Fosforilación oxidativa

  • ATP sintasa
  • coenzima Q (CoQ)
  • acoplamiento quimiosmótico
  • crista
  • complejo citocromo b-c
  • citocromo c
  • citocromo oxidasa
  • cadena de transporte de electrones (ETC)
  • subunidad F0
  • subunidad F1
  • espacio intermembrana espacio
  • matriz
  • NADH deshidrogenasa
  • fosforilación oxidativa
  • fuerza motriz de protones (PMF)
  • pares redox
  • potencial redox
  • cadena respiratoria
  • desuccinato deshidrogenasa
  • ubiquinona

Introducción y objetivos

Este tutorial describirá los mecanismos implicados en la síntesis de ATP durante la respiración celular. La etapa final de la respiración celular ocurre en la mitocondria, donde los portadores de electrones reducidos (NADH y FADH2) donan sus electrones al oxígeno a través de una cadena de transporte de electrones. A medida que los electrones viajan, se genera un gradiente electroquímico de hidrógeno a través de una de las dos membranas mitocondriales. La energía de este gradiente electroquímico de protones se utiliza para sintetizar ATP.

Al final de este tutorial deberías saber:

  • La naturaleza del acoplamiento quimiosmótico del transporte de electrones y la síntesis de ATP
  • Las características de una mitocondria
  • El significado del potencial redox y cómo determina el flujo de electrones
  • Los mecanismos del transporte de electrones (incluyendo el papel de los portadores de electrones reducidos NADH y FADH2, y el oxígeno)
  • Cómo se forma el gradiente electroquímico de hidrógeno
  • Cómo se utiliza el gradiente electroquímico de hidrógeno para sintetizar ATP
    • El acoplamiento quimiosmótico del transporte de electrones y la síntesis de ATP

      La mayor parte del ATP celular se sintetiza durante la respiración celular en las mitocondrias de las células animales y vegetales, y durante la fotosíntesis en los cloroplastos de las células vegetales y de las algas. El mecanismo de síntesis de ATP en estos dos orgánulos es muy similar y representa un mecanismo evolutivamente conservado (que también emplean las bacterias). Básicamente, este mecanismo consiste en dos procesos vinculados: el transporte de electrones y la síntesis de ATP (ambos están mediados por proteínas unidas a la membrana). Los electrones se transfieren a lo largo de una cadena de transporte de electrones (ETC) que se compone de complejos proteicos incrustados en una membrana. A medida que los electrones pasan de una proteína a otra, los protones son bombeados a través de la membrana. Esto da lugar a un gradiente electroquímico de protones, en el que se captura la energía libre liberada durante el movimiento de los electrones. A continuación, los iones de hidrógeno vuelven a fluir a través de la membrana (por el gradiente electroquímico) a través de un complejo proteico especializado denominado ATP sintasa, que captura la energía libre del gradiente de hidrógeno para impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. La unión del transporte de electrones, el bombeo de protones y la síntesis de ATP se denomina acoplamiento quimiosmótico. En las mitocondrias este proceso es la etapa final de la respiración celular y se denomina fosforilación oxidativa. En los cloroplastos este proceso se conoce como las reacciones de luz de la fotosíntesis. Este tutorial describirá la fosforilación oxidativa en detalle. La fotosíntesis se describirá en el siguiente tutorial.

      La fosforilación oxidativa ocurre en la mitocondria

      Figura 1. La estructura de una mitocondria. Una mitocondria tiene dos membranas: una membrana interna y una membrana externa. El espacio rodeado por la membrana interna se denomina matriz, y las invaginaciones de la membrana interna se denominan cristas. El espacio entre la membrana interna y la externa se denomina espacio intermembrana. Las proteínas que median en los procesos de fosforilación oxidativa, incluyendo el transporte de electrones y la síntesis de ATP, están incrustadas dentro de la membrana interna.

      La oxidación completa de la glucosa en CO2 tiene lugar durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico (ambos descritos en el tutorial anterior); puede que recuerde que se produce muy poca energía, en forma de ATP, en estas dos vías (véase la Fig. 5; en el tutorial sobre glucólisis, fermentación y ciclo del ácido cítrico). La mayor parte de la energía, en este punto, se almacena en los portadores de electrones reducidos NADH y FADH2. Se utilizarán en la última etapa de la respiración celular, la fosforilación oxidativa, que tiene lugar en las mitocondrias. Una mitocondria es un orgánulo rodeado por dos membranas (una interna y otra externa; figura 1). Estas dos membranas definen el espacio intermembranal y la matriz (el espacio interior de la mitocondria) está definida por la membrana interna. La membrana externa es muy permeable y permite que muchas moléculas entren y salgan de la mitocondria. La membrana interna, mucho menos permeable, es el lugar de la fosforilación oxidativa. Las proteínas del ETC y de la ATP sintasa están incrustadas en la membrana interna, que presenta numerosos pliegues distintos (denominados cristae). Las cristas aumentan la superficie de la membrana interna. La matriz es el lugar del ciclo del ácido cítrico. Las mitocondrias también contienen sus propios genomas y pueden transcribir ARNm y traducir proteínas.

      Potencial Redox

      Figura 2. La cadena de transporte de electrones. La transferencia de electrones de un portador de electrones reducido a otro portador de electrones en la ETC se muestra como una función de la energía libre de transferencia de electrones de ese portador de electrones al oxígeno. Se calcula como la diferencia entre el potencial redox del portador de electrones individual (por ejemplo, NADH) y el potencial redox del oxígeno. El flujo de electrones se produce de forma escalonada, liberando la energía libre de forma incremental.

      En la fosforilación oxidativa, los portadores de electrones reducidos (NADH y FADH2) donan sus electrones a las proteínas del ETC. Los electrones pasan de proteína a proteína de forma escalonada, acoplados al bombeo de protones a través de la membrana mitocondrial interna, hacia el espacio intermembranal. Finalmente, los electrones se donan al oxígeno para formar agua, de ahí la necesidad de oxígeno en la respiración celular. La dirección del flujo de electrones a lo largo del ETC viene determinada por la afinidad de los diferentes portadores por los electrones. Esta afinidad puede expresarse como un potencial redox, una medida empírica de la afinidad de cualquier par de compuestos oxidados y reducidos (par redox) por los electrones. Por ejemplo, la reacción NAD+ + 2H+ + 2e- -> NADH (NADH y NAD+ son el par redox) tiene un potencial redox de -320mV; este valor negativo indica que el NADH es un buen donante de electrones (tiene una afinidad relativamente baja por los electrones). Por el contrario, la reacción 1/2 O2 + 2H+ + 2e- -> H2O tiene un potencial redox de +820mV, lo que indica que el oxígeno es un excelente aceptor de electrones (tiene una alta afinidad por los electrones). En el ETC, la dirección del flujo de electrones va de los compuestos con potenciales redox más bajos a los compuestos con potenciales redox sucesivamente más altos; es decir, empezando por el NADH o el FADH2 y terminando con el oxígeno (ver Figura 2). Cuando los electrones pasan de un donante de electrones (p. ej. NADH) a un aceptor de electrones (p. ej. O2), la energía libre liberada puede calcularse a partir de la diferencia entre el potencial redox de un par redox (p. ej.Por ejemplo, NADH y NAD+) y el otro par redox.

      La cadena respiratoria

      Figura 3. Fosforilación oxidativa: transporte de electrones y síntesis de ATP. La cadena respiratoria está compuesta por tres grandes complejos proteicos fijados en la membrana (coloreados en naranja) y dos transportadores de electrones móviles (coloreados en negro). Los electrones se donan desde el NADH a la NADH deshidrogenasa, un gran complejo proteico que bombea protones a través de la membrana interna. A continuación, los electrones se transportan al complejo del citocromo b-c a través de la pequeña molécula móvil coenzima Q (Q), también denominada ubiquinón; el complejo del citocromo b-c también bombea protones a través de la membrana interna. Estos electrones son entregados al último complejo proteico, la citocromo oxidasa, por la proteína móvil citocromo c (cyt c). La citocromo oxidasa dona los electrones al oxígeno y se forma agua. La citocromo oxidasa también bombea protones a través de la membrana. La concentración de hidrógeno es mucho mayor en el espacio intermembranal que en la matriz, lo que genera un gradiente electroquímico de protones. Este gradiente impulsa los protones de vuelta a través de la membrana interna a través de la ATP sintasa (mostrada en gris) que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).

      La cadena de transporte de electrones mitocondrial, también denominada cadena respiratoria, está organizada en tres complejos multiproteicos: La NADH deshidrogenasa, el complejo del citocromo b-c y la citocromo oxidasa. Cada complejo de la cadena respiratoria está compuesto por varias proteínas diferentes capaces tanto de transportar electrones como de bombear protones a través de la membrana interna, generando así un gradiente electroquímico de protones (ilustrado en la Figura 3). Las proteínas de estos complejos tienen una serie de grupos prostéticos (véase el tutorial Propiedades de las macromoléculas 1-Proteínas), entre los que se encuentran los centros de hierro y azufre, las heminas, las flavinas (las moléculas de anillos múltiples de los FAD) y el cobre, todos ellos capaces de aceptar y donar electrones. El transporte de electrones se inicia cuando un par de electrones y un protón son liberados del NADH y aceptados por la NADH deshidrogenasa, tras lo cual los electrones son transportados de una proteína a otra dentro del complejo. A continuación, los electrones son transportados desde ese complejo al complejo del citocromo b-c por el transportador móvil de electrones coenzima Q (CoQ), también llamado ubiquinona, el único transportador de electrones no proteico de la cadena respiratoria. Los electrones se mueven a través del complejo del citocromo b-c y son transportados al complejo final por la pequeña proteína citocromo c. El complejo final, la citocromo oxidasa, cataliza la transferencia de los electrones al oxígeno. La energía libre de esta reacción completa (NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O) es de -52,6 kcal/mol. La energía libre se libera de forma escalonada a medida que los electrones se mueven por el ETC, y se captura en el gradiente electroquímico de protones. El FADH2 también dona sus electrones a la cadena respiratoria, pero como su potencial redox es mayor que el de la NADH deshidrogenasa, no puede donar sus electrones a ese complejo proteico. En su lugar, los electrones del FADH2 son donados a la succinato deshidrogenasa, que, a su vez, pasará los electrones a la CoQ y serán transportados a través del resto de la cadena respiratoria. El gradiente electroquímico de hidrógeno que se genera durante el transporte de electrones iniciado por el FADH2 no es tan grande como el generado por el NADH. Esto se debe a que el FADH2 dona sus electrones a la succinato deshidrogenasa, que no bombea ningún protón, y los electrones evitan la NADH deshidrogenasa, que sí bombea protones.

      El gradiente electroquímico de protones

      Coordinadamente con el transporte de electrones, los tres complejos proteicos respiratorios descritos anteriormente bombean protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana, lo que da lugar a un gradiente electroquímico a través de la membrana interna. A medida que los electrones se mueven a través de estos complejos multiproteicos, con frecuencia se emparejan con un protón (H+) para neutralizar su carga mientras se mueven de un lado a otro de la membrana. Los cambios alostéricos en los complejos proteicos también pueden dar lugar al bombeo de protones a través de la membrana. El bombeo de protones genera un gradiente a través de la membrana interna de una unidad de pH de diferencia (una diferencia de diez veces en la concentración de iones de hidrógeno) entre la matriz y el espacio intermembrana. Además, se genera un potencial de membrana debido a una carga positiva en el espacio intermembrana y a la carga negativa neta en la matriz. El gradiente electroquímico a través de la membrana interna se compone tanto del gradiente de pH como del potencial de membrana y es la fuerza, a menudo denominada fuerza motriz de protones (PMF), que impulsará a los protones a través de la membrana interna hacia la matriz y, al hacerlo, impulsará la síntesis de ATP.

      ATP sintasa

      Figura 4. La estructura de la ATP sintasa.La ATP sintasa está compuesta por dos subunidades: F0 y F1. Cada una de estas subunidades está compuesta por múltiples proteínas. La subunidad F0 está compuesta por proteínas integrales de membrana: 1 copia de la proteína a; 2 copias de la proteína b; y entre 12 y 14 copias de la proteína c, que forma el canal para que los protones fluyan a través de la membrana. La subunidad F1 está compuesta por cinco proteínas distintas: 3 copias de alfa, 3 copias de beta, 1 copia de gamma, delta y épsilon. A medida que los protones fluyen a través de la membrana, las subunidades c y las subunidades delta y épsilon unidas giran. El resto de las subunidades permanecen estacionarias. Cuando los protones entran, el anillo formado por las subunidades c y el tallo (compuesto por las subunidades delta y épsilon) giran. Esta rotación induce cambios conformacionales en las subunidades beta, catalizando la síntesis de ATP.

      El PMF se utiliza para impulsar la síntesis de ATP a través de la ATP sintasa, un complejo proteico que convierte la energía del gradiente de protones en enlaces químicos. La ATP sintasa tiene dos subunidades distintas: la subunidad transmembrana F0, que contiene un canal proteico para el flujo de protones; y la subunidad F1, que sobresale en el espacio de la matriz y cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Figura 4). Una parte de la subunidad F1, denominada tallo, une las dos subunidades. Cuando los protones fluyen a través del canal de la subunidad F0, hacen que el tallo incrustado gire en la subunidad F1 estacionaria, convirtiendo así la energía del gradiente electroquímico en energía mecánica. A medida que el tallo gira en una dirección, induce cambios conformacionales en las proteínas de la subunidad F1, que, a su vez, catalizan la síntesis de ATP, convirtiendo así la energía mecánica de la rotación del tallo en energía del enlace químico. Aproximadamente tres protones deben pasar por el complejo de la ATP sintasa para que se sintetice una molécula de ATP.

      El gradiente de protones como enlace entre el transporte de electrones y la síntesis de ATP

      El gradiente de protones es crítico para el acoplamiento quimiosmótico del transporte de electrones y la síntesis de ATP. A medida que los electrones se mueven a lo largo de la cadena respiratoria, los protones son bombeados a través de la membrana interna, desde la matriz hacia el espacio intermembrana; esto da lugar a un gradiente electroquímico de protones. La fuerza de este gradiente impulsa a los protones de vuelta a través de la membrana interna hacia la matriz, a través de la subunidad F0 de la ATP sintasa, lo que resulta en la activación de las subunidades F1 y la síntesis de ATP. Por término medio, por cada NADH se sintetizan aproximadamente 3 ATP, y por cada FADH2 se sintetizan aproximadamente 2 ATP. El menor rendimiento de ATP para el FADH2 se debe al menor gradiente de protones que se genera cuando se donan electrones del FADH2. En este caso, los electrones se donan a la succinato deshidrogenasa, que no bombea protones cuando los electrones entran en el ETC, evitando así a la NADH deshidrogenasa y los protones que bombearía a través de la membrana.

      Resumen

      La fosforilación oxidativa es un mecanismo para la síntesis de ATP tanto en células vegetales como animales. Implica el acoplamiento quimiosmótico del transporte de electrones y la síntesis de ATP. La fosforilación oxidativa se produce en las mitocondrias. La mitocondria tiene dos membranas: una interna y otra externa. El espacio definido por la membrana interna es la matriz, y el espacio entre las dos membranas es el espacio intermembrana. El NADH y el FADH2, generados en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, se oxidan en la mitocondria. Donan sus electrones a complejos proteicos incrustados en la membrana interna mitocondrial, compuestos por muchos polipéptidos con una variedad de grupos prostéticos capaces de aceptar y donar electrones. Estos complejos son componentes de la cadena respiratoria. Los electrones donados por el NADH y el FADH2 son transportados a lo largo de la cadena respiratoria y finalmente serán donados al oxígeno, generando así agua. La dirección del transporte de electrones está determinada por el potencial redox de cada portador potencial de electrones. Hay tres complejos proteicos principales que participan en la cadena respiratoria que transporta electrones y que bombea iones de hidrógeno a través de la membrana interna, lo que da lugar a un gradiente electroquímico de hidrógeno. Este gradiente electroquímico genera una fuerza motriz de protones (PMF) que impulsa los iones de hidrógeno de vuelta a través de la membrana interna a través de la ATP sintasa. La ATP sintasa se compone de dos subunidades: la subunidad F0, que proporciona un canal para el flujo de iones de hidrógeno a través de la membrana interna; y la subunidad F1, que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi. Cuando los iones de hidrógeno fluyen a través de la subunidad F0, una parte de la subunidad gira en la membrana. Al girar, induce cambios conformacionales en la subunidad F1 que activan la actividad de síntesis de ATP, convirtiendo así la energía libre del gradiente electroquímico de hidrógeno (generado por las proteínas de la cadena de transporte de electrones) en la energía de un enlace químico.

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