Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es el proceso por el cual la energía liberada a medida que los electrones pasan por la cadena de transporte de electrones mitocondrial hacia el oxígeno se utiliza para sintetizar ATP. Es la etapa final y dominante de la producción de energía aeróbica y suministra la mayor parte del ATP producido a partir de carbohidratos y grasas.

Definition

La fosforilación oxidativa es el proceso mitocondrial en el que los electrones de las coenzimas reducidas se transfieren a través de una cadena de transportadores al oxígeno molecular, utilizándose la energía liberada para bombear protones a través de la membrana interna y el gradiente electroquímico resultante impulsando la síntesis de ATP por la ATP sintasa.

Scope

La entrada abarca los complejos de la cadena respiratoria, el establecimiento de la fuerza protón-motriz, el acoplamiento de la transferencia de electrones a la fosforilación a través de la ATP sintasa, y el principio quimiosmótico que explica la conexión. Trata la fosforilación oxidativa como un tema bioenergético en bioquímica, no como una guía clínica.

Core questions

• ¿Cómo se acopla la transferencia de electrones al oxígeno con la síntesis de ATP?
• ¿Qué es la fuerza protón-motriz y cómo se genera?
• ¿Cómo utiliza la ATP sintasa el gradiente de protones para producir ATP?
• ¿Por qué la mayor parte del ATP de la oxidación de combustibles proviene de esta etapa?

Key concepts

• Complejos de la cadena de transporte de electrones
• Coenzimas reducidas NADH y FADH2 como donadores de electrones
• Oxígeno molecular como aceptor final de electrones
• Bombeo de protones y la fuerza protón-motriz
• ATP sintasa y catálisis rotacional
• Acoplamiento de la oxidación a la fosforilación
• Supercomplejos respiratorios

Key theories

Teoría quimiosmótica

Peter Mitchell propuso que la oxidación y la fosforilación se acoplan no a través de un intermediario químico compartido, sino a través de un gradiente electroquímico de protones: los complejos respiratorios bombean protones a través de la membrana mitocondrial interna a medida que transfieren electrones hacia el oxígeno, y la fuerza protón-motriz así creada impulsa a la ATP sintasa a fosforilar el ADP.

Mechanisms

Los electrones donados por NADH y FADH2 entran en la cadena de complejos respiratorios incrustados en la membrana mitocondrial interna y pasan a través de una serie de transportadores con afinidad creciente por los electrones, terminando en el oxígeno molecular, que se reduce a agua. En varios complejos, la energía liberada se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana, construyendo un gradiente electroquímico de protones — la fuerza protón-motriz. Los protones que fluyen de vuelta a través de la ATP sintasa impulsan un mecanismo rotatorio que cataliza la formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Debido a que cada par de electrones atraviesa múltiples sitios de bombeo de protones, esta etapa produce mucho más ATP que las reacciones a nivel de sustrato anteriores. La evidencia indica que los complejos pueden ensamblarse en supercomplejos de orden superior que influyen en el flujo de electrones.

Clinical relevance

Los defectos heredados y adquiridos de la cadena respiratoria subyacen a un grupo reconocido de enfermedades mitocondriales, que tienden a afectar tejidos con alta demanda energética como el músculo y el nervio, y la alteración de la fosforilación oxidativa es fundamental en la lesión isquémica y en la acción de ciertas toxinas. Esta entrada describe la bioquímica y no constituye una base para el diagnóstico o tratamiento individual.

History

Después de que los transportadores de la cadena respiratoria fueran caracterizados a principios del siglo XX, el enigma central era cómo su transferencia de electrones impulsaba la síntesis de ATP. La hipótesis quimiosmótica de Peter Mitchell de 1961 resolvió esto al proponer un gradiente de protones como intermediario de acoplamiento, una visión que prevaleció sobre los modelos rivales de intermediarios químicos. El mecanismo de la ATP sintasa como enzima rotatoria se estableció posteriormente a través del trabajo asociado con Paul Boyer y John Walker.

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker
• David Keilin

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• lapuente-brun-2013

Frequently asked questions

¿Por qué la fosforilación oxidativa produce mucho más ATP que la glucólisis?

Cada par de electrones de NADH o FADH2 pasa a través de varios complejos de bombeo de protones, y el gradiente de protones resultante impulsa a la ATP sintasa a producir múltiples ATP, mientras que la glucólisis produce solo una pequeña cantidad neta mediante fosforilación directa a nivel de sustrato.

¿Cuál es el papel del oxígeno en la fosforilación oxidativa?

El oxígeno es el aceptor final de electrones; al aceptar electrones al final de la cadena y reducirse a agua, permite que el flujo de electrones y el bombeo de protones continúen, lo cual es lo que impulsa la síntesis de ATP.