Funcionamiento de la mitocondria y fosforilación oxidativa

MITOCONDRIA

El transporte de electrones a lo largo de las membranas es usado por las células para obtener energía de una amplia variedad de fuentes. Ej: la respiración anaeróbica permite utilizar el oxígeno para producir grandes cantidades de ATP a partir de las moléculas alimenticias.

Obtención de energía en las células

Las células obtienen la mayor parte de su energía por un mecanismo que ocurre en la membrana: La principal moneda energética de las células es el ATP que se produce por fosforilación oxidativa en las mitocondrias.

• Depende del transporte de electrones dentro de la membrana mitocondrial y del transporte de iones a través de ella.

Proceso del acoplamiento quimiosmótico

Fase 1: los electrones procedentes de la oxidación de las moléculas de los alimentos u otras fuentes se transfieren mediante una cadena transportadora de electrones situada en la membrana. Esta transferencia de electrones libera energía que bombea protones procedentes del agua a través de la membrana y genera un gradiente electroquímico de protones

Fase 2: el H vuelve a fluir a favor de su gradiente electroquímico mediante un complejo proteico denominado ATP sintasa, que cataliza la síntesis del ATP (ADP + fosfato). La ATP sintetasa aprovecha el gradiente de protones y origina ATP.

MITOCONDRIAS Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

En las mitocondrias el metabolismo de los azúcares es completo y la energía liberada se aprovecha en forma tan eficiente que se generan unas 30 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se oxida.

Los tejidos muscular y nervioso son los que más sufren cuando las mitocondrias son defectuosas porque necesitan grandes cantidades de ATP. Las mitocondrias en las células están situadas cerca de los sitios de utilización elevada de ATP.

Estructura de la mitocondria

Contiene su propio ADN, ribosomas y ARN, y un sistema completo de transcripción y traducción.

• Membrana externa: con muchas moléculas de un P transportadora llamada porina que forma canales acuosos a través de la bicapa lipídica.
• Espacio intermembrana: debido a los poros acuosos es químicamente equivalente al citosol.
• Membrana interna: es impermeable al pasaje de los iones y de la mayoría de las moléculas pequeñas. Es el sitio donde se produce el transporte de electrones y el bombeo de protones, y en ella se encuentra la enzima ATP sintasa.
• Matriz: solo contiene las moléculas que pueden ser transportadas en forma selectiva a través de la membrana mitocondrial interna. Tiene un contenido muy especializado.

Fosforilación oxidativa

Implica tanto el consumo de oxígeno como el agregado de un grupo fosfato al ADP lo que forma ATP.

Casi toda la energía disponible se almacena en forma de moléculas transportadoras activadas generadas durante la glucólisis y el ciclo de ácido cítrico: NADH y FADH2.

1. Estas moléculas transportadoras donan sus electrones de alta energía a la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial
2. Después de esto se oxidan a NAD y FAD.
3. Los electrones pasan rápidamente a lo largo de la cadena al oxígeno molecular y forman agua
4. La energía que se libera durante el paso de los electrones a lo largo de la cadena transportadora es aprovechada para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna
5. Este gradiente de protones resultante a su vez impulsa la síntesis de ATP

Cadena de transporte de electrones

Cada cadena contiene más de 40 P, las cuales la mayoría se localizan en la bicapa lipídica y funcionan solamente en una membrana indemne.

La mayoría de las proteínas que participan en la cadena mitocondrial de transporte de electrones está agrupada en tres grandes complejos enzimáticos.

• Cada complejo dispone de P transmembrana que sostiene con firmeza todo el complejo proteico en la membrana mitocondrial interna

Los tres complejos enzimáticos respiratorios, en el orden en que reciben electrones son:

1. El de NADH deshidrogenasa
2. El del citocromo b- c1 y
3. El de citocromo oxidasa

Efectos del bombeo de protones

1. Genera un gradiente de concentración de protones a través de la membrana mitocondrial interna, en el que el pH es más elevado dentro de la matriz
2. Genera un potencial de membrana a través de la membrana mitocondrial interna, en la que el interior es negativo y el exterior es positivo, como resultado de un flujo neto de H hacia afuera

ATP sintasa

Proteína de gran tamaño formada por varias subunidades

• Una porción enzimática que se proyecta hacia la cara de la matriz de la membrana mitocondrial interna
• Se adhiere por una subunidad más delgada con forma de tallo, a un transportador de protones transmembrana

Como los protones pasan a través de un estrecho canal del transportador transmembrana, su desplazamiento hace que el tallo gire rápidamente dentro de la cabeza y la induzca a formar ATP.

La ATP sintasa es un mecanismo de acoplamiento reversible

• Puede aprovechar tanto el flujo de protones a favor de su gradiente electroquímico y generar ATP
• Puede emplear la energía de la hidrólisis del ATP para bombear los protones a través de la membrana

Depende de la magnitud del gradiente electroquímico de protones a través de la membrana.

Transporte acoplado

En las mitocondrias, muchas moléculas cargadas, como piruvato, ADP y Pi, son bombeadas dentro se la matriz desde el citosol, mientras que otras, como el ATP deben ser desplazadas en la dirección opuesta.

• Las P transportadoras que se unen a estas moléculas pueden acoplar su transporte con el flujo energéticamente favorable de H hacia el interior de la matriz mitocondrial
• Ej: el piruvato y el Pi son cotransportadores hacia el interior de la matriz al mismo tiempo que lo hace H
• Ej: otros transportadores aprovechan que el gradiente electroquímico de protones genera un potencial de membrana, dado que el lado de la matriz de la membrana mitocondrial interna tiene una carga más negativa que el espacio intermembrana en el otro lado. Una proteína transportadora anti portadora aprovecha este gradiente de voltaje para expulsar ATP de la matriz mitocondrial se importar ADP a ella. Como una molécula de ATP tiene una carga negativa más que el ADP, el intercambio de estos nucleótidos da como resultado el desplazamiento en total una carga negativa hacia el exterior de la mitocondria. Éste intercambio de nucleótidos, envía ATP hacia el citosol, está, en consecuencia, impulsado por la diferencia de cargas a través de la membrana mitocondrial interna

Como consecuencia del proceso de cotransporte descrito antes, las moléculas de ADP producidas por la hidrólisis de ATP en el citosol ingresan rápidamente la mitocondria donde son recargadas, mientras que las moléculas de ATP formadas en la matriz mitocondrial por fosforilación oxidativa son rápidamente bombeadas dentro citosol donde son necesarias.

RECORDAR: la mitocondria genera energía por glucólisis Y fosforilación oxidativa