Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP impulsada por la transferencia de electrones hacia el O₂. Éste es el proceso de transfusión de energía más importante, junto con la fotofosforilación, ya que son los procesos que sintetizan la mayor cantidad de ATP en los organismos aeróbicos.

Los electrones fluyen desde intermediarios catabólicos hacia el oxígeno para la formación de energía que lleva a la formación de ATP a partir de ADP y Pi. Así, las moléculas formadas en estos procesos se reoxidan, generando energía para la síntesis de ATP. La glucosa en un sistema anaeróbico va a formar dos moléculas de ATP, NADH y piruvato. Este piruvato en un sistema aeróbico se transformará en acetil CoA, que en el ciclo del ácido cítrico forma estas moléculas transportadoras de electrones (NADH y FADH₂), así como también los procesos de oxidación de aminoácidos que van a dar origen a estas moléculas reducidas, la β oxidación de ác. Grasos y posteriormente estas moléculas que entran también en algunos casos al ciclo del ácido cítrico, van a entrar a la cadena respiratoria para formar ATP y reducir al O₂ para formar agua, recobrando posteriormente los transportadores de electrones nuevamente oxidados.

Lugar en el que se lleva a cabo

La formación de piruvato ocurre en el citosol y el proceso del ác. Cítrico, ocurre en el interior de la mitocondria.

Complejos que constituyen la cadena

Complejo I

Llamado NADH deshidrogenasa, está formado por aproximadamente 25 unidades proteicas. Posee como grupos prostéticos: flavina mononucleótido (FMN) y hierro-azufre. Las proteínas que poseen como grupo prostético hierro-azufre se denominan proteínas ferrosulfuradas. Posee específicamente, al menos siete proteínas que poseen centros hierro-sulfurados. Este complejo se encuentra completamente embebido en la membrana interna de la mitocondria, y está orientado de tal manera que el sitio de fijación de NADH está mirando hacia la matriz mitocondrial. Su masa es de aproximadamente 850 kilodaltons.

Complejo II

Llamado succinato deshidrogenasa, va a recibir los electrones directamente del succinato. Posee al menos cuatro proteínas diferentes. Es mucho más pequeño que el complejo I. Como grupo prostético posee: flavina adenina dinucleótido (FAD) y hierro-azufre (Fe-S). Su masa es de aproximadamente 140 kilodaltons.

Complejo III

Llamado citocromo c coenzima Q reductasa. Está compuesto por los citocromos b₅₆₂ y b₅₆₆, citocromo c₁ y c, una proteína ferrosulfurada y al menos otras seis subunidades proteicas. Posee como grupos prostéticos hierro-azufre y el grupo Hem. Su masa es de aproximadamente 250 kDa.

Complejo IV

Llamado citocromo oxidasa, contiene los citocromos a₁ y a₃. Estos están formados por dos grupos Hem unidos a diferentes regiones de la misma proteína, y son por lo tanto, espectral y funcionalmente distintos. También contiene dos iones cobre, Cu_A y Cu_B, de gran importancia para la transferencia de electrones al O₂. Tiene entre 6 y 13 subunidades proteicas. Sus grupos prostéticos son el ion Cu (en forma A y B) y el grupo Hem. Su masa es de aproximadamente 160 kDa.

Complejo V

Llamado complejo F₀-F₁ o ATP sintetasa. Es el responsable directo de la síntesis de ATP a partir de ATP + Pi. Las subunidades proteicas que lo componen varían de acuerdo a la especie, pero el rango en mamíferos va desde 12 a 18 subunidades. La subunidad F₀ está completamente embebida dentro de la membrana interna mitocondrial y la subunidad F₁ se encuentra orientada hacia la matriz mitocondrial. La unidad F₁ para ser funcional necesita como mínimo: tres unidades α y β, y dos subunidades. La subunidad F₁ funciona como un canal protónico. En un comienzo fueron llamados “partículas elementales”, que se podían ver fácilmente en el microscopio electrónico al observar un corte de la membrana interna de la mitocondria.
Otro componente presente en la cadena de electrones y que pertenece a ningún complejo y que participa activamente en ella es la ubiquinona o coenzima Q. Es una benzoquinona liposoluble, y se mueve con bastante libertad en la membrana interna mitocondrial. Es capaz de captar electrones de los complejos I y II, y los cede al complejo III.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es una ruta metabólica, que forma parte de la respiración celular en todas las células aerobicas. En células eucariotas se realiza en la mitocondria, y en las células procariotas se realiza en el citoplasma, más concretamente en el citosol. Se produce la oxidación del acetil CoA hasta CO₂.

Las principales funciones son:

• Energética: producción de ATP.
• Catabólica: oxidación de glúcidos, proteínas y ácidos grasos.
• Anabólica: suministro de intermediarios para la biosíntesis de glucosa, aminoácidos y grupo hemo.

El ciclo de Krebs también se encuentra en conexión con otros procesos metabólicos:

• La oxidación del esqueleto carbonatado de algunos aminoácidos.
• Oxidación de ácidos grasos de número impar de carbonos.
• Ciclo de la urea.

El acetil CoA se forma a partir del piruvato y puede tener diferentes destinos.

En cuanto a la incorporación del piruvato, previo al inicio del ciclo de Krebs, existe una reacción irreversible que conecta la glucólisis con el ciclo de Krebs. Al ser irreversible no es posible la biosíntesis de glucosa a partir del acetil CoA. También se forma acetil CoA a partir de la beta oxidación de los ácidos grasos y de la oxidación del esqueleto hidrocarbonado de algunos aminoácidos.

Procesos del ciclo de Krebs:

1. La incorporación del piruvato se realiza por la acción del complejo piruvato deshidrogenasa que se transforma en acetil CoA.
2. La condensación del resto de los carbonos del acetil CoA con oxalacetato da lugar a citrato en una reacción catalizada por la citrato sintetasa.
3. La enzima aconitasa cataliza la transformación reversible de cítrico a isocítrico a través de la formación intermedia de cis-aconitato; sale un H₂O.
4. Posteriormente se lleva a cabo la formación de α-cetoglutarato a partir de isocitrato. Este proceso se realiza a través de la enzima isocitrato deshidrogenasa que necesita NAD⁺.
5. El α-cetoglutarato se convierte en succinil CoA y CO₂ por la acción del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa. El NAD⁺ actúa como aceptor de electrones y el CoA como transportador del grupo succinilo.
6. Transformación del succinil CoA a succinato, la enzima que cataliza este proceso reversible se conoce como succinil CoA sintetasa.
7. El succinato pasa a fumarato mediante la enzima succinato deshidrogenasa. El FAD se transforma a FADH₂.
8. Posteriormente el fumarato pasa a malato mediante la enzima fumarasa lo que dará lugar a la introducción de una molécula de H₂O.
9. Por último el malato se transforma en oxalacetato. Este cambio se produce gracias a la enzima malato deshidrogenasa. El NAD⁺ pasa a ser NADH + H⁺.

En conclusión el balance energético del ciclo de Krebs es:

1 NADH + H⁺ —————————————– 3 ATP
1 FADH₂ —————————————— 2 ATP

De la reacción con:

Isocitrato DH ——————— NADH + H⁺
α-cetoglutarato DH ——— NADH + H⁺
Succinil CoA sintetasa ——— GTP
Succinato DH ——————— FADH₂
Malato DH ————————- NADH + H⁺

3 NADH + H⁺ x 3 = 9 ATP
1 FADH₂ x 2 = 2 ATP
1 GTP 1 ATP

TOTAL 12 ATP