Fosforilación Oxidativa: Producción de Energía y Síntesis de ATP Celular

Fosforilación Oxidativa: El Proceso Energético Mitocondrial

La fosforilación oxidativa es un proceso fundamental que ocurre en la mitocondria, involucrando diversas enzimas y proteínas clave para la producción de energía celular.

• Piruvato deshidrogenasa
• Enzimas del ciclo de Krebs
• Enzimas que catalizan la oxidación de ácidos grasos
• Proteínas redox en el transporte electrónico y la fosforilación oxidativa

Grupos Transportadores de Electrones

Existen tres tipos principales de transferencia de electrones en este proceso:

• Transferencia directa de electrones: Por ejemplo, de Fe³⁺ a Fe²⁺.
• Transferencia de un átomo de hidrógeno: Incluye un protón y un electrón.
• Transferencia de un ion hidruro: Un portador de dos electrones.

1. Flavoproteínas

Contienen un anillo de isoaloxazina y participan en reacciones de transferencia de electrones acopladas a la unión o liberación de protones (pasando de estado oxidado a reducido).

2. Coenzima Q o Ubiquinona

También conocida como ubiquinona, es un transportador clave.

3. Grupo Hemo

Compuesto por un átomo de hierro y un anillo orgánico heterocíclico (porfirina). Está presente en los citocromos, que intervienen en la cadena transportadora de electrones (citocromos a, b, c con distinto espectro de absorción).

4. Centros de Fe-S

Son cofactores pequeños esenciales en importantes procesos químicos.

La Cadena Transportadora de Electrones en la Membrana Mitocondrial

La cadena transportadora de electrones está compuesta por complejos enzimáticos que oxidan NADH y FADH₂, generando un gradiente de protones. El movimiento de electrones se produce desde componentes con potenciales de reducción bajos (NADH + FADH₂) hacia componentes con potenciales altos (O₂, un excelente oxidante con un potencial redox más positivo).

Complejo I (NADH deshidrogenasa)

Contiene una flavoproteína con FMN y un mínimo de 6 centros Fe-S. En este complejo, el NADH se oxida.

Complejo II (Succinato-Q reductasa)

Posee 2 proteínas Fe-S y la succinato deshidrogenasa (que oxida el succinato a fumarato) y FAD. A diferencia de otros complejos, no bombea protones.

Lanzadera de glicerol-3-fosfato: Los electrones son transferidos al FAD, el cual se reduce a FADH₂. Este mecanismo es muy activo en el músculo, permitiendo una fosforilación a gran velocidad.

Coenzima Q (Ubiquinona)

Es un transportador electrónico lipídico que se desplaza a través de la membrana. Transporta electrones tanto desde el NADH como desde la succinato deshidrogenasa (FADH₂), reduciéndose en el proceso.

Complejo III (Complejo Citocromo bc1 o Citocromo reductasa)

Recibe la coenzima Q reducida y la oxida para transferir electrones al Citocromo C y reducirlo.

Citocromo C

Es una proteína soluble ubicada en el espacio intermembrana. Su grupo hemo acepta electrones del Complejo III para luego desplazarse al Complejo IV y ceder el electrón a un centro de cobre binuclear.

Complejo IV (Citocromo oxidasa)

Oxida el citocromo C y reduce el oxígeno (O₂) a agua (H₂O). Es responsable de la mayor parte de la obtención de ATP.

La energía liberada por los complejos I, III y IV impulsa la síntesis de ATP por la ATP sintasa. El transporte de electrones genera un gradiente de protones que sirve como almacén de energía, dirigiendo la formación de ATP. Esta energía se conoce como fuerza protón-motriz, la cual está almacenada en el gradiente de concentración de protones por la suma de un potencial eléctrico y químico.

Los protones que son bombeados al espacio intermembrana mitocondrial por la cadena regresan al interior de la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa.

ATP Sintasa: La Maquinaria de Síntesis de ATP

La ATP sintasa no forma parte directa de la cadena de transporte de electrones, pero es crucial para la síntesis de ATP.

• F_o: Proteína integral de membrana.
• F₁: Proteína periférica.

La energía del gradiente de protones se utiliza para liberar el ATP del centro catalítico de la enzima.

El componente F_o gira a medida que entran los protones, induciendo cambios conformacionales en F₁:

• Estado Abierto (O): Une o desprende nucleótidos.
• Estado Relajado (L): Une ADP + Pi para que no se desprendan.
• Estado Tenso (T): Cataliza la formación de ATP, uniéndolo fuertemente sin liberación inmediata.

La rotación de 120° del eje gamma (γ) de F₁ provoca la liberación de ATP y la unión de ADP + Pi para un nuevo ciclo.

Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa

Diversas sustancias pueden interferir con este proceso vital:

1. Inhibidores del sustrato (NADH): Impiden la oxidación del NADH.
   • Rotenona: Actúa sobre el Complejo I.
   • Antimicina A: Actúa sobre el Complejo III, inhibiendo la síntesis de ATP.
2. Bloqueadores del flujo de electrones en la citocromo oxidasa:
   • Cianuro (CN^-)
   • Monóxido de carbono (CO)
3. Inhibidores de la ATP sintasa: Impiden la entrada de protones a la enzima.
   • Oligomicina A
   • DCCD

Desacopladores de la Fosforilación Oxidativa

Estas sustancias rompen la relación entre la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa, permitiendo que el flujo de electrones continúe sin la síntesis de ATP, disipando la energía como calor.

• DNP (2,4-Dinitrofenol)
• Pentaclorofenol

Transporte de ATP, ADP y Pi

El ATP, ADP y Pi no pueden atravesar libremente la membrana interna mitocondrial, por lo que requieren sistemas de transporte específicos:

1. ADP/ATP translocasa: Realiza un antiporte entre el ADP citosólico y el ATP de la matriz mitocondrial.
2. Transportador de fosfato: Realiza un simporte de fosfato y protones. Actúa coordinadamente con la ADP/ATP translocasa.

Balance Energético

En el contexto del metabolismo energético:

• La glucólisis y el ciclo del ácido cítrico producen 2 ATP cada uno (o equivalentes).
• La cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa son responsables de la mayor parte de la producción de ATP, generando aproximadamente 34 ATP.