Fosforilación Oxidativa

TEMA 7 - FOSFORILACIÓN OXIDATIVA • La oxidación completa de una molécula de glucosa en una célula con oxígeno y mitocondrias produce 2 moléculas de ATP en la glicólisis y 2 moléculas de ATP en el ciclo de Krebs (una por cada acetil coenzima A). • Más ATP puede producirse gracias a los electrones que salen en el proceso de oxidación como NADH y FADH2 (2 NADH en la glicólisis, 2 NADH en la oxidación del piruvato y 6 NADH y 2 FADH2 en el ciclo de Krebs). Esto se debe a que los electrones ingresan a la fosforilación oxidativa, un proceso mediante el cual el ATP es sintetizado en la mitocondria como resultado de la transferencia de electrones del NADH y el FADH2 al oxígeno por una serie de transportadores de electrones. Cadena de transporte de electrones • La mitocondria está separada del citoplasma por una membrana externa. Al interior de la membrana externa hay otra membrana interna que divide a la mitocondria en dos espacios: la matriz mitocondrial y el espacio intermembranal.

Matriz

Crestas

Membrana interna

Membrana externa Espacio intermembranal

Modificado de Purves, W., Sadava, D., Orians G., Heller, C. (2001) Life The Science of Biology (p. 68). Gordonsville, VA: W.H. Freeman and Company.

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• La cadena de transporte de electrones consiste en reacciones de oxidación-reducción en secuencia que se realizan en la mitocondria. • Las reacciones son catalizadas por 4 enzimas óxido-reductasas que son proteínas integrales de la membrana interna de la mitocondria. Estas enzimas son complejos formados por varias proteínas que reciben los nombres de complejos I, II, III y IV. • La cadena de transportes se inicia cuando las moléculas de NADH y FADH2 que se producen por la oxidación de la glucosa donan sus electrones a una molécula intermediaria llamada ubiquinona que está oxidada. Al reducirse con estos electrones, la ubiquinona toma el nombre de ubiquinol. • En una segunda etapa el ubiquinol dona su electrón al citocromo c. Por último, éste dona su electrón al oxígeno, formándose agua.

NAD+

NADH

FADH Complejo II

Complejo I

Ubiquinona

FADH2

Ubiquinona

Ubiquinol

Citocromo C oxidado Complejo III

Ubiquinona Citocromo C Citocromo C oxidado reducido Complejo IV O2

H2O

• Debido a que el oxígeno que acepta los electrones al final sale como agua y no se regenera, para que la cadena de transporte de electrones genere energía a partir de las coenzimas reducidas en el catabolismo de la glucosa se necesita la presencia continua de oxígeno. Por esto, este proceso también se conoce como respiración celular y sin él las células no pueden vivir. Un ejemplo ilustrativo es la acción del cianuro, un veneno potente que interrumpe la cadena de transporte de electrones al formar un complejo con una de las óxido-reductasas e impedir su acción.

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• El transporte de electrones en estas reacciones de oxidación y reducción genera energía que es utilizada por los complejos enzimáticos para transferir iones hidrógeno (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. • Esta transferencia hace que aumente la concentración de iones hidrógeno en el espacio intermembranal y se genere un gradiente de concentración, o sea una diferencia en la concentración de iones hidrógeno entre los dos lados de la membrana interna: mayor en el espacio intermembranal y menor en la matriz mitocondrial. Este gradiente proporciona la energía para la síntesis del ATP.

Citocromo c

Espacio intermembranal

Membrana mitocondrial interna Ubiquinona

Matriz mitocondrial

Complejo I

Complejo III

Complejo IV

Modificado de Lieberman, L., Marks, A., Peet A. (2013) Marks’ Basic Medical Biochemistry (p. 378). Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins.

• El transporte de un electrón proveniente de una molécula de NADH transfiere 10 iones hidrógeno al espacio intermembranal mientras que el transporte de un electrón proveniente de una molécula de FADH2 transfiere 6 iones hidrógeno al espacio intermembranal. Síntesis de ATP

• La ATP sintasa es otra enzima que está localizada en la membrana interna de la mitocondria. La actividad de esta enzima está regulada por un dominio diferente al sitio activo que es un canal que permite el paso de los iones hidrógeno.

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• Cuando hay una concentración alta de iones hidrógeno en el espacio intermembranal estos pasan por el canal del dominio regulador hacia la matriz mitocondrial y la ATP sintasa se activa y cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP.

Espacio intermembranal

Membrana mitocondrial interna

Matriz mitocondrial

Modificado de Lieberman, L., Marks, A., Peet A. (2013) Marks’ Basic Medical Biochemistry (p. 378). Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins.

• Por cada 10 iones hidrógeno que pasan por el canal de la ATP sintasa se sintetizan 2.5 moléculas de ATP. Por lo tanto, el transporte de un electrón proveniente de una molécula de NADH (que transfiere 10 iones hidrógeno al espacio intermembranal) produce 2.5 moléculas de ATP, mientras que el transporte de un electrón proveniente de una molécula de FADH2 (que transfiere 6 iones hidrógeno al espacio intermembranal) produce 1.5 moléculas de ATP.

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Producción de ATP luego de la oxidación completa de una molécula de glucosa • El balance final luego de que una molécula de glucosa es oxidada por completo es muy diferente dependiendo de la presencia de oxígeno y mitocondrias. En una célula sin oxígeno o sin mitocondrias solamente se obtienen 2 ATP de la glicólisis, mientras que en una célula con oxígeno y mitocondrias se obtienen 32 ATP provenientes de la glicólisis, la oxidación del piruvato, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. La siguiente tabla resume el balance de producción de ATP en cada caso:

Proceso

Sin oxígeno o mitocondrias

Con oxígeno y mitocondrias

ATP

NADH

FADH2

ATP

NADH

FADH2

Glicólisis

2

0

0

2

2

0

Oxidación de piruvato

0

0

0

0

2

0

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

0

0

0

2

6

2

TOTAL

2

0

0

4

10

2

0

0

25

3

ATP generado por fosforilación oxidativa TOTAL ATP

2

32

Bibliografía Stryer, L., Berg, J., Tymoczko J. (2013) Bioquímica con aplicaciones clínicas. Barcelona, España: Editorial Reverté. Lieberman, L., Marks, A., Peet A. (2013) Marks’ Basic Medical Biochemistry. Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins.

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