Etapas y bioenergética del proceso
A nivel global, la respiración tisular se puede dividir en dos componentes estrechamente relacionados:
- Oxidación de sustratos. El proceso se inicia mediante reacciones de deshidrogenación, es decir, la eliminación de átomos de hidrógeno de las moléculas orgánicas. A continuación, se produce una cascada multifásica de transferencia de electrones cuyo destino final es el oxígeno.
- Transformación de energía. A medida que los electrones se desplazan a través de la cadena respiratoria, el nivel de su energía libre disminuye. El recurso liberado se utiliza de dos formas: una parte se pierde inevitablemente en forma de calor y aproximadamente el 40% se destina a la fosforilación oxidativa. Este es el mecanismo más importante para la síntesis de la moneda energética de la célula —el ATP— a partir de ADP y fosfato inorgánico.
Enzimas de primera línea: deshidrogenasas
La etapa inicial de la respiración tisular es la deshidrogenación de los sustratos formados durante el catabolismo. Esta tarea es llevada a cabo por enzimas de la clase de las deshidrogenasas, que se localizan predominantemente en la matriz mitocondrial.
Dependiendo del cofactor que forme parte de su estructura, se dividen en dos grandes grupos: dependientes de NAD y dependientes de FAD. Sus mecanismos de acción y su estructura química difieren fundamentalmente.
Características de las deshidrogenasas dependientes de NAD
En este grupo de catalizadores, la porción no proteica es el nicotinamida adenina dinucleótido ($NAD^+$). La molécula es un dinucleótido compuesto por nucleótidos de adenililo (adenina, ribosa, fosfato) y nicotinamida. Sus grupos fosfato están unidos entre sí.
Características clave:
- Unión a la proteína: el cofactor se une al apoenzima de forma débil. Al reducirse a $NADH$, se separa de la porción proteica y actúa como donante de hidrógeno para las siguientes enzimas.
- Centro activo: el anillo de nicotinamida, que es un derivado de la vitamina PP (B3).
- Mecanismo de la reacción: en el estado oxidado ($NAD^+$), el anillo es aromático y el átomo de nitrógeno posee una carga positiva al establecer cuatro enlaces. Durante la reducción, un ion hidruro ($H^-$) se adhiere al carbono en posición para. En ese momento se pierde la aromaticidad, se redistribuyen los dobles enlaces y se neutraliza la carga del nitrógeno. Es importante destacar que el segundo protón ($H^+$) no se incorpora a la molécula, sino que permanece en el medio.
Un ejemplo clásico es la conversión de malato en oxalacetato por acción de la malato deshidrogenasa. La ecuación es la siguiente: Malato + $NAD^+ \rightarrow$ Oxalacetato + $NADH + H^+$
Características de las deshidrogenasas dependientes de FAD
El segundo grupo utiliza el flavina adenina dinucleótido (FAD). Su estructura es más compleja: incluye adenina, ribosa, pirofosfato y riboflavina (formada por el alcohol ribitol y un anillo de isoaloxacina).
Características clave:
- Unión a la proteína: covalente, extremadamente fuerte. El cofactor no puede separarse del apoenzima.
- Centro activo: un sistema de tres anillos: el anillo de isoaloxacina (derivado de la vitamina B2).
- Mecanismo de la reacción: en el estado oxidado, el anillo presenta una estructura quinoide donde dos átomos de nitrógeno tienen dobles enlaces. Al reducirse a $FADH_2$, se unen dos átomos de hidrógeno ($2H^+ + 2e^-$) a estos átomos de nitrógeno. Los dobles enlaces se rompen, formando enlaces N-H.
Dado que el FAD está firmemente fijado a la enzima, se requiere un segundo sustrato para continuar la reacción: un aceptor móvil de hidrógeno. Para todas las enzimas flavínicas, esta función es desempeñada por la ubiquinona (coenzima Q).
Un ejemplo es la oxidación de succinato a fumarato mediante la succinato deshidrogenasa. Primero, el succinato se oxida y el FAD se reduce a $FADH_2$. A continuación, el $FADH_2$ transfiere el hidrógeno a la ubiquinona, dando lugar a $QH_2$.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué complejos enzimáticos forman la cadena respiratoria mitocondrial?
La cadena mitocondrial de transporte de electrones está compuesta por:
- Complejo I: NADH deshidrogenasa (NADH ubiquinona oxidorreductasa), que contiene el cofactor FMN.
- Complejo II: succinato deshidrogenasa, que contiene el cofactor FAD.
- Complejo III: $QH_2$ deshidrogenasa ($QH_2$-citocromo c oxidorreductasa).
- Complejo IV: citocromo c oxidasa (citocromo c oxidasa).
Transportadores entre los complejos: coenzima Q (ubiquinona) y citocromo c.
¿Cuáles son los mecanismos de acoplamiento entre oxidación y fosforilación según la teoría quimiosmótica de Mitchell?
Según la teoría quimiosmótica de Peter Mitchell, el acoplamiento entre la oxidación y la fosforilación se produce mediante la generación de un gradiente electroquímico transmembrana de protones.
- La energía del transporte de electrones a lo largo de la cadena es utilizada por los complejos I, III y IV para bombear protones ($H^+$) desde la matriz hacia el espacio intermembranoso.
- Como resultado, se genera un gradiente electroquímico de protones (ΔμH⁺).
- Los protones regresan a la matriz a través del canal especializado de la enzima ATP sintasa (Complejo V).
- La energía de este flujo de protones se emplea para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico en la cara matricial de la membrana interna.
¿Qué es la relación P/O y cuál es su valor durante la oxidación de NADH y FADH2?
La relación de fosforilación oxidativa (P/O) es el cociente entre la cantidad de fosfato inorgánico consumido ($H_3PO_4$) y el número de átomos de oxígeno absorbido y reducido a $H_2O$. Refleja la eficiencia de la síntesis de ATP.
| Donante de hidrógeno | Relación P/O | Complejos de acoplamiento participantes |
|---|---|---|
| NADH | 3 | I, III, IV |
| $FADH_2$ | 2 | III, IV |
Los valores reales de P/O son ligeramente inferiores a los teóricos debido a que una parte de la energía se disipa en forma de calor.
¿Qué inhibidores específicos bloquean los distintos complejos de la cadena respiratoria?
Varias sustancias inhiben complejos enzimáticos específicos de la cadena respiratoria:
- Barbitúricos (incluido el amobarbital sódico) y rotenona bloquean la NADH deshidrogenasa (Complejo I), interrumpiendo el transporte de electrones entre los clústeres de hierro-azufre y la ubiquinona.
- Antimicina A inhibe la $QH_2$ deshidrogenasa (Complejo III).
- CO, $H_2S$ y cianuro inhiben la citocromo c oxidasa (Complejo IV).
Para no confundir los mecanismos de los cofactores, recuerda: el FAD está unido a la enzima de forma permanente (covalente), por lo que necesita obligatoriamente un mensajero móvil: la ubiquinona (coenzima Q). En cambio, el NAD es «libre» y puede transportar hidrógeno por sí mismo.
Preguntas de clases y exámenes
¿Qué es la fosforilación oxidativa?
Es el proceso de síntesis de moléculas de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Se lleva a cabo gracias a la energía liberada durante las etapas de la respiración tisular.
¿A dónde va el segundo protón durante la reducción del NAD?
Durante la reacción, solo un ion hidruro ($H^-$) se une al anillo de nicotinamida. El segundo protón ($H^+$) no se enlaza con la molécula del cofactor, sino que permanece libre en el medio circundante.
¿Por qué las deshidrogenasas dependientes de FAD requieren un segundo sustrato?
El cofactor FAD está unido a la porción proteica mediante enlaces covalentes y no puede desprenderse tras su reducción. Para transferir el hidrógeno a lo largo de la cadena, necesita un aceptor móvil externo, que es la ubiquinona.
Qué más repasar sobre el tema
- El proceso de eliminación de hidrógeno en las reacciones de deshidrogenación
- Estructura y funciones de la ubiquinona (coenzima Q)
- Relación entre la estructura de la vitamina PP y la actividad de las NAD deshidrogenasas
- Mecanismo de la reacción de la succinato deshidrogenasa
Domina el tema por completo en el curso de «Bioquímica»
Aquí tienes un resumen. En el curso encontrarás todo lo que preguntan en clase y en el examen.
- Guía metodológica completa sobre «Respiración tisular» y otras 3 616 páginas de la asignatura
- Ejercicios y pruebas después de cada tema, igual que en el examen práctico
- El tutor de IA responderá a tus preguntas sobre el tema en cualquier momento
- 115 videotutoriales de la asignatura
Otros temas de la sección «Metabolismo energético»
Videotutoriales gratuitos: bioquímicaLecciones cortas con resúmenes, sin necesidad de registro.
Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.