Metabolismo energético

metabolismo energetico
vias metabolicas

Índice general
0.1 Metabolismo de los carbohidratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.1.1 Gluconeogénesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.1.2 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.1.3 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.2 Ejercicio anaeróbico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.2.1 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.3 Ácido láctico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.3.1 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.3.2 Importancia biológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.3.3 En medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.3.4 Ejercicio y lactato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.3.5 Obtención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.3.6 Ocurrencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.3.7 Aplicaciones y usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.3.8 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.3.9 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.4 Ciclo de Krebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.4.1 Reacciones del ciclo de Krebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
0.4.2 Regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.4.3 Eﬁciencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.4.4 Evolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.4.5 Principales vías que convergen en el ciclo de Krebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.4.6 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.4.7 Notas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
0.4.8 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
0.5 Fosforilación oxidativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
0.5.1 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
0.5.2 Transferencia de energía por quimiosmosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
0.5.3 Moléculas de transferencia de protones y electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
0.5.4 Cadena de transporte de electrones en eucariotas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
0.5.5 Cadena de transporte de electrones en procariotas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
0.5.6 ATP sintasa (complejo V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
i

ii ÍNDICE GENERAL
0.5.7 Inhibidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0.5.8 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0.5.9 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0.5.10 Lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1 unidad nº 1 22
2 Texto e imágenes de origen, colaboradores y licencias 23
2.1 Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Licencia de contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

0.1. METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS 1
0.1 Metabolismo de los carbohi-
dratos
Se define como metabolismo de los carbohidratos a
los procesos bioquímicos de formación, ruptura y con-
versión de los carbohidratos en los organismos vivos. Los
carbohidratos son las principales moléculas destinadas al
aporte de energía, gracias a su fácil metabolismo.
El carbohidrato más común es la glucosa; un
monosacárido metabolizado por casi todos los or-
ganismos conocidos. La oxidación de un gramo de
carbohidratos genera aproximadamente 4 kcal de
energía; algo menos de la mitad que la generada desde
lípidos.
La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y ly-
sis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la
glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula.
Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que
convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el
cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así con-
tinuar entregando energía al organismo.[1]
0.1.1 Gluconeogénesis
Nombres en azul indican los sustratos de la vía, flechas en rojo
las reacciones únicas de esta vía, flechas cortadas indican reac-
ciones de la glucolisis, que van en contra de esta vía, flechas en
negrita indican la dirección de la gluconeogénesis.
La gluconeogénesis es la producción de nueva glucosa. Si
la molécula no es necesitada inmediatamente se almacena
bajo la forma de Glucógeno. Generalmente en personas
con requerimientos de glucosa bajos (poca actividad fí-
sica), el glucógeno se encuentra almacenado en el hígado
pero este puede ser utilizado y metabolizado por 2 enzi-
mas: la enzima desramificante y la glucógeno fosforilasa.
El proceso de gluconeogénesis se hace de muchas formas
posibles, siendo las tres más importantes.
Desde glicerol
El proceso empieza cuando el glicerol (que viene desde
el proceso de lipolisis) se fosforila para obtener así el gli-
cerol 3 fosfato. Este proceso es catalizado por la enzi-
ma Glicerol Quinasa, el glicerol 3 fosfato se convierte
en dihidroxiacetona fosfato (producto que también par-
ticipa en la ruta anterior), este proceso es catalizado por
la glicerol 3 fosfato óxido-reductasa, la dihidroxiacetona
fosfato se convierte en fructuosa 1,6 bisfofato, ésta pasa
a glucosa 6 fosfato por otra enzima (recordemos que este
proceso es regulado por lo tanto tendría que regresar por
una enzima más específica para este sustrato), la glucosa
6 fosfato se convierte en glucosa por medio de la Gluco-
sa 6 Fosfatasa y así puede ser liberada a sangre en tejidos
hipoglucemias como el hígado.
Desde aminoácidos
El mecanismo empieza cuando los ácidos grasos median-
te el proceso de lipidolísis se degradan hasta propionato,
luego éste mediante una serie de reacción, ingresa al ciclo
de Krebs, mediante la molécula de Succinil S Coa (coen-
zima A) y luego pasa a fumarato, luego malato y es ahí
en donde se produce un pequeño inconveniente, debido a
que la membrana de la mitocondria no es permeable para
malato. Debido a esto es que se tendría como respuesta a
la pregunta de por que están difícil bajar de peso, al no ser
permeable a malato la célula tiene que ingeniársela para
sacar esta molécula es así que la saca bajo la forma de
oxal acetato en donde se produce las reacción anteriores
hasta llegar a glucosa.
Desde láctico
El desplazamiento de las moléculas de lactato y piruvato
(en condiciones de requerimiento de energía) esta hacia
piruvato esto es realizado por la enzima lactato dehidro-
genasa, desde pirúvico es casi imposible detener el pro-
ceso y este se carboxila (mediante la piruvato carboxila-
sa) para poder entrar a la mitocondria como oxal acetato.
El oxal acetato pasa a Malato mediate la malato deshi-
drogenasa de tipo A, deacargando su protones sobre el
NAD+, el Malato vuelve a Oxal acetato pero fuera de La
mitocondria (debido a lo explicado anteriormente, de que
el Malato no es permeable en mitocondria), mediante la

2 ÍNDICE GENERAL
malato deshidrogenasa tipo b, este pasa a Fosfo enol pi-
ruvato mediante la Fosfo enol Piruvato carboxi quinasa,
para empezar nuevamente el proceso de Gluconeogene-
sis.
0.1.2 Véase también
Los carbohidratos son azucares, muchos piensan que es-
tos se convierten en grasas, eso es erroneo.
• Glucogénesis
• Glucogenólisis
• Ruta de las pentosas fosfato
• Ciclo de Calvin
• Amilasa
• Glucosidasas
• Fermentación
0.1.3 Referencias
[1] David Nelson & Michael Cox (2004). «Glycolysis, Glu-
coneogenesis and the Pentose Phosphate Pathway». Leh-
ningher’s Principales of Biochemistry. W.H.Freeman.
0716743396.
0.2 Ejercicio anaeróbico
El ejercicio anaeróbico es el ejercicio físico que com-
prende actividades breves basadas en la fuerza, tales co-
mo los sprints o el levantamiento de pesas, mientras que
el ejercicio aeróbico está centrado en las actividades de
resistencia, como la maratón o el ciclismo de fondo. De
todos modos, la primera etapa de cualquier ejercicio es
anaeróbica.
El ejercicio anaeróbico es una actividad breve y de gran
intensidad donde el metabolismo se desarrolla exclusi-
vamente en los músculos y sus reservas de energía, sin
usar el oxígeno de la respiración. Son ejemplos de ejerci-
cio anaeróbico: el levantamiento de pesas, abdominales;
cualquier ejercicio que consista de un esfuerzo breve es
un ejercicio anaeróbico. El ejercicio anaeróbico es típica-
mente usado por atletas de deportes de poca resistencia
para adquirir potencia, y por culturistas para ganar ma-
sa muscular. Los músculos que son entrenados bajo el
ejercicio anaeróbico se desarrollan de manera diferente a
nivel biológico, adquiriendo más rendimiento en activi-
dades de corta duración y gran intensidad.
Hay dos tipos de sistemas anaeróbicos de energía: • El
sistema ATP-PC, que usa fosfato de creatina durante los
primeros diez segundos del ejercicio, y • El sistema del
ácido láctico (o glucólisis anaeróbica), que usa glucosa
en ausencia de oxígeno. El último consiste en un uso in-
eficiente de la glucosa y produce subproductos que per-
judican la función muscular, como el sistema del ácido
láctico, dominante durante tres minutos, y responsable
de la aparición de los calambres musculares. Pero tam-
bién proporciona una cantidad significativa de energía en
el ejercicio aeróbico, ya que los músculos tienen una de-
terminada capacidad de deshacerse del ácido láctico.
• Ejercicio físico
• Ejercicio aeróbico
0.3 Ácido láctico
El ácido láctico, o su forma ionizada, el lactato (del lat.
lac, lactis, leche), también conocido por su nomenclatura
oficial ácido 2-hidroxi-propanoico o ácido α-hidroxi-
propanoico, es un compuesto químico que desempeña
importantes roles en varios procesos bioquímicos, como
la fermentación láctica. Es un ácido carboxílico, con un
grupo hidroxilo en el carbono adyacente al grupo carbo-
xilo, lo que lo convierte en un ácido α-hidroxílico (AHA)
de fórmula H3C-CH(OH)-COOH (C3H6O3). En solu-
ción puede perder el hidrógeno unido al grupo carboxilo
y convertirse en el anión lactato.
El ácido láctico es quiral, por lo que se pueden en-
contrar dos enantiómeros (isómeros ópticos). Uno es el
dextrógiro ácido D-(-)-láctico o d-ácido láctico (en es-
te caso, el ácido (R)-láctico); el otro es el levógiro áci-
do L-(+)-láctico o ℓ-ácido láctico (en este caso, ácido
(S)-láctico), que es el que tiene importancia biológica. La
mezcla racémica (cantidades idénticas de estos isómeros)
se llama d,ℓ-ácido láctico.
0.3.1 Historia
Fue refinado por primera vez por el químico sueco Carl
Wilhelm Scheele en 1780 a partir de leche agria. En 1808,
Jöns Jacob Berzelius descubrió que se libera ácido láctico
en los músculos al realizar esfuerzos físicos intensos.[2]
Su estructura fue determinada por Johannes Wislicenus
en 1873.
En 1856 Louis Pasteur descubrió el lactobacillus y su rol
en la producción de ácido láctico. Este ácido comenzó a
ser producido comercialmente por la compañía alemana
Boehringer Ingelheim en 1895.
En 2006 la producción global de ácido láctico alcanzó
275,000 toneladas con un crecimiento promedio anual de
10%.[3]

0.3. ÁCIDO LÁCTICO 3
0.3.2 Importancia biológica
El ácido ℓ-láctico se produce a partir del ácido pirúvico
a través de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) en
procesos de fermentación. El lactato se produce continua-
mente en el metabolismo y sobre todo durante el ejerci-
cio, pero no aumenta su concentración hasta que el índice
de producción no supera al de eliminación. Este depen-
de de varios factores, como los transportadores monocar-
boxilatos, concentración de LDH y capacidad oxidativa
en los tejidos. La concentración de lactatos en la sangre
usualmente es de 1 o 2 mmol/l en reposo, pero puede au-
mentar hasta 20 mmol/l durante un esfuerzo intenso. Se
debe considerar que, a pH fisiológico en el cuerpo hu-
mano, es decir 7.35, se encuentra sólo en su forma diso-
ciada, es decir, como lactato y no como ácido.
El aumento de la concentración de lactatos ocurre gene-
ralmente cuando la demanda de energía en tejidos (prin-
cipalmente musculares) sobrepasa la disponibilidad de
oxígeno en sangre. Bajo estas condiciones la piruvato des-
hidrogenasa no alcanza a convertir el piruvato a Acetil-
CoA lo suficientemente rápido y el piruvato comienza a
acumularse. Esto generalmente inhibiría la glucólisis y
reduciría la producción de Adenosín trifosfato (el ATP
sirve para acumular energía), si no fuera porque la lactato
deshidrogenasa reduce el piruvato a lactato:
piruvato + NAD + H+
→ lactato + NAD+
La función de la producción de lactato es oxidar NADH
+ H para regenerar la nicotinamida adenina dinucleótido
(NAD+
) necesaria para la glucólisis, y por tanto para que
continúe la producción de ATP.
El lactato producido sale de la célula muscular y circula
por el torrente sanguíneo hasta el hígado, dónde se vuel-
ve a transformar en glucosa por gluconeogénesis. Al ci-
clo que comprende la glicólisis en la célula muscular y su
reciclaje por gluconeogénesis en el hígado se le conoce
como ciclo de Cori.
El hígado y el corazón tienen la facultad de oxidar el lac-
tato de la sangre convirtiéndolo de nuevo a piruvato.
La fermentación de ácido láctico también la producen
las bacterias Lactobacillus. Estas bacterias pueden encon-
trarse en la boca, y pueden ser las responsables del progre-
so de la caries previamente iniciada por otras bacterias.
0.3.3 En medicina
En medicina es uno de los compuestos de la solución lác-
tica de Ringer, que es una solución que se inyecta in-
travenosamente a las personas cuando han sufrido una
pérdida de sangre a causa de un traumatismo, cirugía o
quemadura. La solución está compuesta por 129 mmol/L
de Na, 109 mmol/L de cloro y 28 mmol/L de lactato.
Es una solución que se usa alternativamente a la salina
fisiológica (0.9%) para recuperar volumen. La diferen-
cia de iones fuertes hace que el hartman (solución lácti-
ca de Ringer) sea utilizado por algunos como terapia en
la hipovolemia. No obstante, por tener menos tonicidad
(osmolaridad) que la solución salina, algunos prefieren es-
ta. El efecto sobre el equilibrio ácido-base de la salina se-
rá promover acidosis (por el cloro), mientras el efecto del
hartman será más alcalinizante por la diferencia de iones
fuertes y por el lactato.
0.3.4 Ejercicio y lactato
Durante el ejercicio intenso, cuando hay demasiada de-
manda de energía, el lactato se produce más rápidamente
que la capacidad de los tejidos para eliminarlo y la con-
centración de lactato comienza a aumentar. Es un proceso
benéfico, porque la regeneración de NAD+
asegura que la
producción de energía continúe y así también el ejercicio.
Al contrario de lo que mucha gente cree, el incremen-
to de la cantidad de lactato no es causante directo de la
acidosis ni es responsable de las agujetas. Esto se debe en
primer lugar a que el ácido láctico no es capaz de liberar
el catión hidrógeno, y en segundo lugar a que el lactato
(ácido láctico) no se encuentra en estado ácido sino en su
forma base como lactato. Análisis de la ruta glucolítica
indican que no hay suficientes cationes hidrógenos pre-
sentes como para formar ácido láctico o cualquier otro
tipo de ácido. Es destacable que a pH fisiológico, y a ni-
vel de la célula muscular (miocito), y de acuerdo al pKa
ácido del ácido láctico (pKa:3.86), lo que se encuentra
es la base, el lactato, y no el ácido láctico, debido a que
estará totalmente disociado en estas condiciones.
La acidosis que muchas veces se asocia a la producción
de lactato durante ejercicios extremos proviene de una
reacción completamente distinta y separada.[4]
Cuando
se hidroliza (se “separa” en agua) el ATP se libera un
catión hidrógeno. Este catión es el principal responsable
de la disminución del pH. Durante ejercicios intensos el
metabolismo oxidativo (aerobiosis) no produce ATP tan
rápido como lo demanda el músculo. Como resultado, la
glucólisis se transforma en el principal productor de ener-
gía y puede producir ATP a altas velocidades. Debido a
la gran cantidad de ATP producido e hidrolizado en tan
poco tiempo, los sistemas amortiguadores de los tejidos
se ven agotados, causando una caída del pH y producien-
do acidosis. Éste es uno de los factores, entre tantos, que
contribuye al dolor muscular agudo experimentado poco
después del ejercicio intenso[cita requerida]
.
0.3.5 Obtención
Fermentación láctica
• A partir del azúcar de la leche (lactosa) con
Lactobacillus
• A partir de almidón, azúcar de uva (glucosa) o azú-
car de caña (sacarosa) utilizando el Lactobacillus

4 ÍNDICE GENERAL
delbrueckii
La obtención de ácido láctico con enzimas o
microorganismos vivos pueden producir isómeros
dextrógiro o levógiros, dependiendo de la enzima
involucrada en el proceso.
Síntesis en laboratorio
Puede obtenerse una mezcla racémica a partir de etanol,
cianuro de sodio y ácido sulfúrico:
2CH3 − CHOH + 2NaCN + 2H2SO4 + 4H2O ⇒
2CH3 − CH(OH) − COOH + Na2SO4 +
(NH4)2SO4
El proceso termina con un ataque nucleofílico del cianuro
al grupo carbonilo del aldehído formando el nitrilo del
ácido láctico de forma racémica. El nitrilo es saponiﬁcado
en presencia de agua y un exceso de ácido sulfúrico para
dar el ácido libre.
0.3.6 Ocurrencia
Se encuentra en el jugo de la carne, en la leche ácida, en
los músculos y en algunos órganos de algunas plantas o
animales. Suele mencionarse como origen de las agujetas,
el dolor muscular provocado por el ejercicio repentino sin
tener costumbre o previo calentamiento. (ver importan-
cia biológica).
0.3.7 Aplicaciones y usos
Cosmética
Se utiliza como la alternativa más amplia al uso de la
glicerina como suavizante. Es usado principalmente co-
mo químico anti-edad para suavizar contornos; reducir el
daño producido por la luz solar; para mejorar la textura
y el tono de la piel, y el aspecto en general.
Sin embargo deben tomarse serias precauciones al uti-
lizar cosméticos con ácido láctico, porque aumentan la
sensibilidad a los rayos ultravioleta del sol.
Alimentos
El ácido láctico es utilizado en varios productos co-
mo regulador de acidez. Aunque puede obtenerse de la
lactosa (azúcar de la leche), la mayor parte del ácido lác-
tico empleado comercialmente deriva del uso de bacte-
rias como la Bacillus acidilacti, Lactobacillus delbruec-
kii o Lactobacillus bulgaricus para fermentar fuentes de
carbohidratos como la maicena y las patatas. Así, lo que
comúnmente se denomina “leche ácida” en alimentos
vegetarianos o veganos tienen ácido láctico como ingre-
diente.
Otras aplicaciones
• Alimento para niños.
• Purgante, en la forma de lactato de calcio o lactato
de magnesio.
• Aditivo en alimentos o fragancias, en la forma de
lactato de etilo.
• Removedor de sales de calcio.
• Como mordiente.
• Curtimiento de pieles.
• Materia prima para síntesis orgánica.
• Acción acaricida: Es utilizado en el control del
varroasis, ácaro que ataca la abeja melífera Apis me-
llifera.
• Materia prima para Biopolímeros.
0.3.8 Referencias
[1] [50-21-5
L:[79-33-4]
D:[10326-41-7]
D/L:[598-82-3] Número CAS]
[2] Roth, Stephen M. (23 de enero de 2006). «Why does lac-
tic acid build up in muscles? And why does it cause sore-
ness?». Scientiﬁc American (en inglés). Consultado el 11
de enero de 2015.
[3] «NNFCC Renewable Chemicals Factsheet: Lactic Acid».
NNFCC (en inglés). 3 de febrero de 2010. Consultado el
11 de enero de 2015.
[4] http://physiologyonline.physiology.org/content/17/1/17
0.3.9 Enlaces externos
0.4 Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico o ciclo de
los ácidos tricarboxílicos)[1][2]
es una ruta metabólica,
es decir, una sucesión de reacciones químicas, que for-
ma parte de la respiración celular en todas las células
aeróbicas. En células eucariotas se realiza en la matriz
mitocondrial. En las procariotas, el ciclo de Krebs se rea-
liza en el citoplasma
En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de
la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos,
ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberan-
do energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).
El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas
frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales el
ciclo de Krebs supone la segunda. En la primera etapa,

0.4. CICLO DE KREBS 5
cis-Aconitato
Agua
Citrato
Succinil-CoA
Succinato
Fumarato
Malato
Oxalacetato
-cetoglutaratoα
Ciclo de Krebs
Piruvato
Acetil-CoA
CoA
CoA
CoA
Agua
Acetil
Malato deshidrogenasa
AconitasaCitrato sintasa
Fumarasa
Succinato deshidrogenasa
Piruvato deshidrogenasa
Piruvato carboxilasa
Isocitrato deshidrogenasa
Succinil-CoA sintetasa
Clave
Piruvato deshidrogenasa
CoA
NADH, H+
NAD+
NADH, H+
NADH, H
+
NADH, H+
NAD+
NAD+
NAD+
CoA
ATP
Carbono
Oxígeno
Hidrógeno
Azufre
NADH Nicotinamida adenín dinucleótido
ATP
GTP
Adenosín
trifosfato
Guanosín
trifosfato
Coenzima Q Coenzima A
Enzima
-SH +
CO2+
Q
GTP
-SH
-SH
CoA
CoA
-cetoglutarato deshidrogenasa
HCO-
3
ADP + Pi
-SH
CO2
+ CO2
GDP + Pi
QH2
Q
+
+
α-
+
D-Isocitrato
Aconitasa
Agua
Agua
O
O O
O
O
O
C
C
C
C
C
C
O
O
O
O
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
O O
O
O
OO
O
C
C
C
O
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
O
O
O
C
C
C
C
C
C
C
C
C C
C
C
C
C
S
S
S
O
C
C
Esquema didáctico del ciclo del ácido cítrico.
los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a molé-
culas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías
catabólicas de aminoácidos (p. ej. desaminación oxida-
tiva), la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis.
La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual
el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea
para la síntesis de ATP según la teoría del acomplamiento
quimiosmótico.
El ciclo de Krebs también proporciona precursores pa-
ra muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por
ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y
anabólica al mismo tiempo.
El Ciclo de Krebs fue descubierto por el alemán Hans
Adolf Krebs, quien obtuvo el Premio Nobel de Fisiología
o Medicina en 1953, junto con Fritz Lipmann.
0.4.1 Reacciones del ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en
la célula eucariota
El acetil-CoA (Acetil Coenzima A) es el principal pre-
cursor del ciclo. El ácido cítrico (6 carbonos) o citrato se
obtiene en cada ciclo por condensación de un acetil-CoA
(2 carbonos) con una molécula de oxaloacetato (4 carbo-
nos). El citrato produce en cada ciclo una molécula de
oxaloacetato y dos CO2, por lo que el balance neto del
ciclo es:
Acetil-CoA + 3 NAD+
+ FAD + GDP + Pᵢ + 2 H2O
→ CoA-SH + 3 (NADH + H+
) + FADH2 + GTP + 2
CO2
Los dos carbonos del Acetil-CoA son oxidados a CO2,
y la energía que estaba acumulada es liberada en forma
de energía química: GTP y poder reductor (electrones de
alto potencial): NADH y FADH2. NADH y FADH2 son
coenzimas (moléculas que se unen a enzimas) capaces de
acumular la energía en forma de poder reductor para su
Ciclo de
Krebs
C
Biosíntesis de
ácidos grasos
Biosíntesis de
colesterol
Ácido aspártico
Fenilalanina
Tirosina
Biosíntesis de
porfirina
Valina
Isoleucina
Metionina
Oxidación
de ácidos
grasos
Oxidación y
biosíntesis de
aminoácidos
Piruvirato
carboxilasa
Malato
deshidrogenasa
Citratosintetasa
Aconitasa
Isocicrato
deshid
rogenasa
Isocicrato
deshidrogenasa
a-cetoglutarato
deshidrogenasa
Succinato
deshidrogenasa
Piruvirato
deshidrogenasa
Aconitasa
Gluconeogénesis
Oxidación
y biosíntesis de
aminoácidos
Oxidación de
ácidos grasos
Glicolisis
Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial.
conversión en energía química en la fosforilación oxida-
tiva.
El FADH2 de la succinato deshidrogenasa, al no poder
desprenderse de la enzima, debe oxidarse nuevamente in
situ. El FADH2 cede sus dos hidrógenos a la ubiquinona
(coenzima Q), que se reduce a ubiquinol (QH2) y aban-
dona la enzima.
Las reacciones son:
Visión simplificada y rendimiento del proceso
• El paso final es la oxidación del ciclo de Krebs, pro-
duciendo un oxaloacetato y dos CO2.
• El acetil-CoA reacciona con una molécula de
oxaloacetato (4 carbonos) para formar citrato (6 car-
bonos), mediante una reacción de condensación.
• A través de una serie de reacciones, el citrato se con-
vierte de nuevo en oxaloacetato.
• Durante estas reacciones, se substraen 2 átomos de
carbono del citrato (6C) para dar oxalacetato (4C);
dichos átomos de carbono se liberan en forma de
CO2
• El ciclo consume netamente 1 acetil-CoA y produce
2 CO2. También consume 3 NAD+
y 1 FAD, pro-
duciendo 3 NADH + 3 H+
y 1 FADH2.
• El rendimiento de un ciclo es (por cada molécula de
piruvato): 1 ATP, 3 NADH +3H+
, 1 FADH2, 2CO2.
• Cada NADH, cuando se oxide en la cadena respi-
ratoria, originará 2,5 moléculas de ATP (3 x 2,5 =
7,5), mientras que el FADH2 dará lugar a 1,5 ATP.
Por tanto, 7,5 + 1,5 + 1 GTP = 10 ATP por cada
acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs.

6 ÍNDICE GENERAL
• Cada molécula de glucosa produce (vía glucólisis)
dos moléculas de piruvato, que a su vez producen
dos acetil-COA, por lo que por cada molécula de
glucosa en el ciclo de Krebs se produce: 4CO2, 2
GTP, 6 NADH + 6H +
, 2 FADH2; total 32 ATP.
0.4.2 Regulación
Muchas de las enzimas del ciclo de Krebs son reguladas
por retroalimentación negativa, por unión alostérica del
ATP, que es un producto de la vía y un indicador del ni-
vel energético de la célula. Entre estas enzimas, se incluye
el complejo de la piruvato deshidrogenasa que sintetiza
el acetil-CoA necesario para la primera reacción del ci-
clo a partir de piruvato, procedente de la glucólisis o del
catabolismo de aminoácidos. También las enzimas citrato
sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato des-
hidrogenasa, que catalizan las tres primeras reacciones
del ciclo de Krebs, son inhibidas por altas concentracio-
nes de ATP. Esta regulación frena este ciclo degradativo
cuando el nivel energético de la célula es bueno.
Algunas enzimas son también reguladas negativamente
cuando el nivel de poder reductor de la célula es elevado.
El mecanismo que se realiza es una inhibición competi-
tiva por producto (por NADH) de las enzimas que em-
plean NAD+
como sustrato. Así se regulan, entre otros,
los complejos piruvato deshidrogenasa y citrato sintasa.
0.4.3 Eficiencia
El rendimiento teórico máximo de ATP a través de la oxi-
dación de una molécula de glucosa en la glucólisis, ciclo
del ácido cítrico, y la fosforilación oxidativa es treinta y
ocho (suponiendo tres equivalentes molares de ATP por
NADH equivalente y dos ATP por FADH2). En eucario-
tas, se generan dos equivalentes de NADH en la glucóli-
sis, que se produce en el citoplasma. El transporte de estos
dos equivalentes en la mitocondria consume dos equiva-
lentes de ATP, reduciendo de este modo la producción
neta de ATP a treinta y seis. Además, las ineficiencias en
la fosforilación oxidativa debido a la fuga de protones a
través de la membrana mitocondrial y el deslizamiento
de la ATP sintasa/bomba de protones normalmente redu-
ce la producción de ATP a partir de NADH y FADH2
por debajo del rendimiento máximo teórico.[3]
Los ren-
dimientos observados son, por lo tanto, más cercanos a ~
2,5 ATP por NADH y ~ 1,5 ATP por FADH2, reducien-
do aún más la producción total neta de ATP a aproxima-
damente treinta.[4]
La evaluación del rendimiento total de
ATP con recientemente revisado relaciones de protones a
ATP proporciona una estimación de 29,85 ATP por mo-
lécula de glucosa.[5]
0.4.4 Evolución
Los componentes del ciclo se derivaron de bacterias an-
aerobias, y es posible que evolutivamente evolucionara
más de una vez.[6]
En teoría existen varias alternativas al
ciclo, pero este parece ser el más eficiente. Si evolucio-
naron varios ciclos de Krebs en forma alternativa, parece
que convergieron en un ciclo canónico.[7][8]
0.4.5 Principales vías que convergen en el
ciclo de Krebs
El Ciclo de Krebs es una vía metabólica central en la que
convergen otras, tanto anabólicas como catabólicas. In-
gresan al ciclo por diferentes metabolitos:
• Acetil-CoA:
• Glucolisis
• Oxidación de ácidos grasos
• Producción de colágeno
• Malato:
• Gluconeogénesis
• Oxalacetato:
• Oxidación y biosíntesis de aminoácidos
• Fumarato:
• Degradación de ácido aspártico, fenilalanina y
tirosina
• Succinil-CoA
• Biosíntesis de porfirina
• Degradación de valina isoleucina y metionina
• Oxidación de ácidos grasos
• Alfa-cetoglutarato
• Oxidación y biosíntesis de aminoácidos
• Citrato
• Biosíntesis de ácidos grasos y colesterol
• NADH y FADH
• Fosforilación oxidativa y cadena de transporte
electrónico
• Descarboxilación oxidativa
• Ácido cítrico
• Glucólisis
• Fosforilación oxidativa
• Ciclo de Krebs invertido (reductor)

0.5. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 7
0.4.7 Notas
[1] El cis-aconitato es un intermedio de reacción muy ines-
table que rápidamente se transforma en citrato, antes de
comenzar la tercera reacción.
0.4.8 Referencias
[1] Lowenstein JM (1969). Methods in Enzymology, Volume
13: Citric Acid Cycle. Boston: Academic Press. ISBN 0-
12-181870-5.
[2] Krebs HA, Weitzman PDJ (1987). Krebs’ citric acid cy-
cle: half a century and still turning. London: Biochemical
Society. ISBN 0-904498-22-0.
[3] Porter RK, Brand MD (September de 1995).
«Mitochondrial proton conductance and H+/O ratio
are independent of electron transport rate in isolated
hepatocytes». Biochem. J. (en inglés). 310 (Pt 2): 379–82.
PMC 1135905. PMID 7654171.
[4] Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). «Section 18.6:
The Regulation of Cellular Respiration Is Governed Pri-
marily by the Need for ATP». Biochemistry (en inglés).
San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-4684-0.
[5] Rich PR (December de 2003). «The molecular machinery
of Keilin’s respiratory chain». Biochem. Soc. Trans. (en
inglés) 31 (Pt 6): 1095–105. doi:10.1042/BST0311095.
PMID 14641005.
[6] Gest H (1987). «Evolutionary roots of the citric acid cycle
in prokaryotes». Biochem. Soc. Symp. (en inglés) 54: 3–16.
PMID 3332996.
[7] Meléndez-Hevia E, Waddell TG, Cascante M (Septem-
ber de 1996). «The puzzle of the Krebs citric acid cy-
cle: assembling the pieces of chemically feasible reactions,
and opportunism in the design of metabolic pathways du-
ring evolution». J. Mol. Evol. (en inglés) 43 (3): 293–303.
doi:10.1007/BF02338838. PMID 8703096.
[8] Ebenhöh O, Heinrich R (January de 2001). «Evolutionary
optimization of metabolic pathways. Theoretical recons-
truction of the stoichiometry of ATP and NADH produ-
cing systems». Bull. Math. Biol. (en inglés) 63 (1): 21–55.
doi:10.1006/bulm.2000.0197. PMID 11146883.
0.4.9 Enlaces externos
• Animación sobre el ciclo de Krebs (castellano)
• CiclodeKrebs.com Información sobre el ciclo de
Krebs
• «Ciclo de krebs en el deporte».
• An animation of the citric acid cycle (inglés)
• A more detailed tutorial animation (inglés)
• A citric-acid cycle self quiz flash applet (inglés)
• The chemical logic behind the citric acid cycle (in-
glés)
0.5 Fosforilación oxidativa
Esquema actual del sistema mitocondrial de la fosforilación
oxidativa. Los equivalentes reducidos que se generan en el
metabolismo (NADH, FADH2) son ácidos oxidados por la
cadena de transporte de electrones. La energía libre generada
en esta reacción se emplea para bombear protones (puntos rojos)
desde la matriz mitocondrial hasta el interior de las crestas mi-
tocondriales, para dar lugar a la fuerza protón-motriz. Cuando
éste se disipa a través del retorno a la matriz de los protones a
través de la ATP sintasa, la energía almacenada se emplea para
fosforilar el ADP con un grupo fosfato para formar ATP.
El modelo actual cubre algunos problemas suscitados por el ante-
rior. En primer lugar, todos los componentes activos de la cadena
de transporte de electrones se encuentran exclusivamente en las
crestas mitocondriales y formando supercomplejos, en la imagen
representado por el supercomplejo I1III2IV1. Esto permite ca-
nalizar de unos complejos a otros las moléculas de transferencia
de electrones. Previamente se pensaba que difundían libremente.
En segundo lugar, la diferencia de pH, uno de los componentes
de la fuerza protón-motriz junto con el potencial de membrana
(ΔΨ) es de tan sólo 0,55 unidades, equivalente a 32 mV, in-
suficiente para impulsar la fosforilación. Sin embargo, existen
circunstancias locales que aumentan este pH en un factor de 2
unidades. En primer lugar, la ATP sintasa forma dímeros y fi-
las que comban y dan forma a la cresta mitocondrial, haciendo
que el espacio interno tenga tan sólo 20 ± 4 nm. El espacio entre
la membrana interna y externa es menor, de 12 ± 2,5 nm, pe-
ro cuenta con poros lo suficientemente grandes como para estar
en equilibrio con el citoplasma. Los protones se concentran gra-
cias al "efecto superficie" y al rápido flujo desde las fuentes de
protones a los sumideros.
La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que
utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes pa-
ra producir adenosina trifosfato (ATP). Se le llama así
para distinguirla de otras rutas que producen ATP con
menor rendimiento, llamadas "a nivel de sustrato". Se cal-
cula que hasta el 90% de la energía celular en forma de
ATP es producida de esta forma.[1]
Consta de dos etapas: en la primera, la energía libre
generada mediante reacciones químicas redox en varios
complejos multiproteicos -conocidos en su conjunto co-
mo cadena de transporte de electrones- se emplea para
producir, por diversos procedimientos como bombeo, ci-
clos quinona/quinol o bucles redox, un gradiente electro-
químico de protones a través de una membrana asociada
en un proceso llamado quimiosmosis. La cadena respira-

8 ÍNDICE GENERAL
toria está formada por tres complejos de proteínas prin-
cipales (complejo I, III, IV), y varios complejos “auxi-
liares”, utilizando una variedad de donantes y aceptores
de electrones. Los tres complejos se asocian en super-
complejos para canalizar las moléculas transportadoras
de electrones, la coenzima Q y el citocromo c, haciendo
más eficiente el proceso.
La energía potencial de ese gradiente, llamada fuerza
protón-motriz, se libera cuando se translocan los protones
a través de un canal pasivo, la enzima ATP sintasa, y se
utiliza en la adición de un grupo fosfato a una molécula de
ADP para almacenar parte de esa energía potencial en los
enlaces anhidro “de alta energía” de la molécula de ATP
mediante un mecanismo en el que interviene la rotación
de una parte de la enzima a medida que fluyen los pro-
tones a través de ella. En vertebrados, y posiblemente en
todo el reino animal, se genera un ATP por cada 2,7 pro-
tones translocados. Algunos organismos tienen ATPasas
con un rendimiento menor.
Existen también proteínas desacopladoras que permiten
controlar el flujo de protones y generar calor desacoplan-
do ambas fases de la fosforilación oxidativa.
Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran va-
riedad de nutrientes, casi todas realizan la fosforilación
oxidativa para producir ATP, la molécula que provee de
energía al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua debi-
do a que es una forma altamente eficaz de liberación de
energía, en comparación con los procesos alternativos de
fermentación, como la glucólisis anaeróbica.
Pese a que la fosforilación oxidativa es una parte vital
del metabolismo, produce una pequeña proporción de
especies reactivas del oxígeno tales como superóxido y
peróxido de hidrógeno, lo que lleva a la propagación de
radicales libres, provocando daño celular, contribuyendo
a enfermedades y, posiblemente, al envejecimiento. Sin
embargo, los radicales tienen un importante papel en la
señalización celular, y posiblemente en la formación de
enlaces disulfuro de las propias proteínas de la membra-
na interna mitocondrial. Las enzimas que llevan a cabo
esta ruta metabólica son blanco de muchas drogas y pro-
ductos tóxicos que inhiben su actividad.
0.5.1 Historia
El estudio de la fosforilación oxidativa se inició en 1906
con el informe de Arthur Harden sobre el papel vital
del fosfato en la fermentación celular, aunque inicial-
mente se pensaba que solo los azúcar-fosfato estaban
involucrados.[2]
Sin embargo, a principios de los años
1940, la relación entre la oxidación de los azúcares y la
generación de ATP fue establecida de forma definitiva
por Herman Kalckar,[3]
confirmando el papel central del
ATP en la transferencia de energía, que había sido pro-
puesto por Fritz Albert Lipmann en 1941.[4]
Más tarde,
en 1949, Friedkin y Morris Albert L. Lehninger demos-
traron que la coenzima NADH se encuentra relacionada
El bioquímico Arthur Harden.
con vías metabólicas tales como el ciclo del ácido cítrico
y la síntesis de ATP.[5]
Durante otros veinte años, el mecanismo por el cual se ge-
neraba el ATP siguió siendo un misterio, con científicos
buscando un elusivo “intermediario de alta energía”, que
enlazara las reacciones de oxidación y fosforilación.[6]
El
misterio fue resuelto por Peter D. Mitchell con la publica-
ción de la teoría quimiosmótica en 1961.[7]
En un princi-
pio la propuesta fue muy controvertida, pero fue aceptada
lentamente y finalmente Mitchell recibió el Premio Nobel
de Química en 1978 por su teoría.[8][9]
La investigación
posterior se centró en la purificación y caracterización de
las enzimas involucradas, con importantes contribuciones
realizadas por David E. Green sobre los complejos de la
cadena de transporte de electrones, así como de Efraim
Racker sobre la ATP sintasa.[10]
Un paso fundamental ha-
cia la solución de los mecanismos de la ATP sintasa fue
proporcionada por Paul D. Boyer, con su desarrollo en
1973 del mecanismo de “cambio de unión”, seguido por
su radical propuesta de un sistema de catálisis rotacio-
nal en 1982.[11][12]
Los trabajos más recientes incluyen
estudios estructurales de las enzimas involucradas en la
fosforilación oxidativa, llevados a cabo por John E. Wal-
ker, habiendo obtenido Walker y Boyer el Premio Nobel
en 1997.[13]

Modelo molecular del NAD+
.
0.5.2 Transferencia de energía por qui-
miosmosis
La fosforilación oxidativa funciona con dos tipos de reac-
ciones que están acopladas, una utiliza reacciones quí-
micas que liberan energía, mientras que la otra utiliza
esa energía para llevar a cabo sus reacciones.[14]
El flu-
jo de electrones a través de la cadena de transporte de
electrones, desde donantes de electrones como NADH a
aceptores de electrones tales como oxígeno, es un proce-
so exergónico – libera energía, mientras que la síntesis de
ATP es un proceso endergónico, el cual requiere de ener-
gía. Tanto la cadena de transporte de electrones como la
ATP sintasa, están embebidos en la membrana, y la ener-
gía es transferida de la cadena de transporte de electrones
a la ATP sintasa por el movimiento de protones a través
de la membrana, en un proceso llamado quimiosmosis.[15]
En la práctica, se comporta de manera similar a un simple
circuito eléctrico, con una corriente de protones siendo
transportados desde el lado negativo, lado N de la mem-
brana hacia el lado positivo, lado P, por las enzimas de la
cadena de transporte de electrones que bombean proto-
nes. Estas enzimas son como una batería, ya que realizan
trabajo, para llevar corriente a través del circuito. El mo-
vimiento de protones crea un gradiente electroquímico a
través de la membrana, el cual es llamado generalmente
fuerza protón-motriz. Este gradiente tiene dos componen-
tes: una diferencia en la concentración de protones (un
gradiente de pH) y una diferencia en el potencial eléctri-
co, con un lado N, que posee carga negativa. La energía
es almacenada mayormente como la diferencia de poten-
ciales eléctricos en la mitocondria, pero también como un
gradiente de pH en los cloroplastos.[16]
La ATP sintasa libera esta energía almacenada comple-
tando el circuito y permitiendo a los protones fluir a tra-
vés del gradiente electroquímico, de nuevo hacia el lado
N de la membrana.[17]
Esta enzima se comporta de ma-
nera similar a un motor eléctrico ya que utiliza la fuerza
protón-motriz para llevar a cabo la rotación de parte de
su estructura y acoplar este movimiento con la síntesis de
ATP.
La cantidad de energía liberada por la fosforilación oxi-
dativa es elevada, comparada con la cantidad producida
por la fermentación anaeróbica. La glucólisis produce so-
lo 2 moléculas de ATP, en cambio entre 30 y 36 ATPs
son producidos por la fosforilación oxidativa de los 10
NADH y 2 succinato obtenidos a través de la conver-
sión de una molécula de glucosa en dióxido de carbono y
agua.[18]
Este resultado de ATP es el máximo teórico, ya
que en la práctica algunos protones se filtran a través de la
membrana, disminuyendo así la producción de ATP.[19]
0.5.3 Moléculas de transferencia de proto-
nes y electrones
O
O
O
O
O
O
OH
OH
2 e + 2 H
Reducción de la coenzima Q desde su forma ubiquinona (Q) a la
forma reducida de ubiquinol (QH2).
La cadena de transporte de electrones transporta tanto
protones como electrones, transfiriendo electrones desde
donantes hacia aceptores, y transportando protones a tra-
vés de la membrana. Estos procesos utilizan moléculas
de transferencia tanto solubles como unidas a proteínas.
En la mitocondria, los electrones son transferidos dentro
del espacio intermembranal por la proteína de transferen-
cia de electrones solubles en agua, citocromo c.[20]
Esto
transporta solamente electrones, y estos son transferidos
por la reducción y oxidación de un átomo de hierro que
se encuentre en el grupo hemo de la proteína. El citocro-
mo c se encuentra también en algunas bacterias, donde se
ubica en el espacio periplasmático.[21]
Dentro de la membrana interna mitocondrial, el trans-
portador de electrones liposoluble, la coenzima Q10 (Q)
transporta tanto electrones como protones a través de un
ciclo redox.[22]
Esta pequeña molécula de benzoquinona
es muy hidrófobica, de modo que difunde libremente en
la membrana. Cuando Q acepta dos electrones o libera
dos protones, es reducida a su forma ubiquinol (QH2);
cuando QH2 libera dos electrones o acepta dos protones,
es oxidada a su forma original de ubiquinona (Q). Co-
mo resultado, si dos enzimas están organizadas de modo
que Q es reducida de un lado de la membrana y QH2

10 ÍNDICE GENERAL
oxidada en el otro, la ubiquinona se acoplará a estas reac-
ciones y actuará como lanzadera de protones a través de
la membrana.[23]
Algunas cadenas de transporte de elec-
trones bacterianas utilizan quinonas diferentes, como la
menaquinona, aparte de la ubiquinona.[24]
Dentro de las proteínas, los electrones son transferidos
entre cofactores de ﬂavina,[17][25]
centros hierro-azufre, y
citocromos. Existen varios tipos de centros hierro-azufre;
los más simples que se encuentran en la cadena de trans-
ferencia de electrones consisten en dos átomos de hie-
rro unidos por dos átomos azufre inorgánico; estos son
centros [2Fe–2S]. El segundo tipo, los centros [4Fe–4S],
contienen un cubo de cuatro átomos de hierro y cua-
tro de azufre. Cada átomo de hierro en estos centros es
coordinado por un aminoácido, generalmente por el áto-
mo de azufre de la cisteína. Los iones metálicos cofacto-
res atraviesan por reacciones redox sin unir o liberar pro-
tones, de modo que en la cadena de transporte de electro-
nes sirven solamente para el transporte de electrones entre
proteínas. Los electrones se desplazan largas distancias a
través de las proteínas saltando entre las cadenas que for-
man estos cofactores.[26]
Esto ocurre por efecto túnel, el
cual es rápido sobre distancias menores a 1,4−9
m.[27]
0.5.4 Cadena de transporte de electrones
en eucariotas
Muchos procesos bioquímicos catabólicos, tales como la
glucólisis, el ciclo de Krebs y la beta oxidación, produ-
cen la coenzima reducida NADH. Esta coenzima contie-
ne electrones que tiene un elevado potencial de transfe-
rencia; es decir, que liberan una gran cantidad de energía
tras su oxidación. Sin embargo, la célula no libera toda
esta energía a la vez, si no sería una reacción incontrola-
ble. En vez de ello, los electrones eliminados del NADH
y transferidos al oxígeno a través de una serie de enzimas
cada una de las cuales libera una pequeña cantidad de
energía. Este conjunto de enzimas, que consiste en com-
plejos, del I al IV, llamado cadena de transporte de elec-
trones se encuentra en la membrana de la mitocondria. El
succinato también es oxidado por la cadena de transpor-
te de electrones, pero entra en la vía metabólica por un
punto diferente.
En eucariotas, las enzimas en este sistema de transporte
de electrones utilizan la energía liberada de la oxidación
de NADH para bombear protones a través de la mem-
brana interna mitocondrial. Esto provoca una acumula-
ción de protones en el espacio intermembrana, y genera
un gradiente electroquímico a través de la membrana. La
energía almacenada en este potencial es luego utilizada
por la ATP sintasa para producir ATP. La fosforilación
oxidativa en las mitocondrias de organismos eucariotas es
el ejemplo de este proceso mejor comprendido. Las mito-
condrias están presentes en casi todos los eucariotas, con
la excepción de los protozoarios anaeróbicos tales como
Trichomonas vaginalis que en su lugar reducen protones a
hidrógeno en una reminiscencia de mitocondria llamada
hidrogenosoma.[28]
Se ha comprobado que las enzimas de la cadena respirato-
ria se sitúan preferentemente en la membrana de las cres-
tas mitocondriales. La membrana crestal está enriquecida
en los componentes de estos complejos, aproximadamen-
te en un 70% del total. Se ha sugerido que esta distribu-
ción asimétrica podría deberse a que las juntas crestales
suponen una barrera dinámica.[29]
NADH- ubiquinona oxidorreductasa (complejo I)
Estructura molecular del complejo I por cristalografía de rayos
X de Thermus thermophilus. MMDB ID 82358 .
La NADH-ubiquinona oxidorreductasa, también conoci-
da como NADH deshidrogenasa o complejo I, es el primer
complejo proteico en la cadena de transporte de electro-
nes. Es uno de ensamblajes enzimáticos de membrana de
mayor tamaño, y el mayor de la cadena respiratoria.
En términos generales, la reacción que cataliza es la oxi-
dación de NADH y la transferencia de dos electrones a
una quinona, normalmente una ubiquinona de entre 8 y
10 isoprenilos, aunque admite varios sustratos análogos.
Posteriormente utiliza la energía liberada en esta reacción
para la translocación de cuatro protones desde la matriz al
espacio de intermembrana. La existencia de complejos I
translocadores de Na+
, aunque ha sido postulado en pro-
cariotas, a día de hoy no se sustenta en la evidencia.[31]
En bacterias marinas y patógenas, como Vibrio chole-
rae existe una enzima diferente y sin aparente homolo-
gía, la NADH:Ubiquinona oxidoreductasa dependiente
de sodio, que bombea un ion Na+
por electrón en lugar
protones.[32]
La ecuación global de esta reacción es:
NADH + Q + 5H+
matriz → NAD+
+ QH2 + 4H+
citosol
[33]

Esta reacción tiene dos componentes termodinámica-
mente distintos: Uno muy favorable, la transferencia de
dos electrones desde NADH hasta la quinona. Los si-
guientes parámetros para las correspondientes semirreac-
ciones pueden variar por las condiciones de solución, de
membrana y de la posición de la cabeza de la quinona
dentro de ella:
NAD+
+2H+
+2e−
↔ NADH+H+
EpH7 = −0.33V
Q + 2H+
+ 2e−
↔ QH2 EpH7 = +0.07V
Lo cual nos da un ∆Eph7 = 0.4V
Ruta de los electrones entre los centros hierro-sulfuro de la NADH
deshidrogenasa
Mecanismo catalítico de la reacción red/ox La reac-
ción global de oxidación de la quinona por NADH tie-
ne lugar a una velocidad elevadísima (K ₐ ≈500 s−1
).
La cinética y el mecanismo catalítico concreto se infie-
ren de varios estudios, de tipo estructural a partir de la
cristalografía de rayos X del complejo I de T. termophilus
y de estudios de EPR a muy bajas temperaturas, conoci-
da como “freeze quenching”.[34]
La longitud que recorren
los electrones desde el centro de unión a flavina hasta el
último centro, el N2 es de unos 90 Å. El primer paso con-
siste en la transferencia de dos electrones desde el NADH
a la Flavina mononucleótido en la subunidad NDFUV1.
Aunque no está probado, parece ser que lo más probable
es que esto suceda mediante transferencia del hidruro, (o
sea, dos electrones y un protón) evitando de esa manera
la formación del intermediario NAD.
, que es inestable.
Los estudios estructurales en T. thermophilus avalan esta
posibilidad. Para ello, el NADH “apilaría” su anillo nico-
tinamida sobre el anillo isoaloxazina de la flavina, sien-
do el carbono C4 el donante de electrones en el NADH,
y el aceptor sería el Carbono C5 de la flavina, separa-
dos ambos una distancia de unos 3,5 Å. En B.Taurus, a
PH=7,8, los potenciales de NAD+
(−0,35 V) y de la fla-
vina (−0,38 V)son muy próximos, de modo que este paso
es reversible. Su velocidad es muy elevada: El proceso de
unión de NADH, transferencia del hidrido y liberación de
NAD+
tiene una K ₐ NADH
/K NADH
>1 x 107
M−1
s−1[35]
Es decir, que tiene lugar en un tiempo menor de 90 μs, lo
cual está por debajo de la capacidad de medición de los
instrumentos actuales más precisos.[34]
El segundo paso es muy importante, porque los dos elec-
trones no son transferidos simultáneamente a la quinona:
Uno de ellos pasa a gran velocidad (≈90μs) por toda la
cadena de centros [Fe-S] hacia el último de ellos, el N2,
próximo a la quinona, mientras que el otro es transferido a
un centro próximo a la flavina (12 Å), el N1a y a la mis-
ma velocidad, por lo que se supone que ambos centros
tienen el máximo potencial reductor de toda la enzima.
Una vez oxidados ambos centros, la enzima parece “pa-
rarse” 1ms, lo cual parece indicar que ese es el periodo
en el que la enzima aún permanece ligada al NAD+
para
evitar la entrada de un nuevo NADH. Dado que el cen-
tro más cercano es el N3, y está en la vía de N2, es muy
probable que el primero de los electrones parta hacia este
centro, dejando durante un breve instante a la flavina co-
mo un intermediario flavosemiquinona. A partir de ahí, el
electrón que entra en N3 parte hacia los centros N1b, N4
y N5. Todos ellos tienen un potencial redox muy similar,
de modo que el electrón estaría “equilibrado” moviéndose
entre ellos. La velocidad a la que tiene lugar la transmi-
sión desde el paso limitante, es decir, el más lento (que o
bien es la oxidación del NADH o la reducción de FMN)
hasta la quinona avala la idea de que esto se produce por
efecto túnel, unido a que todos los centros, salvo el N7
se encuentran por debajo de la distancia limitante de 14
Å.[36]
Lo cierto es que durante el tiempo que la enzima aparen-
temente permanece unida al NAD<+
, no se detectan ape-
nas señales del intermediario ubisemiquinona, lo cual sig-
nifica que no es transferido a la semiquinona, y tampoco
se detecta una caída significativa de energía libre. Se han
propuesto varias explicaciones: El segundo electrón sería
“retenido” en el centro N1a para evitar que se forme el
intermediario flavosemiquinona, que podría generar ra-
dicales superóxido, puesto que este centro es fácilmen-
te accesible al oxígeno. Entre tanto, el segundo electrón
generaría un cambio conformacional suficiente para que
pueda pasar el segundo y de esa manera ser transferidos
casi simultáneamente a la quinona. En este momento se
detecta el descenso en la energía libre.[36]
El lugar don-
de se une la quinona, entre las subunidades hidrofóbica e
hidrofílica parece tener la suficiente holgura para aceptar
una gran variedad de bloqueantes.[37]
Este sistema también puede producir radicales superóxi-
do, pero la cantidad y los lugares donde se producen, así
como los mecanismos y proporciones concretas son obje-
to de mucha controversia y problemas de interpretación;
aunque deben ser elevados, se discuten las cifras de 1-4%
del oxígeno respirado para todo el sistema OXPHOS.[38]

12 ÍNDICE GENERAL
Estructura funcional Hasta el momento no se tenían
datos completos de cristalografía de rayos X del com-
plejo con resolución suficiente, pero recientemente se ha
podido lograr un modelo para la bacteria Thermus ther-
mofilus de entre 3,3-4 Å, con lo que se están esclare-
ciendo algunos detalles del mecanismo catalítico que eran
desconocidos.[37]
En mitocondrias bovinas es un heteromultímero que
consta de 45 subunidades, con una masa molecular de
969 kilodaltons (kDa).[39][40][41]
En procariotas su tama-
ño es menor, y típicamente está formada por 14 subuni-
dades y 10 cofactores, con un tamaño aproximado de 550
KDa.[42]
Todas ellas cuentan homólogos en la forma mi-
tocondrial, y se cree que forman la llamada “enzima mí-
nima” o nuclear, ya que se considera que son suficientes
para la transducción energética.[43]
En plantas y algas el
número de subunidades totales es 30, y en hongos, 37.[44]
Recientemente un análisis ha encontrado homólogos de
tres de estas proteínas supernumerarias en el complejo I
de α-proteobacterias, consideradas las antepasadas de las
mitocondrias.[45]
El resto de subunidades del complejo I mitocondrial, lla-
madas “accesorias”, o “supernumerarias”, varía en su nú-
mero según las especies, tienen funciones enzimáticas
aparentemente no relacionadas con la transducción ener-
gética, y su función no se comprende completamente.[46]
Las siete subunidades “nucleares” del dominio intrínseco
o de membrana son codificadas por el genoma mitocon-
drial, mientras que el resto lo son por el genoma nuclear.
El ensamblaje de la enzima es muy complejo y no cono-
cido en su totalidad, produciéndose patologías si surgen
defectos.[47]
El complejo, que tiene forma de “L” consta de dos par-
tes: una hidrofílica o extrínseca, que mira a la matriz o
“lado P” de la membrana, y otra embebida en la propia
membrana, llamada porción hidrofóbica o intrínseca. Las
siete proteínas “nucleares” codificadas por el genoma mi-
tocondrial se encuentran todas en esta porción. La enzima
bovina, cuando se purifica en presencia de agentes cao-
trópicos suaves, puede disociarse en cuatro subcomplejos
según las condiciones de tratamiento: Iα que comprende
toda la porción extrínseca (Iλ) y parte de la intrínseca (Iγ)
y la parte Iβ, que comprende casi toda la parte intrínse-
ca. Funcionalmente consta de tres módulos: el módulo N,
que une NADH y captura sus electrones transmitiéndolos
al FMN y contiene los dos grupos prostéticos [2Fe-2S], el
módulo Q, que contiene el resto de centros hierro sulfuro
y transfiere esos electrones a la quinona, y por último el
módulo P, encargado del bombeo de protones.[47]
Regulación La regulación de la actividad del complejo
I se produce principalmente por tres mecanismos: Con-
trol de la expresión génica, integración en supercomple-
jos ("respirasomas") e interacciones con otras proteínas,
en especial, modificaciones postaduccionales.[39]
Complejos auxiliares
Los complejos auxiliares de la cadena respiratoria son un
grupo de complejos multiproteicos que realizan la trans-
ferencia de electrones sin bombear protones al espacio de
intermembrana. En la mayoría de los casos ello es debi-
do a que el potencial de reducción de sus sustratos está
muy próximo al de las quinonas y es insuficiente para la
translocación de protones. También se consideran dentro
de este grupo las llamadas “oxidasas alternativas”, que
transfieren electrones al oxígeno sin pasar por el comple-
jo III y la citocromo oxidasa (complejo IV).[48]
Q
QH2Fe-S
Hemo
Fe
FAD FADH
Succinato Fumarato + 2 H
2 H
Centros
Complejo II: Succinato-Q oxidorreductasa.
Succinato-Q oxidorreductasa (complejo II) La en-
zima succinato-Q oxidorreductasa, también conocida co-
mo complejo II o sucinato deshidrogenasa, es el se-
gundo punto de entrada en la cadena de transporte de
electrones.[49]
Es inusual debido a que esta enzima es la
única que forma parte de los procesos del ciclo de Krebs
y de la cadena de transporte de electrones. El comple-
jo II consiste en cuatro subunidades de proteínas y con-
tiene unida como cofactor la flavín adenín dinucleótido
(FAD), centros hierro-azufre, y un grupo hemo que no
participa en la transferencia de electrones hacia la coen-
zima Q, pero que se cree es importante en disminuir la
producción de especies reactivas del oxígeno.[50][51]
Oxi-
da el succinato a fumarato y reduce la ubiquinona. Debi-
do a que esta reacción libera menos energía que la oxida-
ción de NADH, el complejo II no transporta electrones
a través de la membrana y no contribuye al gradiente de
protones.
Succinato + Q → Fumarato + QH2
En algunos eucariotas, tales como el helminto Ascaris
suum, una enzima similar al complejo II, fumarato re-
ductasa (menaquinol:fumarato oxidorreductasa, o QFR),
opera de forma reversa oxidando ubiquinol y reduciendo

fumarato. Esto permite al helminto sobrevivir en el am-
biente anaeróbico del intestino grueso, llevando a cabo
una fosforilación oxidativa anaeróbica con fumarato co-
mo aceptor de electrones.[52]
Otra función no convencio-
nal del complejo II es observada en el parásito que pro-
voca la malaria Plasmodium falciparum. En este caso, la
acción invertida del complejo II como oxidasa es impor-
tante para regenerar el ubiquinol, el cual el parásito utiliza
como una forma inusual de biosíntesis de pirimidina.[53]
Flavoproteína de transporte de electrones Q oxido-
rreductasa La flavoproteína de transporte de electro-
nes ubiquinona oxidorreductasa (oxidorreductasa ETF-
Q), también conocida como flavoproteína de transporte
de electrones deshidrogenasa, es el tercer punto de entra-
da a la cadena de transporte de electrones. Es una enzima
que acepta electrones de la flavoproteína de transferen-
cia de electrones en la matriz mitocondrial, y utiliza estos
electrones para reducir ubiquinona.[54]
Esta enzima con-
tiene una flavina y un centro [4Fe–4S], pero, a diferencia
de otros complejos respiratorios, se une a la superficie de
la membrana y no atraviesa la bicapa lipídica.[55]
ETFred + Q → ETFox + QH2
En mamíferos, esta ruta metabólica es importante en
la beta oxidación de ácidos grasos y el catabolismo de
aminoácidos y colinas, al aceptar electrones de múltiples
acetil-CoA deshidrogenasas.[56][57]
En plantas, la oxido-
rreductasa ETF-Q también es importante en la respues-
ta que permite la supervivencia por extensos periodos de
oscuridad.[58]
Reductasas y oxidasas alternativas Muchos
organismos eucariotas poseen cadenas de transporte de
electrones diferentes a la de los mamíferos, que difieren
mucho de las más estudiadas de estos últimos (descritas
anteriormente). Por ejemplo, en plantas, existen NADH
oxidasas que oxidan el NADH en el citosol en lugar de la
matriz mitocondrial, y transfieren estos electrones a las
reservas de ubiquinona.[59]
Estas enzimas no transportan
protones, y por ello, reducen ubiquinona sin alterar
el gradiente electroquímico a través de la membrana
interna.[60]
Otro ejemplo de cadena de transporte de electrones di-
vergente es la oxidasa alternativa, que es encontrada en
plantas, así como algunos hongos, protistas y posiblemen-
te algunos animales.[61][62]
Esta enzima transfiere electro-
nes directamente del ubiquinol al oxígeno.[63]
Las rutas de transporte de electrones producidos por es-
tas oxidasas alternativas de NADH y ubiquinona tienen
un menor rendimiento de ATP que la ruta completa. Las
ventajas que se obtienen por estas rutas más cortas no son
del todo conocidas. Sin embargo, las oxidasas alternati-
vas son producidas como respuesta a situaciones de estrés
ambiental, como el frío, especies reactivas del oxígeno e
infección por patógenos, así como otros factores que inhi-
ben la cadena de transporte de electrones completa.[64][65]
Las rutas alternativas podrían, por lo tanto, aumentar la
resistencia de los organismos ante daños, reduciendo el
estrés oxidativo.[66]
Q-citocromo c oxidorreductasa (complejo III)
Cyt c
(ox)
Cyt c
(red)
Q
Q
QH2
Q
1 e
1 e
2 H
Cyt c
(ox)
Cyt c
(red)
Q
Q
QH2
1 e
1 e
2 H
QH2
2 H
Paso 1 Paso 2
Transferencia de electrones en dos pasos, en el complejo III: Q-
citocromo c oxidorreductasa. Luego de cada paso, Q (en la parte
superior de la figura) abandona la enzima.
La Q-citocromo c oxidorreductasa también conocida co-
mo citocromo c reductasa, complejo del citocromo bc1, o
simplemente complejo III.[67][68]
En mamíferos, esta en-
zima es un dímero, con cada subunidad del complejo con-
teniendo once subunidades de proteínas, un centro hierro-
azufre [2Fe-2S] y tres citocromos: un citocromo c1 y dos
citocromos b.[69]
Un citocromo es un tipo de proteína de
transferencia de electrones que contiene al menos un gru-
po hemo. Los átomos de hierro dentro del grupo hemo del
complejo III alternan entre sus estados de oxidación re-
ducido (+2) y oxidado (+3) mientras los electrones son
transferidos a través de la proteína.
La reacción catalizada por el complejo III es la oxida-
ción de una molécula de ubiquinol y la reducción de dos
moléculas de citocromo c, una proteína hemo libremente
asociada con la mitocondria. A diferencia de la coenzima
Q, que transporta dos electrones, el citocromo c transpor-
ta solo uno.
QH2+2Cit cox+2H+
matriz → Q+2Cit cred+4H+
citosol
Debido a que solo uno de los electrones puede ser trans-
ferido desde el donante QH2 al aceptor citocromo c, a la
vez, el mecanismo de reacción del complejo III es más
elaborado que aquellos de los otros complejos respira-
torios, y se da en dos pasos, llamados ciclo Q.[70]
En el
primer paso, la enzima se une a tres sustratos, primero,
QH2, el cual es luego oxidado, siendo un electrón trans-
ferido al segundo sustrato, el citocromo c. Los dos pro-
tones liberados de QH2 pasan al espacio intermembrana.
El tercer sustrato es Q, el cual acepta el segundo electrón
de QH2 y es reducido a Q.-
, el cual es un radical libre de
ubisemiquinona. Los primeros dos sustratos son libera-
dos, pero este intermediario de ubisemiquinona perma-
nece unido. En el segundo paso, una segunda molécula
de QH2 es unida y de nuevo pasa su primer electrón al
aceptor citocromo c. El segundo electrón es transferido

14 ÍNDICE GENERAL
a la ubisemiquinona unida, reduciéndola a QH2 mientras
gana dos protones de la matriz mitocondrial. Este QH2 es
luego liberado de la enzima.[71]
Como la coenzima Q es reducida a ubiquinol en el la-
do interno de la membrana y oxidado a ubiquinona en el
externo, hay una transferencia neta de electrones a través
de la membrana, añadidos al gradiente de protones.[17]
El
mecanismo más bien complejo de dos pasos por el cual
sucede esto es importante, ya que incrementa la eficiencia
de la transferencia de protones. Si, en lugar del ciclo Q,
una molécula de QH2 fuese utilizada directamente para
reducir dos moléculas del citocromo c, la eficiencia se re-
duciría a la mitad, siendo transferido solo un protón por
citocromo c reducido.[17]
Citocromo c oxidasa (complejo IV)
4 H
4 H
4 H
Fe
Fe
+ O
Cu
Cu
2 H O
Cit c
(ox)
Cit c
(red)
4 e
4
4
Complejo IV: citocromo c oxidasa.
La citocromo c oxidasa, también conocida como comple-
jo IV, es el complejo final de proteínas en la cadena de
transporte de electrones.[72]
En mamíferos esta enzima
posee una estructura extremadamente compleja y con-
tiene trece subunidades, dos grupos hemo, así como múl-
tiples iones metálicos como cofactores – en todas, tres
átomos de cobre, uno de magnesio y uno de zinc.[73]
Esta enzima media la reacción final en la cadena de trans-
porte de electrones y los transfiere al oxígeno, mientras
bombea protones a través de la membrana.[74]
El aceptor
de electrones final es el oxígeno, llamado también aceptor
terminal de electrones, el cual es reducido a agua en este
paso. Tanto el bombeo directo de protones y la consumi-
ción de protones de la matriz en la reducción de oxígeno
contribuyen al gradiente de protones. La reacción cata-
lizada es la oxidación de citocromo c y la reducción de
oxígeno:
4Cit cred + O2 + 8H+
matriz → 4Cit cox + 2H2O +
4H+
citosol
Organización de complejos
El modelo original sobre como los complejos de la cade-
na respiratoria están organizados era que estos difundían
libremente en la membrana mitocondrial.[75]
Sin embar-
go, datos recientes sugieren que los complejos podrían
formar estructuras de alto orden llamadas supercomple-
jos o “respirasomas.”[76]
En este modelo varios comple-
jos existen como conjuntos organizados de enzimas que
interaccionan entre ellas.[77]
Estas asociaciones podrían
permitir la canalización de sustratos entre varios com-
plejos de enzimas, aumentando su tasa y eficiencia en la
transferencia de electrones.[78]
Dentro de los supercom-
plejos presentes en mamíferos, algunos componentes es-
tán presentes en mayor cantidad que otros, con una tasa
entre complejos I/II/III/IV y ATP sintasa de aproximada-
mente 1:1:3:7:4.[79]
Sin embargo, el debate sobre la hipó-
tesis de estos supercomplejos aún no está resuelta, ya que
algunos datos no parecen ajustarse a este modelo.[41][80]
0.5.5 Cadena de transporte de electrones
en procariotas
En contraste con la similaridad general en cuanto a es-
tructura y función de la cadena de transporte de electro-
nes en eucariotas, las bacterias y arqueas poseen una gran
variedad de enzimas de transferencia de electrones. Estas
utilizan un conjunto igualmente amplio de sustratos.[81]
Al igual que en los eucariotas, la cadena de transporte de
electrones de los procariotas utiliza la energía liberada de
la oxidación de un sustrato para bombear iones a través de
la membrana y generar un gradiente electroquímico. En
bacterias, la fosforilación oxidativa en Escherichia coli ha
sido estudiada en profundidad, mientras que los sistemas
de arqueas han sido poco estudiados.[82]
La principal diferencia entre la fosforilación oxidativa en
procariotas y eucariotas es que tanto bacterias como ar-
queas utilizan una gran variedad de donantes y aceptores
de electrones. Esto permite a los procariotas desarrollar-
se en una amplia variedad de condiciones ambientales.[83]
En E. coli, por ejemplo, la fosforilación oxidativa puede
ser llevada a cabo por un gran número de pares de agen-
tes reductores y oxidantes, los cuales son listados a conti-
nuación. El potencial medio de un químico mide cuanta
energía es liberada cuanto este es oxidado o reducido, te-
niendo los agentes reductores un potencial negativo y los
agentes oxidante un potencial positivo.
Como se muestra en la tabla anterior, E. coli es capaz
de crecer con agentes reductores como el formiato, hi-
drógeno, o lactato como donantes de electrones, y nitra-
to, DMSO, u oxígeno como aceptores.[83]
La mayor di-
ferencia en el potencial entre un agente oxidante y uno
reductor indica una mayor liberación de energía cuan-

do reaccionan. Dentro de estos compuestos, el par suc-
cinato/fumarato es inusual, ya que su potencial es muy
cercano a cero. El succinato puede ser oxidado a fu-
marato si se encuentra en presencia de un fuerte agente
oxidante como el oxígeno, y el fumarato puede ser re-
ducido utilizando un fuerte agente reductor como lo es
el formiato. Estas reacciones alternativas son catalizadas
por la succinato deshidrogenasa y la fumarato reductasa,
respectivamente.[85]
Algunos procariotas utilizan pares redox que poseen una
muy pequeña diferencia de potencial. Por ejemplo, las
bacterias nitrificantes tales como Nitrobacter oxidan ni-
trito a nitrato, donando electrones al oxígeno. La pequeña
cantidad de energía liberada en esta reacción es suficien-
te como para bombear protones y generar ATP, pero no
es suficiente como para producir NADH o NADPH di-
rectamente para su uso en el anabolismo.[86]
Este proble-
ma es solucionado utilizando una nitrito oxidorreducta-
sa para producir la suficiente fuerza protón motriz como
para hacer funcionar la cadena de transporte de electro-
nes en sentido inverso, haciendo que el complejo I genere
NADH.[87][88]
Los procariotas controlan su uso de donantes y acepto-
res de electrones variando las enzimas que producen, en
respuesta a condiciones ambientales.[89]
Esta flexibilidad
es posible porque diferentes oxidasas y reductasas utili-
zan las mismas reservas de ubiquinona. Esto permite que
muchas combinaciones de enzimas funcionen en conjun-
to, unidas por un intermediario común de ubiquinol.[84]
Por ello es que estas cadenas respiratorias tienen un dise-
ño modular fácilmente intercambiable con otros conjun-
tos de enzimas.
Además de esta diversidad metabólica, los procariotas
también poseen una variedad de isoenzimas – diferentes
enzimas que catalizan la misma reacción. Por ejemplo,
en E. coli, hay dos tipos diferentes de ubiquinol oxidasa
utilizando oxígeno como un aceptor de electrones. Bajo
condiciones aeróbicas, la célula utiliza una oxidasa con
baja afinidad por el oxígeno que es capaz de transportar
dos protones por electrón. Sin embargo, si los niveles de
oxígeno caen, cambian a una oxidasa que transfiere solo
un protón por electrón, pero tiene una elevada afinidad
por el oxígeno.[90]
0.5.6 ATP sintasa (complejo V)
ATP sintasa, también llamada complejo V, es la enzi-
ma final del proceso de la fosforilación oxidativa. Esta
enzima se encuentra en todas las formas de vida y fun-
ciona de la misma manera tanto en procariotas como en
eucariotas.[91]
Esta enzima usa la energía almacenada en
un gradiente de protones a través de la membrana pa-
ra llevar a cabo la síntesis de ATP desde ADP y fosfato
(Pᵢ). Las estimaciones del número de protones necesarios
para sintetizar una molécula de ATP oscilan entre tres
y cuatro,[92][93]
y algunos investigadores sugieren que las
células pueden variar esta proporción, para ajustarse a di-
ferentes condiciones.[94]
ADP + Pi + 4H+
citosol ⇌ ATP + H2O + 4H+
matriz
Esta reacción de fosforilación es un equilibrio, que pue-
de ser cambiado alterando la fuerza protón motriz. En
ausencia de una fuerza protón motriz, la reacción de la
ATP sintasa se desplazará hacia la izquierda, hidrolizan-
do ATP y bombeando protones fuera de la matriz a tra-
vés de la membrana. Sin embargo, cuando la fuerza pro-
tón motriz es alta, la reacción es forzada a desplazarse en
la dirección opuesta; de izquierda a derecha, permitien-
do el flujo de protones en el sentido de su gradiente de
concentración produciendo ADP desde ATP.[91]
Es más,
en la cercanamente relacionada proteína H+-ATPasa tipo
vacuolar, la misma reacción es usada para acidificar los
compartimentos celulares, bombeando protones e hidro-
lizando ATP.[95]
La ATP sintasa es un complejo masivo de proteínas con
forma de hongo. El complejo de enzimas en mamíferos
contiene 16 subunidades y posee una masa de aproxima-
damente 600 kilodaltons.[96]
La porción embebida en la
membrana es llamada FO y contiene un anillo de subuni-
dades c y el canal de protones. El pedúnculo y la parte
superior esférica es llamada F1 y es el sitio donde ocu-
rre la síntesis de ATP. La porción esférica del extremo
de F1 contiene seis proteínas de dos tipos diferentes (tres
subunidades α y tres subunidades β), mientras que el “pe-
dúnculo” consiste solo en una proteína: la subunidad γ,
con un extremo extendiéndose en la esfera de subunida-
des α y β.[97]
Ambas subunidades, α y β se unen a nucleó-
tidos, pero solo la subunidad β cataliza la síntesis de ATP.
Alcanzando por la base una porción de F1 e introducién-
dose en la membrana se encuentra una larga subunidad
en forma de bastón que ancla las subunidades α y β en la
base de la enzima.
A medida que los protones atraviesan la membrana a
través del canal en la base de la ATP sintasa, FO entra
en rotación.[98]
Esta rotación puede ser provocada por
cambios en la ionización de aminoácidos en el anillo de
subunidades c provocando interacciones electrostáticas
que impulsan el anillo de subunidades c a través del canal
de protones.[99]
Este anillo de rotación provoca la rota-
ción del eje central (el pedúnculo de la subunidad γ) den-
tro de las subunidades α y β. Estas subunidades son in-
capaces de rotar debido al brazo lateral que actúa como
un estátor. Este movimiento del extremo de la subunidad
γ en el interior de la esfera de subunidades α y β provee
de energía para los sitios activos en las subunidades β pa-
ra llevar a cabo un ciclo de movimientos que generan y
luego liberan ATP.[100]
La reacción de síntesis de ATP es llamada “mecanismo de
cambio de unión” del inglés binding change mechanism e
involucra el sitio activo de una subunidad β en ciclando a
través de tres estados.[11]
En el estado “abierto”, el ADP
y el fosfato entran en el sitio activo (mostrado en marrón
en el diagrama). La proteína luego captura las moléculas y

16 ÍNDICE GENERAL
Mecanismo de la ATP sintasa. El ATP se muestra en rojo, el ADP
y fosfato en rosado y la subunidad γ rotando, en negro.
se une a ellas ligeramente (mostrado en rojo). La enzima
luego cambia su conformación nuevamente y acerca las
moléculas, con el sitio activo en el estado ﬁnal (mostrado
en rosado) uniendo el recién formada molécula de ATP
con una elevada aﬁnidad. Finalmente, el sitio activo cicla
de nuevo a su estado original abierto, liberando ATP y
uniéndose a más ADP y fosfato, preparándose así para el
próximo ciclo.
En algunas bacterias y arqueas, la síntesis de ATP es
llevada a cabo por el movimiento de iones sodio a tra-
vés de la membrana celular, en lugar del movimiento de
protones.[101][102]
Arqueas tales como Methanococcus po-
seen la sintasa A1Aₒ, una forma de la enzima que contiene
proteínas adicionales con muy poca similaridad en cuanto
a su secuencia con otras subunidades de ATP sintasa de
bacterias o eucariotas. Es posible que en algunas especies,
la forma A1Aₒ de la enzima sea una ATP sintasa especia-
lizada en el transporte de sodio,[103]
pero esto puede que
no sea así en todos los casos.[102]
0.5.7 Inhibidores
Existen varias drogas y toxinas que inhiben la fosfori-
lación oxidativa. Aunque estas toxinas inhiben sólo una
enzima en la cadena de transporte de electrones, la in-
hibición de cualquier paso detiene el resto del proceso.
Por ejemplo, cuando la oligomicina inhibe a la enzima
ATP sintasa, los protones no pueden ser devueltos a la
mitocondria.[104]
Como resultado, las bombas de proto-
nes son incapaces de operar, y el gradiente se torna dema-
siado fuerte como para ser superado. NADH deja de ser
oxidado y el ciclo del ácido cítrico deja de operar porque
la concentración de NAD+
cae por debajo de la concen-
tración que estas enzimas pueden utilizar.
• Cianuro: El cianuro es un potente veneno que inhi-
be la cadena de transporte de electrones y la fosfo-
rilación oxidativa bloqueando el paso de electrones
del citocromo a3 al oxígeno en el complejo IV. Esto
bloquea la cadena de transporte de electrones, lo que
conlleva que no se genere el gradiente de protones y
por tanto no se produzca la obtención de ATP con
la consiguiente acumulación de NADH y FADH2.
Además el cianuro se une a la hemoglobina impi-
diendo también la captación de oxígeno.
• Oligomicina: La oligomicina, un antibiótico produ-
cido por Streptomyces, inhibe a la ATP pasa al unir-
se a la subunidad Fo e interferir en el transporte de
H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de
ATP y como consecuencia de no eliminar el gra-
diente de protones se inhibe también a la cadena de
transporte de electrones, por lo tanto disminuirá el
consumo de O2 y se acumulará NADH y FADH2.
• 2,4-Dinitrofenol: El 2,4-dinitrofenol es un agen-
te desacoplante, es decir, desacopla la cadena de
transporte de electrones de la fosforilación oxida-
tiva. El desacoplamiento se produce ya que el 2,4-
dinitrofenol hace permeable a los protones de la
membrana interna mitocondrial deshaciendo la rela-
ción obligada entre la cadena respiratoria y la fosfo-
rilación oxidativa. El efecto de este veneno por tanto
es la inhibición de la producción de ATP al no ge-
nerarse el gradiente de pH pero si permite que la
cadena de transporte de electrones continúe funcio-
nando.
No todos los inhibidores de la fosforilación oxidativa son
toxinas. En el tejido adiposo marrón, los canales de pro-
tones regulados llamados proteínas desacopladoras son
capaces de desacoplar la respiración de la síntesis de
ATP.[109]
Esta respiración rápida produce calor, y es par-
ticularmente importante como una vía para mantener la
temperatura corporal en la hibernación de los animales,
aunque estas proteínas pueden también tener una fun-
ción más general en la respuesta de las células al estrés
oxidativo.[110]
• Metabolismo
• Translocasa de la membrana interna
• Translocasa de la membrana externa
• Respirometría
0.5.9 Referencias
[1] Chen, Jin-Qiang; Patrick R. Cammarata, Christopher P.
Baines, James D. Yager (2009). «Regulation of mitochon-
drial respiratory chain biogenesis by estrogens/estrogen
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