¿De qué manera la energía liberada al transportar un par de electrones, desde un sustrato hasta el oxígeno, es atrapada en forma de energía química al sintetizar ATP? Hasta ahora nos hemos limitado a describir el proceso, que recibe el nombre de fosforilación oxidativa, ahora el propósito es explicar cómo ocurre.
A través del tiempo han surgido varias hipótesis que tratan de describir el mecanismo de la fosforilación oxidativa. Estas hipótesis tienen que confrontarse con los resultados experimentales, los cuales pueden apoyarlas o descartarlas. Es por eso que aquí describiremos la hipótesis quimiosmótica para la fosforilación oxidativa, puesto que es la que está de acuerdo con prácticamente todos los distintos experimentos que se han realizado hasta ahora. Para su análisis el proceso se ha dividido en varios pasos.
PASO 1: FORMACIÓN DE UN GRADIENTE DE PROTONES
Tomando en cuenta los pasos de deshidrogenación que ocurren en las reacciones de glucólisis y ciclo de Krebs, se advierte que de ahí se obtienen todos los electrones para efectuar la cadena respiratoria. Estas partículas en un principio están unidas ya sea a NADH o a FADH2. Cuando se forma NADH, a partir de NAD+, siempre queda libre un protón (H+). Los intermediarios de la cadena respiratoria, como el hierro en los citocromos, transportan sólo electrones, no protones, por lo que el NADH y el FADH2, al donar el par de electrones que transportan, hacia la cadena respiratoria, producen más protones libres.
Ya que las membranas biológicas son impermeables a los iones y los componentes de la cadena respiratoria están acoplados a la membrana interna de la mitocondria, los protones producidos se liberan hacia el espacio intermembranal, lo que ocasiona que su concentración sea mayor en el exterior de la mitocondria que en el interior. Esta diferencia de concentración se debe a que la membrana interna de la mitocondria no permite el paso de los protones que se están produciendo continuamente mientras funciona el transporte de electrones. Para que el gradiente de protones se conserve, es necesaria la integridad de la membrana interna de la mitocondria; si se perforara, los protones se moverían hacia la matriz, para igualar su concentración con el interior de la mitocondria.
Producir un gradiente de protones es un proceso endergónico; para que ocurra, requiere estar acoplado a uno exergónico: el transporte de electrones.
Parte de la energía liberada al transportar electrones, desde una molécula de alimento hasta el oxígeno, es utilizada para formar una diferencia de concentración de protones entre la matriz mitocondrial y su exterior.
PASO 2: FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Cuando se forma una diferencia de concentración entre ambos lados de la membrana, la energía osmótica se almacena y cualquier mecanismo que tienda a equilibrar la concentración liberará energía. Hay una enzima, incrustada en la membrana interna de la mitocondria, que hace este proceso: la ATPASA dependiente de protones. Lleva este nombre porque los primeros investigadores que trabajaron con sistemas membranales, obtenidos a partir de mitocondrias, observaron que tenían la propiedad de hidrolizar ATP convirtiéndolo en ADP y Pi; es decir destruye ATP o tiene actividad de ATPASA. También se observó que la enzima para funcionar requiere de la presencia de protones, o sea, un pH bajo. En las mitocondrias intactas la enzima en cuestión funciona a la inversa y ¿qué significa para una ATPASA funcionar al revés?: ¡sintetizar ATP!
La energía requerida para fabricar ATP es proporcionada por el transporte de protones a través de la membrana interna de la mitocondria, de la región más concentrada (espacio intermembranal), a la de menor concentración: matriz mitocondrial, de tal forma que la ATPASA es un transductor que permite transformar energía osmótica en energía química.
La ATPASA es una proteína con estructura cuaternaria bastante compleja (Figura 9.9). Consta de dos partes: Fo y F1. F1 está constituida por 10 cadenas polipeptídicas: α3, β3, γ, δ, ε2. La letra griega es el nombre de la cadena y el número es la cantidad de unidades que forman parte de una molécula de ATPASA.
Figura 9.9 Estructura de la ATPasa, en dorado se representan las unidades a, las b en morado, en rojo las c, las d son amarillas y las e tienen color azul. (Figura elaborada por el autor).
La ATPASA es una enzima que se encuentra acoplada a la membrana interna de la mitocondria, la unidad Fo está inmersa en esa estructura, atravesándola por completo y F1 sale de la membrana orientada hacia la matriz mitocondrial. Estas cadenas polipeptídicas tienen una organización tridimensional que les permite formar un túnel, a través del cual pueden pasar los protones del espacio intermembranal, en donde se encuentran más concentrados, hacia la matriz en donde hay menos. Al establecerse un flujo de protones se libera energía, parte de la cual es atrapada por la unidad F1, en donde se encuentra el sitio activo, quien recibe como sustrato moléculas de ADP y Pi, dando como producto ATP y H2O. El proceso de sintetizar ATP usando la energía producida por la respiración se llama fosforilación oxidativa. En la Figura 9.10 se puede apreciar un esquema de este proceso.