Fosforilación oxidativa

QFB Roger López Díaz

Fosforilación oxidativa

• La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP.

• Este proceso metabólico está formado por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua.

• La fosforilación oxidativa junto con la fotofosforilación (síntesis de ATP impulsada por luz) son los dos procesos transductores de energía más importante en la biósfera.

• De una molécula de glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa.

Potenciales de reducción electroquímica

• Todas las reacciones de oxido-reducción implican una transferencia electrónica.

• La sustancia que se oxida (agente reductor) pierde electrones, que son aceptados por la sustancia que se reduce (agente oxidante). El proceso global se denomina reacción redox.

A oxidada + B reducida A reducida + B oxidada

B reducida B oxidada + ne-

A oxidada + ne- A reducida

Potenciales de reducción estándar de acarreadores de

electrones de la cadena respiratoria

Medias reacciones redox E´o (V)

2H+ + 2e- H2 -0.414

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

NADP+ + H+ + 2e- NADPH -0.324

NADH deshidrogenasa (FMN) + 2H+ + 2e- NADH deshidrogenasa (FMNH2) -0.300

Ubiquinona + 2H+ + 2e- Ubiquinol 0.045

Citocromo b (Fe3+) + e- Citocromo b (Fe2+) 0.077

Citocromo c1 (Fe3+) + e- Citocromo c1 (Fe2+) 0.220

Citocromo c (Fe3+) + e- Citocromo c (Fe2+) 0.254

Citocromo a (Fe3+) + e- Citocromo a (Fe2+) 0.290

Citocromo a3 (Fe3+) + e- Citocromo a3 (Fe2+) 0.550

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 0.816

Fosforilación oxidativa

• En las células eucariotas este proceso se lleva a cabo en las mitocondrias.

• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria.

• Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluidos en la membrana interna mitocondrial.

• Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie.

• La cadena de transporte de e- es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP.

• Existe una translocación de H+ desde la matriz hacia el EIM (fuerza protomotriz).

• Síntesis de ATP por ATP sintasa.

Mitocondria• Posee DNA (mtDNA).• Doble membrana: la membrana externa,

rodea a la organela; la interna, presenta invaginaciones (crestas) que proporciona una gran superficie.

• La membrana externa es permeable a pequeñas moléculas (PM < 5000 Da) e iones. Presencia de canales transmembrana.

• La membrana interna es impermeable a la mayoría de moléculas e iones (H+, O2

-, etc).

Mitocondria• Las únicas moléculas que cruzan la

membrana interna son aquellas para las que hay proteínas transportadoras específicas. La membrana interna posee transportadores de metabolitos esenciales (ADP, ATP, ácidos carboxílicos, Ca2+, aminoácidos, etc.).

• La membrana interna aloja a las proteínas pertenecientes de los componentes de la cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP (ATP sintasa).

Relación entre ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa

Formación de ATP por fosforilación oxidativa

Fuente de energía

Electrones obtenidos por oxidación de azúcares, ácidos grasos y aminoácidos (carbono orgánico en estado reducido)

En organismos no fotosintéticos

Donadores de electrones de alta energía (A reducida)

(inicio)

(energía celular) ATP

ADP, Pi

FADH2

NADH

Reoxidación generadora de energía mediante transporte de

electrones

(NAD+, FAD)Aceptores de

Electrones (A oxidada)

Los transportadores electrónicos funcionan como complejos

multienzimáticos

Complejo proteico de la cadena respiratoria

NADH deshidrogenasa (complejo 1)

∆Gº’ de -69,5 kJ/mol (∆Eo’ = 0,36 V)

Succinato deshidrogenasa (complejo 2)

∆Gº’ = -16,4 kJ/mol (∆Eo’= 0,085 V)

Ubiquinona (complejo 3)

∆Gº’ = -36,7 kJ/mol (∆Eo’= 0,19 V)

Citocromo oxidasa (complejo 4)

∆Gº’ = -112 kJ/mol (∆Eo’= 0,58 V)

Fosforilación oxidativa

Translocación de H+ asociada al flujo de electrones

• Por cada par de e- transferidos al O2, 4 H+ son bombeados por el Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y 2 H+ por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial (Lado N), hacia el espacio intermembranas (Lado P)

NADH + 11 H+ (N) + 1/2 O2 → H2O + NAD+ + 10 H+

(P)

Acoplamiento quimiosmótico

Gradiente de H+ rico en energía

Creación de un potencial de protones

Estructura de la ATP sintasa

Fosforilación oxidativa

Translocasas de nucleótido de adenina y fosfato.

Mecanismo de la transducción de energía en los animales

• Los animales (y todos los seres vivos) son máquinas químicas

• La energía química (∆G) de los sustratos (alimentos) que se oxidan genera un gradiente electroquímico de H+ a través de la membrana interna mitocondrial

• El gradiente electroquímico de H+ (∆G) se utiliza para la producción de ATP (la F1-ATPasa es un rotor molecular)

• La energía química del ATP (∆G) se utiliza para que puedan ocurrir las reacciones endergónicas.