(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La respiración celular)(Introducción)(Generalidades de la respiración celular)(La betaoxidación de la grasa)(Introducción al ciclo de Krebs)(Reacciones del ciclo de Krebs 1, hasta GTP)(Reacciones del ciclo de Krebs 2, regeneración del oxaloacetato)( Coenzimas y membrana celular en la respiración celular)(Portadores de electrones en la cadena de transporte respiratoria)(La cadena de transporte de electrones respiratoria)(Fosforilación oxidativa)(El ejercicio y la respiración aeróbica)(Resumen)(Evolución)(¿Y por qué engordamos?)(Referencias bibliográficas)(Documento versión word)
La fosforilación
oxidativa es la vía metabólica en la que las células utilizan enzimas para
oxidar los nutrientes, liberando así la energía que se utiliza para reformar la
ATP. En la mayoría de los eucariotas, esto ocurre dentro de las mitocondrias.
Casi todos los organismos aerobios llevan a cabo la fosforilación oxidativa.
Esta vía es probablemente tan omnipresente porque es una forma altamente
eficiente de liberar energía, en comparación con otros procesos de fermentación
como la glicolisis anaeróbica. Durante
la fosforilación oxidativa, los electrones se transfieren de donantes de
electrones a receptores de electrones como el oxígeno, en reacciones redox.
Estas reacciones redox liberan energía, que se utiliza para formar ATP. En los
eucariotas, estas reacciones redox se llevan a cabo por una serie de complejos
de proteínas dentro de la membrana interna de las mitocondrias de la célula,
mientras que en procariotas estas proteínas se encuentran en el espacio
intermembrana de las células. Estos conjuntos vinculados de proteínas se llaman
cadenas de transporte de electrones. En eucariotas, cinco principales complejos
de proteínas están involucrados, mientras que en procariotas muchas enzimas
diferentes están presentes, utilizando una variedad de donadores de electrones
y aceptores.
La energía liberada
por los electrones que fluyen a través de esta cadena de transporte de
electrones se utiliza para transportar protones a través de la membrana
mitocondrial interna, en un proceso llamado transporte de electrones. Esto
genera energía potencial en forma de un gradiente de pH y un potencial
eléctrico a través de esta membrana. Este almacén de energía es aprovechado
permitiendo que los protones fluyan hacia atrás a través de la membrana y abajo
de este gradiente, a través de una enzima grande llamada ATP sintasa; Este
proceso se conoce como quimiosmosis. Esta enzima utiliza esta energía para
generar ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP), en una reacción de
fosforilación. Esta reacción es impulsada por el flujo de protones, que obliga
a la rotación de una parte de la enzima; La ATP sintasa es un motor mecánico
rotatorio. Aunque la fosforilación oxidativa es una parte vital del
metabolismo, produce especies reactivas del oxígeno tales como superóxido y
peróxido de hidrógeno, que conducen a la propagación de radicales libres, dañan
las células y contribuyen a la enfermedad y, posiblemente, al envejecimiento
(senescencia). Las enzimas que llevan a cabo esta vía metabólica son también el
blanco de muchos fármacos y venenos que inhiben sus actividades. Es el proceso
terminal de respiración celular en eucariotas y explica el alto rendimiento de
ATP (trifosfato de adenosina).
El objetivo de la
cadena de transporte de electrones es la de generar una alta concentración de
iones protio(1+) en la zona intermedia de las dos membranas mitocondriales.
Esto se da independiente al tipo de aceptor final de electrones. Dependiendo
del linaje de seres vivos han evolucionado multitud de aceptores finales, pero
el que predomina es el oxígeno. Ahora llegamos al punto de, si tenemos muchos
iones protio(1+) en la zona intermembranal, pero ¿y qué?, ¿qué se hace con esos
iones protio(1+)?, pues la respuesta obvia es sintetizar energía en forma de
ATP. Por lo cual debemos hacer la conexión, esta concentración de protones se
emplea para sintetizar ATP, la pregunta es ¿cómo? ¿Cómo se emplea un gradiente
de concentración alto de iones protio(1+) en la región intermembranal para
sintetizar ATP?
Como se mencionó anteriormente, la cadena de transporte de protones es básicamente varias bombas de protones que funcionan de manera acoplada, sin embargo existen otras bombas de protones, una que funcionan como transporte activo y otras como transporte pasivo. Originalmente una serie de proteínas llamadas proteínas tipo F1 fueron identificadas precisamente como bombas de protones de transporte activo, pero que en lugar de gasta energía de una corriente de electrones, lo lograban mediante el corte selectivo de proteínas del alta energía llamadas ATP. Ahora téngase en mente que originalmente las proteínas tipo F fueron asociadas al CONSUMO de energía por lisis de ATP formando ADP. Durante inicios de la década de los 60s, Humberto Fernández Moran del hospital general de Massachussetts se encontraba aislando mitocondrias mediante un nuevo método de tinción negativa. Fernández descubrió una serie de esferas unidas a la membrana interna de la mitocondria proyectándose especialmente hacia la matriz mitocondrial.
Figura 23. Se señala la
sombra de una proteína importante, la sintetizadora de energía.
Unos años después
Efraim Racker de la Universidad de Corrnell aisló estas esferas a las cuales
denominó factor de acoplamiento 1 o simplemente f1. Racker descubrió que las
esferas f1 poseían un comportamiento enzimático hidrolizando el ATP para formar
ADP, es decir, consumían energía celular. La pregunta del millón es, ¿Por qué
un organelo que se supone produce ATP a ´partir de ADP y fosforo inorgánico
tendría una enzima que cataliza la reacción opuesta? Una característica de
muchas enzimas es que pueden catalizar la reacción directa y la reacción
opuesta dependiendo de las condiciones de equilibrio químico en el sistema en
el cual están presentes.
Evidencia de que
las ATPasas pueden sintetizar ATP dependiendo de las condiciones, es la ATPasa
que potencia el transporte activo de la bomba de sodio y potasio, proceso por
el cual las neuronas son capaces de generar pulsos eléctricos. En condiciones experimentales en los que se
emplea la ATPasa de sodio y potasio en contra de los gradientes de
concentración de ATP en los que opera normalmente se ha logrado que funcione
como una sintetasa de ATP. Esto prueba que las ATPasa y las ATP sintetasa
pueden exaptarse “cambiar objetivo haciendo la misma función básica” para la
función opuesta con extrema facilidad en el contexto celular.
La proteína que se encarga de la síntesis de ATP es compleja, y posee varios dominios integrados, donde el f1 es solo una parte de la historia. Las proteínas de síntesis de ATP que generalmente reciben el nombre de ATP sintetasa son proteínas con forma de sobrero de hongo, compuesto por dos componentes básicos: La cabeza esférica o componente f1 y una sección basal llamada f0 que se encuentra insertada en la membrana celular. Las dos secciones se encuentran conectadas por un conector o eje central. Una mitocondria de un hígado de un mamífero típico contiene alrededor de 15 000 copias de la proteína f1f0 ATP sintetasa. Versiones homologas de la ATP sintetasa es encontrada en la membrana plasmática de las bacterias, los tilacoides de los cloroplastos y cianobacterias.
Figura 24. Dos partes del
complejo se diferencian como f1 y f0. La f0 "verde" es la estructura
que rota realmente junto con el eje gama, mientras que f1 se queda estática con
respecto a f0.
Las porciones f1 de
la ATP sintetasa, ya sea de una bacteria o de una mitocondria contienen 5
diferentes tipos de polipéptidos. Los polipéptidos se denominan de acuerdo a
letras del alfabeto griego, alfa (3 copias), beta (tres copias), delta, gamma y
eta. Las subunidades alfa y beta se organizan de manera intercalada en la
cabeza F1 de una manera semejante a los segmentos de una naranja o mandarina.
Existen dos aspectos que deben tomarse en cuenta para futuras discusiones. En
primera instancia, cada cabeza f1 posee 3 dominios catalíticos, cada uno con la
capacidad de sintetizar (o de cortar) una molécula de ATP ubicados en las
subunidades beta.
En segunda
instancia, la subunidad gamma sirve como eje central al cual se ancla la
sección de f1 y se extiende hasta la base f0. En las versiones mitocondriales,
todas las subunidades se sintetizan en el ADN del núcleo, se sintetizan en el
citoplasma y luego importadas a las mitocondrias. La sección f0 de la ATP
sintetasa reside en el interior de la membrana y consisten en tres polipéptidos
diferentes. Una subunidad a; dos subunidades b; y entre diez a catorce
subunidades c. Se dice que entre diez a catorce debido a que el análisis
comparativo ha demostrado que la cantidad de subunidades c puede cambiar
dependiendo de la fuente de la que se extrae la enzima analizada. Por ejemplo,
tanto las levaduras como las bacterias E. coli poseen una ATP sintetasa que
poseen ambas 10 subunidades c, mientras que la enzima de un cloroplasto posee
14 subunidades c. La sección f0 contiene un canal de protones “permite el paso
facilitado de iones protio(1+)” que conecta los dos lados separados por una
membrana biológica.
(YouTube) GRADIENTE ATPsintetasa
La f1f0 ATP
sintetasa puede funcionar por lo tanto como un canal de iones protio(1+),
dependiendo de las condiciones de equilibrio osmótico funcionará
alternativamente como una bomba de protones de transporte activo consumiendo
ATP, o como un canal de transporte pasivo facilitado con la producción de ATP
en el proceso.
Los elementos que
ya conocemos a esta altura de la discusión son los siguientes: La cadena de
transporte de electrones ha generado un enorme gradiente electro-osmótico a
través de la membrana interna de la mitocondria, en la región de intermembranas
hay una gran concentración de iones protio(1+) y una fuerte carga positiva con
respecto a la matriz de la mitocondria. La f1f0 funciona como una proteína de
transporte pasivo facilitado para los iones protio(1+) de la región
intermembranal. Los iones protio(1+) hacen girar a la f1f0 ATP sintetasa y tal
proceso conlleva a la síntesis de ATP. En los siguientes textos indagaremos en
los principios bioquímicos que permiten que (a) el ATP se sintetice; que (b)
los iones protio(1+) fluyan a través de la membrana; y (c) como ambos procesos
de conectan permitiendo la transformación de la energía.
La energía es
liberada mediante el movimiento de los iones protio(1+) no es empleada para
realizar la reacción de adición de fosfato inorgánico al ADP “fosforilación” de
manera directa. Lo que cambia es la afinidad de enlace de la región activa del
dominio de síntesis de ATP. Estamos acostumbrados a pensar que las reacciones
celulares ocurren en un ambiente acuoso en el que la concentración de agua es
de 55 molar y que los reactivos y productos se disuelven de manera simple en el
medio acuoso polar. Bajo estas condiciones, se requiere energía para la
formación de un enlace covalente entre ADP y un grupo fosfato inorgánico.
Ha sido demostrado
experimentalmente que una vez que el ADP y el fosfato son acoplados al dominio
catalítico de la f1f0 ATP sintetasa, los dos reactantes se condensan
rápidamente, formando una molécula de ATP sin la necesidad de adicionar energía
extra. En otras palabras, aunque la formación de ATP podría requerir una
considerable cantidad de energía (cerca de 7.3 kcal/mol bajo condiciones
estándar), la reacción puede ocurrir espontáneamente sin la aplicación de
energía directa. Esto no significa que la obtención de ATP sea gratuita, sino
que la energía se aplica para generar una forma de la región activa que coloque
de manera muy cerca a los reactivos para que la reacción se dé.
Se tiene evidencia
de que la conformación estructural de los tres dominios que sintetizan ATP es
diferente poseyendo una afinidad por los reactivos “ADP y fosfato inorgánico” y
el producto “ATP” totalmente diferente. Para explicar esta contradicción, se ha
propuesto que cada uno de los tres dominios catalíticos pasa secuencialmente
por las tres diferentes conformaciones, en otras palabras, cambian de forma a
medida que se da el proceso de reacción. A medida que el eje gamma gira en el
centro, la energía se transfiere alternativa entre cada uno de los dominicos de
la reacción haciéndolos pasar alternativamente por tres conformaciones
diferentes.
Aunque sacar videos
de un lugar creacionista no es mi estilo, la animación es correcta y
simplemente demasiado ilustrativa para dejarla pasa. Sin embargo, la conclusión
final posee un vicio de fondo, pues asume que la única forma de fosforilar ATP
es mediante la f1f0 ATP sintetasa, omitiendo la existencia de la fosforilación
de sustrato que ocurre en la glucólisis y que definitivamente es más antigua.
La síntesis de ATP
se da mediante una catálisis rotacional en la que una parte de la ATP sintetasa rota de forma
relativa a otra parte. Y decimos relativa porque en verdad una se queda quieta
y otra gira. La parte motil f0 transfiere energía a través del eje de
trasmisión ha f1. En este modelo, la rotación es empujada por el flujo de iones
protio(1+) “protones” a través de la membrana a través del canal de protones en
la base f0. En este orden de ideas la
energía almacenada en el gradiente de concentración y la enorme presión
electro-osmótica de la región intermembranal. La energía electro-osmótica es
transferida a energía mecánica “literalmente” en forma del movimiento giratorio
de f1, y finalmente transferida a energía química en forma de ATP. Por
consideraciones termodinámicas, cada transferencia de energía es ineficiente y
se pierde algo en forma de calor, por lo que de la energía almacenada en la
región de intermembranas, solo una fracción es convertida a ATP. “Esto explica
porque la producción de ATP está asociada a la producción de calor”.
Las tres
conformaciones de la subunidad f1 de la ATP sintetasa se denominan
alternativamente O, L y T. A medida que el eje de transmisión gama gira dentro
de f1, su energía se transfiere a los dominios de f1 cambiando su forma de
manera secuencial. La conformación O se denomina abierta “Open”, la
conformación L se denomina suelta “Loose”, y la conformación T se denomina
firme “Tight”. En la conformación abierta “O”, el domino catalítico se
encuentra abierto a la unión con los reactivos, es decir posee una alta
afinidad por el fosfato inorgánico y el ADP como especies químicas
independientes. Una vez que la conformación abierta se une a los reactivos, el
flujo de iones protio(1+) en f0 induce un cambio de conformación del dominio
catalítico a medida que f1 gira. En este punto el dominio catalítico adquiere
la conformación suelta “L” donde empieza a inducirse la reacción de enlace
entre el grupo fosfato y el ADP.
(YouTube) Funcionamiento de la ATP sintetasa.
Nuevamente, con el flujo de más iones protio(1+) a través del domino f0, la cabeza f1 sigue girando, lo cual índice un nuevo cambio en el dominio catalítico a la conformación firme induciendo la reacción final hacia el ATP. Finalmente el paso de más iones protio(1+) causa que la cabeza f1 vuelva a girar, causando el cambio de conformación del domino catalítico hacia la conformación suelta, la cual es poco afín al ATP, lo cual permite su liberación del dominio catalítico.
Figura 25. (a) Secuencia de
cambio de forma de los dominios, (b) relación entre los tres dominios
catalíticos y el eje central gamma. El eje central gamma no es simétrico, lo
cual permite estimular a los dominios catalíticos a medida que va girando por
acción del dominio f0.
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