Modelos Para Explicar La Fosforilación Oxidativa

INTRODUCCIÓN

La ATP-sintasa es el complejo enzimático que acopla el flujo de protones a través de la membrana mitocondrial interna del espacio intermembrana a la matriz a la síntesis de ATP.

Es un complejo muy primitivo de origen, presente en las mitocondrias de células animales, en los cloroplastos de algas y plantas, y en membranas de bacterias

La ATP-sintasa es capaz de producir más de 100 moléculas de ATP por segundo.

Vista al microscopio electrónico, la ATP-sintasa aparece como una “piruleta” ubicada en la membrana mitocondrial interna, con su cabeza mirando a la matriz mitocondrial

Compuesto por dos partes principales:

• F0 ATPasa: unidad embebida en la membrana mitocondrial interna

• F1 ATPasa: unidad en forma de “piruleta”, proyectada hacia la matriz mitocondrial, formada por una cabeza y un “tallo” (unidad γ) que une la cabeza a la unidad F0.

La teoría quimiosmótica propone un mecanismo por el cual la energía libre que se genera durante el transporte electrónico impulsa la síntesis de ATP.

Ésta fue una propuesta radical en su tiempo, y no fue bien aceptada. La visión que prevalecía era que la energía de la transferencia electrónica se almacenaba es un intermediario estable de alta energía, un concepto mas conservativo del punto de vista químico. EL problema de éste viejo paradigma fue que nunca se encontró aquel intermediario, y la evidencia del bombeo de protones por los complejos de la Cadena de Transporte de electrones creció de forma tal, que no pudo ser ignorada.

ATP Sintetasa es un complejo enzimático de la membrana interna de la mitocondria y de la membrana tilacoide del cloroplasto, a través del cual fluyen los protones a favor del gradiente establecido en la primera etapa del acoplamiento quimiosmótico, el sitio de formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico durante la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación.

El complejo ATP sintetasa es una enzima encargada de sintetizar Adenosina Trifosfato (ATP) a partir de ADP y un grupo fosfato, merced a la energía suministrada por un flujo de protones, de acuerdo con la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. La ATP sintetasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 100 moléculas de ATP por segundo.

La ATP es un compuesto de alto contenido energético utilizado en casi todos los procesos bioquímicos del cuerpo humano. La ATP sintetasa se nos muestra como un fascinante y minúsculo motor rotatorio que trabaja con una relación de eficiencia cercana al 100% y cuya función resulta esencial para cualquier proceso biológico.

La hipótesis quimiosmótica también conocida como la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, explica la manera en que la energía libre que se genera por la actividad de cadena de transporte de electrones se emplea para producir ATP a partir de la reacción ADP + Pi.

Las coenzimas reducidas procedentes del ciclo de Krebs (NADH + H+ y FADH2) atraviesan una serie de complejos enzimáticos (cadena de transporte de electrones) que producen en ellas sucesivas reacciones de oxidación-reducción cuyo objetivo es la utilización del flujo de electrones para bombear protones al espacio intermembrana de la mitocondria o cloroplasto, creando un gradiente electroquímico un gradiente de pH (gradiente de concentración) él y de un desequilibrio de carga (gradiente electroquímico) en la membrana mitocondrial interna. Las ATP sintasa forman ATP utilizando la energía libre procedente del gradiente de protones, utilizando el hecho de que los protones tienden a volver al interior del orgánulo, e sólo se pueden hacer a través de la ATP sintasa, por el hecho de que la membrana interna es impermeable a los protones.

Cuando los protones son bombeados fuera de la matriz, el espacio intermembrana se convierte en más ácido y con mayor carga positiva que en la matriz. La matriz es básica y con una carga negativa.

La ATP sintasa tiene un diámetro de 10 nm, y es el complejo más pequeño identificado hasta ahora. Trabaja con un grado de efectividad cerca al 100 por ciento.

La ATP-sintasa es un motor molecular que convierte energía mecánica (energía cinética de rotación) en energía química (síntesis de ATP) o viceversa.

Esta enzima está formada por dos principales complejos. Una anclada a la membrana mitocondrial interna o al tilacoide llamada F0 (CF0 en caso de los tilacoides) y otra que sobresale por la cara interna de la estructura llamada F1 (CF1 en caso de los tilacoides).

El componente F0 es el motor impulsado por protones. Es conocida como la fracción sensible a la oligomicina está formada por las subunidades a, b2 y c10-14. Las subunidades c forman el “anillo c”, que rota en sentido horario en respuesta al flujo de protones por el complejo. Las dos proteínas b inmovilizan el segundo complejo F1, que está orientada hacia la matriz mitocondrial. Por interacciones electrostáticas, se asocia a F1 a Fo.

F1 está formada por las subunidades α3, β3, γ, δ y ε. La parte principal del complejo F1 está formado por tres diemeres αβ, esta unidad tiene forma de hexamero. La actividad catalitítica de este hexamero está localizada en las subunidades β. Las subunidades γ y ε están unidas al anillo c, y giran con él. Cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidades β del los dímeres αβ, provocando la alteración de los centros de fijación de los nuceótidos situado en β. El hexamero α3 y β3 finalmente libera el ATP.

La subunidad Fo consiste de once subunidades diferentes a1 y c10, estas subunidades forman un canal de protones central y finalmente la subunidad b2OSCP1 (Oligomycin Sensitiviy Conferring Protein) enlazan las unidades F1 y Fo.

La oligomicina se fija en el tallo de la ATP sintasa, inhibiendo el canal de protones, por tanto previniendo el reingreso de protones en la matriz mitocondrial. Como los gradientes de pH y eléctricos no se pueden disipar en presencia de la oligomicina, el transportador de protones se detiene por la dificultad para el bombeo de más protones contra los gradiententes muy inclinados. Causa una acumulación de protones en el espacio intermembrana.

La síntesis de ATP se escribe algunas veces como:

ADP + Pi + nH+p → ATP + H2O + nH+P

Mediante su mecanismo F1 cataliza la síntesis, que es fuertemente

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