Fosforilación oxidativa

A fosforilación oxidativa (ou oxidante) é a produción de ATP no encima ATP sintase da membrana mitocondrial interna e as membranas bacterianas, que aproveita a enerxía liberada na cadea de transporte electrónico procedente dos nutrientes oxidados na célula. Outros procesos celulares de produción de ATP, como a fosforilación a nivel de substrato producen cantidades de ATP moito menores. Calcúlase que ata o 90% da enerxía celular en forma de ATP se obtén por medio da fosforilación oxidativa.^[1]. A fotofosforilación da fase luminosa da fotosíntese funciona dun xeito moi similar á fosforilación oxidativa.

Funcionamento conxunto da cadea de transporte de electróns e a fosforilación oxidativa na ATP sintase.

Unha fase previa á fosforilación oxidativa é a xeración dun gradiente de protóns: a enerxía libre xerada en reaccións químicas redox en varios complexos multiproteicos, chamados en conxunto cadea de transporte electrónico, emprégase para producir, por diversos procedementos, como bombeo de protóns, ciclos quinona/quinol ou bucles redox, un gradiente electroquímico de protóns a través dunha membrana celular (membrana mitocondrial interna ou membrana bacteriana) asociada a un proceso chamado quimiosmose. A cadea respiratoria está formada por tres complexos de proteínas principais (NADH deshidroxenase ou complexo I, coencima Q-citocromo c redutase ou complexo III, citocromo c oxidase ou complexo IV), e varios complexos "auxiliares", utilizando unha variedade de doantes e aceptores de electróns.

A enerxía potencial deste gradiente, chamada forza protón-motriz, libérase durante a fosforilación oxidativa cando se translocan os protóns a través dunha canle pasiva, o encima ATP sintase, e utilízase na adición dun grupo fosfato a unha molécula de ADP para almacenar parte desa enerxía potencial nos enlaces anhidro "de alta enerxía" da molécula de adenosín trifosfato (ATP) por medio dun cambio conformacional do encima no que se produce a rotación dunha parte do encima a medida que flúen os protóns a través dela. En vertebrados, e posiblemente en todo o reino animal, o encima xera un ATP por cada 2,7 protóns translocados aproximadamente. Algúns organismos teñen ATP sintases cun rendemento menor.

Aínda que as diversas formas de vida utilizan unha gran variedade de nutrientes, case todas realizan a fosforilación oxidativa para producir ATP, a molécula que fornece de enerxía ao metabolismo. Esta vía está tan estendida entre os seres vivos debido a que é unha forma moi eficaz de liberación de enerxía, en comparación cos procesos alternativos de fermentación, como a glicólise anaeróbica, moito menos rendible.

A pesar de que a fosforilación oxidativa é unha parte vital do metabolismo, produce unha pequena proporción de especies reactivas do osíxeno tales como superóxido e peróxido de hidróxeno, o que leva á proliferación de radicais libres, provocando danos celulares, contribuíndo a enfermidades e, posiblemente, ao envellecemento. Porén, os radicais teñen un importante papel na transdución de sinais na célula, e posiblemente na formación de enlaces disulfuro nas propias proteínas da membrana mitocondrial interna. Os encimas que levan a cabo esta vía metabólica son branco de moitas drogas e produtos tóxicos que inhiben a súa actividade.

Transferencia de enerxía por quimiosmose

Modelo molecular do NAD⁺.

Artigo principal: Quimiosmose.

A fosforilación oxidativa funciona con dous tipos de reaccións que están combinadas, unha utiliza reaccións químicas que liberan enerxía, mentres que a outra utiliza esa enerxía para levar a cabo as súas reaccións.^[2] O fluxo de electróns a través da cadea de transporte electrónico, desde doantes de electróns como NADH a aceptores de electróns como o osíxeno, é un proceso exergónico (libera enerxía), mentres que a síntese de ATP é un proceso endergónico (require enerxía). Tanto a cadea de transporte electrónico coma a ATP sintase, están inseridos na membrana, e a enerxía transfírese da cadea de transporte electrónico á ATP sintase polo movemento de protóns a través da membrana, nun proceso chamado quimiosmose.^[3] Na práctica compórtase de maneira similar a un simple circuíto eléctrico, cunha corrente de protóns que están sendo transportados desde o lado negativo (lado N) da membrana cara ao lado positivo (lado P) polos encimas da cadea de transporte de electróns que bombean protóns. Estes encimas son como unha batería eléctrica, xa que realizan traballo para levar corrente a través do circuíto. O movemento de protóns crea un gradiente electroquímico a través da membrana, o cal se denomina xeralmente forza protón-motriz. Este gradiente ten dous compoñentes: unha diferenza na concentración de protóns (un gradiente de pH) e unha diferenza no potencial eléctrico, cun lado N, que posúe carga negativa. A enerxía almacénase maiormente como a diferenza de potenciais eléctricos na mitocondria, pero tamén como un gradiente de pH nos cloroplastos durante a fotofosforilación.^[4]

A ATP sintase libera esta enerxía almacenada completando o circuíto e permitindo aos protóns fluír a través do gradiente electroquímico, de novo cara ao lado N da membrana.^[5] Este encima compórtase de maneira similar a un motor eléctrico, xa que utiliza a forza protón-motriz para levar a cabo a rotación de parte da súa estrutura e axustar este movemento coa síntesis de ATP.

A cantidade de enerxía liberada pola fosforilación oxidativa é elevada, comparada coa cantidade producida pola fermentación anaeróbica. A glicólise produce só dúas moléculas de ATP, pero na fosforilación oxidativa prodúcense entre 30 e 36 ATPs a partir dos 10 NADH e 2 succinatos obtidos a través da conversión dunha molécula de glicosa en dióxido de carbono e auga (e habería que engadir 2 ATP máis producidos directamente na propia glicólise).^[6] Este resultado de obtención de ATP é o máximo teórico, xa que na práctica algúns protóns se filtran a través da membrana, diminuíndo así a produción de ATP.^[7]

ATP sintase

Artigo principal: ATP sintase.

A ATP sintase, tamén chamada ATP sintetase, ATPase (porque tamén pode hidrolizar ATP) ou complexo V, é o encima do proceso da fosforilación oxidativa. Este encima atópase en todas as formas de vida e funciona da mesma maneira tanto en procariotas coma en eucariotas.^[8] Este encima usa a enerxía almacenada nun gradiente de protóns a través da membrana para levar a cabo a síntese de ATP desde ADP e fosfato (P_i). As estimacións do número de protóns necesarios para sintetizar unha molécula de ATP varían entre tres e catro,^[9][10] e algúns investigadores suxiren que as células poden variar esta proporción, para axustarse a diferentes condicións.^[11]

  ${\displaystyle {\mbox{ADP}}+{\mbox{P}}_{i}+{\mbox{4H}}_{citosol}^{+}\rightleftharpoons {\mbox{ATP}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+{\mbox{4H}}_{matriz}^{+}}$

Esta reacción de fosforilación é un equilibrio químico, que pode cambiarse alterando a forza protón motriz. En ausencia dunha forza protón-motriz, a reacción da ATP sintase desplazarase cara a esquerda, hidrolizando ATP e bombeando protóns fóra da matriz a través da membrana. Porén, cando a forza protón-motriz é alta, a reacción é forzada a desprazarse na dirección oposta; de esquerda a dereita, permitindo o fluxo de protóns no sentido do seu gradiente de concentración producindo ADP a partir do ATP.^[8] Ademais, na proteína moi relacionada H+-ATPase tipo vacuolar, úsase a mesma reacción para acidificar os compartimentos celulares, bombeando protóns e hidrolizando ATP.^[12]

A ATP sintase é un complexo masivo de proteínas con forma de cogomelo. O complexo de encimas en mamíferos contén 16 subunidades e posúe unha masa de aproximadamente 600 kilodaltons.^[13] A porción incluída na membrana chámase F_O e contén un anel de subunidades c e a canle de protóns. O pedúnculo e a parte superior esférica chámase F₁ e é o sitio onde ocorre a síntese de ATP. A porción esférica do extremo de F₁ contén seis proteínas de dous tipos diferentes (tres subunidades α e tres subunidades β), mentres que o "pedúnculo" consiste só nunha proteína: a subunidade γ, cun extremo que se estende na esfera de subunidades α e β.^[14] Ambas as subunidades, α e β únense a nucleótidos, pero só a subunidade β cataliza a síntese de ATP. Acadando pola base unha porción de F₁ e introducíndose na membrana encóntrase unha longa subunidade en forma de bastón que ancora as subunidades α e β na base do encima.

Conforme os protóns atravesan a membrana a través da canle na base da ATP sintase, F_O entra en rotación.^[15] Esta rotación pode ser provocada por cambios na ionización de aminoácidos no anel de subunidades c provocando interaccións electrostáticas que impulsan o anel de subunidades c a través da canle de protóns.^[16] Este anel de rotación provoca a rotación do eixe central (o pedúnculo da subunidade γ) dentro das subunidades α e β. Estas subunidades son incapaces de rotar debido ao brazo lateral que actúa como un estator. Este movemento do extremo da subunidade γ no interior da esfera de subunidades α e β prové de enerxía para os sitios activos nas subunidades β para levar a cabo un ciclo de movementos que xeran e logo liberan ATP.^[17]

Mecanismo da ATP sintase. O ATP en vermello, o ADP e o fosfato en rosa e a subunidade γ rotando, en negro.

A reacción de síntese de ATP denomínase "mecanismo de cambio de unión" (binding change mechanism) e involucra o sitio activo dunha subunidade β que segue un ciclo de tres estados.^[18] No estado "aberto", o ADP e o fosfato entran no sitio activo (mostrado en ton castaño ou granate no diagrama). A proteína logo captura as moléculas e únese a elas lixeiramente (mostrado en vermello). O encima logo cambia a súa conformación novamente e achega as moléculas, co sitio activo no estado final (mostrado en rosa) unindo a recentemente formada molécula de ATP cunha elevada afinidade. Finalmente, o sitio activo cicla de novo ao seu estado orixinal aberto, liberando ATP e uníndose a máis ADP e fosfato, preparándose así para o próximo ciclo.

Nalgunhas bacterias e arqueas, a síntese de ATP lévase a cabo polo movemento de ións sodio a través da membrana celular, en lugar do movemento de protóns.^[19][20] Arqueas como Methanococcus posúen a sintase A₁A_o, unha forma do encima que contén proteínas adicionais con moi pouca semellanza en canto á súa secuencia con outras subunidades de ATP sintase de bacterias ou eucariotas. É posible que nalgunhas especies, a forma A₁A_o do encima sexa unha ATP sintase especializada no transporte de sodio,^[21] pero isto pode que non sexa así en todos os casos.^[20]

Inhibidores

Existen varias drogas e toxinas que inhiben a fosforilación oxidativa. Aínda que estas toxinas inhiben só un encima na cadea de transporte electrónico, a inhibición de calquera paso detén o resto do proceso. Por exemplo, cando a oligomicina inhibe a ATP sintase, os protóns non poden ser devoltos á mitocondria.^[22] Como resultado, as bombas de protóns son incapaces de operar, e o gradiente faise demasiado forte como para ser superado, o NADH deixa de ser oxidado, e o ciclo do ácido cítrico deixa de operar porque a concentración de NAD⁺ cae por debaixo da concentración que estes encimas poden utilizar.

Salientaremos os seguintes inhibidores:

• Cianuro. O cianuro é un potente veleno que inhibe a cadea de transporte electrónico e a fosforilación oxidativa bloqueando o paso de electróns do citocromo a3 ao osíxeno no complexo IV. Isto bloquea a cadea de transporte de electróns, o que comporta que non se xere o gradiente de protóns e, por tanto, non se produza a obtención de ATP coa conseguinte acumulación de NADH e FADH₂. Ademais, o cianuro únese á hemoglobina impedindo tamén a captación de osíxeno.
• Oligomicina. A oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a ATP sintase ao unirse á subunidade F_o e interferir no transporte de H⁺ a través de F_o, inhibe polo tanto a síntese de ATP e como consecuencia de non eliminar o gradiente de protóns inhíbese tamén a cadea de transporte electrónico. Por tanto, diminuirá o consumo de O₂ e acumularáse NADH e FADH₂.
• 2,4-Dinitrofenol. O 2,4-dinitrofenol é un axente que desaxusta o funcionamento da cadea de transporte electrónico co da fosforilación oxidativa. Isto prodúcese xa que o 2,4-dinitrofenol fai permeable aos protóns a membrana interna mitocondrial desfacendo a relación obrigada entre a cadea respiratoria e a fosforilación oxidativa. O efecto deste veleno é, pois, a inhibición da produción de ATP ao non xerarse o gradiente de pH, pero si permite que a cadea de transporte electrónica continúe funcionando.

Composto	Uso	Efecto na fosforilación oxidativa
Cianuro e monóxido de carbono	Veleno	Inhiben a cadea de transporte electrónico, xa que se unen máis fortemente ca o osíxeno aos centros Fe–Cu na citocromo c oxidase, polo que evitan a redución do osíxeno.[23]
Oligomicina	Antibiótico	Inhibe a ATP sintase bloqueando o fluxo de protóns a través da subunidade Fo.[22]
CCCP 2,4-Dinitrofenol	Veleno	Ionóforos que interrompen o gradiente de protóns transportando estes a través da membrana. Este ionoforo desaxusta o bombeo de electróns da ATP sintase debido a que transporta electróns a través da membrana mitocondrial interna.[24]
Rotenona	Pesticida	Impide a transferencia de electróns do complexo I á ubiquinona ao bloquear os sitios de unión á ubiquinona.[25]
Malonato e oxalacetato		Inhibidores competitivos da succinato deshidroxenase (complexo II).[26]

Non todos os inhibidores da fosforilación oxidativa son toxinas. No tecido adiposo marrón ou graxa marrón, as canles de protóns reguladas chamadas UCP (Uncoupling Proteins) teñen a capacidade de desaxustar a respiración da síntese de ATP.^[27] Esta respiración rápida produce calor, e é particularmente importante como unha vía para manter a temperatura corporal durante a hibernación dos animais, aínda que estas proteínas poden tamén ter unha función máis xeral na resposta das células ao estrés.^[28]

Historia

O estudo da fosforilación oxidativa principiou en 1906 co informe de Arthur Harden sobre o papel vital do fosfato na fermentación celular, aínda que inicialmente se pensaba que só os azucre-fosfatos estaban implicados.^[29] Porén, a principios da década de 1940, a relación entre a oxidación dos azucres e a xeración de ATP foi establecida de forma definitiva por Herman Kalckar,^[30] confirmando o papel central do ATP na transferencia de enerxía, que fora proposto por Fritz Albert Lipmann en 1941.^[31] Máis tarde, en 1949, Friedkin e Morris Albert L. Lehninger demostraron que o coencima NADH está relacionado con vías metabólicas tales como o ciclo do ácido cítrico e a síntese de ATP.^[32]

Durante outros vinte anos, o mecanismo polo cal se xeraba o ATP seguiu sendo un misterio, con moitos científicos procurando un elusivo "intermediario de alta enerxía", que enlazara as reaccións de oxidación e fosforilación.^[33] O misterio foi resolto por Peter D. Mitchell coa publicación da teoría quimiosmótica en 1961.^[34] En principio a proposta foi moi controvertida, pero foi aceptada lentamente e finalmente Mitchell recibiu o Premio Nobel de Química en 1978 pola súa teoría.^[35][36] A investigación posterior centrouse na purificación e caracterización dos encimas implicados, con importantes contribucións realizadas por David E. Green sobre os complexos da cadea de transporte electrónico, e de Efraim Racker sobre a ATP sintase.^[37] Un paso fundamental cara á solución dos mecanismos da ATP sintase foi proporcionada por Paul D. Boyer, co seu desenvolvemento en 1973 do mecanismo de "cambio de unión", seguido pola súa radical proposta dun sistema de catálise rotacional en 1982.^[18][38] Os traballos máis recentes inclúen estudos estruturais con cristalografía de raios X dos encimas que interveñen na fosforilación oxidativa, levados a cabo por John E. Walker, que lles valeron a Walker e Boyer para obter o Premio Nobel en 1997.^[39]