Fosforilación oxidativa

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Definición de fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa, se refiere a las reacciones redox que involucran el flujo de electrones a lo largo de una serie de proteínas unidas a la membrana, junto con la generación de trifosfato de adenosina (ATP).

La fosforilación oxidativa es el cuarto y último paso en la respiración celular. Si bien la respiración puede representarse como la simple « combustión » de carbohidratos para formar dióxido de carbono y agua, la célula no puede permitirse liberar toda la energía química almacenada en los carbohidratos en un solo paso, ya que dañaría irreversiblemente el intrincado equilibrio y la homeostasis del organismo. organismo.

C _M (H ₂ O) _N + XO ₂ -> MCO ₂ + YH ₂ O + ENERGÍA

La ecuación representa la combustión de carbohidratos.

En cambio, los nutrientes se digieren y asimilan primero. Se metabolizan en el citoplasma y sus productos finales se transportan a las mitocondrias para participar en el ciclo de Kreb, también conocido como ciclo del ácido cítrico. Aquí, la energía química en las moléculas orgánicas se libera gradualmente, a través de la oxidación escalonada a dióxido de carbono. El proceso también genera una serie de electrones de alta energía, que son aprovechados por moléculas especiales llamadas portadores de electrones. Los portadores de electrones más comunes asociados con la fosforilación oxidativa son el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD ⁺ ) y el dinucleótido de flavina y adenina (FAD). Cuando NAD ⁺ y FAD aceptan electrones, se convierten en agentes reductores (NADH y FADH ₂) que son capaces de transferir estos electrones a moléculas que tienen una alta afinidad por ellos.

La fosforilación oxidativa comienza con la oxidación de NADH y FADH ₂. La energía de los electrones liberados por estas dos moléculas se aprovecha de manera escalonada y se utiliza para crear un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna en eucariotas. Este gradiente de protones impulsa la formación de ATP a partir de ADP, catalizada por la enzima ATP sintasa. El último aceptor de estos electrones de alta energía es el oxígeno y, por lo tanto, la fosforilación oxidativa genera tanto ATP como agua.

ATP como moneda energética

El ATP tiene tres grupos fosfato en estrecha proximidad física entre sí. La adición de cada grupo fosfato debe ir acompañada de alguna otra reacción de liberación de energía o exergónica, ya que debe superarse la repulsión natural entre los grupos fosfato cargados negativamente. Una vez que se forma el ATP, se convierte en un depósito de energía listo, porque el enlace fosfato terminal se puede hidrolizar rápidamente para impulsar algún otro proceso dentro de la célula. Esto hace que el ATP se comporte como la moneda de energía de la célula.

La presencia de ATP permite que la célula realice la respiración, almacene la energía temporalmente en los enlaces de alta energía de la molécula y la use en diferentes lugares y puntos en el tiempo. Sin ATP, cada reacción endergónica (que requiere energía) tendría que estar acoplada en el tiempo y el espacio con la oxidación de nutrientes, limitando severamente la complejidad posible dentro de un organismo vivo.

La importancia de esta molécula se subraya por el hecho de que el ATP se encuentra en todas las células vivas y la ATP sintasa se conserva en gran medida en todo el mundo viviente. Además, cualquier proceso que interrumpa fundamentalmente la generación de esta molécula conduce a una muerte muy rápida.

Conversión de energía

La fuente de energía original de casi toda la biosfera son las reacciones nucleares dentro del sol. Desde plantas y otros autótrofos hasta protozoos unicelulares y los mamíferos más grandes, la energía para mantener la vida se deriva del sol a través de una serie de conversiones de energía.

En los autótrofos, la radiación solar se utiliza primero para generar electrones de alta energía, que luego se utilizan para bombear protones contra su gradiente de concentración., creando una fuerza motriz de protones a través de una membrana. La energía potencial en tal gradiente electroquímico se canaliza para generar ATP, lo que, a su vez, facilita la formación de macromoléculas complejas. Los nutrientes creados por los autótrofos son consumidos por los heterótrofos, digeridos y luego metabolizados dentro de sus células. La energía del enlace químico en estas moléculas se comporta como un sistema de almacenamiento de la energía inicialmente captada por el sol. Cuando los nutrientes se oxidan, se libera la energía de enlace, tanto en forma de ATP como de electrones de alta energía. En un proceso paralelo a las reacciones iniciales dentro de los cloroplastos, estos electrones se utilizan para crear gradualmente un gradiente electroquímico que, una vez más, impulsa la formación de ATP. El ATP se genera y utiliza repetidamente para mantener los procesos vivos del organismo.

La energía del sol, por lo tanto, se transmuta de una forma a otra, como la energía en electrones, la energía potencial en gradientes de protones y la energía de enlace de macromoléculas.

Estructura de las mitocondrias

Se dice que las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias antiguas que se convirtieron en endosimbiontes dentro de los eucariotas, creando las primeras células nucleadas que podían someterse a respiración aeróbica. La estructura de las membranas mitocondriales refleja este origen; estos orgánulos tienen un genoma distinto, una maquinaria de traducción de proteínas independiente ( ARNt, ribosomas y proteínas asociadas) y complejos de la cadena respiratoria que reflejan la respiración aeróbica en las bacterias.

Las mitocondrias tienen dos membranas, la membrana interna y la externa, y la membrana externa es estructuralmente similar a las membranas plasmáticas eucariotas. Sin embargo, también contienen una serie de canales transmembrana llamados porinas. Las moléculas más grandes que se difunden libremente a través de las porinas tienen aproximadamente 6000 Dalton de masa atómica, lo que hace que la membrana sea permeable a la mayoría de las moléculas y proteínas pequeñas. La membrana interna es impermeable a casi todas las moléculas, a excepción del oxígeno, el dióxido de carbono y el agua. Esta propiedad es importante porque permite que el orgánulo regule el flujo de iones y moléculas a través de la membrana y utilice la concentración diferencial de estas sustancias para impulsar la formación de ATP.

La membrana mitocondrial interna tiene una serie de invaginaciones llamadas crestas que aumentan su superficie. Los complejos proteicos implicados en las reacciones redox de fosforilación oxidativa están incrustados en crestas. De manera similar, la ATP sintasa también está presente como una proteína transmembrana en las crestas. La membrana mitocondrial interna encierra una matriz rica en proteínas que recibe moléculas de piruvato del citoplasma y contiene enzimas que generan acetil coenzima A. La matriz también es el sitio donde ocurren las reacciones del ciclo del ácido cítrico. La matriz es tan densa que se asemeja a un cristal de proteína, con una concentración de proteína de 500 mg / ml.

La impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna a los iones le permite mantener un potencial electroquímico de 180 mV generado principalmente por el bombeo de protones desde la matriz al espacio entre membranas. Esto hace que la matriz de la mitocondria sea ligeramente alcalina, con un pH de aproximadamente 8.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones de la fosforilación oxidativa involucra cuatro complejos proteicos principales (numerados I, II, III y IV) cada uno con potenciales de reducción crecientes. En esencia, a medida que el electrón se mueve de un complejo de proteínas a otro, viaja hacia moléculas que tienen una mayor afinidad por los electrones. El electrón pierde energía en este proceso y esta energía se utiliza para bombear protones al espacio entre membranas.

Entre los dos portadores de electrones, NADH tiene un potencial de reducción menor y libera electrones al complejo I. El complejo I también se conoce como NADH: quinona oxidorreductasa y es fundamental en la transferencia de electrones de NADH a una proteína llamada ubiquinona. Este enorme complejo unido a la membrana consta de 46 cadenas polipeptídicas y puede combinar la aceptación de dos electrones de NADH con el movimiento de 4 iones H ⁺ desde la matriz al espacio entre membranas. Cada uno de estos cuatro protones se bombea a través de un canal dedicado separado.

Por otro lado, FADH ₂ dona sus electrones a través del complejo II, también conocido como succinato deshidrogenasa. Este complejo relativamente más pequeño consta de cuatro subunidades y no facilita el movimiento en tándem de protones a través de la membrana. De las cuatro subunidades, dos actúan como anclajes hidrófobos a la membrana mitocondrial interna. La tercera subunidad tiene una molécula FAD unida covalentemente. Las cuatro subunidades juntas forman un sitio de unión a ubiquinona. El complejo II participa tanto en el ciclo del ácido cítrico como en la fosforilación oxidativa. Por lo tanto, se convierte en una ruta paralela para que los electrones alcancen la reserva de quinonas, y el FAD recibe electrones de alta energía de los productos del metabolismo de los ácidos grasos.

A partir de entonces, los electrones viajan a través de la misma vía, y se alimentan al complejo III a través de la ubiquinona, que actúa como un portador de electrones móviles dentro de la membrana. El complejo III también participa en el bombeo de iones H ⁺ al espacio entre membranas. Desde el complejo III, otro operador de telefonía móvil llamado citocromo C transporta electrones al complejo IV. El complejo IV actúa como el sitio para el paso final en estas reacciones que involucran la división de una molécula de oxígeno y la formación de agua. El agua es el lugar de reposo final para los electrones que ingresaron al sistema a través de NADH y FADH ₂ y se usa en las vías metabólicas de la célula o se excreta del cuerpo.

Ésta es una representación esquemática de los complejos implicados en la fosforilación oxidativa y la generación de ATP.

Al final de la cadena de transporte de electrones, NAD ⁺ y FAD se regeneran y se crea el gradiente electroquímico.

ATP sintasa y generación de ATP

La membrana mitocondrial interna es impermeable a los iones y tiene un canal dedicado para el flujo de protones de regreso a la matriz. Esta es la enzima ATP sintasa unida a la membrana. Consta de dos partes: las regiones F ₀ y F ₁. F ₀ forma el poro del protón y está incrustado dentro de la membrana. Cuando los protones fluyen de nuevo en la matriz desde el espacio inter-membrana, la actividad catalítica de la enzima utiliza la energía potencial liberado debido a quimiosmosis a ATP síntesis a partir de ADP y P _i.

La imagen es una representación simplificada de la fuerza motriz del protón que se utiliza para generar ATP.

Gradiente electroquímico: un gradiente que consta de dos partes: una diferencia en la carga y una diferencia en las concentraciones de solutos. Comúnmente visto a través de membranas biológicas.
Enlace de fosfoanhídrido: enlaces químicos formados por una reacción de deshidratación entre dos derivados del ácido fosfórico. Se encuentra más comúnmente en los enlaces que unen los tres grupos fosfato de ATP o GTP.
Reacciones redox: una reacción que implica la oxidación de una especie química con la reducción simultánea de otra sustancia química.
Sintasas: enzima que cataliza la formación de una sola molécula a partir de dos componentes, generalmente sin la participación directa de ATP.