ATP sintasa como un molino molecular
La célula no tiene un enchufe para cargar ATP, por lo que la energía para su síntesis se extrae mediante un mecanismo molecular especial ubicado en la membrana mitocondrial interna. Este mecanismo es la enzima ATP sintasa, que funciona según el principio de un molino de viento.
La ATP sintasa consta de dos partes: la membrana F0 (un rotor a través del cual pasan los protones) y la catalítica F1 (donde se une el fosfato inorgánico al ADP). El flujo de protones a través de F0 hace girar el rotor: cada tres protones lo giran 120°, y con cada giro de estos se sintetiza una molécula de ATP en una de las subunidades. Una vuelta completa produce aproximadamente tres moléculas de ATP.
Gradiente de protones y espacio intermembranoso
Para que la ATP sintasa gire, debe mantenerse una alta concentración de protones H+ en el espacio intermembranoso de la mitocondria, y una baja en la matriz. Esta diferencia crea un gradiente electroquímico, denominado ΔμH+, y consta de dos componentes: el potencial químico (diferencia de concentración) y el potencial eléctrico (diferencia de cargas a ambos lados de la membrana).
Los lados de la membrana interna se denominan habitualmente:
- Lado P (positivo): orientado hacia el espacio intermembranoso, cargado positivamente debido al exceso de protones;
- Lado N (negativo): orientado hacia la matriz, cargado negativamente.
Los protones tienden a regresar del lado P al lado N, pero la membrana es impermeable y la única vía es a través del rotor de la ATP sintasa.
Fuentes de electrones: NADH y FADH2
Los protones se bombean hacia el espacio intermembranoso utilizando la energía liberada durante la transferencia de electrones. Las fuentes de electrones son coenzimas reducidas que se forman en el ciclo de Krebs y otras reacciones:
- NADH + H+: transporta esencialmente un ion hidruro (H−) con dos electrones;
- FADH2: también actúa como donante de dos electrones y dos protones.
Los electrones se transfieren secuencialmente a través de los complejos proteicos de la membrana interna, perdiendo energía que se utiliza para bombear protones.
Complejos I y II de la cadena respiratoria
Complejo I: NADH-ubiquinona oxidorreductasa (NADH deshidrogenasa). Acepta dos electrones del NADH a través del mononucleótido de flavina (FMN) y los transfiere a la ubiquinona (Q). La ubiquinona, al recibir dos electrones y dos protones de la matriz, se convierte en ubiquinol (QH2). En este proceso, se bombean 4 protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso.
Complejo II: succinato deshidrogenasa. No bombea protones. Su función es mantener la reserva de ubiquinol mediante la oxidación del succinato a fumarato (una reacción del ciclo de Krebs) con la formación de FADH2 y la posterior transferencia de electrones a la ubiquinona. El grupo hemo B dentro del complejo previene la fuga de electrones hacia el oxígeno, lo que evita la formación de peróxido de hidrógeno y especies reactivas del oxígeno.
Complejo III y ciclo Q
Complejo III: ubiquinol-citocromo c oxidorreductasa. Utiliza la energía de la reoxidación del ubiquinol. Tiene dos centros activos: uno en el lado P y otro en el lado N. Los electrones del QH2 se dividen: uno va hacia el citocromo c a través de la proteína de Rieske con centro de azufre y hierro, y el segundo va hacia el hemo B y luego de regreso a la ubiquinona, reduciéndola en el lado N (ciclo Q).
La ruptura de enlaces covalentes durante la redistribución de electrones libera energía, gracias a la cual el complejo bombea 4 protones hacia el espacio intermembranoso. El citocromo c es un transportador móvil que entrega electrones al siguiente complejo.
Complejo IV y formación de agua
Complejo IV: citocromo c oxidasa. Acepta un electrón a la vez de cuatro moléculas de citocromo c. En su centro activo contiene un racimo bimetálico con átomos de hierro y cobre. Los electrones se transfieren secuencialmente al oxígeno molecular O2.
La reducción controlada del oxígeno evita la formación de peróxido: los protones de la matriz se le unen gradualmente, lo que da como resultado la formación de dos moléculas de H2O. La energía del proceso se utiliza para bombear 2 protones al espacio intermembranoso. De este modo, la cadena respiratoria «descarga» de forma segura los electrones en el aceptor final: el oxígeno.
Balance energético
Cantidad total de protones bombeados:
- Oxidación de una molécula de NADH: 4 (complejo I) + 4 (complejo III) + 2 (complejo IV) = 10 protones;
- Oxidación de una molécula de FADH2: 4 (complejo III) + 2 (complejo IV) = 6 protones.
Dado que se requieren entre 3 y 4 protones para sintetizar un ATP, el rendimiento es de aproximadamente 2,5 ATP por NADH y 1,5 ATP por FADH2 (redondeado a 3 y 2 respectivamente).
Puntos clave
- La ATP sintasa es una enzima F0F1 que sintetiza ATP utilizando la energía del gradiente de protones.
- El gradiente electroquímico de H+ es generado por los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria.
- El NADH dona electrones al complejo I, y el FADH2 al complejo II a través de la succinato deshidrogenasa.
- La ubiquinona (Q) y el citocromo c son transportadores móviles de electrones.
- El complejo II no bombea protones, sino que simplemente mantiene la reserva de ubiquinol.
- El complejo IV reduce el O2 a H2O, previniendo la formación de peróxido.
- La oxidación del NADH produce ~2,5 ATP, y la oxidación del FADH2 produce ~1,5 ATP.
- La fuga de electrones hacia el oxígeno conduce a la formación de especies reactivas del oxígeno y daño celular.