Fosforilación Oxidativa: Producción de ATP en la Mitocondria

La fosforilación oxidativa es la última fase de la respiración celular y ocurre en la mitocondria. En este proceso, se produce la mayor cantidad de ATP a partir de los electrones transportados por el NADH y FADH₂, generados en la glucólisis, el ciclo de Krebs y otras vías metabólicas.

¿Qué es la Fosforilación Oxidativa?

Es el proceso por el cual la energía liberada por el paso de electrones a través de la cadena de transporte electrónico se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi (fosfato inorgánico).

Etapas Clave de la Fosforilación Oxidativa

1. Cadena de Transporte de Electrones (CTE)

   Ocurre en la membrana interna mitocondrial.

   • El NADH y FADH₂ entregan electrones a complejos proteicos (I, II, III y IV).
   • A medida que los electrones se mueven, se bombean protones (H⁺) hacia el espacio intermembrana.

2. Creación del Gradiente de Protones

   Se crea una alta concentración de H⁺ fuera de la matriz mitocondrial. Esto genera una fuerza protón-motriz, que es una forma de energía potencial.

3. Síntesis de ATP

   Los protones regresan a la matriz a través de la enzima ATP sintasa. Este flujo impulsa la formación de ATP a partir de ADP y Pi.

4. Formación de Agua

   Los electrones llegan al oxígeno (O₂), que actúa como aceptor final de electrones.

   O₂ + H⁺ + e^– → H₂O

NADH → NAD⁺ + H⁺ + 2 e^–

4 e^– + 4 H⁺ + O₂ → 2 H₂O

Detalle de la Cadena de Transporte de Electrones

Los componentes de la cadena de transporte de electrones se organizan en cuatro grandes complejos proteicos denominados complejos I, II, III y IV. Además, hay otras dos proteínas, la ubiquinona y el citocromo C, que transfieren electrones entre estos complejos. Todas estas proteínas son proteínas de membrana, por lo que esta cadena de electrones se localiza en la membrana interna de la mitocondria, específicamente en las crestas mitocondriales. La cadena de electrones está organizada de tal forma que los electrones, cuando pasan de una proteína a otra, van perdiendo energía potencial hasta llegar a un aceptor final de electrones, que, cuando es el O₂, se reduce para formar H₂O.

Papel del NADH y FADH₂ en la CTE

• NADH:
  • Dona electrones al complejo I.
  • Sus electrones están en un nivel de energía alto.
  • Genera más ATP porque el complejo I bombea protones al espacio intermembranal.
• FADH₂:
  • Dona electrones al complejo II.
  • Sus electrones tienen menos energía.
  • No genera bombeo de protones en el complejo II.
  • Produce menos ATP que el NADH.

Por esta razón, el NADH genera aproximadamente 2.5 ATP, mientras que el FADH₂ genera alrededor de 1.5 ATP.

Funciones Esenciales de la Cadena de Transporte de Electrones

1. Regenerar NAD⁺ y FAD:

   El NADH y FADH₂ donan electrones y vuelven a sus formas oxidadas (NAD⁺ y FAD), las cuales son necesarias para la glucólisis y el ciclo de Krebs.

2. Formar un Gradiente de Protones:

   Se bombean H⁺ al espacio intermembranal, generando una energía almacenada que se utilizará para formar ATP.

Balance Energético de la Fosforilación Oxidativa

Un O₂ acepta 4 electrones de 2 NADH para formar 2 H₂O. Esto permite el bombeo de 20 protones (H⁺) por los complejos I, III y IV. El gradiente de H⁺ se usará para sintetizar ATP en la fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa es la etapa final de la respiración aeróbica. Se produce la mayor cantidad de ATP, no por fosforilación a nivel de sustrato, sino por el uso del gradiente de protones.

La ATP Sintasa: Motor Molecular de ATP

Los H⁺ no pueden cruzar la membrana por sí solos. La ATP sintasa es un canal especial que permite el paso de H⁺. Este flujo genera ATP a partir de ADP y Pi.

Rendimiento por molécula:

• 1 NADH → 10 H⁺ → ~2.5 ATP
• 1 FADH₂ → 6 H⁺ → ~1.5 ATP

Nota: Los valores de ATP generados por NADH y FADH₂ pueden variar ligeramente según la lanzadera utilizada para transportar los electrones del NADH citosólico a la mitocondria.

Rendimiento Energético Global de la Glucosa

1. Glucólisis (en el citosol):

   • 2 ATP directos.
   • 2 NADH → pueden generar:
     • ~5 ATP (si se usa lanzadera eficiente, como la de malato-aspartato).
     • ~3 ATP (si se usa lanzadera menos eficiente, como la de glicerol-3-fosfato).

   Subtotal: ~7-8 ATP

2. Descarboxilación del Piruvato (matriz mitocondrial):

   • 2 NADH → ~5 ATP

3. Ciclo de Krebs (por 1 glucosa = 2 vueltas):

   • 2 GTP → 2 ATP
   • 6 NADH → ~15 ATP
   • 2 FADH₂ → ~3 ATP

   Subtotal: ~20 ATP

Balance Total de la Respiración Celular (por molécula de glucosa):

Glucosa + 6 O₂ + ~32 ADP + ~32 Pi → 6 CO₂ + 6 H₂O + ~32 ATP

(Nota: El rendimiento total de ATP por glucosa se estima actualmente en aproximadamente 30-32 ATP, en lugar de los 36-38 ATP clásicos, debido a consideraciones energéticas más precisas de los procesos de transporte.)

Lípidos: Estructura, Funciones y Clasificación

Definición y Características Generales de los Lípidos

Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por carbono (C), hidrógeno (H) y, en menor proporción, oxígeno (O); también pueden contener fósforo (P), nitrógeno (N) y azufre (S).

• Son insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos (como éter, cloroformo, benceno).
• Son moléculas ricas en energía: se oxidan para obtener ATP.
• Forman barreras lipídicas, como las membranas celulares.

Funciones Principales de los Lípidos

1. Reserva Energética:

   1 gramo (g) de grasa produce 9.4 kcal, más del doble que los glúcidos (4.1 kcal/g). Se oxidan en la mitocondria.

2. Estructural:

   Componen las bicapas lipídicas de las membranas celulares (fosfolípidos, colesterol, glucolípidos). Dan consistencia y protección térmica y mecánica (ej. ceras, tejidos adiposos).

3. Biocatalizadora:

   Actúan como vitaminas liposolubles (A, D, E, K), hormonas esteroideas y prostaglandinas.

4. Transportadora:

   Son transportados por lipoproteínas y emulsionados por ácidos biliares en el organismo.

Ácidos Grasos: Componentes Fundamentales de los Lípidos

Los ácidos grasos son moléculas lineales con un grupo carboxilo (-COOH). Tienen un número par de carbonos (generalmente de 4 a 24). Se encuentran formando parte de los lípidos, no libres en la naturaleza.

Clasificación de los Ácidos Grasos

1. Saturados:
   • Solo poseen enlaces simples entre los átomos de carbono.
   • Ejemplos: ácido mirístico (14C), ácido palmítico (16C), ácido esteárico (18C).
   • Presentan un mayor punto de fusión.
2. Insaturados:
   • Contienen uno (monoinsaturados) o más (poliinsaturados) dobles enlaces.
   • Ejemplos: ácido oleico (18C, 1 doble enlace), ácido linoleico (18C, 2 dobles enlaces).
   • Tienen «codos» o curvaturas en su estructura que disminuyen el punto de fusión.

Ácidos Grasos Esenciales

Son aquellos que el cuerpo humano no puede producir y, por lo tanto, deben ser ingeridos a través de la dieta. Los principales son el ácido linoleico (omega-6) y el ácido α-linolénico (ALA, omega-3). Se les conoce popularmente como vitamina F (aunque no son vitaminas en el sentido estricto). Son más comunes en vegetales.

Propiedades Químicas de los Ácidos Grasos

• Son ácidos moderadamente fuertes.
• Reacciones importantes:
  • Esterificación: Ácido graso + alcohol → éster + H₂O.
  • Saponificación: Reacción con una base → jabón.
  • Autooxidación: Pueden oxidarse espontáneamente, lo que lleva al enranciamiento.
• Forman micelas en agua: estructuras donde las zonas polares se orientan hacia afuera y las hidrófobas hacia adentro.

Clasificación de Lípidos Saponificables (con Ácidos Grasos)

Son ésteres de ácidos grasos con alcoholes o aminoalcoholes.

1. Lípidos Simples (Hololípidos)

   Contienen solo C, H y O.

   Acilglicéridos (Grasas o Aceites):

   Glicerina + 1, 2 o 3 ácidos grasos → Monoacilglicéridos, Diacilglicéridos o Triacilglicéridos (estos últimos son los más comunes y sirven como reserva energética).

   Ceras:

   Ácido graso + alcohol de cadena larga → sustancias hidrófobas e impermeables (ej. cera de abejas).

2. Lípidos Complejos (Heterolípidos)

   Contienen, además de C, H y O, otros elementos como P, N, etc.

   A. Fosfolípidos

   Tienen un grupo fosfato y son los más abundantes en las membranas celulares.

   Fosfoglicéridos:

   Ácido fosfatídico + alcohol o aminoalcohol (ej. lecitina, fosfatidilserina). Poseen una parte polar (grupo fosfato) y otra no polar (ácidos grasos).

   Esfingolípidos (Fosfoesfingolípidos):

   Esfingosina + ácido graso = ceramida + grupo fosfato + molécula polar. Presentes en membranas del sistema nervioso.

   B. Glucolípidos

   Ceramida + glúcido (sin fosfato). Abundantes en neuronas y en el glucocálix.

   Tipos: Cerebrósidos, Gangliósidos.

   C. Lipoproteínas

   Lípidos asociados a proteínas específicas.

   Función: Transporte de lípidos por la sangre y formación de membranas.

   Tipos de Lipoproteínas según su Densidad:

   1. Quilomicrones
   2. VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad)
   3. LDL (lipoproteínas de baja densidad, conocido como «colesterol malo»)
   4. HDL (lipoproteínas de alta densidad, conocido como «colesterol bueno»)