2

Resumen………………………………………………………………………… pag. 3

1. Introducción…………………………………………………………………. pag. 3

2. La mitocondria: localización del proceso……………………………… pag. 4

3. Potenciales de óxidorreducción. Conceptos básicos………………. pag. 6

4. Componentes proteicos de la cadena respiratoria…………………... pag. 7

5. El transporte de electrones……………………………………………….. pag. 10

6. Liberación de energía libre y fuerza protomotriz……………………… pag. 12

7. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP……………………………….. pag. 14

8. Complejo ATP sintasa: teoría del acoplamiento quimiosmótico…… pag. 15

9. Transporte de iones en la membrana mitocondrial interna................. pag. 17

10. Regulación de la velocidad de transporte de electrones……………. pag. 18

11. Balance energético…………………………………………………………. pag. 18

3

CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACION OXIDATIVA

Resumen Las coenzimas reducidas NADH y FADH2 provenientes de diferentes procesos

oxidativos se reoxidan gracias a la cadena respiratoria de transporte de electrones. Esta consiste en un conjunto de complejos proteicos, enclavados en la membrana interna mitocondrial, que funcionan como acarreadores de electrones, transportándolos desde las coenzimas reducidas al aceptor final del metabolismo aerobio, el oxígeno molecular (O2), en un proceso en cadena según potenciales de reducción creciente. A medida que los electrones se mueven a través de los complejos proteicos en una secuencia de óxido-reducciones espontáneas (ΔG negativa) los protones son transportados a través de la membrana interna hacia el espacio intermembrana, generando un gradiente de concentración de protones. La matriz mitocondrial se vuelve más alcalina y con carga negativa respecto al espacio intermembrana. De esta manera el potencial reductor o potencial de transferencia de electrones de las coenzimas reducidas se convierte en un potencial electroquímico. La energía de este gradiente se libera cuando los protones se canalizan de nuevo a través de la membrana interna gracias al complejo proteico transmembrana ATP sintasa. El flujo de protones dirige, en forma indirecta, la reacción: ADP + Pi → ATP + H2O

1. Introducción.

En capítulos anteriores se analizaron las vías metabólicas mediante las cuales la célula

degrada los nutrientes absorbidos a nivel intestinal y obtiene la energía destinada al

mantenimiento de la homeostasis celular. Hagamos un pequeño repaso de las primeras fases de

degradación de la glucosa: https://youtu.be/xbo3ASfEZ_s

La conclusión es que entre todas estas vías estudiadas sólo la glucolisis produce energía en

forma de ATP de manera directa pero en este proceso sólo se extrae una pequeña fracción de la

energía disponible en la molécula de glucosa (Fig. 1).

Fig. 1. Balance energético de la conversión de glucosa en piruvato.

El resultado es que en casi todas las células, el ATP producido en la glucólisis es

insuficiente para satisfacer la demanda energética que permita mantener las funciones vitales.

Es claro que las células deben contar, entonces, con otros mecanismos que les permitan

afrontar la costosa vida celular.

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En su degradación aeróbica completa, la glucosa sufre 6 procesos oxidativos diferentes: uno

en la glucólisis (en el citoplasma), otro en la transformación de piruvato en acetil CoA y el resto en

el ciclo de los ácidos tricarboxíIicos (los dos últimos en la matriz mitocondrial). De forma que la

oxidación completa de glucosa a CO2 ocurre con transferencia de 12 pares de electrones a las

coenzimas NAD+ y FAD que generan, entones, sus formas reducidas NADH y FADH2. Del mismo

modo, la oxidación de ácidos grasos y de aminoácidos, que se analizarán en los capítulos

siguientes, originarán estas mismas moléculas ricas en energía en forma de poder reductor. La

Fig.2 muestra el camino común de oxidación de los diferentes nutrientes. Este mecanismo

permite, además de cubrir las necesidades energéticas del organismo, que se asegure la

continuidad de estos procesos catabólicos que no serían posibles sin la reoxidación inmediata de

las coenzimas reducidas.

Fig. 1. Etapas del metabolismo oxidativo:

1) Producción de Acetil~CoA a partir de glucosa, ácidos grasos o aminoácidos

2) Oxidación de Acetil~CoA en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos

3) Fosforilación oxidativa acoplada a la transferencia electrónica

Este capítulo se referirá a cómo estos equivalentes reducidos alimentan la cadena de

transporte de electrones generando un gradiente electroquímico de protones que la mitocondria

utiliza en la síntesis de cantidades adecuadas de ATP.

2. La mitocondria: localización del proceso.

A partir de 1948, los científicos estadounidenses Eugene Kennedy y Albert Lehninger (1917-

1986) publicaron investigaciones que permitieron demostrar, entre otras cosas, que las

mitocondrias de las células eucarióticas constituían el sitio exclusivo para la fosforilación oxidativa,

el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la oxidación de ácidos grasos. La mitocondria es, por lo

tanto, la organela citoplasmática en la que ocurre la etapa final de la oxidación aerobia de las

biomoléculas y donde se sintetiza la mayor parte del ATP celular.

5

Su número es muy variable de una célula a otra. Están limitadas por dos membranas con

propiedades muy diferentes (Fig. 3), la membrana mitocondrial externa (MME) y la membrana

mitocondrial interna (MMI). Entre ambas membranas se localiza el espacio intermembrana y,

limitada por la MMI, se encuentra la matriz mitocondrial. La matriz mitocondrial contiene el

complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo del ácido cítrico (excepto

el complejo de la succinato deshidrogenasa, que está enclavado directamente en la MMI), y la

mayor parte de las enzimas que catalizan la oxidación de los ácidos grasos.

Fig. 3. a) Microfotografía electrónica de una mitocondria; b) Representación esquemática de la mitocondria

La MME, relativamente pobre en proteínas, presenta inserta en sí misma una proteína

transmembrana conocida como porina; esta proteína forma canales que permiten la libre difusión

de iones y de metabolitos solubles en agua que tengan una masa molecular < 10000, motivo por

el cual el espacio intermembrana posee aproximadamente la misma composición de iones y

metabolitos que el citosol. Por el contrario, la MMI es prácticamente impermeable a las sustancias

polares y a los iones, como por ejemplo los H+, y requieren de proteínas integrales enclavadas en

la membrana para el transporte de estos solutos. Entre las moléculas que deben ser transportadas

específicamente a través de la MMI se encuentran ATP, ADP y P i (cuyo transporte se explicará

6

más adelante), mientras que el agua, el CO2 y el O2 son de las pocas que pueden atravesar esta

membrana libremente. Desde el punto de vista de su composición, la MMI resulta ser muy rica en

proteínas con una relación proteínas:lípidos de alrededor de 4:1 en peso, contiene los complejos

enzimáticos de la cadena respiratoria y de la fosforilación oxidativa. Esta membrana está plegada

de forma muy apretada, esto genera innumerables crestas mitocondriales lo que se traduce en un

importante aumento del área superficial y del contenido de complejos enzimáticos. El número de

crestas mitocondriales está en relación directa con la actividad respiratoria, cuanto mayor sea ésta

más abundantes serán las crestas en las mitocondrias celulares de esa célula.

3. Potenciales de oxidorreducción. Conceptos básicos.

Cuando una sustancia se oxida, sin importar su naturaleza, pierde electrones. Para que esto

ocurra, simultáneamente, otra especie química debe captar los electrones liberados por la

primera, reduciéndose. Por lo tanto, oxidación y reducción son dos procesos acoplados que dan

lugar a una reacción “redox”, suma de dos hemi-reacciones simultáneas, una de oxidación y otra

de reducción. La especie que se oxida actúa como agente reductor al ceder electrones, en tanto

que la que se reduce actúa como agente oxidante al aceptar electrones (Fig.4).

Fig. 4. Reacciones de óxidorreducción Consideremos una sustancia que pueda oxidarse y reducirse reversiblemente, por ejemplo

la especie X. Ésta podrá existir en forma oxidada (X) ó en forma reducida (X-):

Para que X- se oxide deberá estar en presencia de otra sustancia que posea mayor afinidad

por los electrones, es decir que muestre mayor potencial de reducción y capte los electrones,

reduciéndose.

En este tipo de reacciones la tendencia de las sustancias reaccionantes a ceder o captar

electrones se expresa numéricamente por el potencial de oxidoreducción ó potencial redox.

Cuando los valores de este potencial son negativos, el compuesto tiende a ceder sus electrones

7

con mayor facilidad, mientras que los potenciales positivos indican que la sustancia tiene mayor

tendencia a captar electrones.

En las reacciones catabólicas vistas se puede interpretar el proceso de oxidación como

una pérdida de hidrógeno (H+ + e-) o bien como una ganancia de oxígeno. La oxidación de las

moléculas combustibles se corresponde con un proceso de deshidrogenación en el que los

átomos de hidrógeno separados del combustible son transferidos a coenzimas transportadoras de

hidrógeno, que a su vez los ceden a un aceptor final. En forma semejante a lo antes visto, el

proceso contrario a la oxidación se denomina reducción y en él las moléculas que actúan como

aceptoras de protones y electrones, se reducen. Estas reacciones redox son catalizadas por

enzimas conjugadas que contienen una coenzima transportadora de hidrógeno. Las coenzimas

transportadoras de hidrógeno actúan como intermediarias, transfiriendo los H+ y e- desde la

reacción de oxidación a la de reducción (Fig.5). El oxígeno es el aceptor final y el que posee más

capacidad de atraer electrones y, por lo tanto, el oxidante más fuerte. Al recibir los protones y

electrones transportados por las coenzimas el oxígeno se reduce, razón por la cual las células

necesitan un suministro constante del oxígeno proveniente del exterior. Finalmente el oxígeno se

combina con el hidrógeno transferido desde las coenzimas y produciendo agua.

Fig.5. Oxidorreducción de los cofactores NAD+ y FAD

4. Componentes proteicos de la cadena respiratoria

La cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones tiene como finalidad la

reoxidación de las coenzimas NADH y FADH2, reducidas en el curso del ciclo de Krebs, la

descarboxilación oxidativa del piruvato y la oxidación de ácidos grasos, entre otras. Pero la

transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el O2 no se realiza en forma

Los electrones fluyen desde las especies de menor potencial de reducción hacia las de mayor potencial de reducción.

8

directa, sino que en este proceso participan una serie de moléculas que actúan como

transportadoras de electrones y que, como ya dijimos, están localizados en la MMI.

A partir de esta membrana se han aislado cuatro ensamblajes de proteínas y cofactores

asociados a la transferencia de electrones, los complejos I, II, III y IV (Fig. 6). Existe un quinto

complejo, la ATP sintasa, que funciona en coordinación con este transporte de electrones y cuya

estructura y función describiremos más adelante.

Fig. 6. Localización de los transportadores electrónicos en la MMI

Los cuatro complejos no están asociados en términos físicos unos con otros aunque

trabajan conjuntamente. Los tres grandes complejos, NADH deshidrogenasa (complejo I),

Ubiquinol citocromo c reductasa (complejo III) y citocromo c oxidasa (complejo IV), constituyen

proteínas integrales de la MMI. El citocromo c es una proteína periférica de la MMI, ubicada en la

cara externa de la misma. La coenzima Q, único transportador de la cadena no ligado a proteínas,

es una molécula pequeña que se halla embebida en la capa media de la MIM, dentro de la cual

puede desplazarse.

Tabla 1: Complejos proteínicos de la cadena respiratoria y sus grupos prostéticos.

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Estos complejos, además de estar formados por diferentes proteínas, contienen grupos

prostéticos que, en conjunto, permiten el funcionamiento óptimo de cada uno de ellos. La tabla 1

muestra algunas de las características de los complejos I al IV.

Como información adicional daremos una descripción más detallada de los transportadores

de electrones que permite entender más claramente su funcionamiento:

- Flavoproteinas: El NADH se reoxida cediendo sus electrones al complejo NADH-Ubiquinona

reductasa o NADH dehidrogenasa; este complejo está constituído 25 cadenas polipeptídicas

una de !as cuales contiene flavinamononucleótido (FMN) como grupo prostético, además de

proteínas hierro-azufre. Los electrones cedidos por el NADH en su etapa de reoxidación son

tomados por el grupo FMN, que se reduce a FMNH2 , según las siguientes ecuaciones.

Posteriormente se reoxida cediendo sus electrones a proteínas hierro-azufre que integran el

complejo:

NADH NAD

+

+ 2 e-

+ H+

(oxidación del NADH)

FMN + 2e-

+ 2 H+

FMNH2 (reducción del grupo FMN del complejo NADH deshidrogenasa

- Proteinas con Fe y azufre: Participan en el transporte de electrones en diferentes complejos.

Son proteínas con hierro no hemínico y azufre. Los átomos de Fe, se unen a los grupos

sulfhidrilo de cisteínas de cadenas polipeptídicas y participan en la transferencia de electrones

pasando del estado férrico al estado ferroso y viceversa:

- Coenzima Q o Ubiquinona: es una quinona con .una larga cadena isoprenoide. Las

características hidrofóbicas de esta molécula determinan su alta movilidad dentro de la

membrana mitocondrial. Los dos grupos carbonilo que están presentes en la forma oxidada

de la molécula de quinona se reducen aceptando cada uno de ellos un electrón y un protón,

de modo que cada una de las dos funciones cetona se transforman en función alcohol. De ahí

que la forma reducida de la molécula se denomine ubiquinol.

- Citocromos: Son proteínas conjugadas que tienen el grupo hemo como grupo prostético. El

hierro del grupo hemo puede oxidarse o reducirse reversiblemente, lo cual le permite a este

tipo de moléculas participar en el transporte de electrones. En la cadena respiratoria se han

identificado los citocromos b, c1, c, a y a3. El grupo hemo del citocromo b es del tipo que se

encuentra en la hemoglobina y en la mioglobina. Como ocurre con las flavoproteínas, el

potencial de reducción estándar del Fe en el hemo de un citocromo depende en gran medida

del entorno proteico, esto determina que si bien la especie que se oxida y reduce

reversiblemente en todos los citocromos es la misma, el potencial de reducción es diferente

para cada uno de ellos.

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5. El transporte de electrones.

Una vez comprendida la naturaleza de la fuerza que impulsa el traspaso de electrones de un

transportador al otro, es claro que el orden en que estos transportadores se organizan en la MMI

no es caprichoso sino que responden a sus potenciales de oxidorreducción.

En el esquema de la Fig. 7 se muestra la transferencia de electrones desde las coenzimas

reducidas hasta el oxígeno. El transporte de electrones se inicia en el momento en que el ión H-

(hidruro) se libera del NADH y se convierte en un protón y dos electrones (H - H+ + 2e-); de esta

manera se regenera NAD+. Simultáneamente esos dos electrones son transferidos al primero de

una serie de más de 15 transportadores electrónicos diferentes que forman parte de la cadena

respiratoria. La mayor parte de las veces los electrones pasan de un átomo metálico a otro; cada

uno de estos átomos metálicos están en estrecha unión a una molécula de proteína que, de

alguna forma, altera la afinidad electrónica de este átomo. Lo más importante es el elevado

número de enzimas implicadas en este proceso y agrupadas, como ya vimos, en tres grandes

complejos enzimáticos respiratorios.

Fig. 7. Reoxidación de NADH y FADH2 en la cadena respiratoria.

El flujo de electrones se efectúa por medio de la reducción y la oxidación de la serie de

transportadores de electrones descriptos desde un fuerte agente reductor (NADH, FADH2)

hasta el agente oxidante más fuerte (O2), según un orden de gradientes de reducción

creciente.

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Cada complejo de la cadena respiratoria tiene mayor afinidad por los electrones que su

predecesor de forma que los electrones pasan secuencialmente de un complejo al siguiente hasta

que, finalmente, son transferidos al oxígeno, el cual tiene una afinidad por los electrones mayor

que la de cualquier complejo de la cadena.

El O2 se reduce formando H2O según la ecuación:

Pero la cadena respiratoria no sólo reoxida al NADH sino también recibe electrones del

FADH2. La succinato deshidrogenasa (complejo II) es una flavoproteína de la MMI. El FADH2

generado en este complejo durante la oxidación de succinato a fumarato, reacción que forma

parte del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, cede sus electrones a proteínas Fe-S y éstas a la

coenzima Q para seguir luego el camino hacia el O2 ya descripto.

Observando los valores de los potenciales de reducción de algunos pares redox (Tabla 2) es

evidente que, en la cadena respiratoria, los electrones fluyen en el mismo sentido en el que se

incrementa el potencial de reducción de los diferentes transportadores, desde los componentes de

menor potencial de reducción hacia los de mayor potencial de reducción.

Reacción E° (V)

2 H+ + 2 e - H2 -0.421

NAD + 2 H+ + 2 e- NADH + H+ -0.320

Piruvato + 2 H+ + 2 e- Lactato -0.185

Oxalacetato + 2 H+ + 2 e- Malato -0.166

Fumarato + 2 H+ + 2 e- Succinato -0.031

Ubiquinona + 2 H+ + 2 e- Ubiquinol +0.100

Citoccromo b (ox) + 2 e- Citoccromo b (red) +0.030

Citoccromo c (ox) + 2 e- Citoccromo c (red) +0.254

Citoccromo a3 (ox) + 2 e- Citoccromo a3 (red) +0.385

½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O +0.816

Tabla 2. Potenciales de oxido-reducción estándar de pares redox conjugados (a pH 7 y 25°C)

La trayectoria que siguen los electrones desde las coenzimas reducidas, NADH y FADH2, hasta

llegar al O2 está determinada por los potenciales de reducción de los distintos transportadores

más que por un ordenamiento espacial de los mismos.

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6. Liberación de energía libre y fuerza protomotriz.

Enfoquemos ahora los aspectos energéticos del transporte electrónico. En las reacciones de

oxidación de las fases precedentes (glucólisis, descarboxilación del piruvato y ciclo de Krebs) se

ceden electrones de alta energía y protones desde los compuestos intermediarios de estas vías

metabólicas a las coenzimas NAD+ y FAD. Resulta, entonces, que las formas reducidas de las

mismas, NADH y FADH2, son muy ricas en energía y conservan la mayor parte de la energía

proveniente de las moléculas combustibles. A continuación NADH y FADH2 ceden sus electrones

altamente energéticos a la cadena respiratoria y van liberando parte de esta energía a medida que

se trasportan a lo largo de la cadena respiratoria (Fig. 8).

Fig. 8. El descenso de energía de los electrones transportados en la cadena respiratoria.

Como todos los procesos de oxidación, la cadena respiratoria es altamente exergónica de

modo tal que la reoxidación de las coenzimas NADH y FADH2 provee la energía necesaria para

la síntesis de la mayor parte del ATP generado por la oxidación aeróbica de glucosa en las

células eucarióticas.

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Como consecuencia del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria desde el

NADH hasta el O2, se produce un descenso de energía libre, que se manifiesta más

bruscamente en tres sitios: Complejo NADH-CoQ reductasa (I); Co Q-citocromo c reductasa (III);

Citocromo c oxidasa (IV). En el caso de que los electrones cedidos a la cadena respiratoria

provengan del FADH2, la cesión se efectuará a nivel del Complejo Succinato-Ubiquinona

reductasa (II), por lo cual estos electrones sólo producirán descensos de energía libre

considerable en dos sitios: Co Q-citocromo c reductasa (III); Citocromo c oxidasa (IV).

En cada uno de estos sitios la energía liberada es utilizada para la translocación de protones

a través de la MMI, desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana (Fig. 9).

Fig. 9. Traslocación de protones en los complejos I, III y IV.

El bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana genera

un gradiente electroquímico (Fig. 9) que sirve como intermediario energético para la síntesis de

ATP. La generación del gradiente de protones en los tres sitios de conservación de energía en la

cadena respiratoria requiere que estos complejos enzimáticos atraviesen la membrana de modo

que los protones puedan ser bombeados a través de canales específicos, desde la matriz

mitocondrial hacia el espacio intermembrana. Una serie de experimentos realizados confirman que

los tres sitios de conservación de energía atraviesan efectivamente la MMI.

La energía que genera la transferencia de electrones hacia el oxígeno es almacenada en el

gradiente de protones que se forma simultáneamente.

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Como veremos seguidamente, esta energía libre almacenada en el gradiente de H+,

conocida como fuerza protomotriz, servirá para sintetizar ATP, tres en total (uno por sitio) si los

electrones provienen del NADH y dos en total si provienen del FADH2, en una reacción controlada

por la enzima ATP sintasa, otro complejo proteico transmembrana considerado a menudo como el

complejo V.

Aunque el mecanismo a través del cual se aprovecha la energía liberada en la cadena

respiratoria difiere del de otras reacciones metabólicas el principio es el mismo. Se consigue que

una reacción energéticamente favorable como ésta: H2 + ½ O2 H2O, se produzca a través de

numerosos pequeños pasos, haciendo que la mayor parte de la energía de esta reacción pueda

ser transformada en una forma de almacenamiento de energía en lugar de ser liberada al medio

como calor.

7. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP

El gradiente electroquímico resultante del flujo de electrones se utiliza para fabricar ATP

mediante otro complejo proteico transmembrana, la ATP sintasa, complejo a través del cual los

protones fluyen de nuevo hacia la matriz (Fig. 10).

Fig. 10. Fuerza protomotriz y síntesis de ATP

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El regreso de los H+ hacia el interior de la mitocondria, a favor del gradiente electroquímico,

obliga a que la energía contenida en el gradiente se utilice en reacciones endergónicas como la

síntesis de ATP. En general se conoce a este proceso de síntesis de ATP como fosforilación

oxidativa en referencia al origen de la energía necesaria para impulsar esta síntesis.

8. Complejo de la ATP sintasa y la teoría del acoplamiento quimiosmótico.

La ATP sintasa es un mecanismo acoplador reversible que, normalmente, transforma el flujo

de protones hacia el interior de la mitocondria en energía de enlace fosfato del ATP, catalizando !a

reacción ADP + Pi ATP. Si se reduce el gradiente electroquímico de protones puede actuar

como ATPasa, hidrolizando ATP y bombeando los electrones en dirección opuesta.

El complejo enzimático está constituido por dos fracciones: una porción soluble en agua,

llamada F1 y una porción membranosa llamada F0.

La porción F1 de la ATP sintasa está constituida, con algunas variaciones entre especies,

por múltiples subunidades; así, en el caso de la ATP sintasa de Escherichia coli (Fig. 11) se

encuentran subunidades , , , y unidas según una estequiometría 33. Presenta una

parte globular con una región central relativamente hueca. Su rol fisiológico es catalizar la síntesis

de ATP; sin embargo en ausencia de un gradiente de protones exhibe una intensa actividad

ATPásica.

La porción F0 de la ATP sintasa es parte integral de la membrana y está compuesta por las

subunidades a, b y c con una estequiometría ab2c12. Las subunidades se disponen formando un

canal iónico que permite el flujo de protones a través de la MMI.

Fig. 11. Estructura de la ATP sintasa de Escherichia coli.

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Su mecanismo de acción es complejo y excede a las necesidades de este curso. Cabe

mencionar que, a medida que los protones entran a la F0 se van uniendo a sitios de unión

específicos y esta unión produce una rotación de la porción en sentido contrario al giro de las

agujas del reloj para luego irse liberando hacia la matriz mitocondrial. Esta rotación y la liberación

posterior de los protones hacia la matriz mitocondrial provoca una serie de cambios

conformacionales en la porción F1 que provocan la activación de la ATP sintasa.

Para comprender el modo de funcionamiento del complejo ATP sintasa se aconseja ver el

siguiente video: https://youtu.be/ZxnnndG3Igw

Fue el investigador Peter Mitchell (1920-1992) quien recibió en 1978 el Premio Nobel de

Química “por su contribución a la comprensión de la transferencia de energía a través de la

formulación de la teoría quimiosmótica". Desde entonces no quedó duda de que el gradiente

electroquímico de protones a través de la MMI es crucial para los procesos de transducción de

energía y síntesis de ATP.

Postulados de la hipótesis quimiosmótica

1. La cadena respiratoria mitocondrial localizada en la MMI transloca protones, es decir que

cuando se transportan electrones a través de la cadena, simultáneamente, se bombean H+ fuera

de la matriz y hacia el espacio intermembrana.

2. El complejo mitocondrial ATP-sintasa también transloca protones a través de la MMI.

Cuando existe un gradiente electroquímico de protones suficientemente importante, los protones

fluyen desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial a través de la partícula Fo de

la ATP sintasa. Esto provoca la disipación del gradiente electroquímico e impulsa la síntesis de

ATP.

3. La MMI está equipada, además, con una serie de proteínas transportadoras que median

la entrada y la salida de metabolitos esenciales y de determinados iones inorgánicos.

4. La MMI es impermeable a H+, OH- y, en general, a cationes y aniones

El siguiente video remarca los puntos más sobresalientes del acoplamiento entre cadena

respiratoria y fosforilacion oxidativa: https://youtu.be/L3UDOb0qFek

La ATP sintasa no contribuye al gradiente de concentración de protones sino que lo consume,

utilizando la energía para la síntesis de ATP a partir de ADP y P i. La ATP sintasa acopla la

fosofrilación de ADP a la oxidación de sustratos de la mitocondria.

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9. Transporte de iones a través de la membrana mitocondrial interna.

La síntesis continuada de ATP-4 en la matriz mitocondrial requiere que el ADP-3 citosólico

formado durante las reacciones que consumen energía sea transportado nuevamente a través de

la MMI a la matriz, donde se reconvierte en ATP-4. De modo parecido, el ATP recién sintetizado se

ha de transportar hacia el citosol a través de la MIM para responder a las necesidades energéticas

de la célula.

Como la MMI es impermeable a estas moléculas hidrofílicas muy cargadas, se necesita una

proteína transportadora que permita el normal intercambio de los mismos. El intercambio de

nucleótidos de adenina está catalizado por la adenina nucleótido traslocasa (Fig. 12) que lleva a

cabo una reacción de intercambio entre el ATP-4 de la mitocondria y el ADP-3 citosólico, actuando

como un antiporte. El ADP-3 tiene carga -3 mientras que el ATP-4 tiene carga -4, de modo que el

movimiento de un ATP-4 hacia afuera y un ADP-3 hacia adentro ocasiona la pérdida de una carga

neta -1 en la matriz mitocondrial. El potencial de membrana establecido durante el transporte

electrónico es positivo en el exterior, lo que favorecería el transporte hacia afuera del ATP -4 que

tiene mayor carga negativa que el ADP-3.

Un segundo transportador esencial para la fosforilacion oxidativa es la fosfato translocasa

(Fig. 12) que transporta H2PO4- citosólico al interior de la matriz en simporte con iones H+. En este

caso también se necesita el gradiente de protones ya que se transportan H2PO4- y H+ a la matriz

en una proporción 1:1, favorecido por la concentración de protones relativamente baja en la

matriz. En ambos casos se disipa fuerza protomotriz a expensas de la formación de ATP.

Fig. 12. Actividad de ADP traslocasa y fosfato traslocasa.

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10. Regulación de la velocidad de transporte de electrones

En condiciones fisiológicas el transporte de electrones está acoplado a la fosforilación de

ADP. Los electrones no fluyen a través de la cadena de transporte de electrones a menos que el

ADP sea simultáneamente fosforilado a ATP por la ATP sintasa.

Esta regulación de la velocidad de fosforilación oxidativa por los niveles de ADP se

denomina control respiratorio. El mecanismo regulatorio permite que cuando los niveles de ADP

se incrementan, como consecuencia de un gasto de ATP, se incremente paralelamente la

velocidad de fosforilación oxidativa para reponer el ATP consumido.

Dado que la fosforilación oxidativa está acoplada a la cadena de transporte de electrones, el

incremento de la velocidad de fosforilación oxidativa se refleja en un aumento del flujo de

electrones a través de la cadena y por ende, del consumo de oxígeno.

11. Balance energético.

La fosforilación oxidativa sintetiza la mayor parte del ATP que se produce en las células

aeróbicas. Teniendo en cuenta los productos obtenidos en cada reacción de oxidación y la

energía generada por ellos después de atravesar la cadena respiratoria con la consiguiente

fosforilación oxidativa, el balance energético de la oxidación completa de un mol de glucosa a CO2

se muestra en la Fig. 13.

En algunas células, el costo energético de transportar electrones desde el NADH

formado en la glucólisis, a través de la MMI, disminuye la producción neta de estos 2 NADH

a 4ATP, resultando así una producción máxima total de 36 ATP. Esta disminución en el

rendimiento energético será discutida más adelante.

Parte de la energía libre que se conserva en el gradiente en la concentración de protones se

gasta para dirigir las reacciones de transporte catalizadas por las traslocasas. Es decir que la

fuerza protomotriz proporciona energía para la síntesis de ATP por la ATP sintasa así como

para la captación de los sustratos necesarios.

La magnitud del consumo de oxígeno mitocondrial está regulado por los niveles de ADP y Pi,

sustratos de la fosforilación oxidativa.

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Fig. 13. Balance energético de la oxidación completa de un mol de glucosa.

Estamos ahora en condiciones de responder la gran pregunta con al que iniciamos nuestro

curso: ¿Cómo puede nuestro organismo reconocer y utilizar la energía contenida en los

alimentos?. Lo podemos contestar en este video: https://youtu.be/-Gb2EzF_XqA

Para terminar….un poco de música: https://youtu.be/VER6xW_r1vc

20

Horton, H.; Moran, L.; Ochs, R.; Rawn, J. (2008) H. BIOQUÍMICA. 4° Edición.

Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A.

Blanco, A. (2012). QUÍMICA BIOLÓGICA. 10° Edición. Editorial el Ateneo.

Zagoya, J.; Oropeza, M. (2007). BIOQUÍMICA. UN ENFOQUE BÁSICO

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