Introducción
A través de las distintas rutas catabólicas analizadas hasta este punto, se ha ido produciendo una liberación de energía neta, en forma de ATP, ATP, y un segundo tipo de energía denominado poder reductor, en forma de coenzimas reducidas. Los principales coenzimas, ue han participado en reacciones de ó!ido"reducción ó!ido"reducción tanto en el citoplasma como en la mitocondria, son #A$% y &A$%'( los cuales iniciar)n ahora, una ruta metabólica, la cadena de transporte electrónico o cadena respiratoria, ue permitir), por un lado, la recuperación de los coenzimas en su forma o!idada, y por otro, ue los electrones sean conducidos a través de una serie de etapas sucesivas hasta el *', para formar agua. +n este proceso de transferencia electrónica es donde se producir) un fuerte desprendimiento energético energético aprovechado para la formación de enlaces de alta energía en forma de ATP. La fosforilación o!idativa se dene como la formación fo rmación de ATP ATP generada por po r la transferencia de electrones. Todas Todas las rutas catabólicas, en los organismos aerobios, aerobios, convergen para permitir el -uo de electrones hasta el o!ígeno, produciendo energía para la generación de ATP constituí" yendo la etapa nal del catabolismo de todas las biomoléculas.
FOSFORILACION OXIDATIVA
La fosforilación o!idativa se dene como la formación de ATP generada por la transferencia de electrones. Todas las rutas catabólicas, en los organismos aerobios, convergen para permitir el -uo de electrones hasta el o!ígeno, produciendo energía para la generación de ATP constituyendo la etapa nal del catabolismo de todas las biomoléculas. La energía libre disponible como consecuencia de la transferencia de ' electrones desde el #A$% y el succinato al o!igeno molecular es de /01 a /23 4cal5mol, respectivamente. La fosforilación o!idativa atrapa la energía en la forma de ATP de alta energía. Para ue la fosforilación o!idativa contin6e, se deben reunir dos condiciones principales. Primero, la membrana mitocondrial interna debe estar físicamente intacta de tal manera ue los protones solamente puedan re"ingresar a la mitocondria por el proceso ue esta acoplado a la síntesis de ATP. +n segundo lugar, un gradiente de protones debe ser desarrollado a través de la membrana mitocondrial interna. La energía del gradiente de protones se conoce con el nombre de potencial uimio osmótico, o fuerza motil de protones 7P8&9. +ste potencial es la suma de las diferencias de concentración de protones a través de la membrana y de la diferencia en la carga eléctrica a través de la membrana. Los dos electrones del #A$% generan un gradiente de 3 protones. Así, la o!idación de un mol de #A$% lleva a una disponibilidad de P8& con una energía libre de apro!imadamente /2:,' 4cal 73 ! /0,' 4cal9. La energía del gradiente se utiliza para la síntesis de ATP cuando los protones se transportan siguiendo su gradiente termodin)mico dentro de la mitocondria. Los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la proteína de membrana denominada ATP sintasa 7o compleo ;9. La sintasa de ATP es compleo proteico compuesto de m6ltiples subunidades ue se une al A$P y al fosfato inorg)nico en su sitio catalítico, y ue reuiere un gradiente de protones para su actividad. La ATP sintasa est) compuesta de 2 fragmentos< & =, ue se localiza en la membrana( &:, ue protruye desde la membrana mitocondrial interna hacia la matriz mitocondrial( y la proteína ue le conere sensibilidad a la oligomicina 7*>?P9, ue conecta los fragmentos &= y &:. >uando la membrana mitocondrial est) da@ada, es permeable a los protones, la reacción de la ATP sintasa es activa pero en la dirección reversa y act6a como una hidrolasa de ATP o ATPasa.
Transportadores de electrones en la mitocondria< :. $onadores de electrones a la cadena de transporte, actuando como< #A$% y #A$% 7este 6ltimo mucho menos frecuente9. '. #ucleótidos de -avina, &A$ y &8# 7unto con sus formas reducidas &8#%' y &A$%'9, como componentes del centro activo de diferentes proteínas, tanto monomericas como formando parte de compleos supramoleculares. +l potencial redo! depende de la proteína en la ue se encuentre la coenzima. 2. >oenzima u Bbiuinona. *tras moléculas an)logas son la Plastouinona y la 8enauinona. ?on transportadores liposolubles ue se mueven dentro de la membrana, actuando, generalmente al igual ue el #A$%, como sustrato<
C. %ierro. La reacción redo! es la siguiente< &e'D E e" +l )tomo de hierro no se va a encontrar nunca libre, sino formado parte de proteínas de dos tipos completamente distintos< :9 >itocromos en los ue el hierro se encuentra unido a un grupo hemo. '9 &errosulfoproteinas, en las ue el hierro se encuentra formando los denominados Fcentro ferrosulfuradosG o Fhierro"azufreG.
+n ambos casos la reacción es siempre la misma< se transere e!clusivamente un electrón. Los citocromos son hemoproteínas ue se distinguen por sus espectros de absorción. +n la cadena respiratoria hay citocromos b 72diferentes< b03=, b03' y b0339, c, c:, a y a2. b, c y c: contienen el mismo hemo ue la hemoglobina y mioglobina 7porrina HI D
hierro9, unido covalentemente a la proteína en el caso de c y c :. a y a2 contiene hemo A. Los grupos hemo son transportadores de un 6nico electrón. ?u potencial redo! depende del tipo de grupo hemo del cual se trate. ; de la proteína a la cual se encuentra unido. +l segundo tipo de transportadores en los ue se encuentra el hierro son las proteínas con centros hierro azufre. +n estas, uno, dos o cuatro )tomos de hierro se encuentran unidos a la proteína a través de enlaces de coordinación con )tomos de azufre de >ys 7o, las ferrusulproteinas de Jies4e, nitrodenos de %is9. Pueden encontrarse también )tomos de azufre inorg)nico, en forma de ?ulfuro ?. %ay varios tipos de estos centros, ue se diferencian en el n6mero de )tomos de hierro y azufre inorg)nico ue las forman. Los m)s importantes son los &e'"?', pero hay también &e"? y &eC"?C.
+l potencial redo! de estos centros es variable, en función del entorno concreto en el cual se encuentren. Hndependientemente del n6mero de )tomos de hierro ue se encuentren presentes, estos centros son transportadores de un 6nico electrón. Pueden encontrarse en proteínas independientes 7por eemplo, la ferredo!ina9, o unidos a polipeptidos ue a su vez forman compleos macromoleculares de gran tama@o, como los centros H, HH y HHH de la cadena de transporte electrónico mitocondrial.
Desacopladores e inhibidores.
+l uso de inhibidores de la cadena ha permitido trazar el paso de los electrones a través de la cadena y determinar el punto de entrada de diversos sustratos. La velocidad a la cual el o!ígeno es consumido por una suspensión de mitocondrias es una medida del funcionamiento de la
cadena de transporte de electrones. La velocidad puede ser medida mediante un electrodo de o!ígeno. Kran parte del conocimiento de la función mitocondrial ha resultado de estudios con compuestos tó!icos. Hnhibidores especícos se han usado para distinguir el sistema de transporte de electrones del sistema de fosforilación o!idativa, y ha ayudado a denir la secuencia de los transportadores redo! en la cadena. ?i la cadena se blouea en un punto, todos los transportadores anteriores uedan m)s reducidos, y los posteriores m)s o!idados. %ay seis tipos de venenos ue afectan la función mitocondrial< :. Inhibidores de la cadena ue blouean la cadena respiratoria. La rotenona! to!ina de una planta, utilizada por indios amazónicos como veneno, también ha sido usada como insecticida.
Act6a a inhibiendo el compleo H. Hnhibe la reo!idación del #A$%, no afecta la del &A$%'. Hnhibe la o!idación del malato, ue es dependiente del #A$D, no así la del succinato. +l succinato entra en el segundo punto de entrada a la cadena, posterior al del #A$D. +l a"ital 7barbit6rico9 inhibe al compleo H, afecta las o!idaciones dependientes del #A$D. La anti"icina A 7Antibiótico9< Act6a a inhibiendo el compleo HHH. Hnhibe la reo!idación del #A$% y del &A$%'. +l cianuro blouea el paso de electrones del citocromo a2 al o!ígeno. +stos inhibidores detienen el paso de electrones de modo ue no
ha# bombeo de protones. ?in gradiente de protones, no hay síntesis de ATP.
'. Inhibidores de la $os$orilación o%idati&a! &enenos ue inhiben la AT'(sintasa. La oli)o"icina! un antibiótico producido por Streptomyces , inhibe a la AT'asa al unirse a la subunidad &o e interferir en el transporte de %D a través de &o, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP. Diciclohe%ilcarbodii"ida *DCCD+! un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por &o al reaccionar con un residuo de glut)mico en una de las subunidades de &o de mamíferos. +n estas condiciones el gradiente de protones ue se produce es mayor ue lo normal, sin embargo la energía potencial de éste no puede ser utilizada para producir ATP. 2. Venenos ue hacen per"eable la "e"brana "itocondrial interna a los protones . +stos agentes eliminan la relación obligada entre la cadena respiratoria y la fosforilación o!idativa ue se observa en mitocondria intacto. +stos venenos, como el ',C dinitrofenol 7$#P9, el carbonilcianuro"p" tri-uorometo!i"hidrazona 7&>>P9 y el carbonilcianuro"m" clorofenilhidrazona 7>>>P9 desacoplan la fosforilación o!idativa de la cadena respiratoria, se conocen es desacopladores. como a)ent
?on compuestos liposolubles y )cidos débiles. Las formas disociadas presentan carga negativa altamente deslocalizada, de modo ue el campo eléctrico de los aniones es muy débil, ello permite ue difundan libremente a través de un medio no polar como las
membranas fosfolipídicas. +ste comportamiento no es usual, la gran mayoría de iones con carga son e!cluidos de un ambiente no polar. La forma protonada, sin carga eléctrica de estos compuestos, pasa a través de la membrana interna mitocondrial intacta, descargando así el gradiente de p%. +n la matriz, a p% m)s bao, el )cido débil se disocia, la forma disociada pasa la membrana interna, destruyendo el potencial de membrana. +ste proceso se puede repetir, de modo ue una peue@a cantidad del agente desacoplante puede catalizar el paso de una cantidad enorme de protones y hacer un corto circuito en la cadena respiratoria. +n resumen, permitiendo el paso de protones a través de la membrana, se disipa el gradiente de protones, no hay bombeo de protones a través de la ATP"sintasa con producción de ATP. Los agentes desacoplantes son todos sintéticos, sin embargo en el mitocondria del teido adiposo pardo una proteína desacopladora 7termogenina9 participa en el delicado control de la termogénesis. C. Inhibidores de transporte *atractalósido+ ue pre&ienen #a sea la salida del AT' o la entrada de "aterial co"bustible a tra&,s de la "e"brana "itocondrial interna.
0. 0. Ionós$oros 7valinomici través compuestos ue normalmente
na, nigericina9 ue permiten el paso a de la membrana a est)n impedidos.
-rebs 7arsenito9 ue 3. Inhibidores del ciclo de blouean una o m)s enzimas del ciclo de rebs. La producción de AT' aeróbica es "s e/ciente ue la producción anaeróbica. +n :M3:, Louis Pasteur observó ue en levadura e!puesta a condiciones aeróbicas, el consumo de glucosa y la producción de etanol decae precipitadamente 7+fecto Pasteur9. 0licólisis anaeróbica1
>3%:'*3 D 'A$P D 'Pi
' lactato D '%D D 'ATP
2etabolis"o aeróbico de la )lucosa1
>3%:'*3 D 2MA$P D 2MPi 3 *'
3 >*' D CC%'= D 2MATP
+l metabolismo aeróbico es m)s eciente ue la glicólisis anaeróbica en lo ue se reere a producción de ATP. ?in embargo, como la concentración de enzimas de la glicólisis es alta, de modo ue si no est)n inhibidas, el ATP puede producirse m)s r)pido ue a través de la fosforilación o!idativa. Por otra parte, el c)lculo tradicional de 23 ATP o de 2M ATP, seg6n funcione la lanzadera del glicerofosfato o del malato respectivamente, es obsoleto. 8ediciones recientes estiman 2= ATP por glucosa totalmente metabolizada.
ATP sintasa &=&:"rendimiento energético +l compleo ATP sintasa o compleo ; o &o&:"ATP sintasa 7& N factor de acoplamiento, en inglés coupling factor9 es una enzima transmembranal ue cataliza la síntesis de ATP a partir de A$P, un grupo fosfato y la energía suministrada por un -uo de protones 7%D9. $urante la respiración celular, la síntesis de ATP se denomina fosforilación o!idativa y el -uo de protones tiene lugar entre el espacio intermembr)nico y la matriz mitocondrial. +n el caso de la fotosíntesis, se habla de fotofosforilación y la enzima act6a en el lumen y el estroma de los cloroplastos. ATP ?intetasa. >ompleo enzim)tico de la membrana interna de la mitocondria y de la membrana tilacoide del cloroplasto, a través del cual -uyen los protones a favor del gradiente establecido en la primera etapa del acoplamiento uimiosmótico( el sitio de formación de ATP a partir de A$P y fosfato inorg)nico durante la fosforilación o!idativa y la fotofosforilación. +l compleo ATP sintetasa es una enzima encargada de sintetizar Adenosina Trifosfato 7ATP9 a partir de A$P y un grupo fosfato, merced a la energía suministrada por un -uo de protones, de acuerdo con la hipótesis uimiosmótica de 8itchell. La ATP sintetasa se puede imaginar como un motor molecular ue produce una gran cantidad de ATP cuando los protones -uyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande, el
organismo humano en fase de reposo puede formar unas :=': moléculas de ATP por segundo. La ATP es un compuesto de alto contenido energético utilizado en casi todos los procesos biouímicos del cuerpo humano. La ATP sintetasa se nos muestra como un fascinante y min6sculo motor rotatorio ue trabaa con una relación de eciencia cercana al :==O y cuya función resulta esencial para cualuier proceso biológico, por lo ue su presencia imprescindible y su indudable compleidad irreducible lo convierten en un elemento ue ha despertado desde su conocimiento detallado, profundas sospechas de haber sido dise@ado. +structura La ATP sintasa tiene un di)metro de := nm, y es el compleo m)s peue@o identicado hasta ahora. Trabaa con un grado de efectividad cerca al :== por ciento. +sta enzima est) formada por dos principales compleos. Bna anclada a la membrana mitocondrial interna o al tilacoide llamada &= 7>&= en caso de los tilacoides9 y otra ue sobresale por la cara interna de la estructura llamada &: 7>&: en caso de los tilacoides9. +l componente &= es el motor impulsado por protones. +s conocida como la fracción sensible a la oligomicina est) formada por las subunidades a, b' y c:=":C. Las subunidades c forman el Fanillo cG, ue rota en sentido horario en respuesta al -uo de protones por el compleo. Las dos proteínas b inmovilizan el segundo compleo &:, ue est) orientada hacia la matriz mitocondrial. Por interacciones electrost)ticas, se asocia a &: a &o. &: est) formada por las subunidades 2, Q2, R, S y . La parte principal del compleo &: est) formado por tres diemeres Q, esta unidad tiene forma de he!)mero. La actividad catalítica de este he!)mero est) localizada en las subunidades Q. Las subunidades R y est)n unidas al anillo c, y giran con él. >ada rotación de :'=U de la subunidad R induce la aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidades Q de los dímeros Q, provocando la alteración de los centros de fiación de los nucleótidos situado en Q. +l he!)mero 2 y Q2 finalmente libera el ATP. La subunidad &o consiste de once subunidades diferentes a: y c:=, estas subunidades forman un canal de protones central y nalmente la subunidad b'*?>P: 7*ligomycin ?ensitiviy >onferring Protein9 enlazan las unidades &: y &o.
Hnhibidores La oligomicina se a en el tallo de la ATP sintasa, inhibiendo el canal de protones, por tanto previniendo el reingreso de protones en la matriz mitocondrial. >omo los gradientes de p% y eléctricos no se pueden disipar en presencia de la oligomicina, el transportador de protones se detiene por la dicultad para el bombeo de m)s protones contra los gradiententes muy inclinados. >ausa una acumulación de protones en el espacio intermembrana.
>onclusiones
La &osforilación *!igenada es un proceso compleo pero divertido y sobre todo bastante importante para la vida humana, ya ue representa el C'O de todo el ATP consumido en nuestro cuerpo. La fosforilación o!idativa atrapa la energía en la forma de ATP de alta energía. Para ue la fosforilación o!idativa contin6e, se deben reunir dos condiciones principales. Primero, la membrana mitocondrial interna debe estar físicamente intacta de tal manera ue los protones solamente puedan re"ingresar a la mitocondria por el proceso ue esta acoplado a la síntesis de ATP. •
•
+n segundo lugar, un gradiente de protones debe ser desarrollado a través de la membrana mitocondrial interna.
3iblio)ra$4a
http<55themedicalbiochemistrypage.org5es5o!idative"phosphorylation" sp.php https<55prezi.com5b2=CzmVf!M45fosforilacion"o!idativa5 http<55WWW.ecured.cu5ATPX?intetasa https<55es.Wi4ipedia.org5Wi4i5ATPXsintasa https<55biouibi.Webs.ull.es5biouimica O'=estructural5antonio5fosforo!idativa.pdf
