Respiración tisular: características generales
Respiración tisular: el conjunto de reacciones de oxidación de sustratos orgánicos por el oxígeno con formación de agua, CO₂ y energía. El sustrato, que actúa como donante de hidrógeno, sufre deshidrogenación; los electrones escindidos se transfieren secuencialmente al oxígeno molecular, el cual se reduce a agua.
Aproximadamente el 60% de la energía liberada se disipa en forma de calor, mientras que el ~40% restante se almacena en los enlaces de alta energía del ATP durante la fosforilación oxidativa. Por lo tanto, la respiración cumple una doble función: la síntesis de ATP y el mantenimiento de la temperatura corporal.
Deshidrogenasas y donantes primarios de hidrógeno
La eliminación de hidrógeno de los sustratos es catalizada por deshidrogenasas, localizadas principalmente en la matriz mitocondrial. Según el tipo de coenzima, se dividen en dos grupos:
- Deshidrogenasas dependientes de NAD⁺: la coenzima NAD⁺ se une de forma débil, se reduce a NADH y se disocia de la enzima. Ejemplo: la oxidación del malato a oxalacetato.
- Deshidrogenasas dependientes de FAD: la coenzima FAD está unida covalentemente a la proteína, por lo que se requiere un segundo aceptor de hidrógeno: la ubiquinona (CoQ). Ejemplo: la oxidación de succinato a fumarato por la succinato deshidrogenasa con formación de FADH₂.
Los donantes primarios de hidrógeno son los productos del catabolismo: piruvato, isocitrato, α-cetoglutarato, malato, glutamato (para las vías dependientes de NAD⁺), succinato y acil-CoA (para las dependientes de FAD).
Cadena de transporte de electrones
CTE: sistema de transportadores integrados en la membrana mitocondrial interna. Los componentes se disponen en orden creciente de potencial redox, lo que garantiza un flujo dirigido de electrones desde el NADH/FADH₂ (bajo potencial redox) hasta el oxígeno (aproximadamente +0,8 V).
Se distinguen cinco complejos:
- Complejo I: NADH deshidrogenasa (NADH-CoQ reductasa);
- Complejo II: succinato deshidrogenasa;
- Complejo III: CoQH₂ deshidrogenasa (citocromo bc₁);
- Complejo IV: citocromo c oxidasa, que reduce el O₂ a H₂O;
- Complejo V: ATP sintasa.
Los transportadores móviles entre los complejos son la ubiquinona (entre I/II y III) y el citocromo c (entre III y IV).
Gradiente de protones y acoplamiento quimiosmótico
La transferencia de electrones en los complejos I, III y IV va acompañada de liberación de energía, parte de la cual se gasta en bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Como resultado, se forma el potencial electroquímico de protones (Δμ̃H⁺), cuyo componente principal es el gradiente de protones (ΔpH).
Al alcanzar un valor suficiente de Δμ̃H⁺, se activa la ATP sintasa: los protones regresan a la matriz a través de su canal de protones, y la energía de su movimiento se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Estructuralmente, la ATP sintasa consta del componente de membrana F₀ (canal) y el componente de matriz F₁ (subunidades catalíticas que unen ADP y Pi).
Coeficiente de fosforilación oxidativa
El coeficiente P/O es el número de moléculas de ATP sintetizadas durante la reducción de un átomo de oxígeno a agua (transferencia de dos electrones):
- durante la oxidación del NADH, los electrones pasan a través de los complejos I, III y IV — P/O ≈ 3;
- durante la oxidación del FADH₂, los electrones entran a nivel de la CoQ, omitiendo el complejo I — P/O ≈ 2.
Los valores reales de P/O son ligeramente inferiores a los teóricos, ya que parte de la energía de Δμ̃H⁺ se disipa en forma de calor.
Control respiratorio
La tasa de respiración tisular y la fosforilación están acopladas y reguladas por la concentración de ADP. Con un uso activo de ATP en la célula, aumenta el nivel de ADP, el cual ingresa a las mitocondrias y actúa como sustrato de la ATP sintasa. La síntesis mejorada de ATP reduce el gradiente de protones, lo que estimula el trabajo de los complejos de la CTE y el consumo de oxígeno. Esta dependencia de la tasa respiratoria respecto a la [ADP] se denomina control respiratorio.
Desacopladores de la fosforilación oxidativa
Los desacopladores son sustancias que transportan protones a través de la membrana interna eludiendo la ATP sintasa. Reducen el Δμ̃H⁺, por lo que la energía de oxidación se disipa en forma de calor y la síntesis de ATP disminuye.
- 2,4-dinitrofenol: desacoplador artificial clásico;
- Los ácidos grasos libres son desacopladores naturales.
Durante el enfriamiento del organismo, la liberación de noradrenalina activa la lipasa tisular, lo que eleva el nivel de ácidos grasos; el aumento del desacoplamiento incrementa la termogénesis. Este mecanismo es la base de la termogénesis sin escalofríos en el tejido adiposo marrón.
Inhibidores de la cadena respiratoria
- Los barbitúricos y la rotenona inhiben el complejo I (NADH deshidrogenasa);
- la antimicina A inhibe el complejo III (KoQH₂ deshidrogenasa);
- el monóxido de carbono (CO), el sulfuro de hidrógeno (H₂S) y los cianuros (CN⁻) inhiben el complejo IV (citocromo c oxidasa), bloqueando la reducción de oxígeno; la intoxicación por cianuro provoca la muerte rápida;
- la oligomicina inhibe la ATP sintasa (complejo V): los protones se acumulan en el espacio intermembrana pero no se utilizan para la síntesis de ATP.
Puntos clave
- Respiración tisular: oxidación de sustratos con transferencia de electrones al O₂ y formación de H₂O, CO₂ y energía.
- Las deshidrogenasas se dividen en dependientes de NAD⁺ y de FAD; las dependientes de FAD transfieren hidrógeno a la ubiquinona.
- La CTE de la membrana mitocondrial interna consta de cinco complejos dispuestos en orden de potencial redox creciente.
- Los complejos I, III y IV bombean protones al espacio intermembrana, formando el Δμ̃H⁺.
- La ATP sintasa utiliza la energía del gradiente de protones para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.
- P/O = 3 para el NADH y 2 para el FADH₂.
- El control respiratorio regula la tasa respiratoria mediante la concentración de ADP.
- Los desacopladores (2,4-dinitrifenol, ácidos grasos) potencian la producción de calor; los inhibidores de la CTE (rotenona, antimicina A, cianuros, oligomicina) bloquean la síntesis de ATP.