Enzimas Reguladoras ATP

INTRODUCCIÓN

La cantidad de ATP que los seres humanos necesitan para afrontar su vida es asombrosa. Un hombre sedentario de 70 Kg (154 Lb) requiere aproximadamente 8400 Kj (2000 Kcal)  para su actividad diaria. Para disponer de toda esta energía necesita 83 Kg de ATP. Sin embargo, los seres humanos tienen sólo alrededor de 250 g de ATP. La disparidad entre la cantidad de ATP que tenemos y la que necesitamos se resuelve con el reciclaje del ADP a ATP. Cada molécula de ATP se recicla aproximadamente 300 veces por día. Este proceso tiene lugar principalmente por medio de la Fosforilación oxidativa.

La Fosforilación oxidativa es el proceso en el cual se forma ATP como resultado de la transferencia de electrones desde l NADH o FADH2 hasta el O2 por medio de una serie de transportadores electrónicos. Este proceso, que tiene lugar en la mitocondria, es la principal fuente de ATP en organismos aeróbicos. Por ejemplo, la Fosforilación oxidativa genera 26 de las 30 moléculas de ATP que se forman cuando la glucosa se oxida completamente a CO2 y H2O.

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Figura 1.1 Fundamento de la Fosforilación oxidativa. La oxidación y la síntesis de ATP se acoplan mediante flujos de protones a través de la membrana.

La Fosforilación oxidativa es sencilla desde el punto de vista conceptual y compleja desde el punto de vista de su mecanismo. De hecho, uno de los desafíos más estimulantes de la bioquímica ha sido desentrañar el mecanismo de la fosforilacion oxidativa.  

La Fosforilación oxidativa es la culminación de una serie de transformaciones energéticas que se conocen como respiración celular, o simplemente respiración, en su totalidad. Los combustibles de carbono se oxidan primeramente en el ciclo del ácido cítrico para producir electrones con un potencial de transferencia alto.

En la Fosforilación oxidativa, esta fuerza electrón-motriz se convierte en fuerza protón-motriz y posteriormente en potencial de transferencia de fosforilo.

 La fase final de la Fosforilación oxidativa se lleva a cabo por medio de la ATP sintetasa, un ensamblaje que sintetiza ATP y que esta propulsado por la vuelta del flujo de protones a la matriz mitocondrial.

En la Fosforilación oxidativa, el potencial de transferencia de electrones del NADH o del FADH se convierte en el potencial de transferencia de grupos fosforilo del ATP.

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Figura 1.2 La cadena transportadora de electrones. Los electrones de alta energía en forma de NADH y FADH2 se generan en el ciclo del acido cítrico. Estos electrones fluyen a raves de la cadena respiratoria, que potencia el bombeo de protones y produce la reducción de O2.

Tema 1.1 Cadena de transporte de electrones

Aunque la molécula de glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se ha oxidado completamente y ha producido energía en forma de ATP, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que aceptaron el NAD+ y el FAD, que se redujeron a NADH y FADH2.

El NADH y FADH2 tienen un gran poder reductor, y transfieren sus electrones al oxígeno molecular (O2) a través de una cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. En el transporte de estos electrones se libera gran cantidad de energía que se utiliza para formar ATP (Fosforilación oxidativa).

Los electrones de las moléculas de NADH y FADH2, con alto nivel energético, pasan por distintas moléculas transportadoras a favor de un gradiente de potenciales de óxido-reducción hasta llegar al O2, que es el aceptor final de electrones. Estas moléculas transportadoras, en la membrana mitocondrial interna, se reducen y oxidan, aceptando electrones y cediéndoselos a la molécula siguiente, descendiendo los electrones desde niveles energéticos altos a otros inferiores. Al bajar a otros niveles se libera energía que se empleará en la síntesis de ATP por Fosforilación oxidativa. Las moléculas transportadoras de electrones de la cadena respiratoria están agrupadas en cuatro grandes complejos supramoleculares situados en la membrana mitocondrial interna:

• Complejo I o Complejo NADH-deshidrogenasa.
• Complejo II o Ubiquinona o Coenzima Q reductasa.
• Complejo III o Complejo citocromo b-c1.
• Complejo IV o Complejo citocromo-oxidasa.[pic 3]

Figura 1.3 Cadena de transporte de electrones. El objetivo de la cadena respiratoria es transformar la energía del NADH o del FADH en ATP.

Los complejos I, III y IV se encuentran atravesando la membrana, mientras que el complejo II está tan solo anclado a ella. Normalmente los complejos se encuentran asociados unos con otros formando los denominados “supercomplejos”

 En animales el supercomplejo está formado por los 4 complejos y en plantas en los supercomplejos de cloroplastos falta el complejo II, que aunque está presente en la cadena de electrones, no está asociado al resto. Esta asociación se estima que existe para mejorar la eficiencia de la cadena electrónica.

El Complejo I de la cadena es capaz de utilizar el poder reductor del NADH o FADH para transferir protones al interior de la membrana de los tilacoides o mitocondrias. Además de pasar protones el complejo I capta también electrones del NADH o FADH, estos electrones se los cederá al complejo III para activarlo y que también transporte electrones y éste se los dará al complejo IV con el mismo fin.  En el caso de las bacterias el transporte de protones se realiza hacia el exterior celular. Puedes aprender más de la cadena transportadora de electrones en el artículo que le dedicamos a su funcionamiento aquí (próximamente).

El fin de este transporte de protones es generar un gradiente de entre ambos lados de la membrana para que los H+ solo puedan pasar a través de la ATP sintasa. Ésta enzima es capaz de convertir una molécula de adenosina difosfato (ADP) y un fosforo inorgánico (Pi) en una molécula de ATP, gracias al paso de H+.

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Figura 1.4 panorama de la Fosforilación oxidativa. La cadena transportadora de electrones genera un gradiente de protones que se utiliza para sintetizar ATP.

Tema 1.2 Sistema Mitocondrial

Por término medio, una mitocondria tiene una longitud que varía de 1 a 10 micras, y un grosor de 0,5 micras (lo que supone un tamaño parecido al de la bacteria Escherichia coli).  La membrana externa es permeable al paso de iones, metabolitos y polipéptidos contenidos en el citosol, mientras que, por el contrario, la membrana interna es muy impermeable al paso de estas moléculas salvo que existan unos transportadores específicos.  Esta membrana se encuentra plegada formando una serie de crestas: cuanta mayor sea la necesidad de energía de un tejido, más crestas presentará al suponer un aumento de su área superficial y, con ello, la capacidad de producir energía. La membrana mitocondrial interna es permeable a la mayoría de las sustancias hidrófilas, por lo tanto debe contener sistemas de transporte específicos que permitan los procesos siguientes:

1. El NADH citosolico producido mediante la glucolisis debe acceder a la cadena de transporte de electrones para la oxidación aeróbica.
2. Los metabolitos producidos en la mitocondria, como el oxalacetato y el acetil-CoA, los percusores respectivos de la biosíntesis citosòlica de la glucosa y los ácidos grasos deben alcanzar sus destinos metabólicos.
3. El ATP producido en la matriz mitocondrial debe alcanzar el citosol, donde se produce la mayoría de  las reacciones que utilizan ATP, mientras que el ADP y el P, sustratos para la Fosforilación oxidativa, deben ingresar en la mitocondria.

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Figura 1.5 sistema mitocondrial. Los dos sistemas mitocondriales de transporte de Ca2+. El sistema 1 interviene en la entrada de  Ca2+ hacia la matriz en respuesta al potencial de membrana (negativo en el interior). En el sistema 2 interviene en la salida de Ca2+ por intercambio con Na+.

Tema 1.3 Balances energéticos

La ecuación global completa para el transporte electronico y la fosforilacion respiratoria acoplada es:

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El primer paso de la fosforilación oxidativa es ionizar los átomos de hidrógeno extraídos hasta ese momento de los sustratos alimentarios. Se libera el otro átomo de H unido al NAD y éste último se reutiliza una y otra vez para captar H. Los electrones extraídos de los átomos de H para su ionización entran inmediatamente en la CTE. La CTE está formada por 4 complejos proteicos con moléculas transportadoras y sus enzimas correspondientes (Complejo I, NADH deshidrogenasa; Complejo II, Succinato-CoQ reductasa; Complejo III, citocromo C reductasa; Complejo IV, citocromo oxidasa), 1 componente no proteico (ubiquinona –Q-) que está embebido en la membrana, y una pequeña proteína llamada citocromo C, en el espacio intermembrana pero adosada a la membrana interna.

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