Context
En aquest capítol valorarem l’absorció del fòsfor en un organisme viu i la fosforilació oxidativa mitocondrial que permet la formació de la molècula de trifosfat d’adenosina (ATP, sigles en anglès). La glicòlisi aeròbia passa en el citoplasma i continua als mitocondris, necessita oxigen per cremar glucosa finalment en el cicle de Krebs i la cadena respiratòria mitocondrial. Produeix unes 30 molècules d’ATP per molècula de glucosa, i per això és un procés molt eficient encara que relativament lent.
Absorció del fòsfor en els organismes
S’han identificat al voltant de 550 minerals diferents que contenen fòsfor, però la font principal de fòsfor és la sèrie d’apatites, en què coexisteixen cations calci bivalents juntament amb anions fosfat i quantitats variables d’altres anions com fluorur i clorur. El fosfat, juntament amb el calci, forma cristalls d’hidroxiapatita, un mineral fosfat conegut també com a mineral ossi, ja que és el que es diposita en la substància orgànica (osteoide) dels ossos per calcificar-los. Després del rol del fòsfor en els fosfolípids, aquí tenim una segona implicació important d’aquest element en la formació de l’esquelet ossi. El fòsfor en l’organisme humà és d’uns 700 g, amb un 85% en el teixit ossi. La majoria del percentatge restant es troba formant part de macromolècules com a fosfolípids (descrits en el capítol anterior en les membranes cel·lulars) o en fosfoproteïnes. No obstant això, tot el fòsfor plasmàtic, circulant, està en la forma d’anió fosfat.
En l’organisme humà, la principal font de fòsfor és la llet i derivats i l’absorció la fan els enteròcits principalment a través de transport passiu, però també hi ha un transport actiu estimulat per la vitamina D3 i per la mateixa presència de calci. Sembla no obstant que l’absorció de fòsfor és tres vegades major que la del calci. L’absorció de fòsfor es produeix en l’intestí prim i, com en el cas del calci, és el jejú el lloc d’absorció més alta.
La concentració de fòsfor sèric està menys estretament regulada que la del calci (vegeu més endavant en els capítols dedicats al calci) pels sofisticats mecanismes implicats en el cas de l’ió calci, especialment per l’equilibri calcitonina/hormona paratiroide. Aquest fet no estranya si es considera que l’ió calci és qui materialitza moltes funcions dels organismes com la transmissió sinàptica, la contracció muscular, la secreció d’hormones i més. Com en tantes molècules i ions, però, la filtració i reabsorció renal determinen en gran manera la presència d’aquest element en la sang. El fòsfor és filtrat lliurement en els glomèruls renals i immediatament es produeix una reabsorció del 80% de filtratge en el túbul proximal de cada nefrona. Aquest transport (és un cotransport) depèn sobretot de la concentració de sodi (vegeu diferents capítols en la web sobre el mecanisme i significat del cotransport amb sodi). El cotransport Na-P és regulat per l’aportació de fòsfor i l’hormona paratiroide (PTH), de manera que la poca presència de fòsfor en el filtratge glomerular augmenta la reabsorció per retenir-lo i un excés de fòsfor disminueix la reabsorció. La PTH indueix fosfatúria a través d’una inhibició del cotransport Na-P en el túbul proximal de les nefrones.
Fosforilació oxidativa
Un dels llocs i implicació funcional més significativa del fòsfor que volem seguir està en els mitocondris per realitzar la fosforilació oxidativa que consisteix en la més rellevant forma de produir les molècules energètiques de trifosfat d’adenosina (ATP) que ha de ser la molècula per subministrar energia a quasi totes les activitats cel·lulars. Per aproximar-nos de forma senzilla, però fonamentada a la fosforilació oxidativa cal fer-ho primer al concepte de reaccions redox que són la base de totes les reaccions entre elements químics.
La gran majoria d’interaccions entre elements químics per a formar molècules més complexes implica la transferència i compartició d’electrons i el fenomen s’anomena reacció d’oxidació-reducció, reacció d’oxidoreducció, o simplement reacció redox. Una reacció redox és aquella reacció química en la qual hi ha una transferència electrònica entre els reactius. Hi ha d’haver un element que cedeixi electrons, i un altre que els accepti. Cedir electrons és oxidar-se i rebre electrons és reduir-se. L’agent oxidant és l’element químic que tendeix a captar electrons, quedant amb un estat d’oxidació inferior al que tenia, és a dir, és reduït.
L’ió ferro (III) pot ser reduït a ferro (II):
Fe3+ + e− → Fe2+
L’agent reductor és l’element que subministra electrons de la seva pròpia estructura química al mitjà, augmentant el seu estat d’oxidació, és a dir, és oxidat. El nom d'»oxidació» prové del fet que en moltes d’aquestes reaccions, la transferència d’electrons es dona mitjançant l’adquisició d’àtoms d’oxigen.
En la següent reacció de formació de rovell de ferro, aquest cedeix electrons i s’oxida mentre que l’oxigen rep els electrons i es redueix. L’oxigen és l’agent oxidant i el ferro l’agent reductor.
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
En els mitocondris, la cadena de transport d’electrons i la quimioòsmosi que es descriuen breument a continuació, constitueixen la fosforilació oxidativa que conclou amb la formació de l’ATP necessari, per subministrar energia a quasi totes les activitats cel·lulars. La cadena de transport d’electrons està constituïda per una sèrie de proteïnes i molècules orgàniques ancorades en la membrana interior del mitocondri. Els electrons passen d’un membre de la cadena de transport al següent (hi ha quatre grups o complexos moleculars -I-IV- disposats en seqüència, en sèrie), en una sèrie de reaccions redox com les esmentades abans. L’energia alliberada en aquestes reaccions s’utilitza en la generació d’un gradient de protons (hidrogenions), que es farà servir tot seguit per a formar ATP en un procés anomenat quimioòsmosis (vegeu figura 24).
Figura 24. Mitocondri i fosforilació oxidativa
Les molècules que subministren els electrons tenen aquestes sigles: NADH i FADH i han estat produïes abans en altres passos de la respiració cel·lular (vegeu capítols posteriors dedicats a l’oxigen), per a ser precisos, fora dels mitocondris (en les glicòlisis) o en la matriu interna mitocondrial (en l’oxidació del piruvat i en el cicle de l’àcid cítric). NADH i FADH transfereixen els seus electrons a les molècules de l’inici de la cadena de transport d’electrons (el complex I). A mesura que es mouen els electrons en la cadena, del complex I al IV, es desplacen d’un nivell d’energia més alt a un més baix i l’energia alliberada s’utilitza per desplaçar ions d’H des de la matriu cap a l’espai entre les dues membranes mitocondrials produint-se així un gradient electroquímic transmembrana d’hidrogenions. Un gradient (com tots els iònics) amb un component elèctric (càrregues positives acumulades en un costat) i un component químic o de concentració (partícules, ions, acumulats en el mateix costat). Al final de la cadena de transport d’electrons, els electrons es transfereixen a una molècula d’oxigen (O2), la qual es divideix a la meitat i cada nucli d’oxigen recol·lecta 2 H+ de la matriu per a formar aigua (H₂O). Fins aquí la cadena de transport d’electrons.
Figura 25. Molècula d’ATP.
Ara, a continuació, s’utilitzarà el gradient de protons obtingut per incorporar un fosfat a una molècula d’ADP i així obtenir una molècula d’ATP amb l’energia que ha resultat de tot el procés anterior incorporada en l’enllaç d’aquest tercer fosfat de la molècula d’ATP (figura 25). Aquest procés és la quimioòsmosi, el pas final de la fosforilació oxidativa.
L’energia acumulada en l’ATP podrà ser utilitzada en fosforilar molècules diverses, nano màquines moleculars, canals, enzims i així canviar-los la configuració molecular i activar-los o inactivar-los segons el cas perquè exerceixen les seves funcions específiques en els mecanismes cel·lulars.
En resum, mentre que els electrons avancen, descendeixen, per la cadena de transport, ions H+ presents en la matriu són transportats activament a l’espai entre les dues membranes mitocondrials. Així, es genera una diferència de concentració dels H+ als dos costats de la membrana mitocondrial interna. Els ions H+ tendeixen immediatament a tornar a entrar per difusió a la matriu, com fan tots els ions i molècules en qualsevol entorn per desplaçar-se i passar del lloc on estan més concentrats al que hi estan menys seguint la tendència de l’increment d’entropia de la matèria. Això serà possible si la barrera de separació entre diferents concentracions ho permet. Com que la membrana mitocondrial interna és impermeable (formada per fosfolípids), per a poder travessar-la, als hidrogenions els cal un canal, o una proteïna de transport. En aquest cas és l’ATP sintetasa, un complex enzimàtic que catalitza la síntesi de l’ATP a partir d’ADP i fosfat. D’aquesta manera, la reentrada dels ions forneix a la reacció de síntesi de l’ATP l’energia necessària. Quan flueixen pel gradient de retorn cap a la matriu, els ions d’H passen a través del molinet ATP sintetasa, que aprofita l’energia d’aquest flux de protons per a sintetitzar ATP.
En aquesta secció donem una mirada i seguim la incorporació dels elements simples formats en les estrelles a la matèria organitzada i complexa. No perdem la referència, els fosfats que veiem constituir fosfolípids i membranes i molècules energètiques fonamentals, porten àtoms de fòsfor que venen de llocs, temps i situacions difícils d’imaginar.