Flujos energeticos celulares

La celula viva puede describirse termodinamicamente como un sistema abierto isotermicoque se perpetua y replica por si solo, a traves de reacciones organicas consecutivas que sonpromovidas por catalizadores producidos por la misma celula. EI total de las reaccionesconsecutivas se denomina metabolismo (figura 7.1). Aqui nos ocuparemos del metabolismoenergetico, el cual puede definirse como el conjunto de reacciones que almacenan energia.Como es sabido, el metabolismo se divide en dos tipos:Anabolismo que incluye principalmenteaquellos procesos de producci6n de moleculas organicas complejas; y catabolismo quecomprende los procesos de degradaci6n de sustancias complejas con la concomitantegeneraci6n de energia. En nuestro planeta, se desarrolla principalmente, pero no de maneraexclusiva, en un ambiente oxidante, de donde /os organismos obtienen la energiacatab61icamente de la oxidaci6n de sustancias organicas. Como vimos en el capitulo 5, unareaccion termodinamicamente desfavorable, puede lIevarse a cabo en la direccion desfavorable,si esta se acopla a una reacci6n exergonica. En principio, cualquier reaccion exergonica puedeservir a esta funcion siempre y cuando libere suficiente energia libre. En los sistemas vivos,gran parte de esta energia se obtiene a partir de la oxidacion de sustancias organicas. EIoxigeno es un oxidante muy fuerte, pues tiende a atraer electrones y reducirse durante elproceso. Por esta tendencia y por su abundancia en nuestra atmosfera, no resulta sorprendenteque los organismos vivos hayan desarrollado la habilidad de obtener energia a partir de laoxidacion de sustancias organicas.

Son relativamente pocas las reacciones que implican la transferencia directa de electronesde un sustrato reducido hacia el oxigeno. Como veremos mas adelante, en la cadena respiratoriahay una transferencia de este tipo y a esta cadena tam bien se Ie llama cadena de transporteelectronico. En la cadena respiratoria, los electrones pasan por transportadores de electronesintermediarios como el NAD+ y final mente se transfieren al oxigeno, al cual se Ie denominaaceptor final de electrones. Si la energia proviene principalmente de las reacciones oxidativas,entre mas reducido sea el sustrato mayor sera su potencial de generar energia biologica.

Usando un calorimetro, se puede comprobar que la combustion de una grasa genera masenergia que la combustion de un carbohidrato. Por ejemplo, la combustion del acido palmiticogenera 38.90 KJ/g mientras que la combustion de la glucosa solo genera 15.64 KJ/g.

Los carbones mas reducidos del acido graso contienen mas protones y electrones que elcarbohidrato para combinarse con el oxfgeno y formar C02. Esto puede ser visualizado en larelacion moles de C02 producidas por moles de 02 consumidas durante la oxidacion, la cualse conoce como cociente de respiracion 0 CR. De las ecua~iones anteriores, podemos apreciarque el acido graso tiene un valor de CR de 0.7 (16 C02/23 02) mientras que la glucosa poseeun valor de 1 (6 C02 /6 02). En general, cuanto mas pequeno sea el valor de CR del sustrato,mayor sera su potencial de generar energfa biologica por mol. Otra manera de expresar estarelacion es que se obtienen mas equivalentes reductores a traves de la oxidacion de la grasaque de la oxidacion del carbohidrato. Un equivalente reductor se define de manera someracomo un atomo de hidrogeno (un proton y un electron por cada atomo de hidrogeno). Porejemplo, en la reduccion del atomo de oxfgeno en agua se utilizan dos equivalentes reductores.

112 O2

+ 2e- + 2H+ -7 H20

Como se sabe, la oxidacion con oxfgeno no es la (mica vfa metabolica para obtenerenergfa, Otras sustancias, adem as del oxfgeno, pueden servir como aceptores finales deelectrones. Por ejemplo, algunas bacterias, como las que se encuentran en las chimeneashidrotermicas en 105 fondos marinos, reducen el azufre en sulfuros, siendo este elemento elaceptor final de electrones. Otras bacterias, reducen 105 nitritos en amonio. Tambien muchosmicroorganismos pueden 0 deben vivir en anaerobiosis (en ausencia de oxfgeno). Estosorganismos obtienen su energfa a partir, de las fermentaciones, las cuales se definen simplementecomo 105 catabolismos energeticos que no implica una oxidacion neta. Un buen ejemplo es laproduccion de etanol y C02 a partir de la glucosa, la cual discutiremos mas adelante.

En ambas celulas, aerobias y anaerobias, se conserva la energfa de la molecula nutritivacomo energfa quimfca durante la oxidacion y no es transformada en calor. Especfficamente, laenergfa se conserva en un compuesto, como 10 mencionamos anteriormente, el trifosfato deadenosina 0 AlP. EIATP es el transportador de energfa dentro de la celula y este es producidogracias a la energfa qufmica obtenida en la oxidacion del nutriente 0 sustrato (figura 7.2).

,,-,1//.....(9"- Sol -/" .•...//1'''''.

Durante la oxidacion del sustrato, el ATP se forma a partir del ADP (difosfato de adenosina) enuna reaccion acoplada. De esta manera, parte de la energia del sustrato se conserva en lanueva molecula de ATP formada. La energia quimica de! ATP a su vez se utiliza para realizartrabajos mecanicos, quimicos u osmoticos en la celula, dura'~te 105 cuales el ADP es formado.En otras palabras, el ATP es la molecula cargada de energia y el.ADP es la forma descargada.Las etapas quimicas en la carga y descarga del ATP son catalizadas por sistemas enzimaticos.EI principio basico y central de la energia celular es el ATP .(vease capitulo 6).

Sin embargo, la vida no solo puede depender de 105 metabolismos oxidativos comofuente de energia y continuar indefinidamente convirtiendo el carbon organico en C02 ydepositandolo en la atmosfera. Las reacciones oxidativas solo representan la mitad del grancicio del carbon-energia en la naturaleza (figura 7.3). Lasplantas,algasy algunos microorganismos,105 cuales usan la energia de la luz solar para obtener una cantidad enorme de energia librelIevan a cabo la reaccion inversa a la oxidacion de carbohidratos. Estareaccion es la fotosintesis.Ella no solo provee de carbohidratos para la produccion de energia en plantas y animales, sinotambien es la principal via por la que el carbon reentra de la atmosfera y es la principal fuentede oxigeno. Los registros fosiles sugieren que 105 organismos fotosinteticos aparecieron en latierra hace tres mil millones de afios. Ellos transformaron gradualmente la atmosfera primitivano oxidativa de la Tierra, en una atmosfera oxidativa la cual dio lugar a la evolucion del

Figura 7.3 Conversion de la energia par arganismas heteratrofas par media del ATP en trabaja quimico (biasintesis),trabaja mecanica (mavimienta) y trabaja de transparte.

metabolismo aerobio y de 105animales. Hoy, la fotosintesis representa la principal fuente deenergia de casi toda la vida. Esto hay que tomarlo con cautela, pues como se sabe ahora,algunas bacterias como aquellas relacionadas en las chimeneas hldrotE~rmicas de 105fondosmarinos, puedan utilizar sustancias como H2S 0 H2 como fuente alternativa de energia enausencia total de luz. Sin embargo, estas representan una fracci6n muy pequena de la energiafluyendo en la bi6sfera.

Conversiones especializadas de energia

Ademas de 105sistemas de obtenci6n de energia a partir de 105alimentos 0 sustratos, existentambien otro tipo de transformaciones energeticas en 105sistemas biol6gicos. Por ejemplo,una anguila electrica puede producir descargas electricas de varios cientos de volts de potencial,las cuales se originan transformando energia quimica. Los destellos luminosos producidos por lasluciernagas tambien contituyen transformaciones de la energia quimica del ATP. Por otro lado,el escarabajo bombardero puede lanzar sorpresivo canon convirtiendo la energia quimica delper6xido de hidr6geno en energia presi6n-volumen del gas oxigeno en expansi6n. Existenaun otras maneras, men os evidentes y mas utiles, con las cuales la energia es utilizada ytransformada por 105organismos vivientes. Por ejemplo, se requiere de energia para crear lamuy compleja forma de organismo vivo y la gran diversidad morfol6gica de las diferentesespecies de vida. Los organism os vivos son ricos en informaci6n, la cual puede considerarsecomo una forma de energia. Como ya 10 hemos visto, es una ley fundamental de latermodinamica que todos 105atomos y moleculas en el universo tienden inexorablemente abuscar el mas aleatorio y desordenado de 105estados, con el menor contenido de energia. Esdecir, el estado de mayor entropia. EI mantenimiento de la complejidad biol6gica y elseguimiento de la evoluci6n hacia la complejidad futura son materias de interes fundamentalesy lejos de estar resueltas por 105bi610gos.

Laproducci6n primaria de biomasa en la bi6sfera se encuentra a cargo de organismos fot6trofos105cuales son capaces de sintetizar ATP usando la energia luminosa. Todos 105organismosfot6trofos tambien pueden funcionar como quimi6trofos produciendo ATP de las moleculasorganicas cuando no hay disponibilidad de radiaci6n luminosa. En realidad 105organismosfot6trofos pueden considerarse organismos quimi6trofos que tambien pueden obtener energiade .Iaradiaci6n luminosa. La mayoria de 105organismos fot6trofos usan el C02 para cubrir susnecesidades de carb6n.

La fotosintesis contituye el metabolismo mas importante para toda la vida en este planeta,ya que todas las formas de vida, cualquiera que sea su fuente inmediata de energia, depend enen ultima instancia de la energia solar. La transformaci6n de la energia solar en energia quimica,que ocurre en 105organismos procariotes fotosinteticos y en, 105c1oroplastos de las plantas,resulta crucial para todo el mundo biol6gico de este planeta. La energia quimica acumuladaen 105compuestos organicos que sirven de alimento a 105organismos quimi6trofos, es elproducto de la transformaci6n de la energia solar en energia quimica lIevada a cabo por 105

organismos fotosinteticos. No solo la energia derivada de la fotosintesis es importante, tambien105 materiales sintetizados representan la mayor fuente para las estructuras celulares. Usando 105

productos de la fotosintesis y pocos compuestos inorganicos obten;dos del ambiente, seconstruyen 105 organismos vivos con sus estructuras complicadas y multifaceticas.

EIprincipal objetivo de la fotosintesis es el de reducir el C02 al nivel de oxidacion en elque se encuentra en 105 azucares, mientras que un donador de hidrogeno es oxidado. Enestos terminos, se puede formular la siguiente ecuacion general de la-fotosintesis:

donde H2A es el donador de electrones (hidrogenos), A es la forma oxidada de H20 y [CH20]es el material celular en el cual el carbono se encuentra en el nivel de oxidacion de uncarbohidrato. De la ecuacion anterior se puede deducir que no siempre es el agua el donadorde electrones. EIagua es el donador de electrones en el caso de las plantas verdes y las algaseucariotes, pero no asi en el caso de las bacterias fotosinteticas, las cuales no tienen lamaquinaria fotoquimica y metabolica necesaria para extraer 105 electrones del agua. Estasbacterias fotosinteticas usan una gran variedad de sustancias incluyendo H2, H2S, H2S203, Yaun compuestos organicos como el succinato 0 lactato. En esta parte vamos a dividir en dospartes el proceso de fotosintesis: La incorporacion de la energia luminosa en la celula y lasintesis de materia organica a partir del C02. Estasdos etapas se conocen como las reaccionesiluminadas y reacciones oscuras. Las primeras se utilizan en la fase temprana de la fotosintesispara transformar la energia luminosa en energia quimica. Las reacciones oscuras no requierenluz y usan la energia quimica producida en las primeras etapas para sintetizar azucares apartir de C02 y H20.

Incorporaci6n de la energia luminosa

La luz visible es una forma de radiacion electromagnetica que tiene una longitud de ondaentre 400 y 700 nm y esta colocada dentro del espectro despues de 105 rayos ultravioleta yantes de 105 rayos infrarrojos (figura 7.4). La luz tiene dos tipos de comportamiento: Unoelectromagnetico, como por ejemplo en el caso de la difusion, difraccion y reflexion. Por elotro lado, la luz tiene comportamientos corpusculares, como cuando un rayo de luz incide enla superficie de ciertos materiales, como el selenio, eyectando electrones de la superficie. Aeste ultimo fenomeno se Ie conoce como el efecto fotoelectrico y se utiliza com unmente enlas celdas fotoelectricas. Como resultado de estas observaciones, Einstein propuso que la luzdebe ser considerada como ondas de particulas lIamadas fotones (paquetes de quanta).

La energia contenida en 105 fotones no es constante y su valor depende de la longitudde ondil (figura 7.5). Los fotones con una longitud de onda grande, colocados en la parte roja deespectro, contienen menDs energia que 105 fotones con una corta longitud de onda, colocadosen la parte azul del espectro. La ecuacion que relaciona el contenido de energia en 105 fotonescon su longitud de onda 0 frecuencia es:

cE = hv = h- [7.1]

Adonde E es la energia de un quantum de luz, v es la frecuencia en vibraciones por segundo,h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y A es la longitud de onda. La unidad

Figura 7.4 Espectro de laradiacion electromagnetica.

Luz visible

UV i I R'I,."", '"I ! 'I I

-6 -4-2

I,III

I' Io 2. 4 6

Longit ud de onda (log em)

molar de la energia en la luz es el einstein. En una mol de luz, hay 6.023 x 1023 fotones, 0 seael mismo numero de Avogadro que de moleculas en una mol.

Excitacion de pigmentos con la luz

EIprimer paso en el uso de la energia luminosa es el poder captar la energia contenida en 105

fotones. Esta operaci6n se realiza por medio de la absorci6n de la luz A. seguida de unaexcitaci6n de algun pigmento. Todas las sustancias absorben cierto tipo de irradiaci6n luminosa

c(l)+-enC'w 50

.•....•

ou~

500 600

Longitud de onda (nm)

Figura 7.6 Espectros d~ ab·sorcion de luz de las clorofi/asa y b, y de la eficienciafotosintetica.

Eficiencio en __ /'"fotoslntesis , ~

II I

I I\

( \

Clorofila a : \I \

I \,,,/ \

\

400 500 600Longitud de onda (nm)

y estas se encuentran caracterizadas por su espectra de absorcion. En las plantas verdes, lac1orofila es el pigmento que absorbe la energfa luminosa y su espectro de absorcion es similaral espectro de eficiencia de la fotosintesis (figura 7.6). Como se puede observar esta figura, lac1orofila absorbe fuertemente luz en las regiones de 400 a 450 nm (Iuz violeta) y 640 a 660nm (Iuz roja). La c10rafila es verde debido a la luz transmitida entre 105450 Y 640 nm.

La luz absorbida por 105pigmentos en realidad es absorbida por algunos eledrones enla molecula. Los electrones colocados cerca del nucleo del atomo son electrones de bajaenergfa. Por el contrario, aquellos colocados en 105orbitales exteriores 0 lejanos al nucleocontienen mayor energia. Para poder desplazar a un electron de un orbital bajo hacia unorbital superior resulta necesario usar energfa, puesto que hay que desplazar una partfculanegativamente cargada de una partfcula positiva (nucleo), esa energfa puede ser suministradapor la luz. Cuando un foton choca con algun atomo 0 con una molecula que absorbe luz, unelectron de 105orbitales cercanos al nucleo puede absorber el foton y ganar la energia y asidesplazarse hacia un orbital mas alejado del nucleo y de mayor energia. Cuando esto sucedese dice que la molecula 0 pigmento esta en su estado excitado. Los diferentes Momos sonexcitados por radiaciones a una longitud de onda especifica, esto es decir, cada atomo tienesu propio espectra de excitacion. Para que un electron sea excitado debe absorber un fotonque contenga por 10menDs una energfa igual a la diferencia de energias entre 105dos orbitales.Un foton de menor energia no puede excitar el electron.

Los atomos 0 las moleculas excitadas son muy inestables debido a que 105electrones dealta energfa tienden a retornar a su estado basal, regresando al orbital de baja energia (figura7.7). Por ejemplo, una molecula excitada de c1orofila solo tiene un tiempo de vida del ordende 10-9 segundos y puede perder su energia en diferentes maneras:

1. La energia puede perderse bajo la forma de calor en pequenas etapas de relajamiento.Esto es 10 que acontece cuando la c1orofila absorbe un quantum de luz azul quecorresponde a una ganancia de 267 Kl/mol a 450 nm. EI electron excitado bajarapidamente al primer estado excitado singlete, disipando asi su exceso de energia. Laenergfa util disponible para el organismo en este caso, no es mas mayor en luz azul queen luz raja.

Electron en unnivel de alto energlo

Electron en unnivel de bojo energlo

Figura 7.7 Representaci6n esquematica de la excitacion, por luz, de una molecula y retorno a su estado basal pormedio de emision de luz (f1uorescencia).

2. La energia puede ser remitida como fluorescencia bajo la forma de un quantum delongitud de onda ligeramente mayor, 0 sea de menor energia. Como regia, solo regresade este modo, una pequena proporcion de las moleculas excitadas a su estado normal.

3. La energia puede ser transferida hacia las moleculas vecinas con una pequena perdida.Dos moleculas de pigmentos pueden intercambiar energia en realidad por medio de unmecanisme de resonancia cuando se sobrepone la banda de florescencia del donador ala banda de absorcion del aceptor y si las moleculas se encuentran 10 suficientementecerca. En realidad, esto es 10 que sucede en las antenas de 105 sistemas fotosinteticos, endonde diferentes pigmentos son empacados por medio de ciertas proteinas y la energiase transfiere a traves de estos pigmentos hasta lIegar a 105 centros de reaccion. Latransmision de la energia esta facilitada por la organizacion espacial de la antena.

4. Finalmente, la c1orofila puede regresar a su estado basal participando en una reaccionfotoquimica. Los centros de reaccion son capaces de capitalizar este acto, proporcionandoun aceptor del electron excitado y dando un electron para reducir la c1orofila oxidadainstantaneamente. En este punta termina la absorcion de energia y comienza la trans-duccion.

Los pigmentos cosechadores de luz son muy diversos y caracteristicos de cada c1asedeorganismos. Las c1orofilas son 105 pigmentos mas abundantes en las plantas y en las algasverdes. Lasdos principales c1orofilasson la c1orofila a y la c1orofila b, las cuales poseen diferentespropiedades espectrofotometricas. Las estructuras moleculares de las c1orofilas (figura 7.8)estan constituidas por un grupo porfirina que consiste en cuatro anillos pirrol unidos entre sialrededor de un atomo de Mg+2.Tambien contiene una cadena larga de hidrocarburo, el fitol,la cual tiene que ver con la afinidad de la c1orofila hacia 105 lipidos 0 grasas. La c1orofila a sedistinge de la c1orofila b solo por la presencia de un grupo aldehido (-HCO) en lugar de ungrupo metilo (figura 7.8)

Las bacterias fotosinteticas (a las cianobaterias se les considera en otro grupo), tambiencontienen c1orofila de un solo tipo, la bacterioclorofila, recordando que estas bacterias noproducen oxigeno. Proch/oron es el (mico organismo procarionte que contiene c1orofila a y

0<;<;>CH,

c1orofila b. Este microorganismo es el favorito ideal como precursor dentro de la evoluci6nhacia las algas verdes y plantas superiores. Los organismos que siempre producen oxigeno,como las cianobacterias, algas verdes y plantas superiores contienen siempre c1orofila a.

Aparte de las c1orofilas, existen muchos otros pigmentos en las celulas fotosinteticas.Estos pigmentos adicionales incluyen 105 carotenos, que son pigmentos amarillos, pardos 0rojos, las ficocianinas (pigmentos azules) y ficoeritrinas (pigmentos rajos). Estos pigmentosresultan muy abundantes en algunas algas fotosinteticas que son de color rojo, pardo, verdes

o azules, y en bacterias fotosinteticas, algunas de las cuales son purpura. Estos pigmentosadicionales absorben luz a longitudes de onda que la c1orofila no puede absorber, y luegoesta energia se transfiere a la c1orofila. La energia abs.orbida por 105pigmentos adicionalessiempre debe ser transferida hacia las c1orofilas antes de realizar el trabajo fotoquimico.

Cloroplastos y tilacoides

Los pigmentos se encuentran localizados, en el caso de 105organismos fotosinteticos eucariotes,en 105organelos lIamados c1oroplastos. Gran parte de las celulas de las hojas contiene unadocena de ellos, son gl6bulos ova/ados de color verde intenso y de 5 a 10 ~ de longitud. Losc1oroplastos estan constituidos por una serie de membranas internas Ilamadas tilacoides quese encuentran por el estroma (fase internal, y aislados del resto de la celula par membranas(figura 7.9). Los tilacoides consisten en vesiculas aplanadas con las bicapas lipidicas muycerca una de la otra, dejando espacios internos de 56105 nm. En 105c1oroplastos de las plantassuperiores, la mayoria de 105 tilacoides se hallan dispuestos como discos 0 monedassobrepuestos unos sobre otros; a esta configuraci6n se Ie llama grana. La granas individualesestan conectadas entre ellas por medio de otro tilacoide, simple y largo lIamado tilacoideestromal (figura 7.9). En 105 tilacoides se realiza el trabajo mas importante dentro de lafotosintesis: La captaci6n de luz, por medio de las antenas que contienen 105 pigmentos(c1orofilas), la catalisis del transporte electr6nico y la sintesis del ATP.

...•------- - - - --- - -- - - - - - -"' Membrana, .•• , eXlerior

/ \/ \

I \

I Eslroma II II II

IIIIIII,\\,...

IIIIIIIIII

II

/""...•

Figura 7.9 Diagrama de la estructura del doroplasto. Los tilacoides forman una estructura, interna lIamada locus. En lasmembranas de 105 ti/acoides, estan soportados 105 sistemas FIFo ATP sintetasa.

Existen, desde luego, variaciones en la forma de 105 tilacoides entre las diferentes especiesde organismos. Por ejemplo, en el alga raja unicelular Porphyridium (Rodofita), 105 cloro-plastos ocupan la mayor parte del espacio celular. A gran aumento se puede observar que 105

tilacoides se encuentran impregnados por granulos de 30 nm de diametro, lIamados fico-bilisomas. Los ficobilisomas contienen 105 pigmentos lIamados ficobilinas, 105 cuales tambienson sello cjistintivo de las cianobacterias. Hay ficoeritrina (figura 7.8) en las algas rojas yficocianinas en las cianobacterias.

EI estroma contiene iones, metabolitos pequefios y varias proteinas. Estos incluyen todas lasenzimas necesarias y 105 intermediarios en la reduccion del C02 en carbohidrato, y en la con-version de las hexosas en almidon. La enzima clave del cicio reductivo de las pentosas, laribulosa bifosfato carboxilasa, resulta particularmente abundante. Es importante mencionarque 105 cloroplastos efectuan una gran variedad de trabajos, ademas de la reduccion del C02,como por ejemplo, la sintesis de proteinas, galactolipidos, acidos grasos, carotenoides yclorofilas. Con esto, 105 cloroplastos, pueden contribuir hasta con 70% del total de las protein asde la celula fotosintetica en las plantas superiores. Los cloroplastos tambien contienen supropia informacion e instrumentos geneticos: ADN, diversos tipos de ARN y ribosomas. Sinembargo, no todas las macromoleculas que se encuentran en el cloroplasto se biosintetizan eneJ. Los cloroplastos tienen mayor autonomia genetica que las mitocondrias.

La transferencia de energia en 105 tilacoides se halla esquematizada en la figura 7.10.Dos antenas principales captoras de fotones estan colocadas entre las membranas de 105

tilacoides, 105 fotosistemas PS I Y PS II. EI fotosistema PS I 0 PlODes activado por la luz rojao roja lejana y produce un poder reductor que reduce NADP+ en NADPH2. La activacion de

Figura 7.10 Fluios energeticos en el tilacoide. La luz es absorbida por 105 {otosistemas PS I Y PS II, por medio de 10 cualseinduce el flujo de electrones del agua hacia el NADP+. Por cada par de electrones donados por el agua, se introducenwatro prolOnes al interior del tilacoide. EIgradiente de protones creado es contrarrestado por la salida de pro tones porelsistema F,FoATPsintetasa.

este sistema esta acompanada por una decoloracion en el espectro de absorcion a 700 nm,de ahi su nombre de fotosistema P700.Los estudios espectrofotometricos indican que el PlOOes un tipo de c1orofila en un medio especial que cambia sus propiedades espectrales. EIfotosistema II 0 P680es activado por luz con longitud de onda mas corta y produce ciertooxidante que tiene un poder de oxidacion suficiente como para oxidar el agua en oxigeno.

Fotorreducci6n 0 generaci6n de NADPH2Enel caso de la c1orofila,el electron energizado puede pasar, por medio de varios intermediarios,hasta la coenzima difosfato de nicotinamida 0 NADP, resultando en la reduccion de la caenzimay la oxidacion de la c1orofila. Esta reduccion del NADP por medio de la luz se denominafotorreduccion. Como en el caso de la mayor parte de las reducciones biologicas, esta requierede dos electrones por molecula de coenzima reducida y se puede escribir de la manera siguiente:

NADP + 2 c1orofila + 2W + luz --7 NADPH2

+ 2 c1orofila+

Si el NADP es reducido cantinuamente de este modo, entonces c1aramente debe seroxidada otra sustancia en algun lugar, de manera que la c1orofila gane otra vez el electron quepierde en la reduccion y asi funcionar de nuevo cataliticamente en la fotorreduccion. Comoya se menciono, las bacterias fotosinteticas utilizan compuestos inorganicos como el H2S 0

sustancias organicas, como donadores de electrones. En 105 organismos eucariotes, como lasalgas y las plantas superiores, la fuente universal de electrones es el agua. En una serie dereacciones, la c1orofila deficiente de electrones es capaz de extraer electrones de la moleculade agua, oxidandola en oxigeno. Estareaccion dependiente de la luz se canoce como fotolisis.Aqui otra vez 105 electrones se transfieren por pares y la reaccion se escribe as!.

H20 + 2 c1orofila+ + luz --7 1/202+ 2 c1orofila + 2H+

Sumando las dos reacciones anteriores, se obtiene la ecuacion total que considera eluso del agua en la produccion de oxigeno y la reduccion del NADP durante la fotosintesis:

(cloro/ita) ) NADPH + 1/202 2

Hasta ahora, solo hemos considerado la reaccion total de la oxidacion del agua y de lareduccion del NADP, pero en realidad es mas complicado, puesto que las moleculas de c1orofilaque ceden el electron al NADP, no son las mismas que extraen 105 electrones del agua.Para que am bas recciones funcionen dentro de un mismo sistema, existe una serie de moleculasque participan en un transporte de electrones mas complejo. Entre estas moleculas seencuentran 105citocromos (moleculas que contienen fierro), las plastoquinonas, plastocianinasy ferredoxinas. En la figura 7.11, se halla el orden exacto de estes componentes para proveerun transporte eficiente de electrones desde el agua hasta el NADP por medio de las c1orofilasque se encuentran en 105 fotosistemas I y II.

La figura 7.11 muestra en realidad dos sistemas de recepcion de energia luminosaacoplados, que suministran la energia necesaria para vencer el gradiente electroquimicorepresentado por NADP/NADPH2 (Eo = -0.32 volts) y 02/H20 (Eo = +0.82 volts). EI primersistema captador de luz, el fotosistema I, usa la energia luminosa para realizar la reaccion defotorreduccion. Los electrones de la c1orofila son energizados y utilizados con el fin de reducirun compuesto altamente electronegativo, la sustancia reductora de ferredoxina que contiene uncentro especial Fe-S y que sirve como aceptor para el fotosistema I. La ferredoxina transfiere105 electrones en el senti do del gradiente, por medio de una flavoproteina lIamada NADPreductasa hacia el NADP. EI NADP reducido 0 NADPH2, luego se utiliza para las reaccionesen la oscuridad. Mientras tanto, el segundo fotosistema 0 fotosistema II, aprovecha un diferentegrupo de c1orofilas para realizar la reaccion de fotolisis y extraer 105 electrones del agua,energizarlos y transferirlos a un receptor mas electronegativo, la feofitina a. Despues, graciasa un flujo de electrones con el gradiente, 105 dos fotosistemas se conectan, pasando por laplastoquinona, citocromo f y la plastocianina. EI fotosistema I acepta estes electrones, 105energiza y 105 puede ceder finalmente al NADP.

Las caracteristicas especiales del sistema completo son: (a) EI fotosistemall usa la energialuminosa para elevar la energia de 105electrones del nivel del agua (+0.8 volts) hasta feofitinaa (-0.1 volts). (b) EI fotosistema I utiliza la energia luminosa para incrementar la energia de105 electrones del nivel de la plastocianina (+0.4 volts) hasta el centro Fe-S del compuestoreductor de ferredoxina (-0.6 volts). (c) La existencia de enzimas y acarreadores necesariospara mediar la extraccion de electrones del agua, 0 mejor dicho de 105 iones OH- derivados delagua, dando lugar a una liberacion de oxigeno. (d) La existencia de enzimas y acarreadoresnecesarios para mediar el transporte de electrones del centro Fe-S reductor de ferredoxinahasta el NADP. Finalmente, (e) la presencia de 105 acarreadores de electrones que conectan105 dos fotosistemas y permiten una red unidireccional de transporte de electrones del foto-sistema II al fotosistema I, 0 sea del agua hacia el NADP.

Fotofosforilacion 0 generacion de AlP- Hasta ahora, hem os visto como 105electrones son extraidos de un denador (aguOil)y transferidos,

por medio de una cadena de compuestos reducibles reversiblemente, hasta el aceptor (NADP),utilizando la energia luminosa para vencer el gradiente de energia. Este proceso generaNADPH2, el cual es uno de 105 dos reactivos necesarios en el cicio de Calvin y el cual, la luzparticipa. Ahora, consideraremos la generacion del segundo de 105 reactivos dependientes dela luz, el ATP.

Cuando 105 fotosistemas I y II absorben luz, 105 electrones son lIevados de un potencialredox relativamente positive hacia uno mas negativo. AI mismo tiempo, estes electrones son

,lIevados vectorialmente a traves de la membrana del tilacoide (figura 7.11). Las c1orofilas delos centros reaccionales se hallan colocadas en la interfase de la membrana y el estroma, los

. aceptores primarios de electrones excitados estan cerca de la superficie del estroma, mientrasque los donadores de electrones para la c1orofila oxidada se localizan en la superficie luminal.De aquf la excitacion de los fotosistemas induce a una separacion de cargas a traves de lamembrana, con el lumen positivo. Movimientos de pro tones subsecuentes, acoplados con elflujo de electrones del agua hacia el NADP+, transforman el campo electrico en un potencialelectroqufmico y gradiente de protones, loculus positivo y acido.

Como veremos mas adelante, mientr.s que las mitocondrias y las bacterias expulsanprotones, los tilacoides del c1oroplasto acumulan protones: el ~pH es acido en el interior yel ~E es positivo en el interior. La translocacion de los protones a traves de la membrana deltilacoide y el gradiente 0 potencial protonico generado, conducen a la sfntesis de ATP pormedio de una FlFaATP sintetasa, la cual es una holoenzima compuesta por dos modulos: lapieza cabezal Fl, la cual contiene el sitio 0 los sitios catallticos y el sector membranal, Fa,el cualcontiene un canal por el cual se conduce a los protones a traves de la membrana (figura 7.12).Entodos los casos, la pieza cabezal Fl esta constituida porcinco subunidades. Los microbiologosestan de acuerdo en la siguiente estequiometria 0.3 ~3 Y £ en mitocondrias y c1oroplastos.Mediante la interpretacion de experimentos recientes, se deduce que el modulo Fl contienetres sitios activos. En las subunidades a y b se hallan sitios enlazadores de nucleotidos.

Hasta ahora hemos denominado al modulo Facomo conductor de protones y en realidades su mas basica funcion. Sin embargo, su verdadera funcion es mucho mas sutil en el acopla-miento de energfa y se Ie puede describir mejor como un pozo de protones. De acuerdo conla teorfa del quimiostato, la fuerza motriz en la sfntesis del ATP es el potencial protonico atraves de la membrana ~H+. Esto resulta, en realidad, de la suma de dos factores, ~pH y ~E,concordando con la siguiente ecuacion:

~H+--~p=M-59~pH

F

La contribucion de cada uno de estos factores varia significativamente. En la mitocondria,t.H+ consiste principalmente en t.E, mientras que el valor de t.pH es menor. En el cloroplasto,predomina t.pH y en las bacterias la distribucion de t.pH y t.E en el valor de t.H+ se modificade acuerdo con las circunstancias.

Boyer y sus colaboradores han propuesto el mecanismo por el cual el ADP y Pi formanATP usando la fuerza protomotriz, asi como Kazlov y Skulachev han descrito el proceso endonde 105 protones pasan a traves del complejo F1Fo. Envez de que estos participen directamenteen el proceso catalitico, 105 protones pueden afectar a un cicio de protonacion y deprotonacion ensitios especificos del modulo Fl (0 quizas en Fo). Estas protonaciones modifican el estadoconformacional del modulo, las cuales a su vez cambian la afinidad del sitio activo del modulopor 105 sustratos 0 nucleotidos. Estemecanismo se encuentra ilustrado en la figura 7.13 EIADPY el Pi, primero se enlazan al sitio activo del modulo Fl. Luego, una protonacion en un sitio

aloesterico en, 0 cerca, del modulo Fo provoca que el sitio activo cambie fuertemente su afinidadpor ATP, haciendo que el ADP y el Pi se combinen exergonicamente, produciendo ATP. Cuandoesto sucede, la enzima cambia su estado conformacional y transloca 105 protones dellado de lamatriz, en donde la actividad electroquimica es mucho menor. Una vez que se disocian 105

protones, el sitio activo vuelve a su conformacion inicial expulsando al ATP.Latermodinamica de este modelo de acoplamiento secundario, en donde la sintesis e hidrolisis

del ATP se hallan estrictamente ligadas a la translocacion de protones, siguiendo la ecuacion:

ATP + H20 + nH;+ ~ ADP + Pi + nHo+

donde Hj+ Y Ho+ son 105 protones dentro y fuera respectivamente, y n es el numero de protonesque atraviesan la membrana en cada cicio. La constante de equilibrio de la reaccion, no solocontendra 105 valores de las concentraciones de ADP, Pi Y ATP, sino tam bien las concentracioneso actividades electroquimicas de 105 protones en 105 dos lados de la membrana. Debido a que105 protones atraviesan la membrana durante la reaccion, resulta importante que el terminoen la ecuacion sea la actividad electroquimica de 105 protones {H+}, y no su concentracion:

[ADP][Pi]{H~ r[ATP][Hp]{Ht r

En ausencia de un transporte neto de protones (por ejemplo, si la membrana tiene fugasl,la relacion [ATP)/[ADP][P;] sera proximo a 10-5, Y Keq (tomando la actividad del agua igual allsera de casi 105. Como puede observarse, sin embargo, cuando existe una diferencia de actividadelectroquimica de protones a traves de la membrana, la posicion de equilibrio es fuertementeafectada.

{H~} [ATP]

{Ht} = Keq

[ADP][~]

+ [ [ATP] )n(-ilH )=ilC+RTln [ADP][~]

EI termino de la derecha, es el cambio de energia libre durante la sintesis del ATP en KJ/mol 0 Kcaljmol. A este valor usualmente se Ie denomina potencial de fosforilacion, ilGi. Enlas condiciones que prevalecen dentro de la celula, esta es una reaccion extremadamenteendergonica.

Cuando el potencial electroquimico de protones se expresa en unidades electricas, setiene:

n( ilH+)- = h( -Llp) = LlCrF F

Recordando que la energia libre de una reaccion de oxido-reduccion, esta dada por lasiguiente ecuacion:

donde z es el numero de electrones transferidos, F representa la constante de Faraday (23.06KcaljV· mol) y !lEo es el potencial de oxidorreduccion entre los dos pares reactantes.

Combinando esta ultima ecuacion con la anterior se tiene, para el paso de un par deelectrones, la siguiente expresion:

de donde !lEh es de la diferencia de potencial redox en mV y n' es el numero de protonestransportados a traves de la membrana del tilacoide por cada par de electrones transferidos.

Antes de resumir la conversion de energia en la fotosintesis, algunos facto res importantesdesde el punto de vista cuantitativo. Los lectores deben recordar que los parametrostermodinamicos todavia se encuentran abiertos a nuevas revisiones de acuerdo con recienteinformacion generada a traves de nuevos experimentos. Nosotros trataremos a su turno, lafotosintesis dclica y no dclica.

EIcontenido de energia en un quantum de luz a 680 nm es de 2.9 x 10-19 joules (174KJ042 Kcal por einstein), 0 con mayor frecuencia 1.82 electron-volts (eV). Un electron-voltconsiste en la energia adquirida por un electron cuando este se mueve sobre una diferenciade potencial de un volt; 1 eVes equivalente a 23 Kcaljmol. De manera inicial, la energialuminosa es capturada como una reaccion redox vectorial. Como se muestra en la figura7.14, ambos fotosistemas establecen una diferencia de potencial redox de alrededor de 1300mV entre el aceptor primario de electrones y el donador primario de electrones. Ademas,generan una diferencia de potencial electrico de aproximadamente 100 mV a traves de lamembrana del tilacoide. Con cada evento fotonico, el electron eyectado del centro reaccionaladquiere una energia de alrededor de 1.4 eV.

Son necesarios ocho quanta de luz para lIevar cuatro electrones del agua con la generacionde 2NADPH2 y 02:

Ocho quanta corresponden a 8 x 1.82 = 14.6 eV. EIpotencial redox entre el par 02-H20(+0.82 V) y el par NADP+-NADPH2 (-0.32 V) es de 1150 mV (1.15 V). Se puede describirel efecto de cuatro electrones moviendose a traves de este potencial como la conservacion de4 x 1.15 = 4.6 eVen forma de NADPH2 (equivalentes a 442 KJ0 106 Kcal). Estaestimacion noes muy exacta, puesto que se usa la energia Iibre estandar !lCo en vez de !lC, pero el error espequeno. EInumero de pro tones transportados a travesde la membrana del tilacoide por quantumabsorbido, aun no esta bien determinado, pero es entre uno y dos. Podemos tomar provisio-nalmente uno. Asumimos que en cada cicio pasan tres protones a traves del complejo Fl Fo

ATPsintetasa. Ocho fotones translocaran entonces a ocho protones y conduciran a la sintesis de8/3 moleculas de ATP.Usando recientes medidas, la energia libre de la sintesis del ATP durante

III

e- I~~ I

G~ :8) :c8 ®-:t: I]~ S:'~I e- l!0t6n I·u~ ®r::\~ ~

o ~Q) I ~I Q2 I I v..:7

O~ } e- ~i I0e~f' / I IMnc08 I I

~ ::Protones I Protones Ihacia el I hacia ellumen lumen

><o-g 00:::ou~ +0.4+-oQ.

Figura 7.14 Potencial redox y f1ujo de electrones durante la fo(osintesis. En las ordenadas se muestran 105 potencialesredox medio de cada acarreador.

la fotofosforilacion, ~Gf, alcanza 14 Kcaljmol (0.6 eV), pero siendo conservadores se debe usarel valor de energia libre est<lndar~GO ""7.3 Kcaljmol (0.32 eV). EItotal de energia libre conservadabajo la forma de ATP sera entonces de (8/3) x 0.32 = 0.85 eV (19.5 Kcal 082 KJ). En suma, de14.6 eV puestos en el sistema, por 10menos se recuperan 4.6 + 0.85 = 5.45 eVen el potencialquimico de 105 pares NADPH2-NADP+ y ATP-ADP. Con estas consideraciones, podemos decirque la eficiencia en la transduccion de energia fotosintetica es de 5.45/14.6 x 100 = 37.3 %.

Como ya se menciono, el potencial de fosforilacion, ~Gf, en la sintesis de ATP en elc1oroplastoes de 0.6 eV. Estevalor resulta equivalente a la energia adquirida por una unidad decargapasando por un potencial de 600 mV. Parasostener estepotencial quimico con tres protones,cada uno debe pasar sobre un potencial protonico de 600/3 = 200 mV. Experimentalmente, seencuentra que el ~pH es de casi 3.5 unidades (3.5 x 59 = 206.5 mV) y ~E de menos de100 mV, para un total de alrededor de 300 mV. Estosresultados son bastante compatibles con lateoria de que el potencial protonico es la fuerza que efectua la sintesis de ATP.

Enla fotosintesisciclica solo se requiere del fotosistema I.Aqui tambien el numero de protonestranslocados por cicio no se encuentra bien determinado, pero se puede considerar por ahoraigual a 2W. Entonces, un quantum provoca la translocacion de 2H+ y la sintesis de 2/3ATP.

Si el quantum contiene 1.82 eV de energia y si consideramos al par ATP-ADP como de0.32 eV, la eficiencia de este trabajo sera:

Laseficiencias absolutas no se consideran en serio, pero nos enfatizan la importancia de lageneracion de NADPH2 maximizando la cosecha de energia luminosa. Las ventajas ganadascuando se incrementa la captura de energia y cuando se tiene acceso a una fuente ilimitada depoder reductor son la caracteristicas que definen el exito de la fotosintesis oxigenica

En las plantas superiores (plantas C3), la fotosintesis se lIeva a cabo gracias a la suma de lasreacciones en fase iluminada y las reacciones en fase oscura (cicio de Calvin). Las ecuacionesgenerales de estas dos fases son:

Cicio de Calvin:

Las cianobacterias 0 algas verde-azules poseen el mismo mecanismo de asimilacion deC02 que las plantas superiores. La unica diferencia importante es que el C02 se asimila a todo10 largo del organismo procariote, mientras que en las plantas verdes, este se realiza solo en elestroma del cloroplasto. La asimilacion de C02 en la mayoria de las bacterias anaerobiasfotosinteticas tambien resulta similar al mecanismo C3 de las plantas verdes, excepto que seutiliza NADH2 en lugar del NADPH2 como agente reductor del difosfoglicerato. No obstante,debido a que las bacterias anaerobias fotosinteticas tienen solo una reaccion dependiente de laluz y usan compuestos como el H2S y el hidrogeno como donadores de electrones en lasreacciones luminosas, la bioenergetica es significativamente diferente a la de las plantas verdes.Estadiferencia empieza por el bajo potencial redox para SjH2S(Eo= -0.2V) YW/H2 (Eo= -0.42V)comparados con 02/H20 (Eo= +0.81 ).

. En algunas bacterias fotosinteticas, como en el caso de Chlorobium thiosulfatophilum, laactividad de las enzimas en el cicio C3 resulta insuficiente para explicar todo el C02 asimilado.Gracias a experimentos usando 14C02 se observo que el 14C se relaciona principalmente alglutamato en lugar de al fosfoglicerato, como se podria esperar en un sistema C3. Esto sugiereque existe otro proceso que contribuye a la asimilacion del C02, el cual se sirve de enzimascapaces de realizar carboxilaciones reductivas:

Acetil-CoA +C02 + 2Fdredf---7 piruvato + CoA + 2Fdox

Succinil-CoA + CO2 + 2Fdredf---7 a-oxoglutarato + CoA + 2Fdox

Comenzaremos con la glic61isis el estudio acerca de la obtenci6n de energia a partir delcatabolismo de sustancias organicas. La glic61isis constituye el primer paso del metabolismode los carbohidratos y este se realiza en un ambiente anaerobio. Durante el proceso, la energiaalmacenada en la estructura de las hexosas se libera y usa en la sintesis de ATP. Losmicroorganismos anaerobios pueden obtener toda su energia metab61ica a partir de la glic6lisis,sin embargo, las celulas aerobias utilizan este proceso como primera etapa en la oxidaci6ncompleta de los carbohidratos. En la glic6lisis, una molecula de glucosa se convierte en dosmoleculas de ATP en un proceso de 10 pasos (figura 7.15). Las 10 reacciones que hay entre laglucosa y el piruvato pueden considerarse como dos diferentes fases: Las primeras cincoreacciones constituyen la fase consumidora de energia, en donde los azucares fosfatados sonsintetizados convirtiendo ATP en ADP. Enesta fase, el sustrato de seis carbones se transformaen dos azucares fosfatados de tres carbones. La otra fase es la fase generadora de energia. Enlas ultimas cinco reacciones las triosas fosfatos, se emplean compuestos altamente energeticos,para producir ATP, transfiriendo el fosfato hacia el ADP. La producci6n neta, por cada mol deglucosa metabolizado, es de dos moles de ATP y dos moles de piruvato. Hay que resaltar elhecho de que se generan equivalentes reductores, en la forma de NADH. Se considera que laglic61isises una via metab61ica muy antigua, y la utilizaron probablemente las primeras bacteriasconocidas, hace 3500 millones de anos, 0 sea 1000 millones de anos antes del primer organismofotosintetico. En condiciones completamente anaerobias, el NADH2 generado debe serreoxidado en NAD+ para mantener el estado de equilibrio. Los microorganismos que crecenen condiciones anaerobias transfieren los electrones generados a sustancias como el nitrato,sulfato 0 sustancias organicas.

Un ejemplo tipico de esta ruta es usado por las bacterias lacticas, las cuales usansimplemente al NADH para reducir el piruvato en lactato por medio de la enzima lactatodeshidrogenasa:

o OHII I

CH3

- C - COo- + NADH + W f----1 CH3

- CH - COo- + NAD+

Lo anterior hace de la glic61isisparte de la fermentaci6n, debido a que no hay cambio netodel estado de oxidaci6n. La fermentaci6n lactica resulta de mucho valor en la fabricaci6n delqueso. Otra fermentaci6n muy importante, incluye el rompimiento del piruvato en acetaldehidoy C02, donde el acetaldehido se reduce en etanol por medio de la alcohol deshidrogenasa:

CH3CHO+ NADH + W f----1 CH

3CHpH + NAD+

Balance electronico y de energia en la glicolisis

La figura 7.15 muestra el resumen de la glic6lisis. Si escribimos la ecuaci6n quimica balanceadade la glic6lisis, podremos, entonces, cuantificar la producci6n de energia que acompana laconversi6n de 1 mol de glucosa. Para la fermentaci6n lactica 0 glic61isis anaerobia se tienela siguiente ecuaci6n:

130 Termodinamica bio/6gica

Glucosa ENZIMA ~Go

ATP

~ADP + H+ Hexoquinasa -16.7

G1ucosa-6-fosfato

j Fosfoglucoisomerasa + 1.7

Fruclosa-6-fosfalo

ATP

~ ADP'H'Fosfofruetoquinasa -14.2

Fruetosa-1,6-difosfalo

I Adolasa +23.8

Gliceraldehido-3-fosfato +dihidroxiacetona fosfato

j Triosa-fosfato isomerasa +7.5

(2) Gliceraldehido-3-fosfato

NAD"P;~ Gliceraldehido-3-fosfato +6.3NADH + H+ deshidrogenasa

(2) 1.3-difosfoglicerato

ADP'H'~ Fosfogliceralo quinasa -18.8ATP

(2) 2-fosfogliceralo

j Fosfog liceromutasa +4.6

(2) 3-Fosfogliceralo

~H20Enolasa +1.7

(2) Fosfoenolpjruvato

ADP'H' ~ATP Piruvato quinasa -31.4

(2) Piruvato

Figura 7.15 Reacciones de fa gfic6fisis.

De manera similar, se puede escribir la ecuacion balanceada para la fermentacion alcoholica.

Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2W t------7 2 etanol + 2C02 + 2ATP + 2Hp

Observese que ambas ecuaciones se encuentran electronicamente balanceadas. EINAD+Y el NADH2, los cuales participan en la via metabolica, no aparecen en las ecuaciones totalescomo se muestra en la figura 7.15. En la glicolisis aerobia los nucleotidos de nicotinamidaaparecen en la reaccion total de la siguiente manera:

Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ t------7 2 Piruvato + 2ATP+2H20 + 2NADH + 2W

EI NADH2 es reoxidado en la cadena respiratoria terminal dentro de la mitocondria. Sesabe emplricamente que 1 mol de NADH2 producida en el citosol produce aproximadamente3 moles de ATP en la mitocondria.

Sumando las dos ecuaciones anteriores, se puede apreciar que en la glicolisis aerobiaproduce 8 moles de ATP por cada mol de glucosa.

Glucosa + 8 ADP + 8 Pi + O2 t------7 2 Piruvato + 8 ATP + 10 H20

Comparando las formulas qUlmicas de la glucosa (C6H1206) y del lactato (C3H603) seaprecia con claridad que la glicolisis anaerobia es un proceso no oxidativo debido a que esidentico en ambas moleculas el numero de hidrogenos y oXlgenos por atomo de carbon. Lomismo es el caso del etanol y C02 si se consideran juntos. Por el contrario, el piruvato es unamolecula mas oxidada que la glucosa como se puede observoHen su formula qUlmica (C3H403).

La glicolisis, tanto anaerobia como aerobia, produce energla a partir de una pequenafraccion de la energla almacenada en la molecula de glucosa. Como se mencionoanteriomente, la combustion de un mol de glucosa en H20 y C02, produce 2870 Kj deenergla libre en condiciones estandar. Como veremos en la ultima parte de este capitulo, seobtienen 38 moles de ATP, a partir del ADP cuando un mol de glucosa completa sumineralizacion (formacion de H20 y C02), pasando por la glicolisis y por el cicio del acidocitrico (cicio de Krebs). En otras palabras, alrededor de 40% de la energla desprendida escapturada en la forma de ATP.

EI catabolismo de la glucosa a lactato 0 piruvato, solo produce 2 u 8 moles de ATPrespectiv_mente, y como se puede apreciar, la mayor parte de la energia contenida en laglucosa espera a ser liberada despues de la glicolisis. Por esta razon, el metabolismo aerobioes mucho mas eficiente que el anaerobio, y los organismos aerobios en general tienen masexito y se encuentran mejor distribuidos que 105 organismos anaerobios. La aparicion delmetabolismo aerobio hizo posible la aparicion de 105 grandes ani males que ahora vemos. Sinembargo, algunos animales superiores aun obtienen una parte importante de su energia apartir de la glicolisis, bajo ciertas condiciones. Un excelente ejemplo es el cocodrilo, el cuales capaz de tener movimientos muy rapidos por breves periodos de tiempo. En circunstanciasextremas, la glucolisis de las reservas de carbohidratos representan una fuente de energia, sibien ineficiente, de rapida movilizacion.

Ejemplo 7.1 Los eritrocitos humanos contienen las siguientes concentraciones de losintermediarios en la gluc6lisis.

Metabolito

GlucosaGlucosa-6-fosfatoFructosa-6-fosfatoFructosa-1,6-bifosfatoGIiceraldehfdo- 3-fosfatoDihidroxiacetona fosfatol,3-bifosfoglicerato3-fosfoglicerato2-fosfogliceratoFosfofenol piruvatoPiruvatoATPADPPiNADH2/NAD+

Concentracion (mM)

500083143119

1381

118302351

1 850138

1 0002 110

Calcular la producci6n de energfa libre durante la glic61isisa 25°C por mol de glucosa,en estas condiciones. Representar el flujo energetico graficamente.

Etapa 1: Hexoquinasa

Glucosa + ATP ~ Glucosa-6-fosfato + ADP

6GO = -16.7 KJ/mol

6G +6GO+RTlnK=6CO+RTln[ [ADP][G6P])1 [A TP][G/c]

[(138) (83) )

6Gi = -16 700 + (8.314) (298.15) In (1 850) (5 000)

6Gi = -33.3 KJ/mol

Etapa 2: Fosfoglicoisomerasa

Glucosa-6-fosfato ~ Fructosa-6-fosfato

6GO = + 1.7 KJ/mol

6G2 = 1700 + (8.314) (298.15) In ( ~~ )

6G2 = -2.7 KJlmol

Etapa 3: Fosfofructoquinasa

Fructosa-6-fosfato + ATP ~ Fructosa-1,6-bisfosfato + ADP

((138)(31) )

~G3 = -14 200 + (8.314) (298.15) In (1850) (14)

~G3 = -18.7 Kl/mQI

Etapa 4: Aldolasa

Fructosa-1,6-bifosfato (----7 Gliceraldehido-3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato

~GO= + 23.8 Kl/mol

(138) (19)~G4 = 23 800 + (8.314) (298.15) In 31

~G4 = 34.8 Kl/mol

Etapa 5: Triosa-fosfato isomerasa

Gliceraldehido-3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato (----7 2 Gliceraldehido-3-fosfato

~GO = + 7.5 Kl/mol ((19)2]

~G5 = 7 500 + (8.314) (298.15) In (19)(138)

~G5 = 2.6 Kl/mol

Etapa 6: Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa

Gliceraldehido-3-fosfato + NAD+ + Pi (----7 1,3-bifosfoglicerato + NADH + W

~Go = + 6.3 Kl/mol

((1) [NADH2] J

~G = 6 300 + (8.314) (298.15) In (19)(1000) [NAD+]

~G6= 840 l/molUn mol de glucosa produce dos moles de gliceraldehido-3-fosfato de donde:

~G6 = (2) (850) = 1700 l/mol = 1.7 Kl/mol

Etapa 7: Fosfoglicerato quinasa

l,3-bifosfoglicerato + ADP (----7 3-fosfoglicerato + ATP

~Go= -18.8 Kl/mol

((1850)(118))

~G7= - 18800 + (8.314) (298.15) In (138)(1) = -540 l/mol

~G7 = (2) (-0.54) = -1.1 KJ/mol

Etapa 8: Fosfogliceromutasa

3-fosfoglicerato (----7 2-fosfoglicerato

~Go = + 4.6 KJlmol

ilGa = 4 600 + (8.314) (298.15) In [ g10~) ) = 1 205 J/mol

ilGa= (2) (1.2) = 2.4 KJ/mol

Etapa 9: Enolosa2-fosfoglicerato ~ 2-fosfoenolpiruvato + H20

ilGo = + 1.7 KJ/mol

ilGg = 1 700 + (8.314) (298.15) In ( ~~ ) = 1 041 J/mol

ilGg = 2.1 KJ/mol

Etapa 10: Piruvato quinasa2-fosfoenolpiruvato + ADP ~ piruvato + ATP

ilGo = -31.4 KJ/mol

ilGlO = -31 400 + (8.314) (298.15)ln [(t,~~;~;~j)= 22 992 J I mol

ilGlO = (2) (-23.0) = -46.0 KJlmol

ilG total= ilGi + ilG2 + ilG3 .... ilG 10

ilG total= -58.2 KJ/mol

En el tema anterior, nos referimos al proceso inicial y anaerobio de la degradacion de 105

carbohidratos. Ahora descutiremos 105 procesos subsecuentes en 105 cuales 105 carbohidratosfinalmente se oxidan en C02 y H20. Nuestro enfoque estara dirigido al analisis energetico dela respiracion. Los detalles en cuanto a la bioquimica y la implicacion fisiologica de dichosprocesos puede consultarse en textos de bioquimica y fisiologia celular.

Resulta conveniente pensar en el proceso oxidativo de 105 sustratos organicos como unaserie de procesos integrados en tres etapas (figura 7.16). En la primera etapa, se genera unfragmento de dos carbones activados, la acetilcoenzima A 0 acetil-CoA. En la segunda, estecompuesto de dos carbones se oxida mediante el cicio del acido citrico 0 cicio de Krebs. Enla tercera etapa, 105 acarreadores de electrones, que fueron reducidos en el cicio de Krebs, sereoxidan por medio del transporte de electrones y la fosforilacion oxidativa, con lacorrespondiente sintesis de ATP.

Se lIamo originalmente coenzima A por su participacion en la activacion del grupo acilo. Lacoenzima A es un derivado metabolico del ATP conteniendo una vitamina soluble, el acidopantotenico y la ~-mercaptoetilamina (figura 7.17). EI grupo tinl (-SH) Iibre en la punta de lamolecula, es la parte mas significativa de la coenzima A, el resto de la molecula sirve de sitio deenlace. Enel acil-coenzima A, como en el acetil-CoA, el grupo acilo se encuentra unido al grupotiol para formar un tioester:

r~--=--=-i~_--~~III11

e-'-----------,

\I

IIII

I

I, IIOxaloacetato Citrato~~------e---4--r '\

: Malato Isocitrato

I I ~l/_------e-~.~--F-u-m-~-~,to jetoglutomto

II Succinato S· 'I C AI '--- UCCInI - 0

1III\

"

oII

-C-CH3

acetilo

oII

CoA-S-C-CH3

( acetil - CoA

La naturaleza rica en energia de 105 tioesteres, com parada con 105 esteres ordinarios sebasa, fundamentalmente, por la estabilizacion de la resonancia. Los esteres pueden resonarentre dos formas (figura 7.18). La estabilizacion incluye la deslocalizacion de un electron 1t:

dando un doble enlace parcial en el enlace c-o. Por el contrario, el mayor tamano del atomode S comparando con el del 0, reduce la deslocalizacion del electron 1t: entre el C y el S, dedonde la estructura C=S no contribuye significativamente a la estabilizacion de la resonancia.Por 10 anterior, el tioester es menDs estable que el ester y su ""Go de hidrolisis es mayor.

o CH3

II IHO- P - 0 - CH2 - C - CHOH - CO - NH - CH2 - CH2 - co -NH - CH2 - CH2 - SH

I lH3 JCNH3o N

HO- LOH2C 0 <N )~Qo OH

IHO- p -OH

IIo

Ahora resumiremos que pasa en una vuelta del cicio de Krebs 0 cicio del acido citrico, estoesta representado en la figura 7.19. Primero, el fragmento de dos carbones (acetil-CoA) secombina con un aceptor de cuatro carbones (oxa/oacetato). Despues, 105 dos carbones sonremovidos como C02 y el citrato producido se metaboliza posteriormente. Cuatro oxidacionestienen lugar, el NAD+ sirve como coenzima en tres de ellas y el FAD en la cuarta. Fosfatosaltamente energeticos se sintetizan directamente en la reaccion con la succinil-CoA sintetasa.Finalmente, el oxaloacetato es regenerado y se encuentra listo para comenzar otro cicio conla condensacion de un nuevo acetil-CoA.

La ecuacion quimica balanceada que representa la suma de las ocho reaccionesparticipantes en un cicio puede representarse de la siguiente manera:

Acetil-CoA + 2 H20 + 3 NAD+ + FAD + GDP+ Pi ~ 2 C02 + 3 NADH + 3 W + FADH2+ CoA-SH + GTP

EIGTP formado por la reaccion del succinato sintetasa en los animales es energeticamenteequivalente al ATP,debido a que la nucleosidodifosfoquinasa puede convertir el GTP formadoen ATP. Por esta razon, sustituiremos el GTP por ATP en nuestras proximas discusiones.

Considerando la reaccion que convierte el piruvato en aceta to, por medio de la piruvatodeshidrogenasa, y el catabolismo completo de la glucosa a traves de la glicolisis y el cicio deKrebs, se tiene la siguiente ecuacion general:

Glucosa + 6 H20 + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi f------7 6 C02 + 10 NADH + 10 H+

+ 2 FADH2 + 4 ATP

Hasta este punto, la produccion de ATP por mol de glucosa metabolizada no seincremento mucho, se producen 2 moles de ATP,4 en la glicolisis y 4 en la ecuacion anterior.La mayor parte del ATP generado durante la oxidacion de la glucosa no se forma directamentea partir de las reacciones de glicolisis y del cicio de Krebs. La mayor parte del ATP es formadodurante la reoxidacion de los acarreadores de electrones en la cadena repiratoria terminal.Estos compuestos, NADH2 y FADH2, son energeticamente ricos por si mismos, en el sentidode que la oxidacion de estos compuestos reducidos es altamente exergonica. Cuando loselectrones de estos acarreadores reducidos son transferidos al oxigeno, se sintetizan moleculasde ATP a partir del ADP por medio de reacciones acopladas. La oxidacion de una mol deNADH2 produce la sintesis de 3 moles de ATP y la oxidacion de una mol de FADH2 producealrededor de 2 moles de ATP. Como veremos es el siguiente capitulo, se generan 30 molesmas de ATP par cada mol de glucosa oxidada hasta C02 y H20.

oII~

R-C-SR ~

c5~_I

R-C=SR'6+

(s-O 0- +II, I: d,

R-C-OR ~ R-C':...:OR

o~G Desestobilizocioo

par resononcio

CJ

oo

R-c! + R'-OH,0-

o//

R-C + R'-SH'0-

Figura 7.18 La (alta de resonancia estabilizadora es la base para explicar 105valores mas altos de L'>Cen la hidr61isis de 105tioesteres, comparados can 105de la hidr61isis de 105esteres ordinarios. La energia libre de 105productos de la hidr61isises la misma en ambos casas.

H20~ ~, CoA-5H + H+

Citrato

NAD· -t-- C02 • NADH • H·

a-Cetoglutarato

NAD+ + COA-5H~ _,~ C02+NADH+H+

Succinil-CoA

Pi + GDP - 1.. ~.•• GTP + CoA-SH

Succinato

FAD~ _.•• ~ FADH2

Fumarato

-t-- NADH. H·

Oxaloacetato

7.1 Durante la fosforilacion ciclica se estima que deben pasar dos electrones a traves del ciciopara bombear suficientes protones y generar un ATP. 5i la ~GO de la hidrolisisdel ATP es de -50 KJ/mol en las condiciones prevalecientes en el cloroplasto, lcual seria laeficiencia de la fosforilacion ciclica usando luz de 700 nm?

7.2 La membrana del tilacoide presenta un gradiente de pH de 4.0 unidades, siendo ellumenmas acido que el estroma. lCual seria la longitud de onda maxima de la luz que podriasuministrar suficiente energia para bombear un proton en contra del gradiente, si la eficienciade la fotosintesis es de 20% y la temperatura de 25°C?

7.3 Las concentraciones intracelulares de un musculo en reposo son las siguientes: Fructosa-6-fosfato, 2 mM; fructosa-l,6-difosfato, 10 mM; AMP, 1 mM; ADP, 2 mM; ATP, 10 mM;fosfato inorganico, 50 mM. lLa reaccion de la fosfofructoquinasa en el musculo es mas 0

menDs exergonica que en las condiciones estandar? lPor cuanto?

7.4 Calcular la ~G de hidrolisis del fosfoenolpiruvato (PEP) en fosforo inorganico y piruvatousando la siguiente informacion:

PEP + ADP f----7 Piruvato + ATP

ATP + H20 f----7 ADP + Pi

7.5 La hexoquinasa cataliza la reaccion:

Keq = 3.2 X 103

~G = -7 700 cal/mol

~G = -4 562 cal/mol

Keq = 2.21 X 103

Calcular la concentracion de glucosa-6-fosfato necesaria para forzar la reaccion de lahexoquinasa a ir en sentido contrario (hacia la sintesis de glucosa y ATP) en presencia de10-5 M de glucosa, 10-3 M ATP Y 10-4 M ADP.

7.6 Calcular la energia de un einstein de fotones de luz de: a) 260 nm y b) 750 nm.

7.7 a) lCuantas moles de ATP pueden sintetizarse por un organismo fotosintetico, considerandoun 100% de eficiencia, cuando asimila un einstein de luz roja a 700 nm? b) lCual es laeficiencia si un mol de ATP se forma por cad a dos electrones equivalentes excitados porluz roja (dos einsteins de fotones)?

7.8 Calcular las concentraciones en el equilibrio y las relaciones de concentraciones de todos105 componentes de la reaccion catalizada por la isocitritasa:

cuando la concentracion inicial de isocitrato es: a) 1 M; b) 0.1 M; c) 0.01 M; d) 10.3 M; Ye) 10-4 M. EI cambio de energia libre, ~G, para la reaccion de la isocititasa es de 2 110cal/mol.

7.9 Determinar la constante de equilibrio total y la~G total de la conversion del acido fumaricoen acido citrico a pH 7 Y a 25°C, por medio de las siguentes reacciones:

Fumarato + H20 = mala tomalato + NAD+ = oxalacetato + NADH + H+oxalacetato + acetil-CoA + H20 = citrato + CoASH

Keq = 4.5Keq = 1.3 x 10-5

Keq = 3.2 X 105

7.10 EI rompimiento del citrato en acetato y oxalacetato se acompafia de un cambio de energialibre de -680 cal/mol. La constante de equilibrio de la citrato sintetasa es de 3.2 x 105.

Calcular la ~Go y la Keq de la hidr61isis del acetil-S-CoA.