Modelos para explicar lafosforilacin oxidativaLa cadena de transporte de electrones en la mitocondria es el sitio de la fosforilacin oxidativa en eucariotas. El NADH y succinato generados en el ciclo de Krebs es oxidado, liberando energa para el funcionamiento de laATP sintasa. La Fosforilacin oxidativa es una ruta metablica que utiliza energa liberada porla oxidacin de nutrientes para produciradenosn trifosfato (ATP). Se le llama as para distinguirla de otras rutas que producen ATP con menor rendimiento, llamadas "a nivel de sustrato". Se calcula que hasta el 90% de la energa celularen forma de ATP es producida mediante este proceso.Consta de dos etapas: en la primera, la energa libre generada mediante reacciones qumicas redox en varios complejos multiproteicos conocidos en su conjunto como cadena de transporte de electrones- se emplea para producir, por diversos procedimientos como bombeo, ciclos quinona/quinolo bucles redox, un gradiente electroqumico de protones a travs de una membrana asociada en un proceso llamado quimiosmosis. La cadena respiratoria est formada por tres complejos de protenas principales (complejo I, III, IV), y varios complejos "auxiliares", utilizando una variedad de donantes y aceptores de electrones. La energa potencial de ese gradiente, llamada fuerza protn-motriz, se libera cuando se translocan los protones a travs de un canal pasivo, la enzimaATP sintasa, y se utiliza en la adicin de un grupo fosfato a una molcula deADP para almacenar parte de esa energa potencial en los enlaces anhidro "de alta energa" de la molcula deATP mediante un mecanismo en el que interviene la rotacin de una parte de la enzima amedida que fluyen los protones atravs de ella. En vertebrados, y posiblemente en todo el reino animal, se genera un ATP por cada 2,7 protones translocados. Algunos organismos tienen ATPasas con un rendimiento menor.Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran variedad de nutrientes, casi todas realizan la fosforilacin oxidativa para producir ATP, la molcula que provee de energa al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua debido a que es una forma altamente eficaz de liberacin de energa, en comparacin con los procesos alternativos de fermentacin, como la gluclisis anaerbica. Pese a que la fosforilacin oxidativa es una parte vital del metabolismo, produce una pequea proporcin de especies reactivas del oxgeno tales como su perxido y perxido de hidrgeno, lo que lleva a la propagacin de radicales libres, provocando dao celular, contribuyendo a enfermedades y, posiblemente, al envejecimiento. Sin embargo, los radicales tienen un importante papel en la sealizacin celular, y posiblemente en la formacin de enlaces disulfuro de las propias protenas de la membrana interna mitocondrial.

La teora quimiosmticaPeter Mitchell propuso la "hiptesis quimiosmtica en 1961. La teora sugiere esencialmente que la mayor parte de la sntesis de ATP en la respiracin celular, viene de un gradiente electroqumico existente entre la membrana interna y el espacio intermembrana de la mitocondria, mediante el uso de la energa de NADH y FADH2 Que se han formado por la ruptura de molculas ricas en energa, como la glucosa.

Diferentes mecanismos de Quimiosmosis. Quimiosmosis en MitocondriasLa rotura completa de una molcula de glucosa en presencia de oxgeno es denominada respiracin celular. Las ltimas etapas de ste proceso ocurren en la mitocondria. Las molculas de alta energa NADH y FADH2Generadas por el ciclo de Krebs; liberan los electrones hacia una cadena transportadora de electrones para crear una gradiente de protones a travs de la membrana interna mitocondrial. LaATP-sintasa es luego usada para generar ATP por quimiosmosis. Este proceso se conoce como fosforilacin oxidativa porque el oxgeno es el ltimo aceptor electrnico en la cadena transportadora mitocondrial. La Fosforilacin Quimiosmtica es la tercera y final va biolgica responsable por la produccin deATP mediante fosfato inorgnico yADP a travs de la fosforilacin oxidativa. Ocurriendo en la mitocondria de las clulas, la energa qumica de NADH (producido por el ciclo de Krebs) es utilizada para construir un gradiente de iones de hidrgeno (protones) con una concentracin mayor en las crestas mitocondriales y en menor concentracin en la matriz mitocondrial. Este es el nico paso de la fosforilacin oxidativa que requiere de oxgeno: este es utilizado como aceptor de electrones, combinndose con electrones libres e iones de hidrgeno para formaragua.Quimiosmosis en PlantasLas reacciones luz-dependientes de la fotosntesis, generan energa mediante quimiosmosis. La clorofila pierde un electrn al ser excitada o energizada por la luz. Este electrn viaja a travs de una cadena transportadora de electrones, terminando parte de NADPH, una molcula de alta energa. El gradiente electroqumico generado a travs de la membrana del tilacoide conduce a la produccin de ATP mediante la ATP-sintasa. Este proceso se conoce como fotofosforilacin.Quimiosmosis en BacteriasLas bacterias tambin pueden utilizar la quimiosmosis para generar ATP. Las Cianobacterias, Bacterias verdes del azufre y bacterias prpuras crean energa por un proceso llamado fotofosforilacin. Estas bacterias usan la energa de la luz para crear un gradiente de protones usando una cadena trasportadora de electrones fotosinttica. Algunas bacterias no-foto sintetizadoras como la E.coli, tambin contiene ATP-sintasa.

Fosforilacin oxidativaEl descubrimiento de Eugene Kennedy y Albert Lehninger en 1948 de que las mitocondrias son el sitio donde se realiza la fosforilacin oxidativa en las eucariotas marc el inicio de la fase moderna en los estudios sobre las transducciones biolgicas de energa.La membrana mitocondrial externa es fcilmente permeable a pequeas molculas e iones, los cuales se mueven libremente a travs de canales transmembrana compuestos por una familia de protenas integrales de membrana llamas porinas. La membrana interna es impermeable a la mayora de molculas pequeas e iones; las nicas especies que cruzan la membrana interna son aquellas para las que existen transportadores especficos. La membrana interna aloja los componentes de la cadena respiratoria y la ATP sintasa.La fosforilacin oxidativa empieza con la entrada de electrones en la cadena respiratoria. La mayor parte de dichos electrones provienen de la accin de deshidrogenasas que captan electrones vas catablicas y los canalizan hacia aceptores universales de electrones: nucletidos de nicotinamida (NAD+ o NADP+) o nucletidos de flavina (FMN o FAD).La mayora de las deshidrogenasas que participan en el catabolismo son especficas para el NAD+ como aceptor electrnico.Hay tres tipos de transferencias electrnicas en la fosforilacin oxidativa: (1) transferencias directa de electrones, tal como sucede en la reduccin de Fe3+ a Fe2+; (2) transferencia de una tomo de hidrgeno (H+ + e-) y (3) transferencia de un ion hidruro (:H-) portador de dos electrones.Adems del NAD y de las flavoprotenas, hay otros tres tipos de molculas transportadores de electrones que funcionan en la cadena respiratoria: una benzoquinona hidrofbica (ubiquinona) y dos tipos diferentes de protenas con hierro (citocromos y protenas ferro-sulfuradas). La plastoquinona (encontrada en los cloroplastos) y la menaquinona (encontrada en bacterias) son compuestos estrechamente relacionados que tienen misiones anlogas a las de la ubiquinona; todos ellos transportan electrones en cadenas de transferencia electrnica asociadas a membranas.

Los transportadores de electrones actan en complejos multienzimticosLos transportadores de electrones de la cadena respiratoria estn organizados en complejos supramoleculares incrustados en membranas que se pueden separar fsicamente:Complejo I: NADH a ubiquinona. El Complejo I, tambin llamada NADH: ubiquinona oxidorredusctasa o NADH deshidrogenasa, es una enzima enorme compuesto por 42 cadenas polipeptdicas diferentes, incluyendo una flavoprotena que contiene FMN y como mnimo seis centros ferro-sulfurados. El Complejo I cataliza dos procesos simultneos forzosamente acoplados: (1) la transferencia exergnica hacia la ubiquinona de un ion hidruro del NADH y un protn de la matriz, lo cual queda expresado por: NADH + H+ + G NAD + QH2Y (2) la transferencia endergnica de cuatro protones de la matriz hacia el espacio intermembrana:NADH + 5HN + Q NAD + QH2 + 4HpPor lo tanto, el Complejo I es una bomba de protones impulsada por la energa de transferencia electrnica, que cataliza una reaccin vectorial: mueve los protones en una direccin especfica desde una localizacin hacia otra.

Complejo II: succinato a ubiquinona. El Complejo II se encuentra bajo el nombre de succinato deshidrogenasa; es el nico enzima del ciclo de cido ctrico ligado a membrana. Contiene cinco grupos prostticos de dos tipos y cuatro subunidades proteicas diferentes. Las subunidades C y D son protenas integrales de membrana, cada una de ellas con tres hlices transmembrana. Contienen un grupo hemo, hemo b, y un sitio de unin para la ubiquinona que es el aceptor final de los electrones en la reaccin catalizada por el complejo II. Las subunidades A y B se extienden hacia la matriz. La ruta de transferencia de electrones desde el sitio de unin del succinato y a travs de los centros Fe-S hasta el sitio de unin de Q tiene ms de 40 de longitud, si bien ninguna de las distancias de transferencia individuales excede unos 11 , una distancia razonable para una transferencia electrnica rpida. Complejo III: ubiquinona a citocromo c. El siguiente complejo respiratorio, el Complejo III, tambin llamado complejo citocromo bc1, o ubiquinona: citocromo c oxidorreductasa, adopta la transferencia de electrones desde ubiquinol (QH2) al citocromo c con el transporte vectorial de protones de la matriz al espacio intermembrana. Se ha propuesto un modelo razonable para el paso de electrones y protones a travs del Complejo III a partir de su estructura y de detallados estudios bioqumicos de las reacciones redox. La ecuacin neta de las reacciones redox de este ciclo Q es: QH + 2cys c1 (oxidado) + 2HN+ Q + 2cys c1 (reducido) + 4Hp+

Complejo IV: citocromo c a O2. En el ltimo paso de la cadena respiratoria, el Complejo IV, tambin llamado citocromo oxidasa, transporta electrones desde el citocromo c al oxgeno molecular, reducindolo a H2O. El Complejo IV es un enzima muy grande (13 subunidades; Mr 204,000) de la membrana mitocondrial interna.La transferencia de electrones a travs del Complejo IV va del citocromo c al centro CuA, al hemo a, al centro hemo a3-CuB y finalmente al O2. Por cada cuatro electrones que pasan por el complejo, el enzima consume cuatro H+ sustrato de la matriz (lado N) convirtiendo O2 en 2H2O. La reaccin global estabilizada por el Complejo IV es:4 cys c (reducido) + SIIN + O2 a cys c (oxidado) + 4Hp + 2H2OLos intermediarios se mantienen fuertemente unidos al complejo hasta que se convierten completamente en agua.

ATP sintasa.El complejo ATP sintasa (EC3.6.3.14) o complejo ATP sintetasa o complejo V o FoF1-ATP sintasa (F = factor de acoplamiento, en ingls couplingfactor) es una enzima situada en la cara interna de la membrana interna de las mitocondrias y de la membrana de los tilacoides de los cloroplastos encargada de sintetizarATP a partir deADP y un grupofosfato y la energa suministrada por un flujo de protones(H+). Responde a la sntesis de ATP segn la hiptesis quimiosmtica de Mitchell. La sntesis de ATP gracias a este enzima se denomina fosforilacin oxidativa(mitocondrias) y fotofosforilacin (cloroplastos). La ATP sintasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a travs de ella. La tasa de sntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 Molculas de ATP por segundo.Mediante experimento sin vitro se ha demostrado que la ATP sintasa acta de forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adicin de un cido dbil (por ejemplo cido actico) a una suspensin de mitocondrias aisladas es suficiente para inducir la biosntesis de ATP in vitro.

Estructura y funciones delas unidades.La ATP sintasa tiene un dimetro de 10 nm, y es el complejo ms pequeo identificado hasta ahora. Trabaja con un grado de efectividad cerca al 100 porciento. Esta enzima est formada por dos principales complejos. Una anclada a la membrana mitocondrial interna o al tilacoide llamada F0 (CF0 en caso de los tilacoides) y otra que sobresale por la cara interna de la estructura llamada F1 (CF1en caso de los tilacoides). El componente F0 es el motor impulsado por protones. Es conocida como la fraccin sensible a la oligomicina est formada por las subunidades a, b2 y c 10-14. Las subunidades c forman el anillo c, que rota en sentido horario en respuesta al flujo de protones por el complejo. Las dos protenas b inmovilizan el segundo Complejo F1, que est orientada hacia la matriz mitocondrial. Por interacciones electrostticas, se asocia a F1a Fo. F1est formada por las subunidades 3, 3, , y . La parte principal del complejo F1 est formado por tres diemeres , esta unidad tiene forma de hexmero. La actividad cataltica de este hexmero est localizada en las subunidades . Las subunidades y estn unidas al anillo c, y giran con l. Cada rotacin de 120 de la subunidad induce la aparicin de cambios de conformacin en los centros catalticos de las unidades del los dmeres ,provocando la alteracin de los centros de fijacin de los nucletidos situado en . El hexmero 3 y 3 finalmente libera el ATP.