Cristina suarez. cadena respiratoria y fosforilacion oxidativa

Resumen………………………………………………………………………… pag. 3
1. Introducción…………………………………………………………………. pag. 3
2. La mitocondria: localización del proceso……………………………… pag. 4
3. Potenciales de óxidorreducción. Conceptos básicos………………. pag. 6
4. Componentes proteicos de la cadena respiratoria…………………... pag. 7
5. El transporte de electrones……………………………………………….. pag. 10
6. Liberación de energía libre y fuerza protomotriz……………………… pag. 12
7. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP……………………………….. pag. 14
8. Complejo ATP sintasa: teoría del acoplamiento quimiosmótico…… pag. 15
9. Transporte de iones en la membrana mitocondrial interna................. pag. 17
10. Regulación de la velocidad de transporte de electrones……………. pag. 18
11. Balance energético…………………………………………………………. pag. 18
CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACION OXIDATIVA
Resumen
Las coenzimas reducidas NADH y FADH2 provenientes de diferentes procesos
oxidativos se reoxidan gracias a la cadena respiratoria de transporte de electrones. Esta
consiste en un conjunto de complejos proteicos, enclavados en la membrana interna
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mitocondrial, que funcionan como acarreadores de electrones, transportándolos desde las
coenzimas reducidas al aceptor final del metabolismo aerobio, el oxígeno molecular (O2), en
un proceso en cadena según potenciales de reducción creciente. A medida que los
electrones se mueven a través de los complejos proteicos en una secuencia de óxido-
reducciones espontáneas (ΔG negativa) los protones son transportados a través de la
membrana interna hacia el espacio intermembrana, generando un gradiente de concentración
de protones. La matriz mitocondrial se vuelve más alcalina y con carga negativa respecto al
espacio intermembrana. De esta manera el potencial reductor o potencial de transferencia de
electrones de las coenzimas reducidas se convierte en un potencial electroquímico. La
energía de este gradiente se libera cuando los protones se canalizan de nuevo a través de la
membrana interna gracias al complejo proteico transmembrana ATP sintasa. El flujo de
protones dirige, en forma indirecta, la reacción: ADP + Pi → ATP + H2O
1. Introducción.
En capítulos anteriores se analizaron las vías metabólicas mediante las cuales la célula
degrada los nutrientes absorbidos a nivel intestinal y obtiene la energía destinada al
mantenimiento de la homeostasis celular. Hagamos un pequeño repaso de las primeras fases de
degradación de la glucosa: https://youtu.be/xbo3ASfEZ_s
La conclusión es que entre todas estas vías estudiadas sólo la glucolisis produce energía en
forma de ATP de manera directa pero en este proceso sólo se extrae una pequeña fracción de la
energía disponible en la molécula de glucosa (Fig. 1).
Fig. 1. Balance energético de la conversión de glucosa en piruvato.
El resultado es que en casi todas las células, el ATP producido en la glucólisis es
insuficiente para satisfacer la demanda energética que permita mantener las funciones vitales.
Es claro que las células deben contar, entonces, con otros mecanismos que les permitan
afrontar la costosa vida celular.
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En su degradación aeróbica completa, la glucosa sufre 6 procesos oxidativos diferentes: uno
en la glucólisis (en el citoplasma), otro en la transformación de piruvato en acetil CoA y el resto en
el ciclo de los ácidos tricarboxíIicos (los dos últimos en la matriz mitocondrial). De forma que la
oxidación completa de glucosa a CO2 ocurre con transferencia de 12 pares de electrones a las
coenzimas NAD+
y FAD que generan, entones, sus formas reducidas NADH y FADH2. Del mismo
modo, la oxidación de ácidos grasos y de aminoácidos, que se analizarán en los capítulos
siguientes, originarán estas mismas moléculas ricas en energía en forma de poder reductor. La
Fig.2 muestra el camino común de oxidación de los diferentes nutrientes. Este mecanismo
permite, además de cubrir las necesidades energéticas del organismo, que se asegure la
continuidad de estos procesos catabólicos que no serían posibles sin la reoxidación inmediata de
las coenzimas reducidas.
Fig. 1. Etapas del metabolismo oxidativo:
1) Producción de Acetil~CoA a partir de glucosa, ácidos grasos o aminoácidos
2) Oxidación de Acetil~CoA en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos
3) Fosforilación oxidativa acoplada a la transferencia electrónica
Este capítulo se referirá a cómo estos equivalentes reducidos alimentan la cadena de
transporte de electrones generando un gradiente electroquímico de protones que la mitocondria
utiliza en la síntesis de cantidades adecuadas de ATP.
2. La mitocondria: localización del proceso.
A partir de 1948, los científicos estadounidenses Eugene Kennedy y Albert Lehninger (1917-
1986) publicaron investigaciones que permitieron demostrar, entre otras cosas, que las
mitocondrias de las células eucarióticas constituían el sitio exclusivo para la fosforilación oxidativa,
el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la oxidación de ácidos grasos. La mitocondria es, por lo
tanto, la organela citoplasmática en la que ocurre la etapa final de la oxidación aerobia de las
biomoléculas y donde se sintetiza la mayor parte del ATP celular.
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Su número es muy variable de una célula a otra. Están limitadas por dos membranas con
propiedades muy diferentes (Fig. 3), la membrana mitocondrial externa (MME) y la membrana
mitocondrial interna (MMI). Entre ambas membranas se localiza el espacio intermembrana y,
limitada por la MMI, se encuentra la matriz mitocondrial. La matriz mitocondrial contiene el
complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo del ácido cítrico (excepto
el complejo de la succinato deshidrogenasa, que está enclavado directamente en la MMI), y la
mayor parte de las enzimas que catalizan la oxidación de los ácidos grasos.
Fig. 3. a) Microfotografía electrónica de una mitocondria;
b) Representación esquemática de la mitocondria
La MME, relativamente pobre en proteínas, presenta inserta en sí misma una proteína
transmembrana conocida como porina; esta proteína forma canales que permiten la libre difusión
de iones y de metabolitos solubles en agua que tengan una masa molecular < 10000, motivo por
el cual el espacio intermembrana posee aproximadamente la misma composición de iones y
metabolitos que el citosol. Por el contrario, la MMI es prácticamente impermeable a las sustancias
polares y a los iones, como por ejemplo los H+
, y requieren de proteínas integrales enclavadas en
la membrana para el transporte de estos solutos. Entre las moléculas que deben ser
transportadas específicamente a través de la MMI se encuentran ATP, ADP y Pi (cuyo transporte
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se explicará más adelante), mientras que el agua, el CO2 y el O2 son de las pocas que pueden
atravesar esta membrana libremente. Desde el punto de vista de su composición, la MMI resulta
ser muy rica en proteínas con una relación proteínas:lípidos de alrededor de 4:1 en peso,
contiene los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria y de la fosforilación oxidativa. Esta
membrana está plegada de forma muy apretada, esto genera innumerables crestas mitocondriales
lo que se traduce en un importante aumento del área superficial y del contenido de complejos
enzimáticos. El número de crestas mitocondriales está en relación directa con la actividad
respiratoria, cuanto mayor sea ésta más abundantes serán las crestas en las mitocondrias
celulares de esa célula.
3. Potenciales de oxidorreducción. Conceptos básicos.
Cuando una sustancia se oxida, sin importar su naturaleza, pierde electrones. Para que esto
ocurra, simultáneamente, otra especie química debe captar los electrones liberados por la
primera, reduciéndose. Por lo tanto, oxidación y reducción son dos procesos acoplados que dan
lugar a una reacción “redox”, suma de dos hemi-reacciones simultáneas, una de oxidación y otra
de reducción. La especie que se oxida actúa como agente reductor al ceder electrones, en tanto
que la que se reduce actúa como agente oxidante al aceptar electrones (Fig.4).
Fig. 4. Reacciones de óxidorreducción
Consideremos una sustancia que pueda oxidarse y reducirse reversiblemente, por ejemplo
la especie X. Ésta podrá existir en forma oxidada (X) ó en forma reducida (X-
):
Para que X-
se oxide deberá estar en presencia de otra sustancia que posea mayor afinidad
por los electrones, es decir que muestre mayor potencial de reducción y capte los electrones,
reduciéndose.
En este tipo de reacciones la tendencia de las sustancias reaccionantes a ceder o captar
electrones se expresa numéricamente por el potencial de oxidoreducción ó potencial redox.
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Cuando los valores de este potencial son negativos, el compuesto tiende a ceder sus electrones
con mayor facilidad, mientras que los potenciales positivos indican que la sustancia tiene mayor
tendencia a captar electrones.
En las reacciones catabólicas vistas se puede interpretar el proceso de oxidación como
una pérdida de hidrógeno (H+
+ e-
) o bien como una ganancia de oxígeno. La oxidación de las
moléculas combustibles se corresponde con un proceso de deshidrogenación en el que los
átomos de hidrógeno separados del combustible son transferidos a coenzimas transportadoras de
hidrógeno, que a su vez los ceden a un aceptor final. En forma semejante a lo antes visto, el
proceso contrario a la oxidación se denomina reducción y en él las moléculas que actúan como
aceptoras de protones y electrones, se reducen. Estas reacciones redox son catalizadas por
enzimas conjugadas que contienen una coenzima transportadora de hidrógeno. Las coenzimas
transportadoras de hidrógeno actúan como intermediarias, transfiriendo los H+
y e-
desde la
reacción de oxidación a la de reducción (Fig.5). El oxígeno es el aceptor final y el que posee
más capacidad de atraer electrones y, por lo tanto, el oxidante más fuerte. Al recibir los
protones y electrones transportados por las coenzimas el oxígeno se reduce, razón por la cual las
células necesitan un suministro constante del oxígeno proveniente del exterior. Finalmente el
oxígeno se combina con el hidrógeno transferido desde las coenzimas y produciendo agua.
Fig.5. Oxidorreducción de los cofactores NAD+
y FAD
4. Componentes proteicos de la cadena respiratoria
La cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones tiene como finalidad la
reoxidación de las coenzimas NADH y FADH2, reducidas en el curso del ciclo de Krebs, la
descarboxilación oxidativa del piruvato y la oxidación de ácidos grasos, entre otras. Pero la
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Los electrones fluyen desde las especies de menor potencial de reducción hacia las de mayor
potencial de reducción.

transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el O2 no se realiza en forma
directa, sino que en este proceso participan una serie de moléculas que actúan como
transportadoras de electrones y que, como ya dijimos, están localizados en la MMI.
A partir de esta membrana se han aislado cuatro ensamblajes de proteínas y cofactores
asociados a la transferencia de electrones, los complejos I, II, III y IV (Fig. 6). Existe un quinto
complejo, la ATP sintasa, que funciona en coordinación con este transporte de electrones y cuya
estructura y función describiremos más adelante.
Fig. 6. Localización de los transportadores electrónicos en la MMI
Los cuatro complejos no están asociados en términos físicos unos con otros aunque
trabajan conjuntamente. Los tres grandes complejos, NADH deshidrogenasa (complejo I),
Ubiquinol citocromo c reductasa (complejo III) y citocromo c oxidasa (complejo IV), constituyen
proteínas integrales de la MMI. El citocromo c es una proteína periférica de la MMI, ubicada en la
cara externa de la misma. La coenzima Q, único transportador de la cadena no ligado a proteínas,
es una molécula pequeña que se halla embebida en la capa media de la MIM, dentro de la cual
puede desplazarse.
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Tabla 1: Complejos proteínicos de la cadena respiratoria y sus grupos prostéticos.
Estos complejos, además de estar formados por diferentes proteínas, contienen grupos
prostéticos que, en conjunto, permiten el funcionamiento óptimo de cada uno de ellos. La tabla 1
muestra algunas de las características de los complejos I al IV.
Como información adicional daremos una descripción más detallada de los transportadores
de electrones que permite entender más claramente su funcionamiento:
- Flavoproteinas: El NADH se reoxida cediendo sus electrones al complejo NADH-Ubiquinona
reductasa o NADH dehidrogenasa; este complejo está constituído 25 cadenas polipeptídicas
una de !as cuales contiene flavinamononucleótido (FMN) como grupo prostético, además de
proteínas hierro-azufre. Los electrones cedidos por el NADH en su etapa de reoxidación son
tomados por el grupo FMN, que se reduce a FMNH2 , según las siguientes ecuaciones.
Posteriormente se reoxida cediendo sus electrones a proteínas hierro-azufre que integran el
complejo:
NADH → NAD
+
+ 2 e
-
+ H
+
(oxidación del NADH)
FMN + 2e
-
+ 2 H
+
→ FMNH2
(reducción del grupo FMN del complejo NADH deshidrogenasa
- Proteinas con Fe y azufre: Participan en el transporte de electrones en diferentes complejos.
Son proteínas con hierro no hemínico y azufre. Los átomos de Fe, se unen a los grupos
sulfhidrilo de cisteínas de cadenas polipeptídicas y participan en la transferencia de electrones
pasando del estado férrico al estado ferroso y viceversa:
- Coenzima Q o Ubiquinona: es una quinona con .una larga cadena isoprenoide. Las
características hidrofóbicas de esta molécula determinan su alta movilidad dentro de la
membrana mitocondrial. Los dos grupos carbonilo que están presentes en la forma oxidada
de la molécula de quinona se reducen aceptando cada uno de ellos un electrón y un protón,
de modo que cada una de las dos funciones cetona se transforman en función alcohol. De ahí
que la forma reducida de la molécula se denomine ubiquinol.
- Citocromos: Son proteínas conjugadas que tienen el grupo hemo como grupo prostético. El
hierro del grupo hemo puede oxidarse o reducirse reversiblemente, lo cual le permite a este
tipo de moléculas participar en el transporte de electrones. En la cadena respiratoria se han
identificado los citocromos b, c1, c, a y a3. El grupo hemo del citocromo b es del tipo que se
encuentra en la hemoglobina y en la mioglobina. Como ocurre con las flavoproteínas, el
potencial de reducción estándar del Fe en el hemo de un citocromo depende en gran medida
del entorno proteico, esto determina que si bien la especie que se oxida y reduce
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reversiblemente en todos los citocromos es la misma, el potencial de reducción es diferente
para cada uno de ellos.
5. El transporte de electrones.
Una vez comprendida la naturaleza de la fuerza que impulsa el traspaso de electrones de un
transportador al otro, es claro que el orden en que estos transportadores se organizan en la MMI
no es caprichoso sino que responden a sus potenciales de oxidorreducción.
En el esquema de la Fig. 7 se muestra la transferencia de electrones desde las coenzimas
reducidas hasta el oxígeno. El transporte de electrones se inicia en el momento en que el ión H-
(hidruro) se libera del NADH y se convierte en un protón y dos electrones (H-
→ H+
+ 2e-
); de esta
manera se regenera NAD+
. Simultáneamente esos dos electrones son transferidos al primero de
una serie de más de 15 transportadores electrónicos diferentes que forman parte de la cadena
respiratoria. La mayor parte de las veces los electrones pasan de un átomo metálico a otro; cada
uno de estos átomos metálicos están en estrecha unión a una molécula de proteína que, de
alguna forma, altera la afinidad electrónica de este átomo. Lo más importante es el elevado
número de enzimas implicadas en este proceso y agrupadas, como ya vimos, en tres grandes
complejos enzimáticos respiratorios.
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El flujo de electrones se efectúa por medio de la reducción y la oxidación de la serie de
transportadores de electrones descriptos desde un fuerte agente reductor (NADH, FADH2)
hasta el agente oxidante más fuerte (O2), según un orden de gradientes de reducción
creciente.

Fig. 7. Reoxidación de NADH y FADH2 en la cadena respiratoria.
Cada complejo de la cadena respiratoria tiene mayor afinidad por los electrones que su
predecesor de forma que los electrones pasan secuencialmente de un complejo al siguiente hasta
que, finalmente, son transferidos al oxígeno, el cual tiene una afinidad por los electrones mayor
que la de cualquier complejo de la cadena.
El O2 se reduce formando H2O según la ecuación:
Pero la cadena respiratoria no sólo reoxida al NADH sino también recibe electrones del
FADH2. La succinato deshidrogenasa (complejo II) es una flavoproteína de la MMI. El FADH2
generado en este complejo durante la oxidación de succinato a fumarato, reacción que forma
parte del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, cede sus electrones a proteínas Fe-S y éstas a la
coenzima Q para seguir luego el camino hacia el O2 ya descripto.
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La trayectoria que siguen los electrones desde las coenzimas reducidas, NADH y FADH2, hasta
llegar al O2 está determinada por los potenciales de reducción de los distintos transportadores
más que por un ordenamiento espacial de los mismos.

Observando los valores de los potenciales de reducción de algunos pares redox (Tabla 2) es
evidente que, en la cadena respiratoria, los electrones fluyen en el mismo sentido en el que se
incrementa el potencial de reducción de los diferentes transportadores, desde los componentes de
menor potencial de reducción hacia los de mayor potencial de reducción.
Reacción E° (V)
2 H+
+ 2 e -
→ H2 -0.421
NAD + 2 H+
+ 2 e-
→ NADH + H+
-0.320
Piruvato + 2 H+
+ 2 e-
→ Lactato -0.185
Oxalacetato + 2 H+
+ 2 e-
→ Malato -0.166
Fumarato + 2 H+
+ 2 e-
→ Succinato -0.031
Ubiquinona + 2 H+
+ 2 e-
→ Ubiquinol +0.100
Citoccromo b (ox) + 2 e-
→ Citoccromo b (red) +0.030
Citoccromo c (ox) + 2 e-
→ Citoccromo c (red) +0.254
Citoccromo a3 (ox) + 2 e-
→ Citoccromo a3 (red) +0.385
½ O2 + 2 H+
+ 2 e-
→ H2O +0.816
Tabla 2. Potenciales de oxido-reducción estándar de pares redox conjugados (a pH 7 y 25°C)
6. Liberación de energía libre y fuerza protomotriz.
Enfoquemos ahora los aspectos energéticos del transporte electrónico. En las reacciones de
oxidación de las fases precedentes (glucólisis, descarboxilación del piruvato y ciclo de Krebs) se
ceden electrones de alta energía y protones desde los compuestos intermediarios de estas vías
metabólicas a las coenzimas NAD+
y FAD. Resulta, entonces, que las formas reducidas de las
mismas, NADH y FADH2, son muy ricas en energía y conservan la mayor parte de la energía
proveniente de las moléculas combustibles. A continuación NADH y FADH2 ceden sus electrones
altamente energéticos a la cadena respiratoria y van liberando parte de esta energía a medida que
se trasportan a lo largo de la cadena respiratoria (Fig. 8).
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Fig. 8. El descenso de energía de los electrones transportados en la cadena respiratoria.
Como consecuencia del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria desde el
NADH hasta el O2, se produce un descenso de energía libre, que se manifiesta más
bruscamente en tres sitios: Complejo NADH-CoQ reductasa (I); Co Q-citocromo c reductasa (III);
Citocromo c oxidasa (IV). En el caso de que los electrones cedidos a la cadena respiratoria
provengan del FADH2, la cesión se efectuará a nivel del Complejo Succinato-Ubiquinona
reductasa (II), por lo cual estos electrones sólo producirán descensos de energía libre
considerable en dos sitios: Co Q-citocromo c reductasa (III); Citocromo c oxidasa (IV).
En cada uno de estos sitios la energía liberada es utilizada para la translocación de protones
a través de la MMI, desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana (Fig. 9).
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Como todos los procesos de oxidación, la cadena respiratoria es altamente exergónica de
modo tal que la reoxidación de las coenzimas NADH y FADH2 provee la energía necesaria
para la síntesis de la mayor parte del ATP generado por la oxidación aeróbica de glucosa en
las células eucarióticas.

Fig. 9. Traslocación de protones en los complejos I, III y IV.
El bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana genera
un gradiente electroquímico (Fig. 9) que sirve como intermediario energético para la síntesis de
ATP. La generación del gradiente de protones en los tres sitios de conservación de energía en la
cadena respiratoria requiere que estos complejos enzimáticos atraviesen la membrana de modo
que los protones puedan ser bombeados a través de canales específicos, desde la matriz
mitocondrial hacia el espacio intermembrana. Una serie de experimentos realizados confirman que
los tres sitios de conservación de energía atraviesan efectivamente la MMI.
Como veremos seguidamente, esta energía libre almacenada en el gradiente de H+
,
conocida como fuerza protomotriz, servirá para sintetizar ATP, tres en total (uno por sitio) si los
electrones provienen del NADH y dos en total si provienen del FADH2, en una reacción controlada
por la enzima ATP sintasa, otro complejo proteico transmembrana considerado a menudo como el
complejo V.
Aunque el mecanismo a través del cual se aprovecha la energía liberada en la cadena
respiratoria difiere del de otras reacciones metabólicas el principio es el mismo. Se consigue que
una reacción energéticamente favorable como ésta: H2 + ½ O2 → H2O, se produzca a través de
numerosos pequeños pasos, haciendo que la mayor parte de la energía de esta reacción pueda
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La energía que genera la transferencia de electrones hacia el oxígeno es almacenada en el
gradiente de protones que se forma simultáneamente.

ser transformada en una forma de almacenamiento de energía en lugar de ser liberada al medio
como calor.
7. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP
El gradiente electroquímico resultante del flujo de electrones se utiliza para fabricar ATP
mediante otro complejo proteico transmembrana, la ATP sintasa, complejo a través del cual los
protones fluyen de nuevo hacia la matriz (Fig. 10).
Fig. 10. Fuerza protomotriz y síntesis de ATP
El regreso de los H+
hacia el interior de la mitocondria, a favor del gradiente electroquímico,
obliga a que la energía contenida en el gradiente se utilice en reacciones endergónicas como la
síntesis de ATP. En general se conoce a este proceso de síntesis de ATP como fosforilación
oxidativa en referencia al origen de la energía necesaria para impulsar esta síntesis.
8. Complejo de la ATP sintasa y la teoría del acoplamiento quimiosmótico.
La ATP sintasa es un mecanismo acoplador reversible que, normalmente, transforma el flujo
de protones hacia el interior de la mitocondria en energía de enlace fosfato del ATP, catalizando !a
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reacción ADP + Pi → ATP. Si se reduce el gradiente electroquímico de protones puede actuar
como ATPasa, hidrolizando ATP y bombeando los electrones en dirección opuesta.
El complejo enzimático está constituido por dos fracciones: una porción soluble en agua,
llamada F1 y una porción membranosa llamada F0.
La porción F1 de la ATP sintasa está constituida, con algunas variaciones entre especies,
por múltiples subunidades; así, en el caso de la ATP sintasa de Escherichia coli (Fig. 11) se
encuentran subunidades α, β, γ, δ y ε unidas según una estequiometría α3β3γδε. Presenta una
parte globular con una región central relativamente hueca. Su rol fisiológico es catalizar la síntesis
de ATP; sin embargo en ausencia de un gradiente de protones exhibe una intensa actividad
ATPásica.
La porción F0 de la ATP sintasa es parte integral de la membrana y está compuesta por las
subunidades a, b y c con una estequiometría ab2c12. Las subunidades se disponen formando un
canal iónico que permite el flujo de protones a través de la MMI.
Fig. 11. Estructura de la ATP sintasa de Escherichia coli.
Su mecanismo de acción es complejo y excede a las necesidades de este curso. Cabe
mencionar que, a medida que los protones entran a la F0 se van uniendo a sitios de unión
específicos y esta unión produce una rotación de la porción en sentido contrario al giro de las
agujas del reloj para luego irse liberando hacia la matriz mitocondrial. Esta rotación y la liberación
posterior de los protones hacia la matriz mitocondrial provoca una serie de cambios
conformacionales en la porción F1 que provocan la activación de la ATP sintasa.
Para comprender el modo de funcionamiento del complejo ATP sintasa se aconseja ver el
siguiente video: https://youtu.be/ZxnnndG3Igw
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Fue el investigador Peter Mitchell (1920-1992) quien recibió en 1978 el Premio Nobel de
Química “por su contribución a la comprensión de la transferencia de energía a través de la
formulación de la teoría quimiosmótica". Desde entonces no quedó duda de que el gradiente
electroquímico de protones a través de la MMI es crucial para los procesos de transducción de
energía y síntesis de ATP.
Postulados de la hipótesis quimiosmótica
1. La cadena respiratoria mitocondrial localizada en la MMI transloca protones, es decir que
cuando se transportan electrones a través de la cadena, simultáneamente, se bombean H+
fuera
de la matriz y hacia el espacio intermembrana.
2. El complejo mitocondrial ATP-sintasa también transloca protones a través de la MMI.
Cuando existe un gradiente electroquímico de protones suficientemente importante, los protones
fluyen desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial a través de la partícula Fo de
la ATP sintasa. Esto provoca la disipación del gradiente electroquímico e impulsa la síntesis de
ATP.
3. La MMI está equipada, además, con una serie de proteínas transportadoras que median
la entrada y la salida de metabolitos esenciales y de determinados iones inorgánicos.
4. La MMI es impermeable a H+
, OH-
y, en general, a cationes y aniones
El siguiente video remarca los puntos más sobresalientes del acoplamiento entre cadena
respiratoria y fosforilacion oxidativa: https://youtu.be/L3UDOb0qFek
9. Transporte de iones a través de la membrana mitocondrial interna.
La síntesis continuada de ATP-4
en la matriz mitocondrial requiere que el ADP-3
citosólico
formado durante las reacciones que consumen energía sea transportado nuevamente a través de
la MMI a la matriz, donde se reconvierte en ATP-4
. De modo parecido, el ATP recién sintetizado se
ha de transportar hacia el citosol a través de la MIM para responder a las necesidades energéticas
de la célula.
Como la MMI es impermeable a estas moléculas hidrofílicas muy cargadas, se necesita una
proteína transportadora que permita el normal intercambio de los mismos. El intercambio de
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La ATP sintasa no contribuye al gradiente de concentración de protones sino que lo consume,
utilizando la energía para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. La ATP sintasa acopla la
fosofrilación de ADP a la oxidación de sustratos de la mitocondria.

nucleótidos de adenina está catalizado por la adenina nucleótido traslocasa (Fig. 12) que lleva a
cabo una reacción de intercambio entre el ATP-4
de la mitocondria y el ADP-3
citosólico, actuando
como un antiporte. El ADP-3
tiene carga -3 mientras que el ATP-4
tiene carga -4, de modo que el
movimiento de un ATP-4
hacia afuera y un ADP-3
hacia adentro ocasiona la pérdida de una carga
neta -1 en la matriz mitocondrial. El potencial de membrana establecido durante el transporte
electrónico es positivo en el exterior, lo que favorecería el transporte hacia afuera del ATP-4
que
tiene mayor carga negativa que el ADP-3
.
Un segundo transportador esencial para la fosforilacion oxidativa es la fosfato translocasa
(Fig. 12) que transporta H2PO4
-
citosólico al interior de la matriz en simporte con iones H+
. En este
caso también se necesita el gradiente de protones ya que se transportan H2PO4
-
y H+
a la matriz
en una proporción 1:1, favorecido por la concentración de protones relativamente baja en la
matriz. En ambos casos se disipa fuerza protomotriz a expensas de la formación de ATP.
Fig. 12. Actividad de ADP traslocasa y fosfato traslocasa.
10. Regulación de la velocidad de transporte de electrones
18
Parte de la energía libre que se conserva en el gradiente en la concentración de protones se
gasta para dirigir las reacciones de transporte catalizadas por las traslocasas. Es decir que la
fuerza protomotriz proporciona energía para la síntesis de ATP por la ATP sintasa así como
para la captación de los sustratos necesarios.

En condiciones fisiológicas el transporte de electrones está acoplado a la fosforilación de
ADP. Los electrones no fluyen a través de la cadena de transporte de electrones a menos que el
ADP sea simultáneamente fosforilado a ATP por la ATP sintasa.
Esta regulación de la velocidad de fosforilación oxidativa por los niveles de ADP se
denomina control respiratorio. El mecanismo regulatorio permite que cuando los niveles de ADP
se incrementan, como consecuencia de un gasto de ATP, se incremente paralelamente la
velocidad de fosforilación oxidativa para reponer el ATP consumido.
Dado que la fosforilación oxidativa está acoplada a la cadena de transporte de electrones, el
incremento de la velocidad de fosforilación oxidativa se refleja en un aumento del flujo de
electrones a través de la cadena y por ende, del consumo de oxígeno.
11. Balance energético.
La fosforilación oxidativa sintetiza la mayor parte del ATP que se produce en las células
aeróbicas. Teniendo en cuenta los productos obtenidos en cada reacción de oxidación y la
energía generada por ellos después de atravesar la cadena respiratoria con la consiguiente
fosforilación oxidativa, el balance energético de la oxidación completa de un mol de glucosa a CO2
se muestra en la Fig. 13.
En algunas células, el costo energético de transportar electrones desde el NADH
formado en la glucólisis, a través de la MMI, disminuye la producción neta de estos 2 NADH
a 4ATP, resultando así una producción máxima total de 36 ATP. Esta disminución en el
rendimiento energético será discutida más adelante.
19
La magnitud del consumo de oxígeno mitocondrial está regulado por los niveles de ADP y Pi,
sustratos de la fosforilación oxidativa.

Fig. 13. Balance energético de la oxidación completa de un mol de glucosa.
Estamos ahora en condiciones de responder la gran pregunta con al que iniciamos nuestro
curso: ¿Cómo puede nuestro organismo reconocer y utilizar la energía contenida en los
alimentos?. Lo podemos contestar en este video: https://youtu.be/-Gb2EzF_XqA
Para terminar….un poco de música: https://youtu.be/VER6xW_r1vc
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• Horton, H.; Moran, L.; Ochs, R.; Rawn, J. (2008) H. BIOQUÍMICA. 4° Edición.
Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A.
• Blanco, A. (2012). QUÍMICA BIOLÓGICA. 10° Edición. Editorial el Ateneo.
• Zagoya, J.; Oropeza, M. (2007). BIOQUÍMICA. UN ENFOQUE BÁSICO APLICADO
A LAS CIENCIAS DE LA VIDA. Mc.Graw=Hill Interamericana Editores, S.A.
• Devlin, T. (2004) BIOQUÍMICA. LIBRO DE TEXTO CON APLICACIONES CLÍNICAS.
Editorial Reverté, S.A.
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