Fosforilacin OxidativaEs la tercera y ltima etapa de la respiracin celular. La primera etapa era la oxidacin del piruvato a Acetyl-CoA, la segunda era la oxidacin de Acetyl-CoA a CO2 y H2O.

En la mitocondria se produce la mayor cantidad de ATP por medio de la fosforilacin oxidativa, por medio del poder reductor, los electrones de alta energa: el NADH y el FADH2. El NADH lo obtuvimos en la gliclisis pero la fosforilacin oxidativa es en la mitocondria. Tambin obtuvimos 6 NADH en el ciclo de Krebs en los dos Acetyl-CoA.

La fosforilacin oxidativa consta de dos pasos, una cadena transportadora de electrones y el segundo paso la sntesis de ATP a partir de una enzima en la membrana interna de la mitocondria, la ATP sintasa.Los electrones de alta energa van a ingresar a la cadena transportadora de electrones.

La mitocondria tiene una doble membrana, una externa y una interna, la externa tiene poros por lo cual pasa cualquier soluto, es permeable a todo lo del citosol, en cambio la membrana interna que forma las invaginaciones en la matriz mitocondrial, en superficie es mucho ms grande y semi-permeable, solo pasarn los solutos que tengan algn transportador. Aquellas molculas pequeas, hidrofbicas y sin carga pueden pasar libremente por ambas membranas, como el CO2 y el O2.

La membrana mitocondrial externa tiene un alto porcentaje de protenas, tiene las porinas permeables a todos los solutos. La membrana mitocondrial interna es semipermeable y solo pasan los solutos con transportador especfico, tambin encontramos una serie de protenas, las de la cadena transportadora de electrones, tambin encontramos la ATP sintasa, los transportadores con sus respectivos nombres como la traslocasa ADP-ATP, una protena del ciclo de Krebs, la succinato deshidrogenasa.

En la matriz mitocondrial vamos a encontrar las enzimas del ciclo de Krebs excepto la succinato deshidrogenasa, enzimas que degradan los cidos grasos, la piruvato deshidrogenasa que oxida el Acetyl-CoA, tambin hay DNA mitocondrial, ribosomas que se producen a partir de DNA mitocondrial, tiene el RNA mensajero del DNA mitocondrial, ribosomas que traducen esos RNA mensajeros.

Estos electrones de alta energa en la molcula NADH o FADH son cedidos al primer complejo que forma la cadena transportadora de electrones, este es el complejo 1. Especficamente son los NADH los que entregan los electrones. El complejo 1 se reduce cuando recibe los electrones y el NADH se oxida. El complejo 1 reducido entrega ese electrn de alta energa al complejo 3. En ese momento el complejo 3 se reduce. En este proceso de oxidacin y reduccin, cuando se oxida el complejo 1 utiliza parte de esa energa contenida en el electrn de alta energa para bombear protones en contra de la gradiente electroqumica. Estos son complejos proteicos grandes, unas de sus partes tiene la capacidad de oxidarse y reducirse y otra de bombear protones en contra de la gradiente. Los protones se concentran en el espacio intermembrana, se bombean contra corriente desde la matriz mitocondrial.Cuando el complejo 3 se reduce y recibe el electron, lo entrega al complejo 4. Cuando los entrega tambin bombea protones en contra de la corriente. Finalmente el complejo 4 entrega ese electrn que ha perdido energa a medida que pasa de complejo en complejo al oxgeno molecular. El oxigeno que tiene valencia cero como molecular, para a valencia dos como oxigeno del agua.

Por lo tanto, el paso de los electrones de alta energa por la cadena transportadora de electrones genera una gradiente de protones en el espacio intermembrana.

La sntesis del ATP se produce porque la enzima ATP sintasa utiliza la gradiente de protones para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi. Los protones pasan a travs de la ATP sintasa y este flujo a favor de la corriente produce la sntesis de ATP a partir de ADP y Pi, es decir no hay sustratos de alta energa como en la gliclisis, la sntesis es por la fosforilacin del ADP. Por lo tanto, el flujo de los electrones produce una gradiente de protones, la cual induce la sntesis de ATP.

Ms en detalle, los electrones de alta energa contenidos en el NADH ingresan a la cadena transportadora de electrones va complejo 1, este se reduce, luego entrega los electrones de alta energa a una molcula pequea, orgnica, que no es protena, liposoluble, est en la zona hidrofbica de la membrana que se llama ubiquinona o coenzima Q. La coenzima Q se reduce cuando toma los electrones, como es una molcula pequea e hidrofbica se desplaza entre las colas de los fosfolpidos, y le entrega los electrones al complejo 3. Cuando se los entrega la ubiquinona se oxida y el complejo 3 se reduce. En el momento en que el complejo 1 le entreg los electrones a la ubiquinona bombe 4 protones en contra de la corriente. El complejo 3 le entrega los electrones a una protena pequea llamada citocromo C, esta protena pequea es perifrica hacia el espacio intermembrana. En ese momento el citocromo C se reduce y el complejo 3 se oxida y bombea 4 protones. El citocromo C entrega los electrones al complejo 4, el complejo 4 entrega los electrones al O2 y se reduce a H2O, y quedan los electrones ah, el complejo 4 cuando se oxida y pasa los electrones bombea 2 protones.El flujo de los electrones a trabes de la cadena transportadora de electrones gener un bombeo de protones al espacio intermembrana, esta gradiente es utilizada por la ATP sintasa que es transmembrana, esta enzima usa la gradiente para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.

Los electrones de alta energa que vienen del FADH2 entran a travs del complejo 2 de la cadena transportadora de electrones, el complejo 2 es la succinato deshidrogenasa, la cual es la enzima que cataliza la reaccin que formaba FADH2 en el ciclo de Krebs, la nica enzima de membrana. Entran a travs del complejo 2, el cual entrega el electrn a la coenzima Q, el resto del paso de los electrones es similar al del NADH que ingresaron por el complejo 1. Pero hay una diferencia, cuando se tiene FADH2 se bombean 6 protones, mientras que por el NADH se bombean 10. Por lo que el FADH2 tiene menor capacidad de formar ATP. El complejo 2 no tiene la capacidad de bombear protones.

El NADH le entrega el electron de alta energa al complejo 1, a la ubiquinona, al complejo 3, al citocromo C, al complejo 4 y al oxgeno para transformarlo en agua.Los E (energa de oxido-reduccin) son todos favorables para que ocurra el flujo de electrones.La energa es utilizada para bombear protones por el complejo 1, 3 y 4.

El FADH2 es una coenzima fuertemente unida a la enzima o complejo 2, por lo cual apenas recibe los electrones, se los entrega.

No es necesario saber estos nombres.

Los componentes de la cadena de electrones, si miramos el complejo 1, 3 y 4 nos damos cuenta que son los de mayor peso molecular. La succinato deshidrogenasa tambin es bastante grande, en cambio la ubiquinona es una molcula pequea e hidrofbica. El citocromo C tambin es pequea y de una subunidad.

Tambin vamos a encontrar que todos estos complejos de la cadena transportadora de electrones es que todos tienen grupos prostticos y es ah donde ocurren las oxido-reducciones. Estos son complejos fierro-azufre, otros tienen el FAD, a la larga es el fierro o cobre o grupo hem los tomos que se oxidan o reducen y que permiten el paso del electrn de un complejo al otro. Son flavoprotenas.

El flujo de los protones genera la gradiente de protones, la fuerza protomotriz que es utilizada por la ATP sintasa para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.Lo sintetiza porque utiliza la gradiente para que los protones pasen a travs de ella, y el flujo de los protones produce la sntesis de ATP.

Tambin se genera un potencial de membrana positivo en el espacio intermembrana.

En algunas mitocondrias de tejidos especiales tenemos otras protenas en la membrana interna que pueden utilizar esa gradiente, y esas son los UCP (protenas que desacoplan la cadena transportadora de electrones). Estas protenas que utilizan la gradiente desacoplando la gradiente de la ATP sintasa producen como efecto por el paso de los protones calor.Los encontramos en prcticamente en todas las clulas, en algunas se encuentran siempre, como en la grasa parda que es un tejido adiposo comn en animales que hibernan y bebs recin nacidos.En otras clulas estas protenas se expresan pero a partir de seales, principalmente de hormonas tiroideas.Estas UCP las encontramos por familias, la primera la UCP-1 (termogenina) es la que se encuentra en la grasa parda. Tambin tenemos otras en musculo y muchas en cerebro, estas se expresan principalmente por las seales como las hormonas tiroideas. Las clulas que tienen expresadas estas UCP y desacoplan la cadena transportadora de electrones oxidan la glucosa y generan los electrones de alta energa, pero en vez de producir ATP estos electrones de alta energa producen calor.Son importantes en el cerebro porque este necesita tener una temperatura constante. Si el cerebro se enfra la persona muere. Las hormonas del estrs tambin influye en la expresin de estas protenas.El consumo de oxgeno se mantiene constante, porque la cadena transportadora no se detiene, si no se detiene se necesita oxigeno para formarse agua. Por lo tanto las protenas que desacoplan la cadena transportadora de electrones mantienen un consumo de oxigeno constante pero la sntesis de ATP disminuye. Cualquier compuesto que desacople la cadena transportadora de electrones van a mantener un consumo de oxigeno pero van a disminuir la sntesis de ATP.

Adems de estos desacoplantes tenemos inhibidores de la cadena transportadora de electrones.En este caso inhibo el transporte de los electrones. Por lo tanto inhibo el consumo de oxigeno y tambin la sntesis de ATP.La diferencia entre un desacoplante y un inhibidor es que en uno inhibo el paso de electrones, y en el otro se inhibe solo la sntesis de ATP.

La rotenona, un veneno que inhibe el paso de los electrones a la coenzima Q. Por lo tanto si inhibo el paso de los electrones no hay finalmente consumo de oxgeno porque el electrn queda detenido y la cadena se frena.La antimicina A es un antibitico que inhibe a nivel del citocromo C, frena la cadena transportadora de electrones de procariontes. Se inhibe el flujo de sus electrones.Tenemos otras molculas como el ciano o el monxido de carbono, tambin frenan la cadena transportadora de electrones, y eso los hace venenos letales y rpidos.La gradiente se ve afectada tambin, porque para que pasen los protones tiene que seguir el paso siguiente hasta el final. O todo o nada.

Aqu estn el paso de los inhibidores y en que paso afecta cada uno. Dentro de estos inhibidores tenemos tambin la azida que la mayora de los compuestos que hay en un laboratorio para preparar casi todo tiene azida sdica, la cual es un veneno que mata hongos pero tambin nos afecta a nosotros.

La gradiente ha generado el bombeo de protones en contra de la gradiente. Ademas de la gradiente genera un potencial del membrana interna positivo al espacio intermembrana, la gradiente de protones sirve para la sntesis de ATP. La ATP sintasa es una protena que se encuentra inserta en la membrana interna de la micondria y los protones van a pasar a travs de ella permitiendo la sntesis de ATP.

La ATP sintasa es una protena bastante grande compuesta por varias subunidades, en general tiene dos dominios uno que se llama F0 que se encuentra inserto en la membrana, y otro dominio que se llama F1 que se encuentra hacia la matriz mitocondrial.La gradiente de protones est en el espacio intermembrana, los protones atraviesan a travs del espacio F0, y este atravesar genera una rotacin en la porcin que est en la membrana que lleva consigo una rotacin en el dominio F1, y es en este cuando rota que se forma la sntesis de ATP.Los protones entran en sitios de unin en el espacio F0, cuando entran producen un cambio o rotacin, por eso le llaman la turbina molecular, este movimiento del dominio F0 lleva consigo a una distorsin de las zonas del dominio F1, el dominio F0 tiene un sacado y a medida que va rotando va y vuelve la lengeta.

El dominio F1 est formado por varias subunidades, pero principalmente son las alfa y beta que se repiten tres veces, cada vez que la lengeta va dando vuelta distorsiona cada uno de los dominios beta, y esos dominios crean sitios de unin para ADP y Pi dependiendo de donde est la lengeta, cuando la lengeta cambia, un sitio de reconocimiento se convierte en un de sntesis, y cuando vuelve a cambiar se abre para la liberacin del ATP que se sintetizo.A medida que da vuelta se va transformando los sitios, porque la porcin F1 est fija.A este modelo se le llama de turbina molecular.Cuando se forma el ATP, se libera hacia la matriz mitocondrial.Entonces el flujo de los protones genera una rotacin de la porcin F0 que crea cambios conformacionales en la porcin F1, generando sitios o zonas catalticas que permiten la fosforilacin y liberacin del ATP.

La gradiente de protones genera la sntesis de ATP y tambin generaba un potencial de membrana positivo en el espacio intermembrana de la mitocondria. Esto no es ms que una gradiente de pH donde hay un pH ms acido en el espacio intermembrana que en la matriz. Adems de ser utilizada por la ATP sintasa sirve para el transporte de los solutos, como el piruvato y el Pi, ambos son transportados por simporte activo a travs de la gradiente de protones.El piruvato se necesita para partir la respiracin celular, y el Pi se necesita para la sntesis de ATP como sustrato.La gradiente de voltaje, esta diferencia de carga que hay en ambos lados de la membrana activa la traslocasa, es traslocados ADP/ATP, el ATP generado en la matriz sale, y el ADP que es el sustrato entra a la matriz mitocondrial para la ATP sintasa.La traslocasa necesita ese potencial de membrana positivo para que el ATP que tiene carga negativa salga hacia afuera por la atraccin positiva.

El NADH que est en el citosol no tiene transportador en la membrana interna de la mitocondria. Los dos NADH que se generaron por la glicolisis, le entregan sus electrones a alguien que tenga transportador y que se lo entregue a un NAD+ que est dentro de la matriz. Este es un sistema de lanzadera. Tenemos dos tipos de lanzadera, la primera lanzadera es la del glicerol 3-fosfato.Aqu ocurre que los electrones de alta energa contenidos en el NADH se los entrega a la dihidroxiacetona fosfato (DHAP), esta recibe los electrones y se convierte en glicerol 3-fosfato.El glicerol 3-fosfato puede entrar al espacio intermembrana, aqu por una enzima que se encuentra en la membrana interna que se llama glicerol 3-fosfato deshidrogenasa que tiene como cofactor el FADH2 se le entregan los electrones del glicerol 3-fosfato al FAD y se vuelve FADH2, esto es parte del complejo 2. Estos electrones se le entregan a la coenzima Q y se lleva a cabo la cadena transportadora.No todas las clulas tienen esta lanzadera, las que lo tienen son cerebro y musculo esqueltico.

La otra lanzadera se llama malato aspartato.Este es un caso ms complicado, tenemos el NADH que se gener en la glicolisis, este interacciona con el oxalacetato del ciclo de Krebs, pero estamos en el citosol, por lo cual es oxalacetato del citosol, NADH y oxalacetato forman malato por la enzima malato deshidrogenasa, la diferencia es que es una isoenzima de la que se encuentra en la matriz mitocondrial, y se reduce el oxalacetato a malato, el malato tiene transportador y se cotransporta con el -cetoglutarato, y entra el malato a la matriz mitocondrial, ah el malato se transforma a oxalacetato, la misma via del ciclo de Krebs por la malato deshidrogenasa mitocondrial con NAD+ y quedan los NADH adentro. Pero quedamos con oxalacetato, para poder terminar el ciclo y quedar solo con los electrones en la matriz mitocondrial, se transforma en aspartato, a travs de unas enzimas llamadas transaminasas se le agrega un grupo amino al oxalacetato y se convierte en el aspartato, el aspartato tiene transportador en la membrana interna y se cotransporta con el glutamato, mientras el aspartato sale el glutamato sale. El aspartato se transamina nuevamente a oxalacetato, le entrega el grupo amino al cetoglutarato y este se transforma en glutamato, y sale y es el glutamato el que le pasa despus el grupo amino al oxalacetato para volverlo aspartato, y se cierra el ciclo habiendo transportado solamente los electrones de alta energa.La encontramos principalmente en hgado, rin y musculo cardiaco.

Los electrones del malato son entregados al NADH y este ingresa los electrones a la cadena transportadora de electrones.Esto depende de la lanzadera que tenga la clula en su membrana interna, y las enzimas y capacidad que tenga.

Los electrones entoces pueden entrar a travs del NADH dela matriz mitocondrial.A travs del FADH2 por el complejo 2.Tambin por el FADH2 por la glicerol 3-fosfaro deshidrogenasa por la lanzadera del glicerol 3-fosfato.

Finalmente en total por una molcula de glucosa, se considera que por una molcula de NADH se forman aproximadamente 2,5 ATP y por una de FADH2 se forma 1,5 molculas de ATP.En la glicolisis tuvimos 2 ATP y 2 NADH, dependiendo de que lanzadera entra el NADH se sabe cuantos ATP se forman, por lo cual si entro por la lanzadera de la coenzima Q con FADH2 se producen 1,5 ATP. Si entro por la lanzadera del malato aspartato produzco 2,5 ATP, entonces dependiendo de la lanzadera se van a producir 3 o 5 ATP a partir del NADH.Tenemos que se forman 2 NADH en la oxidacin del piruvato a Acetyl-CoA, que forman 5 ATP. Tenemos 6 NADH del ciclo de Krebs que dan 15 ATP. 2 FADH2 que forma 3 ATP. Y los 2 GTP del ciclo de Krebs y eso da una suma de entre 30 o 32 ATP totales de la oxidacin completa de la glucosa. 30 si entraron por la lanzadera del glicerol 3-fosfato, 32 si entraron por la lanzadera del malato aspartato.

El humano durante el ejercicio, cuando el requerimiento del musculo son grandes cantidades de ATP, se parte corriendo con el ATP preformado en la clula, pero esa cantidad es finita y se agota en los primeros 4 segundos. Despus como fuente de ATP, el ADP que se produjo de la hidrlisis del ATP, se transforma a partir de la fosfocreatina, en creatina y ATP. Si se sigue el ejercicio, se realiza fermentacin lctica, se ocupa la mxima potencia para producir el ATP. Pero si se sigue el ejercicio, la nica forma de sobrevivir a esa cantidad de tiempo utilizando ATP es realizar la respiracin celular, por eso se llama ejercicio aerobio, con oxigeno.