Fosforilación Oxidativa

Definición de la fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa sólo se produce en presencia de oxígeno, por lo que interviene en la respiración aeróbica. La fosforilación oxidativa produce la mayor cantidad de moléculas de ATP en comparación con otras vías metabólicas de la glucosa implicadas en la respiración celular, a saber, la glucólisis y el ciclo de Krebs.

Los dos elementos más esenciales de la fosforilación oxidativa son la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis. La cadena de transporte de electrones está formada por proteínas integradas en la membrana y moléculas orgánicas que se dividen en cuatro complejos principales denominados I a IV. Muchas de estas moléculas se encuentran en la membrana interna de las mitocondrias de las células eucariotas. En cambio, en las células procariotas, como las bacterias, los componentes de la cadena de transporte de electrones se encuentran en la membrana plasmática. Como su nombre indica, este sistema transporta electrones en una serie de reacciones químicas denominadas reacciones redox.

Estructura de la mitocondria

Este orgánulo tiene un tamaño medio de 0,75-3μm²y está formado por una doble membrana, la membrana mitocondrial externa y la membrana mitocondrial interna, con un espacio intermembranoso entre ellas. Tejidos como el músculo cardiaco tienen mitocondrias con un número de cristales especialmente grande porque deben producir mucho ATP para la contracción muscular. Hayunas 2000 mitocondrias por célula, lo que supone aproximadamente el 25% del volumen celular. Situadas en la membrana interna, se encuentran la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa. Por ello se las denomina la "central eléctrica" de la célula.

Las mitocondrias contienen cristae, que son estructuras muy plegadas. Las cristae aumentan la relación superficie/volumen disponible para la fosforilación oxidativa, lo que significa que la membrana puede contener una mayor cantidad de complejos proteínicos de transporte de electrones y ATP sintasa que si la membrana no estuviera altamente enroscada. Además de la fosforilación oxidativa, el ciclo de Krebs también se produce en la mitocondria, concretamente en la membrana interna conocida como matriz. La matriz contiene las enzimas del ciclo de Krebs, el ADN, el ARN, los ribosomas y los gránulos de calcio.

Diagrama de la fosforilación oxidativa

Visualizar la fosforilación oxidativa puede ser realmente útil para recordar el proceso y los pasos que intervienen. A continuación se muestra un diagrama que representa la fosforilación oxidativa.

Fig. 2 - Diagrama de la fosforilación oxidativa

Proceso y pasos de la fosforilación oxidativa

La síntesis de ATP mediante la fosforilación oxidativa sigue cuatro pasos principales:

• Transporte de electrones por NADH y _FADH2
• Bombeo de protones y transferencia de electrones
• Formación de agua
• Síntesis de ATP

Transporte de electrones por NADH y _FADH2

El NADH y el FADH2_(también denominados NAD reducido y FAD reducido) se producen durante las primeras fases de la respiración celular en la glucólisis, la oxidación del piruvato y el ciclo de Krebs. El NADH y el _FADH2 transportan átomos de hidrógeno y donan los electrones a moléculas cercanas al inicio de la cadena de transporte de electrones. Posteriormente se convierten en las coenzimas ^NAD+ y FAD en el proceso, que se reutilizan en las primeras vías metabólicas de la glucosa.

El NADH transporta electrones a un nivel de energía elevado. Transfiere estos electrones al Complejo I, que aprovecha la energía liberada por los electrones que se mueven a través de él en una serie de reacciones redox para bombear protones (^H+) de la matriz al espacio intermembrana.

Mientras tanto, el _FADH2 transporta electrones a un nivel de energía inferior y, por tanto, no transporta sus electrones al Complejo I, sino al Complejo II, que no bombea ^H+ a través de su membrana.

Bombeo de protones y transferencia de electrones

Los electrones pasan de un nivel de energía superior a otro inferior a medida que descienden por la cadena de transporte de electrones, liberando energía. Esta energía se utiliza para transportar activamente H+ ^fuera de la matriz y hacia el espacio intermembrana. Como resultado, se crea un gradiente electroquímico y los ^H+ se acumulan en el espacio intermembrana. Esta acumulación de ^H+ hace que el espacio intermembrana sea más positivo, mientras que la matriz es negativa.

Formación de agua

Cuando los electrones llegan al Complejo IV, una molécula de oxígeno aceptará ^H+ para formar agua en la ecuación:

^2H+ + $\frac{1}{2}$_O2 $\underset{}{\to }$_H2O

Síntesis de ATP

Los iones ^H+ que se han acumulado en el espacio intermembrana de las mitocondrias fluyen por su gradiente electroquímico y vuelven a la matriz, pasando a través de una proteína de canal llamada ATP sintasa. La ATP sintasa es también una enzima que utiliza la difusión de H+ por su canal para facilitar la unión de ADP a Pi para generar ATP. Este proceso se conoce comúnmente como quimiosmosis, y produce más del 80% del ATP fabricado durante la respiración celular.

En total, la respiración celular produce entre 30 y 32 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Esto produce una red de dos ATP en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs. Se producen dos ATP (o GTP ) netos durante la glucólisis y dos durante el ciclo del ácido cítrico.

Para producir una molécula de ATP, 4 ^H+ deben difundirse a través de la ATP sintasa de vuelta a la matriz mitocondrial. El NADH bombea 10 ^H+ al espacio intermembrana; por tanto, esto equivale a 2,5 moléculas de ATP. El FADH₂, en cambio, sólo bombea 6 ^H+, lo que significa que sólo se producen 1,5 moléculas de ATP. Por cada molécula de glucosa se producen 10 de NADH y 2 de FADH₂ en los procesos anteriores (glucólisis, oxidación del piruvato y ciclo de Krebs), lo que significa que la fosforilación oxidativa produce 28 moléculas de ATP.

Productos de la fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa genera tres productos principales:

• ATP
• Agua
• ^NAD+ y FAD

El ATP se produce debido al flujo de ^H+ a través de la ATP sintasa. Esto es impulsado principalmente por la quimiosmosis, que utiliza el gradiente electroquímico entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial. El agua se produce en el Complejo IV, donde el oxígeno atmosférico acepta electrones y ^H+ para formar moléculas de agua.

Al principio, leímos que el NADH y el _FADH2 entregan electrones a las proteínas de la cadena de transporte de electrones, es decir, al Complejo I y al Complejo II. Cuando liberan sus electrones, el ^NAD+ y el FAD se regeneran y pueden reciclarse de nuevo en otros procesos como la glucólisis, donde actúan como coenzimas.