El papel principal de la energía en la vía metabólica depende del proceso, cuya esencia es la fosforilación oxidativa. Los nutrientes se oxidan, formando así energía que el cuerpo almacena en las mitocondrias de las células como ATP. Cada forma de vida terrestre tiene sus propios nutrientes favoritos, pero el ATP es un compuesto universal, y la energía que produce la fosforilación oxidativa se almacena para ser utilizada en procesos metabólicos.
Bacterias
Hace más de tres mil quinientos millones de años, aparecieron los primeros organismos vivos en nuestro planeta. La vida se originó en la Tierra debido al hecho de que las bacterias que aparecieron, los organismos procarióticos (sin núcleo), se dividieron en dos tipos según el principio de respiración y nutrición. Por respiración, en aeróbicos y anaeróbicos, y por nutrición, en procariotas heterótrofas y autótrofas. Este recordatorio no es redundante, porque la fosforilación oxidativa no puede explicarse sin conceptos básicos.
Entonces, procariotas en relación con el oxígeno(clasificación fisiológica) se dividen en microorganismos aerobios, que son indiferentes al oxígeno libre, y aerobios, cuya actividad vital depende totalmente de su presencia. Son ellos quienes realizan la fosforilación oxidativa, estando en un ambiente saturado de oxígeno libre. Es la ruta metabólica más utilizada con una alta eficiencia energética en comparación con la fermentación anaeróbica.
Mitocondrias
Otro concepto básico: ¿qué es una mitocondria? Esta es la batería de energía de la celda. Las mitocondrias están ubicadas en el citoplasma y hay una cantidad increíble de ellas: en los músculos de una persona o en su hígado, por ejemplo, las células contienen hasta mil quinientas mitocondrias (justo donde ocurre el metabolismo más intenso). Y cuando se produce la fosforilación oxidativa en una célula, es obra de las mitocondrias, que también almacenan y distribuyen energía.
Las mitocondrias ni siquiera dependen de la división celular, son muy móviles, se mueven libremente en el citoplasma cuando lo necesitan. Tienen su propio ADN y, por lo tanto, nacen y mueren solos. Sin embargo, la vida de una célula depende enteramente de ellos, sin mitocondrias no funciona, es decir, la vida es verdaderamente imposible. Las grasas, los carbohidratos y las proteínas se oxidan, lo que da como resultado la formación de átomos de hidrógeno y electrones, equivalentes reductores, que siguen a lo largo de la cadena respiratoria. Así es como ocurre la fosforilación oxidativa, su mecanismo, al parecer, es simple.
No tan fácil
La energía que produce la mitocondria se convierte en otra, que es la energía del gradiente electroquímico puramente de protones que se encuentran en la membrana interna de la mitocondria. Es esta energía la que se necesita para la síntesis de ATP. Y eso es exactamente lo que es la fosforilación oxidativa. La bioquímica es una ciencia bastante joven, solo a mediados del siglo XIX se encontraron gránulos mitocondriales en las células, y el proceso de obtención de energía se describió mucho más tarde. Se ha observado cómo las triosas formadas a través de la glucólisis (y lo más importante, el ácido pirúvico) producen una mayor oxidación en las mitocondrias.
Las triosas utilizan la energía de la división, de la cual se libera CO2, se consume oxígeno y se sintetiza una gran cantidad de ATP. Todos los procesos anteriores están íntimamente relacionados con los ciclos oxidativos, así como con la cadena respiratoria que transporta los electrones. Por lo tanto, la fosforilación oxidativa ocurre en las células, sintetizando "combustible" para ellas: moléculas de ATP.
Ciclos oxidativos y cadena respiratoria
En el ciclo oxidativo, los ácidos tricarboxílicos liberan electrones, que comienzan su viaje a lo largo de la cadena de transporte de electrones: primero a las moléculas de coenzima, aquí el NAD es el principal (dinucleótido de nicotinamida y adenina), y luego los electrones se transfieren a la ETC (cadena de transporte eléctrico),hasta que se combinan con el oxígeno molecular y forman una molécula de agua. La fosforilación oxidativa, cuyo mecanismo se describe brevemente anteriormente, se transfiere a otro sitio de acción. Esta es la cadena respiratoria: complejos proteicos integrados en la membrana interna de las mitocondrias.
Aquí es donde ocurre la culminación: la transformación de energía a través de una secuencia de oxidación y reducción de elementos. De interés aquí son los tres puntos principales en la cadena de electrotransporte donde ocurre la fosforilación oxidativa. La bioquímica analiza este proceso de manera muy profunda y cuidadosa. Quizás algún día nazca de aquí una nueva cura para el envejecimiento. Entonces, en tres puntos de esta cadena, se forma ATP a partir de fosfato y ADP (el difosfato de adenosina es un nucleótido que consiste en ribosa, adenina y dos porciones de ácido fosfórico). Es por eso que el proceso obtuvo su nombre.
Respiración celular
La respiración celular (en otras palabras, tejido) y la fosforilación oxidativa son etapas del mismo proceso en conjunto. El aire se utiliza en todas las células de los tejidos y órganos, donde se descomponen los productos de la escisión (grasas, carbohidratos, proteínas) y esta reacción produce energía almacenada en forma de compuestos macroérgicos. La respiración pulmonar normal se diferencia de la respiración tisular en que el oxígeno entra en el cuerpo y se elimina el dióxido de carbono.
El cuerpo está siempre activo, su energía se gasta en el movimiento y el crecimiento, en la autorreproducción, en la irritabilidad y en muchos otros procesos. Es por esto yLa fosforilación oxidativa se produce en las mitocondrias. La respiración celular se puede dividir en tres niveles: la formación oxidativa de ATP a partir del ácido pirúvico, así como de aminoácidos y ácidos grasos; los residuos de acetilo son destruidos por los ácidos tricarboxílicos, después de lo cual se liberan dos moléculas de dióxido de carbono y cuatro pares de átomos de hidrógeno; los electrones y los protones se transfieren al oxígeno molecular.
Mecanismos adicionales
La respiración a nivel celular asegura la formación y reposición de ADP directamente en las células. Aunque el cuerpo se puede reponer con ácido trifosfórico de adenosina de otra manera. Para ello existen mecanismos adicionales y, en caso necesario, se incluyen, aunque no son tan efectivos.
Estos son sistemas en los que se produce la descomposición de los carbohidratos sin oxígeno: la glucogenólisis y la glucólisis. Esto ya no es fosforilación oxidativa, las reacciones son algo diferentes. Pero la respiración celular no puede detenerse, porque en su proceso se forman moléculas muy necesarias de los compuestos más importantes, que se utilizan para una variedad de biosíntesis.
Formas de energía
Cuando se transfieren electrones en la membrana mitocondrial, donde ocurre la fosforilación oxidativa, la cadena respiratoria de cada uno de sus complejos dirige la energía liberada para mover los protones a través de la membrana, es decir, desde la matriz hasta el espacio entre las membranas. Entonces se forma una diferencia de potencial. Los protones tienen carga positiva y están ubicados en el espacio intermembrana, y negativamenteacto cargado de la matriz mitocondrial.
Cuando se alcanza una determinada diferencia de potencial, el complejo proteico devuelve los protones a la matriz, convirtiendo la energía recibida en una completamente diferente, donde los procesos oxidativos se combinan con la fosforilación de ADP sintético. Durante la oxidación de sustratos y el bombeo de protones a través de la membrana mitocondrial, no se detiene la síntesis de ATP, es decir, la fosforilación oxidativa.
Dos clases
La fosforilación oxidativa y la del sustrato son fundamentalmente diferentes entre sí. Según las ideas modernas, las formas de vida más antiguas solo podían utilizar las reacciones de fosforilación del sustrato. Para esto, los compuestos orgánicos existentes en el ambiente externo se utilizaron a través de dos canales: como fuente de energía y como fuente de carbono. Sin embargo, tales compuestos en el medio ambiente se secaron gradualmente y los organismos que ya habían aparecido comenzaron a adaptarse, buscar nuevas fuentes de energía y nuevas fuentes de carbono.
Entonces aprendieron a usar la energía de la luz y el dióxido de carbono. Pero hasta que esto sucedió, los organismos liberaban energía de los procesos de fermentación oxidativa y también la almacenaban en moléculas de ATP. Esto se denomina fosforilación del sustrato cuando se utiliza el método de catálisis por enzimas solubles. El sustrato fermentado forma un agente reductor que transfiere electrones al aceptor endógeno deseado (acetona, acetalhidrido, piruvato y similares, o H2): se libera hidrógeno gaseoso.
Características comparativas
En comparación con la fermentación, la fosforilación oxidativa tiene un rendimiento energético mucho mayor. La glucólisis da un rendimiento total de ATP de dos moléculas y, en el transcurso del proceso, se sintetizan entre treinta y treinta y seis. Hay un movimiento de electrones a compuestos aceptores desde compuestos donantes a través de reacciones oxidativas y de reducción, formando energía almacenada como ATP.
Los eucariotas llevan a cabo estas reacciones con complejos de proteínas que se localizan dentro de la membrana de la célula mitocondrial, y los procariotas trabajan fuera, en su espacio intermembrana. Es este complejo de proteínas unidas lo que constituye la ETC (cadena de transporte de electrones). Los eucariotas tienen solo cinco complejos de proteínas en su composición, mientras que los procariotas tienen muchos, y todos funcionan con una amplia variedad de donantes de electrones y sus aceptores.
Conexiones y desconexiones
El proceso de oxidación crea un potencial electroquímico, y con el proceso de fosforilación se utiliza este potencial. Esto significa que se proporciona conjugación, de lo contrario, la unión de los procesos de fosforilación y oxidación. De ahí el nombre, fosforilación oxidativa. El potencial electroquímico requerido para la conjugación es creado por tres complejos de la cadena respiratoria: el primero, el tercero y el cuarto, que se denominan puntos de conjugación.
Si la membrana interna de la mitocondria está dañada o su permeabilidad aumenta debido a la actividad de los desacopladores, esto seguramente provocará la desaparición o disminución del potencial electroquímico, yluego viene el desacoplamiento de los procesos de fosforilación y oxidación, es decir, el cese de la síntesis de ATP. El fenómeno de la desaparición del potencial electroquímico se denomina desacoplamiento de la fosforilación y la respiración.
Seccionadores
El estado en el que continúa la oxidación de los sustratos y no se produce la fosforilación (es decir, no se forma ATP a partir de P y ADP) es el desacoplamiento de la fosforilación y la oxidación. Esto sucede cuando los desacopladores interfieren con el proceso. ¿Qué son y qué resultados buscan? Supongamos que la síntesis de ATP se reduce mucho, es decir, se sintetiza en menor cantidad, mientras funciona la cadena respiratoria. ¿Qué sucede con la energía? Exuda como calor. Todo el mundo siente esto cuando tiene fiebre.
¿Tienes temperatura? Así que los interruptores han funcionado. Por ejemplo, antibióticos. Estos son ácidos débiles que se disuelven en las grasas. Penetrando en el espacio intermembrana de la célula, se difunden en la matriz, arrastrando consigo los protones enlazados. La acción desacopladora, por ejemplo, la tienen las hormonas secretadas por la glándula tiroides, que contienen yodo (triyodotironina y tiroxina). Si la glándula tiroides está hiperfuncionando, la condición de los pacientes es terrible: les f alta la energía del ATP, consumen mucha comida, porque el cuerpo requiere muchos sustratos para la oxidación, pero pierden peso, ya que la mayor parte de la la energía recibida se pierde en forma de calor.
