: son la coenzima Q y el citocromo c.
 
Conforme los coenzimas reducidos ceden sus electrones a la cadena de transporte, se bombean protones (iones hidrógeno) al espacio intermembrana de la mitocondria. Esto genera, de tal forma, un gradiente electroquímico de protones. Según la teoría quimiosmótica, estos protones tenderían a volver a la matriz, pero la membrana interna de la mitocondria es impermeable a ellos, por lo que se acumula en ellos una energía potencial que conocemos como fuerza protón-motriz, que se libera y aprovecha cuando la ATP sintasa funciona. 
 
Los protones sólo pueden volver a la matriz a favor de gradiente si se les abre un camino por el que puedan pasar a través de la membrana. Así, entra en juego la ATP sintasa o complejo V (pincha aquí para ver su dibujo). Esta enzima (que también se conoce como ATPasa debido a que aislada en laboratorio puede hidrolizar ATP en vez de generarlo) permite el paso de los protones de vuelta a la matriz y utiliza esa fuerza motora de protones para generar una catálisis rotacional que termina con la generación de ATP a partir de ADP+Pi. Este proceso de síntesis de ATP acoplado a la cadena de transporte electrónico se conoce como fosforilación oxidativa, y es el responsable de, sin exagerar, el 95% del ATP que utiliza una célula animal.
 
 
El paso de los dos electrones del NADH+H* por el complejo I movilizan cuatro protones al espacio intermembrana. Los electrones son transportados por el coenzima Q reducido (ubiquinona) y cedidos al complejo III, que bombea otros cuatro protones. El citocromo c transporta los dos electrones al complejo IV (que bombea otros dos protones) y es el que se encarga de pasarlos al oxígeno, su aceptor final (por eso es necesaria la presencia de oxígeno), formándose una molécula de agua. Se estima actualmente que se necesita la entrada de tres protones desde el espacio intermembrana para impulsar la rotación de Fo. Se necesita otro protón para la entrada del Pi en la matriz mitocondrial. Esto quiere decir que por una molécula de NADH+H* oxidada se movilizan 10 protones y que cada 4 se genera una molécula de ATP, por lo que por cada molécula de NADH+H* se forman 2'5 moléculas de ATP (piénsalo).
 
Como el complejo II no bombea protones, el FADH impulsa sólo 6 protones por molécula oxidada y, por tanto, la formación de 1'5 ATP.
 
Este video con plastilina, aunque no respeta las proporciones que se acaban de comentar, es bastante ilustrativo (al menos a mí me ha servido).
 
 
El complejo V es particularmente interesante de comentar. Está formado por dos partes: un dominio Fo (la bomba de protones) que se encuentra embebido en la membrana interna y un dominio F1, constituido al mismo tiempo por tres parejas de subunidades alfa y beta. Cada una de estas tres parejas va a presentar afinidad diferente: una subunidad estará en conformación beta-ATP (que une fuertemente ATP); otra subunidad estará en conformación beta-ADP (que une débilmente ADP) y otra en conformación beta-vacía (que no une nada). Cuando se activa la bomba de protones, el paso de iones hidrógeno del espacio intermembrana a la matriz induce un movimiento rotacional que a su vez provoca que las tres subunidades del dominio F1 vayan cambiando simultáneamente su conformación, de tal manera que la que antes tenía configuración beta-ADP ahora lo transformará en ATP y lo retendrá; la que antes tenía configuración beta-ATP ahora lo liberará y quedará en configuración beta-vacía y la que antes tenía configuración beta-vacía, ahora unirá ADP.
 
Como ves, el mecanismo de este complejo enzimático es más bastante más sofisticado y retorcido que una simple batidora de ADP y fosfatos.
 
En este video visualmente más serio se enseña el funcionamiento de la ATP sintasa  tal como lo hemos explicado. El dominio Fo rota impulsado por los protones que lo atraviesan para volver a la matriz mitocondrial y este movimiento induce cambios conformacionales en las tres subunidades del dominio F1, modificando sus afinidades por el ADP+Pi y el ATP.
 
 
Para terminar la entrada, dejo un video muy currado sobre la mitocondria hecho por la universidad de Harvard y que es bastante bonito de ver:
 
 
En el minuto 0:22-0:36 se enseña el paso de una proteína sintetizada en el citosol y acompañada por chaperoninas que evitan su desplegamiento hasta el interior de la mitocondria, donde tendrá su función.
En el minuto 0:39 imagino que están enseñando las enzimas del ciclo de Krebs y una chaperona.
En el minuto 0:47 se enseña la superficie de una cresta mitocondrial (formada por membrana interna mitocondrial), llena de proteínas; la ristra de proteínas verdes de las que salen puntitos brillantes son los dominios F1 de las ATP sintetasas.
En el minuto 0:55- estamos viendo la cadena de transporte electrónico. Probablemente empiece con el complejo I tomando el electrón del NADH y luego cediéndoselo al coenzima Q, que lo transporta al comp. III.
En el minuto 1:12 se ve con más detalle la fosforilación oxidativa. Ojo al cambio conformacional de la subunidad alfa-beta enfocada en el minuto 1:15
 
Hasta aquí la explicación que da este blog de la respiración celular, que recordamos que ocurre en las mitocondrias, orgánulos presentes en la mayor parte de células eucariotas y que satisfacen las demandas energéticas de éstas mediante la producción de ATP a partir de piruvato (formado en el citosol celular por vía glucolítica) y que es introducido en la mitocondria, donde es descarboxilado por la PDH para dar acetil-CoA, que ingresa en el ciclo de Krebs para generar las coenzimas reducidas que cederán sus electrones a la cadena de transporte electrónico. El aceptor final de estos electrones es el oxígeno, formándose así una molécula de agua. Por otro lado, el trasvase de electrones a lo largo de la cadena provoca un bombeo de protones al espacio intermembrana, que la teoría quimiosmótica explica que vuelven a la matriz a favor de un gradiente de concentración mediante la ATP sintasa, que aprovecha esta energía generada para formar ATP a partir de ADP+Pi
 
Espero que te haya gustado esta entrada.
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