Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa ^{[ N1 ]} , también conocida como fosforilación ligada al transporte de electrones u oxidación terminal , es la vía metabólica en la que las células utilizan enzimas para oxidar nutrientes , liberando así energía química para producir adenosín trifosfato (ATP). En los eucariotas , este proceso tiene lugar dentro de las mitocondrias . Casi todos los organismos aerobios realizan la fosforilación oxidativa. Esta vía es tan común porque libera más energía que la fermentación .

En la respiración aeróbica , la energía almacenada en los enlaces químicos de la glucosa es liberada por la célula en la glucólisis y posteriormente en el ciclo del ácido cítrico , produciendo dióxido de carbono y los donadores de electrones energéticos NADH y FADH₂ . La fosforilación oxidativa utiliza estas moléculas y O₂ _para producir ATP , que se utiliza en toda la célula siempre que se necesita energía. Durante la fosforilación oxidativa, los electrones se transfieren de los donadores de electrones a una serie de aceptores de electrones en una serie de reacciones redox que culminan en oxígeno, cuya reacción libera la mitad de la energía total. ^{[ 1 ]}

En los eucariotas , estas reacciones redox son catalizadas por una serie de complejos proteicos dentro de la membrana mitocondrial interna ; mientras que, en los procariotas , estas proteínas se localizan en la membrana plasmática de la célula . Estos conjuntos de proteínas interconectadas se denominan cadena de transporte de electrones . En las mitocondrias, intervienen cinco complejos proteicos principales, mientras que los procariotas poseen diversas enzimas que utilizan una variedad de donadores y aceptores de electrones.

La energía transferida por los electrones que fluyen a través de esta cadena de transporte de electrones se utiliza para transportar protones a través de la membrana interna. Esto genera energía potencial en forma de gradiente de pH y el consiguiente potencial eléctrico a través de dicha membrana. Esta reserva de energía se aprovecha cuando los protones fluyen de regreso a través de la membrana mediante la ATP sintasa en un proceso llamado quimiosmosis . La ATP sintasa utiliza la energía para transformar el adenosín difosfato (ADP) en adenosín trifosfato, en una reacción de fosforilación . La reacción es impulsada por el flujo de protones, que fuerza la rotación de una parte de la enzima. La ATP sintasa es un motor mecánico rotatorio.

Si bien la fosforilación oxidativa es una parte vital del metabolismo, produce especies reactivas de oxígeno como el superóxido y el peróxido de hidrógeno , que provocan la propagación de radicales libres , dañando las células y contribuyendo a enfermedades y, posiblemente, al envejecimiento y la senescencia . Las enzimas que llevan a cabo esta vía metabólica también son el objetivo de muchos fármacos y venenos que inhiben su actividad.

La fosforilación oxidativa funciona utilizando reacciones químicas que liberan energía para impulsar reacciones que requieren energía. Se dice que los dos conjuntos de reacciones están acoplados . Esto significa que uno no puede ocurrir sin el otro. La cadena de reacciones redox que impulsa el flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones, desde donantes de electrones como el NADH hasta aceptores de electrones como el oxígeno y el hidrógeno (protones), es un proceso exergónico  , es decir, libera energía, mientras que la síntesis de ATP es un proceso endergónico , que requiere un aporte de energía. Tanto la cadena de transporte de electrones como la ATP sintasa están incrustadas en una membrana, y la energía se transfiere de la cadena de transporte de electrones a la ATP sintasa mediante movimientos de protones a través de esta membrana, en un proceso llamado quimiosmosis . ^{[ 2 ]} Una corriente de protones es impulsada desde el lado N negativo de la membrana hacia el lado P positivo a través de las enzimas de bombeo de protones de la cadena de transporte de electrones. El movimiento de protones crea un gradiente electroquímico a través de la membrana, denominado fuerza protón-motriz . Esta fuerza tiene dos componentes: una diferencia en la concentración de protones (un gradiente de H ^{+ ,} ΔpH ) y una diferencia en el potencial eléctrico , con el lado N presentando una carga negativa. ^{[ 3 ]}

La ATP sintasa libera esta energía almacenada al completar el circuito y permitir que los protones fluyan a favor del gradiente electroquímico, de regreso al lado N de la membrana. ^{[ 4 ]} El gradiente electroquímico impulsa la rotación de parte de la estructura de la enzima y acopla este movimiento a la síntesis de ATP.

Los dos componentes de la fuerza protón-motriz son termodinámicamente equivalentes: en las mitocondrias, la mayor parte de la energía la proporciona el potencial; en las bacterias alcalófilas , la energía eléctrica incluso debe compensar una diferencia de pH inversa que la contrarreste. Por el contrario, los cloroplastos funcionan principalmente con ΔpH. Sin embargo, también requieren un pequeño potencial de membrana para la cinética de la síntesis de ATP. En el caso de la fusobacteria Propionigenium modestum, este potencial impulsa la contrarrotación de las subunidades a y c del motor F _O de la ATP sintasa. ^{[ 3 ]}

La cantidad de energía liberada por la fosforilación oxidativa es alta, en comparación con la cantidad producida por la fermentación . La glucólisis produce solo 2 moléculas de ATP, pero entre 30 y 36 ATP se producen por la fosforilación oxidativa de las 10 moléculas de NADH y 2 de succinato formadas al convertir una molécula de glucosa en dióxido de carbono y agua, ^{[ 5 ]} mientras que cada ciclo de betaoxidación de un ácido graso produce alrededor de 14 ATP. Estos rendimientos de ATP son valores máximos teóricos; en la práctica, algunos protones se filtran a través de la membrana, lo que reduce el rendimiento de ATP. ^{[ 6 ]}

La cadena de transporte de electrones transporta tanto protones como electrones, transfiriendo electrones de donantes a aceptores y transportando protones a través de una membrana. Estos procesos utilizan moléculas de transferencia tanto solubles como unidas a proteínas. En las mitocondrias, los electrones se transfieren dentro del espacio intermembrana mediante la proteína de transferencia de electrones soluble en agua citocromo c . ^{[ 7 ]} Esta proteína transporta únicamente electrones, los cuales se transfieren mediante la reducción y oxidación de un átomo de hierro que la proteína mantiene dentro de un grupo hemo en su estructura. El citocromo c también se encuentra en algunas bacterias, donde se localiza en el espacio periplásmico . ^{[ 8 ]}

Dentro de la membrana mitocondrial interna, la coenzima transportadora de electrones liposoluble Q10 (Q) transporta tanto electrones como protones mediante un ciclo redox . ^{[ 9 ]} Esta pequeña molécula de benzoquinona es muy hidrofóbica , por lo que se difunde libremente dentro de la membrana. Cuando Q acepta dos electrones y dos protones, se reduce a la forma ubiquinol (QH ₂ ); cuando QH ₂ libera dos electrones y dos protones, se oxida de nuevo a la forma ubiquinona (Q). Como resultado, si dos enzimas se disponen de manera que Q se reduzca en un lado de la membrana y QH ₂ se oxide en el otro, la ubiquinona acoplará estas reacciones y transportará protones a través de la membrana. ^{[ 10 ]} Algunas cadenas de transporte de electrones bacterianas utilizan diferentes quinonas, como la menaquinona , además de la ubiquinona. ^{[ 11 ]}

Dentro de las proteínas, los electrones se transfieren entre cofactores de flavina , ^{[ 4 ] [ 12 ]} cúmulos de hierro-azufre y citocromos. Existen varios tipos de cúmulos de hierro-azufre. El tipo más simple que se encuentra en la cadena de transferencia de electrones consiste en dos átomos de hierro unidos por dos átomos de azufre inorgánico ; estos se denominan cúmulos [2Fe–2S]. El segundo tipo, denominado [4Fe–4S], contiene un cubo de cuatro átomos de hierro y cuatro átomos de azufre. Cada átomo de hierro en estos cúmulos está coordinado por un aminoácido adicional , generalmente por el átomo de azufre de la cisteína . Los cofactores de iones metálicos experimentan reacciones redox sin unirse ni liberar protones, por lo que en la cadena de transporte de electrones sirven únicamente para transportar electrones a través de las proteínas. Los electrones se mueven distancias bastante largas a través de las proteínas saltando a lo largo de cadenas de estos cofactores. ^{[ 13 ]} Esto ocurre por efecto túnel cuántico , que es rápido en distancias de menos de 1,4 × 10 ⁻⁹ m. ^{[ 14 ]}

Muchos procesos bioquímicos catabólicos , como la glucólisis , el ciclo del ácido cítrico y la betaoxidación , producen la coenzima reducida NADH . Esta coenzima contiene electrones con un alto potencial de transferencia ; es decir, liberan una gran cantidad de energía al oxidarse. Sin embargo, la célula no libera toda esta energía de golpe, ya que sería una reacción incontrolable. En cambio, los electrones se extraen del NADH y se transfieren al oxígeno mediante una serie de enzimas que liberan pequeñas cantidades de energía. Este conjunto de enzimas, compuesto por los complejos I a IV, se denomina cadena de transporte de electrones y se encuentra en la membrana interna de la mitocondria . El succinato también se oxida mediante la cadena de transporte de electrones, pero se incorpora a la vía metabólica en un punto diferente.

En los eucariotas , las enzimas de este sistema de transporte de electrones utilizan la energía liberada del O₂ _por el NADH para bombear protones a través de la membrana interna de la mitocondria. Esto provoca la acumulación de protones en el espacio intermembrana y genera un gradiente electroquímico a través de la membrana. La energía almacenada en este potencial es utilizada posteriormente por la ATP sintasa para producir ATP. La fosforilación oxidativa en la mitocondria eucariota es el ejemplo mejor comprendido de este proceso. La mitocondria está presente en casi todos los eucariotas, con la excepción de protozoos anaeróbicos como Trichomonas vaginalis , que en su lugar reducen los protones a hidrógeno en una mitocondria remanente llamada hidrogenosoma . ^{[ 15 ]}

NADH-coenzima Q oxidorreductasa (complejo I)

La NADH-coenzima Q oxidorreductasa , también conocida como NADH deshidrogenasa o complejo I , es la primera proteína de la cadena de transporte de electrones. ^{[ 17 ]} El complejo I es una enzima gigante ; el complejo I de los mamíferos tiene 46 subunidades y una masa molecular de aproximadamente1000 kDa  . ^{[ 18 ]} La estructura se conoce en detalle solo en una bacteria; ^{[ 19 ] [ 20 ]} en la mayoría de los organismos el complejo se asemeja a una bota con una gran "bola" que sobresale de la membrana hacia la mitocondria. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Los genes que codifican las proteínas individuales están contenidos tanto en el núcleo celular como en el genoma mitocondrial , como es el caso de muchas enzimas presentes en la mitocondria.

La reacción catalizada por esta enzima es la oxidación de dos electrones del NADH por la coenzima Q10 o ubiquinona (representada como Q en la ecuación siguiente), una quinona liposoluble que se encuentra en la membrana mitocondrial:

El inicio de la reacción, y de hecho de toda la cadena de electrones, es la unión de una molécula de NADH al complejo I y la donación de dos electrones. Los electrones entran al complejo I a través de un grupo prostético unido al complejo, el flavín mononucleótido (FMN). La adición de electrones al FMN lo convierte a su forma reducida, FMNH₂ _. Los electrones se transfieren luego a través de una serie de clústeres de hierro-azufre: el segundo tipo de grupo prostético presente en el complejo. ^{[ 19 ]} Hay clústeres de hierro-azufre [2Fe–2S] y [4Fe–4S] en el complejo I.

A medida que los electrones pasan a través de este complejo, cuatro protones son bombeados desde la matriz hacia el espacio intermembrana. No está claro cómo ocurre esto exactamente, pero parece involucrar cambios conformacionales en el complejo I que hacen que la proteína se una a los protones en el lado N de la membrana y los libere en el lado P de la membrana. ^{[ 23 ]} Finalmente, los electrones se transfieren de la cadena de cúmulos de hierro-azufre a una molécula de ubiquinona en la membrana. ^{[ 17 ]} La reducción de la ubiquinona también contribuye a la generación de un gradiente de protones, ya que dos protones son tomados de la matriz cuando se reduce a ubiquinol (QH ₂ ).

Succinato-Q oxidorreductasa (complejo II)

La succinato-Q oxidorreductasa , también conocida como complejo II o succinato deshidrogenasa , es un segundo punto de entrada a la cadena de transporte de electrones. ^{[ 24 ]} Es inusual porque es la única enzima que forma parte tanto del ciclo del ácido cítrico como de la cadena de transporte de electrones. El complejo II consta de cuatro subunidades proteicas y contiene un cofactor flavín adenín dinucleótido (FAD) unido, grupos hierro-azufre y un grupo hemo que no participa en la transferencia de electrones a la coenzima Q, pero se cree que es importante para disminuir la producción de especies reactivas de oxígeno. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Oxida el succinato a fumarato y reduce la ubiquinona. Como esta reacción libera menos energía que la oxidación del NADH, el complejo II no transporta protones a través de la membrana y no contribuye al gradiente de protones.

En algunos eucariotas, como el gusano parásito Ascaris suum , una enzima similar al complejo II, la fumarato reductasa (menaquinol:fumarato oxidorreductasa o QFR), opera en sentido inverso para oxidar el ubiquinol y reducir el fumarato. Esto permite al gusano sobrevivir en el ambiente anaeróbico del intestino grueso , llevando a cabo la fosforilación oxidativa anaeróbica con fumarato como aceptor de electrones. ^{[ 27 ]} Otra función no convencional del complejo II se observa en el parásito de la malaria Plasmodium falciparum . En este caso, la acción inversa del complejo II como oxidasa es importante para regenerar el ubiquinol, que el parásito utiliza en una forma inusual de biosíntesis de pirimidinas . ^{[ 28 ]}

Q-citocromo c oxidorreductasa (complejo III)

La Q-citocromo c oxidorreductasa también se conoce como citocromo c reductasa , complejo citocromo bc ₁ o simplemente complejo III . ^{[ 34 ] [ 35 ]} En mamíferos, esta enzima es un dímero , con cada complejo de subunidades que contiene 11 subunidades proteicas, un clúster de hierro-azufre [2Fe-2S] y tres citocromos : un citocromo c ₁ y dos citocromos b . ^{[ 36 ]} Un citocromo es un tipo de proteína de transferencia de electrones que contiene al menos un grupo hemo . Los átomos de hierro dentro de los grupos hemo del complejo III alternan entre un estado ferroso reducido (+2) y un estado férrico oxidado (+3) a medida que los electrones se transfieren a través de la proteína.

La reacción catalizada por el complejo III consiste en la oxidación de una molécula de ubiquinol y la reducción de dos moléculas de citocromo c , una hemoproteína que se asocia de forma laxa a la mitocondria. A diferencia de la coenzima Q, que transporta dos electrones, el citocromo c transporta solo uno.

Como solo se puede transferir un electrón del donador QH₂ _a un aceptor de citocromo c a la vez, el mecanismo de reacción del complejo III es más elaborado que el de los otros complejos respiratorios y ocurre en dos pasos llamados ^ciclo Q. ^{[ 37} ] En el primer paso, la enzima se une a tres sustratos, primero, QH₂ _, que luego se oxida, y un electrón se pasa al segundo sustrato, el citocromo c. Los dos protones liberados de QH₂ _pasan al espacio intermembrana. El tercer sustrato es Q, que acepta el segundo electrón de QH₂ _y se reduce a Q• ⁻ , que es el radical libre ubisemiquinona . Los dos primeros sustratos se liberan, pero este intermedio ubisemiquinona permanece unido. En el segundo paso, una segunda molécula de QH₂ _se une y nuevamente pasa su primer electrón a un aceptor de citocromo c. El segundo electrón se transfiere a la ubisemiquinona unida, reduciéndola a QH₂ _al ganar dos protones de la matriz mitocondrial. Este QH₂ _se libera entonces de la enzima. ^{[ 38 ]}

A medida que la coenzima Q se reduce a ubiquinol en el lado interno de la membrana y se oxida a ubiquinona en el otro, se produce una transferencia neta de protones a través de la membrana, lo que aumenta el gradiente de protones. ^{[ 4 ]} El mecanismo de dos pasos, bastante complejo, mediante el cual esto ocurre es importante, ya que aumenta la eficiencia de la transferencia de protones. Si, en lugar del ciclo Q, se utilizara una molécula de QH₂ _para reducir directamente dos moléculas de citocromo c, la eficiencia se reduciría a la mitad, transfiriéndose solo un protón por cada molécula de citocromo c reducida. ^{[ 4 ]}

Citocromo c oxidasa (complejo IV)

La citocromo c oxidasa , también conocida como complejo IV , es el complejo proteico final de la cadena de transporte de electrones. ^{[ 39 ]} Esta enzima de los mamíferos tiene una estructura extremadamente compleja y contiene 13 subunidades, dos grupos hemo, así como múltiples cofactores de iones metálicos  ; en total, tres átomos de cobre , uno de magnesio y uno de zinc . ^{[ 40 ]}

Esta enzima media la reacción final en la cadena de transporte de electrones y transfiere electrones al oxígeno y al hidrógeno (protones), mientras bombea protones a través de la membrana. ^{[ 41 ]} El oxígeno , aceptor final de electrones , se reduce a agua en este paso. Tanto el bombeo directo de protones como el consumo de protones de la matriz en la reducción del oxígeno contribuyen al gradiente de protones. La reacción catalizada es la oxidación del citocromo c y la reducción del oxígeno:

A diferencia de la similitud general en estructura y función de las cadenas de transporte de electrones en eucariotas, las bacterias y las arqueas poseen una gran variedad de enzimas de transferencia de electrones. Estas utilizan un conjunto igualmente amplio de sustancias químicas como sustratos. ^{[ 56 ]} Al igual que en los eucariotas, el transporte de electrones procariota utiliza la energía liberada por la oxidación de un sustrato para bombear iones a través de una membrana y generar un gradiente electroquímico. En el caso de las bacterias, la fosforilación oxidativa se comprende con mayor detalle en Escherichia coli , mientras que los sistemas arqueales, en la actualidad, se comprenden poco. ^{[ 57 ]}

La principal diferencia entre la fosforilación oxidativa eucariota y procariota radica en que las bacterias y las arqueas utilizan diversas sustancias para donar o aceptar electrones. Esto permite a los procariotas crecer en una amplia variedad de condiciones ambientales. ^{[ 58 ]} En E. coli , por ejemplo, la fosforilación oxidativa puede ser impulsada por una gran cantidad de pares de agentes reductores y oxidantes, que se enumeran a continuación. El potencial de punto medio de una sustancia química mide la cantidad de energía liberada al oxidarse o reducirse, siendo los agentes reductores de potencial negativo y los oxidantes de potencial positivo.

Como se muestra arriba, E. coli puede crecer con agentes reductores como formiato, hidrógeno o lactato como donadores de electrones, y nitrato, DMSO u oxígeno como aceptores. ^{[ 58 ]} Cuanto mayor sea la diferencia en el potencial de punto medio entre un agente oxidante y uno reductor, más energía se libera cuando reaccionan. De estos compuestos, el par succinato/fumarato es inusual, ya que su potencial de punto medio es cercano a cero. Por lo tanto, el succinato puede oxidarse a fumarato si hay disponible un agente oxidante fuerte como el oxígeno, o el fumarato puede reducirse a succinato utilizando un agente reductor fuerte como el formiato. Estas reacciones alternativas son catalizadas por la succinato deshidrogenasa y la fumarato reductasa , respectivamente. ^{[ 60 ]}

Algunos procariotas utilizan pares redox con una pequeña diferencia en el potencial de punto medio. Por ejemplo, las bacterias nitrificantes como Nitrobacter oxidan el nitrito a nitrato, donando los electrones al oxígeno. La pequeña cantidad de energía liberada en esta reacción es suficiente para bombear protones y generar ATP, pero no para producir NADH o NADPH directamente para su uso en el anabolismo . ^{[ 61 ]} Este problema se resuelve mediante el uso de una nitrito oxidorreductasa para producir suficiente fuerza protón-motriz para que parte de la cadena de transporte de electrones funcione en sentido inverso, lo que provoca que el complejo I genere NADH. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

Los procariotas controlan el uso de estos donadores y aceptores de electrones variando las enzimas que se producen en respuesta a las condiciones ambientales. ^{[ 64 ]} Esta flexibilidad es posible porque diferentes oxidasas y reductasas utilizan el mismo conjunto de ubiquinona. Esto permite que muchas combinaciones de enzimas funcionen juntas, unidas por el intermediario común ubiquinol. ^{[ 59 ]} Por lo tanto, estas cadenas respiratorias tienen un diseño modular , con conjuntos de sistemas enzimáticos fácilmente intercambiables.

Además de esta diversidad metabólica, los procariotas también poseen una variedad de isoenzimas  : diferentes enzimas que catalizan la misma reacción. Por ejemplo, en E. coli , existen dos tipos diferentes de ubiquinol oxidasa que utilizan oxígeno como aceptor de electrones. En condiciones altamente aeróbicas, la célula utiliza una oxidasa con baja afinidad por el oxígeno que puede transportar dos protones por electrón. Sin embargo, si los niveles de oxígeno disminuyen, cambian a una oxidasa que transfiere solo un protón por electrón, pero que tiene alta afinidad por el oxígeno. ^{[ 65 ]}

La ATP sintasa, también llamada complejo V , es la enzima final de la vía de fosforilación oxidativa. Esta enzima se encuentra en todas las formas de vida y funciona de la misma manera tanto en procariotas como en eucariotas. ^{[ 66 ]} La enzima utiliza la energía almacenada en un gradiente de protones a través de una membrana para impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato (Pi ₎ . Las estimaciones del número de protones necesarios para sintetizar una molécula de ATP han oscilado entre tres y cuatro, ^{[ 67 ] [ 68 ]} y algunos sugieren que las células pueden variar esta proporción para adaptarse a diferentes condiciones. ^{[ 69 ]}

Esta reacción de fosforilación es un equilibrio que puede modificarse alterando la fuerza protón-motriz. En ausencia de esta fuerza, la reacción de la ATP sintasa se produce de derecha a izquierda, hidrolizando ATP y bombeando protones fuera de la matriz a través de la membrana. Sin embargo, cuando la fuerza protón-motriz es alta, la reacción se ve obligada a transcurrir en sentido contrario; procede de izquierda a derecha, permitiendo que los protones fluyan a favor de su gradiente de concentración y transformando el ADP en ATP. ^{[ 66 ]} De hecho, en las H+-ATPasas de tipo vacuolar , estrechamente relacionadas , la reacción de hidrólisis se utiliza para acidificar los compartimentos celulares, bombeando protones e hidrolizando ATP. ^{[ 70 ]}

La ATP sintasa es un complejo proteico masivo con forma de hongo. El complejo enzimático de los mamíferos contiene 16 subunidades y tiene una masa de aproximadamente 600 kilodaltons . ^{[ 71 ]} La porción incrustada en la membrana se llama F _O y contiene un anillo de subunidades c y el canal de protones. El tallo y la cabeza esférica se llaman F ₁ y es el sitio de síntesis de ATP. El complejo esférica en el extremo de la porción F ₁ contiene seis proteínas de dos tipos diferentes (tres subunidades α y tres subunidades β), mientras que el "tallo" consta de una proteína: la subunidad γ, con la punta del tallo extendiéndose hacia la esfera de subunidades α y β. ^{[ 72 ]} Tanto las subunidades α como las β se unen a nucleótidos, pero solo las subunidades β catalizan la reacción de síntesis de ATP. Una subunidad larga en forma de varilla, que se extiende a lo largo del lateral de la porción F1 _{y se adentra en la membrana, ancla las subunidades α y β a la base de la enzima.}

Cuando los protones atraviesan la membrana a través del canal en la base de la ATP sintasa, el motor impulsado por protones F _{O gira.} ^{[ 73 ]} La rotación podría deberse a cambios en la ionización de los aminoácidos en el anillo de subunidades c, lo que provoca interacciones electrostáticas que impulsan el anillo de subunidades c más allá del canal de protones. ^{[ 74 ]} Este anillo giratorio, a su vez, impulsa la rotación del eje central (el tallo de la subunidad γ) dentro de las subunidades α y β. El brazo lateral, que actúa como estator , impide que las subunidades α y β giren por sí mismas . Este movimiento de la punta de la subunidad γ dentro de la esfera de subunidades α y β proporciona la energía para que los sitios activos en las subunidades β experimenten un ciclo de movimientos que produce y luego libera ATP. ^{[ 75 ]}

Esta reacción de síntesis de ATP se denomina mecanismo de cambio de unión e implica que el sitio activo de una subunidad β oscile entre tres estados. ^{[ 76 ]} En el estado "abierto", el ADP y el fosfato entran en el sitio activo (mostrado en marrón en el diagrama). La proteína se cierra alrededor de las moléculas y las une de forma laxa  : el estado "suelto" (mostrado en rojo). La enzima cambia de forma de nuevo y fuerza a estas moléculas a unirse, con el sitio activo en el estado "apretado" resultante (mostrado en rosa) uniendo la molécula de ATP recién producida con muy alta afinidad . Finalmente, el sitio activo vuelve al estado abierto, liberando ATP y uniendo más ADP y fosfato, listo para el siguiente ciclo.

En algunas bacterias y arqueas, la síntesis de ATP es impulsada por el movimiento de iones de sodio a través de la membrana celular, en lugar del movimiento de protones. ^{[ 77 ] [ 78 ]} Las arqueas como Methanococcus también contienen la sintasa A ₁ A _o , una forma de la enzima que contiene proteínas adicionales con poca similitud en la secuencia con otras subunidades de la ATP sintasa bacteriana y eucariota. Es posible que, en algunas especies, la forma A ₁ A _o de la enzima sea una ATP sintasa especializada impulsada por sodio, ^{[ 79 ]} pero esto podría no ser cierto en todos los casos. ^{[ 78 ]}

El oxígeno molecular es un buen aceptor terminal de electrones porque es un agente oxidante fuerte. La reducción del oxígeno implica intermediarios potencialmente dañinos. ^{[ 80 ]} Si bien la transferencia de cuatro electrones y cuatro protones reduce el oxígeno a agua, que es inocua, la transferencia de uno o dos electrones produce aniones superóxido o peróxido , que son peligrosamente reactivos.

Estas especies reactivas de oxígeno y sus productos de reacción, como el radical hidroxilo , son muy dañinas para las células, ya que oxidan las proteínas y causan mutaciones en el ADN . Este daño celular puede contribuir a enfermedades y se propone como una de las causas del envejecimiento . ^{[ 81 ] [ 82 ]}

El complejo citocromo c oxidasa es altamente eficiente en la reducción de oxígeno a agua y libera muy pocos intermediarios parcialmente reducidos; sin embargo, la cadena de transporte de electrones produce pequeñas cantidades de anión superóxido y peróxido. ^{[ 83 ]} Particularmente importante es la reducción de la coenzima Q en el complejo III, ya que se forma un radical libre ubisemiquinona altamente reactivo como intermediario en el ciclo Q. Esta especie inestable puede provocar una "fuga" de electrones cuando estos se transfieren directamente al oxígeno, formando superóxido. ^{[ 84 ]} Dado que la producción de especies reactivas de oxígeno por estos complejos de bombeo de protones es mayor a potenciales de membrana altos, se ha propuesto que las mitocondrias regulan su actividad para mantener el potencial de membrana dentro de un rango estrecho que equilibra la producción de ATP con la generación de oxidantes. ^{[ 85 ]} Por ejemplo, los oxidantes pueden activar proteínas desacopladoras que reducen el potencial de membrana. ^{[ 86 ]}

Para contrarrestar estas especies reactivas de oxígeno, las células contienen numerosos sistemas antioxidantes , incluidas vitaminas antioxidantes como la vitamina C y la vitamina E , y enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa , la catalasa y las peroxidasas , ^{[ 80 ]} que desintoxican las especies reactivas, limitando el daño a la célula.

Dado que el oxígeno es fundamental para la fosforilación oxidativa, una deficiencia en el nivel de O₂ _puede alterar las tasas de producción de ATP. La fuerza protón-motriz y la producción de ATP pueden mantenerse mediante la acidosis intracelular. ^{[ 87 ]} Los protones citosólicos que se han acumulado con la hidrólisis de ATP y la acidosis láctica pueden difundirse libremente a través de la membrana externa mitocondrial y acidificar el espacio intermembrana, contribuyendo así directamente a la fuerza protón-motriz y a la producción de ATP.

Cuando se exponen a hipoxia /anoxia (falta de oxígeno), la mayoría de los animales experimentan daños en sus mitocondrias. ^{[ 88 ]} En algunas especies, estas condiciones pueden ocurrir debido a variables ambientales, como mareas bajas, ^{[ 89 ]} bajas temperaturas, ^{[ 90 ]} o condiciones de vida generales, como vivir en una madriguera subterránea hipóxica. ^{[ 91 ]} En los humanos, estas condiciones se presentan comúnmente en emergencias médicas como accidentes cerebrovasculares , isquemia y asfixia .

A pesar de ello, o quizás debido a ello, algunas especies han desarrollado sus propios mecanismos de defensa contra la anoxia/hipoxia, así como durante la reperfusión /reoxigenación. Estos mecanismos son diversos y difieren entre endotermos y ectotermos , pudiendo incluso variar a nivel de especie.

Existen varios fármacos y toxinas bien conocidos que inhiben la fosforilación oxidativa. Si bien cada una de estas toxinas inhibe solo una enzima de la cadena de transporte de electrones, la inhibición de cualquier paso de este proceso detendrá el resto. Por ejemplo, si la oligomicina inhibe la ATP sintasa, los protones no pueden regresar a la mitocondria. ^{[ 106 ]} Como resultado, las bombas de protones no pueden funcionar, ya que el gradiente se vuelve demasiado fuerte para que puedan superarlo. El NADH deja de oxidarse y el ciclo del ácido cítrico se detiene porque la concentración de NAD ⁺ cae por debajo de la concentración que estas enzimas pueden utilizar.

Muchos inhibidores específicos de la cadena de transporte de electrones han contribuido al conocimiento actual de la respiración mitocondrial. La síntesis de ATP también depende de la cadena de transporte de electrones, por lo que todos los inhibidores específicos también inhiben la formación de ATP. El veneno para peces rotenona , el barbitúrico amital y el antibiótico piericidina A inhiben el NADH y la coenzima Q. ^{[ 107 ]}

El monóxido de carbono , el cianuro , el sulfuro de hidrógeno y la azida inhiben eficazmente la citocromo oxidasa. El monóxido de carbono reacciona con la forma reducida del citocromo, mientras que el cianuro y la azida reaccionan con la forma oxidada. Un antibiótico, la antimicina A , y la anti-Lewisita británica , un antídoto utilizado contra armas químicas, son dos importantes inhibidores del sitio entre el citocromo B y el C1. ^{[ 107 ]}

No todos los inhibidores de la fosforilación oxidativa son toxinas. En el tejido adiposo marrón , los canales de protones regulados llamados proteínas desacopladoras pueden desacoplar la respiración de la síntesis de ATP. ^{[ 112 ]} Esta respiración rápida produce calor y es particularmente importante como una forma de mantener la temperatura corporal en animales hibernantes , aunque estas proteínas también pueden tener una función más general en las respuestas celulares al estrés. ^{[ 113 ]}

El campo de la fosforilación oxidativa comenzó con el informe de Arthur Harden en 1906 sobre el papel vital del fosfato en la fermentación celular , pero inicialmente solo se sabía que los fosfatos de azúcar estaban involucrados. ^{[ 114 ]} Sin embargo, a principios de la década de 1940, Herman Kalckar estableció firmemente el vínculo entre la oxidación de azúcares y la generación de ATP , ^{[ 115 ]} confirmando el papel central del ATP en la transferencia de energía que había sido propuesto por Fritz Albert Lipmann en 1941. ^{[ 116 ]} Más tarde, en 1949, Morris Friedkin y Albert L. Lehninger demostraron que la coenzima NADH vinculaba vías metabólicas como el ciclo del ácido cítrico y la síntesis de ATP. ^{[ 117 ]} El término fosforilación oxidativa fue acuñado por Volodymyr Belitser en 1939. ^{[ 118 ] [ 119 ]}

Durante otros veinte años, el mecanismo por el cual se genera el ATP siguió siendo un misterio, y los científicos buscaban un escurridizo "intermediario de alta energía" que vinculara las reacciones de oxidación y fosforilación. ^{[ 120 ]} Este enigma fue resuelto por Peter D. Mitchell con la publicación de la teoría quimiosmótica en 1961. ^{[ 121 ]} Al principio, esta propuesta fue muy controvertida, pero fue aceptada lentamente y Mitchell recibió el Premio Nobel en 1978. ^{[ 122 ] [ 123 ]} La investigación posterior se centró en purificar y caracterizar las enzimas involucradas, con importantes contribuciones de David E. Green sobre los complejos de la cadena de transporte de electrones, así como de Efraim Racker sobre la ATP sintasa. ^{[ 124 ]} Un paso crítico para resolver el mecanismo de la ATP sintasa fue proporcionado por Paul D. Boyer , con su desarrollo en 1973 del mecanismo de "cambio de unión", seguido de su propuesta radical de catálisis rotacional en 1982. ^{[ 76 ] [ 125 ]} Trabajos más recientes han incluido estudios estructurales sobre las enzimas involucradas en la fosforilación oxidativa por John E. Walker , y Walker y Boyer fueron galardonados con el Premio Nobel en 1997. ^{[ 126 ]}

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