Mecanismos de la Fosforilación Oxidativa y la Cadena de Transporte Electrónico Mitocondrial

Introducción a la Fosforilación Oxidativa

El ciclo de Krebs siempre es seguido por la Fosforilación Oxidativa, el proceso final y más eficiente de la respiración celular.

Definición y Características de la Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa (F.O.) es el proceso mediante el cual se sintetiza ATP, impulsado por la transferencia exergónica de electrones desde el NADH y FADH₂ hacia el O₂.

• Ocurre en la mitocondria.
• Comienza con la entrada de electrones (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 Espacio Intermembrana (EIM), generando la fuerza protón-motriz.
• La síntesis de ATP es catalizada por la ATP sintasa.

La Cadena Respiratoria

La cadena respiratoria es el conjunto de complejos proteicos donde se realiza la transferencia de electrones desde el NADH y FADH₂ a través de transportadores localizados en la membrana interna de la mitocondria.

• El O₂ es el aceptor final de e^-, resultando en la formación de H₂O.
• Se genera un gradiente electroquímico entre el espacio intermembrana y la matriz.
• Debido a sus potenciales de reducción, que van desde (-) a (+), cada paso de la cadena ocurre espontáneamente.
• A medida que los e^- se mueven a través de los complejos, los H⁺ son transportados desde la matriz al espacio intermembrana.
• Esto crea un gradiente de concentración de H⁺: la Matriz es negativa (-) y el Espacio Intermembrana es positivo (+).
• Los H⁺ se canalizan de vuelta a la matriz a través de la ATP sintasa de la membrana interna. El flujo de protones dirige, de forma indirecta, la reacción:

ADP + Pi → ATP + H₂O

Este mecanismo se conoce como la Teoría Quimiosmótica.

• Se puede decir que la cadena respiratoria y el complejo ATPásico están acoplados mediante un gradiente electroquímico.

El Complejo ATPásico (ATP Sintasa)

El complejo ATPásico se conoce también como Complejo V o la F₀F₁ sintasa.

• Forma parte de la membrana interna mitocondrial.
• Está constituida por un conjunto de cadenas polipeptídicas divididas en dos fracciones:

Fracciones del Complejo V

• La fracción F₀ atraviesa la membrana interna de la mitocondria y representa la región hidrofóbica del complejo. Actúa como un canal de H⁺, permitiendo que sean transportados desde el espacio intermembrana hacia la matriz.
• La fracción F₁ es una esfera hidrofílica inmersa en la matriz mitocondrial y está formada por varias subunidades.
• Este complejo no contribuye al gradiente de H⁺, sino que lo consume, utilizando la energía liberada por el flujo de protones para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.
• La designación “F” significa “factor de acoplamiento”; la ATP sintasa acopla la fosforilación de ADP a la oxidación de sustratos en la mitocondria.

Regulación de la Fosforilación Oxidativa

Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa

Los inhibidores de la F.O. son drogas y toxinas que actúan en puntos determinados de la cadena. La inhibición de cualquier paso detiene el proceso completo.

Ejemplo de Inhibición: Oligomicina

Cuando la oligomicina inhibe la unidad F₀ de la ATP sintasa, los H⁺ no pueden ser devueltos a la matriz mitocondrial. Como resultado, las bombas de H⁺ son incapaces de operar, y el gradiente se torna demasiado fuerte como para ser superado. El NADH deja de ser oxidado y el ciclo de Krebs se detiene, ya que la concentración de NAD⁺ cae por debajo del nivel que las enzimas pueden utilizar.

Agentes Desacoplantes de la Fosforilación Oxidativa

Son sustancias que introducen H⁺ desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial, disminuyendo la fuerza protón-motriz y, consecuentemente, reduciendo la síntesis de ATP.

Termogenina (Proteína Desacoplante)

No todos los desacoplantes son toxinas. En el tejido adiposo marrón, existen canales de H⁺ regulados (proteínas desacopladoras) que son capaces de desacoplar la respiración de la síntesis de ATP. Esta respiración rápida produce calor (termogénesis) y es importante como vía para mantener la temperatura corporal, especialmente en la hibernación de los animales.

Si el recién nacido sufre hipoxia, disminuye la generación de calor por este sistema. ¿Por qué ocurre esto?