Respiración tisular: características generales
Respiración tisular: conjunto de reacciones de oxidación de sustratos orgánicos en las cuales los átomos de hidrógeno se transfieren al oxígeno molecular con formación de agua y liberación de energía. Alrededor del 60% de esta energía se disipa en forma de calor y cerca del 40% se almacena en enlaces de alta energía de ATP durante la fosforilación oxidativa.
La eliminación de hidrógeno de los sustratos es llevada a cabo por enzimas deshidrogenasas, localizadas predominantemente en la matriz mitocondrial. Según el tipo de coenzima, se dividen en dos grupos:
- Deshidrogenasas dependientes de NAD: la coenzima NAD+ está unida débilmente a la proteína y se separa fácilmente en su forma reducida NADH (por ejemplo, durante la oxidación de malato a oxaloacetato, isocitrato, glutamato, piruvato);
- Deshidrogenasas dependientes de FAD: la coenzima FAD está unida covalentemente a la enzima, por lo que se requiere un segundo aceptor de hidrógeno: la ubiquinona (CoQ). Un ejemplo clásico es la succinato deshidrogenasa, que oxida el succinato a fumarato con formación de FADH₂.
Donantes primarios de hidrógeno: productos del catabolismo: piruvato, isocitrato, α-cetoglutarato, malato, glutamato para las enzimas dependientes de NAD; succinato y acil-CoA para las dependientes de FAD.
Cadena de transporte de electrones
La transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno es realizada por un sistema de transportadores integrados en la membrana mitocondrial interna que forman la cadena de transporte de electrones (CTE). Está compuesta por cinco complejos:
- Complejo I: NADH deshidrogenasa (NADH:ubiquinona oxidorreductasa);
- Complejo II: succinato deshidrogenasa;
- Complejo III: CoQH₂ deshidrogenasa (citocromo bc₁);
- Complejo IV: citocromo c oxidasa;
- Complejo V: ATP sintasa.
Los componentes se disponen en orden creciente de potencial redox, desde uno bajo en el NADH hasta uno alto (aproximadamente +0,8 V) en el oxígeno. Esto garantiza un flujo unidireccional de electrones y una liberación gradual de energía.
Gradiente de protones y síntesis de ATP
El transporte de electrones a través de los complejos I, III y IV está acoplado al transporte de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. Como resultado, se forma un potencial electroquímico de protones ΔμH⁺, compuesto por las componentes química (de concentración) y eléctrica, siendo el gradiente de protones el que desempeña el papel principal.
Al alcanzar un nivel crítico de ΔμH⁺, se activa la ATP sintasa (complejo V): los protones regresan a la matriz a través de su canal (subunidad F₀) y la energía de su movimiento es utilizada por la subunidad catalítica F₁ para fosforilar ADP y formar ATP. Este acoplamiento del transporte de electrones y la síntesis de ATP a través del gradiente de protones se describe en la teoría quimiosmótica de Mitchell.
Coeficiente de fosforilación oxidativa (P/O): número de moléculas de ATP sintetizadas durante la transferencia de dos electrones a un átomo de oxígeno:
- durante la oxidación de NADH, P/O ≈ 3 (los electrones pasan a través de los complejos I, III, IV);
- durante la oxidación de FADH₂, P/O ≈ 2 (los electrones ingresan al nivel de la ubiquinona, sin pasar por el complejo I).
Control respiratorio
La velocidad de la respiración tisular y de la fosforilación oxidativa está estrictamente acoplada a la demanda energética de la célula. Durante el consumo activo de ATP, la concentración de ADP en la matriz aumenta. El ADP es sustrato de la ATP sintasa, por lo que su actividad se incrementa, el gradiente de protones disminuye, lo que elimina la inhibición del transporte de electrones y aumenta el consumo de oxígeno y la oxidación de sustratos. Esta dependencia de la velocidad respiratoria respecto a la concentración de ADP se denomina control respiratorio.
Desacopladores e inhibidores
Desacopladores: compuestos lipofílicos que transportan protones desde el espacio intermembranoso hacia la matriz eludiendo la ATP sintasa. Reducen ΔμH⁺, mientras que la oxidación de sustratos y el consumo de oxígeno continúan, pero la energía se disipa en forma de calor. Entre los desacopladores se encuentran:
- 2,4-dinitrofenol: desacoplador artificial clásico;
- ácidos grasos libres: desacopladores naturales; bajo la acción de la adrenalina se activa la lipasa, aumenta la concentración de ácidos grasos, lo que incrementa la termogénesis (un mecanismo importante de termorregulación).
Inhibidores específicos de la CTE:
- barbitúricos, rotenona: bloquean el complejo I (NADH deshidrogenasa);
- antimicina A: inhibe el complejo III (CoQH₂ deshidrogenasa);
- cianuros, monóxido de carbono (CO), sulfuro de hidrógeno (H₂S): bloquean el complejo IV (citocromo c oxidasa), deteniendo la reducción del oxígeno; la intoxicación por cianuros evoluciona con rapidez y provoca la muerte;
- oligomicina: inhibe la ATP sintasa: los protones se acumulan en el espacio intermembranoso, pero la síntesis de ATP se detiene.
Puntos clave
- Respiración tisular: oxidación de sustratos con transferencia de hidrógeno al oxígeno; ~40% de la energía se almacena en ATP, ~60% se disipa en calor.
- Las deshidrogenasas se dividen en dependientes de NAD y dependientes de FAD; el FAD está unido covalentemente a la proteína y transfiere hidrógeno a la ubiquinona.
- La CTE de la membrana mitocondrial interna consta de cinco complejos dispuestos en orden creciente de potencial redox.
- Los complejos I, III, IV transportan protones al espacio intermembranoso, generando un potencial electroquímico ΔμH⁺.
- La ATP sintasa utiliza la energía del flujo retrógrado de protones para fosforilar el ADP (acoplamiento quimiosmótico).
- El coeficiente P/O es de 3 para el NADH y de 2 para el FADH₂.
- Control respiratorio: regulación de la velocidad respiratoria por la concentración de ADP.
- Los desacopladores (2,4-dinitrofenol, ácidos grasos) aumentan la producción de calor; los inhibidores bloquean complejos específicos de la CTE o la ATP sintasa.