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resumen, metabolismo, bioquímica, Krebs
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RESUMEN DE METABOLISMO
PROCESOS OXIDATIVOS
CICLO DE KREBS
En las células aerobias distintas vías catabólicas convergen en el ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs (de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico) es una vía metabólica presente en todas las células aerobias, es decir, las que utilizan oxígeno como aceptor final de electrones en la respiración celular. En los organismos aerobios las rutas metabólicas responsables de la degradación de los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos
convergen en el ciclo de Krebs, que a su vez aporta poder reductor a la cadena respiratoria y libera CO2 (figura 1)
Figura 1. Visión panorámica de la convergencia de las vías catabólicas de carbohidratos, aminoácidos y ácidos grasos al ciclo de Krebs. Los hidrógenos presentes en esas moléculas son los que abastecen a la cadena respiratoria desde el NAD o FAD, hasta combinarse con el oxígeno y formar agua. Los carbonos se eliminan como CO2.
El catabolismo oxidativo de c a r b o h i d r a t o s , ácidos grasos y aminoácidos puede dividirse en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs es la segunda. En la primera etapa, que incluye a las vías catabólicas de ácidos grasos y a la glucólisis se genera acetil-CoA (2C). Los aminoácidos pueden dar indirectamente acetil CoA , o directamente intermediarios del ciclo de Krebs. En la tercera etapa el poder reductor aportado por el ciclo de
Krebs es drenado hasta el oxígeno a través de los transportadores de cadena respiratoria (NADH.H, FADH2,
CoQ y citocromos) y parte de la energía liberada se emplea en la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa (figura 1).
El piruvato genera la principal molécula abastecedora del ciclo: la acetil coenzima A
La reacción de oxidación - decarboxilación del piruvato es el nexo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. Esta reacción irreversible es catalizada por un complejo enzimático (piruvato deshidrogenasa) localizado en la matriz mitocondrial de eucariotas, y en el citosol de procariotas (figura 2).
El piruvato pierde el grupo carboxilo como CO2, y los dos carbonos restantes unidos a la CoA conforman la acetil-CoA (figura 2). En la reacción se reduce un NAD a NADH.H que a su vez cede los H a los otros transportadores de cadena respiratoria, con la consecuente formación de 3 ATP.
Figura 2. Reacción resumen de la descarboxilación oxidativa del piruvato. PDH (piruvato deshidrogenada).
La acetil-CoA generada por los diferentes catabolismos se condensa con el oxalacetato y genera citrato. A través de 7 reacciones de oxidación y descarboxilación sucesivas (de la 2 a la 8, figura 3) se regenera oxalacetato, capaz de iniciar un nuevo ciclo.
Figura 3. Representación del ciclo de Krebs. Cada reacción se indica con un número.
En cuatro reacciones del ciclo ocurren oxidación de intermediarios y reducción de coenzimas de cadena respiratoria: tres NAD y un FAD (figura 3). Esas moléculas reducidas que integran la cadena respiratoria se reoxidan, y parte de la energía liberada se usa para fosforilar el ADP a ATP. En el ciclo propiamente dicho se produce una fosforilación a nivel de sustrato que produce un GTP, que equivale energéticamente a un ATP.
El ciclo se puede resumir en la siguiente ecuación:
Acetil-CoA + 3NAD + FAD + GDP + Pi CoA-SH + 3 NADH.H + FADH2 + GTP + 2 CO2
Las reacciones del ciclo
Reacción 1: condensación del oxalacetato con la acetil CoA
La enzima citrato sintasa condensa a la acetil-CoA (2C) con el oxalacetato (4C) para dar una molécula de citrato (6C). Como consecuencia de esta condensación se libera la coenzima A (HSCoA). La reacción es fuertemente exergónica: es irreversible.
Reacción 2: isomerización del citrato a isocitrato
La isomerización del citrato en isocitrato ocurre por dos reacciones, que se resumen en una.
Reacción 3: oxidación y decarboxilación del isocitrato
El isocitrato es sustrato de la isocitrato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor un NAD, que forma parte de la cadena respiratoria. En la reacción 3 se resumen dos reacciones a partir de las cuales el isocitrato
forma α-cetoglutarato (5C). Para lograr ese producto ocurre una decarboxilación, es decir la liberación de una
molécula de CO2, y la reducción de un NAD que permite la formación de 3 ATP.
Reacción 4: el α-cetoglutarato se transforma en succinil-CoA
Este paso implica la segunda decarboxilación oxidativa, catalizada por la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que lleva a la formación de succinil-CoA (4C). El NAD es la coenzima de la deshidrogenasa, de manera que se formarán 3 ATP como consecuencia de la actividad de cadena respiratoria.
Reacción 5: la succinil-CoA rinde succinato y GTP
La succinil-CoA, es un tioéster de alta energía con un ∆G°′ de hidrólisis de -33.5 KJ.mol-1
aproximadamente. La energía liberada por la ruptura de ese enlace se utiliza para generar un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1GTP por fosforilación a nivel de sustrato. En la reacción se libera HSCoA.
El GTP se puede convertir en ATP según la siguiente reacción:
GTP + ADP GDP + ATP ∆G°′ = 0 KJ.mol- 1
Reacción 6: el succinato se transforma en fumarato
El succinato es oxidado a fumarato por la succinado deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al FAD: se producen 2ATP en la cadena respiratoria. La enzima usa FAD porque la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD.
El complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa es el único del ciclo que está asociado a la membrana mitocondrial de eucariotas, y en la membrana plasmática de procariotas.
Reacción 7: el fumarato se hidrata y genera malato
La fumarasa cataliza la adición de agua, es decir la hidratación del fumarato. El producto de la reacción es el malato.
Reacción 8: el malato se oxida a oxalacetato
Dada la naturaleza cíclica de la vía, las reacciones en su conjunto conducen a la regeneración del oxalacetato. La malato deshidrogenasa cataliza la oxidación del malato a oxalacetato, con la reducción de un NAD: se forman 3 ATP en la cadena respiratoria.
Regulación del Ciclo de Krebs
La regulación del ciclo hace posible la producción de moléculas de acuerdo a las necesidades celulares, y asegura que no ocurra sobre o sub producción en un momento dado. La regulación del ciclo se da en diferentes puntos, porque puede alimentarse o ser abastecido a través de cualquiera de sus intermediarios. La regulación es compleja en comparación con la de vías catabólicas como la glucólisis, y se considerarán situaciones de regulación relacionadas al estado energético celular.
La regulación de las enzimas es por modulación alostérica, por modificación covalente y por acumulación de productos. La “lógica” de la regulación se rige principalmente por la relación ATP/ADP y NADH.H/NAD, así como por las concentraciones de algunos intermediarios del ciclo.
Las relaciones entre ATP/ADP y NADH.H/NAD están relacionadas entre sí a través de la fosforilación oxidativa que ocurre en la cadena respiratoria, y ambas son señales del estado energético de la célula.
A continuación se presentan tres situaciones regulatorias, relacionadas a la energía celular momentánea.
Situación 1: regulación de la principal reacción abastecedora del ciclo
El complejo piruvato deshidrogenasa (PDH) de vertebrados, que cataliza la transformación de piruvato en acetilCoA, es un punto de regulación clave porque la acetilCoA es la principal molécula abastecedora del ciclo. La regulación se logra por dos mecanismos: alosterismo y modificación covalente de la enzima.
Figura 4. Esquema de la regulación de la actividad de la piruvato deshidrogenasa (PDH) a través de la fosforilación/desfosforilación de serinas de la subunidad E1 de esta enzima. La quinasa es inhibida alostéricamente por el ATP, de manera que cuando los niveles de este son elevados el complejo PDH es inactivado por fosforilación. Cuando desciende la concentración de ATP celular, la actividad quinasa decrece y la actividad fosfatasa se incrementa y elimina el fosfato de la subunidad E1 convirtiendo a la enzima en su estado activo.
Cuando las relaciones ATP/ADP, NADH.H/ NAD y acetil-CoA/ HSCoA son altas la enzima PDH es modulada negativamente. Cualquiera de las tres relaciones indican que en la célula hay un estado metabólico rico en energía. Cuando esas relaciones descienden la enzima se activa, se incrementa entonces la oxidación del piruvato y se sintetiza acetil CoA.
La regulación de la PDH a través de la subunidad E1 (figura 4) es por modificación covalente de la enzima, a la que una quinasa fosforila y una fosfatasa desfosforila residuos específicos de serinas. Para que la quinasa fosforile a E1 debe haber alta concentración de ATP, que es un modulador positivo de la quinasa, que está regulada entonces alostéricamente. Cuando aumenta la concentración de ADP la actividad quinasa desciende y se incrementa la fostatasa, que desfosforila a la enzima que pasa a su forma activa (figura 4).
Además, la actividad del complejo PDH está modulada negativamente a nivel de la subunidad E2 por alta concentración de acetilCoA y a nivel de la subunidad E3 por alta concentración de NADHH. Es decir, también está regulado alostéricamente a través de distintos moduladores con diferentes subunidades.
Situación 2: regulación de la enzima citrato sintasa
La actividad de la citrato sintasa (reacción 1, figura 3) está regulada por disponibilidad de sus sustratos: la acetil-CoA y el oxalacetato, cuya concentración varía y determina la velocidad de formación de citrato. El ATP
es un modulador alostérico negativo de la citrato sintasa, que aumenta la KM de la enzima por el acetil CoA.
Así, cuanto mayor sea la concentración de ATP menor será la actividad de la enzima. Lo mismo produce el aumento de la concentración de NADH.H (figura 5).
Situación 3: regulación de las deshidrogenasas NAD
Los pasos catalizados por las deshidrogenadas NAD dependientes (reacciones 3, 4 y 8, figura 3) regulan la velocidad del ciclo según la relación NADH.H/NAD. Cuando la concentración de NADH.H aumenta la actividad de las deshidrogenasas desciende. El ATP tiene el mismo efecto inhibidor sobre las enzimas, mientras el ADP es un activador (figura 5).
En resumen, si bien no es el único, hay un principio unificador en la regulación: cuando a nivel celular se dan condiciones de alta energía, la célula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de producción de ATP, y viceversa (figura 5).
Figura 5. Esquema general de regulación del ciclo de Krebs. Tomado de Bioquímica, Mathews y van Holde, Editorial McGraw Hill – Interamericana.
Un balance posible de la degradación total de la glucosa
Para calcular la energía que se obtiene de la glucosa se pueden establecer cuatro instancias en su degradación: glucólisis, decarboxilación oxidativa del piruvato, ciclo de Krebs y cadena respiratoria.
La cantidad de ATP generado difiere según las lanzaderas implicadas y el tipo de célula (procariota o eucariota). En el cuadro 1 se plantea un balance en una célula eucariota, en la que operó sólo la lanzadera de la malato-aspartato.
Tabla 1. Resumen del balance energético en ATP de la degradación total de la glucosa. Se usó para este balance la lanzadera de la malato-aspartato.
VIA METABOLICA Proceso Rendimiento
GLUCOLISIS
Gasto en la glucólisis -2 ATP
Fosforilación a nivel de sustrato 4 ATP
Lanzadera de la malato -aspartato (2 NADH X 2,5) 5 ATP
FORMACION DE ACETIL CoA Oxidación del Piruvato (2 NADH X 2,5) 5 ATP
CICLO DEL ACIDO CITRICO
Fosforilación a nivel de sustrato (2 x 1 GTP) 2 ATP
Isocitrato deshidrogenasa,
Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa,malato deshidrogenasa
2 (3 NADH x 2,5) 20 ATP
TOTAL 32 ATP
El ácido propiónico generado en el rumen ingresa al Ciclo de Krebs como succinil CoA
En los rumiantes, los microorganismos del rumen producen por fermentación ácidos grasos volátiles (AGV) a partir de los alimentos ingeridos.
El AGV producido mayoritariamente es el ácido propiónico (3C). Esta molécula mediante dos reacciones produce succinil CoA (figura 6). A partir de esta molécula el hígado puede generar glucosa por glucogénesis.
Figura 10. Producción de succinil-CoA a partir del propiónico.
La succinil-CoA ingresa al ciclo de Krebs (figura3) y mediante 3 reacciones (5, 6 y 7) es transformada en malato, que puede salir de la mitocondria por transportadores específicos. Una vez en el citoplasma el malato es convertido en oxalacetato que, mediante el rodeo metabólico saltea la reacción irreversible de Piruvato a PEP, y puede sintetizar glucosa por glucogénesis. Este proceso incluye otras dos reacciones irreversibles en la etapa de hexosas (ver Glucólisis
El ciclo de Krebs es una ruta anfibólica: participa en procesos catabólicos y anabólicos. El ciclo proporciona α-cetoglutarato y oxalacetato para la síntesis de glutamato y aspartato respectivamente, entre otras moléculas fundamentales para la célula.
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
El metabolismo energético de los organismos quimiotróficos es una oxidación gradual de moléculas combustibles de naturaleza orgánica (glucosa, aminoácidos, ácidos grasos), siempre acompañado por la reducción de una
coenzima de oxido-reducción, ya sea NAD+ o FAD, que actúa como aceptor de electrones y de H+. Por ejemplo, en el metabolismo de la glucosa se observan 6 procesos oxidativos diferentes: uno durante la glucólisis, otro durante la transformación de piruvato en acetil CoA y el resto en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CTC). Durante
estos procesos, los 6 átomos de carbono de la molécula de glucosa se oxidan completamente a CO2 y 12 pares
de electrones se transfieren al NAD+ y al FAD, generando las formas reducidas de estas coenzimas, NADH y FADH2.
La oxidación de los ácidos grasos consiste en la remoción cíclica de unidades de 2 carbonos, como acetil CoA.
Cada ciclo de oxidación está acompañado por la reducción de una molécula de NAD+ y otra de FAD. Adicionales moléculas de coenzimas reducidas se forman al oxidarse los restos de acetil CoA en el CTC. Los aminoácidos también se catabolizan por vías oxidativas que utilizan las mismas coenzimas como aceptores de electrones.
De lo expuesto surge entonces que es necesario asegurar una disponibilidad continua de coenzimas oxidadas para permitir la constante oxidación de todos los nutrientes. La disponibilidad continua de moléculas de coenzimas oxidadas para actuar como aceptores de electrones depende de la reoxidación inmediata de las coenzimas reducidas, de manera que la reducción de las coenzimas durante la oxidación de los sustratos está acompañada y balanceada por un proceso simultáneo en el que se generan las formas oxidadas de las mismas. En estos procesos de reoxidación de las coenzimas es donde se pone en evidencia la necesidad del O2 para el
metabolismo aeróbico, ya que es el aceptor final de electrones de las coenzimas reducidas durante la oxidación gradual de los combustibles metabólicos.
La transferencia de electrones desde el NADH o el FADH2 al oxígeno es un proceso muy exergónico, por lo que la reoxidación de las coenzimas es responsable de la mayor parte del ATP que se forma durante el metabolismo.
Todos los procesos descriptos constituyen el metabolismo respiratorio, que puede considerarse como dos procesos separados pero íntimamente relacionados:
1) el metabolismo oxidativo, en el cual electrones y H+se transfieren desde sustancias orgánicas a coenzimas oxidadas, con la consiguiente reducción de las mismas y
2) la reoxidación de las coenzimas reducidas por transferencia de los electrones al O2 acompañada
indirectamente por la formación de ATP.
La transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno no se realiza en forma directa, sino que en este proceso participan una serie de moléculas que actúan como transportadoras de electrones. El proceso de transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno se denomina cadena respiratoria.
En condiciones aeróbicas, la vía glucolítica es la fase inicial del catabolismo de la glucosa, como lo es la ß oxidación del catabolismo de los ácidos grasos. Los otros tres componentes del metabolismo respiratorio son:
a) el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CTC), responsable de la oxidación total del acetil CoA ,
b) la cadena de transporte de electrones, necesaria para la reoxidación de las moléculas de coenzimas a expensas del oxígeno molecular y
c) la fosforilación oxidativa (FO) del ADP a ATP como consecuencia de un gradiente de protones que se genera durante el transporte de electrones.
A continuación se estudiará el mecanismo de reoxidación de las coenzimas por transferencia de electrones al oxígeno molecular, como así también el mecanismo que acopla la energía liberada durante el transporte de electrones con la fosforilación oxidativa del ADP que lleva a la síntesis de ATP. Sin embargo no debe olvidarse que en las células estos procesos no ocurren como eventos aislados, sino que integran el metabolismo respiratorio. Las cuatro etapas: fase inicial, CTC, transporte de electrones y fosforilación oxidativa tienen que realizarse en forma continua y muy integrada para que el metabolismo respiratorio pueda satisfacer las necesidades energéticas de las células, segundo a segundo.
Características generales de las mitocondrias
La mitocondria es el organelo en donde ocurre la etapa final de la oxidación de los nutrientes.
Así, la mitocondria es el sitio del metabolismo oxidativo de los eucariontes. Contiene, como demostraron A. Lehninger y E. Kennedy en 1948, la piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, las enzimas que catalizan la oxidación de los ácidos grasos y las enzimas y proteínas redox que intervienen en el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. Estos procesos generan la mayor parte de la energía celular en condiciones aeróbicas. Por ello se le describe como la “planta de energía” de la célula.
El tamaño, número y forma de las mitocondrias varía de un tejido a otro, pero la estructura básica de las mismas es igual en todos ellos. El número y tamaño de las mitocondrias guarda estrecha relación con las necesidades energéticas de la célula. Los hepatocitos pueden contener más de 1000 mitocondrias cada uno, mientras que los eritrocitos maduros, que dependen totalmente de la glucolisis para obtener energía, no contienen ninguna. Las mitocondrias están constituídas por dos membranas concéntricas con propiedades y funciones biológicas marcadamente diferentes.
La membrana mitocondrial externa está en contacto con el medio citoplasmático, en tanto que la interna delimita un espacio central denominado matriz mitocondrial. La membrana mitocondrial interna se presenta plegada, estos pliegues se denominan crestas. Las crestas son más abundantes en mitocondrias de células con intensa actividad respiratoria.
La siguiente figura muestra un corte esquemático de una mitocondria.
La membrana externa es permeable a pequeñas moléculas (de peso molecular menor a 5.000 Da) e iones. La permeabilidad de esta membrana se atribuye a la presencia en la misma de una proteína transmembrana llamada porina la cual forma canales o poros. Otras proteínas de esta membrana son las enzimas implicadas en la síntesis mitocondrial de lípidos y las enzimas que transforman en la matriz los sustratos lipídicos en formas metabolizables.
En cambio la membrana interna, más rica en proteínas, es prácticamente impermeable a sustancias polares e iónicas. El agua, el CO2 y el O2 son algunas de las pocas moléculas que pueden atravesar libremente la
membrana mitocondrial interna. La mayoría de las moléculas que atraviesan la membrana mitocondrial interna lo hacen únicamente por la mediación de proteínas transportadoras específicas. Por ejemplo, el ATP y el ADP no difunden libremente a través de la membrana mitocondrial. Una proteína transportadora específica, ATP-ADP translocasa permite que estas moléculas cargadas atraviesen la membrana. De manera similar el piruvato, los ácidos grasos, los aminoácidos y los cetoácidos son llevados por transportadores específicos a la matriz mitocondrial, donde se localizan los sistemas enzimáticos que participan en la degradación de los mismos.
Los componentes de la cadena de transporte de electrones y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP se hallan en la membrana mitocondrial interna. El espacio intermembrana contiene varias enzimas que utilizan la salida de ATP de la matriz para fosforilar otros nucleótidos.
La matriz contiene una mezcla altamente concentrada de enzimas, incluyendo las que son necesarias para la oxidación del piruvato y los ácidos grasos y para el ciclo de Krebs. La matriz contiene también ADN llamado mitocondrial, ribosomas mitocondriales, tARN y varias enzimas requeridas para la expresión de genes mitocondriales. Al igual que el ADN bacteriano, y a diferencia del nuclear, el ADN mitocondrial es circular, no presenta los genes interrumpidos por secuencias no codificantes (intrones) y no está asociado con proteínas, es decir, se trata de ADN desnudo. Otro hecho sobresaliente es que la síntesis mitocondrial de proteínas puede bloquearse con antibióticos, como el cloranfenicol, la tetraciclina, y otros del grupo de los macrólidos; pero no se inhibe con la cicloheximida como los ribosomas citoplasmáticos. De todas maneras las mitocondrias no son genéticamente autosuficientes. La mayoría de las estructuras necesarias para que desarrollen su función, son codificadas por genes nucleares. El ADN mitocondrial sólo tiene información para la síntesis de sus propios ribosomas y para algunos de sus ARN de transferencia. En cuanto a las proteínas, codifica para algunas pocas subunidades de algunos complejos enzimáticos situados en la membrana interna de la organela. El resto de las proteínas involucradas en el ciclo de Krebs y en la fosforilación se sintetizan en el citoplasma y se transporta hasta la mitocondria para cumplir su función.
En la figura siguiente se esquematizan los procesos mitocondriales más importantes.
CONCEPTO DE OXIDO-REDUCCION
Antes de seguir adelante con la cadena respiratoria vamos a hacer un breve repaso de las reacciones de óxido-reducción.
OXIDACION: Cuando una sustancia química se oxida, pierde electrones. Los siguientes
son ejemplos de reacciones de oxidación:
Fe2+ ------------> Fe3+ + e
R-CH2-OH ------------> R-C-H + 2H+ + 2 e
H2 ------------> 2 H+ + 2 e
REDUCCION: Cuando una sustancia química se reduce, gana electrones. Ejemplos de reacciones de reducción:
Fe3+ + e -----------> Fe2+
½ O2 + 2 H+ --------> H2O
CUANDO OCURRE UNA REACCION DE OXIDACCION, DEBE OCURRIR SIMULTANEAMENTE UNA REACCION DE REDUCCION. Los electrones liberados en la reacción de oxidación son captados inmediatamente por otra especie química, la cual se reduce, en la reacción de reducción, de manera que oxidación y reducción son procesos acoplados. Ejemplo:
O O ǁ ǁ
R-C-H + H2O --------> R-C-OH + 2 H+ + 2 e (Oxidación)
½ O2 + 2 H+ + 2 e ------> H2O (Reducción) O O
R-C-H + H2O + ½ O2 + 2 H+ + 2 e --->R-C-OH + 2 H+ + 2 e + H2O Reacción global O O R-C-H + ½ O2 ------------> R-C-OH
La reacción global que describe una reacción de óxido-reducción o redox es la suma de dos reacciones que deben ocurrir simultáneamente, una de ellas describe una reacción de oxidación y otra una de reducción. Cada una de ellas constituye una hemireacción.
En la reacción del ejemplo anterior, el aldehído representado por la fórmula R-CO-H se oxida a ácido R-CO-OH, en tanto que el O2 se reduce a H2O, como se indica en cada hemireacción. Se dice que la especie que se
oxida (es decir aquella que cede electrones) actúa como agente reductor, en tanto que la especie que se reduce (es decir aquella que acepta electrones) actúa como agente oxidante. Por lo tanto en este ejemplo el aldehído es el agente reductor, en tanto que el oxígeno es el agente oxidante.
La tendencia de las sustancias reaccionantes, en una reacción de redox, a ceder o captar electrones, se expresa numéricamente como POTENCIAL REDOX.
Aspectos energéticos del flujo electrónico
En los sistemas biológicos podemos hablar de cuatro modalidades de transferencia de electrones:
• Directamente como electrones (por ej. De Fe2+ a Fe3+)
• Como hidrógeno ( H+ + e-) (reacciones en las que interviene el FAD)
• Como hidruro ( H - ) (deshidrogenadas ligadas a NAD)
• Por combinación directa de un reductor orgánico con O2 (hidroxilación de esteroides)
A igual concentración de reactantes y productos, los electrones tenderán a fluir espontáneamente desde un
transportador con un valor de Eo’ más negativo hacia otro con Eo’ positivo. La secuencia lineal de los distintos transportadores que está propuesta en los modelos aceptados coincide con este razonamiento y puede verse en diferentes representaciones. Podemos concluir entonces que la posición de los transportadores en la cadena
depende del valor de su Eo’.
Debemos tener en cuenta que debido a que las concentraciones de reactivos y productos raramente son iguales, lo que determinará la dirección del flujo electrónico no será el potencial estándar, sino el potencial real teniendo en cuenta las concentraciones de todas las moléculas participantes en el proceso del transporte, y su estado de oxidación.
Los electrones se desplazarán entonces en la dirección de un Eo’ más positivo, si los reactivos (las formas reducidas de los dadores de electrones y las formas oxidadas de los aceptores), están presentes en una concentración suficientemente alta relativa con sus productos (dadores oxidados y aceptores reducidos). Esto es simplemente aplicar la ley de Acción de Masas.
Finalmente, aún si el proceso es termodinámicamente favorable, puede que no ocurra a menos que los transportadores estén lo suficientemente cerca. Los contactos entre transportadores en la cadena respiratoria dependerá de cómo están ubicados los Hemos, flavinas, quinonas y centros Fe-S en las proteínas a las que se unen, y de cómo están acomodadas las proteínas en las membranas.
Transportadores de electrones de la cadena respiratoria. Características generales de la cadena respiratoria
Como todos sabemos, vivimos en un baño de 20% de oxígeno. Desde un punto de vista termodinámico, la materia viva es muy inestable con respecto a la combustión por oxígeno. Pero desde un punto de vista cinético el oxígeno es estable. Así es que para que las células consuman oxígeno activamente y a una velocidad compatible con la vida, se requieren enzimas que lo activen. La molécula de oxígeno es muy estable y por ello es energéticamente
desfavorable añadir un electrón para formar el radical aniónico Superóxido: O2- . Por esta razón el ataque oxidante
por oxígeno tiende a ser lento. Luego que ha adquirido un electrón, resulta fácil a los electrones adicionarse a la estructura.
Organización y componentes de la cadena respiratoria:
A partir de la membrana interna mitocondrial pueden ser aislados cuatro complejos enzimáticos denominados I, II, III y IV. Además, se puede aislar y caracterizar el complejo V ó ATPasa o ATP sintasa que sintetiza ATP en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Los complejos I-IV contienen a la cadena de transporte de electrones, mientras que el complejo V cataliza la síntesis de ATP por lo que no es propiamente un componente de la cadena de transporte de electrones.
Cada complejo acepta o dona electrones a acarreadores ó transportadores relativamente movibles como la coenzima Q y el citocromo c. Cada acarreador de la cadena de transporte de electrones puede recibir electrones de un donador y subsecuentemente pueden donarlos al siguiente acarreador de la cadena, finalmente se combinan con Oxígeno y protones formando agua. Este requerimiento por Oxígeno hace que este proceso de transporte de electrones se denomine también cadena respiratoria, la cual utiliza la mayoría del Oxígeno consumido por un organismo aerobio.
Con la excepción de la coenzima Q, todos los miembros de esta cadena son proteínas. Estas proteínas pueden funcionar como enzimas como en el caso de varias deshidrogenasas, pueden contener hierro como parte de su centro hierro-azufre o pueden contener cobre, como en el caso de los citocromos a y a3.
Complejo
Nombre
No. de
Grupos prostéticos
Complejo I
NADH Dehidrogenasa
46
FMN, 7 Fe-S centros
ComplejoII
Succinato-CoQ Reductasa
5
FAD, cyt b560, 3 Fe-S centros
Complejo III
CoQ-cit c Reductasa
11
cit b, cit b, cit c1, Fe-S
Complejo IV
Citocromo Oxidasa
13
cit a, cit a3, CuA, CuB
COENZIMAS DE OXIDO REDUCCION
La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de electrones en la cadena respiratoria. La mayoría de esos electrones provienen de la acción de ciertas enzimas llamadas deshidrogenasas que colectan los electrones de diferentes vías catabólicas y las canalizan en los aceptores universales de electrones que son los:
(1) nucleótidos de nicotinamida (NAD+ ó NADP+) y (2) los nucleótidos de flavina
Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+)
Participa en reacciones del tipo:
Sustrato reducido + NAD+ ' sustrato oxidado + NADH + H+
Las deshidrogenadas que usan NAD+ como cofactor remueven 2 atomos de hidrogeno de sus sustratos. Uno de
ellos es transferido como ion hidruro (:H-) al NAD+; el otro es liberado como H+ al medio.
Fosfato del dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADP+): tiene una estructura similar al NAD+, pero el hidroxilo 2' del NAD+ se halla esterificado con ácido fosfórico. Participa en generalmente en reacciones anabólicas.
Tanto el NAD+ como el NADP+ se asocian reversiblemente a las enzimas y ninguno de ellos puede atravesar la membrana mitocondrial interna.
Deshidrogenasas dependientes de NAD+: Isocitrato DH, Etanol DH, Gliceraldhido 3 fosfato DH, Lactato DH, Dihidrolipoil DH, L-β-Hidroxiacetil-CoA DH, D-β- hidroxibutirato DH, Glicerol 3 fosfato DH, L-malato DH
Deshidrogenasas dependientes de NADP+: Isocitrato DH, D-glucosa 6 fosfato DH Deshidrogenasas dependientes de NAD+ o NADP+: L-glutamato DH
Mecanismos de las deshidrogenaciones dependientes de NAD+:
El siguiente esquema muestra las transformaciones que experimenta el anillo de la nicotinamida en el transcurso de una reacción redox. El caso particular representado corresponde a la oxidación de un alcohol primario, R-CH2-OH, a aldheído, R-COH. El centro reactivo del NAD+ es un anillo de nicotinamida. Este centro
reactivo se reduce incorporando en su núcleo dos electrones, los que son aportados por el sustrato que se oxida, en forma de ion hidruro (H-). Recordamos que el ion hidruro contiene un protón y dos electrones y por lo tanto tiene carga negativa.
La forma oxidada de la coenzima tiene una carga positiva, al incorporar en su estructura los equivalentes de reducción en forma de ión hidruro, la molécula queda eléctricamente neutra.
Nucleótidos de flavina: Flavina mono nucleótido (FMN) y Flavina adenina dinucleótido (FAD). Están unidos covalentemente a la enzima. Los nucleótidos de flavina oxidados pueden aceptar uno ó dos electrones cuando estan oxidados y ceder uno ó dos electrones cuando están reducidos. El potencial de reducción estándar de un nucleótido de flavina depende de la proteína con la que esté asociado
Deshidrogenasas y oxidasas flavin dependientes
Enzima Coenzima
Succinato DH FAD
Dihidroxilipoil DH FAD
Acetil CoA DH FAD
Xantin oxidasa FAD
D-amino-acido oxidasa FAD
Aldehido oxidasa FAD
COENZIMA Q (CoQ) : También llamada ubiquinona, es una quinona con una larga cadena isoprenoide. Las características hidrofóbicas de esta molécula determinan su alta movilidad dentro de la membrana mitocondrial. Los grupos carbonilo que están presentes en la forma oxidada de la molécula se reducen aceptando cada uno de ellos un electrón y un protón, de modo que cada una de las dos funciones cetona se transforman en función alcohol. La forma reducida de la molécula se denomina ubiquinol.
PROTEINAS con Fe Y AZUFRE: Otras proteínas participan en el transporte de electrones en el complejo NADH DH y entre los citocromos. Son proteínas con hierro (hierro no heminico) y S. Algunas de estas estructuras se muestran en la siguiente figura, donde los grupos R unidos a las cisteinas representan el resto de las cadenas polipeptídicas. Los átomos de Fe, que se unen a los grupos sulfhidrilo de cisteinas de las proteínas, participan en la transferencia de electrones pasando del estado ferrico al estado ferroso y viceversa:
CITOCROMOS:
Son proteínas que poseen la característica de absorber determiando longitud de onda de la luz visible debido a que contienen un hemo como grupo prostético. Las mitocondrias contiene 3 clases de citocromos: a, b y c.
EI grupo hemo del citocromo b es del tipo que se encuentra en la hemoglobina y en la mioglobina. EI grupo hemo del citocromo a difiere del grupo hemo del citocromo b en las cadenas laterales unidas a los C2 y C8: en el C2 presenta una cadena isoprenoide y en C8 un grupo formilo, en lugar del grupo vinilo y del grupo metilo que presenta el hemo del citocromo c en los C 2 y 8 respectivamente. Ambos grupos hemo están unidos fuertemente pero de manera no covalente a la proteína.
En el grupo hemo del citocromo c al C2 y al C4 se unen grupos tiometilos, en vez de los grupos vinilo que posee el citocromo b. Los grupos hemo de los citocromos del tipo c están unidos covalentemente a la proteína a través de residuos de cisteína.
Como ocurre con las flavoproteinas, el potencial de reducción estándar del Fe en el hemo de un citocromo depende en gran medida del entorno proteico, esto determina que si bien la especie que se oxida y reduce reversiblemente en todos los citocromos es la misma (el Fe 2+/Fe 3+), el potencial de reducción es diferente para cada uno de ellos, aún cuando contengan el mismo tipo de grupo hemo.
El citocromo C es una proteína soluble de bajo peso molecular y muy conservada en los seres vivos. Se comporta como una molécula móvil que conecta los componentes III y IV de la cadena respiratoria.
Flujo de electrones a través de los transportadores
Observando los valores de los potenciales de reducción de los distintos transportadores de electrones (Tabla 1) se deduce que en la cadena respiratoria los electrones fluyen en el mismo sentido que se incrementan los potenciales de reducción de los diferentes transportadores: desde los componentes de menor potencial de reducción hacia los de mayor potencial de reducción. Por lo tanto, la trayectoria que siguen los electrones desde las coenzimas reducidas hasta llegar al 02 está determinada por los potenciales de reducción de los
distintos transportadores más que por un ordenamiento espacial de los mismos. Obviamente estos tienen que estar dispuestos de manera que los electrones puedan ser transferidos en el orden indicado por los potenciales de reducción.
AI fluir los electrones a través de los transportadores desde el NADH hasta el 02 se producen descensos
bruscos de energía libre, que están señalados en la figura siguiente. Estos ocurren a nivel del complejo NADH-Coenzima Q reductasa, Coenzima Q- citocromo c reductasa y citocromo oxidasa. Simultáneamente a la transferencia de electrones a través de estos complejos, se produce un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, lo cual genera un gradiente electroquímico. La energía que genera la transferencia de electrones hacia el oxigeno es almacenada en el gradiente de protones que se forma simultáneamente.
COMPLEJO I ó NADH deshidrogenasa ó NADH:ubiquinona oxido reductasa:
Cataliza 2 procesos acoplados simultáneos
(1) la transferencia exergónicas de un ion hidruro desde el NADH y un protón desde la matriz a la ubiquinona (CoQ).
NADH + H+ + CoQ NAD+ + CoQH2
(2) La transferencia endergónica de 4 protones desde la matriz al espacio intermembrana cada 2 electrones transferidos.
El Complejo I actúa por lo tanto como una bomba de protones impulsada por la energía de la transferencia de electrones, moviendo los protones desde la matriz (que comienza a estar negativamente cargada) al espacio intermembrana (que comienza a estar positivamente cargado).
El dominio que contiene el FMN con el cual interacciona el NADH penetra en la matriz mitocondrial. La CoQ reacciona dentro del dominio de membrana. Los centros hierro- azufre están en el dominio de unión al NADH en un dominio conector cercano al segmento de membrana.Las reacciones redox que ocurren son:
NADH + H+ + FMN Æ NAD+ + FMNH2
FMNH2 + (Fe-S)ox Æ FMNH· + (Fe-S)red + H+
Después, el FMNH es reoxidado por transferencia de electrones con el siguiente centro hierro–azufre:
FMNH· + (Fe-S)ox Æ FMN + (Fe-S)red + H+
Los electrones pasan a través de una serie de centros Fe-S dentro del complejo I hasta que son transferidos a la CoQ, la cual acepta 2 electrones y toma 2 H+ para dar la CoQ reducida: QH2.
COMPLEJO II ó Succinato – Co Q deshidrogenasa: pertenece al ciclo de Krebs. El aceptor inicial de electrones es el FAD, el cual es reducido a FADH2 durante la oxidación del succinato a fumarato. El FADH2 es luego reoxidado por transferencia de electrones a través de una serie de 3 centros Fe-S a la CoQ, generando CoQH2 : FAD Æ
FeScentro 1 Æ FeScentro 2 Æ FeScentro 3 Æ CoQ
IMPORTANTE: Otros sustratos de las deshidrogenadas mitocondriales también pasan electrones a la cadena respiratoria a nivel de la ubiquinona (CoQ), pero no a través del Complejo II.
Estos son:
a) El primer paso en la beta-oxidación de los ácidos grasos (Acil CoA ) por la flavo proteína Acil CoA deshidrogenasa es la transferencia de electrones desde el sustrato a FAD de la enzima. A continuación, los electrones son cedidos a la proteína transferidora de electrones (ETFP) quien a su vez pasa los electrones a la ETFP-Ubiquinona óxido reductasa
Esta reductasa es una proteína Fe- S que también tiene unido un nucleótido de flavina y pasa los electrones a la cadena respiratoria al reducir al CoQ
b) El glicerol que viene de la degradación de los triglicéridos, se convierte por fosforilación en dihidroxiacetona fosfato (DHAP) por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa, enzima localizada en la cara externa de la membrana mitocondrial interna, que reduce a la CoQ (lanzadera del glicerol fosfato)
COMPLEJO III ó Ubiquinona-cit c oxido reductasa: acepta electrones de la CoQH2 que se generó por la
transferencia de electrones en los complejos I y II. Dentro de su compleja estructura, los electrones son transferidos por los citocromos b y por el Fe3+ de proteinas férricas no hémicas. Finalmente el
Complejo III acopla la transferencia de electrones de QH2 al citocromo c con el transporte de cuatro protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Así, se puede plantear la siguiente ecuación:
QH2 + 2 cit c (oxidados) + 2 H+ --Æ Q + 2 cit c (reducidos) + 4 H+
El grupo prostético del complejo III es el cit c1, el cual reduce al citcromo c que es el donor de electrones al complejo IV.
COMPLEJO IV ó citocromo oxidasa: acepta los electrones del cit c y los transfiere al oxigeno para realizar la siguiente reacción irreversible:
O2 + H+ + 4 e -------- 2 H2O
El complejo citocromo oxidasa contiene hemo a, hemo a3, CuA (que consiste en 2 átomos de Cu
adyacentes) y CuB. El O2 reacciona en un centro binuclear que consiste en hemo a3 y CuB. Por cada
dos electrones que pasan a través del complejo IV se transfieren 2 H+ hacia el espacio intermembrana
La energía de la transferencia de electrones es conservada como un gradiente de protones (energía potencial)
La reacción neta de transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria es altmente exergónica (∆G < 0).
La finalidad del transporte de electrones a través de la cadena no es solamente reoxidar las coenzimas reducidas (NADH ó FADH2), sino también generar ATP a partir de ADP + Pi. La energía liberada en la transferencia de
electrones entre determinados componentes de la cadena es utilizada para la síntesis de ATP. En el esquema están indicados los sitios de la cadena donde se libera energía suficiente para la síntesis de ATP.
Etapas de la transferencia de electrones que permiten la formación de ATP
Tabla 1: Potenciales de oxido-reducción estandar de algunos pares redox conjugados (A pH 7 y a 25°C)
Ecuación del electrodo EO' (V)
2 H+ + 2 e ----------- H2
NAD+ + 2 H+ + 2 e----- NADH + H+ Piruvato + 2 H+ + 2 e----- Lactato Oxaloacetato + 2 H+ +2 e-- malato Fumarato + 2 H+
+2 e----- Succinato Ubiquinona + 2 H+ + 2 e--- ubiquinol
2 citocromo b (Ox.) + 2 e -- 2 cit b (red.)
2 citocromo c (Ox.) + 2 e --- 2 cit c
(red.)
2 citocromo a3 (ox.) + 2 e --- 2 cit3 (red.)
½ O2 + 2 H+ + 2 e------- H2O
- 0.421
- 0.320
- 0.185
- 0.166
- 0.031
+ 0.100
La cadena de transporte de electrones puede ser inhibida en sitios específicos
Una serie de compuestos químicos tienen efectos tóxicos debido a que inhiben en sitios específicos, el transporte de electrones de la cadena respiratoria. Como puede observarse en la figura presentada a continuación, la rotenona (insecticida) y el amital (un barbiturato) inhiben a nivel de la NADH deshidrogenasa. Por lo tanto los electrones o equivalentes de reducción derivados de la deshidrogenasa unida al NAD no son oxidados por la cadena de transporte de electrones en presencia de rotenona, mientras que los derivados de las deshidrogenasas unidas al FAD son libremente oxidados.
El antibiótico antimicina A inhibe la transferencia de electrones a nivel de citocromo b, mientras que el paso terminal catalizado por la citocromo c oxidasa es inhibido por cianuro, azida o monóxido de carbono. El
cianuro y la azida se combinan con el Fe3+ del hemo en los citocromos a y a3 e impiden su reducción por los
electrones que derivan del citocromo c reducido. El monóxido de carbono se une al Fe2+ de citocromo oxidasa. Por lo tanto la inhibición del transporte de electrones mitocondrial resulta en una alteración de la funciónnormal generadora de energía y lleva a la muerte del organismo.
FOSFORILACION OXIDATIVA: SINTESIS DE ATP ASOCIADA AL FLUJO DE ELECTRONES EN LA CADENA RESPIRATORIA.
Hasta ahora vimos cómo se realizaba el flujo de electrones a través de los componentes de la cadena respiratoria. La pregunta que se plantea ahora es: de qué modo este flujo de electrones a través de la cadena respiratoria conduce la energía hacia la síntesis de ATP? Es decir, cual es el mecanismo por el cual la energía liberada en una reacción exergónica (oxidación de NADH y reducción de O2) se canaliza hacia (o bien se acopla con) una
reacción endergónica (condensación de ADP y Pi).
Acoplamiento Quimiosmótico
Volvamos ahora a la búsqueda de una teoría que permita responder ¿De qué manera la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria coopera con la ATP-Sintetasa para producir la fosforilación de ADP produciendo ATP?
Se plantearon varias hipótesis para contestar este interrogante. Entre ellas, por analogía con los mecanismos de “fosforilación a nivel de sustrato”, que vieron en la glucólisis, se postuló la existencia de un intermediario químico de alta energía. En la vía glucolítica, por ejemplo, el gliceraldehído 3-fosfato se oxida y se convierte en 1,3 difosfoglicerato, un compuesto con un grupo de alta energía en el sitio de oxidación. Cuando este compuesto transfiere el Pi activado al ADP, se produce la síntesis de ATP.
Esta idea dio origen a la llamada teoría de acoplamiento químico, según la cual, a partir de la energía liberada en la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria, se produce algún intermediario químico de alta energía. La energía de este posible intermediario podría ser utilizada para la síntesis de ATP. A pesar de los múltiples esfuerzos invertidos en la búsqueda de este posible intermediario químico, no se pudo identificar ningún compuesto capaz de cumplir con esta función.
Durante la década del 60, Peter Mitchell, postuló una hipótesis alternativa que permite explicar los resultados experimentales, y aún hoy, luego de más de cuatro décadas de exhaustiva experimentación con técnicas cada vez más sofisticadas, es la teoría más ampliamente aceptada. Según la teoría de Mitchell, también llamada teoria quimiosmotica, la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria es acompañada por el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. Este mecanismo tiene como consecuencia la generación de una diferencia en la concentración de protones a través de la membrana, es decir un gradiente de pH (∆pH). Según la teoría quimiosmótica, esta energía del gradiente electroquímico se utiliza para la síntesis de ATP catalizada por F1 cuando los protones retornan pasivamente a la matriz
mitocondrial a través del poro de protones del componente Fo de la ATPsintasa.
En estas condiciones, el medio presente en la matriz mitocondrial se alcaliniza (se hace menos ácida) respecto al medio presente en espacio intermembrana, ambos separados por la membrana mitocondrial interna. Dado que el protón es una especie química con carga eléctrica, se genera en realidad, un gradiente electroquímico (o sea de concentración y de carga). La energía electroquímica inherente a esta diferencia en la concentración de protones y a la separación de cargas, se denomina fuerza protón- motriz y representa la conservación parcial de la energía de oxidación de los combustibles.
La ATP-Sintasa es un complejo enzimático localizado en la membrana mitocondrial interna, que está formado por dos componentes principales llamados fracción F1 y fracción Fo (atención aquí el subíndice se refiere a
que es el componente sensible a oligomicina de la enzima y por lo tanto es la letra o y no el número 0 (cero)).
El componente F1 proyecta hacia la matriz mitocondrial y el Fo forma un poro o canal través de la membrana
mitocondrial interna. La porción F1 purificada y aislada no sólo no cataliza la síntesis de ATP, sino que también
cataliza la reacción inversa, es decir la hidrólisis del ATP formando ADP + Pi, por lo que originalmente se la denominó F1-ATPasa.
F1 está constituida por seis subunidades (tres pares de subunidades α y β) que tiene varios sitios de unión de ADP
y ATP y que forman como “una cabeza” apoyada sobre un tallo constituido por las subunidades δ (delta), γ (gama), y ξ (épsilon). Este complejo proteico está ubicado en la periferia de la membrana y se mantiene unida a ésta mediante su interacción con la porción Fo de la enzima. Fo es, a su vez, un complejo proteico integral de
membrana formado por cuatro o más subunidades diferentes que conforman un canal transmembrana a través del cual pueden pasar los protones. El complejo completo F1 Fo, al igual que F1 aislada, puede catalizar la hidrólisis
de ATP, pero su función biológica es la reacción inversa, es decir la condensación de ADP y Pi, para formar ATP. Por lo tanto el complejo F1 Fo se denomina correctamente ATP-Sintasa.
Cómo se logra la síntesis de ATP? Paul Boyer propuso el mecanismo de catalisis rotacional. Como mencionamos en párrafos anteriores la parte principal del complejo F1 está formado por los tres dimeros αβ, esta
unidad tiene forma de hexamero. La actividad catalitítica de este hexamero está localizada en las subunidades β. Las subunidades γ y ε están unidas al anillo c, y giran con él. Cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidads β del los dímeros αβ, provocando la alteración de los centros de fijación de los nuceótidos situado en β. Así, los centros de fijación de nucleótidos van alternando entre tres estados: Estado O = estado abierto, L = unión libre y T= unión tensa (en inglés, tight)
Aunque la composición de aminoácidos de las tres subunidades β es idéntica, sus conformaciones difieren en parte por la asociación a la subunidad γ. Los dímeros αβ son asimétricos, cada uno de ellos presenta una conformación diferente en cada estado. Las tres subunidades β interaccionan de tal modo que, cuando una adopta la conformación O, otra ha de adoptar la conformación L y la del otro una conformación T. La conformación T posee mayor afinidad para ATP que para ADP + Pi y disminuye con ello la
constante de velocidad de la reacción en valores cercano a uno; es decir, substrato y producto se encuentran en condiciones estándar, cerca de la equimolaridad.
H+N: H+ en la matriz mitocondrial (negativamente cargada) H+P: H+ en el espacio intermembrana (positivamente
cargado)
La síntesis de ATP se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi. El siguiente estado es la conformación T que sigue la condensación del ADP y Pi a ATP con la formación de un enlace fosfodiéster. Finalmente, el estado O deja libre el producto ATP, y vuelve nuevamente al estado L iniciando nuevamente la siguiente ronda de síntesis. Por lo tanto, una rotación completa de la subunidad γ provoca que cada subunidad β se cicle a través de sus tres conformaciones posibles y en cada rotación se sintetizan y se liberan de la superficie del enzima tres moléculas de ATP. La interconverción conducida por protones, direccional y cíclica, de los estados O, L y T, permite una producción continua. Este mecanismo se conoce como mecanismo de cambio de la fijación.3
El paso dependiente de energía no es la síntesis de ATP sino su liberación de un lugar de unión compacta. Esta liberación se produce por la rotación de γ que requiere energía, que impulsa los cambios conformacionales de los dímeros αβ. Está liberación se produce simultáneamente con la unión del ADP y el Pi, que se habían unido previamente, se unen a un lugar T para experimentar una conversación espontánea a ATP, mientras que el lugar O, del que se liberó el ATP, une otro ADP y Pi para empezar de nuevo el proceso
Inhibidores y desacoplantes de la Fosforilación oxidativa:
Como ya mencionamos, la teoría quimiosmótica permite explicar la dependencia de la transferencia de electrones con la síntesis mitocondrial de ATP. Cuando la síntesis de ATP se bloquea, por ejemplo en presencia de oligomicina, los protones no pueden fluir hacia la matriz a través del complejo F1Fo (que está bloqueado por
la oligomicina). Por lo tanto, sin la posibilidad del retorno de protones hacia la matriz mitocondrial y a medida que continúa el bombeo de protones por la actividad de la cadena de transporte de electrones, el gradiente no sólo no se disipa sino que se va incrementando hasta que la energía que se necesita (cada vez mayor) para bombear un protón hacia afuera en contra de su gradiente, iguala o supera la energía que se obtiene en el transporte de electrones. En esa situación, se interrumpe la transferencia de electrones, la energía libre del proceso
completo del flujo de electrones y el bombeo de protones se hace igual a cero y por lo tanto se alcanza el estado de equilibrio.
Esta teoría también permite explicar el mecanismo de acción de los desacoplantes químicos. Como ya dijimos, algunos de estos desacoplantes son ácidos débiles hidrofóbicos que pueden difundir fácilmente a través de la membrana mitocondrial. Luego de entrar a la matriz mitocondrial en estado no disociado, pueden disociarse, liberar protones y con ello, disipar el gradiente de pH. Dado que se produce un “cortocircuito”, los protones no atraviesan la ATP-Sintetasa y por lo tanto no hay síntesis de ATP. Los ionóforos, como ya dijimos, interaccionan con iones inorgánicos rodeándolos de un medio hidrofóbico y los complejos formados atraviesan fácilmente la membrana mitocondrial interna. Por ejemplo, la valinomicina forma un complejo lipídico con iones
K+, que atraviesa la membrana mitocondrial. La entrada de cargas positivas neutraliza el exceso de cargas negativas dentro de la matriz, disipa el gradiente eléctrico (aunque no el químico) y por lo tanto, disminuye la fuerza protón-motriz. Por lo tanto, la valinomicina disminuye significativamente la síntesis de ATP sin bloquear la transferencia de electrones al O2.
Mecanismos de Transporte Activo en la Membrana Mitocondrial Interna
El rol primario de la transferencia de electrones es proveer energía para la síntesis de ATP, sin embargo, esta energía también se utiliza en otros procesos esenciales para la fosforilación oxidativa. La membrana mitocondrial interna es impermeable a especies cargadas pero contiene dos sistemas específicos para el transporte de ADP y Pi hacia la matriz mitocondrial y de ATP hacia el citosol. La translocasa de nucleótidos de adenina
se extiende a través de la membrana mitocondrial interna, une ADP3- del lado citosólico, lo transporta hacia el
interior de la matriz, intercambiándolo simultáneamente por ATP4- que se transporta hacia el citosol.
Como este mecanismo de contra-transporte, mueve cuatro cargas negativas hacia afuera y tres hacia adentro (es decir el balance es la salida de una carga negativa neta), su acción se favorece por el gradiente electroquímico (que tiene más cargas negativas adentro que afuera). Por lo tanto, la fuerza protón-motriz favorece el intercambio de ATP/ADP a nivel mitocondrial. Existe un inhibidor específico de este transportador, el atractilósido, un glicósido altamente tóxico. La toxicidad de este compuesto reside, precisamente, en su capacidad de inhibir la llegada del ATP al citosol y por ello la inhibición de los procesos citosólicos que requieren ATP.
El otro sistema de transporte esencial en la fosforilación oxidativa es la translocasa de fosfatos, que transporta conjuntamente H2PO- y H+ a través de un mecanismo de cotransporte que también está favorecido por el gradiente de protones. Rendimiento del acoplamiento entre la cadena respiratoria y açla fosforilación oxidativa
Esta teoría predice, entonces, la existencia de un gradiente de pH transmembrana. Esto se puede comprobar experimentalmente. Cuando se agrega un sustrato oxidable (succinato, por ejemplo) y O2 a una suspensión
de mitocondrias aisladas, se puede detectar la acidificación del medio. Las determinaciones estequiométricas indican que cuando se transfiere un par de electrones a partir del NADH a través del complejo I se translocan 4 H+ y los complejos III y IV translocan 6 H+ entre ambos. Además, se ha detectado que por cada ATP sintetizado se toman 3 ó 4 H+ del espacio intermembrana que son utilizados para transportar ADP, ATP y Pi a través de la embrana mitocondrial interna. Cuando se calcula la relación P/O no da un número exacto y actualmente se considera que el rendimiento de la cadena respiratoria acoplada a la fosforilación oxidativa es de 2,5 cuando se oxida un NADH (10/6)y de 1,5 cuando se oxida un FADH2 (6/4).
Regulación de la Fosforilación Oxidativa
La velocidad de la respiración celular está sujeta a diversos mecanismos de control y generalmente está limitada por la disponibilidad de ADP como sustrato para la fosforilación. En ausencia de ADP, el consumo de O2 es muy bajo y se incrementa luego de su agregado. Se denomina “control por aceptor” a la dependencia de la respiración con la concentración de ADP. En algunos tejidos el ADP puede aumentar hasta 10 veces el consumo de O2. La concentración intracelular de ADP es una medida del estado energético celular. También puede utilizarse
como índice, la relación: [ATP]/[ADP] x [Pi].
Este cociente es normalmente muy alto porque predomina el compuesto más fosforilado. Cuando aumenta la velocidad de algunos procesos que requieren energía (por ejemplo la síntesis de proteínas) aumenta la velocidad de hidrólisis de ATP y por lo tanto el cociente de las concentraciones disminuye. Cuanto mayor es la disponibilidad de ADP para la fosforilación oxidativa, la velocidad de la respiración aumenta, causando la regeneración de ATP. Este proceso continúa hasta que el cociente de concentraciones alcanza los niveles normales altos y entonces la respiración celular se hace más lenta. La velocidad de la oxidación de los distintos combustibles celulares está regulada con tal sensibilidad y precisión que el cociente ATP/ADP x Pi fluctúa muy ligeramente aún frente a variaciones extremas de demanda energética. Es decir, el ATP se genera prácticamente, a la misma velocidad que se utiliza en los procesos celulares que lo requieren.
Quilomicrones Intestino delgado Absorción de la grasa de la dieta Residuos de quilomicrones Plasma Liberación de la grasa de la dieta en hígado. VLDL Hígado Transporte de los triglicéridos desde el hígado hacia otros tejidos. IDL Plasma Primer producto formado por el cata- bolismo de las VLDL. LDL Plasma Transporte de los ésteres del coleste- rol. HDL Hígado, intestino Eliminación del exceso de colesterol de los tejidos y de las lipoproteínas; restructuración de las lipoproteínas.
METABOLISMO DE LIPIDOS
Al menos en el hombre, entre el 95 y el 98 % del total de los ácidos grasos presentes en el plasma sanguíneo está contenido en los ésteres de ácidos grasos como los triglicéridos, los fosfolípidos y los ésteres del colesterol. Estos esteres de ácidos grasos se encuentran principalmente en forma de lipoproteínas plasmáticas. El resto, una pequeña porción de entre 2 y 5 %, se halla en forma no esterificada y está unido a un complejo albuminoide del plasma.
Las lipoproteínas realizan tres funciones principales: a) transportar las grasas de la dieta desde la mucosa intestinal, donde son absorbidas, hacia los tejidos del organismo animal; esta función la desempeñan los quilomicrones y los residuos de quilomicrones. b) transportar los triglicéridos desde el hígado hacia el resto de los tejidos del cuerpo, para almacenarse o ser oxidados para obtener energía. Las responsables de esta acción son las lipoproteínas de muy baja densidad (very low density lipoproteins), también conocidas como VLDL (por sus siglas en inglés). Una vez que las VLDL liberan los triglicéridos en los tejidos, los restantes constituyentes son devueltos al hígado en la forma de lipoproteínas de densidad intermedia (intermediate density lipoproteins), o IDL y también como lipoproteínas de baja densidad (low density lipoproteins), o LDL. c) actuar como mediador en el transporte inverso del colesterol; esta tarea recae en las lipoproteínas de alta
densidad (high density lipoproteins), o HDL, y en las LDL, que devuelven al hígado el exceso de colesterol formado en los tejidos extrahepaticos. El cuadro 1, muestra la localización en donde tienen origen cada una de las lipoproteínas.
Los lípidos sanguíneos se transportan como lipoproteínas, que varían desde densidades muy bajas (VLDL), tales como quilomicrones hasta las de muy alta densidad (HDL). La densidad aumenta a medida que la proporción de proteínas en el complejo aumenta y a medida que los lípidos disminuyen. Los ácidos grasos libres (AGL), se transportan como un complejo con la albúmina.
CUADRO 1. TEJIDO DE ORIGEN Y FUNCION DE LAS LIPOPROTEÍNAS PLASMÁTICAS.
TIPO ORIGEN FUNCION FISIOLÓGICA
Fuente: Montgomery et al. Bioquímica. Casos y Texto. 1993.
El cuadro 2: COMPOSICION EN LÍPIDOS Y PROTEINAS DE LAS LIPOPROTEÍNAS PLASMÁTICAS EN EL HOMBRE.
Composición media %
COMPONENTE QUILOMICRONES VLDL IDL LDL HDL
Proteínas 2 9 21 21 50
Triglicéridos 84 54 19 11 4 Colesterol 2 7 8 8 2 Esteres del colesterol 5 12 27 37 20 Fosfolípidos 7 18 25 22 24
SINTESIS DE ACIDOS GRASOS.
El hígado, el tejido adiposo y la glándula mamaria son los tres sitios principales donde se lleva a cabo la biosíntesis de los ácidos grasos y los triglicéridos. El hígado es el órgano central para la interconversión y su metabolismo. La síntesis de ácidos grasos en el hígado, en el tejido adiposo y la glándula mamaria siguen vías parecidas; sin embargo, la actividad que cada una de ellas desarrolla varía de acuerdo con la especie animal. En las aves de corral (pollo para engorda y gallina de postura), el hígado es el órgano más activo; en el cerdo, el tejido adiposo muestra mayor actividad y, en los rumiantes, tanto el hígado, como el tejido adiposo y la glándula mamaria (en lactación) muestran la misma actividad.
Por otro lado, para los no rumiantes, el sustrato principal para la síntesis de ácidos grasos es la glucosa y, para los rumiantes (en general) el sustrato principal es el ácido acético proveniente de la actividad bacteriana en el rumen. En ambos casos, el exceso de estos sustratos son los que promueven a la síntesis de los ácidos grasos.
La síntesis de ácidos grasos se lleva a cabo en el citosol de las células activas y el producto activo para la síntesis es el acetil CoA proveniente de la glucosa vía glucólisis. A esta ruta también se le conoce como “síntesis de
novo” o síntesis completa. El acetil CoA se sintetiza en el interior de las mitocondrias pero no puede salir hacia el citosol, por lo que se condensa con el oxalacetato que se difunde hacia el citosol.
En el citosol, el acetil CoA tiene dos funciones importantes: es el iniciador de la síntesis de novo y, es la base para la elaboración de las unidades de malonil CoA. Malonil CoA es el donador de unidades carbonadas con las cuales crece el ácido graso en síntesis. Ambos productos entran en la ruta de la sintetasa de los ácidos grasos.
La síntesis de un ácido graso se inicia por el extremo del carbono metileno (CH3) y termina en el extremo del carbono
carboxílico (COOH).
Síntesis del malonil CoA
En la síntesis de ácidos grasos, el malonil CoA es sintetizado a partir de la carboxilación del acetil CoA. Esta reacción es mediada por un complejo enzimático, la acetil CoA carboxilasa, que contiene biotina. En esta reacción de carboxilación, actúa como intermediario el CO2 ligado covalentemente a la biotina unida a la enzima,
formando un complejo llamado carboxibiotina. La reacción de carboxilación del acetil CoA a malonil CoA, es lo que regula la velocidad de la síntesis de los ácidos grasos.
Acetil~SCoA + CO2 + ATP Malonil~SCoA + ADP + Pi
Acetil~CoA carboxilasa
La síntesis de ácidos grasos tiene lugar en un complejo formado por siete enzimas independientes y una proteína transportadora que sujeta a la cadena acílica en crecimiento; a este complejo se le denomina ácido graso
sintetasa. Es posible separar a este complejo enzimatico (de origen animal) en dos subunidades grandes aparentemente idénticas, las cuales están firmemente acopladas y actúan coordinadamente. Una subunidad contiene un grupo 4´-fosfopanteteína (que se conocerá posteriormente como PPant-SH, para fines didácticos), que proporciona un grupo sulfhidrilo al que se fija la cadena del ácido graso en crecimiento. El grupo 4´-fosfopanteteína es también el grupo funcional de la CoASH. La otra subunidad es el grupo cisteinil sulfhidrilo de la β-ceto sintetasa, conocida también como enzima condensadora (que se conocerá posteriormente como Cys-SH, para fines didácticos). Según este modelo, la cadena acil grasa (el ácido graso en crecimiento) va y viene entre el grupo PPant-SH y el grupo Cys-SH durante el proceso de síntesis.
Inicialmente, el grupo acetil del acetil CoA es transferido al grupo sulfhidrilo de PPant-SH. Esta reacción está catalizada por la acetil CoA-transacilasa:
Acetil~SCoA + PPant-SH Acetil~S-PPant + CoASH
A continuación, el grupo acetil, unido originalmente al grupo PPant, es transferido a un grupo cisteinil sulfhidrilo de la β-ceto sintetasa presente en la otra subunidad del complejo enzimático.
Acetil~S-PPant + Cys-SH Acetil~S-Cys + PPant-SH
Así, se libera el grupo sulfhidrilo de PPant para aceptar al siguiente grupo que llega, un grupo malonil de la malonil CoA. La transferencia del malonil está catalizada por la malonil CoA aciltransferasa.
Malonil~SCoA + PPant-SH Malonil~S-PPant + CoASH
Enseguida, el residuo acetil es transferido de su sitio provisional en el grupo cisteinil sulfhidrilo de la segunda subunidad para que se condense con el residuo malonil ligado a PPant de la primera subunidad. En esta reacción, un grupo carboxilo se libera del malonato en forma de CO2, de manera que el producto resultante de
esta condensación contiene cuatro átomos de carbono, en vez de cinco.
Acetil~S-Cys + Malonil~S-PPant Acetoacetil~S-PPant + Cys-SH + CO2
La condensación de los grupos acetil y malonil está catalizada por la β-ceto sintetasa. El proceso que impulsa dicha reacción es la descarboxilación del malonato. El producto de estas reacciones, el acetoacetil~S-PPant, es reducido a butiril~S-PPant por las restantes enzimas del complejo de la ácido graso sintetasa (la β-cetoacil reductasa, la enoil deshidratasa y la crotonil reductasa).
Tras esta serie de acontecimientos, se repite toda la secuencia, de tal manera que se van agregando pares de carbonos a la cadena arílica en crecimiento. En las reacciones anteriores, se formó el ácido butírico (un ácido graso de cuatro carbonos –C4-); la adición secuencial de pares de carbonos da lugar inmediatamente al ácido caproico (C6), después al ácido caprílico (C8), después al ácido cáprico (C10), y así sucesivamente hasta llegar a formar al ácido palmítico, un ácido graso de 16 carbonos.
La síntesis de un ácido graso por esta ruta llega a 16 carbonos todos saturados:
CH3-CH2-(CH2)12-CH2-COOH
Por lo anterior, la saturación de los carbonos de la cadena arílica se realiza tomando los hidrogeniones que aporta el NADPH que se genera por la vía de la pentosa fosfato, que es una de los principales generadores de este hidrógeno.
Los ácidos grasos generados por esta vía, no pueden vivir solos dentro del organismo, por lo que tienen que agruparse o condensarse. Para esto se lleva a cabo la síntesis de triacilglicéridos. Para esta síntesis se necesita de glicerol el cual proviene de la ruta de la glucólisis (a partir del glicerol 3P) al cual se le van adicionando por esterificación los ácidos grasos.
CATABOLISMO DE LIPIDOS
Digestión de triglicéridos Los TAG son la principal forma de reserva de lípidos en los animales y vegetales, y la oxidación de los ácidos grasos que los conforman permiten generar ATP. Su hidrólisis, catalizada por lipasas, rinde 3 ácidos grasos (AG) y glicerol, según la reacción general:
El glicerol se metaboliza como una triosa por Vía glicolítica, previa transformación en dihidrixicetona 3P (D3P). Los ácidos grasos son degradados por β oxidación. En una célula animal, las etapas previas a este proceso son la activación del ácido graso y su pasaje a la matriz mitocondrial.
Para ser oxidados los AG se deben activar y en eucariotas pasar del citosol a la mitocondria . En la reacción de activación de los AG, que se resume abajo, se consumen dos enlaces de alta energía: un ATP rinde AMP + 2Pi
En particular, hay al menos cuatro acil CoA sintetasas independientes para los ácidos grasos que entran a β-oxidación: Una tioquinasa para ácidos grasos de cadena corta que activa al acetato y al propionato; una tioquinasa que activa ácidos grasos de cadena intermedia que contengan de 4 a 10 átomos de carbono; otra tioquinasa que activa a los ácidos grasos de cadena larga que contengan 12 ó más carbonos, y una tioquinasa específica para el ácido araquidónico (20:4ω-6). Las tioquinasas para los ácidos grasos de cadena corta e intermedia se encuentran en el interior de las mitocondrias, mientras que las enzimas que activan a los ácidos grasos de cadena larga y al ácido araquidónico se hallan en el retículo endoplásmico.
Para el caso de los ácidos grasos de cadena larga que van a degradarse por β- oxidación (como el ácido palmítico, que es el más común), una vez activado, no puede atravesar la membrana mitocondrial interna para llegar al lugar de la β- oxidación, por lo que para cruzarla el grupo acil de la CoASH se tiene que transesterificar a carnitina. Esta reacción es catalizada por la enzima carnitina aciltransferasa. Esta enzima existe en dos formas: a) la carnitina aciltransferasa I (CAT I), que se encuentra en la superficie externa de la membrana mitocondrial interna; b) una segunda forma de la enzima, la carnitina aciltransferasa II (CAT II), se encuentra en la superficie matricial de la membrana mitocondrial interna.
Una vez dentro de la mitocondria el ácido graso, se producen cuatro reacciones consecutivas: el primer paso es una deshidrogenación u oxidación, que requiere la presencia del dinucleótido de flavina adenina (FAD), y se forma un producto intermedio de acil CoA insaturado trans. FADH2 es transportado hacia la cadena respiratoria para su
oxidación. La enzima que realiza esta reacción es la acil CoA deshidrogenasa.
La segunda reacción es una hidratación del enlace insaturado, dando lugar a un L- β-hidroxiacil CoA, donde la enzima participante es la enoilhidratasa.
La tercera reacción es otra deshidrogenación u o x i d a c i ó n que necesita de la presencia del dinucleótido de niacina adenina (NAD), que posteriormente es oxidado en la cadena respiratoria para su recuperación. La enzima que cataliza esta reacción es la L-β-Hidroxiacil deshidrogenasa:
La cuarta y última reacción consiste en una escisión (corte) tiolítica y da lugar a un mol de acetil CoA y a un acil CoA que es un par de carbonos más corto que el ácido graso original que entró a β-oxidación.
El acil CoA generado vuelve a entrar a β-oxidación y el proceso se repite hasta que toda la cadena es degradada a acetil CoA.
El FADH2 generado en el primer paso se oxida en la cadena respiratoria, produciendo 1,5 ATP, lo mismo que
el NADH + H formado en el tercer paso se oxida igualmente en cadena respiratoria generando 2,5 ATP. Cada mol de acetil CoA generado por esta ruta se dirige hacia el ciclo de Krebs proporciona a la célula 10
ATP. En resumen, si un mol de ácido palmítico entrara a la ruta de la β-oxidación generaría:
Activación del ácido graso:
Mg++
Palmitato + CoASH + ATP PalmitoilCoA + AMP + PPi - 2 ATP
FADH2 = 7 X 1,5 = 10,5 ATP NADH+H = 7 X 2,5 =
Acetil CoA generados = 8 x10 =
17,5 ATP
80 ATP
Para activar al palmitato se utilizan dos enlaces de fosfato de alta energía, uno en la reacción de la acil CoA ligasa y otro cuando se hidroliza el pirofosfato formado en esa reacción. En el ciclo de la β-oxidación el palmitoil CoA es convertido en ocho unidades de acetil CoA; para ello, se necesitan siete β-oxidaciones y cada secuencia de β-oxidación requiere de un FAD y NAD que generan cinco ATP.
METABOLISMO DEL COLESTEROL
El colesterol tiene múltiples e importantes funciones. Por un lado, es componente de las membranas biológicas de las células eucariotas de las diversas especies animales. En los individuos adultos, más del 90% del colesterol del organismo se localiza en las membranas, mientras que sólo un 7% circula por el plasma. La función del mismo en estas localizaciones es la de regular su fluidez y su permeabilidad y, en consecuencia, su función. Esta regulación implica que el contenido en colesterol de las membranas modifica la actividad de enzimas ancladas en ellas, así como la de algunas proteínas transportadoras y de receptores de membrana.
Por otro lado, el colesterol es precursor de otras biomoléculas importantes como son los ácidos biliares (AB), las hormonas esteroideas y la vitamina D. Los AB se sintetizan en el hígado de manera continua, y se almacenan y concentran en la vesícula biliar hasta que se vierten al intestino. Las hormonas esteroideas (andrógenos, estrógenos, progestágenos, gluco y mineralcorticoides) se sintetizan en diversas glándulas y tienen funciones muy específicas, pero todas ellas tienen en común que derivan del colesterol, aunque algunas pueden sintetizarse a partir de acetil-CoA por rutas similares a la de la síntesis de colesterol. En cuanto a la vitamina D, el organismo humano es capaz de sintetizarla por irradiación solar (luz ultravioleta) sobre el 7-deshidrocolesterol (provitamina D3) presente en la epidermis.
Además, el colesterol es un importante protector cutáneo debido a que –junto con otras sustancias lipoides que, como él, también se depositan en grandes cantidades en la piel– impide la absorción de sustancias hidrosolubles a través de la piel, ya que es inerte frente a los ácidos y solventes, los cuales, de lo contrario, podrían penetrar fácilmente en el organismo. Además, estos lípidos también evitan la evaporación masiva de agua por la piel.
Por último, el colesterol es necesario para la síntesis y secreción de las lipoproteínas, ya que es uno de los componentes de las mismas. Debido a su carácter hidrofóbico, el transporte del colesterol y los triglicéridos en sangre se realiza mediante las lipoproteínas, que contienen colesterol en diferentes proporciones, como se detallará más adelante.
El colesterol del que dispone el organismo tiene dos orígenes: endógeno, procedente de la síntesis de novo, y exógeno, procedente de la dieta. Del mismo modo, el colesterol que se absorbe en el intestino puede proceder de tres fuentes: la dieta, la bilis y la descamación intestinal. El aporte de cada una de esas fuentes se puede observar en la Figura 1. Parte del colesterol de la dieta (10-15%) se encuentra esterificado con un ácido graso, y la enzima pancreática colesterol éster hidrolasa es la responsable de liberarlo en el intestino.
Para que el colesterol –que tiene una solubilidad mínima en agua– pueda ser absorbido, debe ser liberado de la emulsión formada por triglicéridos y fosfolípidos de la dieta mediante la digestión de éstos. De este modo, puede ser transportado hasta la membrana en cepillo del intestino en micelas formadas gracias a la presencia de AB y fosfolípidos(4). Estos AB y fosfolípidos son vertidos en forma de micelas desde el hígado por el tracto biliar hasta el duodeno, donde sirven de detergentes para la grasa contenida en la dieta (véase el apartado “Circulación enterohepática”). La tasa de absorción de colesterol, de gran variabilidad interindividual, se halla entre el 30% y el 70%. El mecanismo mediante el cual
el colesterol es captado por los enterocitos no es del todo conocido y está siendo investigado. Por el momento,
se postulan los siguientes mecanismos, para los que el colesterol ha de estar integrado en micelas mixtas
BIOSINTESIS DE COLESTEROL
La biosíntesis del colesterol es un proceso metabólico ampliamente estudiado que se resume en la Figura 2. La enzimalimitante de este proceso es la HMG-CoAR. Aunque casi todas las células son capaces de sintetizar colesterol, el hígado contribuye aproximadamente en un 40- 50% a la síntesis en todo el organismo en el caso de especies como la rata, el ratón y el mono. Sin embargo, su contribución en otras especies como el conejo, la cobaya y el hámster es inferior al 20%. La situación en los humanos es muy similar a la de estas últimas especies.
Como se describirá más adelante, además del colesterol sintetizado en el hepatocito, el hígado capta de forma eficiente el colesterol lipoproteico de origen dietético (transportado en QM) y de origen endógeno, proveniente de los órganos periféricos (p. ej., músculo y tejido adiposo), transportado en LDL y HDL. El colesterol no puede ser degradado por el organismo, por lo que los excedentes pueden ser destinados a la síntesis de hormonas esteroideas (andrógenos, estrógenos, progesterona, corticoides, etc.) o a la síntesis de AB para su posterior secreción biliar. También pueden ser secretados como colesterol libre hacia la bilis, junto a los AB y fosfolípidos. El hígado, por tanto, es un órgano clave en la regulación de las concentraciones de colesterol en el plasma.
El colesterol desde un punto de vista simplificado es un polímero de Acetil CoA, por tanto su síntesis de colesterol tendrá dos fases importantes:
1. Fase anaerobia. Polimerización anaerobia de Acetil CoA. Se llevará a cabo hasta llegar a una estructura de 30 carbonos: el escualeno.
2. Fase aerobia. Ciclación y transformación del escualeno en colesterol. Requiere oxígeno.
Fase anaerobia
La síntesis comienza en el citosol con Acetil CoA, que procede tanto de hidratos de carbono, como de lípidos y proteínas. El objetivo de esta fase es, partiendo de Acetil CoA, dar lugar a Escualeno
1. Se unen dos moléculas de Acetil CoA para dar lugar a Acetoacetil CoA, reacción que libera una molecula de coenzima A - CoASH. La enzima que cataliza esta reacción es la b-cetotiolasa.
2. Se incorpora al Acetoacetil CoA otra molécula de Acetil CoA para dar lugar a hidroximetilglutaril CoA, lo que libera una CoASH. La enzima encargada de la síntesis es la Beta hidroximetilglutaril coenzima A Sintasa HMG CoA-sintasa, que es la regulatoria del proceso de síntesis de colesterol. Hasta este paso la síntesis de colesterol coincide con la síntesis de cuerpos cetónicos, y se produce en el citosol (a diferencia de la síntesis de cuerpos cetónicos que era mitocondrial).
3. A la HMG CoA se le reduce su grupo carboxilo unido a la CoA, liberándose esta, y quedando reducido este grupo carboxilo a un grupo alcohol. El producto de esta reacción es el Mevalonato un impor tante intermediario de la síntesis de colesterol, y la enzima es la HMG CoA reductasa. Esto gasta 2 moléculas de poder reductor en forma de NADPH+H+.
4. Se activa el mevalonato mediante tres reacciones sucesivas de fosforilación, lo que gasta 3 ATP. Esta reacción da lugar a 3-fosfo-5-pirofosfomevalonato y transcurre gracias a quinasas sucesivas.
5. El 3-fosfo-5-pirofosfomevalonato se descarboxila perdiendo un fosfato para dar lugar al isopentenil-pirofosfato, lo cual es catalizado por la pirofosfomevalonato carboxilasa.
6. El isopentenil-pirofosfato se isomeriza gracias a una isomerasa específica para dar lugar al 3,3-Dimetilalil pirofosfato.
7. Una molécula de isopentenil-pirofosfato y 3,3-Dimetalil pirofosfato se combinan para dar una molécula de 10C llamado Geranil pirofosfato 8. Al Geranil pirofosfato se le une una molécula de isopentenil hasta dar lugar a Farnesil pirofosfato
9. El Farnesil pirofosfato se dimeriza hasta dar lugar al Escualeno.
El escualeno es una molécula abierta, cuyos enlaces simples tienen capacidad giratoria similar al colesterol, pero esta estructura se debe ciclar para dar lugar a la propia molécula de colesterol.
Fase aerobia
Tiene lugar en el retículo endoplásmico y requiere oxigeno para cerrar los ciclos del escualeno. Consiste en la formación del lanosterol, y posteriormente la transformación de este compuesto en colesterol.
Estas moléculas circulan unidas a una proteína transportadora ya que son enormemente insolubles. Una vez que formamos el colesterol, éste libre y en exceso es muy perjudicial para la célula, por lo que todo el colesterol que no se utiliza se esterifica con un ácido graso activado y la enzima esterificante se denomina ACAT (Acil CoA-Colesterol-Acil-Transferasa)
Regulación de la síntesis de colesterol
Es preciso que esté muy regulada ya que en exceso es muy perjudicial para el organismo − En arterias forma placas de ateroma
− En vesícula biliar precipita y forma cálculos biliares
− En membranas celulares altera los procesos de transporte al modificar su fluidez.
También existe una férrea regulación debido a que cada molécula de colesterol gasta una enorme cantidad de energía y poder reductor:
_ 18 Acetil CoA
_ 18 ATP (activar) + 18 ATP (lanzadera de citrato) = -36 ATP
_ 16 NADPH+H
También depende de la dieta: si el colesterol está en exceso, se producirá menos biosíntesis de éste, y al revés. Los diabéticos independientemente de la dieta, siempre tendrán el colesterol alto.
La enzima más importante a nivel regulador es la HMG CoA-reductasa: La insulina y las hormonas tiroideas aumentan la cantidad de esta enzima. Los corticoides y el glucagón disminuyen la cantidad de la enzima La disminución del colesterol de la dieta y el aumento de ácidos grasos saturados de la dieta aumentan la cantidad de la enzima. Los periodos de ayuno, el aumento de colesterol en la dieta, y la ingesta de ácidos grasos insaturados en la dieta disminuyen la cantidad de la enzima.
Degradación de colesterol
El colesterol apenas se transforma, y no se puede degradar hasta Acetil CoA. La única forma “eficaz” de perder colesterol es mediante sales biliares, por lo que éstos serán los productos que podemos considerar como degradación de colesterol.
Todos los días perdemos sales biliares que nos permiten deshacernos en cierta medida del exceso de colesterol. Los ácidos biliares se forman en el hígado a partir de colesterol. Una vez formados se activan y se unen a aminoácidos: glicina o taurina.
