Fosforilación oxidativa, Bioquímica, Apuntes de Bioquímica. Universitat de Barcelona (UB)
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Fosforilación oxidativa, Bioquímica, Apuntes de Bioquímica. Universitat de Barcelona (UB)

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Asignatura: bioquimica, Profesor: Diego Haro, Carrera: Ciència i Tecnologia dels Aliments, Universidad: UB
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12. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Un gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP

Durante el flujo de electrones se bombean protones desde la matriz mitocondrial hacia el

exterior de la membrana mitocondrial interna, creando un gradiente de protones. Como la

entropía de los protones se reduce, esta situación es rica en energía.

Como el ATP tiene que estar continuamente regenerándose porque continuamente se está

consumiendo, tiene que existir un complejo enzimático que lo regenere. En la membrana

mitocondrial interna se encuentra el complejo ATP sintasa (Complejo V) , impulsado por el flujo de protones, que se encarga de llevar a cabo la síntesis de ATP.

La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria provoca el bombeo de protones

des de la matriz al lado citoplasmático de la membrana mitocondrial interna. La concentración

de H+ disminuye y se genera un campo eléctrico que es negativo al lado de la matriz.

Posteriormente, los protones retornan a la matriz para igualar la distribución. Esta desigualdad

en la distribución de H+ se denomina fuerza protón-motriz, la cual consta de 2 componentes:

Gradiente químico (o de pH).

Gradiente de carga

(cargas positivas).

Esta Hipótesis quimiosmótica, propone que el transporte de é y la síntesis de ATP están

acoplados por medio de un gradiente de H+ a través de la membrana mitocondrial interna. Para demostrarla, se creó un sistema que representaba la respiración celular, donde el papel de

la cadena transportadora de é lo desempeñaba la bacteriorrodopsina, una proteína que bombea H+ cuando se la ilumina.

Se prepararon vesículas que contenían la proteína y ATP sintasa purificada. Cuando se iluminaron las vesículas se

formó/sintetizó ATP, cosa que demostraba que la cadena respiratoria y la ATP sintasa son sistemas bioquímicamente distintos, conectados solo por una fuerza protón-motriz.

La ATP sintasa está formada por una unidad que canaliza los protones y por una unidad catalítica

ATP sintasa = complejo enzimático de gran tamaño ubicado en la membrana mitocondrial interna. La subunidad F1 contiene la actividad catalítica y las subunidades F1 aisladas tienen

actividad ATPasa.

La subunidad F1 reside en la matriz y consta de 5 tipos de cadenas polipeptídicas.

Las 3 sub α y las 3 sub β que constituyen F1, se disponen de forma alternada formando un anillo

hexamérico. Los centros activos se encuentran en las subunidades β, las cuales todas son distintas porque interaccionan con caras distintas de la subunidad γ.

La subunidad F0, un segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana mitocondrial interna, contiene elcanal de protones del complejo.

El flujo de protones provoca la liberación del ATP unido a la sintasa

La ATP sintasa cataliza la formación de ATP a partir de ADP y ortofosfato.

La enzima ATP sintasa tiene 3 centros activos que llevan a cabo 3 funciones distintas que van rotando de manera secuencial a medida que los protones fluyen a través del componente de la

enzima que está integrado en la membrana, gracias a la fuerza protón-motriz. Está formada por

2 partes: la parte móvil o rotor (anillo c y el tallo γε) y la parte estacionaria o estator (resto de la molécula).

Mediante un cambio de conformación, una subunidad β puede realizar los 3 pasos secuenciales de la síntesis de ATP:

1. Captura del ADP y del Pi (se une a ellos)

2. Síntesis de ATP (a partir de ADP y Pi)

3. Liberación del ATP y unión del ADP y Pi

Como se observa en la imagen, las subunidades β no son equivalentes entre sí por el hecho de interactuar con la subunidad γ.

Hay 3 tipos de conformaciones: L (relajada, 1r paso), T (tensa, 2ndo paso) y O (abierta, 3r paso,

podrá unirse a nucleótidos de adenina o liberarlos.)

La rotación de la subunidad γ impulsa la interconversión de estas 3 conformaciones: La subunidad en la forma T (tensa) convierte el ADP y el Pi en ATP, pero no permite que se libere

ATP. Cuando la subunidad γ rota 120º en sentido antihorario, la conformación T se convierte en

la O (abierta), lo que permite la liberación del ATP. A continuación, nuevas moléculas de ADP y

Pi pueden unirse a la subunidad en forma O.

Es decir, cada subunidad pasa de la forma T a la forma O y, posteriormente, a la forma L sin que

en ningún momento haya 2 subunidades iguales. Este mecanismo sugiere que el ATP se puede

sintetizar y liberar impulsando la rotación de la subunidad γ en el sentido correcto.

La adición de ATP a la ATP sintasa y su

posterior hidrólisis, da lugar a una rotación de

la subunidad γ en sentido antihorario. Es

decir, la rotación de la ATP sintasa está

impulsada por ATP.

La subunidad c está formada por 2 hélices que atraviesan la membrana, con un residuo de ácido aspártico en cada hélice, situado en el centro de la membrana. La estructura de la

subunidad a presenta dos semicanales hidrofílicos que permiten la entrada de los protones y que no atraviesan por completo la membrana. Cada semicanal interacciona directamente con una subunidad c.

El movimiento de protones a través de los semicanales desde el espacio intermembrana,

donde la [H+] es alta, hacia la matriz, donde la [H+] es baja, impulsa la rotación del anillo c. Y este flujo de H+ alrededor del anillo, impulsa la síntesis de ATP.

Un protón del espacio intermembrana se introduce en el semicanal del lado citoplasmático para neutralizar la carga de un residuo de aspartato de una subunidad c. Cuando la carga está neutralizada, el anillo c puede girar en sentido horario permitiendo que el residuo pase al otro canal, el que comunica con la matriz. Este protón puede desplazarse hacia la matriz, con lo que el sistema vuelve a su estado inicial.

Cada protón que atraviesa la membrana se incorpora a través del anillo c giratorio (da una

vuelta completa al anillo) y sale por el semiconducto de la matriz.

Diversas lanzaderas permiten atravesar las membranas mitocondriales

Aunque la membrana mitocondrial tiene que ser impermeable a la mayoría de las moléculas, tiene que producirse intercambios entre el citoplasma y las mitocondrias.

Una de las funciones de la cadena respiratoria consiste en regenerar

NAD+, pero el NADH no puede entrar en las mitocondrias para ser

oxidado ya que la membrana es impermeable. Como solución, existen

lanzaderas que transportan los é del NADH a través de la membrana.

Cuando el NADH citoplasmático transportado por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa se oxida por medio de la cadena transportadora, en vez de 2,5

moléculas de ATP, se forman 1,5 moléculas. El rendimient es menor porque los é del NADH citoplasmático se incorporan

a la cadena transportadora de é por medio del FAD, el cual

permite que se transporten los é del NADH a las mitocondrias

en contra de un gradiente

de [NADH]. Este

transporte necesita una molécula de ATP por cada 2 é.

Esta lanzadera de glicerol 3-fosfato es especialmente importante en el músculo y le permite mantener una velocidad de fosforilación oxidativa muy alta.

En el corazón y en el hígado, los é del NADH citoplasmático son transportados a las

mitocondrias por medio de la lanzadera malato-aspartato, en la que participan 2

transportadores de membrana y 4 enzimas.

Los é se transfieren desde el NADH del citoplasma al oxalacetato, formando malato, que atraviesa la membrana mit interna a cambio de α-cetoglutarato por medio de un antiporte (transportador de 2 sustratos en direcciones ≠).

A continuación el malato se vuelve a oxidar a oxalacetato por el NAD+ de la matriz para formar

NADH, en una reacción catalizada por la malato deshidrogenasa (enzima del ciclo ácido

cítrico). Como el oxalacetato resultante no atraviesa fácilmente la membrana, el glutamato le

cede un

grupo amino para formar aspartato y α-cetoglutarato. Una vez en el citoplasama, el aspartato pierde su grupo amino para formar oxalacetato y así se vuelve a iniciar el ciclo.

ATP-ADP translocasa

Una proteína transportadora específica, la ATP-ADP translocasa, permite que moléculas tan

cargadas como ADP, atraviesen la barrera de permeabilidad de la mitocondria. La translocasa

cataliza la entrada de ADP a la matriz acoplada a la salida de ATP y viceversa.

La translocasa de 30kDa, que contiene un único lugar de unión a nucleótidos, se orienta alternativamente hacia el lado de la matriz o hacia el lado citoplasmático de la membrana.

Transportadores mitocondriales

Los transportadores son proteínas transmembrana que transportan determinados iones y metabolitos cargados a través de la membrana mitocondrial interna.

El transportador de fosfato opera de forma coordinada con la ATP-ADP translocasa de manera

que proporcionan los sustratos a la ATP sintasa. Junto con la sintasa forman un complejo

denominado ATP sintasoma.

ATP del metabolismo de la glucosa

La oxidación completa de la glucosa (a CO2) produce unas30 moléculas de ATP. La síntesis de una molécula de ATP está impulsada por el flujo de 3 H+ a través de la ATP sintasa. Se

consume 1 H+ adicional para transportar el ATP desde la matriz al citoplasma. Por tanto, como

resultado del flujo de un par de é desde el NADH al O2 se generan alrededor de 2,5 moléculas

de ATP citoplasmático. Los é que proceden de la oxidación del succinato o del NADH

citoplasmático, tienen un rendimiento menor y por cada 2 é se forman 1,5 moléculas de ATP.

La velocidad de la fosforilación oxidativa está determinada por las necesidades de ATP

El transporte de é está ligado a la fosforilación, por eso los é no se desplazan a través de la cadena transportadora de é hasta el O2 a menos que, al mismo tiempo, el ADP se fosforile a ATP. Cuando la [ADP] aumenta, aumenta también la velocidad de la fosforilación oxidativa

para cubrir las necesidades de ATP de la célula. La regulación de esta velocidad se denomina control respiratorio o control por medio del aceptor.

La velocidad del consumo de O2 por parte de las

mitocondrias aumenta notablemente cuando se

añade ADP y cuando este se convierte en ATP, la

velocidad vuelve a su valor inicial.

A [ADP] bajas o cuando el músculo está en reposo, el NADH y el FADH2 producidos por el

ciclo del ácido cítrico no se oxidan a NAD+ y FAD por la cadena transportadora de é. El ciclo

se ralentiza porque hay menos NAD+ y FAD para que funcione. A medida que [ADP] aumenta

y la fosforilación oxidativa se acelera, el NADH y el FADH2 se oxidan y el ciclo del ácido

cítrico se vuelve más activo. Los é no fluyen desde las moléculas combustible hacia el O2 a

menos que se tenga que sintetizar ATP.

La carga energética regula el uso de los combustibles.

La síntesis de ATP a partir de ADP

y Pi controla el flujo de é desde el

NADH y el FADH2 al O2. A su vez,

la disponibilidad de NAD+ y FAD

controla la velocidad del ciclo del

ácido cítrico (CAC).

La fosforilación oxidativa se puede inhibir en muchas de sus etapas

1.

Inhibición de la cadena transportadora de é: Los 4 complejos de la cadena se pueden inhibir mediante diversos compuestos que bloquean la transferencia de é.

El complejo I se inhibe por la rotenona y por amital, los cuales

evitan la utilización del NADH como sustrato. Aunque esta parte

esté bloqueada, los é procedentes del FADH2 siguen fluyendo ya

que se incorporan a través de la QH2. El complejo III se inhibe por antimicina A, y el complejo IV (flujo de é a través de la citocromo c) por cianuro, azida y monóxido de carbono.

Esta inhibición de la cadena transportadora de é también inhibe

la síntesis de ATP porque ya no se puede generar una fuerza

protón-motriz.

2. Inhibición de la ATP sintasa: La oligomicina, un antibiótico, junto con la diciclohexilcarbodiimida (DCCD), impiden la entrada de H+ a través de la ATP

sintasa. Si se exponene mitocondrias que están respirando activamente a un inhibidor de

la ATP sintasa, la cadena transportadora de é deja de funcionar.

3. Desacoplamiento entre el transporte de é y la síntesis de ATP: por medio de 2,4- dinitrofenol (DNP) y otros compuestos aromáticos ácidos, los cuales transportan H+ a

través de la membrana mitocondrial interna a favor de su gradiente de concentración.

En presencia de estos desacoplantes, el transporte de é desde el NADH2 al O2 se

produce con normalidad, pero la ATP sintasa mitocondrial no forma ATP porque la

fuerza protón-motriz se disipa continuamente. Como la energía que se produce no se recupera en forma de ATP, se libera en forma de calor.

4. Inhibición de la exportación del ATP: la ATP-ADP translocasa se inhibe de forma

específica por bajas concentraciones de atractilósido o de ácido bongcréquico. El primero se une a la translocaa cuando su lugar de unión a nucleótidos está orientado

hacia el citoplasma, mientras que el ácido se une cuando este mismo sitio está orientado

hacia la matriz mitocondrial.

El desacoplamiento regulado da lugar a la generación de calor

Algunos organismos poseen la capacidad de desacoplar la fosforilación oxidativa de la

síntesis de ATP para generar calor. Este desacoplamiento es una forma de mantener la T corporal en casos de hibernación. En los animales, la grasa parda es un tejido especializado en

este proceso de termogénesis sin tiritera. El tejido adiposo pardo es muy rico en mitocondrias de grasa parda, cuya membrana contiene una gran cantidad de proteína desacoplante 1 o termogenina (UCP-1).

Esta proteína genera calor cortocircuitando la batería de H+ de la mitocondria, es decir, genera calor permitiendo la entrada de H+ a la mitocondria sin que se sintetice ATP: a medida que los H+ fluyen, la energía del gradiente de protones no se transforma en ATP sino que se libera en forma de calor. Cuando la T interna del cuerpo desciende se activa esta ruta y se segregan hormonas que provocan la liberación de ácidos grasos que activan la UCP-1.

El tejido adiposo marrón se revela tras la exposición al frío.

Los cerdos carecen de UCP-1 y, por tanto, de grasa parda. Es por eso que los lechones tienen

que recurrir a otras formas de termogénesis como hacer un nido y tiritar. Si no hay UCP-1 se genera calor por temblores.

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