3. Contenido
• Fosforilación oxidativa
• Cadena de transporte de
electrones
• Sistema mitocondrial
• Balances energéticos
• Agentes desacoplantes e
inhibidores
• Modelos de la fosforilación
oxidativa
• Teoría quimiosmótica
• ATP sintasas
• Control
• Especies reactivas de oxigeno
5. ADN
Ribosomas Matriz Membrana
externa Membrana
interna
Espacio
intermembrana
Crestas
Complejos F0 y
F1
Membrana interna: es impermeable a
la mayoría de las moléculas pequeñas
como iones e H+.
Contiene:
• Transportadores electricos
respiratorios (complejos I-IV)
• ADP-ATP translocasa
• ATP sintasa (Fo y F1)
• Otros transportadores de
membrana.
La fosforilación oxidativa tiene lugar en la
membrana interna mitocondrial
La fosforilación oxidativa es el proceso por
el que se forma ATP como resultado de la
trasferencia de electrones desde el NADH o
del FADH2 al O2 a través de una serie de
transportadores de electrones.
6. La cadena de transporte de electrones es una serie de proteínas y moléculas orgánicas
que se encuentran en la membrana interior de la mitocondria. Los electrones pasan de un
miembro de la cadena de transporte al siguiente en una serie de reacciones redox. La
energía liberada en estas reacciones se captura como un gradiente de protones, el cual se
utiliza a su vez para formar ATP en un proceso llamado quimiosmosis.
La cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis constituyen la fosforilación
oxidativa.
Cadena de transporte de
electrones
7. Los pasos que se llevan a acabo son:
1. Entrega de electrones por NADH y FADH2. Los
acarreadores de electrones (NADH y FADH22
reducidos en otros pasos de la respiración celular
transfieren sus electrones a las moléculas cercanas al
inicio de la cadena de transporte. En el proceso se
convierten en NAD+ y FAD, que pueden ser
reutilizados en otros pasos de la respiración celular.
2. Transferencia de electrones y bombeo de
protones. Conforme se mueven los electrones en la
cadena, se desplazan de un nivel de energía más alto
a uno más bajo, lo que libera energía. Parte de esta
energía se utiliza para bombear iones de H, lo que los
desplaza fuera desde la matriz hacia el espacio
intermembranal. Este bombeo establece un gradiente
electroquímico.
3. Separación de oxígeno molecular para formar
agua. Al final de la cadena de transporte de
electrones, los electrones se transfieren a una
molécula de oxígeno, la cual se rompe a la mitad y
recolecta H+ para formar agua.
4. Síntesis de ATP impulsada por un
gradiente. Cuando fluyen por el gradiente de regreso
hacia la matriz, los iones de H+ pasan a través de una
enzima llamada ATP sintasa, la cual aprovecha el flujo
8. Función
1. Regenera los acarreadores
de electrones. El NADH y el
FADH2 donan sus electrones a
la cadena de transporte de
electrones y se convierten otra
vez en NAD+ y FAD. Esto es
importante porque las formas
oxidadas de los acarreadores
de electrones se utilizan en la
glucólisis y en el ciclo del ácido
cítrico, así que deben estar
disponibles para mantener
estos procesos en
funcionamiento.
2. Forma un gradiente de
protones. La cadena de
transporte genera un
gradiente de protones a través
de la membrana interna de la
mitocondria: en el espacio
intermembranal hay una
concentración más alta de H+ y
en la matriz hay una
concentración más baja. Este
gradiente es una forma de
energía almacenada que,
como veremos, se puede
utilizar para generar ATP.
9. Complejos de la
cadena
Complejo I o
NADH
deshidrogenasa
Complejo II o
Succinato
ubiquinona
Complejo III o
Citocromo bc1
Complejo IV o
Citocromo
oxidasa
Complejo V o
ATP sintasa
• 45 cadenas
polipeptídicas
• 8 centros
ferro-
sulfurados
• 5 grupos
prostéticos de
2 tipos
• 4 subunidades
proteicas
diferentes: A y
B tienen
centros Fe-S, C
y D son
proteínas
integrales.
Es un dimero en
donde cada
monómero
contiene 3
proteínas.
• Citocromo b
• Citocromo c1
• Ferro-
sulfurada
• Subunidad 1:
tiene 2 grupos
hemo a y a3
con un grupo
Cu.
• Subunida 2:
contiene 2
iones Cu que
forman
complejo con
los grupos-SH
• Subunidad 3:
• F1: proteína
periférica de
membrana.
• F0: proteína
integral de
membrana.
10. Los complejos I, III y IV de la cadena de transporte de electrones son bombas de protones. Conforme los electrones se
desplazan cuesta abajo energéticamente, los complejos capturan la energía liberada y la usan para bombear iones de
H+ de la matriz hacia el espacio intermembranal. Este bombeo genera un gradiente electroquímico a través de la
membrana interna de la mitocondria. En algunas ocasiones, el gradiente se llama fuerza protón-motriz y puedes pensar
en ella como una forma de energía almacenada, algo así como una batería.
En la membrana interna de la mitocondria, los iones de H+ solamente cuentan con un canal disponible: una proteína
transmembranal conocida como ATP sintasa. Conceptualmente, la ATP sintasa es muy parecida a las turbinas de un
planta de energía hidroeléctrica. En vez de activarse con agua, se activa con el flujo de iones de H+ que se desplazan por
su gradiente electroquímico. Este flujo causa que la ATP sintasa gire y catalice la adición de un fosfato a ADP, con lo que
captura la energía del gradiente de protones en forma de ATP.
Fundamentos
Quimiosmosis
14. Ocurren 2 procesos
acoplados:
● La transferencia de 2 y un
ion hidruro () del NADH y
un protón () de la matriz
hasta la ubiquinona (Q)
● La transferencia de 4 hacia
el espacio intermembrana.
● Los se transfieren hasta el
FMN (Flavin
mononucleotido), luego al
FeS (complejo hierro-
azufre) y por ultimo a Q
Complejo I – NADH
deshidrogenasa
15. Reacción redox neta catalizada por el
Complejo I (NADH deshidrogenasa):
NADH + 5H+
(reducido) (oxidado)
NAD+
+ QH2
(reducido)
(oxidado)
Q
+ + 4H+
matriz EIM
NADH-Q
reductas
a
Fe-Sreducido
Fe-Soxidado
FMN
FMNH2
Q
NADH
NAD+
QH2
16. ● Los 2 liberados de la
conversión de succinato
a fumarato se transfieren
al FAD, luego al FeS y
finalmente a Q
reduciéndola a ubiquinol
() .
● Estas reacciones no
conllevan un movimiento
de desde la matriz hacia
el espacio
intermembrana.
Complejo II – Succinato
deshidrogenasa
17. ● El G3P cede a la G3P
deshidrogenasa. Ocurre en la
cara externa de la membrana
mitocondrial interna.
● El acil-CoA cede a la acil-CoA
deshidrogenasa. Ocurre en la
matriz.
● La acil-CoA deshidrogenasa
transfiere los a la flavoproteína
transferidora de electrones
(ETF) y esta pasa sus electrones
a la ETF: ubiquinona
oxidorreductasa.
Ruta de electrones
desde el
Acil – CoA y G3P
18. Reacción redox neta catalizada por
el Complejo II, Succinato deshidrogenasa:
Succinato + Q
(reducido) (oxidado)
Fumarato + QH2
(reducido)
(oxidado)
19. ● El dona sus 2 al complejo III
uno a la vez.
● Se transfiere a una proteína
FeS, de ahí a 2 citocromos tipo
b y transferidos al citocromo .
● Estos electrones se transfieren
a dos moléculas oxidadas de
Citocromo c formando
Citocromo c reducido.
● Estas reacciones provocan el
movimiento de 4 desde la
matriz al espacio
intermembrana
Complejo III – Ubiquinona –
Cit c – oxidorreductasa
21. Reacción redox neta catalizada por el
Complejo III, Ubiquinona-Cit c-oxidorreductasa:
QH2 + 2 Cit c1 (Fe+3
) + 2H+
(reducido) (oxidado)
Q + 2 Cit c1 (Fe+2
) + 4H+
(reducido)
(oxidado)
(matriz) (EIM)
Q
QH.
Cit b (+2)
Cit b (+3)
QH.
QH2
Fe-S (+2)
Fe-S (+3)
Cit c1 (+3)
Cit c1 (+2)
Cit c (+2)
Cit c (+3)
Citocromo c
reductasa
22. ● Se transporta 1 a la vez
desde el Cit c reducido.
La transferencia ocurre
de la siguiente forma:
1. Los electrones pasan
del Cit c a un par de
iones de cobre ()
2. Pasan al Citocromo a y
luego a un centro
Citocromo .
3. Finalmente llegan al el
ultimo aceptor de
electrones.
● Por cada que pasa se
bombea 1 al espacio
intermembrana
Complejo IV –
Citocromo oxidasa
23. (reducido)
2 Cit c (Fe+2
) + 2H+
+ H2O
(oxidado)
2 Cit c (Fe+3
) + 4H+
+ ½ O2
Reacción redox neta catalizada por
el Complejo IV, Citocromo oxidasa:
(EIM)
(matriz)
24. La enzima ATP sintetasa es el
quinto complejo involucrado en la
fosforilación oxidativa. Se encarga
de aprovechar la energía del
gradiente electroquímico para
formar ATP. Se encuentra en la
membrana mitocondrial interna.
Esta proteína transmembranal
consta de dos componentes: F0 y
F1. El componente F0 permite el
retorno de los protones hacia la
matriz mitocondrial funcionando
como canal y el F1 cataliza la
síntesis del ATP mediante ADP y Pi,
utilizando la energía de dicho
retorno.
Complejo V – ATP
sintasa
F1
unidad catalítica
F0
Unidad bombeadora
de H+
ADP+Pi
ATP
25. -4H
+
Pi
Por cada 4 protones se forma 1 ATP
Cadena de transporte de electrones Quimiosmosis
27. NADH NAD+
+ H+
Complejo I
E’o
= 0,360 V
G´o
= - 69,5 kJ/mol
Complejo III
E’o
= 0,190 V
G´o
= - 36,7 kJ/mol
Q
Succinato
fumarato
(+0,031V)
FADH2 Complejo
II
(+0,045 V)
Complejo IV
E’o
= 0,580 V
G´o
= - 112 kJ/mol
(- 0,320 V)
½ O2 + 2H+ H2O
2e-
(+ 0,816 V)
Citocromo c (+ 0,235 V)
- 0,4
- 0,2
0
+ 0,4
+ 0,6
+ 0,8
E’o
(V) Cadena respiratoria: flujo de los electrones y potencial de reducción estándar de
componentes móviles (en rojo), y cantidad de energía liberada en cada complejo.
ADP+Pi
ATP
ADP+Pi
ATP
ADP+Pi
ATP
28. ¿Cuánto ATP
obtenemos?
Hay dos formas de ver esto:
• El cambio de energía libre total obtenido en las reacciones
de los complejos I, III y IV se divida en 3 paquetes de
energía usados en la síntesis de ATP, si se parte desde
NADH se obtienen 3 paquetes equivalentes a 3 ATP. Desde
el FADH2 se obtienen 2 paquetes equivalentes a 2 ATP.
• Se ha observado de forma experimental que se requiere
que fluyan 4 hacia la matriz a través de la ATP sintasa para
producir 1 ATP. Por tanto, partiendo desde NADH se
bombean 10 , lo que equivale a la producción de 2.5 ATP y
partiendo de FADH2 se bombean 6 equivalentes 1.5 ATP
29. Agentes
desacoplantes
Los agentes desacoplantes son
sustancias que introducen H+
desde el espacio intermembrana
hacia el interior mitocondrial y
disminuyendo la fuerza protón-
motriz; por lo tanto disminuye la
síntesis de ATP.
Aumentan la
permeabilidad
de la
membrana a
iones
Colapsa el
gradiente
del protón
Se desacopla el
flujo de electrones
a través de los
complejos
respiratorios, de la
síntesis de ATP.
Permitiendo
que el H+ pase
sin atravesar la
ATP sintasa
2,4-dinitrofenol Pentaclorofenol UCP (termogenina)
Transportador
transmembrana
de H+
Transportador
transmembrana
de H+
Permite que los
protones vuelvan a
entrar en la matriz
mitocondrial sin que
se capture energía
como ATP sino como
calor.
30. Intercambio
de ATP/ADP
Los inhibidores del
intercambio de ATP/ADP
inhiben a la translocasa
que permite la entrada de
ADP a la matriz y la salida
desde la mitocondria de
ATP.
-Atractilosido es un
inhibidor de esta
translocasa.
Fosforilación
oxidativa
Estos compuestos se
enlazan al Complejo V
(ATP sintetasa),
impidiendo la sintesis de
ATP mediante la
inhibicion del retorno de
los protones a la matriz.
-Oligomicina: Complejo
5
Cadena de
transporte
de eletrones
Se unen a alguno de los
componentes de la CTE
bloqueando su habilidad de
cambiar de forma reversible
entre la forma oxidada y la
forma reducida.
-Amital: Complejo 1
-Rotenona: Complejo 1
-Antimicin A: Complejo 3
-Cianuro: Complejo 4
-Monóxido de carbono:
Complejo 4
-Azida sódica: Complejo 5
Inhibidores
31. Lanzadera
glicerol 3
fosfato
Lanzadera de malato
aspartato
Las lanzaderas son sistemas de transporte indirecto que
utilizan varias reacciones que permiten que el poder
reductor entre a la mitocondria. Estos sistemas son
necesarios porque la membrana mitocondrial es
impermeable al NADH citosólico y no hay manera de
llevar esta coenzima directamente a la matriz
mitocondrial.
Lanzaderas
32. Lanzadera glicerol
3 fosfato
• Este sistema de lanzadera se produce
solo en células del musculo esquelético
y el cerebro.
• No toma toda la coenzima (NADH) sino
solo permite el paso de los electrones
(H) y se los pasa a una molécula de FAD,
formando FADH2.
• Lo que significa que hay una perdida de
energia ya que el NADH produce más
ATP que el FADH2.
33. Lanzadera de
malato aspartato
• Especialmente relevante en hígado,
corazón, riñón.
• No hay movimiento neto de
metabolitos, sólo de electrones
(equivalentes de reducción).
• Esta lanzadera es reversible, puede
operar en ambos sentidos.
• Un elemento clave es que no hay
ningún transportador para el
oxalacetato a través de la membrana
mitocondrial.
• La dirección en que opera la
lanzadera depende del estado
metabólico de la célula.
34. • Las principales vías de producción de energía son la glucólisis, el ciclo
del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. El control coordinado de
estos tres procesos regula la síntesis de ATP.
• El control de la fosforilación por la relación de acción de masas del
ATP depende del aporte preciso de electrones en la cadena
transportadora. Esto a su vez depende de la relación [NADH]/[NAD+
]
que se conserva elevada por la acción de la glucólisis y el ciclo del
ácido cítrico.
• Este control coordinado se lleva a cabo mediante la regulación de los
puntos de control de la glucólisis (fosfofructoquinasa inhibida por
citrato) y el ciclo del ácido cítrico (Piruvato deshidrogenasa, citrato
cintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa).
Regulación de la
fosforilación oxidativa
35. ● El complejo IV (citocromo c oxidasa) es una enzima regulada por uno
de sus sustratos, es decir que su actividad está controlada por el
citocromo c reducido (c2+
), que a su vez está en equilibrio con la
relación de las concentraciones entre [NADH]/[NAD+
] y la relación de
acción de masas de [ATP]/[ADP] + [Pi].
● Cuanto más alta es la relación [NADH]/[NAD+
] y más baja la [ATP]/[ADP]
+[Pi], más concentración habrá de citocromo [c2+
] y mayor será la
actividad del complejo IV.
Control por
aceptor.
37. Radicales libres
y ERO
• Los radicales libres son especies con uno o mas electrones desapareados,
haciendo que este sea muy inestable.
• Los radicales libres mas importantes a nivel biológico son los derivados del
oxigeno
• El termino “ERO” envuelve a radicales como a sus derivados (que son igual de
reactivos)
• La producción de ERO tiene funciones en el metabolismo en pequeñas
cantidades (regulador, factores de crecimiento, etc.)
39. ● Nelson, D. Cox, M. (2019). Lehninger principios de bioquimica. (Ed.7). Editorial:
Omega
● Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). La célula. (pp. 397-402). Marbán.
● Lodish, H., Darnell, J. E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P.
(2008). Mollecular cell biology. Macmillan.
● Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Bioquímica. Ed. Médica Panamericana.
Referencias
![• Las principales vías de producción de energía son la glucólisis, el ciclo
del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. El control coordinado de
estos tres procesos regula la síntesis de ATP.
• El control de la fosforilación por la relación de acción de masas del
ATP depende del aporte preciso de electrones en la cadena
transportadora. Esto a su vez depende de la relación [NADH]/[NAD+
]
que se conserva elevada por la acción de la glucólisis y el ciclo del
ácido cítrico.
• Este control coordinado se lleva a cabo mediante la regulación de los
puntos de control de la glucólisis (fosfofructoquinasa inhibida por
citrato) y el ciclo del ácido cítrico (Piruvato deshidrogenasa, citrato
cintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa).
Regulación de la
fosforilación oxidativa](https://image.slidesharecdn.com/fosforilacionoxidativa2-250330053623-4fcea8da/85/Fosforilacion-oxidativa-dentro-de-las-celulas-34-320.jpg)
![● El complejo IV (citocromo c oxidasa) es una enzima regulada por uno
de sus sustratos, es decir que su actividad está controlada por el
citocromo c reducido (c2+
), que a su vez está en equilibrio con la
relación de las concentraciones entre [NADH]/[NAD+
] y la relación de
acción de masas de [ATP]/[ADP] + [Pi].
● Cuanto más alta es la relación [NADH]/[NAD+
] y más baja la [ATP]/[ADP]
+[Pi], más concentración habrá de citocromo [c2+
] y mayor será la
actividad del complejo IV.
Control por
aceptor.](https://image.slidesharecdn.com/fosforilacionoxidativa2-250330053623-4fcea8da/85/Fosforilacion-oxidativa-dentro-de-las-celulas-35-320.jpg)
