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11. Transporte electrónico
Un hombre, de mediana al día necesita unos 83 kg de ATP, con lo cual tiene que estar
regenerando ATP continuamente, ya que sus reservas son mínimas. La principal fuente de ATP
en organismos aeróbicos es la fosforilación oxidativa: consiste en la formación de ATP por
transferencia de é des del NADH o FADH2 a l’O 2 mediante el uso de transportadores de
electrones.
El ciclo del ácido cítrico incluye una serie de reacciones de oxidación-reducción acopladas que
transforman las moléculas de combustible en ATP. Su función consiste en extraer é de alta
energía a partir de combustibles carbonados para impulsar la síntesis de ATP. El ciclo
consta de 2 partes: en una se oxidan los átomos de C a CO 2 y en la otra se regenera el
oxalacetato.
En el proceso mitocondrial la síntesis de ATP tiene lugar en la matriz mitocondrial:
- El ciclo del ácido cítrico aporta é de alta energía
La unidad acetilo (2C) se condensa con el oxalacetato (4C) para formar un ácido tricarboxílico
(6C), un compuesto que libera CO 2 en dos ocasiones, generando así é de alta energía. Como
queda un compuesto de 4C, este se oxida aún más para regenerar el oxalacetato, que puede
iniciar otra ronda del ciclo. Dos átomos de C se incorporan al ciclo en forma de acetilo, y 2C
abandonan el ciclo en forma de CO 2.
El ciclo del ácido cítrico no genera una gran cantidad de ATP, sino que extrae é del citrato y utiliza estos é para formar NADH y FADH2 , dos transportadores de é que producen 9 moléculas de ATP cuando son oxidados por el O 2 en la fosforilación oxidativa. En esta
oxidación, los é liberados fluyen a través de la cadena transportadora de é para generar un gradiente de protones a través de la membrana. Este gradiente, se utiliza para formar ATP a partir de ADP y Pi.
En resumen, podemos considerar que el ciclo consta de 2 etapas :
- 2 átomos C se incorporan al ciclo uniéndose al oxalacetato para formar citrato, y cuando éste se metaboliza a una molécula de 4C, se liberan 2C en forma de CO 2.
La molécula de 4C resultante se metaboliza para regenerar el oxalacetato para poder seguir con el ciclo.
- La oxidación y la síntesis de ATP se acoplan mediante flujos de H+ a través de la membrana
El flujo de protones, que energéticamente es muy favorable, tiene lugar gracias a la cadena transportadora de é. Los protones se bombean desde la matriz mitocondrial hacia el espacio entre la membrana mitocondrial interna y externa, para que puedan impulsar la síntesis de ATP mediante la fosforilación oxidativa.
La cadena respiratoria (color amarillo) transfiere é desde el NADH y el NADH2 hasta el O 2 y, al mismo tiempo, genera un gradiente de H+. La ATP sintasa (color rojo) convierte la energía de este gradiente en ATP.
Este proceso, recibe el nombre de respiración celular , un proceso generador de ATP en el que
un compuesto inorgánico (O 2 ) actúa como aceptor final de é, y el donador de é puede ser o
un compuesto orgánico o uno inorgánico.
En la fosforilación oxidativa, el potencial de transferencia de é del NADH o del FADH2 se convierte en el potencial de transferencia de fosforilos del ATP. Este potencial de transferencia de é se denomina potencial de reducción. Un potencial de reducción negativo significa que la forma oxidada de una sustancia tiene menos afinidad hacia los é que el H 2.
El flujo de é desde el NADH al O 2 tiene lugar a través de transportadores intermediarios que se
encuentran acoplados para formar parte de una secuencia de reacciones redox.
El NADH se oxida transfiriendo é al FMN, el FMN reducido es oxidado por el siguiente
transportador de é de la cadena y así, hasta que se reducen al O 2. Los é siempre se transfieren
a componentes con potenciales redox más positivos (más afines a los é).
Componentes de la cadena transportadora de electrones : Los é fluyen desde el NADH al O a favor de un gradiente de energía. El flujo está catalizado por 4 complejos proteicos.
El hierro , un destacado transportador de é, es un componente de todos los complejos. Aparece
asociado al azufre en forma de complejos ferrosulfurados localizados en las proteínas
ferrosulfuradas , y también aparece formando parte del grupo prostético hemo, integrado en
proteínas llamadas citocromos.
El hierro tiene la capacidad de modificar su potencial de oxidación-reducción según el entorno en el que se encuentra. Tanto en las proteínas ferrosulfuradas como en los citocromos, el hierro alterna entre su estado férrico oxidado (Fe3+) y su estado ferroso reducido (Fe2+).
Cada uno de estos
complejos es capaz de participar en reacciones de oxidación-reducción:
A. Un único ion hierro unido a 4 residuos de cisteína.
B.
Complejo 2Fe-2S en el que los iones hierro están conectados por medio de iones sulfuro.
C. Complejo 4Fe-4S.
Otro transportador de é muy importante en la cadena transportadora es la coenzima Q , también
conocida como ubiquinona , es un derivado de la p-benzoquinona con una larga cadena
isoprenoide que hace que la molécula sea hidrofóbica y le permite difundir rápidamente en el seno de la MMI, donde se encarga de transportar H+ y é de un lado a otro.
La coenzima Q está formada por varias unidades de isopreno , de 5 átomos de C. El número exacto de isoprenos depende de la especie donde se encuentre. En mamíferos, la forma más abundante contiene 10 unidades de isopreno ( coenzima Q10 ).
Las quinonas pueden encontrarse en 3 estados de oxidación distintos:
En el estado totalmente oxidado (Q), la coenzima Q tiene dos grupos ceto. La adición de 1é genera un radical semiquinona aniónico (Q·¯). La adición de 1é + 1H+ genera la forma semiquinona (QH·). La adición de 2é + 2H+ genera el ubiquinol (QH2 ), la forma totalmente reducida de la coenzima Q. Por lo tanto, en el caso de las quinonas, las reacciones de transferencia de é están acopladas a la unión y liberación de H+.
En resumen:
Citocromo C: proteína soluble que se une a la membrana mitocondrial interna por interacciones electroestáticas. Tiene un grupo hemo C.
Ubiquinona (Q): derivado de la quinona con una larga cola de unidades isoprenoides. Es hidrofóbica (se difunde por la bicapa lipídica de la membrana mitocondrial interna).
- Cadena respiratoria: Proteínas de membrana con grupos prostéticos que aceptan o ceden é y 2 componentes móbiles
Los electrones se transfieren del NADH al O 2 a través de una cadena de 3 grandes complejos
proteicos denominados NADH-Q oxidorreductas a, Q-citocromo c oxidorreductasa y
citocromo c oxidasa , los cuales forman un complejo supramolecular denominado
respirosoma. El flujo de é entre estos complejos transmembrana da lugar al transporte de H+ a
través de la membrana mitocondrial interna.
Al igual que en el ciclo del ácido cítrico, este tipo de complejos supramoleculares facilitan la rápida transferencia del sustrato y evitan los intermediarios de reacción. Un 4rto complejo proteico, denominado succinato-Q reductasa , contiene la succinato deshidrogenasa que genera FADH2 en el ciclo del ácido cítrico. Los é de este, se incorporan a la cadena transportadora a través de la Q-citocromo c oxidorreductasa. Este 4rto complejo, es el único que no bombea protones.
Altres flavoproteïnes (FADH2): − β-oxidació d’àcids grassos: Acil-coA deshidrogneasa
- Llançadera glicerol-3-fosfat
- Complejo III o Q-citocromo c oxidorreductasa
La función de este complejo consiste en catalizar la transferencia de é desde el ubiquinol (QH2)
producido por el complejo I y por el complejo II hasta el citocromo c oxidado , una proteína
soluble en agua que bombea H+ hacia el exterior de la matriz mitocondrial.
La Q-citocromo c oxidorreductasa es un complejo proteico formado por 22 subunidades,
con 3 grupos hemo denominados: bL ( de baja
afinidad) y b H (de alta afinidad), los cuales se
encuentran en el citocromo b, y otro grupo hemo en el citocromo c 1. Debido a esto, a esta enzima también se le llama citocromo bc 1.
Además de los grupos hemo, la enzima también contiene una proteína ferrosulfurada con un complejo 2Fe-2S , denominado centro de Rieske
- El ciclo Q canaliza los é desde un transportador de 2é hacia un transportador de 1é y bomba H+
El ubiquinol (QH2) cede 2é al complejo III, pero el aceptor final de é de este complejo, el citocromo c, solo puede aceptar 1é. El mecanismo para llevar a cabo esta transferencia de é, acoplándola con el transporte de protones a través de la membrana, se denomina ciclo Q.
En el ciclo Q, 2 moléculas de QH2 se unen consecutivamente y cada una cede 2é y 2H+. Estos últimos se liberan por el lado citoplasmático de la membrana.
En la 1ª mitad del ciclo Q, llega QH2 y transfiere 2é, uno al citocromo c y el otro lo que hace es reducir a una molécula de Q que ya se encuentra en el complejo, a semiquinona Q∑¯. Esta molécula de Q recién formada por la pérdida de 2 é, sale, se disocia y pasa a formar parte del Reservorio Q.
En la 2ª mitad del ciclo, llega una nueva molécula de QH2 que también cede sus é, uno al citocromo c y el otro reduce la semiubiquinona a ubiquinol. Esta 2ª transferencia de é da lugar a la extracción de 2H+ de la matriz.
- La citocromo c oxidasa cataliza la reducción del O 2 al H 2 O
El 4º complejo de la cadena respiratoria es la citocromo c oxidasa , una enzima que bombea H + y cataliza la transferencia de é desde la forma reducida del citocromo c al aceptor final, el O 2.
El objetivo de esta etapa es enviar 4é hacia el O 2 para reducirlo por completo a 2 moléculas
de H 2 O y, al mismo tiempo, bombear protones desde la matriz hacia el lado citoplasmático de la
membrana mitocondrial interna. Es una etapa aerobia ya que se obtiene O 2 al final de esta.
La citocromo c oxidasa consta de 13 cadenas, contiene 2 grupos hemo (el hemo a y el hemo a 3 )
y 3 iones cobre dispuestos en 2 centros de cobre, denominados Cu (^) A y Cu (^) B , de modo que dos de
los iones se encuentren en CuA.
Cuatro moléculas de citocromo c reducido generadas por el Complejo III, se unen de forma consecutiva al complejo IV y cada una transfiere 1é para reducir una molécula de O 2 a H 2 O :
- La cadena respiratoria: Transporte electrónica secuencial
Así se resume el flujo de é desde el NADH y el FADH2 a través de la cadena respiratoria. Esta serie de reacciones exergónicas está acoplada al bombeo de H+ desde la matriz.
- Derivados tóxicos del O (^2)
La reducción del O 2 puede dar lugar a peligrosas reacciones secundarias ( ROS ).
Para evitar el daño oxidativo causado por estas reacciones, la célula crea la enzima superóxido dismutasa que neutraliza los radicales superóxidos catalizando su conversión en peróxido de oxígeno y en O 2. Este peróxido formado, es neutralizado por la catalasa , una proteína ubicua.
