Fosforilación oxidativa: definición, pasos y productos

Analogía para la fosforilación oxidativa

Para comprender un proceso químico como la fosforilación oxidativa a nivel molecular, me gustaría comenzar usando una analogía que todos puedan visualizar: comparar los pasos dentro de la fosforilación oxidativa con el uso de agua que cae en una represa hidroeléctrica para hacer otro trabajo.

Las represas hidroeléctricas utilizan el agua que cae para convertir la energía cinética en toda la energía eléctrica que usamos en nuestros hogares. El agua que cae está alimentando indirectamente mi computadora, lavadora, lavavajillas, lámpara de escritorio, impresora y ventilador de techo. Este proceso puede ser fácilmente entendido por un observador como usted y como yo porque es en una escala suficientemente grande. Una gran cantidad de agua se mantiene en lo alto de un acantilado, con el potencial de liberar mucha energía cuando se permite que la gravedad la tire naturalmente hacia abajo a través de la presa. La presa recolecta esta energía liberada y luego la convierte en energía eléctrica utilizando el flujo de agua que cae para hacer girar los imanes. Estos imanes giratorios crean electricidad, que se recoge en un material conductor, como cables de cobre, y se envía a nuestros hogares para realizar otros trabajos.

La materia y la energía a nivel molecular también fluyen en una dirección predecible. La energía viaja desde donde hay mucha energía hacia donde hay menos energía. La materia viaja desde donde hay mucho de ese tipo específico de materia hasta donde hay menos de esa materia. Para ayudar a visualizar esta propiedad, tenga en cuenta la analogía de la presa hidroeléctrica a lo largo de la siguiente discusión sobre la fosforilación oxidativa, que usa electrones que caen e iones de hidrógeno para realizar otro trabajo, como producir ATP.

¿Qué es el ATP y la fosforilación?

La molécula que se muestra arriba se conoce como ATP , abreviatura de trifosfato de adenosina. Es el personaje central de la bioenergética o la transformación de la energía para trabajar en un sistema vivo. Está compuesto por un ácido nucleico (adenina), un azúcar (ribosa) y una cola de trifosfato (3PO 4 3- ).

La cola de trifosfato de ATP es el equivalente químico de un resorte cargado. Perder un fosfato de su cola es como un resorte que regresa a su estado más inútil o que se relaja. La célula aprovecha esta fuente de energía mediante el uso de enzimas para transferir grupos fosfato del ATP a otros compuestos, que luego se dice que están fosforilados. La fosforilación prepara a una molécula para que experimente algún tipo de cambio que realiza un trabajo, y la molécula pierde su grupo fosfato en el proceso. Si la celda fuera como un reloj, el ATP sería como el resorte en espiral que proporciona la energía necesaria para mover todos los engranajes dentro del reloj. Pero a diferencia de un reloj, que debe retroceder, una célula viva puede reciclar el ATP usado agregando más fosfatos a sus formas usadas, ADP o AMP (difosfato de adenosina o monofosfato de adenosina) a través del proceso de fosforilación oxidativa.

¿Qué es la fosforilación oxidativa?

La fosforilación oxidativa es el uso de electrones que caen del hidrógeno en la glucosa al oxígeno en una célula viva. Estos electrones que caen proporcionan la energía necesaria para bombear iones H + cuesta arriba. Cuando estos iones H + caen cuesta abajo, esta energía se usa para fosforilar, o unir un grupo fosfato (-PO 4 3- ), al ADP para producir la molécula de alta energía ATP, que la célula ahora puede usar nuevamente para hacer un trabajo vital.

Cómo funciona el proceso

Así como nuestro cuerpo tiene varios órganos con funciones específicas que realizar, cada célula de nuestro cuerpo tiene orgánulos , que son órganos diminutos con funciones específicas que ayudan a la célula a sobrevivir. El orgánulo donde se produce la fosforilación oxidativa se conoce como mitocondria y se muestra en el modelo siguiente, junto con la imagen de microscopio electrónico.

Las mitocondrias son como las plantas de energía de la célula. La cantidad de mitocondrias dentro de una célula está directamente relacionada con la actividad de la célula o con la cantidad de energía que necesita. Una de las principales moléculas portadoras de energía dentro de una célula es el ATP, y es producido por las mitocondrias a través de un proceso de tres pasos que aprenderemos en la siguiente sección. El proceso general que realizan las mitocondrias se conoce como respiración celular, y la siguiente ecuación química resume el proceso de quemar azúcar en presencia de oxígeno, que produce dióxido de carbono, agua y energía (calor y ATP):

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 —> 6CO 2 + 6H 2 O + Energía (aproximadamente 38 ATP y 686 calorías)

Aquí está la traducción de esta ecuación a una oración más comprensible: una molécula de glucosa en presencia de seis moléculas de oxígeno producirá seis moléculas de dióxido de carbono, seis moléculas de agua, aproximadamente treinta y ocho moléculas de ATP y emitirá 686 Calorías

Este proceso es similar a la combustión de gasolina en presencia de oxígeno para impulsar los pistones de un automóvil. Ambos tienen dióxido de carbono, agua y energía como productos finales. El coche y la célula viva utilizan la energía de la descomposición de la molécula orgánica (gasolina o glucosa) para realizar otras tareas y emitir mucho calor.

Las 3 etapas de la respiración

La respiración es una función acumulativa de tres etapas metabólicas, que se esquematizan a continuación:

La glucólisis , o la división del azúcar, ocurre fuera de una mitocondria y es la descomposición inicial de la glucosa en dos moléculas menos complejas conocidas como piruvato, que luego pueden ingresar a la mitocondria. En general, el proceso produce 2 piruvato más 2 moléculas de agua, 2 ATP, 2 moléculas de NADH y 2 iones de hidrógeno (H + ). El NADH transporta electrones al paso de fosforilación oxidativa de la respiración celular, que ocurre dentro de la mitocondria. Cuando el piruvato ingresa a la mitocondria, se convierte en otra molécula llamada Acetil CoA, que luego pasa por la segunda etapa del metabolismo, conocida como ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs produce 6 moléculas de dióxido de carbono, 7 moléculas de NADH, 2 moléculas de FADH 2(otro portador de electrones) y 2 moléculas de ATP. Los iones de hidrógeno y los electrones transportados por NADH y FADH 2 se utilizan en la última etapa del metabolismo, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

Fabricación de ATP durante el proceso

La fosforilación oxidativa ocurre dentro de la membrana mitocondrial interna y la matriz mitocondrial. Incrustadas dentro de la membrana mitocondrial interna hay varias proteínas que pasan los electrones transportados por NADH y FADH 2 lentamente cuesta abajo, liberando energía a lo largo del camino en cantidades manejables hasta O 2 , oxígeno molecular. Si estos electrones cayeran de NADH o FADH 2 directamente al O 2 , serían dos de las energías liberadas a la vez, al igual que el flujo de agua a través de una presa también tiene que ser ralentizado, o de lo contrario el sistema se rompería.

La energía liberada por estos electrones que caen se utiliza para bombear iones de hidrógeno (H + ) cuesta arriba. Luego, cuando estos iones de hidrógeno caen cuesta abajo, lo hacen a través de complejos de proteínas llamados ATP sintasas. Este es el sitio de fosforilación oxidativa y la producción de aproximadamente 34 moléculas de ATP a partir de una molécula de glucosa. Este diagrama anterior es un modelo simplificado de estos dos procesos interrelacionados necesarios para producir ATP a través de la fosforilación oxidativa:

Resumen de la lección

Revisemos. La fosforilación oxidativa utiliza la energía liberada por los electrones que caen cuesta abajo para agregar fosfato al difosfato de adenosina para producir ATP. El ATP , o trifosfato de adenosina, es la molécula de mayor energía que utiliza una célula para trabajar y sobrevivir. La fosforilación oxidativa es una etapa de la respiración celular y ocurre dentro de los orgánulos , u órganos diminutos con funciones específicas que ayudan a la célula a sobrevivir, de la célula, específicamente de las mitocondrias , o las plantas de energía de la célula. Junto con la glucólisis, o la división del azúcar, permite que una célula viva metabolice la glucosa, convirtiéndola en una forma más útil para la célula. Revisando la analogía de la presa, es como convertir el agua corriente en una forma más útil para nosotros, la electricidad. El proceso general de la respiración celular se puede representar en la siguiente ecuación química:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 —> 6CO 2 + 6H 2 O + Energía (Calor + ATP), la última de las cuales sería aproximadamente 38 ATP y 686 Calorías en el caso de quemar azúcar en presencia de oxígeno .

Traducido al inglés, esta ecuación dice: Una molécula de glucosa en presencia de seis moléculas de oxígeno producirá seis moléculas de dióxido de carbono, seis moléculas de agua, aproximadamente treinta y ocho moléculas de ATP y emitirá 686 calorías.

La fosforilación oxidativa es el proceso a través del cual se produce ATP en esta ecuación que acabamos de ver durante la respiración celular.

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