Parte de Exposición

ATP-sintasa
Es una enzima transmembranal que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP, un grupo
fosfato y la energía suministrada por un flujo de protones (H+). Durante la respiración
celular, la síntesis de ATP se denomina fosforilación oxidativa y el flujo de protones tiene
lugar entre el espacio intermembránico y la matriz mitocondrial. En el caso de la
fotosíntesis, se habla de fotofosforilación y la enzima actúa en el lumen y el estroma de los
cloroplastos.
La ATP sintasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran
cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande,
el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 10 moléculas de ATP por
segundo.
Estructura y funciones
 Tiene un diámetro de 10 nm, trabajando con un grado de eficacia de casi el 100%
Formada por dos complejos principales:
 Uno, que atraviesa la membrana mitocondrial interna o la membrana del tilacoide,

se llama Fo (CFo en los tilacoides).
 El otro, que sobresale de la membrana, se llama F1 (CF1 en los tilacoides).
F1 y Fo se asocian mediante interacciones electrostáticas.

Fo (motor impulsado por protones) : formado por las subunidades a, b2 y c10-14.
Las subunidades c forman el «anillo c», que rota en respuesta al flujo de protones por el
complejo.
F1: formado por las subunidades α3, β3, γ, δ y ε. La parte principal del complejo F1 está
formada por tres dímeros αβ.
La actividad catalítica de este hexámero está localizada en las subunidades β. Las
subunidades γ y ε giran impulsadas por el giro del anillo c.
Cada rotación de 120° de la subunidad γ induce cambios conformacionales en las α y β.
Las subunidades b2OSCP1 (Oligomycin Sensitiviy Conferring Protein) enlazan los

componentes F1 y Fo.
(Proteína que confiere sensibilidad a la oligomicina)
Quimiosmosis
Propuesta por Peter Mitchell en 1961.
Propone esencialmente que la mayor parte de la síntesis de ATP en la respiración celular,
viene de un gradiente electroquímico existente entre la membrana interna y el espacio
intermembrana de la mitocondria, mediante el uso de la energía de NADH y FADH2 que se
han formado por la ruptura de moléculas ricas en energía, como la glucosa.
Las coenzimas reducidas procedentes del ciclo de Krebs (NADH + H+ y FADH2) atraviesan
una serie de complejos enzimáticos (cadena de transporte de electrones) en la membrana
mitocondrial interna, que luego los traspasan a otras proteínas en la cadena
transportadora.
Los protones se devuelven a través de la membrana interna, mediante la enzima ATP-
sintasa.
El flujo a través de la ATP-S provee de suficiente energía para que el ADP se convine con Pi
para formar ATP.
Los electrones y protones en la última bomba proteica de la cadena transportadora son
llevados al oxígeno (O2) para formar agua (H2O).
Ésta fue una propuesta radical en su tiempo, y no fue bien aceptada. La visión que
prevalecía era que la energía de la transferencia electrónica se almacenaba en un
intermediario estable de alta energía, un concepto más conservativo del punto de vista
químico. El problema de este viejo paradigma fue que nunca se encontró aquel
intermediario, y la evidencia del bombeo de protones por los complejos de la Cadena de
Transporte de electrones creció de forma tal, que no pudo ser ignorada.
El acoplamiento quimiosmótico es importante en la producción de ATP en el cloroplasto y
muchos tipos de bacteria.
Mecanismos de quimiosmosis
Quimiosmosis en mitocondrias
Quimiosmosis en plantas
Las reacciones luz-dependientes de la fotosíntesis, generan energía mediante
quimiosmosis. La clorofila pierde un par de electrones al ser excitada o energizada por la
luz. Este electrón viaja a través de una cadena transportadora de electrones, terminando
en NADPH, una molécula de alta energía. El gradiente electroquímico generado a través
de la membrana del tilacoide conduce a la producción de ATP mediante la ATP-sintasa.
Este proceso se conoce como fotofosforilación.
Quimiosmosis en bacterias
Las bacterias también pueden utilizar la quimiosmosis para generar ATP. Las
cianobacterias, bacterias verdes del azufre y bacterias púrpuras crean energía por un
proceso llamado fotofosforilación. Estas bacterias usan la energía de la luz para crear un
gradiente de protones usando una cadena trasportadora de electrones fotosintética.
Algunas bacterias no-fotosintetizadoras como la E. coli, también contiene ATP-sintasa.
De hecho, se cree que las mitocondrias y los cloroplastos se formaron cuando las células
eucariontes tempranas ingirieron bacterias que pudieran crear energía mediante la
quimiosmosis. Esto es denominado teoría endosimbiótica.
Fuerza protón-motriz
Es generada por una cadena transportadora de electrones, que actúa como una bomba
tanto de electrones como de protones, bombeando electrones en direcciones opuestas,
creando una separación de carga.
En la mitocondria, la liberación de energía libre desde la cadena transportadora de
electrones, es utilizada para mover protones desde la matriz mitocondrial al espacio
intermembrana de la mitocondria.
Al moverse las cargas a las partes externas crea concentraciones levemente altas de
partículas cargadas positivamente, teniendo como resultado un lado positivo y uno
negativo como una batería, dando como resultado un gradiente electroquímico.
(El gradiente eléctrico generado es de aproximadamente -200 mV (matriz negativa))
Este gradiente se constituye de dos partes: Gradiente de pH y gradiente eléctrico.
 Gradiente de pH: corresponde a la diferencia en la concentración del ion H+

Juntos, el gradiente electroquímico de protones corresponde tanto a la concentración
como a la diferencia de carga que se pueda generar, se denomina Fuerza Protón-Motriz
(FPM).
En la mitocondria, la FPM se crea mayoritariamente por el componente eléctrico,
mientras que, en los cloroplastos, la FPM es prácticamente creada por el gradiente de pH.
En cualquiera de los casos, la FPM necesita ser de 50 kJ/mol aproximadamente para que la
ATP-sintasa sea capaz de producir ATP.
Mecanismo de la síntesis de ATP

La síntesis de ATP se puede escribir como:
ADP + Pi + nH+p → ATP + H2O + nH+P
- F1 (quien cataliza la síntesis de ATP, que es fuertemente endergónica) a partir de
ADP y Pi.
- Esta reacción catalítica se impulsa con la fuerza protón-motriz a través de la
membrana mitocondrial causando el movimiento de giro del anillo c.
- γ al estar unida al anillo c también rota.
- En cada rotación de 120º de la subunidad γ induce la aparición de cambios de
conformación en los centros catalíticos de las unidades β de los dímeros αβ, por lo
que los centros de fijación de nucleótidos se van alternando entre tres estados:
Estado O = estado abierto, L = unión libre y T= unión tensa (en inglés, tight).
Aunque la composición de aminoácidos de las tres subunidades β es idéntica, sus
conformaciones difieren en parte por la asociación a al subunidad γ.
- Los dímeros αβ son asimétricos, cada uno de ellos presenta una conformación
diferente en cada estado.
- Las tres subunidades β interaccionan de tal modo que, cuando una adopta la
conformación O, otra ha de adoptar la conformación L y la del otro una conformación
T.
Pasos
 Se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi.

 Después pasa al estado T el cual condensa el ADP y el Pi a ATP con la formación de
un enlace fosfodiéster.
 Finalmente, el estado O deja libre el ATP.
 Luego vuelve al estado L iniciando nuevamente la siguiente ronda de síntesis.
Una rotación completa de la subunidad γ provoca que cada subunidad β se cicle a través
de sus tres conformaciones posibles
En cada rotación se sintetizan y se liberan de la superficie de la enzima tres moléculas de
ATP.
La interconvención conducida por protones (direccional y cíclica) de los estados O, L y T,
permite una producción continua. Este mecanismo se conoce como mecanismo de cambio
de la fijación.
Acoplamiento del transporte electrónico y la síntesis de ATP

El gradiente electroquímico acopla el ritmo de la cadena de transporte electrónico con el
ritmo de la síntesis de ATP. Debido a que el flujo electrónico necesita el bombeo de
protones, el flujo electrónico no puede producirse más rápidamente que la utilización de
los protones para síntesis de ATP (fosforilación oxidativa acoplada), significando en una
relación estrechamente acoplada entre la oxidación y la fosforilación.
Esto lleva a que los sustratos se oxidan, los electrones se transportan y el oxígeno se
consuma tan solo cuando se requiere la síntesis de ATP. Por lo tanto, las mitocondrias en
reposo consumen oxígeno a una velocidad lenta, pero que puede incrementarse
enormemente en presencia de ADP. Las mitocondrias captan el ADP, lo que estimula la
ATP sintasa que disminuye el gradiente de protones. Entonces aumenta la respiración,
puesto que se estimulan las bombas de protones para restablecer el gradiente. Por tanto,
se puede resumir diciendo que el “control respiratorio” es la dependencia de captación de
oxígeno por las mitocondrias según la disponibilidad de ATP.
Desacopladores sintéticos
Se trata de un fenómeno donde los protones retornan a la matriz sin pasar por la ATP sintasa,
lo que implica la no generación de ATP.
Es provocado por compuestos químicos, conocidos como desacopladores o como

ionóforos protónicos. Los desacoplantes suelen ser compuestos hidrófobicos (bases o
ácidos débiles), con un pKa cercano al pH 7, que captan protones rápidamente en el
espacio intermembrana.
Su liposolubilidad les permite difundir a través de la membrana mitocondrial interna
transportando los protones y liberándolos en el lado de la matriz. La entrada rápida de
protones disipa el gradiente de potencial electroquímico; por tanto la ATP sintasa es
incapaz de sintetizar ATP, lo cual provoca que la membrana interna pierda su integridad
estructural y, por extensión, las mitocondrias también.
El desacoplamiento de la fosforilación oxidativa hace desaparecer el gradiente de
protones sin intervención de la ATP sintasa.
El 2,4-dinitrofenol (DNP) es una de la biomoléculas que tiene una función desacopladora

El ácido acetilsalicílico desacopla la fosforilación oxidativa en dosis elevadas. Esto explica
la fiebre que acompaña a las sobredosis tóxicas de estos fármacos.
Inhibidores de la ATP sintasa

La oligomicina se fija en el tallo de la ATP sintasa, inhibiendo el canal de protones, por
tanto, previniendo el reingreso de protones en la matriz mitocondrial. Como los
gradientes de pH y eléctricos no se pueden disipar en presencia de la oligomicina, el
transportador de protones se detiene por la dificultad para el bombeo de más protones
contra los gradientes muy inclinados. Causa una acumulación de protones en el espacio
intermembrana.

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 Uno, que atraviesa la membrana mitocondrial interna o la membrana del tilacoide,

F1 y Fo se asocian mediante interacciones electrostáticas.

Las subunidades b2OSCP1 (Oligomycin Sensitiviy Conferring Protein) enlazan los

(Proteína que confiere sensibilidad a la oligomicina)

Este gradiente se constituye de dos partes: Gradiente de pH y gradiente eléctrico.

 Gradiente de pH: corresponde a la diferencia en la concentración del ion H+

Mecanismo de la síntesis de ATP

 Se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi.

Acoplamiento del transporte electrónico y la síntesis de ATP

Es provocado por compuestos químicos, conocidos como desacopladores o como

El 2,4-dinitrofenol (DNP) es una de la biomoléculas que tiene una función desacopladora

Inhibidores de la ATP sintasa

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