fundamentos acerca de el proceso de fosforilación oxidativa y la cadena de transporte de electrones para la síntesis de ATP

1. Bioquímica
Universidad Autónoma de Chiapas
Facultad de Ciencias Químicas
Químico Farmacobiólogo
Dr. Erick Ruiz Romero
UNIDAD 4.- CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

2. Oxido-reducción biológica
 Las células oxidan los compuestos orgánicos para generar ATP, necesario para su
trabajo útil.
 Perdida de electrones – Oxidación
 Ganancia de electrones – Reducción
 El flujo de electrones en el metabolismo se canaliza a través de intermediarios
metabólicos hasta transportadores (COENZIMAS REDOX) que pueden convertir
la energía del flujo de e- en energía química : ATP.
 Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una fuente de electrones

5. La utilización de oxigeno para los organismos aerobios proporciona ventajas
enormes en comparación con una forma de vida anaerobia, debido a que la
oxidación aerobia de los nutrientes como la glucosa y los ácidos grasos proporciona
una cantidad de energía sustancialmente mayor que la fermentación.

6. La ATP sintasa. La ATP sintasa es una máquina molecular giratoria que sintetiza ATP. Este complejo multiproteico está
formado por dos dominios principales: el componente F0, que va de un lado a otro de la membrana, y el componente
F1, que sintetiza ATP. El flujo de protones a través de F0 que hace posible un gradiente creado por el transporte
electrónico, genera una torsión que fuerza el giro del eje. La fuerza de giro dentro de F1, desencadena posteriormente
los cambios conformacionales que producen la síntesis de ATP.

8. TRANSPORTE ELECTRÓNICO
La cadena de transporte electrónico (CTE)
mitocondrial, que también se denomina sistema de
transporte electrónico, es un conjunto de
transportadores electrónicos situados en la
membrana interna, en orden creciente de afinidad
electrónica, que transfiere los electrones que
proceden de las coenzimas reducidas hasta el oxígeno.

9. Componentes del transporte electrónico
Los componentes de la CTE de los eucariotas se encuentran en la membrana mitocondrial
interna
Los complejos I y II transfieren
los electrones desde el NADH y el
succinato, respectivamente, a la
UQ. El complejo II transfiere los
electrones desde la UQH2 al
citocromo c. El complejo IV
transfiere los electrones desde el
citocromo c al O2, Las flechas
representan el flujo de
electrones.

10. El complejo I, que también se denomina complejo NADH deshidrogenasa, cataliza
la transferencia de electrones desde el NADH a la UQ. Las principales fuentes de
NADH son varias reacciones del ciclo del ácido cítrico y la oxidación de los ácidos
grasos. El complejo I es el componente proteico más grande de la membrana
interna. Además de una molécula de FMN, el complejo contiene varios centros
hierro-azufre
Aunque la estructura y la función del complejo I no se conocen aún muy bien, se cree que el NADH reduce al FMN a FMNH2 .

11. La transferencia de electrones comienza con la reducción del FMN por el NADH, un proceso que
requiere 1 protón de la matriz. A continuación el FMNH2 transfiere un par de electrones a seis u ocho
centros Fe-S. (Debido a que no se conoce la ruta de los electrones, sólo se muestran cuatro centros
Fe-S.) La transferencia secuencial de los 2 electrones al primer centro Fe-S libera en última instancia 4
protones al espacio intermembrana. No está claro el mecanismo por el que se transfieren estos
protones a través de la membrana. Sin embargo, se cree que en la transferencia de dos de los
protones participa una UQ interna. El segundo par de protones se transfiere al pasar secuencialmente
los 2 electrones desde la UQ interna a través de una serie de centros Fe-S a una UQ externa.

12. El complejo succínato deshidrogenasa (complejo II) consta principalmente de la
enzima del ciclo del ácido cítrico succinato deshidrogenasa y dos proteínas
hierroazufre. El complejo II participa en la transferencia de electrones desde el
succinato a la UQ. El lugar de oxidación del succinato se encuentra en la proteína
hierro-azufre
Los electrones desde el succinato se transfieren al FAD en el complejo H, a varios centros Fe-S, y
luego a la UQ. Los electrones del NADH citoplásmico se transfieren a la UQ a través de una ruta con
participación del glicerol-3-fosfato y la flavoproteína glicerol-3-fosfato deshidrogenasa. Los ácidos
grasos se oxidan como derivados de la coenzima A. La acil-CoA deshidrogenasa, uoa de las enzimas
de la oxidación de los ácidos grasos, transfiere 2 electrones al FAD. Luego se ceden a la UQ.

13. El complejo III transfiere los electrones desde la coenzima Q reducida (UQH2) al citocromo
c. Al complejo III se le denomina complejo citocromo bc1 , ya que contiene dos citocromos
de tipo b, un citocromo C1 (cit c1) Y un centro hierro-azufre.
Las flechas verdes o azules representan el flujo de electrones. Las flechas azules representan la ruta de la UQ en sus diversos estados de
oxidación (ciclo Q) y de protones. La UQH2 se oxida a UQ en dos pasos en un lugar enzimático junto <11 espacio IIltermembrana. El
primer electrón se transfiere a la proteína Fe-S. El segundo electrón se transfiere al cit b. (Experimentan esta reacción dos moléculas de
UQH2 .) Una de las dos moléculas de UQ producidas difunde hacia el lugar del lado de la matriz, donde se reduce para formar UQH2 . (La
transferencia de electrones desde los dos citocromos b está inhibida por la antimicina.) Una vez formada, la UQH2 difunde de regreso al
lugar de oxidación, donde se une al conjunto de UQH2 que viene de los complejos I y II. Los electrones transferidos desde la UQH2 al
centro Fe-S reducen a continuación al cit c. En el lado citoplásmico de la membrana interna se liberan cuatro protones.

14. Transporte electrónico a través del complejo IV.
Cada una de las dos moléculas reducidas de cit c cede dos electrones de uno en uno al CuA.
Los electrones se transfieren a conlinuación al cit a, cit a3 y CUB. La transferencia de un total
de cuatro electrones desde el cit c convierte al O2 y cuatro protones en dos moléculas de
agua. Por cada par de electrones donados por el NADH a cada átomo de oxigeno se
transfieren un total de 10 protones a través de la membrana.

15. Inhibidores del transporte electrónico
Cuando está inhibido el transporte electrónico, el consumo de oxígeno se reduce o
elimina. Los componentes oxidados de la CTE se acumulan en el lado del oxígeno del
lugar de la inhibición. Los componentes reducidos de la CTE se acumulan en el lado
contrario al del oxígeno del lugar de la inhibición.
La antimicina bloquea la transferencia de electrones desde los citocromos b. El amital y la
rotenona bloquean la NADH deshidrogenasa.

16. Relaciones energéticas en la cadena de transporte electrónico mitocondrial.
En tres pasos se producen descensos relativamente grandes de la energía libre. Durante
cada uno de estos pasos (es decir, en los lugares I, II y III), se libera energía suficiente para
producir la síntesis de ATP.

17. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
La fosforilación oxidativa, el proceso por el que la
energía generada por la CTE se conserva mediante la
fosforilación del ADP para dar ATP, se ha estudiado
desde los años 1940. El único tipo de reacción de
fosforilación con la que los bioquímicos estaban
familiarizados hasta entonces era la fosforilación a
nivel del sustrato.

18. Teoría quimiosmóstica
En 1961, Peter Mitchell, un bioquímico británico, propuso un mecanismo por el que la
energía libre que se genera durante el transporte electrónico impulsa la síntesis de
ATP. Aceptado actualmente, el modelo de Mitchell, que se denomina teoría
quimiosmótica de acoplamiento.
1. Al pasar los electrones a través de la CTE, se transportan protones desde la matriz y se
liberan en el espacio intermembrana. Como consecuencia, se crea un potencial eléctrico
ψ y un gradiente de protones Δph a través de la membrana interna. El gradiente
electroquímico de protones se denomina fuerza protón motriz Δp.
2. Los protones, que se encuentran con un gran exceso en el espacio intennembrana,
pueden pasar a través de la membrana interna y volver a la matriz a favor de su
gradiente de concentración sólo a través de canales especiales. (La membrana interna
es en sí misma impermeable tanto a los iones como a los protones.) Al producirse el
flujo termodinámicamente favorable a través de un canal, que contiene una actividad
ATP sintasa, se produce la síntesis de ATP.

19. Teoría quimiosmótica.
El flujo de electrones a través de los complejos de transporte electrónico está acoplado al flujo de
protones a través de la membrana interna desde la matriz hasta el espacio intermembrana. Este
proceso incrementa el pH de la matriz. Además, la matriz queda cargada negativamente con respecto
al espacio intermembrana. Los protones fluyen pasivamente a la matriz a través de un canal en la ATP
sintasa. Este flujo está acoplado a la síntesis de ATP.

20. En el modelo de Mitchell los protones se impulsan desde la matriz mitocondrial a través de la
membrana interna y dentro del espacio intermembrana por el mecanismo de transporte electrónico.
La energía capturada del transporte electrónico se utiliza para crear un potencial eléctrico y un
gradiente de protones. Debido a que la membrana interna es impermeable a los protones, sólo
pueden atravesar la membrana fluyendo a través de canales específicos de protones. El flujo de
protones a través de la ATP sin tasa impulsa la síntesis de ATP.