Beta-oxidación y Fosforilación Oxidativa

Beta-oxidación

1º Acil graso-CoA (acil-CoA DH) --> trans- (Δ)²-enoil-CoA (sale de la reacción 1 electrón --> FAD --> 1,5 moléculas de ATP por 2 electrones

2º Se adiciona H₂O al doble enlace del trans- (Δ)²-enoil-CoA (enoil-CoA hidratasa) --> beta-hidroxiacil-CoA

3º Se deshidrogena el beta-hidroxiacil-CoA (beta-hidroxiacil-CoA DH) --> beta-cetoacil-CoA (sale de la reacción 1 electrón --> NAD⁺ + e^- --> NADH)

El NADH dona sus electrones al NADH DH y se forma ATP a partir de ADP al pasar los electrones al oxígeno.

4º La tiolasa promueve la reacción entre el beta-cetoacil-CoA y una molécula de Coenzima A para dar lugar a la separación del fragmento carboxilo terminal de dos carbonos de la cadena original del ácido graso en forma de acetil-CoA. El otro producto es el tioéster de coenzima A con dos carbonos menos.

Oxidación de Ácidos Grasos Insaturados

En la oxidación de ácidos grasos insaturados requiere dos reacciones adicionales: para ello se necesitan dos enzimas adicionales: una isomerasa y una reductasa. El enzima auxiliar (Δ)³, (Δ)²-enoil-CoA isomerasa isomeriza el cis-(Δ)³-enoil-CoA para dar lugar a trans-(Δ)²-enoil-CoA que es convertido por la enoil-CoA hidratasa en beta-hidroxiacil-CoA, los siguientes pasos (3 y 4) son iguales.

Oxidación de Ácidos Grasos de Cadena Impar

En la oxidación de ácidos grasos de cadena impar requiere 3 reacciones adicionales: El sustrato del último paso es un acil graso-CoA de 5 carbonos. Cuando este sufre la oxidación y rotura, los productos son acetil-CoA y propionil-CoA.

El propionil-CoA primero se carboxila para dar lugar al metilmalonil-CoA por acción de la propionil-CoA carboxilasa. En esta reacción del CO₂ se activa por unión a la biotina antes de ser transferido al sustrato.

El D-metilmalonil-CoA se epimeriza por la acción de metilmalonil-CoA epimerasa y se forma L-metilmalonil-CoA. Este se reestructura debido a la acción catalizada por la metilmalonil-CoA mutasa que requiere el coenzima B12.

Fases 2 y 3 de la Oxidación de Ácidos Grasos

El acetil-CoA se oxida a CO₂ a través del ciclo cítrico. Las primeras dos fases de la oxidación de ácidos grasos producen las transportadores electrónicos reducidos NADH y FADH₂ que en la 3ª fase donarán sus electrones a la cadena respiratoria mitocondrial, a través de la cual se transportan los electrones hacia el oxígeno y la posterior transferencia de cada par de electrones al oxigeno tiene como resultado la formación de alrededor de 2,5 moléculas de ATP.

Las peroxisomas también llevan a cabo la beta-oxidación. Las peroxisomas y glioxisomas de las plantas utilizan acetil-CoA procedente de la beta-oxidación como precursor biosintético.

Fosforilación Oxidativa

Paso 1: NADH-reductasa (Complejo I)

Las reacciones que tienen lugar a nivel de la NADH-reductasa o complejo I son una serie de reacciones redox, en las que intervienen un coenzima flavínico (FMN o flavina mononucleótido), y un centro ferrosulfurado en el que el átomo de hierro es el que realiza el intercambio electrónico para cederlos al coenzima Q. El flujo de dos electrones desde el NADH hasta el coenzima Q o ubiquinona, da lugar al bombeo de cuatro H⁺ a través de la membrana mitocondrial interna, desde la matriz hacia su cara citoplasmática.

Paso 2: Succinato-reductasa (Complejo II)

El complejo II o succinato-reductasa se encuentra a nivel de la membrana, y uno de sus componentes es una enzima del ciclo del ácido cítrico, la succinato deshidrogenasa, que cataliza la reacción de succinato a fumarato. Uno de los productos de la reacción, el coenzima reducido FADH₂ no abandona el complejo, transfiriendo los electrones en el interior del mismo a un centro Fe-S, para posteriormente ser cedidos al coenzima Q. Esta es la única enzima del ciclo del ácido cítrico que no se encuentra libre en la solución de la matriz mitocondrial, sino que está fuertemente unida a la membrana mitocondrial interna. Por otro lado, algunas de las enzimas mitocondriales que utilizan FAD (acil-CoA deshidrogenasa, primer enzima de la β-oxidación), no introducen sus electrones a la cadena de transporte electrónico a través del complejo II, sino mediante una flavoproteína transportadora de electrones (ETFP- ubiquinona reductasa) que reduce directamente la ubiquinona o coenzima Q. El potencial de transferencia electrónica es menor en este complejo que en el anterior, y el desprendimiento energético no es suficiente para el bombeo de hidrogeniones, lo que se traducirá en un menor rendimiento de ATP, comparado con el obtenido cuando los electrones penetran en la cadena utilizando el complejo I.

Paso 3: Citocromo-reductasa (Complejo III)

La segunda bomba de hidrogeniones, se sitúa en el complejo III o citocromo-reductasa, que se caracteriza principalmente por disponer de grupos prostéticos hemo, similares a los de la hemoglobina, con un átomo de Fe que se alterna entre su estado reducido o ferroso (Fe²⁺) y el estado oxidado o férrico (Fe³⁺). A través de la siguiente secuencia de reacciones los electrones son transferidos hasta el citocromo c, este flujo genera un potencial suficiente para bombear 2 H⁺ hacia el lado citoplasmático. La diferencia de potencial de transferencia es menor que en el complejo I y por lo tanto la capacidad de mover los hidrogeniones también es menor.

Paso 4: Citocromo-oxidasa (Complejo IV)

A través del último complejo, la citocromo-oxidasa acepta cuatro electrones del citocromo c, uno cada vez, a través de dos grupos hemo que utilizan átomos de cobre y los transfiere a una sola molécula de O₂ formando dos moléculas de H₂O. Se estima que el 90 % del consumo total de oxígeno de las células es realizado por la citocromo-oxidasa. El oxígeno molecular es un aceptor de electrones con un fuerte carácter oxidante, una alta tendencia a captar electrones, pero reacciona muy lentamente a menos que sea activado catalíticamente. Esta activación es realizada por este complejo, el cual también funciona como una bomba de protones, realizando un movimiento neto de 4 H⁺ hacia el espacio intermembranoso.