La fuerza protón-motriz

CAPíTULo 21
21.1 Un gradiente de protones
impulsa la síntesis de ATP
21.2 Las lanzaderas permiten el
movimiento a través de las
membranas mitocondriales
21.3 La respiración celular
está regulada por la
necesidad de ATP
La fuerza protón-motriz
Itaipu Binacional, en la frontera entre Brasil y Paraguay, es una de las centrales hidroeléctricas
más grandes del mundo. La presa transforma la energía del agua que cae en energía eléctrica.
Análogamente, la enzima ATP sintasa mitocondrial transforma la energía de los protones que
caen a favor de un gradiente en ATP. [Christian Heeb/AgeFotostock.]
En el capítulo 20 consideramos el flujo de electrones desde el NADH al O2, un proceso
exergónico.
NADH 1 ½ O2 1 H1 N H2O 1 NAD1 DG° 5 2 220,1 kJ mol 21 (2 52,6 kcal mol 21 )
Durante el flujo de electrones se bombean protones desde la matriz mitocondrial
hacia el exterior de la membrana mitocondrial interna, creando un gradiente de protones.
Básicamente, la energía se transforma. Esta situación es rica en energía porque
la entropía de los protones se reduce. A continuación, veremos cómo la energía del
gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP.
ADP 1 P i 1 H 1 N ATP 1 H 2O
DG° 5 1 30,5 kJ mol 21 (1 7,3 kcal mol 21 )
367

368 21 La fuerza protón-motriz
✓✓3 Describir cómo se convierte
la fuerza protón-motriz en ATP.
Hay quien piensa que, junto con la
determinación de la estructura del DNA,
el descubrimiento de que la síntesis de
ATP está impulsada por un gradiente
de protones es uno de los dos mayores
avances de la biología en el siglo XX.
Sin embargo, el postulado inicial
de la teoría quimiosmótica de Mitchell
no tuvo un caluroso recibimiento,
ni mucho menos. Efraim Racker,
uno de los primeros investigadores
de la ATP sintasa, recuerda que
algunos consideraban a Mitchell como
un bufón de la corte cuyo trabajo era
intranscendente. En 1978, Peter Mitchell
fue galardonado con el Premio Nobel
de Química por sus contribuciones
al conocimiento de la fosforilación
oxidativa.
21.1 Un gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP
La síntesis de ATP se lleva a cabo mediante un ensamblaje molecular localizado en la
membrana mitocondrial interna. En un principio, a este complejo enzimático se le denominó
ATPasa mitocondrial o F 1F 0ATPasa porque se descubrió gracias a su catálisis de la reacción
inversa, la hidrólisis de ATP. Es mejor denominarla ATP sintasa, ya que este nombre
pone de relieve su función real en la mitocondria. También se la denomina Complejo V.
¿Cómo se acopla la oxidación del NADH a la fosforilación del ADP? Primero
se sugirió que la transferencia de electrones daba lugar a la formación de un intermediario
covalente rico en energía que actuaba como un compuesto con un elevado
potencial de transferencia de fosforilos. Este compuesto podría, de forma análoga a
la fosforilación a nivel de sustrato que tiene lugar en la glicolisis (p. 277), transferir
un grupo fosforilo al ADP para formar ATP. Una propuesta alternativa establecía que
la transferencia de electrones ayuda a la formación de una conformación proteica
activada que, posteriormente, impulsaría la síntesis de ATP. Durante décadas, la búsqueda
de este tipo de intermediarios ha resultado infructuosa.
En 1961, Peter Mitchell sugirió un mecanismo radicalmente distinto, la hipótesis
quimiosmótica. Propuso que el transporte de electrones y la síntesis de ATP están
acoplados por medio de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial
interna. En su modelo, la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria
provoca el bombeo de protones desde la matriz al lado citoplasmático de la membrana
mitocondrial interna. La concentración de H 1 en la matriz disminuye y se genera
un campo eléctrico que es negativo en el lado de la matriz (Figura 21.1). Posteriormente,
los protones retornan a la matriz para igualar la distribución. La idea de Mitchell
era que este flujo de protones es el que impulsa la síntesis de ATP por parte de
la ATP sintasa. La desigual distribución de los protones, rica en energía, se denomina
fuerza protón-motriz y se puede considerar que consta de dos componentes: un gradiente
químico y un gradiente de carga. El gradiente químico de protones se puede
representar en forma de un gradiente de pH. El gradiente de carga se crea gracias a las
cargas positivas de los protones desigualmente distribuidos que forman el gradiente
químico. Mitchell propuso que ambos componentes impulsan la síntesis de ATP.
Fuerza protón-motriz (Dp) 5 gradiente químico (DH) 1 gradiente de carga (D)
Hoy en día, numerosas evidencias respaldan la muy innovadora hipótesis de
Mitchell de que la oxidación y la fosforilación están acopladas por medio de un gradiente
de protones, entre las que se incluye una muy importante: para que exista
este acoplamiento se necesita una membrana intacta e impermeable a los protones.
De hecho, el transporte de electrones genera un gradiente de protones a través de la
membrana mitocondrial interna. El pH en el exterior es 1,4 unidades más bajo que en
el interior y la diferencia de voltaje, o potencial de membrana, es de 0,14 V, positivo en
el exterior. Este potencial de membrana equivale a una energía libre de 20,89 kJ (5,2
kcal) por mol de protones.
+
−
−
−
+
A medida que los electrones fluyen
a través de la cadena respiratoria se bombean
protones a través de esta membrana.
−
+
−
+
Alta [H + ] H +
+ +
− −
−
+
−
+
Baja [H + ]
−
−
−
+
+
+
Membrana
mitocondrial externa
Membrana
mitocondrial interna
Espacio intermembrana
Matriz
Figura 21.1 Hipótesis quimiosmótica. La transferencia de electrones a través de la cadena
respiratoria da lugar al bombeo de protones desde la matriz al lado citoplasmático de la
membrana mitocondrial interna. El gradiente de pH y el potencial de membrana constituyen
una fuerza protón-motriz que se utiliza para impulsar la síntesis de ATP.

Bacteriorrodopsina en
una vesícula sintética
ATP
sintasa
H +
H +
ADP + P i
ATP
Figura 21.2 Comprobación de la hipótesis
quimiosmótica. Cuando se iluminan vesículas
de membrana reconstituidas que contienen
bacteriorrodopsina (una bomba de protones
impulsada por la luz) y ATP sintasa se sintetiza ATP.
En estas membranas reconstituidas, la orientación
de la ATP sintasa es la opuesta a la que se observa
en las mitocondrias.
Para demostrar de forma elegante el principio básico de la hipótesis quimiosmótica
se creó un sistema artificial que representaba el sistema de respiración celular. El
papel de la cadena transportadora de electrones lo desempeñaba la bacteriorrodopsina,
una proteína de la membrana púrpura de halobacterias que bombea protones cuando
se la ilumina. Se prepararon vesículas sintéticas que contenían bacteriorrodopsina
y ATP sintasa purificada a partir de corazón de buey (Figura 21.2). Cuando se iluminaron
las vesículas se formó ATP. Este experimento calve demostraba claramente que
la cadena respiratoria y la ATP sintasa son sistemas bioquímicamente distintos conectados
únicamente por una fuerza protón-motriz.
La ATP sintasa está formada por una unidad
que canaliza los protones y por una unidad catalítica
Dos aspectos del misterio de cómo se acoplan la oxidación del NADH y la síntesis
de ATP quedan ahora claros: (1) el transporte de electrones genera una fuerza
protón-motriz; (2) la síntesis de ATP por parte de la ATP sintasa se puede impulsar
mediante una fuerza protón-motriz. ¿Cómo se convierte la fuerza protón-motriz en
el elevado potencial de transferencia de fosforilos del ATP?
La ATP sintasa es un complejo enzimático de gran tamaño ubicado en la membrana
mitocondrial interna que parece una bola colocada sobre un palo (Figura
21.3). Gran parte de la parte que corresponde al “palo”, la denominada subunidad
F0, está integrada en la membrana mitocondrial interna. La bola de 85 Å de diámetro,
denominada subunidad F1, se proyecta hacia la matriz mitocondrial. La subunidad
F1 contiene la actividad catalítica de la sintasa. De hecho, las subunidades F1 aisladas
presentan actividad ATPasa.
La subunidad F1 consta de cinco tipos de cadenas polipeptídicas (a3, b3, g, d y
). Las tres subunidades a y las tres subunidades b, que constituyen el grueso de F1, se disponen de forma alternada formando un anillo hexamérico. Los centros activos
se encuentran en las subunidades b. Justo por encima de las subunidades a y b hay
un tallo central que está formado por las proteínas g y . La subunidad g contiene
un largo helicoide enrollado que ocupa el centro del hexámero a3b3. Cada una de
las subunidades b es distinta porque cada una interacciona con una cara distinta de la
subunidad g. Para comprender el mecanismo de la síntesis de ATP es esencial poder
distinguir cada una de las tres subunidades b.
La subunidad F0 es un segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana mitocondrial
interna. F0 contiene el canal de protones del complejo. Este canal consta de un
anillo que está formado por entre 8 y 15 subunidades c, según el organismo donde
se encuentre la enzima, que están integradas en la membrana. Una única subunidad
a se une a la parte externa del anillo. La subunidades F0 y F1 están conectadas de dos
formas: mediante el tallo central g y mediante una columna externa. La columna
externa consta de una subunidad a, dos subunidades b y la subunidad d.
b 2
δ
a
21.1 Síntesis de ATP 369
γ
α β
ε
anillo c
Figura 21.3 Estructura de la ATP
sintasa. Se muestra la estructura
esquemática de la ATP sintasa. Observe que
parte del complejo enzimático (la subunidad
F 0) está integrada en la membrana
mitocondrial interna, mientras que el resto
(la subunidad F 1) reside en la matriz.
[Elaborada a partir de 1E79.pdb and 1COV.pdb.]
F 0
F 1

370 21 La fuerza protón-motriz
? PREGUNTA RÁPIDA 1 ¿Por qué las
subunidades F1 de la ATP sintasa
aisladas catalizan la hidrólisis de ATP?
O
ADP + P i
α
β β
γ
α α
β
ATP
ADP + P i
T
ADP + P i
Figura 21.4 Los lugares de unión a
nucleótidos de la ATP sintasa no son
equivalentes. La subunidad g ocupa el
centro del hexámero a 3b 3 y hace que los
lugares de unión a nucleótidos de las
subunidades b sean distintos entre sí.
L
El flujo de protones a través de la ATP sintasa
da lugar a la liberación del ATP fuertemente unido
La ATP sintasa cataliza la formación de ATP a partir de ADP y ortofosfato.
ADP 32 1 HPO 4 22 1 H 1 N ATP 42 1 H2O
Hay tres centros activos en la enzima y, en todo momento, cada uno está llevando a cabo
una de las tres funciones distintas. La fuerza protón-motriz hace que los tres centros activos
cambien de función de manera secuencial, a medida que los protones fluyen a través
del componente de la enzima que está integrado en la membrana. De hecho, se puede
considerar que la enzima está formada por una parte móvil y una parte estacionaria:
(1) la parte móvil, también llamada rotor, está formada por el anillo c y el tallo g y (2)
la parte estacionaria, también llamada estátor, está formada por el resto de la molécula.
¿Cómo responde cada uno de los tres centros activos de la ATP sintasa al flujo
de protones? Una serie de observaciones experimentales sugirieron un mecanismo de
cambio de unión para la síntesis de ATP impulsada por los protones. Esta propuesta
establece que, mediante un cambio de conformación, una subunidad b puede realizar
cada uno de los tres pasos secuenciales del proceso de síntesis de ATP. Estos pasos son
(1) la captura del ADP y del P i, (2) la síntesis de ATP y (3) la liberación del ATP y la
unión del ADP y del P i. Como ya se ha comentado, las interacciones con la subunidad
g hacen que las tres subunidades b no sean equivalentes (Figura 21.4). En un momento
dado, habrá una subunidad b que estará en la conformación L, relajada. Esta
conformación se une al ADP y al P i. Una segunda subunidad b estará en la conformación
T, tensa. Esta conformación se une al ATP con gran avidez, hasta tal punto que
convertirá al ADP y al P i unidos en ATP. Tanto la conformación L como la T se encuentran
lo suficientemente constreñidas como para no ser capaces de liberar los nucleótidos
unidos. La última subunidad b estará en la forma O, abierta. Esta forma adopta
una conformación más abierta y se puede unir a nucleótidos de adenina o liberarlos.
La rotación de la subunidad g impulsa la interconversión de estas tres formas
(Figura 21.5). El ADP y el P i unidos a la subunidad b en la forma T se combinan para
formar ATP. Supongamos que la subunidad g gira 120 grados en sentido contrario
a las agujas del reloj (si miramos desde la matriz). Esta rotación convierte al centro
activo de la forma T en un centro activo de la forma O con el nucleótido unido en forma
de ATP. Al mismo tiempo, el centro activo de la forma L se convierte en un centro
activo de la forma T, lo que permite la transformación de otro ADP y otro P i en ATP.
El ATP que se encuentra en el centro activo de la forma O puede ahora abandonar la
enzima para ser sustituido por ADP y P i. Una nueva rotación de 120 grados convierte
este centro activo de la forma O en un centro activo de la forma L, con lo que estos
sustratos quedan atrapados. Cada subunidad pasa de la forma T a la forma O y, posteriormente,
a la forma L sin que en ningún momento haya dos subunidades que estén
en la misma conformación. Este mecanismo sugiere que el ATP se puede sintetizar
y liberar impulsando la rotación de la subunidad g en el sentido correcto. Hay que
O L
Rotación de
120° de γ L ATP T L ATP T L ATP T
ADP + Pi γ
ADP + Pi (en sentido
antihorario)
ADP + Pi γ
ADP + Pi ADP + Pi γ
ADP + Pi ADP + Pi γ
ADP + Pi ATP ATP ADP
ATP
+
ADP + P P
i
i
T O
ADP + P i
O O
Figura 21.5 Mecanismo de cambio de unión para la ATP sintasa. La rotación de la subunidad g
interconvierte las tres subunidades b. La subunidad en la forma T (tensa) convierte el ADP y el P i en
ATP, pero no permite que se libere el ATP. Cuando la subunidad g rota 120° en sentido antihorario, la
subunidad en forma T se convierte en la forma O, lo que permite la liberación del ATP. A continuación,
nuevas moléculas de ADP y de Pi pueden unirse a la subunidad en forma O. Otra rotación de 120°
(que no se muestra en la figura) atrapa estos sustratos en una subunidad en forma L

señalar que el papel del gradiente de protones no consiste en participar directamente
en la formación de ATP sino en impulsar la disociación del ATP del enzima.
La catálisis rotativa es el motor molecular más pequeño del mundo
¿Es posible observar directamente la rotación propuesta? Ingeniosos experimentos
han demostrado la rotación utilizando un sencillo sistema experimental formado
únicamente por las subunidades a 3b 3g clonadas (Figura 21.6). Las subunidades b
se modificaron por ingeniería genética para que presenten colas de polihistidina en
su extremo amino, que tienen una elevada afinidad hacia los iones níquel. Gracias
a esta propiedad de las colas de polihistidina, se pudo inmovilizar el complejo a 3b 3
sobre una superficie de vidrio recubierta de iones níquel. La subunidad g estaba unida
a un filamento de actina marcado fluorescentemente para proporcionar un largo
segmento que pudiese ser observado mediante un microscopio de fluorescencia. Curiosamente,
la adición de ATP hacía que el filamento de actina rotase en una dirección
contraria a las agujas del reloj. La subunidad g estaba girando, impulsada por la hidrólisis
del ATP. De este modo, se podía observar la actividad catalítica de una molécula
individual. La rotación en sentido antihorario es consistente con la dirección que
cabría esperar para la hidrólisis porque la molécula se estaba observando desde abajo
si tomamos como referencia la perspectiva mostrada en la Figura 21.5.
Un análisis más detallado en presencia de concentraciones menores de ATP puso
de manifiesto que la subunidad g gira en incrementos de 120 grados. Cada incremento
corresponde a la hidrólisis de una única molécula de ATP. Además, a partir de los
resultados obtenidos con filamentos de actina de distinta longitud (lo que contribuye
a incrementar la resistencia al giro) y midiendo la velocidad de rotación, parece ser
que la enzima funciona con una eficacia cercana al 100%; es decir, prácticamente toda
le energía liberada por la hidrólisis del ATP se convierte en movimiento rotacional.
Filamento de actina
γ
α β
ATP + H 2 O
ADP + P i
Figura 21.6 Observación directa de la rotación de la ATP sintasa impulsada por el ATP. Se
fija el hexámero a3b3 de la ATP sintasa sobre una superficie, con la subunidad g proyectándose
hacia arriba y unida a un filamento de actina marcado fluorescentemente. La adición y posterior
hidrólisis de ATP da lugar a la rotación de la subunidad g en sentido antihorario, que puede
observarse directamente a través de un microscopio de fluorescencia.
El flujo de protones en torno al anillo c impulsa la síntesis de ATP
La observación directa del movimiento rotatorio de la subunidad g es una sólida
evidencia a favor del mecanismo rotacional para la síntesis de ATP. La última pregunta
que queda por responder es: ¿cómo impulsa el flujo de protones a través de F0 la
rotación de la subunidad g? Howard Berg y George Oster propusieron un elegante
mecanismo que ofrece una clara respuesta a esta cuestión. El mecanismo depende de
la estructura de las subunidades a y c y de F0 (Figura 21.7). La subunidad a se apoya
directamente en el anillo formado por entre 8 y 15 subunidades c que atraviesa la
membrana. Las evidencias experimentales relacionadas con la estructura de la subunidad
a son consistentes con un modelo que presenta dos semicanales hidrofílicos
que no atraviesan por completo la membrana (ver la Figura 21.7). Por tanto, los protones
son capaces de introducirse en cualquiera de estos dos canales pero no pueden
atravesar completamente la membrana. La subunidad a está colocada de forma que
cada semicanal interacciona directamente con una subunidad c.
Cambios secuenciales de las formas que
adoptan los tres centros activos de la
ATP sintasa
Subunidad 1 L S T S O S L S T S O…
Subunidad 2 O S L S T S O S L S T…
Subunidad 3 T S O S L S T S O S L…
Ácido
aspártico
Semicanal
del lado
citoplasmático
Semicanal
del lado
de la matriz
Subunidad c
Subunidad a
Figura 21.7 Componentes de la unidad
transportadora de protones de la ATP
sintasa. La subunidad c está formada por
dos hélices que atraviesan la membrana.
En una de las hélices hay un residuo de
ácido aspártico situado en el centro de la
membrana. La estructura de la subunidad a
parece incluir dos semicanales que permiten
la entrada de los protones, que sólo pueden
atravesar parte de la membrana, no toda.
371

372 21 La fuerza protón-motriz
H +
H
Espacio
intermembrana
+
H +
H +
H +
H + H +
H +
H +
H +
Matriz
Figura 21.9 Trayectoria de los protones
a través de la membrana. Cada protón
se introduce en el semicanal del lado
citoplasmático, da una vuelta completa
al anillo c y sale hacia la matriz a través
del otro semicanal
H +
H + H +
H + H +
H
H +
H+
+
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H
No puede rotar
en ninguna
dirección
+
H + H + H+
H
H+
+
H +
H + H +
H +
H
H +
H+
+
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H + H+
H +
H +
H +
H + H +
H +
H
H +
H+
+
H +
H +
H +
H +
H +
H +
H+
H +
H +
H + H +
H +
H
H +
H+
+
H +
H +
H +
H +
H +
H +
Puede
rotar en
sentido
horario
H +
H + H +
H +
H
H +
H+
+
H +
H +
H +
H +
H +
H +
Figura 21.8 El movimiento de los protones a través de la membrana impulsa la rotación del
anillo c. Un protón del espacio intermembrana se introduce en el semicanal del lado citoplasmático
para neutralizar la carga de un residuo de aspartato de una subunidad c. Cuando esta carga está
neutralizada, el anillo c puede girar en sentido horario el sector correspondiente a una subunidad c,
permitiendo que un residuo de ácido aspártico abandone la membrana para alojarse en el semicanal
que comunica con la matriz. Este protón puede desplazarse hacia la matriz, con lo que el sistema
vuelve a su estado inicial.
Cada cadena polipeptídica de la subunidad c forma un par de hélices a que atraviesan
la membrana. Un residuo de ácido aspártico (Asp 61) se encuentra en mitad de
una de las hélices, En un ambiente rico en protones, como el lado citoplasmático de la
membrana mitocondrial, es probable que un protón se introduzca en el semicanal y se
una al residuo de aspartato, neutralizando su carga. A continuación, la subunidad con
el protón unido gira en el interior de la membrana hasta que el ácido aspártico se encuentre
con el ambiente pobre en protones del otro semicanal, y es aquí donde se libera
el protón (Figura 21.8). El movimiento de protones a través de los semicanales desde el
espacio intermembrana, donde la concentración de protones es alta, hacia la matriz, donde
la concentración de protones es baja, impulsa la rotación del anillo c. Su rotación está favorecida
por interacciones hidrofóbicas. Cuando un residuo de ácido aspártico se neutraliza
con un protón puede interaccionar con el entorno hidrofóbico de la membrana.
Por tanto, la subunidad c con el ácido aspártico recién protonado se mueve, con lo que
deja de estar en contacto con el semicanal del lado citoplasmático y se adentra en el
interior de la membrana, al tiempo que las demás subunidades c se mueven al unísono.
Cada protón que entra en el semicanal citoplasmático atraviesa la membrana dejándose
llevar por el giro del anillo c hasta encontrar la salida por el semicanal de la matriz, que
le conecta con el ambiente pobre en protones de la matriz (Figura 21.9). La velocidad
de giro del anillo c es extraordinaria, de casi 100 revoluciones por segundo.
¿Cómo induce la rotación del anillo c la síntesis de ATP? El anillo c está íntimamente
asociado a las subunidades g y . Por tanto, a medida que el anillo c gira, las
subunidades g y dan vueltas en el interior del hexámero a 3b 3 de F 1. A su vez, la
rotación de la subunidad g promueve la síntesis de ATP por medio del mecanismo de
cambio de unión. La columna exterior formada por las dos cadenas b y la subunidad
d evitan la rotación del hexámero a 3b 3. Cada rotación de 360º de la subunidad g da
H+
H +

lugar a la síntesis y liberación de 3 moléculas de ATP. El número de subunidades c
determina la eficiencia con la que el gradiente de protones se convierte en síntesis de
ATP. Por ejemplo, si hay 10 subunidades c en el anillo (tal y como se ha observado
en una estructura cristalina de la ATP sintasa de mitocondrias de levadura), cada
molécula de ATP generada requiere el transporte de 10/3 5 3,33 protones. Evidencias
recientes demuestran que los anillo c de todos los vertebrados están formados por
8 subunidades, lo que convierte a la ATP sintasa de vertebrados en la ATP sintasa más
eficiente conocida, ya que sólo requiere el transporte de 2,7 protones para la síntesis
de ATP. Para simplificar, asumiremos que se tienen que desplazar 3 protones hacia la
matriz por cada molécula de ATP formada. Como veremos más adelante, los electrones
del NADH bombean protones suficientes como para generar 2,5 moléculas de
ATP, mientras que los procedentes del FADH 2 generan 1,5 moléculas de ATP.
Volvamos por un momento al ejemplo con el que empezamos esta sección. Si un
ser humano en reposo necesita 85 kg de ATP diarios para desempeñar las funciones
del organismo, 3,3 3 12 25 protones tendrán que atravesar la ATP sintasa cada día, lo
que equivale a 3,3 3 12 21 protones por segundo. La Figura 21.10 resume el proceso
de la fosforilación oxidativa.
I
Matriz
Espacio
intermembrana
II
ADP + P i
H +
III
H +
ATP
ATP sintasa
Fuerza
protón-motriz
Cadena transportadora de electrones
IV
O 2 H2 O
Figura 21.10 Esquema general de la fosforilación oxidativa. La cadena transportadora
de electrones genera un gradiente de protones que se utiliza para sintetizar ATP.
21.2 Las lanzaderas permiten el movimiento
a través de las membranas mitocondriales
La membrana mitocondrial interna tiene que ser impermeable a la mayoría de las
moléculas, a pesar de que tienen que producirse numerosos intercambios entre el
citoplasma y las mitocondrias. Estos intercambios están mediados por una serie de
proteínas transportadoras que atraviesan la membrana (p. 205).
Los electrones del NADH citoplasmático
entran en las mitocondrias gracias a lanzaderas
Una de las funciones de la cadena respiratoria consiste en regenerar el NAD 1 para que
se utilice en la glicolisis. ¿Cómo se reoxida el NADH citoplasmático a NAD 1 en condiciones
aeróbicas? El NADH no puede sencillamente entrar en las mitocondrias para ser
Sorprendentemente, un ser humano
en reposo consume poca potencia.
Aproximadamente 116 vatios,
el consumo energético de una típica
bombilla incandescente, proporcionan
la energía suficiente para sustentar
a una persona en reposo.
? PREGUNTA RÁPIDA 2 A menudo,
las ATP sintasas purificadas a partir de
distintas fuentes presentan distinto número
de subunidades c. ¿Qué efecto tendría una
modificación en el número de subunidades c
sobre el rendimiento de ATP en función del
flujo de protones?
373

O
Citoplasma
Matriz
NADH + H +
NAD +
CH2OH Glicerol 3-fosfato
deshidrogenasa
citoplasmática CH2OH C HO C H
CH2OPO 3 2– CH 2OPO 3 2–
Dihidroxiacetona
fosfato
E-FADH 2
E-FAD
Q QH 2
Glicerol
3-fosfato
Glicerol 3-fosfato
deshidrogenasa
mitocondrial
Figura 21.11 Lanzadera de glicerol 3-fosfato. Los electrones
procedentes del NADH pueden incorporarse a la cadena
transportadora de electrones mitocondrial reduciendo la
dihidroxiacetona fosfato a glicerol 3-fosfato. La transferencia
de electrones a un grupo prostético FAD de una glicerol 3-fosfato
deshidrogenasa unida a membrana vuelve a oxidar el glicerol
3-fosfato. La posterior transferencia de electrones a Q para
formar QH 2 permite a estos electrones incorporarse a la cadena
transportadora de electrones.
374
H
Citoplasmático Mitocondrial
+ NADH + + E–FAD
NAD E–FADH2 Citoplasmático Mitocondrial
Lanzadera de glicerol 3-fosfato
+ +
NADH
Citoplasma
Matriz α-Cetoglutarato Aspartato
Malato
NAD +
Malato
NAD +
NADH
oxidado por la cadena respiratoria porque la membrana mitocondrial
interna es impermeable tanto al NADH como al NAD 1 . La
solución consiste en que sean los electrones del NADH, en vez del propio
NADH, los que sean transportados a través de la membrana mitocondrial.
Una de las diversas formas de incorporar los electrones del
NADH a la cadena transportadora de electrones es la lanzadera de
glicerol 3-fosfato (Figura 21.11). El primer paso de esta lanzadera
consiste en la transferencia de un par de electrones desde el NADH
a la dihidroxiacetona fosfato, un intermediario de la glicolisis, para
formar glicerol 3-fosfato. Esta reacción está catalizada por una glicerol
3-fosfato deshidrogenasa del citoplasma. El glicerol 3-fosfato
se reoxida a dihidroxiacetona fosfato en la superficie externa de la
membrana mitocondrial interna por medio de una isozima de la
glicerol 3-fosfato deshidrogenasa que se encuentra unida a la membrana.
Se transfiere una pareja de electrones del glicerol 3-fosfato a
un grupo prostético FAD de esta enzima para formar FADH 2. Esta
reacción también regenera la dihidroxiacetona fosfato.
La flavina reducida transfiere sus electrones al transportador
de electrones Q que, a continuación, se incorpora a la cadena respiratoria
en forma de QH 2. Cuando el NADH citoplasmático transportado
por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa se oxida por medio
de la cadena transportadora, en vez 2,5 moléculas de ATP se forman
1,5. El rendimiento es menor porque los electrones del NADH citoplasmático
se incorporan a la cadena transportadora de electrones
por medio del FAD. El uso del FAD permite que se transporten los
electrones del NADH citoplasmático a las mitocondrias en contra
de un gradiente de concentración de NADH, que se forma porque
cuando la demanda de oxígeno es elevada los cofactores reducidos se van acumulando
en las mitocondrias. El precio de este transporte es de una molécula de ATP por cada
dos electrones. Esta lanzadera de glicerol 3-fosfato es especialmente importante en el
músculo y le permite mantener una velocidad de fosforilación oxidativa muy alta. De
hecho, algunos insectos carecen de la lactato deshidrogenasa y dependen por completo
de la lanzadera de glicerol 3-fosfato para la regeneración del NAD 1 citoplasmático.
En el corazón y en el hígado, los electrones del NADH citoplasmático son
transportados a las mitocondrias por medio de la lanzadera malato-aspartato (Figura
21.12). Los electrones se transfieren desde el NADH del citoplasma al oxalacetato,
formando malato, que atraviesa la membrana mitocondrial interna a cambio
de a-cetoglutarato por medio de un antiporte (p. 205). A continuación, el malato se
Oxalacetato Glutamato
α-Cetoglutarato
Oxalacetato
Figura 21.12 Lanzadera malato-aspartato.
Aspartato
Glutamato

vuelve a oxidar a oxalacetato por el NAD 1 de la matriz para formar NADH, en una
reacción catalizada por la malato deshidrogenasa, una de las enzimas del ciclo del
ácido cítrico. El oxalacetato resultante no atraviesa fácilmente la membrana mitocondrial
interna, de manera que hace falta una reacción de transaminación (Capítulo 30)
para formar aspartato, que se puede transportar al citoplasma por medio de otro
antiporte, a cambio de glutamato. El glutamato cede un grupo amino al oxalacetato
para formar aspartato y a-cetoglutarato. En el citoplasma, el aspartato pierde su grupo
amino para formar oxalacetato, con lo que se vuelve a iniciar el ciclo.
La entrada del ADP a las mitocondrias está acoplada a la salida del ATP
La principal función de la fosforilación oxidativa consiste en generar ATP a partir de
ADP. Sin embargo, estos nucleótidos no difunden libremente a través de la membrana
mitocondrial interna. ¿Cómo atraviesan estas moléculas tan cargadas la membrana
mitocondrial interna? Una proteína transportadora específica, la ATP-ADP translocasa,
permite que estas moléculas atraviesen esta barrera de permeabilidad. Y, lo que
es más importante, el flujo de ATP y el del ADP están acoplados. El ADP entra en la
matriz mitocondrial únicamente si sale ATP, y viceversa. Este proceso lo lleva a cabo un
antiporte, la translocasa.
ADP32 citoplasma 1 ATP 42
matriz h ADP32 matriz 1 ATP42 citoplasma
La ATP-ADP translocasa es muy abundante, ya que representa aproximadamente el
15% de las proteínas de la membrana mitocondrial interna. La abundancia es una manifestación
del hecho de que, cada día, los seres humanos intercambian el equivalente a
su peso en ATP. La translocasa de 30 kd contiene un único lugar de unión a nucleótidos
que se orienta alternativamente hacia el lado de la matriz o hacia el lado citoplasmático
de la membrana (Figura 21.13). La clave para el transporte es que el ATP tiene una
carga negativa más que el ADP. Por tanto, en una mitocondria que está respirando activamente
con un potencial de membrana positivo, el transporte de ATP hacia el exterior
de la matriz mitocondrial y el transporte de ADP hacia el interior están favorecidos.
Este intercambio ATP-ADP no está exento de un significativo coste energético; aproximadamente
la cuarta parte del rendimiento energético del transporte de electrones a
través de la cadena respiratoria se consume en regenerar el potencial de membrana que
se pierde durante este proceso de intercambio. La inhibición de la ATP-ADP translocasa
también da lugar a la ulterior inhibición de la respiración celular (p. 380).
ATP
6
Citoplasma
Eversión 5
2 Eversión
4
ATP
Matriz
Figura 21.13 Mecanismo de la ATP-ADP translocasa mitocondrial. La translocasa cataliza
la entrada de ADP a la matriz acoplada a la salida del ATP. En el citoplasma, la unión del ADP (1)
favorece la eversión del transportador (2) para que libere el ADP en la matriz (3). La posterior
unión del ATP de la matriz a la forma evertida (4) favorece el retorno a la conformación original
(5), Tymoczko: liberando Biochemistry: ATP en el citoplasma A Short Course, (6). 2E
Perm. Fig.: 21014 New Fig.: 21-13
First Draft: 2011-08-15
2nd Pass: 2011-08-29
3rd Pass: 2011-09-09
ADP
1
3
ADP
NAD
Citoplasmático Mitocondrial
+
NADH +
NAD NADH
Citoplasmático Mitocondrial
Lanzadera malato-aspartato
+ +
375

376 21 La fuerza protón-motriz
✓✓4 Identificar qué es lo que determina,
en última instancia, la velocidad de
respiración celular.
Los transportadores mitocondriales permiten el intercambio
de metabolitos entre el citoplasma y las mitocondrias
La ATP-ADP translocasa es tan sólo uno de los muchos transportadores de iones y de
moléculas cargadas de las mitocondrias (Figura 21.14). El transportador de fosfato,
que opera de forma coordinada con la ATP-ADP translocasa, interviene en el intercambio
de H 2PO 4 2 por OH 2 . La acción combinada de estos dos transportadores da
lugar al intercambio de ADP y P i citoplasmático por ATP de la matriz, lo que supone
un coste equivalente a la entrada un H 1 (ya que se transporta un OH 2 al exterior de
la matriz que, al unirse a un H 1 para formar H 2O, reduce el gradiente de protones).
Estos dos transportadores, que proporcionan los sustratos a la ATP sintasa, están asociados
con la sintasa para formar un gran complejo denominado ATPsintatosoma.
También hay otros transportadores en la membrana mitocondrial interna. El
transportador dicarboxilato permite que el malato, el succinato y el fumarato salgan
de la matriz mitocondrial a cambio de P i. El transportador tricarboxilato intercambia
citrato y H 1 por malato. El piruvato del citoplasma atraviesa la membrana mitocondrial
a cambio de OH 2 gracias al transportador de piruvato. En total, el genoma
humano codifica más de 40 transportadores de este tipo.
Citoplasma
Membrana
mitocondrial
interna
Matriz
ATP Malato Citrato + H + OH − OH −
ADP Fosfato Malato Piruvato Fosfato
Translocasa
de ADP-ATP
Transportador
de dicarboxilato
Transportador
de tricarboxilato
Transportador
de piruvato
Figura 21.14 Transportadores mitocondriales. Los transportadores son proteínas
transmembrana que transportan determinados iones y metabolitos cargados a través
de la membrana mitocondrial interna.
21.3 La respiración celular está regulada
por la necesidad de ATP
Transportador
de fosfato
En muchas ocasiones hemos observado que muchas rutas catabólicas están reguladas,
de alguna forma, por la concentración de ATP. Como el ATP es el producto final
de la respiración celular, las necesidades de ATP de las células son las que, en última
instancia, determinan la velocidad de las rutas respiratorias y sus componentes.
La oxidación completa de la glucosa produce
aproximadamente 30 moléculas de ATP
Ahora podemos hacer una estimación de cuántos moléculas de ATP se forman cuando
la glucosa se oxida completamente a CO2. Se trata de una “estimación” porque, a
diferencia del ATP que se produce en la glicolisis o en el ciclo del ácido cítrico (que
generan 4 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa y una molécula de ATP,
o de GTP, por cada molécula de piruvato, respectivamente), las estequiometrías del
bombeo de protones, de la síntesis de ATP y de los procesos de transporte de metabolitos
no tienen por qué ser número enteros ni incluso tener un valor fijo. Como ya se
ha comentado anteriormente, a día de hoy, las mejores estimaciones sobre el número
de protones que se bombean al exterior de la matriz por parte de la NADH-Q oxidorreductasa,
de la Q-citocromo c oxidorreductasa y de la citocromo c oxidasa por
cada pareja de electrones son de cuatro, cuatro y dos, respectivamente. La síntesis de
una molécula de ATP está impulsada por el flujo de, aproximadamente, tres protones
a través de la ATP sintasa. Se consume un protón adicional para transportar el

ATP desde la matriz al citoplasma. Por tanto, como resultado del flujo de un par de
electrones desde el NADH al O 2 se generan alrededor de 2,5 moléculas de ATP citoplasmático.
En el caso de los electrones que se incorporan a través de la Q-citocromo
c oxidorreductasa, como los que proceden de la oxidación del succinato o del NADH
citoplasmático, el rendimiento es de alrededor de 1,5 moléculas de ATP por cada par
de electrones. Por tanto, tal y como se ha contabilizado en la Tabla 21.1, cuando la
glucosa se oxida completamente a CO 2 se producen alrededor de 30 moléculas de ATP.
La mayor parte del ATP, 26 de las 30 moléculas que se forman, se genera mediante la
fosforilación oxidativa. Recordemos que el metabolismo anaerobio de la glucosa sólo
produce 2 moléculas de ATP. La eficiencia de la respiración celular se pone de manifiesto
al observar que uno de los efectos de los ejercicios de resistencia, una práctica
que requiere mucho ATP durante un periodo de tiempo prolongado, consiste en aumentar
el número de mitocondrias y de vasos sanguíneos en el músculo, con lo que
aumenta la cantidad de ATP que se genera por medio de la fosforilación oxidativa.
La velocidad de la fosforilación oxidativa
está determinada por la necesidad de ATP
¿Cómo se controla la velocidad de la cadena transportadora de electrones? En las
condiciones fisiológicas más habituales, el transporte de electrones está íntimamente
ligado a la fosforilación. Normalmente, los electrones no se desplazan a través de la
cadena transportadora de electrones hasta el O2 a menos que, al mismo tiempo, el ADP
se fosforile a ATP. Cuando la concentración de ADP aumenta, como ocurriría en un
músculo activo que esté continuamente consumiendo ATP, aumenta la velocidad de
la fosforilación oxidativa para cubrir las necesidades de ATP de la célula. La regulación
de la velocidad de la fosforilación oxidativa por el nivel de ADP se denomina
21.3 Regulación de la respiración 377
Tabla 21.1 Producción de ATP durante la oxidación completa de la glucosa
Secuencia de reacciones ATP producido por
molécula de glucosa
Glicolisis: Conversión de glucosa en piruvato (en el citoplasma)
Fosforilación de la glucosa 21
Fosforilación de la fructosa 6-fosfato 21
Desfosforilación de 2 moléculas de 1,3-BPG 12
Desfosforilación de 2 moléculas de fosfoenolpiruvato 12
Durante la oxidación de 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se forman 2 moléculas de NADH
Conversión de piruvato en acetil-CoA (en el interior de las mitocondrias)
Se forman 2 moléculas de NADH
Ciclo del ácido cítrico (en el interior de las mitocondrias)
A partir de dos moléculas de succinil-CoA se forman 2 moléculas de ATP (o GTP) 12
Durante la oxidación de 2 moléculas de isocitrato, 2 de a-cetoglutarato
y 2 de malato se forman 6 moléculas de NADH
Durante la oxidación de 2 moléculas de succinato se forman 2 moléculas de FADH2 Fosforilación oxidativa (en el interior de las mitocondrias)
En la glicolisis se forman 2 moléculas de NADH; cada una produce 1,5 moléculas de ATP (suponiendo
13
que el NADH es transportado por la lanzadera de glicerol 3-fosfato)
En la descarboxilación oxidativa del piruvato se forman 2 moléculas de NADH;
15
cada una produce 2,5 moléculas de ATP
En el ciclo del ácido cítrico se forman 2 moléculas de FADH2; cada una produce 1,5 moléculas de ATP 13
En el ciclo del ácido cítrico se forman 6 moléculas de NADH; cada una produce 2,5 moléculas de ATP 115
Rendimiento neto por molécula de glucosa 130
Fuente: El rendimiento de ATP durante la fosforilación oxidativa se basa en los valores aportados por P. C. Hinkle, M. A. Kumar, A. Resetar, y D. L. Harris. Biochemistry
30:3576, 1991.
Nota: El valor actual de 30 moléculas de ATP por molécula de glucosa sustituye al anterior, de 36 moléculas de ATP. Las estequiometrías del bombeo de protones,
la síntesis de ATP y el transporte de metabolitos deben considerarse como una estimación. Cuando se utiliza la lanzadera de malato-aspartato en lugar de la lanzadera
de glicerol 3-fosfato se forman, aproximadamente, dos moléculas más de ATP por cada molécula de glucosa oxidada.

O 2 consumido
ADP añadido
Tiempo
Suministro
de ADP
prácticamente
agotado
Figura 21.15 Control respiratorio.
Sólo se transfieren electrones al O 2 si, al
mismo tiempo, el ADP se fosforila a ATP.
Figura 21.16 La carga energética
regula el uso de los combustibles.
La síntesis de ATP a partir de ADP y P i
controla el flujo de electrones desde el
NADH y el FADH 2 al oxígeno. A su vez,
la disponibilidad de NAD + and FAD y FAD
controla la velocidad del ciclo del ácido
cítrico (CAC).
Figura 21.17 Acción de una proteína
desacoplante. La proteína desacoplante 1
(UCP-1) genera calor permitiendo la entrada
de protones a la mitocondria sin que se
sintetice ATP.
378
control respiratorio o control por medio del aceptor. Experimentos realizados con mitocondrias
aisladas han demostrado la importancia del nivel de ADP (Figura 21.15).
La velocidad de consume de oxígeno por parte de las mitocondrias aumenta notablemente
cuando se añade ADP y, a continuación, vuelve a su valor inicial cuando el
ADP añadido se ha convertido en ATP.
Tal y como se comentó en el Capítulo 19, el nivel de ADP también afecta de
forma indirecta a la velocidad del ciclo del ácido cítrico. A concentraciones bajas de
ADP, como cuando el músculo está en reposo, el NADH y el FADH 2 producidos por
el ciclo del ácido cítrico no se oxidan a NAD 1 y FAD por la cadena transportadora de
electrones. El ciclo del ácido cítrico se ralentiza porque hay menos NAD 1 y FAD para
hacer que el ciclo funcione. A medida que el nivel de ADP aumenta y la fosforilación
oxidativa se acelera, el NADH y el FADH 2 se oxidan y el ciclo del ácido cítrico se
vuelve más activo. Los electrones no fluyen desde las moléculas combustible hacia el O 2
a menos que se tenga que sintetizar ATP. Aquí vemos otro ejemplo de la importancia
reguladora de la carga energética (Figura 21.16).
Matriz
Espacio
intermembrana
Acetil CoA
(8 e− FADH2 NADH
)
Aspecto biológico
NAD + , FAD
El desacoplamiento regulado da lugar a la generación de calor
Algunos organismos poseen la capacidad de desacoplar la fosforilación oxidativa de la
síntesis de ATP para generar calor. Este desacoplamiento es una forma de mantener
la temperatura corporal en el caso de los animales que hibernan, en algunos animales
recién nacidos (ser humano incluido) y en mamíferos adaptados al frío. En los
animales, la grasa parda (el tejido adiposo pardo) es un tejido especializado en este
proceso de termogénesis sin tiritera. El tejido adiposo pardo es muy rico en mitocondrias,
las denominadas mitocondrias de la grasa parda. La membrana mitocondrial
interna de estas mitocondrias contiene una gran cantidad de proteína desacoplante 1
Los ácido
grasos
activan
el canal
UCP-1
UCP-1
Matriz
CAC
H +
H+
H +H+
H +
H + H +
H +
O 2
OH −
OH −
O 2
H +
P i
H 2 O
ADP
P i + ADP
Transporte
de electrones
H 2O
ADP + P i
H +
ATP
ATP
Gradiente
de protones
ATP

(UCP-1), también denominada termogenina. La UCP-1 forma una ruta para el flujo
de protones desde el citoplasma a la matriz. Básicamente, la UCP-1 genera calor cortocircuitando
la batería de protones de la mitocondria. A medida que los protones fluyen
a través de UCP-1 hacia la matriz mitocondrial, la energía del gradiente de protones,
que normalmente se transforma en ATP, se libera en forma de calor. Esta ruta disipadora
de protones se activa cuando la temperatura interna del organismo comienza a
descender. En respuesta a un descenso de la temperatura, se segregan hormonas que
provocan la liberación de los ácidos grasos presentes en los triacilgliceroles que, a su
vez, activan la termogenina (Figura 21.17).
Observando el comportamiento de los cerdos podemos ser testigos de los efectos
de la ausencia de termogénesis sin tiritera. Los cerdos son mamíferos atípicos
porque sus camadas son numerosas y porque son los únicos ungulados (animales
con pezuña) que preparan nidos para el parto (Figura 21.18). Estas características
de su comportamiento parecen ser el resultado de una insuficiencia bioquímica. Los
cerdos carecen de UCP-1 y, por tanto, de grasa parda. Los lechones tienen que recurrir
a otras formas de termogénesis. Hacer un nido, una camada numerosa y tiritar son
métodos que permiten a los cerdos compensar la falta de grasa parda.
Hasta hace poco se creía que los seres humanos adultos carecían de tejido adiposo
pardo. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que los adultos, especialmente
las mujeres, poseen tejido adiposo pardo en el cuello y en las regiones superiores
del pecho y que se activa por el frío (Figura 21.19). La obesidad da lugar a una
disminución del tejido adiposo pardo. ■
21.3 Regulación de la respiración 379
Figura 21.18 Nido de lechones. La figura
muestra un jabalí salvaje, que es un miembro
de la familia de los cerdos, con sus lechones
en un nido. [Cortesía de Annelie Andersson.]
Figura 21.19 La exposición al frío
permite visualizar el tejido adiposo
pardo. Los resultados obtenidos con un
escáner de TEP-TC (tomografía de emisión
de positrones y tomografía computarizada)
muestran la absorción y distribución de
18 F-fluorodesoxiglucosa ( 18 F-FDG), un
análogo de la glucosa que no se metaboliza,
en el tejido adiposo. En un mismo sujeto,
los patrones de absorción de 18 F-FDG
son radicalmente distintos en condiciones
térmicas neutras (a la izquierda) y tras
la exposición al frío (a la derecha).
[Cortesía de Wouter van Marken Lichtenbelt.
Copyright 2009 Massachusetts Medical Society.
Todos los derechos reservados.]

NADH
NADH-Q
reductasa
QH2
Q-citocromo c
oxidorreductasa
Bloqueado por
antimicina A
Citocromo c
Bloqueado
por rotenona
y amital
Citocromo c oxidasa
Bloqueado por
CN – –
, N3 , y CO
O 2
Figura 21.20 Lugares de acción de
algunos inhibidores del transporte
de electrones.
380
La fosforilación oxidativa se puede inhibir en muchos puntos
Muchos venenos potentes y letales actúan inhibiendo la fosforilación oxidativa en
alguno de los siguientes puntos.
Inhibición de la cadena transportadora de electrones. Los cuatro complejos de
la cadena transportadora de electrones se pueden inhibir mediante diversos compuestos
que bloquean la transferencia de electrones a través de la cadena y, de este
modo, desactivan la fosforilación oxidativa. La NADH-Q oxidorreductasa (Complejo
I) se inhibe por la rotenona, que se utiliza como veneno para peces e insectos, y por el
amital, un barbitúrico con efectos sedantes. Los inhibidores del Complejo I evitan la
utilización de NADH como sustrato (Figura 21.20). La exposición a la rotenona, junto
con una predisposición genética, se ha relacionado con el desarrollo de la enfermedad
de Parkinson, un trastorno que se caracteriza por temblores en estado de reposo,
lentitud de movimientos, incapacidad de iniciar el movimiento, rigidez e inestabilidad
postural. La inhibición del Complejo I no impide el flujo de los electrones procedentes
del FADH 2 porque estos electrones se incorporan a través de QH 2, más allá del
lugar que está bloqueado. La Q-citocromo c oxidoreductasa (Complejo III) se inhibe
por antimicina A, un antibiótico que se obtiene a partir de Streptomyces y que se utiliza
como veneno para peces. Además, el flujo de electrones a través de la citocromo c
oxidasa (Complejo IV) se puede bloquear por medio de cianuro (CN 2 ), azida (N 3 2 )
y monóxido de carbono (CO). El cianuro y la azida reaccionan con la forma férrica
(Fe 31 ) del grupo hemo a 3, mientras que el monóxido de carbono inhibe la forma
ferrosa (Fe 21 ). La inhibición de la cadena transportadora de electrones también inhibe
la síntesis de ATP porque ya no se puede generar la fuerza protón-motriz.
Inhibición de la ATP sintasa. La oligomicina, un antibiótico utilizado como
agente antifúngico, y la diciclohexilcarbodiimida (DCCD), utilizada para la síntesis
de péptidos en el laboratorio, impiden la entrada de protones a través de la ATP sintasa.
Si se exponen mitocondrias que está respirando activamente a un inhibidor de
la ATP sintasa, la cadena transportadora de electrones deja de funcionar. Esta observación
demuestra con claridad que, normalmente, el transporte de electrones y la
síntesis de ATP están estrechamente acoplados.
Desacoplamiento entre el transporte de electrones y la síntesis de ATP. El estrecho
acoplamiento que existe entre el transporte de electrones y la fosforilación en las mitocondrias
se puede desacoplar por medio de 2,4-dinitrofenol (DNP) y otros compuestos
aromáticos ácidos. Estas sustancias transportan protones a través de la membrana mitocondrial
interna, a favor de su gradiente de concentración. En presencia de estos desacoplantes,
el transporte de electrones desde el NADH al O 2 se produce con normalidad
pero la ATP sintasa mitocondrial no forma ATP porque la fuerza protón-motriz que se
establece a través de la membrana mitocondrial interna se está disipando continuamente.
Esta pérdida de control respiratorio da lugar a un incremento en el consumo de
oxígeno y a la oxidación del NADH. De hecho, al ingerir desacoplantes de forma accidental
se consumen grandes cantidades de combustibles metabólicos pero no se recupera
energía en forma de ATP. En vez de ello, la energía se libera en forma de calor. El
DNP es el ingrediente activo de algunos herbicidas y fungicidas. Curiosamente, algunas
personas consumen DNP como fármaco adelgazante a pesar de que la Agencia Federal
de Alimentos y Medicamentos (FDA) prohibió su uso en 1938. También existen informes
de que se administró DNP a los soldados soviéticos para mantenerlos calientes
durante los largos inviernos rusos. Los desacoplantes químicos son los homólogos no
fisiológicos y no regulados de las proteínas desacoplantes.
Inhibición de la exportación del ATP. La ATP-ADP translocasa se inhibe de forma
específica por bajas concentraciones de atractilósido (un glicósido de origen vegetal)
o de ácido bongcréquico (un antibiótico extraído de un moho). El atractilósido se
une a la translocasa cuando su lugar de unión a nucleótidos está orientado hacia el
citoplasma, mientras que el ácido bongcréquico se une cuando este mismo sitio está
orientado hacia la matriz mitocondrial. La fosforilación oxidativa se detiene poco

después de añadir cualquiera de estos inhibidores, lo que demuestra que la ATP-ADP
translocasa es esencial para el mantenimiento de una cantidad de ADP adecuada para
aceptar la energía asociada a la fuerza protón-motriz.
Asepcto clínico
Se está descubriendo un número cada vez mayor
de enfermedades mitocondriales
El número de enfermedades que se pueden atribuir a mutaciones mitocondriales está
aumentando de forma constante, al mismo ritmo que nuestros conocimientos cada
vez más amplios de la bioquímica y la genética de las mitocondrias. Se ha estimado que
la prevalencia de las enfermedades mitocondriales es de entre 10 y 15 casos por cada
100.000 personas, una frecuencia que es prácticamente equivalente a la de las distrofias
musculares. La primera enfermedad mitocondrial conocida fue la neuropatía óptica hereditaria
de Leber (cuyo acrónimo inglés es LHON), una forma de ceguera que aparece
en la madurez como resultado de mutaciones en el Complejo I. Algunas de estas mutaciones
impiden la utilización del NADH, mientras que otras bloquean la transferencia
de electrones a Q. Las mutaciones en el Complejo I son la causa más frecuente de las
enfermedades mitocondriales, aunque se han descubierto mutaciones en prácticamente
todos los componentes mitocondriales. La acumulación de mutaciones en los genes
mitocondriales durante un periodo de varias décadas puede contribuir al envejecimiento,
enfermedades degenerativas y cáncer. Los defectos en la respiración celular son
doblemente peligrosos. No sólo se reduce la transducción de energía sino que también
aumenta la probabilidad de que se generen especies reactivas del oxígeno. Los órganos
que dependen en gran medida de la fosforilación oxidativa, como el sistema nervioso y
el corazón, son los más vulnerables a las mutaciones en el DNA mitocondrial. ■
La transmisión de energía por medio de gradientes
de protones es un concepto clave de la bioenergética
El concepto más importante que se ha expuesto en este capítulo es que, en las mitocondrias,
la transferencia de electrones y la síntesis de ATP están acopladas por medio
de un gradiente de protones a través de la membrana. En bacterias y cloroplastos, la
síntesis de ATP también está impulsada por gradientes de protones. De hecho, los gradientes
de protones impulsan una serie de procesos que requieren energía como, por
ejemplo, el transporte activo de iones calcio por parte de las mitocondrias, la entrada de
algunos aminoácidos y azúcares en las bacterias, la rotación de los flagelos bacterianos
y la transferencia de electrones desde el NADP1 al NADPH. Como ya hemos visto, los
gradientes de protones también se pueden utilizar para generar calor. Resulta evidente
que, en los sistemas biológicos, los gradientes de protones son la principal divisa de energía
libre interconvertible (Figura 21.21). Mitchell se percató de que la fuerza protón-motriz
es una forma maravillosamente simple y eficaz de almacenar energía libre porque tan
sólo requiere una fina membrana lipídica cerrada que separe dos fases acuosas.
Transporte
activo
Rotación de
los flagelos
Potencial electrónico
∆E
GRADIENTE DE
PROTONES ∆p
ATP
~P
Producción
de calor
Síntesis
de NADPH
21.3 Regulación de la respiración 381
Figura 21.21 El gradiente de protones
es una forma interconvertible de energía
libre.

382 21 La fuerza protón-motriz
Términos clave
ATP sintasa (Complejo V,
ATPasa F 1F 0) (p. 368)
fuerza protón-motriz (p. 368)
cadena transportadora
de electrones (p. 368)
Resumen
21.1 Un gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP
El flujo de electrones a través de los complejos I, III y IV de la cadena transportadora
de electrones da lugar a la transferencia de protones desde el lado de la
matriz hacia el lado citoplasmático de la membrana mitocondrial interna. Se
genera una fuerza protón-motriz que está formada por un gradiente de pH
(básico en el lado de la matriz) y un potencial de membrana (negativo en el
lado de la matriz). El retorno de los protones a la matriz a través de la ATP sintasa
impulsa la síntesis de ATP. El complejo enzimático es un motor molecular
formado por dos unidades operacionales: un componente rotatorio y un componente
estático. La rotación de la subunidad g provoca cambios estructurales
en la subunidad b que dan lugar a la síntesis y liberación de ATP por parte de la
enzima. La entrada de protones proporciona la fuerza para la rotación.
El flujo de dos electrones a través de la NADH-Q oxidorreductasa, la Q-citocromo
c oxidorreductasa y la citocromo c oxidasa genera un gradiente capaz
de sintetizar 1, 1 y 0,5 moléculas de ATP, respectivamente. Por tanto, por cada
molécula de NADH que se oxida en la matriz mitocondrial se forman 2,5 moléculas
de ATP mientras que por cada molécula de FADH2 que se oxida sólo se
forman 1,5 moléculas de ATP porque sus electrones se incorporan a la cadena
por medio de QH2, que está después del primer lugar de bombeo de protones.
21.2 Las lanzaderas permiten el movimiento
a través de las membranas mitocondriales
Las mitocondrias utilizan un conjunto de transportadores para mover moléculas
a través de la membrana mitocondrial interna. Los electrones del NADH
citoplasmático se transfieren a la mitocondria por medio de la lanzadera de glicerol
3-fosfato, con lo que se forma FADH2 a partir de FAD, o por la lanzadera
malato aspartato, con lo que se forma NADH mitocondrial. La entrada de ADP
a la matriz mitocondrial está acoplada a la salida de ATP gracias a la ATP-ADP
translocasa, un transportador impulsado por el potencial de membrana.
21.3 La respiración celular está regulada por la necesidad de ATP
Cuando una molécula de glucosa se oxida completamente a CO2 y H2O se
generan alrededor de 30 moléculas de ATP. Normalmente, el transporte de
electrones se encuentra íntimamente acoplado a la fosforilación. El NADH y
el FADH2 sólo se oxidan si, al mismo tiempo, el ADP se fosforila a ATP, una
forma de regulación denominada control respiratorio o control por medio
del aceptor. Se han identificado proteínas que desacoplan el transporte de
electrones y la síntesis de ATP para generar calor. Los desacoplantes, como
el 2,4-dinitrofenol, también pueden interrumpir este acoplamiento; disipan
el gradiente de protones transportando protones a través de la membrana
mitocondrial interna.
lanzadera de glicerol 3-fosfato (p. 374)
lanzadera malato-aspartato (p. 374)
ATP-ADP translocasa
(translocasa de nucleótidos
de adenina, ANT) (p. 375)
respiración celular (p.376)
control respiratorio
(por medio del aceptor) (p. 377)
proteína desacoplante 1
(UCP-1) (p.378)

? Respuestas a LAS PREGUNTAS RÁPIDAS
1. Recordemos que, al estudiar las reacciones catalizadas por
enzimas, se comentó que la dirección de una reacción está determinada
por el DG entre el sustrato y los productos. Una
enzima acelera la velocidad de las reacciones tanto en un sentido
como en el otro. La hidrólisis del ATP es exergónica y, por
tanto, la ATP sintasa intensificará la reacción hidrolítica.
Problemas
1. Reciclando recursos. Los seres humanos tienen tan sólo unos
250 g de ATP, pero incluso alguien que esté todo el día tumbado
en el sofá necesita alrededor de 83 kg de ATP para abrir la bolsa
de patatas fritas y utilizar el mando a distancia. ¿Cómo se explica
esta diferencia entre las necesidades y los recursos?
2. Barbie y Ken. Asigne a cada término la descripción correspondiente.
(a) ATP sintasa _______ 1. Intercambia NADH
(b) Fuerza protón-motriz citoplasmático por
_______
(c) Cadena transportadora
FADH2 mitocondrial
2. Genera calor en
de electrones _______ lugar de ATP
(d) Lanzadera de glicerol 3. Subunidad catalítica
3-fosfato _______ 4. Convierte la fuerza
(e) Lanzadera malato-
protón-motriz en ATP
aspartato _______ 5. Canal de protones
(f) Control respiratorio 6. Formada por un
(por medio del aceptor) gradiente químico
_______
y un gradiente de carga
(g) Proteína desacoplante 7. Un tiovivo de protones
_______
8. Genera el gradiente
(h) Subunidad F1 _______ de protones
(i) Subunidad F0 _______ 9. El ADP controla la
(j) Anillo c _______
velocidad de respiración
10. Intercambia NADH
citoplasmático por
NADH mitocondrial
3. Cosecha energética. ¿Cuál es el rendimiento de ATP cuando
cada uno de los siguientes sustratos se oxida por completo
a CO 2 por medio de un homogenado de células de mamífero?
Suponga que la glicolisis, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación
oxidativa funcionan a pleno rendimiento.
(a) Piruvato
(b) Lactato
(c) Fructosa 1,6-bisfosfato
(d) Fosfoenolpiruvato
(e) Galactosa
(f) Dihidroxiacetona
fosfato
4. Venenos potentes. ¿Cuál es el efecto de cada uno de los siguientes
inhibidores sobre el transporte de electrones y la formación
de ATP por la cadena respiratoria?
(a) Azida
(b) Atractilósido
(c) Rotenona
(d) DNP
(e) Monóxido de carbono
(f) Antimicina A
Problemas 383
2. El número de subunidades c es importante porque determina
el número de protones que hay que transportar para
generar una molécula de ATP. La ATP sintasa tiene que rotar
360 grados para sintetizar tres moléculas de ATP; por tanto,
cuantas más subunidades c haya, más protones se necesitarán
para hacer que F 1 gire 360 grados.
5. Cuestión de acoplamiento. ¿Qué mecanismo explica el hecho
de que los inhibidores de la ATP sintasa también inhiban
la cadena transportadora de electrones? ✓ 3
6. Consumo de O 2. En las mitocondrias, es frecuente monitorizar
la fosforilación oxidativa midiendo el consumo de oxígeno.
Cuando la fosforilación oxidativa está funcionando rápidamente,
las mitocondrias consumirán rápidamente el
oxígeno. Si hay poca fosforilación oxidativa, sólo se utilizará
una pequeña cantidad de oxígeno. Suponga que le ofrecen una
suspensión de mitocondrias aisladas y se le indica que añada
los siguientes compuestos en orden: del a al h. Al añadir cada
compuesto, los compuestos previamente añadidos siguen estando
presentes. Pronostique el efecto de cada adición sobre el
consumo de oxígeno por parte de las mitocondrias aisladas.
(a) Glucosa
(b) ADP + P i
(c) Citrato
(d) Oligomicina
(e) Succinato
(f) 2,4-Dinitrofenol
(g) Rotenona
(h) Cianuro
7. Mitocondrias fuera de control 1. El número de moléculas
de fosfato inorgánico que se incorporan a compuestos orgánicos
por cada átomo de oxígeno consumido es lo que se denomina
cociente P : O y se utilizaba a menudo como indicador
de la fosforilación oxidativa. Suponga que las mitocondrias de
un paciente oxidan NADH independientemente de que haya o
no ADP. En estas mitocondrias, el cociente P : O de la fosforilación
oxidativa es menor de lo normal. Pronostique los síntomas
más probables de este trastorno.
8. Un residuo esencial. La conducción de protones por la unidad
F 0 de la ATP sintasa se bloquea al modificar una única
cadena lateral por medio de la diciclohexilcarbodiimida.
¿Cuáles son las dianas más probables para la actuación de este
reactivo? ¿Cómo se podría utilizar la mutagénesis dirigida
para determinar si este residuo es esencial para la conducción
de los protones? ✓ 3
9. Mitocondrias fuera de control 2. Hace años, se sugirió que
los desacoplantes podrían ser maravillosos fármacos para
adelgazar. Explique por qué se propuso esta idea y por qué fue
rechazada. ¿Por qué apoyarían esta idea los fabricantes de antitranspirantes?
10. Procesos acoplados. Si se exponen mitocondrias que están
respirando activamente a un inhibidor de la ATP sintasa, la cadena
transportadora de electrones deja de funcionar. ¿Por qué?

384 21 La fuerza protón-motriz
11. Se lo llevó la corriente. ¿Cuál es el papel de los protones en
la síntesis de ATP por parte de la ATP sintasa F 1F 0? ✓ 3 y 4
12. Los opuestos se atraen. Un residuo de arginina (Arg210) de
la subunidad a de la ATP sintasa está cerca del residuo de aspartato
(Asp61) en el canal de protones que está comunicado
con la matriz. ¿Cómo podría la Arg210 ayudar al flujo de protones?
✓ 3
13. Subunidades c variables. Recordemos que el número de subunidades
c del anillo c parece estar comprendido entre 8 y 15.
Este número es importante porque determina el número de protones
que se tienen que transportar para generar una molécula
de ATP. Cada rotación de 360 grados de la subunidad g da lugar
a la síntesis y liberación de tres moléculas de ATP. Por tanto, si
hay 10 subunidades c en el anillo (tal y como se ha observado en
una estructura cristalina de la ATPasa de mitocondrias de levadura),
cada ATP generado necesita el transporte de 10/3 5 3,33
protones. ¿Cuántos protones se necesitan para formar ATP si el
anillo tiene 8 subunidades c? ¿Y si tiene 12? ¿Y si tiene 15? ✓ 3
14. A cada cual, según sus necesidades. Se ha observado que, a
menudo, las mitocondrias de las células musculares presentan
más crestas que las mitocondrias de las células hepáticas. Sugiera
una explicación. ✓ 4
15. Todo está conectado. Si se exponen mitocondrias que están
respirando activamente a un inhibidor de la ATP-ADP translocasa,
la cadena transportadora de electrones se detiene. ¿Por
qué? ✓ 4
16. Exagerando la diferencia. ¿Por qué la ATP-ADP translocasa
tiene que utilizar formas de ATP y de ADP libres de Mg21 ?
✓ 4
17. Carraca browniana. ¿Qué es lo que provoca la rotación de
las subunidades c de la ATP sintasa? ¿Qué es lo que determina
el sentido de giro? ✓ 3
18. Multiuso. Cite un ejemplo del uso de la fuerza protón-motriz
que no sea la síntesis de ATP.
19. Conexiones. ¿Cómo afecta la inhibición de la ATP-ADP translocasa
al ciclo del ácido cítrico? ¿Y a la glicolisis aeróbica? ✓ 4
20. Control respiratorio. La velocidad de consumo de oxígeno
por parte de las mitocondrias aumenta notablemente cuando
se añade ADP para descender después hasta su valor inicial
cuando el ADP añadido se ha convertido en ATP (ver la Figura
21.15). ¿Por qué disminuye la velocidad? ✓ 4
21. Lo mismo, pero distinto. ¿Por qué el intercambio eléctricamente
neutro de H 2
2PO4 por OH2 es indistinguible del simporte
eléctricamente neutro de H 2
2PO4 y H1 ?
22. En contra de lo que cabría esperar. En determinadas condiciones,
se ha observado que la ATP sintasa mitocondrial opera
en sentido inverso. ¿Cómo afectaría esta situación a la fuerza
protón-motriz?
23. No es un rumor sino una evidencia. Describa las evidencias
que respaldan la hipótesis quimiosmótica. ✓ 3
24. Imposición de un gradiente. Los mitoplastos son mitocondrias
que carecen de la membrana externa pero que siguen
siendo capaces de llevar a cabo la fosforilación oxidativa. Su-
ponga que introduce mitoplastos en un tampón a pH 7 durante
varias horas. A continuación, recupera rápidamente los mitoplastos
y los introduce en un tampón a pH 4 que contiene
ADP y P i. ¿Se sintetizaría ATP? Explique por qué. ✓ 3
Problemas de integración de capítulos
25. Obedeciendo las leyes de la termodinámica. ¿Por qué las subunidades
F 1 aisladas tendrán actividad ATPasa pero no actividad
ATP sintasa? Entonces, ¿por qué la enzima funciona en
las mitocondrias como una ATP sintasa?
26. ¿Etiología? ¿Qué quiere decir eso? La rotenona aumente la
susceptibilidad a la enfermedad de Parkinson ¿Qué indica este
hecho sobre la etiología de esta enfermedad?
27. El lugar correcto. Algunas quinasas citoplasmáticas, enzimas
que fosforilan sustratos a costa del ATP, se unen a canales
aniónicos dependientes del voltaje (VDACs, p. 351). ¿Cuál es la
ventaja de este tipo de unión?
28. Sin intercambio. Mediante la técnica del “knockout” se
pueden generar ratones que carecen por completo de la ATP-
ADP translocasa (ANT 2 / ANT 2 ). Curiosamente, estos ratones
son viables pero presentan los siguientes estados patológicos:
(1) niveles elevados de lactato, alanina y succinato en la
sangre; (2) poco transporte de electrones y (3) los niveles de
H 2O 2 en las mitocondrias son entre 6 y 8 veces más altos de los
observados en ratones normales. Sugiera una posible explicación
bioquímica para cada uno de estos síntomas. ✓ 4
29. Rutas alternativas. La señal metabólica más habitual de un
trastorno mitocondrial es la acidosis láctica. ¿Por qué? ✓ 4
Problema de interpretación de datos para atrevidos
30. Enfermedad mitocondrial. Se ha identificado una mutación
en un gen mitocondrial que codifica un componente de
la ATP sintasa. Las personas que presentan esta mutación padecen
debilidad muscular, ataxia y retinitis pigmentosa. Se
realizaron biopsias de los tejidos de tres pacientes que presentaban
esta mutación y se aislaron partículas submitocondriales
que eran capaces de sintetizar ATP a partir de succinato.
En primer lugar se midió la actividad de la ATP sintasa
tras la adición de succinato y se obtuvieron los siguientes
resultados.
Actividad ATP sintasa (nmoles de ATP formados min 21 mg 21 )
Controles 3,0
Paciente 1 0,25
Paciente 2 0,11
Paciente 3 0,17
(a) ¿Con qué fin se añadió el succinato?
(b) ¿Cuál es el efecto de la mutación sobre la síntesis de ATP
asociada al succinato?
A continuación se midió la actividad ATPasa de la enzima incubando
las partículas submitocondriales con ATP en ausencia
de succinato.

Hidrólisis de ATP (nmoles de ATP hidrolizados min 21 mg 21 )
Controles 33
Paciente 1 30
Paciente 2 25
Paciente 3 31
(c) ¿Por qué se excluye al succinato de la reacción?
(d) ¿Cuál es ele efecto de la mutación sobre la hidrólisis del
ATP?
(e) ¿Qué indican estos resultados, junto con los del primer
experimento, sobre la naturaleza de la mutación?
Problemas para atrevidos
31. Cocientes P:O. El cociente P:O se puede utilizar para monitorizar
la fosforilación oxidativa (ver el problema 7).
(a) ¿Qué relación hay entre el cociente P:O, el cociente
H 1 /2e 2 (el número de protones translocados por cada par de
electrones) y el cociente P/ H 1 (el número de protones necesarios
para sintetizar ATP y transportarlo al citoplasma)?
(b) ¿Cuál es el cociente P:O en el caso de los electrones cedidos
por el NADH de la matriz? ¿Y en el caso de los electrones
cedidos por el succinato?
Problemas 385
32. Antídoto para el cianuro. La administración inmediata de
nitrito es un tratamiento muy eficaz para el envenenamiento
por cianuro. ¿En qué se basa la actuación de este antídoto?
(Pista: el nitrito oxida la ferrohemoglobina a ferrihemoglobina).
33. Cambio de divisas. Para una fuerza protón-motriz de 0,2 V
(negativa en la matriz), ¿cuál es la máxima proporción [ATP]/
[ADP][P i] compatible con la síntesis de ATP? Calcule esta proporción
tres veces, suponiendo que el número de protones
translocados por cada ATP formada es de dos, tres y cuatro y
que la temperatura es de 25 °C. ✓ 3
34. Identificando la inhibición. Se le pide que determine si un
producto químico es un inhibidor de la cadena transportadora
de electrones o un inhibidor de la ATP sintasa. Diseñe un
experimento para hacer esta comprobación.
En la dirección www.whfreeman.com/tymoczko2e se pueden encontrar lecturas recomendadas para este capítulo.