Bioquímica General · Nivel Intermedio Unidad 4 Parte 2 de 2

Fosforilación
Oxidativa

Relación P/O · Mecanismo quimiosmótico · ATP sintasa F₀F₁ · Control respiratorio · Transporte de sustratos y metabolitos

Relación P/O y eficiencia— cuantificación de ATP por par electrónico

Mecanismo quimiosmótico— gradiente protónico y fuerza protón motriz

ATP sintasa F₀F₁— máquina rotatoria molecular

Control respiratorio— regulación por ADP, desacopladores

Transporte de sustratos y metabolitos— translocasas, ATP/ADP, piruvato, Ca²⁺

Ref.: M. Chairez. Unidad 4: Bioenergética y metabolismo. Bioquímica General, UACJ, s.f.

🎯

Diapositiva 02 · Objetivos

Al terminar esta clase podrás…

1

Calcular e interpretar la relación P/O y estimar la eficiencia energética de la fosforilación oxidativa bajo condiciones estándar e intracelulares.

2

Explicar el modelo quimiosmótico de Mitchell: cómo el gradiente de protones (fuerza protón motriz) generado por los complejos I, III y IV impulsa la síntesis de ATP.

3

Describir la estructura y el mecanismo rotatorio de la ATP sintasa F₀F₁: las tres conformaciones del sitio de unión (L, T, O) y cómo la rotación de la subunidad γ impulsa la síntesis de ATP.

4

Explicar el control respiratorio y distinguir los efectos de los desacopladores (DNP, FCCP), la oligomicina y los ionóforos sobre el transporte electrónico y la síntesis de ATP.

5

Identificar los principales sistemas de transporte de la membrana interna: translocasa de adenina nucleótido, fosfato translocasa, transportadores de sustratos del ciclo cítrico y Ca²⁺.

📊

Diapositiva 03 · Relación P/O

Relación P/O y eficiencia de la fosforilación oxidativa

📐 Idea central

La relación P/O es el número de moléculas de ATP sintetizadas por par de electrones transportados. Mide la eficiencia del acoplamiento entre transporte electrónico y fosforilación. ≈3 para NADH · ≈2 para FADH₂/succinato.

⚡ Energética global

Sustrato	P/O	ATP sintetizados	Energía capturada
NADH → O₂	≈ 3	3 ATP	≈42% (93/220 kJ)
FADH₂/succinato → O₂	≈ 2	2 ATP	Menor eficiencia

Cálculo de eficiencia

Oxidación de 1 mol NADH libera −220 kJ/mol. Síntesis de 3 ATP requiere 3 × 31 = 93 kJ. Eficiencia estándar ≈ 42%. En condiciones intracelulares, ΔG del ATP es mayor, elevando la eficiencia real.

🔬 Determinación experimental

Se mide la incorporación de fosfato al ATP (síntesis de ATP)
Se determina la captación de O₂ con electrodo de O₂ de registro
La relación P/O da valores no enteros → el acoplamiento es indirecto
Los complejos I, III y IV impulsan síntesis de ATP; el II, no

Reacciones acopladas clave

Las tres reacciones con energía libre superior a la necesaria para ATP:

Oxidación de FMNH₂ por CoQ (Complejo I)
Oxidación del Cit b por Cit c₁ (Complejo III)
Reacción de la citocromo oxidasa (Complejo IV)

⚙️

Diapositiva 04 · ATP Sintasa

ATP Sintasa F₀F₁ — La máquina rotatoria molecular

⚙️ Idea central

La ATP sintasa es una máquina rotatoria molecular. El paso de protones a través de F₀ genera la rotación de la subunidad γ, que impulsa cambios conformacionales en F₁ para sintetizar ATP. El paso dependiente de energía no es la síntesis sino la liberación del ATP.

🔩 Estructura del complejo F₀F₁

Componente	Subunidades	Función
F₁ (nudo)	α₃β₃γδε	Sitio catalítico de síntesis de ATP
F₀ (base)	a, b, c	Canal protónico transmembrana; lugar de unión de oligomicina

Tres conformaciones de los dímeros αβ

L (laxa) Baja afinidad por nucleótidos T (compacta) ATP unido firmemente O (abierta) Libera el ATP sintetizado

🔄 Mecanismo rotatorio (2 pasos por 120°)

1

Rotación de 120° de γ

Propulsada por flujo de H⁺ a través de F₀. Abre el sitio T → libera ATP. Un sitio abierto une ADP + Pᵢ.

2

Rotación adicional de 120°

ADP + Pᵢ unidos pasan a sitio T → conversión espontánea a ATP. Sitio O (del que salió ATP) une nuevos ADP + Pᵢ.

Comprobación experimental

Se inmovilizaron las subunidades β y se unió un filamento de actina fluorescente a la subunidad γ. La adición de ATP estimuló la rotación observable en contra de las agujas del reloj (dirección de hidrólisis). La síntesis in vivo ocurre en dirección contraria.

🌊

Diapositiva 05 · Mecanismo Quimiosmótico

Modelo quimiosmótico y fuerza protón motriz

🌊 Idea central — Mitchell

La energía del transporte electrónico impulsa el bombeo de protones desde la matriz al espacio intermembrana. El gradiente electroquímico resultante (fuerza protón motriz, fpm) impulsa la síntesis de ATP cuando los protones regresan a través de F₀.

⚡ El gradiente electroquímico

Parámetro	Valor	Efecto
Diferencia de pH	1.4 unidades	pH exterior < pH interior (más ácido afuera)
Potencial eléctrico	0.14 V	Interior más negativo (−) que exterior
fpm total	≈ 0.224 V	≈ 21 kJ/mol por par de e⁻ → impulsa síntesis de ATP

Fórmula de la fpm

fpm = ΔΨ − (2.303 RT/F) · ΔpH
Los dos gradientes actúan de forma sinérgica: el eléctrico y el químico impulsan juntos el regreso de H⁺ a través de F₀.

🔬 Evidencias del modelo quimiosmótico

Se midieron cambios de pH y potencial eléctrico a través de membranas mitocondriales
La rotura de la membrana permite transporte electrónico pero no síntesis de ATP
Los transportadores de H⁺ están asimétricos: captan H⁺ de la matriz y los liberan al espacio intermembrana
Verificado con reactivos que no atraviesan la membrana (marcan solo un lado)
La citocromo oxidasa (IV) se une al Cit c solo en el lado citosólico

Otros usos de la fpm

Los gradientes protónicos electroquímicos también impulsan transporte activo de sustratos y otras funciones distintas a la fosforilación oxidativa.

⚠️

Diapositiva 06 · Desacopladores

Desacopladores, inhibidores e ionóforos

Concepto clave

Los desacopladores disipan el gradiente protónico sin sintetizar ATP, permitiendo que el transporte electrónico continúe a máxima velocidad pero sin producir ATP. Toda la energía se libera como calor.

💊 Compuestos y mecanismos

Compuesto	Mecanismo	Efecto neto
DNP / FCCP	Transportan H⁺ a través de la membrana interna (desacopladores)	Disipan gradiente protónico; O₂ se consume sin ATP
Oligomicina	Se une a proteína de F₀; inhibe directamente la ATP sintasa	Inhibe síntesis de ATP e indirectamente frena transporte electrónico
Valinomicina	Ionóforo para K⁺ (no H⁺)	Disipa potencial eléctrico de la membrana
Nigericina	Ionóforo que intercambia K⁺/H⁺	Disipa gradiente de pH

🌡️ Desacoplamiento natural — Termogénesis

🐻

Tejido adiposo pardo — hibernación

En condiciones de frío, la proteína desacoplante (UCP-1/termogenina) en mitocondrias del tejido adiposo pardo permite que los protones regresen a la matriz sin pasar por F₀. La oxidación de grasas genera calor en vez de ATP.

Importancia clínica

El DNP fue usado como agente adelgazante en los años 30. Causó muertes por hipertermia (temperatura corporal letal). Ilustra el peligro de disociar respiración de fosforilación.

🎛️

Diapositiva 07 · Control Respiratorio

Control respiratorio — Regulación por ADP

🎛️ Idea central

La fosforilación oxidativa se controla no por mecanismos alostéricos, sino por la disponibilidad de sustratos: ADP, Pᵢ, O₂ y metabolitos oxidables (NADH/FADH₂). El ADP es el regulador principal: su acumulación activa la respiración.

⚖️ Acoplamiento respiración ↔ síntesis de ATP

Alta demanda energética

ATP → ADP+Pᵢ (consumo rápido) → ↑ ADP → estimula transporte electrónico → ↑ síntesis de ATP

Baja demanda (reposo)

ADP se agota → ↓ tasa de transporte electrónico → la respiración se ralentiza hasta que se consuma más ATP

Concentraciones celulares típicas

[ATP]/[ADP] ≈ 4–10 en células bien nutridas. La relación carga energética (≈0.9) refleja el estado metabólico favorable.

🔬 Demostración experimental

1

Mitocondrias aisladas sin ADP

Captación de O₂ lenta (solo sustratos endógenos).

2

Adición de sustrato oxidable

Pequeño aumento de O₂. Sin ADP, el flujo sigue limitado.

3

Adición de ADP

Captación de O₂ aumenta drásticamente hasta que todo el ADP se convierte en ATP.

4

ADP agotado → vuelta a nivel basal

La estimulación es estequiométrica: 2× ADP → 2× captación de O₂.

Control de acoplamiento

Acoplamiento máximo = 10 (relación O₂ con/sin ADP). Mitocondrias rotas → desacopladas → O₂ elevado incluso sin ADP.

🚪

Diapositiva 08 · Transporte de Sustratos

Transporte de metabolitos a través de la membrana interna

Permeabilidad selectiva

La membrana externa es libremente permeable a muchas sustancias. La membrana interna es muy selectiva — solo deja pasar lo que el transportador específico permite. Esto es esencial para mantener los gradientes electroquímicos.

🔄 Transporte de ATP/ADP y Pᵢ

🔁

Translocasa de adenina nucleótido

Antiporte: intercambia ATP saliente ↔ ADP entrante. Impulsada por el gradiente protónico. Asegura que el ATP producido salga a donde se necesita y el ADP vuelva para ser fosforilado.

⚡

Fosfato translocasa

Modo antiporte: H₂PO₄⁻ entra junto con salida de OH⁻. Modo simporte: H₂PO₄⁻ entra con 2H⁺. Ambos mantienen neutralidad eléctrica.

🧪 Otros transportadores clave

Sistema	Transporta	Uso
Piruvato	Piruvato/OH⁻	Catabolismo de carbohidratos
Dicarboxilato	Succinato, fumarato, malato/Pᵢ	Ciclo cítrico ↔ citosol
Tricarboxilato	Citrato/isocitrato + ácido dicarboxílico	Biosíntesis de lípidos (exporta citrato)
Ca²⁺	Ca²⁺ entra por potencial eléctrico; sale por H⁺/Na⁺	Regulación de procesos citosólicos

Rendimiento global

La oxidación completa de 1 mol de glucosa genera ≈ 38 moles de ATP (glucólisis + ciclo cítrico + fosforilación oxidativa).

✏️

Diapositiva 09 · Práctica

Ejercicio de comprensión — Parte 2

P1

¿Por qué el paso dependiente de energía en la ATP sintasa no es la síntesis del ATP sino su liberación?

a Porque la síntesis requiere la hidrólisis del GTP
b ✓ Porque el ATP se forma espontáneamente por condensación de ADP+Pᵢ en el sitio T; la energía de la rotación de γ se usa para abrir el sitio T y liberar el ATP
c Porque la reacción de condensación de ADP es endergónica

P2

Si se añade DNP (desacoplador) a mitocondrias activas, ¿qué se espera observar?

a Disminución del consumo de O₂ y aumento de la síntesis de ATP
b ✓ Aumento del consumo de O₂ sin síntesis de ATP, con disipación de energía como calor
c Bloqueo completo del transporte electrónico por inhibición del Complejo IV

P3

¿Por qué la oligomicina inhibe indirectamente el transporte electrónico si actúa directamente sobre la ATP sintasa?

a Porque bloquea el canal de protones en el Complejo III
b ✓ Porque al inhibir F₀F₁, el gradiente protónico se vuelve demasiado elevado para que los complejos I, III y IV sigan bombeando H⁺
c Porque la oligomicina altera la estructura de la CoQ

P4

¿Qué le ocurre a la tasa de respiración cuando el ADP se agota en una célula en reposo?

a Aumenta para compensar la falta de ADP
b ✓ Disminuye, porque sin ADP no hay sustrato para la fosforilación y el transporte electrónico se frena (control respiratorio)
c Permanece constante porque el O₂ sigue disponible

P5

¿Cuál es la función de la translocasa de adenina nucleótido y qué gradiente la impulsa?

a Simporte de ATP + H⁺; impulsado por el gradiente de pH
b ✓ Antiporte ATP saliente ↔ ADP entrante; impulsado por el gradiente protónico generado por la ATP sintasa
c Transporte de piruvato hacia la matriz; impulsado por el potencial eléctrico

🏆

Diapositiva 10 · Actividad evaluable

Actividad integradora: análisis de caso

🎯 Escenario

Un investigador trata mitocondrias aisladas con una combinación de oligomicina + valinomicina. Diseña un experimento para medir consumo de O₂ y síntesis de ATP antes y después del tratamiento. Analiza los resultados esperados. Tiempo: 25 min.

1️⃣

Predice el efecto de la oligomicina sola

¿Qué ocurre con el consumo de O₂ y la síntesis de ATP? ¿Por qué? Explica en términos del gradiente protónico y el control respiratorio.

2️⃣

Predice el efecto de la valinomicina sola

¿Cómo afecta al potencial eléctrico y al gradiente de pH por separado? ¿Podría parcialmente disociar el transporte electrónico de la síntesis de ATP?

3️⃣

Predice el efecto combinado

¿Qué ocurre cuando ambos compuestos se usan juntos? Relaciona con el concepto de disipación total de la fpm y su efecto sobre la síntesis de ATP y el transporte electrónico.

4️⃣

Compara con el DNP

¿En qué se diferencia el mecanismo de la combinación oligomicina+valinomicina respecto al DNP? ¿El resultado sobre el ATP es el mismo o distinto?

Entregable

Análisis escrito con predicciones justificadas para cada condición. Incluir un esquema simplificado de la membrana interna mostrando los efectos.

Criterios

Corrección conceptual · Uso de terminología adecuada (fpm, gradiente protónico, desacoplamiento) · Comparación correcta entre mecanismos

✅ Parte 2 completada ✅ Tema completo

Ideas clave — Fosforilación Oxidativa

Relación P/O

≈3 para NADH · ≈2 para FADH₂. Eficiencia ≈42% en condiciones estándar. Complejos I, III, IV impulsan síntesis; Complejo II, no.

Quimiosmótico

Bombeo de H⁺ al espacio intermembrana → fpm (ΔpH + ΔΨ ≈ 0.224V). H⁺ regresan por F₀ → impulsan F₁ → ATP.

ATP sintasa F₀F₁

Máquina rotatoria. Rotación de γ (120° por H⁺) → cambios L→T→O en dímeros αβ. El paso de energía = liberar ATP del sitio T.

Control resp.

Controlado por disponibilidad de ADP. Sin ADP → respiración lenta. Desacopladores (DNP) disipan gradiente → O₂ sin ATP.

Transportadores

Translocasa ATP/ADP (antiporte) · Fosfato translocasa · Piruvato · Dicarboxilato · Tricarboxilato · Ca²⁺. Glucosa completa → ≈38 ATP.

Bioquímica General · Fosforilación Oxidativa · Parte 2 de 2 · UACJ