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La respiración aeróbica y la mitocondria
CAPÍTULO
5
La respiración aeróbica
y la mitocondria
The McGraw-Hill Companies © 2011. Todos los derechos reservados.
5
La respiración aeróbica y la mitocondria
Imagen de inicio de capítulo.
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Micrografía de un fibroblasto de
mamífero fijado y teñido con anticuerpos
fluorescentes que revela la distribución
de las mitocondrias (verde) y los
microtúbulos del citoesqueleto (rojo). Las
mitocondrias se ven como una red
extensa o retículo que ocupa gran parte
de la célula. (TOMADA DE MICHAEL P. YAFFE,
UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO.
REIMPRESA CON AUTORIZACION DE SCIENCE
283:1493, 1999; C 1999, AMERICAN
ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF
SCIENCE.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(a)
(b)
(c)
FIGURA 5-1 Mitocondrias.
(a) Fibroblasto vivo visto con un microscopio de
fase de contraste. Las mitocondrias se ven como
cuerpos oscuros alargados. (b) Micrografía
electrónica de transmisión de un corte delgado a
través de una mitocondria que revela la
estructura interna del organelo, en particular las
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crestas membranosas de la membrana interna. (c)
Localización de mitocondrias en la pieza central
de un espermatozoide que rodea la porción
proximal del flagelo. (A: CORTESÍA DE NORMAN K.
WESSELS; B: CORTESÍA DE K.R. PORTER/PHOTO
RESEARCHERS; C: DON W. FAWCETT/VISUALS UNLIMITED.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-2 Fusión y fisión mitocondriales.
La naturaleza dinámica de estos organelos queda
capturada en los cuadros de esta película, que
muestra una parte de un fibroblasto de ratón cuyas
mitocondrias están marcadas con una proteína
fluorescente. En los primeros tres cuadros, dos pares
de mitocondrias (que se colorearon en forma
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artificial) se unen por los extremos y en seguida se
fusionan. En los últimos tres cuadros, el producto de
la fusión inferior experimenta fisión y las
mitocondrias hijas se separan. (TOMADA A PARTIR DE
DAVID C. CHAN, CELL 125:1242, 2006M; CON
AUTORIZACIÓN DE CELL PRESS.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(b)
(a)
FIGURA 5-3 Estructura de una mitocondria.
(a) Micrografía electrónica de una mitocondria macerada que muestra la matriz interna rodeada por pliegues de la membrana
interna. (b) Reconstrucción tridimensional de una mitocondria con base en una serie de micrografías tomadas con un microscopio
electrónico de alto voltaje de un solo corte grueso de tejido adiposo pardo que se rotó en varios ángulos. Los instrumentos de
alto voltaje aceleran los electrones hasta velocidades que les permiten penetrar cortes de tejido más gruesos (de hasta 15 μm).
Esta técnica sugiere que las crestas se encuentran como hojas aplanadas (láminas) que se comunican con el espacio
intermembranal mediante aberturas tubulares estrechas, en lugar de canales “amplios” como suele mostrarse. En esta
reconstrucción, la membrana mitocondrial interna se muestra en azul en las regiones periféricas y en amarillo cuando penetra en
la matriz para formar las crestas. (continúa…)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-3 Estructura de una
mitocondria. (Continuación)
… (c) Diagramas esquemáticos que
ilustran la estructura interna
tridimensional (arriba) y un corte
delgado (abajo) de una mitocondria
de tejido cardiaco bovino. (A: TOMADA
DE K. TANAKA Y T. NAGURO, INT. REV.
CYTOL. 68:111, 1980; B: TOMADA DE G.A.
PERKINS, ET AL., J. BIOEN. BIOMEMB.
30:436, 1998.)
(c)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-4 Porinas.
Las bacterias gramnegativas poseen una
membrana externa que contiene lípidos fuera
de la membrana plasmática como parte de su
pared celular. Esta membrana externa tiene
proteínas, llamadas porinas, que consisten en
un barril de una hoja beta y forman una
abertura a través de la cual pueden penetrar
moléculas de tamaño moderado. Esta imagen
muestra la proteína OmpW incrustada en la
membrana externa de E. coli. La porina
contiene un pequeño compuesto hidrófobo
dentro de su conducto central. También se
encuentran diversas porinas con canales de
diferentes tamaños y selectividades en la
membrana mitocondrial externa en las células
eucariotas. (TOMADA DE HEEDEOK HONG ET AL., J.
BIOL. CHEM. 281, PORTADA DE #11, 2006; POR
CORTESÍA DE BERT VAN DEN BERG.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-5 Una revisión del metabolismo de
los carbohidratos en las células eucariotas.
Las reacciones de la glucólisis generan piruvato
y NADH en el citosol. En ausencia de oxígeno, el
piruvato se reduce por acción del NADH hasta
lactato (u otro producto de la fermentación,
como etanol en las levaduras; véase la figura 329 para obtener los detalles). El NAD+ formado
en esta reacción se reutiliza en la continuación
de la glucólisis. En presencia de oxígeno, el
piruvato se mueve hacia la matriz (algo que
facilita un transportador de membrana), donde
se descarboxila y se une con la coenzima A
(CoA), una reacción que genera NADH. El NADH
producido durante la glucólisis dona sus
electrones de alta energía a un compuesto que
cruza la membrana mitocondrial interna (como
se muestra en la figura 5-9). El acetil-CoA pasa
por el ciclo del TCA (como se muestra en la
figura 5-7), con lo cual se generan NADH y
FADH2. Los electrones de estas moléculas de
NADH y FADH2 pasan por la cadena de
transporte de electrones, que está formada por
portadores incrustados en la membrana
mitocondrial interna, hasta llegar al oxígeno
molecular (O2). La energía liberada durante el
transporte de electrones se usa en la formación
de ATP mediante un proceso descrito con
detalle más adelante en este capítulo. Si toda la
energía del transporte de electrones se usara en
la formación de ATP, podrían generarse cerca
de 36 moléculas de ATP a partir de una sola
molécula de glucosa.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-6 Revisión de la glucólisis que
muestra algunos de los pasos clave.
Éstos incluyen dos reacciones en las que se
transfieren grupos fosfato de ATP al azúcar de
seis carbonos para producir fructosa 1,6difosfato (pasos 1, 3); la oxidación y
fosforilación del gliceraldehído 3-fosfato
generan 1,3-difosfoglicerato y NADH (paso 6); y
la transferencia de grupos fosfato de los
sustratos fosforilados de tres carbonos al ADP
produce ATP mediante fosforilación del sustrato
(pasos 7 y 10). Hay que recordar que se forman
dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato por
cada molécula de glucosa, por lo que las
reacciones de la sexta a la décima que se
muestran aquí ocurren dos veces por cada
molécula de glucosa oxidada.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-7 El ciclo del ácido tricarboxílico (TCA)
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FIGURA 5-7 El ciclo del ácido tricarboxílico
(TCA) también se llama ciclo de Krebs en
honor del científico que lo formuló o bien
ciclo del ácido cítrico por el primer
compuesto que se forma en él. El ciclo
comienza con la condensación de
oxaloacetato (OAA) y acetil-CoA (reacción
12). Los carbonos de estos dos compuestos
están marcados con números o letras. Los
dos carbonos que se pierden durante el
paso por el ciclo provienen del
oxaloacetato. También se incluyen las
energías libres estándar (en kcal/mol) y los
nombres de las enzimas. Se retiran cinco
pares de electrones de las moléculas de
sustrato por acción de la piruvato
deshidrogenasa y las enzimas del ciclo del
TCA. Estos electrones de alta energía se
transfieren al NAD+ o FAD y luego recorren
la cadena de transporte de electrones para
usarlos en la producción de ATP. Las
reacciones que se muestran aquí comienzan
con el número 11 porque la vía continúa a
partir de la última reacción de la glucólisis
(número 10 de la figura 5-6).
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-8 Las vías catabólicas
generan compuestos que ingresan al
ciclo del TCA.
(a) Oxidación de ácidos grasos. El
primer paso en la oxidación del ácido
graso es su activación mediante la
unión con el grupo tiol (—SH) de la
coenzima A, lo cual ocurre después que
el grupo acilo graso se transporta a
través de la membrana mitocondrial
interna unido con una proteína
portadora (no se muestra). En la
mitocondria, la molécula grasa de
acil-CoA se somete a la degradación por
pasos en la que acetil-CoA (mostrada
en azul) se retira de la cadena de ácido
graso con cada vuelta del ciclo. Además
de la molécula de acetil-CoA que
alimenta el ciclo del TCA, cada ronda
del ácido graso en el ciclo produce un
NADH y un FADH2. Al examinar esta
serie de reacciones, resulta aparente
porqué las grasas son una reserva tan
rica de energía química. (b) Ingreso de
aminoácidos al ciclo del TCA.
(a)
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(b)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-9 La lanzadera de glicerol
fosfato.
En la lanzadera de glicerol fosfato, los
electrones se transfieren de NADH al
fosfato de dihidroxiacetona (DHAP)
para formar glicerol 3-fosfato, que los
lanza al interior de la mitocondria.
Después, estos electrones reducen el
FAD en la membrana mitocondrial
interna, con lo que se forma FADH2,
que puede transferir los electrones a
un transportador de la cadena de
transporte de electrones.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-10 Resumen del proceso de la
fosforilación oxidativa.
En el primer paso del proceso, los sustratos
como el isocitrato y el succinato se oxidan
(fig. 5-7) y los electrones se transfieren a las
coenzimas NAD+ o FAD para formar NADH o
FADH2. Después, estos electrones de alta
energía se transfieren mediante una serie de
transportadores de electrones de la cadena
respiratoria. La energía liberada se usa para
trasladar los protones de la matriz hacia el
espacio intermembranal, con lo que se
establece un gradiente electroquímico de
protones a través de la membrana
mitocondrial interna. En el paso 2, los
protones se mueven a favor del gradiente
electroquímico a través de un complejo
sintetizador de ATP. La energía almacenada
en el gradiente se usa para sintetizar ATP.
Estos dos pasos esenciales de la fosforilación
oxidativa forman la base del mecanismo
quimiosmótico propuesto por Peter Mitchell
en 1961.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-11 Medición del potencial de
oxidación-reducción (redox) estándar.
La semicélula de muestra contiene los miembros
oxidado y reducido de la pareja, ambos en
concentraciones de 1 M. La semicélula de
referencia contiene una solución 1 M de H+ que
está en equilibrio con el gas hidrógeno a 1 atm de
presión. Se forma un circuito eléctrico mediante la
conexión de las semicélulas con un voltímetro y
un puente de sal. Si los electrones fluyen con
preferencia de la semicélula muestra hacia la de
referencia, el potencial redox estándar (E0) de la
pareja muestra es negativo; si el flujo de
electrones toma el sentido contrario, el potencial
redox estándar de la pareja muestra es positivo. El
puente de sal, consistente en solución saturada
de KCl, suministra un trayecto para que los iones
contrarios se muevan entre las semicélulas y
mantengan la neutralidad eléctrica en los dos
compartimientos.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 1 Los
músculos esqueléticos
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 1 Los
músculos esqueléticos contienen una
combinación de fibras de sacudida rápida
(o tipo II) (teñidas de color oscuro) y fibras
de sacudida lenta (o tipo I) (teñidas de
color claro). (CORTESÍA DE DUNCAN
MACDOUGALL.)
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(a)
La respiración aeróbica y la mitocondria
(b)
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(c)
FIGURA 5-12 Estructuras de
las formas oxidada y reducida
de tres tipos de portadores
de electrones.
( a) FMN y deshidrogenasa de
NADH; (b) el grupo hem del
citocromo c; y (c) ubiquinona
(coenzima Q). Los grupos hem
de los diversos citocromos de
la cadena transportadora de
electrones difieren en las
sustituciones en los anillos de
porfirina (indicado por la
sombra azul) y el tipo de
enlace con la proteína. Los
citocromos pueden aceptar
sólo un electrón, mientras
que FMN y las quinonas
pueden aceptar dos
electrones y dos protones en
reacciones sucesivas, como se
muestra. FAD difiere de FMN
porque tiene un grupo
adenosina unido con el
fosfato.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-13 Centros de hierro-azufre.
Estructura de un centro de hierro-azufre
[2Fe-2S] (a) y uno [4Fe-4S] (b). Ambos
tipos de centros de hierro-azufre se unen
con proteínas mediante enlaces con un
átomo de azufre (mostrado en naranja)
de un residuo de cisteína. Los iones
sulfuro inorgánicos (S2−) aparecen en
amarillo. Ambos tipos de centros de
hierro-azufre aceptan un solo electrón,
cuya carga se distribuye entre los diversos
átomos de hierro.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-14 Disposición de varios
portadores en la cadena
transportadora de electrones.
El diagrama ilustra el potencial redox
aproximado de los portadores y el
declive de la energía libre cuando los
pares de electrones se mueven a lo
largo de la cadena respiratoria hasta el
oxígeno molecular. Los numerosos
centros de hierro-azufre no están
indicados en esta figura para
conservarla esquemática. Como se
explica en la sección siguiente, cada
una de las tres transferencias de
electrones marcadas por flechas rojas
aporta energía suficiente para mover
protones a través de la membrana
mitocondrial interna, lo que a su vez
proporciona la energía necesaria para
generar ATP a partir de ADP. (TOMADA
DE A. L. LEHNINGER, BIOCHEMISTRY, 2ND ED.
1975. WORTH PUBLISHERS, NUEVA YORK.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-15 Uso experimental de los
inhibidores para identificar la secuencia
de los portadores en la cadena
transportadora de electrones.
En esta analogía hidráulica, el tratamiento
de las mitocondrias con el inhibidor
antimicina A deja a los portadores
corriente arriba (NADH) del punto de
inhibición en el estado reducido total y a
los portadores corriente abajo (O2) en el
estado oxidado completo. La comparación
de los efectos de varios inhibidores reveló
el orden de los portadores en la cadena.
(TOMADA DE A.L. LEHNINGER, BIOCHEMISTRY,
2ND ED. 1975, WORTH PUBLISHERS, NUEVA
YORK.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-16 Trayecto de túneles de
electrones para el complejo citocromo
c-percitocromo oxidasa c de la levadura.
El grupo hem del citocromo c es azul y el
de la percitocromo oxidasa c (que no es
un portador en la cadena mitocondrial
de transporte de electrones, sino que
proporciona un receptor análogo de
electrones del cual se conoce la
estructura cristal de alta resolución) es
rojo. Existen varios trayectos definidos
(amarillo) para el movimiento de
electrones de un hem a otro. Cada uno
de los trayectos transporta electrones
por varios residuos de aminoácidos
situados entre los grupos hem. (Puede
señalarse que se han propuesto otros
mecanismos de transferencia de
electrones.) (DE JEFFREY J. REGAN Y J.N.
ONUQHIC, TOMADA DE DAVID N. BERATAN ET
AL; REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN DE SCIENCE
258:1741, 1992. © 1992, AMERICAN
ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF
SCIENCE.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(a)
FIGURA 5-17 Cadena transportadora de electrones de la membrana mitocondrial interna.
( a) La cadena respiratoria consiste en cuatro complejos de portadores de electrones y dos portadores más (ubiquinona y citocromo c) que se disponen de
manera independiente. Los electrones entran a la cadena a partir de NADH (mediante el complejo I) o FADH2 (una parte del complejo II). Los electrones
pasan del complejo I o II a la ubiquinona (UQ), la cual existe como una reserva dentro de la bicapa de lípidos. Luego, los electrones pasan de la ubiquinona
reducida (ubiquinol) al complejo III y después al citocromo c proteico periférico, que al parecer es móvil. Los electrones se transfieren del citocromo c al
complejo IV (citocromo oxidasa) y después al O2 para formar H2O. Se indican los sitios de translocación de protones de la matriz al lado citosólico. El número
preciso de protones translocados a cada sitio aún es motivo de controversia; el número indicado es un consenso general. Hay que tener presente que las
cantidades de protones que se muestran son las generadas por cada par de electrones transportados, suficientes para reducir sólo la mitad de una molécula
de O2. (La translocación de protones por el complejo III ocurre mediante un ciclo Q. El ciclo Q puede dividirse en dos pasos, cada uno de los cuales conduce a
la liberación de dos protones hacia el lado citosólico.) (continúa…)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(b)
FIGURA 5-17 Cadena transportadora de electrones de la membrana mitocondrial interna. (Continuación)
… (b) Estructuras de los componentes proteicos de la cadena transportadora de electrones (versiones mitocondrial o bacteriana).
Aún se desconoce la estructura terciaria del complejo I, pero se indica su forma general. (B: TOMADA DE BRIAN E. SCHULTZ Y SUNNEY I.
CHAN, REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN DE AN REV BIOP BIOMOL STRUC, VOL. 30. © 2001, ANNUAL REVIEWS, INC.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-18 Demostración experimental de
que la citocromo oxidasa es una bomba de
protones.
Cuando la citocromo oxidasa purificada se
incorpora en la bicapa artificial de un
liposoma, el medio se acidifica después de la
adición de citocromo c reducido. Esto indica
que cuando los electrones se transfieren del
citocromo c a la citocromo oxidasa y el O2 se
reduce hasta agua, los protones se trasladan
del compartimiento dentro de la vesícula al
medio externo. Mårten Wikström y sus
colegas realizaron este experimento por
primera vez en el decenio de 1960. (REIMPRESA
CON AUTORIZACIÓN DE M.I. VERKHOVSKY, ET AL.
NATURE 400:481, 1999. © 1999, MACMILLAN
MAGAZINES LIMITED.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-19 Mecanismo de acción de la
citocromo oxidasa.
Modelo que muestra el flujo de electrones
por los cuatro centros redox de la citocromo
oxidasa. Los átomos de hierro se muestran
como esferas rojas, los de cobre como
esferas amarillas. Se cree que los electrones
pasan uno a la vez del citocromo c al centro
dimérico de cobre (CuA), luego al grupo hem
del citocromo a, después al centro redox
binuclear formado por un segundo hierro
(del grupo hem del citocromo a3) y un ion
cobre (CuB). Se indican las estructuras y las
orientaciones sugeridas de los centros redox.
(TOMADA DE M. WIKSTRÖM, ET AL., BIOCHIM
BIOPHYS ACTA 1459:515, 2000.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-20 Visualización de la fuerza
motriz de protones.
Micrografía fluorescente de una célula
cultivada teñida con el compuesto
fluorescente catiónico rodamina. Cuando
la célula está activa, el voltaje generado a
través de la membrana interna (interior
negativo) da lugar a la acumulación de la
sustancia liposoluble dentro de las
mitocondrias, lo que hace que estos
organelos emitan fluorescencia. (TOMADA
DE L. V. JOHNSON, ET AL., J. CELL BIOL. 88:528,
1981, CORTESÍA DE LAN BO CHEN, CON
AUTORIZACIÓN DEL TITULAR DEL COPYRIGHT, THE
ROCKEFELLER UNIVERSITY PRESS.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-21 Mecanismos para la síntesis del ATP.
Micrografía electrónica de una pequeña porción de una mitocondria de corazón bovino secada al aire y con
tinción negativa. En las magnificaciones cercanas a medio millón se ven partículas esféricas (flecha) unidas
mediante un tallo delgado a la superficie interna de las membranas de las crestas. (TOMADA DE HUMBERTO
FERNANDEZ-MORAN, ET AL. J CELL BIOL 22:71, 1964; CON AUTORIZACIÓN DE LOS DERECHOS RESERVADOS DE ROCKEFELLER
UNIVERSITY PRESS.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-22 Un experimento para impulsar la formación de ATP en las vesículas de membrana
reconstituidas con la ATP-asa de Na+/K+.
Al hacer que estas vesículas tengan una concentración interna muy alta de K+ y concentración externa muy
elevada de Na+, se favorece que la reacción funcione en sentido contrario al que ocurre en condiciones
normales en la membrana plasmática. En el proceso se forma ATP a partir de ADP y Pi. El tamaño de las letras
indica la dirección de los gradientes de concentración.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-23 Estructura de la ATP sintasa.
(a) Representación esquemática de la ATP
sintasa bacteriana. La enzima consiste en
dos porciones principales llamadas F1 y F0.
La cabeza F1 pose cinco subunidades
diferentes en proporciones de
3α:3β:1δ:1γ:1ϵ. Las subunidades alfa y beta
se organizan en un círculo para formar la
cabeza esférica de la partícula; la
subunidad gamma discurre por el centro de
la ATP sintasa, desde la punta de F1 hasta
F0 para formar el tallo central; la subunidad
épsilon ayuda a unir la subunidad gamma
con la base F0. La base F0, que está
incrustada en la membrana, tiene tres
subunidades diferentes con una proporción
aparente 1a:2b:10-14c. Como se explica
más adelante: se piensa que las
subunidades c forman un anillo giratorio
dentro de la membrana; las subunidades b
pares de la base F0 y la subunidad delta de
la cabeza F1 forman un tallo periférico que
sujeta las subunidades α/β en una posición
fija y la subunidad a contiene el canal de
protones que permite que éstos crucen la
membrana. La enzima de los mamíferos
incluye siete a nueve pequeñas
subunidades más cuyas funciones aún se
desconocen. (ccontinúa…)
(a)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-23 Estructura de la ATP sintasa.
(Continuación)
… (b) Estructura tridimensional de la ATP
sintasa bacteriana. Esta imagen está
compuesta de varias estructuras parciales
de la enzima de diversos organismos. (B:
TOMADA DE WOLFGANG JUNGE AND NATHAN
NELSON, REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN DE
SCIENCE 308:643, 2005. COPYRIGHT 2005,
AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT
OF SCIENCE.)
(b)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-24 Visualización del anillo c oligomérico
de la ATP sintasa de un cloroplasto.
Microscopia con fuerza atómica de un “campo” de
anillos c aislados de las sintasas de ATP del
cloroplasto y reconstituidos como estructura
bidimensional dentro de una bicapa lipídica
artificial. Existen anillos de dos diámetros
diferentes en el campo, tal vez porque los
oligómeros se encuentran en las dos
orientaciones posibles dentro de la “membrana
artificial” (recuadro). La vista de mayor resolución
de uno de los anillos muestra que está formado
por 14 subunidades. (REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN
DE HOLGER SEELERT, ET AL., CORTESÍA DE DANIEL J.
MÜLLER Y ANDREAS ENGEL, NATURE 405:419, 2000. ©
2000, MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(a)
(b)
FIGURA 5-25 Formación de ATP en experimentos con partículas submitocondriales.
(a) Micrografía electrónica de partículas submitocondriales que son
fragmentos de la membrana mitocondrial interna y se volvieron
vesículas cerradas con las esferas F1 sobresalientes hacia el medio. (b)
Esbozo de un experimento que muestra que las partículas
submitocondriales intactas son capaces de realizar la oxidación de
sustrato, la formación de un gradiente de protones (indicado por la
separación de cargas a través de la membrana) y la formación de ATP.
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En contraste, las partículas submitocondriales que carecen de cabezas
F1, las cuales se eliminan mediante el tratamiento con urea, son
capaces de oxidar el sustrato, pero no pueden mantener un gradiente
de protones (indicado por la falta de separación de carga) y por tanto
son incapaces de formar ATP. (A: CORTESÍA DE EFRAIM RACKER.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(b)
(a)
FIGURA 5-26 Base estructural de la conformación del sitio catalítico.
(a) Un corte a través de la cabeza F1 muestra la organización
espacial de sus tres subunidades. La subunidad gamma se construye
con dos hélices alfa extendidas entrelazadas para formar un rollo
enrollado. Este tallo helicoidal se proyecta hacia la cavidad central
de F1 y entre las subunidades alfa y beta de cada lado. La
conformación del sitio catalítico de la subunidad beta (mostrada a la
izquierda) depende de su contacto con la subunidad gamma. (b) Una
vista superior de la cabeza F1 muestra la disposición de las seis
subunidades alfa y beta (ilustradas en rojo y amarillo) alrededor de
la subunidad gamma asimétrica (mostrada en azul). La subunidad
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gamma está en posición para rotar en relación con las subunidades
que la rodean. También es evidente que la subunidad gamma hace
contacto de diferente forma con cada una de las tres subunidades
beta, lo que induce a cada una de ellas a adoptar una conformación
diferente. βE corresponde a la conformación O, βTP a la
conformación L y βDP a la conformación T. (REIMPRESA CON
AUTORIZACIÓN DE J. P. ABRAHAMS, ET AL., CORTESÍA DE JOHN E. WALKER,
NATURE 370:624, 627, 1994. © 1994, MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(a)
(b)
FIGURA 5-27 Mecanismo de cambio de unión para la síntesis de ATP.
(a) Representación esquemática que muestra los cambios en un solo sitio
catalítico durante un ciclo de catálisis. Al principio del ciclo, el sitio está en su
conformación abierta (O) y los sustratos ADP y Pi entran al sitio. En el paso 1, el
movimiento de protones por la membrana induce un cambio a la conformación
laxa (L) en la que los sustratos se unen con soltura. En el paso 2, el movimiento
de protones adicionales induce un cambio a la conformación ajustada (T), en la
que es mayor la afinidad por los sustratos, lo que hace que éstos se unan con
fuerza al sitio catalítico. En el paso 3, el ADP y Pi unidos con firmeza se
condensan en forma espontánea para formar una molécula de ATP unida con
intensidad; no se requiere ningún cambio de la conformación para este paso.
En el paso 4, el movimiento de protones adicionales induce un cambio hacia la
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conformación abierta (O), en la que la afinidad por ATP disminuye de forma
notable y permite la liberación del producto. Una vez que el ATP se separa, el
sitio catalítico queda disponible para la unión con sustrato y se repite el ciclo.
(b) Esquema que muestra los cambios en los tres sitios catalíticos de la enzima
al mismo tiempo. El movimiento de protones por la porción F0 de la enzima
causa la rotación de la subunidad gamma asimétrica, la cual presenta tres caras
diferentes a las subunidades catalíticas. A medida que la subunidad gamma
gira, provoca cambios en la conformación del sitio catalítico de las subunidades
beta, lo que hace que el sitio catalítico pase de manera sucesiva por las
conformaciones T, O y L.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-28 Observación directa de la catálisis rotatoria.
(a) Para realizar el experimento se preparó una
versión modificada de una porción de la ATP
sintasa consistente en α3β3γ. Cada subunidad
beta se modificó para contener 10 residuos de
histidina en su extremo N, un sitio localizado
en la cara externa (matriz) de la cabeza F1. Las
cadenas laterales de la histidina tienen gran
afinidad por una sustancia (Ni-NTA) que se
utilizó para cubrir el cubreobjetos. La
subunidad gamma se modificó mediante
sustitución de uno de los residuos de serina
cercanos al extremo del tallo por un residuo de
cisteína, lo cual suministró un medio para unir
el filamento de actina con marca fluorescente.
En presencia de ATP se observó que el
filamento de actina se mueve en sentido
levógiro (cuando se ve desde el lado de la
membrana). Cuando las concentraciones de
ATP son bajas, se pudo advertir que los
filamentos de actina giran en pasos de 120°.
(b) Una secuencia de cuatro cuadros del video
(a)
de un filamento rotatorio de actina. (REIMPRESA
CON AUTORIZACIÓN DE H. NOJI, ET AL., CORTESÍA DE
MASASUKE YOSHIDA, NATURE 386:300, 1997. ©
1997, MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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(b)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-29 Modelo en el cual se une la
difusión de protones con la rotación del
anillo c del complejo F0.
Como se explica en el texto, en este modelo
se propuso que cada protón del espacio
intermembranal entra a un semicanal dentro
de la subunidad a y luego se une con un
residuo de ácido aspártico (Asp61 en E. coli)
accesible en una de las subunidades c. La
unión con protones induce un cambio en la
conformación que hace que el anillo se mueva
unos 30°. El protón unido se transporta un
círculo completo por la rotación del anillo c y
luego se libera en un segundo semicanal que
se abre hacia la matriz. Una sucesión de
protones que impulsen esta actividad hacen
que el anillo c gire en sentido levógiro, como
se muestra.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-30 Resumen de las
principales actividades durante
la respiración aeróbica en una
mitocondria.
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(b)
(a)
FIGURA 5-31 Estructura y función de los peroxisomas.
(a) Micrografía electrónica de un corte de célula hepática de
rata que se había teñido para mostrar catalasa, una enzima
localizada en los peroxisomas. Nótese la relación estrecha
entre los peroxisomas teñidos de color oscuro y las
mitocondrias. En la figura 6-23 se muestra la micrografía
electrónica de un peroxisoma dentro de una célula vegetal.
Una barra equivale a 250 nm. (b) Los peroxisomas contienen
enzimas que realizan la reducción en dos pasos del oxígeno
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molecular hasta agua. En el primer paso, una oxidasa retira
electrones de diversos sustratos (RH2), como el ácido úrico o
aminoácidos. En el segundo paso, la enzima catalasa convierte
en agua el peróxido de hidrógeno formado en el primer paso.
(A: TOMADA DE MICHAEL SCHRADER Y YISANG YOON, BIOESS. 29:1106,
2007. COPYRIGHT © 2007, JOHN WILEY & SONS, INC. REIMPRESA CON
AUTORIZACIÓN DE JOHN WILEY & SONS.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
FIGURA 5-32 Localización del glioxisoma dentro de las plantas de semillero.
Micrografía óptica de un corte a través de los cotiledones de semillas de algodón empapadas. Los glioxisomas,
que se ven como pequeñas estructuras oscuras (flecha), se hicieron visibles mediante tinción citoquímica para
la enzima catalasa. (TOMADA DE KENT D. CHAPMAN Y RICHARD N. TRELEASE. J CELL BIOL 115:998, 1991. CON
AUTORIZACIÓN DE LOS DERECHOS RESERVADOS DE ROCKEFELLER UNIVERSITY PRESS.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
(a)
(b)
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 1 Anormalidades mitocondriales en músculo esquelético.
(a) Fibras rojas deshilachadas. Estas fibras musculares degeneradas provienen de la biopsia de un paciente y
muestran acumulaciones de “manchas” rojas justo debajo de la membrana plasmática de la célula, que se
deben a la proliferación anormal de las mitocondrias. (b) Micrografía electrónica que muestra inclusiones
cristalinas dentro de la matriz mitocondrial de las células de un sujeto con mitocondrias anormales. (A: CORTESÍA
DE DONALD R. JOHNS; B: TOMADA DE JOHN A. MORGAN-HUGHES Y D.N. LANDON, EN MYOLOGY, 2ND ED. A.G. ENGEL Y C.
FRANZINI-ARMSTRONG (EDS.), MCGRAW-HILL, 1994.)
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La respiración aeróbica y la mitocondria
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 2 Fenotipo de envejecimiento prematuro causado por aumento de la
frecuencia de mutaciones en el mtDNA.
La fotografía muestra un ratón normal de 13 meses de edad y su hermano de la misma camada “viejo”, cuyo
DNA mitocondrial alberga un número anormalmente alto de mutaciones. Este fenotipo de envejecimiento
prematuro fue causado por una mutación en el gen nuclear que codifica la DNA polimerasa causante de la
duplicación del mtDNA. (CORTESÍA DE JEFF MILLER, UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON, PROPORCIONADA POR G.C.
KUJOTH.)
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