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Biología y Embriología UN5: Cómo las células obtienen energía Mitocondrias Las mitocondrias se hallan en todos los tipos celulares y constituyen uno de los ejemplos de integración morfofuncional mas admirables, ya que proveen de andamiaje a sobre el que asientan las innumerables moléculas que participan en las reacciones que transfieren la energía depositada en los alimentos a una molécula extraordinariamente versátil como es el ATP. Las mitocondrias son cilíndricas, aunque experimentan cambios de forma sutiles, derivados de su actividad. Su número varía según el tipo celular. Están ubicadas en las regiones de las células donde la demanda de energía es mayor; así se desplazan de un lado a otro del citoplasma hacia las zonas necesitadas de energía. Los microtúbulos y las proteínas motoras asociadas intervienen en tales desplazamientos. En algunos tipos celulares, como los espermatozoides, los adipocitos y las células musculares triadas, las mitocondrias se hallan inmovilizadas en lugares fijos. Morfología de las mitocondrias. Las mitocondrias poseen dos membranas y dos compartimientos. Este organoide posee dos membranas una externa y otra interna, que da lugar a dos compartimientos, el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial. Matriz mitocondrial: posee diversas moléculas entre ellas: (1) el complejo de la piruvato deshidrogenasa, responsable de la descarboxilación oxidativa que convierte al piruvato en acetil CoA, (2) las enzimas del ciclo de Krebs, excepto la succinato deshidrogenasa, (3) las enzimas que escinden a los ácidos grasos ( oxidación de los ácidos grasos), (4) O2, ADP, fosfato, (5) las coenzimas A (CoA), y NAD+, (6) gránulos de distintos tamaños, compuestos principalmente por calcio, (7) varias copias de un ADN circular. (8) Trece tipos de ARNm, sintetizados a partir de otros tantos genes de ese AD (mitocondrial), (9) dos tipos de ARNr, los cuales forman ribosomas parecidos a los del citosol y (10) veintidós tipos de ARNt para los veinte aminoácidos.

Membrana interna: la membrana interna desarrolla plegamientos hacia la matriz que dan lugar a las llamadas crestas mitocondriales, formadas con el objeto de aumentar la superficie membranosa. La forma y el número de las crestas varían en los distintos tipos celulares. La membrana interna de las mitocondrias presenta un alto grado de especialización, y ambas caras de su bicapa exhiben una marcada asimetría, entre ellas se ubican las moléculas: (1) un fosfolípido doble, el difosfatidilglicerol o cardiolipina que impide el pasaje de la mayoría de los solutos en cualquier dirección. (2) Diversas proteínas transportadoras que permiten el pasaje selectivo de iones y moléculas que permiten el pasaje selectivo de iones y moléculas, algunas desde el espacio intermembranoso a la matriz mitocondrial y otras desde la matriz al espacio intermembranoso. (3) Las moléculas involucradas en las oxidaciones de la fosforilación oxidativa, que en conjunto componen la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Existen innumerables copias de estos conjuntos en el plano de la bicapa lipídica, cada uno integrado por tres grandes complejos enzimáticos, llamados NADH deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, b-c1 y citocromo oxidasa, entre los cuales se encuentran dos transportadores de electrones pequeños, denominados ubiquinona y citrocomo c. (4) La ATP sintasa, que s un complejo proteico ubicado en las inmediaciones de la cadena transportadora de electrones. Presenta dos sectores, uno transmembranoso (porción F 0), que tiene un túnel para el pasaje de protones, otro orientado hacia la matriz mitocondrial (porción F 1). Este último cataliza la formación de ATP a partir de ADP y fosfato, o sea, es el responsable de las fosforilaciones a que hace referencia el término “fosforilación oxidativa”. Membrana externa: es permeable a los solutos presentes en el citosol, pero no a las macromoléculas. Ello se debe a que en su bicapa lipídica posee numerosos proteínas transmembranosas multipaso llamadas porinas, que forman canales acuosos de regular tamaño por los que pasan libremente iones y moléculas pequeñas. En las porinas los tramos proteicos que cruzan la bicapa lipídica exhiben una estructura en hoja plegada beta. Además posee enzimas capaces de modificar a los ácidos grasos para que estos puedan atravesar la membrana interna e ingresar a la matriz mitocondrial, donde son degradados a grupos aceteilo. Espacio intermembranoso: dada la presencia de las porinas en la membrana externa, su contenido de soluto es similar al del citosol, aunque posee algunos elementos propios y una elevada concentración de H+.

Funciones de la mitocondrias. La función principal es generar ATP. Como se menciono antes, en presencia de O2, mediante la descarboxilación oxidativa, la mitocondria, traslada ADP para transformarlo en ATP (la energía depositada en las uniones químicas de las moléculas de los alimentos). Otras funciones. Las mitocondrias desempeñan otras funciones. o

Remoción de Ca2+ del citosol. Normalmente esta función está a cargo del RE. No obstante, cuando la concentración de calcio aumenta en le citosol a niveles peligrosos para la célula, se pone en acción una Ca2+ ATPasa localizada en la membrana interna de las mitocondrias, que al bombear el calcio hacia la matriz mitocondrial lo retira del citosol.

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Síntesis de aminoácidos. A partir de determinadas moléculas intermediarias del ciclo de Krebs, en las mitocondrias de los hepatocitos tienen lugar algunos pasos metabólicos que llevan a la síntesis de varios aminoácidos.

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Síntesis de esteroides. En algunas células de la corteza suprarrenal, de los ovarios y de los testículos, la mitocondria participa en la síntesis de diversos esteroides. En primer término, el colesterol, captado por las células es transportado hacia la mitocondria, donde una enzima localizada en la membrana mitocondrial interna lo convierte en pregnenolona. Esta sale de la mitocondria e ingresa en el RE, donde continúa su metabolismo mediante diversas enzimas que actúan secuencialmente. En el caso de la corteza suprarrenal dan lugar a desoxicorticosterona, desoxicortisol y al andrógeno androstenodiona. Los dos primeros esteroides, luego de abandonar el RE, regresan a la mitocondria, donde la 11 B hidroxilasa convierte a la desoxicorticosterona en corticosterona y al desoxicortisol en Cortisol. Estos glucocorticoides son producidos en las células de la zona fasciculada de la corteza suprarrenal. Posteriormente, en el citoplasma de las células de la zona Glomerulosa, por acción de la 18 hidroxilasa y la 18 hidroxiesteroide oxidasa, la corticosterona se convierte en el mineralocorticoide aldosterona. La mayor parte de los pasos metabólicos mencionados son oxidaciones, y en su transcurso una familia de citocromos presentes en la mitocondria (citocromos P450) actúan como receptores de electrones.

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Muerte celular.

Obtención de energía Procesos celulares que requieren energía. La mayor parte de la energía que usa la célula es provista por el ATP. Las células necesitan energía para realizar casi todas sus actividades. La energía es tomada de moléculas de ATP. Estas, a pesar del insignificante espacio que ocupan, permiten tener al alcance una gran cantidad de energía de fácil disponibilidad, de modo que puede ser utilizada tan pronto y donde se la necesite. A energía se halla depositada en las uniones químicas entre los fosfatos del ATP, aunque suele utilizarse solamente la que involucra al fosfato terminal. Asó, cuando el ATP se hidroliza, junto con la liberación de energía se genera ADP y un fosfato. Como vemos, el ADP se

comporta como una pequeña “batería descargada”, que al cargarse por la unión de un fosfato se convierte en ATP, la “batería cargada”. Las usinas generadoras de moléculas de ATP son las mitocondrias, que toman la energía depositada en las uniones covalentes de las moléculas de los alimentos y la transfieren al ADP. Una vez formado, el ATP sale de la mitocondria y se difunde por la célula, de modo que su energía puede ser usada para las distintas actividades celulares. Al removerse la energía del ATP, se reconstituye el ADP, que reingresa en las mitocondrias para recibir una nueva “carga” de energía. Las células poseen una enorme cantidad de mitocondrias, cada una de las cuales produce innumerables moléculas de ATP. Estas, como las mitocondrias, se localizan cerca de los sitios de consumo. Los procesos que requieren energía son los siguientes: 1. Síntesis y degradación de moléculas. 2. Transporte de solutos en contra de gradientes electroquímicos a través de sus membranas. 3. Incorporación de macromoléculas y partículas desde el exterior. 4. Secreción de macromoléculas al medio extracelular. 5. Migración o contracción celular. 6. Desplazamiento de sus propios componentes. 7. Multiplicación. 8. Recibimiento de señales del exterior y conducirlas hasta los sitios celulares adecuados. La energía es tomada de los alimentos. En última instancia la energía de los alimentos procede del sol. En las plantas, a partir del CO 2 y H2O, la luz solar sa lugar a una serie de reacciones que convierten la energía lumínica en energía química, que queda depositada en las uniones covalentes de las moléculas de los vegetales. La energía de los alimentos vegetales es tomada por los herbívoros, que a su vez sirven de alimento a los carnívoros. Las sustancias alimenticias se clasifican en hidratos de carbono, grasas, proteínas, minerales y H2O, a los cuales debe agregarse el =2. Los alimentos ingresan en el organismo por el sistema digestivo, salvo el oxigeno, que lo hace por el sistema respiratorio. Una vez que la energía ha sido extraída de los alimentos, quedan como productos de desecho dióxido de carbono y agua, a los que deben sumarse algunas sustancias nitrogenadas derivadas del catabolismo de las proteínas. No toda la energía depositada en las uniones químicas de las moléculas alimenticias es transferida al ATP, y a que durante las sucesivas reacciones que conducen a su formación parte de esa energía se convierte en calor. Debe señalarse que desde el punto de vista termodinámico el calor que se genera en el escenario celular como consecuencia de las reacciones químicas es también un producto de desecho. No obstante, en términos de aprovechamiento de energía para producir trabajo la células son muy eficientes. Así, en las células el 40% de la energía liberada sirve para actividades provechosas y el 60% se disipa como calor. El mejor rendimiento logrado por la célula se debe a que degrada a los alimentos en forma gradual, por medio de enzimas que ella misma sintetiza. Energía de los alimentos. La energía de las moléculas alimenticias es extraída mediante oxidaciones. La mayor parte de la energía contenida en las moléculas de los alimentos es extraída mediante una sucesión de oxidaciones, al cabo de las cuales el oxigeno atmosférico se une al hidrogeno y al carbono liberados por esas moléculas y se forma agua y dióxido de carbono, respectivamente. La gradualidad arriba mencionada resulta de tales oxidaciones, puestos que éstas se cumplen paso a

paso y en algunos de esos pasos se liberan pequeñas porciones de energía. Si las oxidaciones no fueran graduales, la energía química se liberaría súbitamente y se disiparía como calor. Una molécula se oxida no solamente cuando gana oxígeno sino también cuando pierde hidrógenos. Debido a que éste puede disociarse en un electrón y un protón, en un sentido general toda remoción de electrones de cualquier átomo o molécula constituye una reacción de oxidación. Si el electrón removido proviene de un átomo de hidrogeno, el protón resultante puede permanecer en la molécula oxidada, o puede ser removido y pasar al medio acuoso. Ulteriormente los electrones y los protones pueden volver a unirse, por ejemplo para formar agua. Toda oxidación de un átomo o de una molécula está atada a la reducción de otro átomo o de otra molécula, que entonces ganan hidrogeno o electrones, o pierden oxígeno. Durante el procesamiento de los alimentos, en algunas reacciones de oxidación y reducción intervienen dos moléculas intermediarias cardinales: las coenzimas NAD y FAD. En su forma oxidad la primera se representa como NAD+, y en su forma reducida con la sigla NADH, la segunda FAD y FADH2, respectivamente. Los alimentos son degradados por enzimas. Apenas los alimentos son ingeridos, los polisacáridos, los lípidos y las proteínas que los integran comienzan a ser escindidos en moléculas cada vez mas pequeñas por acción de enzimas. Estos procesos se cumplen de forma tal que las moléculas transformadas por unas enzimas son modificadas a continuación por otras, y así consecutivamente. De este modo se establecen verdaderas cadenas metabólicas degradativas, que en los primeros pasos son distintas para cada tipo de alimento, pero que en las etapas finales confluyen en una vía metabólica común. La escisión enzimática de los alimentos tiene lugar en tres escenarios; el tubo digestivo, el citosol y la mitocondria. La degradación de los alimentos comienza en el sistema digestivo. La primera etapa enzimática de los alimentos es en la luz del tubo digestivo, es extracelular. Así, mediante enzimas secretadas por diversas células de dicho tubo, los hidratos de carbono se degradan a monosacáridos, los lípidos se convierten en ácidos grasos y glicerol y las proteínas son degradadas a aminoácidos. Tras ser absorbidas por el epitelio intestinal estas moléculas ingresan a la sangre y por ella llegan a las células. Para asegurarse un abastecimiento continuo de energía, las células guardan en el citosol parte de la glucosa y de los acodos grasos bajo la forma de glucógeno y de triacilgliceroles, respectivamente. Respiración celular. El metabolismo tiene dos fases complementarias, el catabolismo que libera energía al degradar moléculas complejas en sus componentes que son más pequeños y el anabolismo, que es la síntesis de moléculas complejas a partir de componentes más sencillos. Las reacciones anabólicas dan por resultado la formación de moléculas de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos y otras moléculas que ayudan a mantener la vida de la célula o del organismo. Casi todas las reacciones anabólicas son endergónicas, es decir, absorben energía por lo que requieren de alguna forma de energía que las impulse, como lo es el ATP. Todo organismo (unicelular y pluricelular) debe extraer energía de las moléculas de alimento que toma del ambiente o que sintetiza el mismo. Los seres humanos obtenemos moléculas orgánicas de una dieta muy variada animal y vegetal. ¿Cómo se obtiene energía de estas moléculas orgánicas? En primer lugar, las moléculas complejas de alimento se degradan mediante la digestión hasta componentes más simples que son absorbidos en la sangre y transportados a todas las células. Los procesos catabólicos que

convierten la energía de los enlaces químicos de los nutrientes en energía química almacenada en el ATP tienen lugar dentro de las células, por lo general mediante un proceso conocido como respiración celular. Cabe aclarar que se emplea el término respiración celular para distinguirla de la respiración a nivel del organismo, es decir, el proceso de intercambio de gases, liberación de dióxido de arbono y consumo de oxígeno, entre los pulmones o las branquias y el medio ambiente. La sangre transporta oxígeno de los pulmones a los tejidos del cuerpo y lleva dióxido de carbono (producto de desecho de la respiración celular) en dirección contraria. La mayoría de los eucariontes y procariontes realizan la respiración aerobia, una forma de respiración celular que requiere oxígeno molecular (O2). Durante la respiración aerobia, los nutrientes se catabolizan hasta dióxido de carbono y agua. La mayoría de las células emplean la respiración aerobia para obtener energía a partir de la glucosa, que entra a la célula a través de una proteína de transporte específica de la membrana plasmática, mediante difusión facilitada. El alimento contiene mucha energía. Las células no “queman” la glucosa. Por el contrario, liberan gradualmente la energía de la glucosa y otros compuestos alimentarios. Al proceso que libera energía al descomponer las moléculas de alimentos en la presencia de oxígeno, se le conoce como respiración celular. La reacción general de la respiración celular de la glucosa es: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía (en los enlaces químicos del ATP) Las tres etapas de la respiración celular son:  Glucólisis, en el citoplasma.  El ciclo de Krebs, en la mitocondria.  La cadena respiratoria o transportadora de electrones, en las crestas mitocondriales.

En los eucariontes, la primera etapa de la respiración celular, la glucólisis, se realiza en el citoplasma, y las dos etapas siguientes tienen lugar en el interior de las mitocondrias: crestas y matriz. La mayoría de los procariontes (las eubacterias y arqueobacterias) también efectúan estos procesos, pero como sus células no poseen mitocondrias, todas las etapas se llevan a cabo en el citoplasma y en asociación con la membrana plasmática.

Glucolisis. Tiene lugar en el citosol. Mediante una serie de reacciones químicas agrupadas con el nombre de glucolisis, en las que intervienen 10 enzimas consecutivas localizadas en el citosol, cada molécula de glucosa que posee 6 átomos de C da lugar a dos moléculas de piruvato de 3 carbonos cada una. Al comienzo de este proceso, se invierte la energía de dos ATP. No obstante, debido a que de inmediato se generan cuatro, se ganan dos ATP, uno por cada piruvato. Además, una parte de la energía liberada durante la glucólisis no es transferida directamente al ATP sino que promueve la reducción de dos NAD+. La energía contenida en los NADH surgidos de la glucolisis es transferida al ATP. Los ácidos grasos son degradados en las mitocondrias. A diferencia de la glucosa, los ácidos grasos no se degradan en el citosol. Pasan a las mitocondrias, donde una serie de enzimas específicas los desdobla hasta generar entre 8 y 9 acetilos cada uno.

El proceso degradativo se denomina beta oxidación y comprende varios ciclo sucesivos, siete cuando se trata de un acido graso de 16 átomos de C. Es que el acido graso cede un acetilo por ciclo. Además, cada ciclo produce un NADH y un FADH2. La - oxidación de los ácidos grasos es conducida por las enzimas acil CoA deshidrogenasa, enoil CoA hidratasa, hidroxiciacil CoA deshidrogenasa y  cetoacil CoA tiolasa, Igual que los acetilos derivados de la descarboxilación oxidativa del piruvato, los surgidos de la oxidación de los ácidos grasos son cedidos a la CoA e ingresan en el ciclo de Krebs. Las grasas aportan más energía que los hidratos de carbono por la cantidad de NADH y FADH2 suplementarios que se generan durante la  oxidación de los ácidos grasos, proporcionalmente mayor que los producidos por la glucosa durante la glucolisis y la descarboxilación oxidativa. Degradación de aminoácidos. Sus primeros productos son muy variados. En lo que atañe a los aminoácidos, cuando no se utilizan para sintetizar proteínas u otras moléculas y son requeridos para generar energía, se convierten algunos en piruvato, otros en acetilo y otros en moléculas intermediarias del ciclo de Krebs. Descarboxilación oxidativa. Se produce en la matriz mitocondrial. Proveniente del citosol, el piruvato ingresa en la matriz mitocondrial, donde por acción de la piruvato deshidrogenasa pierde un carbono y se convierte en el grupo acetilo de la acetil CoA. Recordemos que en esta conversión además de CO 2, se genera energía suficiente para formar un NADH, de modo que por cada molécula de glucosa se originan dos de estos dinucleótidos. A los grupos acetilo generados a partir de los piruvatos deben sumarse a los derivados de la escisión de los ácidos grasos y del metabolismo de algunos aminoácidos. Cualquiera que sea su origen, siempre en la matriz mitocondria, el grupo acetilo de cada acetil CoA se incorpora al ciclo de Krebs. Para ello se combina con una molécula de 4 carbonos (el oxalacetato), con la que forma una molécula de 6 carbonos llamada citrato, que da inicio y nombre al ciclo (por ácido cítrico). Luego los NADH y FADH2, son oxidados en sendos puntos al comienzo de una serie de complejos moleculares que se agrupan con el nombre de cadena transportadora de electrones, de modo que los NADH y los FADH2 vuelven a convertirse en NAD+ y FAD respectivamente. Cuando ambas moléculas son oxidadas, la energía liberada depositada en sus moléculas se libera y es transferida al ADP que se halla en las mitocondrias, el cual, dado que se fosforila, se convierte en ATP. Ciclo de Krebs. También llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxiílicos, comprende una serie de nueve reacciones químicas mediadas por tantas enzimas específicas. Estas actúan secuencialmente; lo hacen de forma tal que el último de sus productos vuelve a ser el oxalacetato, el cual, al combinarse con el grupo acetilo de otra acetil CoA, genera de nuevo ácido cítrico. Con esta molécula se inicia otro ciclo de Krebs, y así sucesivamente mientras haya oxigeno y acetilos disponibles. Al cumplirse cada vuelta del ciclo de Krebs, dos de los seis carbonos del ácido cítrico se liberan como CO 2. Además se genera energía suficiente para formar un ATP, tres NADH y un FADH2. Puesto que se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs para procesar a los dos acetilos derivados de la glucolisis de una molécula de glucosa, cada uno de estos monosacáridos da lugar a dos ATP, seis NADH y dos FADH2. Debe advertirse que el ATP se forma a partir de GTP, que es el nucleósido trifosfato surgido del ciclo.

La enzima del ciclo de Krebs encargada de transferir el H2 al FAD es la succinato deshidrogenasa. El primer y tercer NADH surgidos del ciclo de Krebs aparecen sendos H+, pues los sustratos oxidados, a diferencia de lo que acontece en la glucolisis, en la descarboxilación oxidativa y en la formación del segundo NADH nacido del ciclo de Krebs, ceden un H2 en lugar de un H. Las moléculas de CO2 formadas durante la descarboxilación oxidativa y el ciclo de Krebs pasan al citosol, de éste al espacio extracelular y finalmente a la sangre, que las transporta para su eliminación. Fosforilación oxidativa. La energía contenida en los NADH y FADH2 formados durante el ciclo de Krebs se transfiere al ATP después de una serie de procesos que comienzan con la oxidación de ambos dinucleotidos. Los átomos de hidrogeno liberados de los NADH y del FADH2 como consecuencia de ambas oxidaciones se disocian en H+ y e- . Es importante señalar que los e- surgidos de estos procesos NADH → NAD+ + 1H+ + 2eposeen un elevado potencial de transferencia, es decir, una gran FADH2 → FAD + 2H+ + 2ecantidad de energía. Así ingresan en la cadena respiratoria. Dado que cada componente de la cadena posee por los electrones una afinidad mayor que su prodecesor, los electrotes fluyen por ella. Para los e- cedidos por el NADH, el punto de entrada es la NADH deshidrogenasa (complejo 1). De ésta pasa a la ubiquinona, que los transfiere al complejo b-c (complejo II). Los e- dejan este complejo e ingresan al citocromo c, desde el cual pasan al ultimo eslabón de la cadena, la citocromo oxidasa (complejo IV). Durante este trayecto los e- consumen la mayor parte de su energía y al concluirlo retornan a la matriz mitocondrial.

Por su lado, los e- cedidos por el FADH2 tienen como punto de entrada la succinato deshidrogenasa (complejo II), que los transfiere a la ubiquinona, a partir de la cual fluyen por los restantes eslabones de la cadena en el mismo orden en que lo hacen los electrones cedidos por el NADH. El potencial de transferencia de los e- va disminuyendo en las sucesivas reacciones de oxido reducción que se producen a lo largo de la cadena respiratoria, de modo que en cada etapa los electrones pasan a un estado de menor energía, la cual es bastante reducida cuando los eabandonan el último eslabón de la cadena. La energía cedida por los electrones es utilizada para transportar a los protones desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembranoso, ya que los H+ son transferidos desde un medio en

que se hallan menos concentrados a otro en que su concentración es mayor. El mecanismo que hace posible el pasaje de los H+ no a sido determinado. Solo se sabe que los protones pasan a través de los complejos principales de la cadena respiratoria, los cuales actuarían como verdaderas bombas de H+.

La existencia de un gradiente de concentración de protones (o gradiente de pH) entre ambos lados de la membrana mitocondrial interna es acompañada por un gradiente de voltaje o potencial eléctrico, bastante más positivo en la cara de la membrana que da al espacio intermembranoso. El gradiente electroquímico derivado de la suma de ambas fuerzas se traduce en la energía llamada protonicomotora, que impulsa a los protones a regresar a la matriz mitocondrial, ahora por transporte pasivo. Los H+ retornan por el túnel de la ATP sintasa. En síntesis, a medida que la energía sustraída por los electrones es utilizada para transferir los protones hacia el espacio intermembranoso, es absorbida por los propios H+, que la retienen como energía protonicomotora. La fosforilación es mediada por la ATP sintasa. La ATP sintasa está integrada por dos unidades que poseen localizaciones y funciones diferentes. Una atraviesa la bicapa lipídica (F 0) y la otra da hacia la matriz mitocondrial (porción F 1). La porción F 0 forma un túnel que permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial, mientras que la porción F 1 es responsable de la fosforilación, es decir, cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. El regreso de los protones y la síntesis de ATP, si bien son procesos acoplados, se cumplen en dos lugares diferentes de la ATP sintasa. La energía necesaria para la síntesis del ATP proviene de la energía protonicomotora contenida en los protones, que la van perdiendo a medida que regresan pasivamente a la matriz mitocondrial. En síntesis, la ATP sintasa se comporta como un turbina que convierte una clase de energía en otras más provechosas para la célula, la energía química depositada entre el segundo y el tercer fosfato del ATP. Se generan aproximadamente 2,5 ATP por cada NADH procesados y 1,5 por cada FADH2. EL ATP sale al citosol por un cotransportador pasivo localizado en la membrana mitocondrial interna, la ATP- ADP translocasa. Por cada ATP que la atraviesa entra un ADP en la matriz mitocondria. La ATP sintasa puede también llamarse ATPasa.

Los H+ y los e- se combinan con el oxigeno atmosférico para formar agua. Cabe ahora indagar sobre el destino de los electrones, los cuales, luego de perder una parte sustancial de su energía, abandonan la cadena respiratoria y regresan a la matriz mitocondrial. Se combinan con los protones venidos del espacio intermembranoso y el oxigeno proveniente de la atmosfera, lo cual da lugar a la formación de agua. La atracción de los e- por el O2 se debe a que poseen una gran afinidad por éste, mayor que la que tienen por la citocromo oxidasa, luego por donde salen de la cadena respiratoria. Con la formación del agua culmina la fosforilación oxidativa. Se necesitan 4 electrones y 4 protones por cada oxigeno para que se produzcan 2 moléculas de agua, que es uno de los productos finales del metabolismo. El agua pasa de la mitocondria al citosol, donde puede quedar retenida o salir al espacio extracelular. Los NADH generados durante la glucolisis no ingresan en la mitocondria. Hasta ahora hemos soslayado el destino de los NADH generados durante la glucolisis. A diferencia de los NADH formados en las mitocondrias, que rinden 2,5 ATP cada uno, los de la glucolisis a veces generan 1,5 ATP y a veces 2,5 ATP. El menor rendimiento energético se debe a que el NADH citosólico no puede ingresar en la mitocondria, puesto que su membrana interna le es impermeable. Para que el NADH citosólico pueda ceder su energía al ATP, ingresan en la mitocondria solo sus electrones y protones, ya que no el propio NADH. Ello es posible gracias a ciertas moléculas citosólicas que actúan como “lanzaderas”. Así, una lanzadera, luego de captar los electrones y un protón del NADH, los conduce a la mitocondria, donde los transfiere a otra molécula; luego retorna sin ellos al citosol, por lo que queda disponible para una nueva operación. Una de las lanzaderas es el glicerol 3 fosfatos, formado en el citosol al reducirse la dihidroxiacetona 3 fosfato. El glicerol 3- fosfato ingresa en el espacio intermembranoso y se pone en contacto con la membrana mitocondrial interna, más precisamente con el FAD, al que le cede los e- y los dos H+. es decir, una molécula de hidrógeno. Se forma por lo tanto un FADH2, que como sabemos cede sus electrones a la ubiquinona. En presencia de O2 por cada molécula de glucosa se generan 36 ATP. Para efectuar el cálculo de la energía ganada en unidades de ATP al cabo de la oxidación de una molécula de glucosa se debe sumar la energía producida en el citosol a la gestada en la mitocondria. La glucolisis genera 4 moléculas de ATP. Debido a que gasta 2, esta etapa hay una ganancia neta de 2 ATP. Pero además genera 2 NADH, que por ser citosólicos producen 2 ATP cada uno, 4 en total. Así el aporte de la glucolisis es de 6 ATP, 2 generados en el citosol y 4 en la mitocondria. Los dos piruvatos derivados de la glucolisis entran en la mitocondria donde por descarboxilación oxidativa se convierten en dos acetilos. El proceso genera 2 NADH, uno por cada piruvato. Dado que por cada NADH la fosforilación oxidativa produce 3 ATP, esta etapa rinde 6 ATP. En el ciclo de Krebs cada acetilo genera 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH2, por lo que al cabo de las dos vueltas que se necesitan para metabolizar a los dos acetilos surgen 2 ATP, 6 NADH y FADH2. Dado que por cada NADH la fosforilación oxidativa genera 3 ATP y por cada FADH2 2 ATP, a los 2 ATP surgidos de las dos vueltas del ciclo de Krebs deben sumárseles los 18 ATP aportados por los 6 NADH mas los 4 ATP aportados por los 2 FADH2 lo que hace un total de 24 ATP. Sumados a los 6 ATP de la glucólisis y a los 6 ATP de la descarboxilación oxidativa, la ganancia de energía por molécula de glucosa es de 36 ATP. Respecto de los ácidos grasos, si bien en su degradación no existen procesos equivalentes a la glucólisis y a la descarboxilación oxidativa aportan más energía que la glucosa debido a los NADH y los FADH2 suplementarios producidos durante la beta oxidación de sus cadenas.

En las células musculares el piruvato puede convertirse en lactato. En las células musculares, cuando sobrepasan un determinado nivel de actividad, agotan el oxigeno atmosférico que les llega mediante los glóbulos rojos, situación que es normal. Anta la falta de O2, el piruvato, en lugar de convertirse en el grupo acetilo de la acetil CoA, se transforma en lactato. Este proceso metabólico se conoce con el nombre de fermentación láctica. Como es obvio, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa se omiten. El lactato producido en las células musculares pasa a la sangre y llega al hígado. En los hepatocitos, el lactato se convierte en glucosa, que utilizará la célula muscular si continúa demandando energía. En las mitocondrias de las células de la grasa parda la energía generada por las oxidaciones se disipa en forma de calor. Si la energía protonicomotora de los H+ situados en el espacio intermembranoso no se rescatara para formar ATP; los protones, al volver a la matriz mitocondrial, igual se unirían a los electrones y al oxigeno para formar agua, pero la energía protonicomotora, al cabo de la reacción, se convertirá en energía térmica, es decir, se disipa como calor. Esto es lo que ocurre en las células adiposas de la denominada grasa parda, cuyas mitocondrias son incapaces de transferir la energía protonicomotora al ATP. Es que en la membrana interna de estas mitocondrias existe un transportar de H+ llamado termogenina, el cual debido a que no posee porción F 1, es decir la función enzimática de la ATP sintasa, permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial sin que su energía sea aprovechada para formar ATP. En consecuencia, la energía protonicomotora, al reaccionar los H+ con los e- y el O2 atmosférico durante la formación de H2O se disipa como calor. La grasa parda es un tejido que poseen los recién nacidos en la región interescapular. Si el niño nace en un medio muy frio, los ácidos grasos de los triacilgliceroles depositados en las células de la grasa parada se degradan y generan calor en lugar de ATP. La grasa parda puede ser vital en el momento del nacimiento, al permitir una rápida adaptación de los recién nacidos a las bajas temperaturas. GLUCOLISIS + DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA + CICLO DE KREBS MOLÉCULAS IMPORTANTES: cardiolipina; ADP; ATP; CoA, NAD-PH+; fosfato; FAD