Mecanismos de la Fosforilación Oxidativa: Síntesis de ATP y la Fuerza Proton-Motriz

Síntesis de ATP y el Acoplamiento Energético

La síntesis de ATP se consigue por medio de un ensamblaje molecular situado en la membrana mitocondrial interna: la ATP sintasa. Este complejo enzimático da lugar al Complejo V.

Los sitios de fosforilación son aquellos lugares de la cadena respiratoria donde se supone que la síntesis de ATP está acoplada al transporte de electrones. Puesto que el Complejo IV es físicamente diferente a las proteínas que median el transporte de electrones, la energía libre liberada por el transporte debe conservarse en una forma que pueda ser utilizada por la ATP sintasa. Esta conservación de energía se conoce como acoplamiento de energía o transducción de la misma.

Hipótesis Histórica vs. Hipótesis Quimiosmótica

Para el acoplamiento de la oxidación del NADH a la fosforilación del ADP, se sugirió inicialmente que la transferencia de electrones (e-) daba lugar a la formación de un compuesto intermediario con un enlace covalente de alta energía que servía de precursor del ATP.

La Hipótesis Quimiosmótica de Mitchell

El transporte de electrones y la síntesis de ATP están acopladas mediante un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna, en lugar de por un intermediario con un enlace covalente rico en energía o por una conformación de proteína activada.

Mecanismo de la Fuerza Proton-Motriz (FPM)

La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria produce un bombeo de protones (H+) desde la matriz mitocondrial hacia el lado opuesto de la membrana interna de la mitocondria (el lado citosólico o espacio intermembrana).

En este lado citosólico, aumenta la concentración de H+ ([H+]) y se genera un potencial eléctrico que resulta positivo. La formación de esta Fuerza Proton-Motriz (FPM), inducida por el transporte de e-, es el mecanismo primario en la conservación de energía.

El Bombeo de Protones

El bombeo de protones no requiere que los centros redox sean transportadores de H+. La transferencia de electrones da lugar a cambios conformacionales del complejo. La translocación de protones tiene lugar como resultado de la influencia de estos cambios conformacionales en el pK de las cadenas laterales de los aminoácidos (aas) y su exposición alternada hacia la cara interna y externa de la membrana.

El proceso ocurre de la siguiente manera:

1. Se unen protones a las cadenas laterales de los aas en el lado de la matriz de la membrana.
2. La reducción causa un cambio conformacional en las cadenas que las expone al lado citosólico de la membrana, donde se disocian los protones.
3. La reoxidación da lugar a otro cambio conformacional que devuelve la bomba a su conformación original.

Funciones de la FPM en el Transporte Mitocondrial

Aunque el papel principal del gradiente de protones en la mitocondria es suministrar energía para la síntesis de ATP, también sirve para impulsar varios procesos de transporte esenciales para la fosforilación oxidativa.

La membrana mitocondrial interna es impermeable a las especies cargadas, pero existen dos sistemas que transportan ADP y fosfato (Pᵢ) a la matriz y ATP hacia el citosol:

1. Nucleótido de Adenina Translocasa

Este sistema une ADP³⁻ en el espacio intermembrana y lo transporta a la matriz en intercambio con una molécula de ATP⁴⁻ transportada simultáneamente hacia el exterior (citosol).

• Debido a que este cotransporte antiparalelo traslada 4 cargas negativas hacia fuera a cambio de 3 que entran, su actividad viene favorecida por el gradiente electroquímico transmembrana (la matriz tiene una carga neta negativa).
• La fuerza protón-motriz impulsa el intercambio ATP-ADP.

Nota: Si se inhibe el transporte de ADP al interior y de ATP al exterior de la mitocondria, no se puede regenerar el ATP citosólico a partir del ADP.

2. Fosfato Translocasa

El segundo sistema de transporte de la membrana necesario para la fosforilación oxidativa es la Fosfato Translocasa, que promueve el transporte paralelo de un H₂PO₄⁻ y un H⁺ al interior de la matriz. Este proceso de transporte también está favorecido por el gradiente de protones transmembrana.

Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa (FO)

Existen agentes que pueden alterar la síntesis de ATP asociada a la cadena respiratoria.

Desacopladores

Son sustancias que evitan el acople o unión entre el transporte de electrones y la fosforilación de ADP para sintetizar ATP.

• Al disminuir la concentración de ATP ([ATP]), aumenta la razón ADP/ATP, lo cual acelera la velocidad de la cadena respiratoria, y tiende a reestablecerse un equilibrio entre las dos moléculas.
• A pesar de que la cadena respiratoria funciona más rápidamente, la síntesis de ATP no aumenta de la misma manera por el efecto del inhibidor.

Existen desacopladores que provocan un aumento en la conducción de electrones a lo largo de la cadena respiratoria sin un aumento proporcional de la síntesis de ATP. Uno de ellos es el 2,4-dinitrofenol, que transporta protones. Su efecto es muy drástico porque no solo disminuye el gradiente eléctrico, sino también el químico. Es un agente exógeno, es decir, no es sintetizado por el organismo.