4.3 Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP
La
Fosforilación oxidativa. Es un proceso bioquímico que ocurre
en las células. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiración
celular, tras la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. De una molécula de
glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa.
Dentro de las células, la
fosforilación oxidativa se produce en las membranas biológicas. En procariotas
es la membrana plasmática y en eucariotas es la membrana interna de las dos de
que consta la mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas donadores de electrones
que "fueron cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico, se utilizan
en un mecanismo intrincado (que implica a numerosas enzimas como la NADH-Q
reductasa, la citocromo c oxidasa y la citocromo reductasa), gracias a la bomba
H+ que moviliza los protones contra un gradiente de membrana.
Estequiometría de la Fosforilación Oxidativa
Por cada par de electrones que se
originan en el NADH, se sinterizan 3 equivalentes de ATP, lo que requiere 22.4
kcal de energía. Así, con 31,2 kcal de energía disponible, esta claro que el
gradiente de protones generado por el transporte de electrones contiene la
energía suficiente para la síntesis normal de ATP. Los electrones a partir del
succinato tienen aproximadamente 2/3 de la energía de los electrones del NADH:
ellos generan PMFs que son aproximadamente 2/3 de la fuerza que se genera con
los electrones del NADH y llevan a la síntesis de solamente 2 moles de ATP por
mol de succinato oxidado.
Regulación de la Fosforilación Oxidativa
Debido a que el transporte de
electrones esta acoplado a la translocación de protones, el flujo de electrones
a través del sistema de transporte de electrones se regula por la magnitud de
la PMF. Mientras más alta es la fuerza, más baja la proporción de transporte de
electrones, y viceversa. Bajo condiciones de reposo, con una carga alta de
energía en las células, la demanda para síntesis nueva de ATP se limita y,
aunque la PMF esta alta, el flujo de electrones hacia la matriz de la
mitocondria a través de la ATP sintasa es mínima. Cuando las demandas de
energía se incrementan, como durante la actividad muscular rigurosa, el ADP en
el citosol se incrementa y es intercambiado con el ATP de la mitocondria por
medio del transportador transmembrana nucleótido de anedina, la translocasa
ADP/ATP. Las concentraciones altas de ADP hacen que la PMF sea descargada a
tiempo de que los protones fluyen a través de la ATP sintasa, regenerando así
la cantidad de ATP. Así, mientras la proporción del transporte de electrones
depende de la PMF, la magnitud de la PMF en cualquier momento refleja la carga
de energía de la célula. A su vez la carga de energía, o más precisamente la
concentración de ADP, normalmente determina la proporción del transporte de
electrones por principios de acción de masa. La proporción del transporte de
electrones usualmente se mide al determinar la proporción de consumo de oxigeno
y a esto se refiere como la tasa de respiración celular. La tasa de respiración
se conoce como estado 4 cuando la carga de energía es alta, la concentración de
ADP es baja, y el transporte de electrones esta limitado por el ADP. Cuando los
niveles de ADP aumentan y el fósforo inorgánico esta disponible, el flujo de protones
a través de la ATP sintasa es elevado y se observan proporciones altas en el
transporte de electrones; la tasa respiratoria resultante se conoce con el
nombre de estado 3. Así, bajo condiciones fisiológicas la actividad
respiratoria mitocondrial esta en un ciclo entre los estados 3 y 4.
Síntesis de ATP
La ATP sintasa es un complejo enzimático de gran tamaño, observable
a microscopía electrónica. Está formada por dos subunidades F0, una porción hidrofóbica
que atraviesa la integridad de la membrana mitocondrial interna, formada por
cuatro cadenas polipeptídicas y que funcionalmente constituye el conducto de
protones. La otra subunidad F1 protruye en el lado interno de la membrana, y
está formada por cinco clases de cadenas polipeptídicas ,α3, β3, γ, δ y ε. Su
papel funcional es catalizar la formación de un enlace de alta energía, sintetizando
ATP. El cuello intermedio que une ambas subunidades está formado a su vez por
varias proteínas reguladoras.
El sistema mediante el cual funciona este complejo, ha permitido
observar que el ATP se forma rápidamente, aún en ausencia de gradiente a través
de la misma, pero la carencia de fuerza protomotriz no permite la separación
del ATP formado, que permanece unido a la sintasa. Sólo el flujo de protones,
la estimación es de forma aproximada de tres H+, origina la liberación de un
ATP. Cada par de electrones proveniente del NADH, genera un flujo neto de
protones a través del complejo I, III y IV de 4, 2 y 4 protones
respectivamente, lo que se traducirá en la síntesis de 3 ATPs, la entrada de
electrones a través del FADH2
genera un flujo
de protones a través del complejo III y IV de 2 y 4
respectivamente, que permitirá la formación de 2 ATPs.
Referencias:
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