Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa  es una vía metabólica en la que la energía generada durante la oxidación de los nutrientes se almacena en las mitocondrias de las células en forma de ATP . Aunque las diferentes formas de vida en la Tierra usan diferentes nutrientes, el ATP es un compuesto versátil que almacena la energía necesaria para otros procesos metabólicos . Casi todos los organismos aeróbicos llevan a cabo la fosforilación oxidativa. Es probable que esta vía metabólica se haya generalizado debido a su alta eficiencia energética en comparación con la fermentación anaerobia .

En la fosforilación oxidativa, los electrones se transfieren de los compuestos donantes a los compuestos aceptores en el curso de las reacciones redox. Durante estas reacciones, se libera energía, que luego se almacena en forma de ATP. En eucariotas, estas reacciones redox son llevadas a cabo por varios complejos proteicos ubicados en la membrana mitocondrial interna , mientras que en procariotas se ubican en el espacio intermembrana de la célula. Este conjunto de proteínas unidas conforma la cadena de transporte de electrones (ETC). En eucariotas, el ETC consta de cinco complejos de proteínas , mientras que en procariotas se compone de muchas proteínas diferentes que funcionan con varios donantes y aceptores de electrones.

La energía liberada durante el movimiento de electrones a lo largo del ETC se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial a través de la membrana interna hacia el espacio intermembrana. Al mismo tiempo, aumenta el gradiente electroquímico , es decir, aumenta la diferencia de concentraciones de protones y la diferencia de potenciales eléctricos a ambos lados de la membrana interna, y así se acumula energía, que se libera cuando los protones regresan a la matriz. De regreso a la matriz, los protones pasan a través de un complejo proteico especial: la ATP sintasa ; el mismo proceso de mover protones a lo largo de su gradiente electroquímico se llama quimiosmosis . La ATP sintasa utiliza la energía liberada durante la quimiosmosis para sintetizar ATP a partir de ADP en una reacción de fosforilación . Esta reacción se desencadena por la rotación de parte de la ATP sintasa, que se mantiene por el flujo de protones: por lo tanto, la ATP sintasa funciona como un motor molecular giratorio.

Si bien la fosforilación oxidativa proporciona energía a las células y las mantiene vivas, este proceso también produce especies reactivas de oxígeno , específicamente superóxido y peróxido de hidrógeno . Contribuyen a la formación de radicales libres en las células , que destruyen las proteínas y dañan las células, lo que provoca enfermedades y envejecimiento . Las enzimas de la fosforilación oxidativa son dianas para muchas sustancias biológicamente activas y venenos que inhiben su actividad.

La fosforilación oxidativa debe distinguirse de la fosforilación de sustrato , en la que el ATP no se sintetiza debido a la energía de la transferencia de electrones y protones a lo largo de la cadena transportadora, sino cuando el ADP se fosforila a ATP cuando el fosfato se extrae de compuestos con un alto potencial de transferencia de fosfato [1]. ] .

Resumen general

El mecanismo de la fosforilación oxidativa se basa en el uso de reacciones en las que se libera energía ( exergónicas ) para llevar a cabo reacciones que requieren energía ( endergónicas ). La transición de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones de donantes de electrones (por ejemplo, NADH ) a aceptores (por ejemplo, oxígeno ) es un proceso exergónico: se libera energía durante el mismo. Por el contrario, la síntesis de ATP es un proceso endergónico, requiere un influjo de energía. Los complejos proteicos de ETC y ATP sintasa se encuentran en la membrana , y la energía se transfiere de ETC a ATP sintasa indirectamente debido a la transferencia de protones a través de la membrana durante la quimiosmosis [2] . En esencia, este mecanismo se asemeja a un circuito eléctrico en el que los protones se transfieren desde el lado de la membrana con carga negativa (lado N) al lado con carga positiva bajo la acción de las enzimas ETC que actúan como fuente de corriente y funcionan como bombas de protones . y la ATP sintasa actúa como carga útil en las cadenas. Las enzimas ETC pueden describirse en sentido figurado como una batería que mantiene una corriente eléctrica en el circuito y hace girar el motor de la ATP sintasa, estampando moléculas de ATP. El bombeo de protones a través de la membrana crea un gradiente electroquímico , que a menudo también se conoce como fuerza motriz de protones . Este gradiente está formado por dos componentes: la diferencia en la concentración de protones (gradiente de H + , ΔpH) y la diferencia en los potenciales eléctricos, y el lado N está cargado negativamente [3] .

La energía almacenada durante la transferencia de protones se utiliza para el trabajo de la ATP sintasa. Los protones se mueven a lo largo del gradiente electroquímico de regreso al lado N de la membrana [4] , comenzando la rotación de algunas partes de la molécula de enzima. Debido a la rotación de la máquina molecular de la enzima, las moléculas de ADP y fosfato inorgánico se juntan en una configuración óptima, se supera la barrera energética de la reacción química de la síntesis de ATP y, por lo tanto, la fosforilación que consume energía de Se lleva a cabo ADP [5] .

El trabajo de ETC y ATP sintasa está estrechamente relacionado entre sí. Al bloquear la transferencia de electrones a lo largo del ETC, se suspende la formación de ATP (la "batería" se descarga). Lo contrario también es cierto: la supresión de la ATP sintasa bloquea el trabajo de la ETC y la transferencia de electrones a través de sus proteínas. Esto se explica por el hecho de que la ATP sintasa, al sintetizar ATP, regresa a la matriz protones bombeados al espacio intermembrana por las proteínas ETC debido a un canal especial en la enzima. Si está bloqueado, las proteínas ETC bombearán protones al espacio intermembrana hasta que el gradiente electroquímico sea tan grande que detenga la transferencia de protones. El "circuito eléctrico" se abre, el movimiento de electrones se detiene y las reacciones en el sistema se detienen [6] .

Los dos componentes del potencial electroquímico, el potencial de membrana eléctrico y el potencial químico , hacen diferentes contribuciones al suministro de energía de la síntesis de ATP. En las mitocondrias , la mayor parte del ATP sintetizado se forma debido a la diferencia de potencial, y en las bacterias alcalófilas , parte de la energía eléctrica incluso se destina a compensar el pH externo (la carga negativa de las bacterias ayuda a repeler los iones de hidróxido ). En los cloroplastos , por el contrario, el ΔpH hace una mayor contribución a la síntesis de ATP, aunque allí también hay un pequeño potencial de membrana , que es necesario para la síntesis de ATP. En la fusobacterium Propionigenium modestum , provoca la contrarrotación de las subunidades ayc en el dominio FO de la membrana de la ATP sintasa. De estos datos se deduce que el potencial eléctrico es tan importante para la síntesis de ATP como el potencial químico [3] .

En comparación con la fermentación , la fosforilación oxidativa proporciona un rendimiento energético significativamente mayor. Durante la glucólisis , el rendimiento total de ATP es de solo 2 moléculas , sin embargo, durante la fosforilación oxidativa, se sintetizan de 30 a 36 moléculas de ATP debido a 10 moléculas de NADH y 2 de succinato , formadas durante la oxidación de una molécula de glucosa a dióxido de carbono y agua [7 ] , mientras que la β-oxidación de ácidos grasos produce alrededor de 14 moléculas de ATP. Debe tenerse en cuenta que los valores teóricos máximos posibles del rendimiento de ATP se presentan arriba. En realidad, algunos protones se filtran a través de la membrana sin pasar por la ATP sintasa, lo que reduce la liberación de ATP [8] .

A diferencia de las células diferenciadas normales, que dependen principalmente de la fosforilación oxidativa para obtener energía, las células malignas dependen predominantemente de la glucólisis aeróbica . Este fenómeno se denomina efecto Warburg . Aparentemente, para las células cancerosas y otras que proliferan rápidamente y que necesitan un aumento rápido de la biomasa , la glucólisis más rápida es más beneficiosa que la fosforilación oxidativa que requiere mucho trabajo [9] . Esta característica distintiva de las células cancerosas (mayores tasas de glucólisis en comparación con las células normales) hace posible determinar la ubicación de un tumor canceroso en el cuerpo mediante la tomografía por emisión de positrones [10] .

Moléculas que transportan electrones y protones

En la cadena de transporte de electrones, los electrones se mueven del donante al aceptor; paralelamente, los protones también se transfieren a través de la membrana. Tanto las moléculas de transporte solubles como las unidas a proteínas están involucradas en estos procesos. En las mitocondrias, la transferencia de electrones en el espacio intermembrana se lleva a cabo por una proteína transportadora soluble en agua, el citocromo c [11] . Esta proteína transfiere exclusivamente electrones debido a la oxidación y reducción del átomo de hierro , que se encuentra en el grupo hemo de la proteína. El citocromo c también se ha encontrado en algunas bacterias donde se encuentra en el espacio periplásmico [12] .

La coenzima Q transportadora liposoluble funciona en la membrana mitocondrial interna , que transporta tanto electrones como protones debido a reacciones cíclicas redox [13] . Esta pequeña molécula de benzoquinona es extremadamente hidrofóbica y se mueve libremente en la membrana. Cuando Q recibe dos electrones y dos protones, se reduce a ubiquinol (QH 2 ); cuando QH 2 libera dos electrones y dos protones, se vuelve a oxidar a ubiquinona (Q). Por lo tanto, cuando dos enzimas se colocan de tal manera que Q se reduce en un lado de la membrana y QH 2 se oxida en el otro, la ubiquinona acopla estas reacciones y transporta protones entre ellas [14] . En algunas ETC bacterianas, además de la ubiquinona, intervienen otras quinonas , por ejemplo, la menaquinona [15] .

La transferencia de electrones entre proteínas se produce a través de cofactores de flavina [4] [16] , grupos de hierro-azufre y citocromos. Hay varios tipos de grupos de hierro y azufre. En el caso más simple, un grupo de hierro y azufre consta de dos átomos de hierro conectados por dos átomos de azufre inorgánico ; los grupos de este tipo se designan como [2Fe-2S]. Los cúmulos del segundo tipo, denominados [4Fe-4S], contienen cuatro átomos de hierro y cuatro átomos de azufre organizados en un cubo ; cada átomo de hierro en dichos grupos está coordinado por un aminoácido adicional , generalmente cisteína , a expensas de su átomo de azufre. Los iones metálicos participan en las reacciones redox sin añadir ni donar protones, por lo que en ETC solo pueden estar involucrados en la transferencia de electrones de proteína a proteína. Los electrones superan una distancia bastante grande entre proteínas, "saltando" por debajo de la barrera de energía de uno de los cofactores anteriores a otro [17] . Tales "saltos" de electrones son posibles debido al efecto túnel cuántico , que opera a distancias de hasta aproximadamente 1,4 × 10-9 m [18] .

ETC eucariotas

Muchos procesos catabólicos , en particular la glucólisis, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la β-oxidación, van acompañados de la reducción de la coenzima NADH. Los electrones que contiene tienen un alto potencial de transferencia , es decir, al oxidarse liberan una gran cantidad de energía. Sin embargo, la célula no extrae toda la energía de ellos al mismo tiempo; tal reacción sería incontrolable. En cambio, los electrones son extraídos del NADH y se dirigen al oxígeno a través de una serie de enzimas, cada una de las cuales libera una pequeña cantidad de energía a su paso. Estas enzimas, que forman los complejos ETC I-IV, se encuentran en la membrana mitocondrial interna. El succinato también se oxida en el ETC , pero está involucrado en la fosforilación oxidativa en un punto diferente [19] .

En los eucariotas, las enzimas de este sistema de transporte de electrones utilizan la energía liberada por la oxidación del NADH para "bombear" protones a través de la membrana interna mitocondrial hacia el espacio intermembrana. La acumulación de protones en el espacio intermembrana crea un gradiente electroquímico , y la ATP sintasa utiliza la energía contenida en él para sintetizar ATP. La fosforilación oxidativa en las mitocondrias eucariotas es la mejor estudiada. Casi todos los eucariotas tienen mitocondrias, con la excepción del protozoo anaeróbico Trichomonas vaginalis , que, en lugar de la fosforilación oxidativa, reduce los protones a hidrógeno en mitocondrias modificadas: hidrogenosomas [20] .

Las enzimas y sustratos respiratorios eucarióticos más típicos se caracterizan a continuación. El potencial de electrodo estándar muestra cuánta energía se libera durante la oxidación o reducción de una sustancia dada, con agentes reductores que tienen un potencial negativo y agentes oxidantes que tienen uno positivo.

Enzimas y sustratos respiratorios típicos en eucariotas.
enzima respiratoria pareja redox Potencial de electrodo estándar

(voltio)

NADH deshidrogenasa SOBRE + / NADH −0,32 [21]
succinato deshidrogenasa FMN o FAD / FMNH 2 o FADH 2 −0.20 [21]
Complejo citocromo-bc 1 Coenzima Q10 oxidada / Coenzima Q10 reducida +0.06 [21]
Complejo citocromo-bc 1 Citocromo b oxidado / Citocromo b reducido +0.12 [21]
Complejo IV Citocromo c oxidado / Citocromo c reducido +0.22 [21]
Complejo IV Citocromo a oxidado / Citocromo a reducido +0.29 [21]
Complejo IV O 2 /HO - +0.82 [21]
Condiciones: pH = 7 [21]

NADH-ubiquinona oxidorreductasa (complejo I)

La NADH-ubiquinona oxidorreductasa , también conocida como NADH deshidrogenasa o complejo I , es la primera proteína ETC [22] . El complejo I es una enzima muy grande: en los mamíferos consta de 46 subunidades y tiene un peso molecular de más de 1000 kilodaltons (kDa) [23] . La estructura de este complejo ha sido estudiada en detalle solo en bacterias [24] [25] ; en organismos más complejos, parece una bota con una gran parte que sobresale de la membrana [26] . Los genes que codifican proteínas individuales de este complejo están contenidos tanto en el genoma nuclear como en el genoma mitocondrial , como en muchos otros complejos proteicos mitocondriales [27] .

Este complejo cataliza la oxidación de NADH con la transferencia de dos electrones a la coenzima Q10 , o ubiquinona (Q):

NADH + Q + 5H + matriz → NAD + + QH 2 + 4H + espacio intermembrana

Esta reacción, como el trabajo de todo el ETC, comienza con la unión al complejo de moléculas de NAD con la liberación de dos electrones. Los electrones ingresan al complejo a través de un grupo prostético unido al complejo: mononucleótido de flavina ( FMN ). Al recibir dos electrones, FMN se reduce a FMHH 2 . Después de eso, los electrones pasan a través de una serie de grupos de hierro y azufre (el segundo tipo de grupos prostéticos presentes en el complejo) [24] . El complejo I contiene grupos de tipos [2Fe-2S] y [4Fe-4S] [28] .

Cuando los electrones pasan a través de este complejo, se bombean 4 protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. El mecanismo específico de esto no está claro, sin embargo, aparentemente, durante este proceso, ocurren cambios conformacionales del complejo I, debido a que la proteína se une a los protones con su parte orientada hacia el lado interno de la membrana y los libera en el espacio de la membrana [29]. . Eventualmente, los electrones pasan a través de la cadena de grupos de hierro y azufre y golpean la molécula de ubiquinona ubicada dentro de la membrana interna [22] . La reducción de la ubiquinona también da lugar a la formación de un gradiente de protones y, durante la formación de QH 2 a partir de la matriz, se bombean dos protones más al espacio intermembrana [30] .

Succinato-ubiquinona oxidorreductasa (complejo II)

La succinato-ubiquinona oxidorreductasa , también conocida como succinato deshidrogenasa o complejo II , es el segundo punto de entrada de electrones en el ETC [31] . Esta enzima es inusual porque forma parte tanto del ciclo del ácido tricarboxílico como de la ETC. El complejo II consta de cuatro subunidades de proteínas y se une al cofactor FAD . Además, este complejo contiene grupos de hierro-azufre y hemo, que no están involucrados en el transporte de electrones a la ubiquinona, pero aparentemente juegan un papel importante en la reducción de la formación de especies reactivas de oxígeno [32] [33] . El complejo II oxida succinato a fumarato con la reducción de ubiquinona. Dado que esta reacción proporciona menos energía que la oxidación de NADH, el complejo II no transporta protones a través de la membrana y no crea un gradiente de protones.

Succinato + Q → fumarato + QH 2 .

Algunos eucariotas , como el gusano parásito Ascaris suum , tienen una enzima similar al complejo II, la fumarato reductasa (menaquinol: fumarato oxidorreductasa o QFR), que funciona a la inversa y oxida el ubiquinol para reducir el fumarato . Esto permite que el gusano sobreviva en las condiciones anaeróbicas del colon y lleve a cabo la fosforilación oxidativa anaeróbica con fumarato como aceptor de electrones [34] . Otra función inusual del complejo II se observa en el plasmodio palúdico Plasmodium falciparum . Aquí, el complejo II funciona como una oxidasa y regenera la ubiquinona, que el parásito usa en una vía inusual de síntesis de pirimidina [35] .

ETF-oxidorreductasa

(Flavoproteína de transferencia de electrones) oxidorreductasa (ETF-Q-oxidorreductasa) es el tercer punto de entrada para los electrones en el ETC. Esta enzima toma electrones de las flavoproteínas de transporte de electrones de la matriz mitocondrial y los utiliza para reducir la ubiquinona [36] . Vincula la β-oxidación de ácidos grasos y otros procesos a la fosforilación oxidativa. Muchas acetil-CoA - deshidrogenasas llevan a cabo la oxidación de diversos sustratos (por ejemplo, ácidos grasos), transfiriendo electrones a la flavoproteína de transferencia de electrones (ETF). La ETF deshidrogenasa, a su vez, oxida esta proteína y transfiere electrones a la ubiquinona disuelta en la membrana mitocondrial interna, reduciéndola a ubiquinol, que luego ingresa a la cadena respiratoria de transporte de electrones. La ETF-Q oxidorreductasa contiene una flavina y un grupo de hierro-azufre del tipo [4Fe-4S], pero, a diferencia de otros complejos respiratorios, se adhiere a la superficie de la membrana y no atraviesa la bicapa lipídica [37] .

ETF reducido + Q → ETF oxidado + QH 2 .

En los mamíferos, esta enzima juega un papel importante en la β-oxidación de los ácidos grasos, el catabolismo de los aminoácidos y la colina [38] [39] . En las plantas, la ETF-Q oxidorreductasa es importante para la supervivencia durante largos períodos de oscuridad [40] .

Complejo citocromo bc 1 (complejo III)

El complejo citocromo bc1 también se conoce como ubiquinol citocromo c oxidorreductasa , o simplemente complejo III [41] [42] . En los mamíferos, esta enzima es un dímero , y cada subunidad del complejo consta de 11 subunidades de proteínas, un grupo de hierro y azufre [2Fe-2S] y tres citocromos : un citocromo c 1 y dos citocromos b [43] . Los citocromos son proteínas transportadoras de electrones que contienen al menos un grupo hemo. A medida que los electrones se mueven a lo largo de la proteína, los átomos de hierro en los hemos pasan del estado reducido (Fe 2+ ) al estado oxidado (Fe 3+ ) [44] .

El complejo III cataliza la oxidación de una molécula de ubiquinona y la reducción de dos moléculas de citocromo c, una proteína que contiene hemo que se mueve libremente hacia la mitocondria. A diferencia de la coenzima Q, que puede transferir dos electrones, el citocromo c solo transfiere un electrón.

QH 2 + 2 citocromo c oxidado + 2H + matriz → Q + 2 citocromo c reducido + 4H + espacio intermembrana

El mecanismo de reacción del complejo III es más complejo que el de otros complejos y transcurre en dos etapas, constituyendo el llamado ciclo Q [45] . En la primera etapa, la enzima se une a una ubiquinona reducida, una ubiquinona oxidada y un citocromo c, el primero de los cuales, QH2 ,  se oxida y un electrón pasa de él al citocromo c. Los dos protones liberados por QH 2 van al espacio intermembrana. El tercer sustrato es la ubiquinona, que une el segundo electrón a QH 2 y lo convierte en Q -  - radical semiquinona . Los dos primeros sustratos abandonan la enzima, pero la ubisemiquinona intermedia permanece unida a ella. En la segunda etapa del ciclo se produce la unión de la segunda molécula de QH 2 , que cede uno de sus electrones a otra molécula de citocromo c, y 2 protones pasan al espacio intermembrana. El segundo electrón pasa al radical semiquinona y lo reduce a QH 2 , mientras se toman dos protones de la matriz mitocondrial. Este QH 2 reducido abandona la enzima [46] .

La ubiquinona se reduce en el lado interno de la membrana y se oxida en el otro lado, y los protones se transfieren a través de la membrana, creando un gradiente de protones. El mecanismo de dos pasos de la reacción llevada a cabo por el complejo III es muy importante ya que aumenta la eficiencia de la transferencia de protones. Si, en lugar de un ciclo Q, una molécula de QH 2 donara directamente sus dos electrones a dos moléculas de citocromo c, entonces la eficiencia sería la mitad, porque solo se transferiría un protón en lugar de dos por una molécula de citocromo c reducida [ 4] .

Citocromo c oxidasa (complejo IV)

La citocromo c oxidasa , también llamada complejo IV, es el último complejo proteico ETC [47] . En los mamíferos, esta enzima tiene una estructura extremadamente compleja, que contiene 13 subunidades, dos grupos hemo y dos átomos de cobre unidos por residuos de histidina , metionina y glutamato . Además, interactúa con un átomo de magnesio y un átomo de zinc [48] .

El complejo IV lleva a cabo la última reacción de ETC y transfiere electrones al oxígeno, y también bombea 4 protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana [49] . En este caso, el aceptor final de electrones, el oxígeno, se reduce a agua. El bombeo de protones y el consumo de protones de la matriz para reducir el oxígeno a agua crea un gradiente de protones. En general, el complejo IV cataliza la reacción de oxidación del citocromo c y reducción del oxígeno [50] :

4 Citocromo c reducido + O 2 + 8H + → 4 Citocromo c oxidado + 2H 2 O + 4H + .

Reductasas y oxidasas alternativas

Muchos organismos eucarióticos tienen ETC distintos de los descritos anteriormente, que se encuentran en los mamíferos. Por ejemplo, las plantas tienen NADH reductasas alternativas que oxidan NADH en el citosol en lugar de en las mitocondrias y transfieren estos electrones directamente a las ubiquinonas [51] . Estas enzimas no bombean protones, por lo que reducen la ubiquinona sin cambiar el gradiente electroquímico de la membrana mitocondrial [52] . Las plantas, así como algunos hongos , protistas y posiblemente algunos animales, tienen una oxidasa alternativa que transfiere electrones directamente del ubiquinol al oxígeno [53] [54] [55] .

Los mecanismos de transporte de electrones que involucran estas NADH reductasas y oxidasas alternativas tienen rendimientos de ATP más bajos en comparación con la ETC completa. Las ventajas de dicho acortamiento de la ruta de transporte de electrones no están del todo claras. Sin embargo, se sabe que la oxidasa alternativa se forma en respuesta a condiciones de estrés : frío, formación de especies reactivas de oxígeno, infecciones y otras que suprimen el funcionamiento de la ETC completa [56] [57] . Por lo tanto, mecanismos alternativos pueden aumentar la resistencia del organismo a los efectos adversos, reduciendo el estrés oxidativo [58] .

Organización de complejos

De acuerdo con el modelo ETC original, los complejos respiratorios se ubican libremente e independientemente unos de otros en la membrana mitocondrial [59] . No obstante, los datos actuales muestran que los complejos respiratorios forman supercomplejos de orden superior, los respirasomas [60] . Según este modelo, los complejos respiratorios se organizan en un conjunto de enzimas que interactúan [61] . Estas interacciones brindan una oportunidad para el intercambio de sustratos entre diferentes complejos enzimáticos, lo que aumenta la velocidad y la eficiencia de la transferencia de electrones [62] . En los supercomplejos de mamíferos, algunos componentes están presentes en mayor número que otros y, según algunos datos, la relación entre el número de complejos I/II/III/IV y la ATP sintasa es de aproximadamente 1:1:3:7:4 [ 63] . Sin embargo, las disputas con respecto a la validez de dicho modelo no disminuyen y algunos datos no son consistentes con él [23] [64] .

ETC procariotas

En contraste con las ETC eucariotas similares en estructura y función, las bacterias y las arqueas muestran una amplia variedad de enzimas de transferencia de electrones que utilizan una amplia variedad de productos químicos como sustratos [65] . Al igual que en los eucariotas, en los ETC procariotas, la energía liberada durante la oxidación del sustrato se utiliza para bombear iones a través de la membrana y crear un gradiente electroquímico. Entre las bacterias, la fosforilación oxidativa se estudia mejor en Escherichia coli ( E. coli ), mientras que las ETC de arqueas aún no se comprenden bien [66] .

La principal diferencia entre las ETC eucariotas y procariotas es que las bacterias y las arqueas utilizan muchos sustratos diferentes como donantes y aceptores de electrones, lo que les permite sobrevivir en una amplia variedad de condiciones [67] . La diversidad de sustratos respiratorios de E. coli se presenta en la siguiente tabla.

Enzimas respiratorias y sustratos de E. coli . [68] .
enzima respiratoria pareja redox Potencial de electrodo estándar

(voltio)

Formiato deshidrogenasa Bicarbonato / Formiato −0,43
Hidrogenasa Protón / Hidrógeno −0,42
NADH deshidrogenasa SOBRE + / NADH −0,32
Glicerol-3-fosfato deshidrogenasa Fosfato de dihidroxiacetona / Glicerol-3-fosfato −0,19
piruvato oxidasa Acetato + CO 2 / Piruvato ?
lactato deshidrogenasa Piruvato / Lactato −0,19
D-aminoácido deshidrogenasa 2-oxoácido + amoníaco / D -aminoácido ?
Glucosa deshidrogenasa Gluconato / Glucosa −0,14
succinato deshidrogenasa Fumarato / Succinato +0.03
Ubiquinol oxidasa Oxígeno / Agua +0.82
Nitrato reductasa Nitrato / Nitrito +0.42
Nitrito reductasa Nitrito / Amoníaco +0.36
Dimetilsulfóxido reductasa Sulfóxido de dimetilo / Sulfuro de dimetilo +0.16
Trimetilamina-N-óxido reductasa Trimetilamina-N-óxido / Trimetilamina +0.13
fumarato reductasa Fumarato / Succinato +0.03

Como se muestra arriba, E. coli puede crecer en agentes reductores (donadores de electrones) como formiato , hidrógeno, lactato , y puede usar nitrato , sulfóxido de dimetilo y oxígeno como aceptores . Cuanto mayor sea la diferencia entre los potenciales de electrodo estándar del agente oxidante y el agente reductor, más energía se libera durante su interacción. Entre estos compuestos, el par succinato / fumarato es inusual , ya que tiene un potencial de electrodo estándar cercano a cero. Por lo tanto, el succinato se puede oxidar a fumarato en presencia de un agente oxidante fuerte, como el oxígeno, y el fumarato se puede reducir a succinato en presencia de un agente reductor fuerte, como el formiato. Estas reacciones alternativas son catalizadas por la succinato deshidrogenasa y la fumarato reductasa, respectivamente [69] .

Algunos procariotas usan solo pares redox, en los que la diferencia entre los potenciales de electrodo estándar es pequeña. En particular, las bacterias nitrificantes , como Nitrobacter , oxidan el nitrito a nitrato mediante la donación de electrones al oxígeno. La pequeña cantidad de energía liberada en esta reacción es suficiente para bombear protones y formar ATP, pero no lo suficiente para sintetizar NADH o NADPH , que luego podrían usarse en el anabolismo [70] . Este problema se resuelve con la enzima nitrito oxidorreductasa , que proporciona suficiente fuerza motriz de protones para que los electrones desciendan por el ETC en la dirección opuesta y el complejo I finalmente sintetice NADH [71] [72] .

Los procariotas controlan el uso de ciertos donantes y aceptores de electrones cambiando la formación de las enzimas correspondientes en respuesta a las condiciones ambientales [73] . Tales cambios flexibles son posibles debido al hecho de que diferentes oxidasas y reductasas usan el mismo grupo de ubiquinona. Esto permite que las enzimas trabajen juntas mientras están unidas por un intermediario común, el ubiquinol [68] .

Además de esta diversidad metabólica, los procariotas también tienen una amplia gama de isoenzimas  , enzimas diferentes (es decir, codificadas por diferentes genes) que catalizan la misma reacción. Por lo tanto, dos tipos diferentes de ubiquinol oxidasas funcionan en E. coli , utilizando oxígeno como aceptor de electrones. En condiciones altamente aeróbicas, la bacteria utiliza la ubiquinol oxidasa, que tiene poca afinidad por el oxígeno y es capaz de bombear dos protones por electrón. Cuando el nivel de oxígeno disminuye, la bacteria cambia a una oxidasa que bombea solo un protón por electrón, pero tiene una gran afinidad por el oxígeno [74] .

ATP sintasa

La ATP sintasa , también conocida como complejo V, es la enzima terminal de la fosforilación oxidativa. Esta enzima está presente en todas las formas de vida y funciona de la misma manera tanto en procariotas como en eucariotas [75] . La ATP sintasa utiliza la energía almacenada en el gradiente de protones de la membrana para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (P i ). Según diversas estimaciones, la síntesis de una molécula de ATP requiere energía de 3 a 4 protones [76] [77] y, posiblemente, la célula puede cambiar este número dependiendo de las condiciones [78] .

ADP + P i + 4H + espacio intermembrana ⇌ ATP + 4H 2 O + 4H + matriz

Esta reacción de fosforilación está en un equilibrio que puede cambiarse por un cambio en la fuerza motriz del protón. En ausencia de una fuerza motriz de protones, la reacción procederá de derecha a izquierda, el ATP se hidrolizará y los protones se bombearán desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Si la fuerza motriz del protón es alta, la reacción, por el contrario, irá de izquierda a derecha, permitiendo que los protones se muevan a lo largo del gradiente y sintetizando ATP a partir de ADP y fosfato [75] . De hecho, la H + -ATPasa vacuolar , estrechamente relacionada con la ATP sintasa , utiliza la hidrólisis de ATP para bombear protones y acidificar así ciertos compartimentos celulares [79] .

La ATP sintasa es un gran complejo proteico con forma de hongo. En los mamíferos, consta de 16 subunidades y tiene una masa de alrededor de 600 kDa [80] . La parte de la enzima que se encuentra dentro de la membrana se denomina FO y consta de subunidades organizadas en un anillo y un canal de protones. El "tallo" y la "cabeza" que sobresalen en la matriz se denominan F 1 , en los que se sintetiza ATP. La “cabeza” globular al final de F 1 consta de seis proteínas de dos tipos diferentes (tres subunidades α y tres subunidades β) [81] . Tanto la subunidad α como la β pueden unir nucleótidos, pero solo la subunidad β puede catalizar la síntesis de ATP. La “cabeza” y la parte intramembrana de la enzima están conectadas por una subunidad γ en forma de barra larga [82] .

Cuando los protones ingresan a la membrana a través de un canal en la ATP sintasa, el FO comienza a rotar [83] . La rotación puede deberse a un cambio en la ionización de los aminoácidos en el anillo de la subunidad c, lo que genera interacciones electrostáticas que provocan la rotación del anillo [84] . El anillo gira el eje central de la enzima (tallo de las subunidades γ) con las subunidades α y β. Sin embargo, las propias subunidades α y β impiden su rotación, actuando como un estator en relación con el "tallo". Esta rotación del extremo de las subunidades γ en la bola de las subunidades α y β proporciona energía a los sitios activos de las subunidades β, que experimentan un ciclo de cambios que dan como resultado la formación y liberación de ATP [85] .

La reacción de síntesis de ATP incluye cambios cíclicos en los centros activos de las subunidades α y β, que pueden estar en tres posiciones reemplazándose cíclicamente entre sí [86] . En la posición "abierta", el ADP y el fosfato ingresan al sitio activo (sector marrón en el diagrama de la derecha). Luego, la proteína se "cierra" por encima de las moléculas y se une a ellas debido a interacciones débiles (estado "débil", sector rojo en el diagrama). Después de eso, la enzima cambia nuevamente su conformación y acerca las moléculas de ADP y fosfato entre sí. Como resultado, el centro activo entra en un estado "denso" (sector rosa) y se une a la molécula de ATP recién formada con gran afinidad. Finalmente, los sitios activos vuelven a su estado original, liberando ATP y uniendo una nueva porción de ADP y fosfato [87] .

En algunas bacterias y arqueas, la síntesis de ATP se desencadena por el movimiento de los iones de sodio a través de la membrana celular más que por el movimiento de los protones [88] [89] . Algunas arqueas, como Methanococcus , contienen A 1 A o sintasa, una forma de la enzima que contiene subunidades de proteínas adicionales, similares en secuencia de aminoácidos a algunas subunidades de ATP sintasas bacterianas y eucariotas. Es posible que en algunas especies la forma A 1 A o de la enzima sea una ATP sintasa de sodio especializada [90] , pero esto puede no ser cierto en todos los casos [89] .

Especies reactivas de oxígeno

El oxígeno molecular es un aceptor de electrones final ideal como agente oxidante fuerte. Sin embargo, la reducción de oxígeno implica la formación de productos intermedios potencialmente peligrosos [91] . Mientras que la transferencia de cuatro electrones y cuatro protones reduce el oxígeno a agua inofensiva, la transferencia de uno o dos electrones convierte el oxígeno en el anión superóxido o peróxido , respectivamente , que son extremadamente peligrosos debido a su actividad. Las especies reactivas de oxígeno y sus productos de reacción, como el radical hidroxilo , son muy peligrosos para la célula, ya que oxidan las proteínas y provocan mutaciones en el ADN . Tal daño celular conduce a la enfermedad y se cree que es una de las causas del envejecimiento [92] [93] .

El complejo de citocromo c oxidasa es muy eficaz para reducir el oxígeno a agua y produce muy pocos productos intermedios oxidados de forma incompleta. Sin embargo, la operación del ETC todavía produce pequeñas cantidades de superóxido y peróxido [94] . De particular importancia es la reducción de la coenzima Q por el complejo III, ya que el radical libre de ubisemiquinona extremadamente activo se forma como un intermediario durante el ciclo Q. Esta forma inestable de oxígeno puede "perder" electrones directamente al oxígeno para formar superóxido [95] . Dado que la formación de especies reactivas de oxígeno por estas bombas de protones es mayor a valores altos del potencial de membrana, se sugirió que la mitocondria regula su actividad, manteniendo el valor de su potencial de membrana dentro de límites estrechos, manteniendo el equilibrio entre la formación de ATP y oxidantes [96] . Por lo tanto, los oxidantes pueden activar proteínas desacopladoras que reducen el potencial de membrana [97] .

Para contrarrestar las especies reactivas de oxígeno en la célula, existen muchos sistemas antioxidantes , incluidas las vitaminas antioxidantes , por ejemplo, la vitamina C y la vitamina E , así como las enzimas antioxidantes: superóxido dismutasa , catalasa , peroxidasa [91] , que neutralizan los reactivos. especies de oxígeno y eliminar el peligro para la célula [98] .

Inhibidores

Hay varias sustancias biológicamente activas bien conocidas y toxinas que inhiben la fosforilación oxidativa. Aunque cualquiera de estas toxinas inhibe solo una enzima ETC, la inhibición de un paso inhibe todo el proceso. Por ejemplo, si la oligomicina inhibe la ATP sintasa, los protones no pueden regresar a la matriz mitocondrial [99] . Como resultado, las bombas de protones no pueden funcionar porque el gradiente se vuelve demasiado alto y no pueden superarlo. El NADH deja de oxidarse, lo que detiene el ciclo del ácido tricarboxílico: la concentración de NAD + se vuelve demasiado baja para que sus enzimas funcionen. La siguiente tabla muestra otros bloqueadores de la fosforilación oxidativa:

Conexiones Solicitud Acción sobre la fosforilación oxidativa
Cianuros Monóxido de
carbono
Azidas Sulfuro de
hidrógeno 		venenos Suprimen la ETC al unirse al centro Fe-Cu en la citocromo c oxidasa más fuerte que el oxígeno y, por lo tanto, evitan su reducción [100] .
Oligomicina Antibiótico Inhibe la ATP sintasa al bloquear el flujo de protones a través de la subunidad F o [99] .
Cianuro de carbonilo-m-clorofenilhidrazona
2,4-dinitrofenol 		venenos Ionóforos que destruyen el gradiente de protones transportando protones a través de la membrana y separando así el bombeo de protones en el espacio intermembrana de la síntesis de ATP [101] .
rotenona Pesticida Inhibe la transferencia de electrones del complejo I a la ubiquinona al bloquear el sitio de unión de la ubiquinona [102] .
Malonatos y oxaloacetato Inhibidores competitivos de la succinato deshidrogenasa (complejo II) [103] .

No todos los inhibidores de la fosforilación oxidativa son toxinas. En el tejido adiposo pardo, los canales de protones regulados llamados proteínas desacopladoras pueden separar la respiración de la síntesis de ATP [104] . Esta variante acelerada de la respiración celular libera calor, lo que es especialmente importante como forma de mantener la temperatura corporal en los animales que hibernan , aunque estas proteínas pueden tener un efecto más general en la respuesta celular al estrés [105] .

Historia

El camino hacia el descubrimiento de la fosforilación oxidativa comenzó en 1906 con el descubrimiento por Arthur Harden del papel esencial del fosfato en la fermentación celular, pero al principio tal papel se estableció solo para los azúcares fosfato [106] . Sin embargo, a principios de la década de 1940, Hermann Kalkar estableció un fuerte vínculo entre la oxidación del azúcar y la formación de ATP [107] , confirmando así el papel central del ATP en el metabolismo energético propuesto por Fritz Albert Lipmann en 1941 [108] . Más tarde, en 1949, Morris Friedkin y Albert Lehninger establecieron que la coenzima NADH está asociada con procesos metabólicos como el ciclo del ácido tricarboxílico y la formación de ATP [109] .

Durante los siguientes veinte años, el mecanismo de formación de ATP siguió siendo un misterio, y los científicos buscaron un compuesto escurridizo de "alta energía" que vinculara las reacciones de oxidación y fosforilación [110] . Este enigma fue resuelto por Peter Deniss Mitchell , quien publicó su teoría de la quimiosmosis en 1961 [111] . Al principio, este modelo causó mucha controversia, pero poco a poco fue aceptado y en 1978 Mitchell recibió el Premio Nobel [112] [14] . La investigación posterior se ha centrado en el aislamiento y la caracterización de las enzimas involucradas en la fosforilación oxidativa, y la mayor contribución a esto fue realizada por David Green , quien describió los complejos ETC, y Ephraim Wracker , quien descubrió la ATP sintasa [113] . La pista final sobre el mecanismo de la ATP sintasa fue encontrada por Paul Boyer , quien en 1973 propuso un mecanismo cíclico de la ATP sintasa, y en 1982 explicó el mecanismo de rotación de la subunidad F o de la enzima [86] [114] . El trabajo sobre la fosforilación oxidativa, que apareció en años posteriores, es el estudio de la estructura de las enzimas de la vía por análisis de difracción de rayos X , realizado por John Ernst Walker . En 1997, Boyer y Walker recibieron el Premio Nobel [115] .

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Literatura

Enlaces

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