Dentro de la membrana interna de la mitocondria se encuentran muchas copias de un complejo proteico llamado ATP sintasa, la enzima que -de hecho- sintetiza ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. La ATP sintasa funciona como una bomba iónica que trabaja en sentido inverso. Las bombas iónicas utilizan ATP como fuente de energía para transportar los iones contra sus gradientes. En el modo inverso de este proceso, la ATP sintasa emplea la energía de un gradiente iónico existente para impulsar la síntesis del ATP.

El gradiente iónico que impulsa la fosforilación es un gradiente de protones (iones hidrógeno), es decir, la fuente de poder para la ATP sintasa es una diferencia en la concentración de H+ de lados opuestos de la membrana interna de la mitocondria (podemos pensar también en este gradiente como una diferencia de pH, dado que el pH es una medida de la concentración de H+). Este proceso, en el cual la energía almacenada en forma de un gradiente de iones hidrógeno a través de una membrana se emplea para impulsar el trabajo celular, como la síntesis de ATP, se denomina quimiósmosis. Hemos empleado previamente la palabra ósmosis al analizar el transporte de agua, pero aquí se refiere al flujo de H+ a través de una membrana.

ATP sintasa

La ATP sintasa es un complejo de múltiples subunidades con cuatro partes principales, cada una de las cuales está formada por múltiples polipéptidos: un rotor en la membrana mitocondrial interna; un pomo que sobresale hacia el interior de la matriz mitocondrial; un vástago que se extiende desde el rotor al pomo y un estator que se encuentra anclado cerca del rotor que mantiene el pomo quieto.

Los iones hidrógeno fluyen por un espacio estrecho entre el estator y el rotor, y ocasionan que éste y su vástago unido roten, de forma similar a una corriente de agua que hace girar un molino hidráulico. El vástago que gira provoca cambios estructurales en el pomo estacionario y activa tres sitios catalíticos en las subunidades que constituyen el pomo, de modo que se combinan ADP y fosfato inorgánico para sintetizar ATP.

Entonces, ¿de qué manera la membrana mitocondrial interna genera y mantiene el gradiente de H+ que impulsa la síntesis de ATP en el complejo de la proteína ATP sintasa?

Crear el gradiente de H+ es la función de la cadena de transporte de electrones. La cadena es un transformador energético que emplea el flujo exergónico de electrones para bombear H+ a través de la membrana, desde la matriz de la mitocondria al interior del espacio intramembrana.

El H+ tiene una tendencia a retroceder y atravesar la membrana para difundirse a favor de su gradiente. Las ATP sintasas son los únicos sitios de la membrana que tienen permeabilidad absoluta para iones H+. Los iones pasan a través de un canal presente en la ATP sintasa, que emplea el flujo exergónico de H+ para impulsar la fosforilación de ADP. Así, la energía almacenada en un gradiente de H+ a través de una membrana acopla las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP, un ejemplo de quimiósmosis.

Ciertos miembros de la cadena de transporte de electrones aceptan y liberan protones (H+) junto con los electrones. En ciertos pasos a lo largo de la cadena, la transferencia de electrones hace que los H+ sean captados y liberados en la solución del entorno. Los transportadores de electrones están dispuestos espacialmente en la membrana, de modo que el H+ se capta desde la matriz mitocondrial y se deposita en el espacio intermembrana. El gradiente de H+ resultante se conoce como fuerza motriz protónica, haciendo hincapié en la capacidad del gradiente para llevar a cabo trabajo. La fuerza retroimpulsa al H+ a través de la membrana empleando canales específicos de H+ que aportan las ATP sintasas.

En términos generales

La quimiósmosis es un mecanismo de acoplamiento energético que emplea la energía almacenada en forma de un gradiente de H+ a través de una membrana para realizar trabajo celular. En las mitondrias, la energía para la formación del gradiente procede de las reacciones redox exergónicas y la síntesis de ATP es el trabajo realizado. Pero la quimiósmosis ocurre también en cualquier lugar y en otras variaciones. Los cloroplastos emplean la quimiósmosis para generar ATP durante la fotosíntesis; en estos orgánulos, la luz (en lugar de la energía química) impulsa tanto el flujo de electrones a lo largo de una cadena de transporte de electrones como la formación del gradiente de H+ resultante.

Los procariontes, que carecen tanto de mitocondrias como de cloroplastos, generan gradientes de H+ a través de sus membranas plasmáticas. Luego, explotan la fuerza motriz protónica, no solo para sintetizar ATP, sino también para bombear nutrientes y productos de desecho a través de la membrana y para rotar sus flagelos. A raíz de su importancia central para las conversiones energéticas en los procariontes y eucariontes, la quimiósmosis ha ayudado a unificar el estudio de la bioenergética. Peter Mitchell recibió el Premio Nobel en 1978 al formular la original propuesta del modelo quimiosmótico.

La quimiósmosis acopla la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP

El NADH y el FADH2 llevan electrones de alta energía extraídos de los alimentos durante la glucólisis y el ciclo de Krebs a una cadena de transporte de electrones construida en la membrana interna de la mitocondria. La flecha roja traza el transporte de electrones que finalmente pasan al oxígeno en el extremo “cuesta abajo” de la cadena para formar agua.

La mayoría de los transportadores de electrones de la cadena se agrupan en cuatro complejos. Dos transportadores móviles, la ubiquinona (Q) y el citocromo c (Cyt c), se mueven rápidamente en la membrana llevando electrones entre los grandes complejos. A medida que los complejos I, III y IV aceptan y luego donan electrones, bombean iones hidrógeno (protones) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana (nótese que el FADH2 deposita sus electrones por medio del complejo II y, por lo tanto, se bombean menos protones dentro del espacio intermembrana que cuando se emplea NADH).

La energía química originalmente obtenida a partir de los alimentos se transforma en una fuerza motriz protónica, un gradiente de H+ a través de la membrana. Los iones hidrógeno retroceden a favor de su gradiente a través de un canal en la ATP sintasa, otro complejo proteico insertado en la membrana. La ATP sintasa emplea la fuerza motriz protónica para fosforilar ADP formando ATP. El uso de un gradiente de H+ (fuerza motriz protónica) para transferir energía de las reacciones redox al trabajo celular (síntesis de ATP, en este caso) se llama quimiósmosis. En conjunto, el transporte de electrones y la quimiósmosis componen la fosforilación oxidativa.