Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es la producción de ATP utilizando energía derivada de la transferencia de electrones en un sistema de transporte de electrones y ocurre por quimiosmosis.
Para entender la fosforilación oxidativa, es importante revisar primero el átomo de hidrógeno y el proceso de oxidación y reducción. Un átomo de hidrógeno contiene sólo un protón (H+) y un electrón (e-). Por lo tanto, el término protón y el término ion de hidrógeno (H+) son intercambiables. Recuerde también que los electrones tienen energía almacenada, o energía potencial, lista para hacer trabajo y cuando un átomo o molécula pierde ese electrón (se oxida) esa energía se libera y es capaz de hacer trabajo celular.
Las reacciones de oxidación-reducción son reacciones químicas acopladas en las que un átomo o molécula pierde uno o más electrones (oxidación ) mientras que otro átomo o molécula gana esos electrones (reducción ). El compuesto que pierde electrones se oxida y el que los gana se reduce. En los compuestos covalentes, sin embargo, suele ser más fácil perder un átomo de hidrógeno (H) completo -un protón y un electrón- que sólo un electrón. Una reacción de oxidación en la que se pierden tanto un protón como un electrón se denomina deshidrogenación. Una reacción de reducción durante la cual se ganan tanto un protón como un electrón se denomina hidrogenación.
Las células utilizan moléculas específicas para transportar los electrones que se eliminan durante la oxidación de una fuente de energía. Estas moléculas se denominan portadores de electrones y se oxidan y reducen alternativamente durante la transferencia de electrones y protones. Entre ellas se encuentran tres coenzimas de libre difusión conocidas como NAD+, FAD y NADP+. Las formas reducidas de estas coenzimas (NADH, FADH2 y NADPH) tienen poder reductor porque sus enlaces contienen una forma de energía utilizable.
- El NAD+ , o dinucleótido de nicotinamida y adenina, es una coenzima que a menudo trabaja en conjunto con una enzima llamada deshidrogenasa. La enzima elimina dos átomos de hidrógeno (2H+ y 2e-) de su sustrato. El NAD+ acepta ambos electrones pero sólo un protón para producir su forma reducida, NADH, más H+. El NADH se utiliza para generar la fuerza motriz de los protones (que se comenta más adelante) que puede impulsar la síntesis de ATP.
- El FAD , o dinucleótido de flavina adenina, es una coenzima que también funciona junto con una enzima llamada deshidrogenasa. La enzima elimina dos átomos de hidrógeno (2H+ y 2e-) de su sustrato. Ambos electrones y protones son aceptados por el FAD para producir su forma reducida, el FADH2. El FADH2 se utiliza para generar la fuerza motriz de los protones (que se comenta más adelante) que puede impulsar la síntesis de ATP.
- El NADP+, o nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, es una coenzima que utiliza la deshidrogenasa para eliminar dos átomos de hidrógeno (2H+ y 2e-) de su sustrato. El NADP+ acepta ambos electrones pero sólo un protón para producir su forma reducida, el NADPH, más H+. El NADPH no se utiliza para la síntesis de ATP, pero sus electrones proporcionan la energía para ciertas reacciones de biosíntesis, como las implicadas en la fotosíntesis.
- En las células procariotas, los protones son transportados desde el citoplasma de la bacteria a través de la membrana citoplasmática hasta el espacio periplásmico situado entre la membrana citoplasmática y la pared celular.
- En las células eucariotas, los protones son transportados desde la matriz de las mitocondrias a través de la membrana mitocondrial interna hasta el espacio intermembranal situado entre las membranas mitocondriales interna y externa.
- En las células vegetales y en las células de las algas, los protones se transportan desde el estroma del cloroplasto a través de la membrana del tilacoide hasta el espacio interior del mismo.
Durante el proceso de respiración aeróbica, que se analiza en la siguiente sección, las reacciones de oxidación-reducción acopladas y los portadores de electrones suelen formar parte de lo que se denomina cadena de transporte de electrones , una serie de portadores de electrones que finalmente transfieren electrones del NADH y el FADH2 al oxígeno. Los portadores de electrones difusibles NADH y FADH2 transportan átomos de hidrógeno (protones y electrones) desde los sustratos en las vías catabólicas exergónicas como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico a otros portadores de electrones que están incrustados en las membranas. Estos portadores de electrones asociados a las membranas incluyen las flavoproteínas, las proteínas hierro-azufre, las quinonas y los citocromos. El último transportador de electrones de la cadena de transporte de electrones transfiere los electrones al aceptor terminal de electrones, el oxígeno.
La teoría quimiosmótica explica el funcionamiento de las cadenas de transporte de electrones. Según esta teoría, la transferencia de electrones hacia abajo de un sistema de transporte de electrones a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción libera energía (Figura \(\PageIndex{1})). Esta energía permite a ciertos portadores de la cadena transportar iones de hidrógeno (H+ o protones) a través de una membrana.
Dependiendo del tipo de célula, la cadena de transporte de electrones puede encontrarse en la membrana citoplasmática, en la membrana interna de las mitocondrias y en la membrana interna de los cloroplastos.
A medida que los iones de hidrógeno se acumulan en un lado de una membrana, la concentración de iones de hidrógeno crea un gradiente electroquímico o una diferencia de potencial (voltaje) a través de la membrana. (El fluido del lado de la membrana donde se acumulan los protones adquiere una carga positiva; el fluido del lado opuesto de la membrana queda con una carga negativa). El estado energizado de la membrana como resultado de esta separación de cargas se denomina fuerza motriz de protones o PMF.
Esta fuerza motriz de protones proporciona la energía necesaria para que las enzimas llamadas ATP sintasas (Figura \(\PageIndex{5}\)), también localizadas en las membranas mencionadas anteriormente, catalicen la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. Esta generación de ATP se produce a medida que los protones atraviesan la membrana a través de los complejos de la ATP sintasa y vuelven a entrar en el citoplasma bacteriano (Figura \PageIndex{5}\), en la matriz de las mitocondrias o en el estroma de los cloroplastos. A medida que los protones descienden por el gradiente de concentración a través de la ATP sintasa, la energía liberada hace que el rotor y la varilla de la ATP sintasa giren. La energía mecánica de esta rotación se convierte en energía química al añadirse fosfato al ADP para formar ATP.
La fuerza motriz de los protones también se utiliza para transportar sustancias a través de las membranas durante el transporte activo y para hacer girar los flagelos bacterianos.
Al final de la cadena de transporte de electrones implicada en la respiración aeróbica, el último transportador de electrones de la membrana transfiere 2 electrones a la mitad de una molécula de oxígeno (un átomo de oxígeno) que se combina simultáneamente con 2 protones del medio circundante para producir agua como producto final (Figura \N(\PageIndex{3}\N). Las cadenas de transporte de electrones implicadas en la fotosíntesis transfieren finalmente 2 electrones a NADP+ que se combina simultáneamente con 2 protones del medio circundante para producir NADPH.