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Cadena de Transporte de Electrones

La cadena de transporte de electrones envía electrones a través de una serie de proteínas, que generan un gradiente electroquímico de protones que producen energía en forma de adenosin trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés). Las proteínas generan energía a través de reacciones redox que crean el gradiente de protones. El catabolismo aeróbico completo de 1 molécula de glucosa produce entre 36 y 38 ATP, principalmente a través de la energía obtenida a medida que las coenzimas reducidas nicotinamida adenina dinucleótido hidruro (NADH, por sus siglas en inglés) y flavín adenín dinucleótido hidruro 2 (FADH2, por sus siglas en inglés) se transportan a través del sistema de transporte de electrones. Tres de los 4 complejos respiratorios que componen la cadena respiratoria mitocondrial, así como la ATP sintasa, están incrustados en la membrana mitocondrial interna. La coenzima Q y el citocromo c transfieren electrones entre los complejos, que finalmente se encontrarán con el oxígeno y generarán H2O.

Última actualización: Sep 10, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Estructura de las Mitocondrias

  • Mitocondrias:
    • Organelos de doble membrana
    • Generan energía para la célula en forma de adenosin trifosfato (ATP)
    • Proporcionan señales importantes para el cuerpo y ayudan en la diferenciación celular y la muerte celular
  • Las membranas interna y externa rodean las mitocondrias:
    • Compuestas por una bicapa de fosfolípidos y proteínas
    • Membrana interna:
      • Alberga proteínas que generan reacciones necesarias para la cadena de transporte de electrones (e.g., ATP sintasa).
      • Posee invaginaciones llamadas crestas, que albergan los complejos respiratorios
      • Las crestas son pliegues que aumentan el área de superficie de la membrana interna y aumentan efectivamente la capacidad respiratoria de las mitocondrias.
      • La membrana interna es permeable solamente al O2, CO2 y H2O
    • Matriz: espacio dentro de la membrana interna
      • Hogar de proteínas importantes: enzimas e intermediarios del ciclo del ácido cítrico y oxidación del piruvato
      • Contiene el genoma del ácido desoxirribonucleico (ADN) mitocondrial
      • El adenosin difosfato (ADP, por sus siglas en inglés) y el fosfato inorgánico (Pi) se transportan específicamente a la matriz a medida que se transporta hacia afuera el ATP recién sintetizado.
    • Membrana externa: contiene porinas que permiten la difusión de iones y metabolitos
      • El paso de metabolitos, como ATP, ADP, iones de calcio (Ca2+) y fosfato, es un proceso mediado por proteínas de transporte:
        • Almacena canales de aniones dependientes de voltaje, que permiten el tránsito de nucleótidos y iones
        • Permite la generación de gradientes iónicos
      • Los transportadores específicos llevan piruvato, ácidos grasos y aminoácidos o sus derivados alfa-ceto a la matriz para acceder a la maquinaria del ciclo del ácido cítrico.
    • Espacio intermembranal: entre las membranas externa e interna
      • Contiene las mismas moléculas pequeñas que están presentes en el citosol
      • Región controlada con diferentes proteínas más grandes que están reguladas por la membrana externa
Anatomía de la mitocondria

Anatomía de la mitocondria:
Las estructuras importantes de la mitocondria incluyen la membrana externa, el espacio intermembranal, la membrana interna y la matriz.

Imagen por Lecturio.

Complejos de la Cadena de Transporte de Electrones

Complejo I

  • NADH: ubiquinona oxidorreductasa
  • El complejo enzimático mueve 2 electrones del NADH a un transportador (ubiquinona) a través de una reacción redox que transloca 4 protones.
  • Los protones son bombeados desde la matriz al espacio intermembranal.

Complejo II

  • Succinato deshidrogenasa
  • Entrega electrones para el grupo de quinonas
  • Transfiere FAD a la quinona

Complejo III

  • Coenzima Q-citocromo c reductasa
  • 4 protones translocados al espacio intermembranal
  • Complejo inhibido por el dimercaprol

Complejo IV

  • Citocromo c oxidasa
  • 4 electrones se transfieren a O2 y producen 2 moléculas de H2O.
  • 8 protones agregados al gradiente de protones

Transporte de Electrones

  • Membrana mitocondrial interna:
    • Mayormente impermeable a moléculas y iones como los iones de hidrógeno (H+)
    • Separa los intermediarios y las enzimas de las rutas metabólicas que se encuentran en el citosol de las que se encuentran en la matriz mitocondrial
    • Alberga cofactores que se redujeron a lo largo de las vías catabólicas que ocurren en diferentes compartimentos celulares
    • Lleva el compartimento de la cadena respiratoria y ATP sintasa
  • Matriz mitocondrial:
    • Contiene las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa
    • También contiene las enzimas del ciclo del ácido cítrico, la vía de oxidación beta de los ácidos grasos y otras vías involucradas en la oxidación de aminoácidos
  • Aquí, el transporte de electrones a través de 3 complejos respiratorios está acoplado al bombeo de protones hacia el exterior.
Mitochondrial membranes

Membranas mitocondriales:
Las proteínas clave se muestran dentro de la membrana interna. El ciclo del ácido cítrico es crucial para el proceso, ya que proporciona NADH para la cadena de transporte de electrones.

Imagen por Lecturio.

Fosforilación Oxidativa

  • La cadena de transporte de electrones está ligada a la fosforilación oxidativa a través del gradiente de protones.
  • La ATP sintasa aprovecha el gradiente de protones a través de la fosforilación oxidativa para generar ATP:
    • La ATP sintasa funciona como un canal iónico para que los protones regresen a la matriz mitocondrial.
    • La energía es generada por el flujo de protones, que se utiliza para la síntesis de ATP.
  • Existen numerosas formas de generar ATP:
    • Glucólisis:
      • Se producen 2 ATP durante la glucólisis.
      • 2 NAD+ se reducen a NADH.
      • A continuación, se utilizan 2 moléculas de piruvato para producir 2 moléculas de acetil-CoA mediante la piruvato deshidrogenasa, que produce 1 NADH cada una.
      • 2 moléculas de acetil-CoA ingresan al ciclo del ácido cítrico, donde se condensan con oxaloacetato y generan:
        • 2 guanosin trifosfato (GTP, por sus siglas en inglés), que se convierten en 2 ATP
        • 6 NADH
        • 2 FADH2
  • La cadena de transporte de electrones es crucial para configurar el gradiente de protones:
    • Cada NADH entra en la cadena de transporte de electrones en el complejo I, donde se reoxida y pasa sus electrones al CoQ.
    • Los electrones fluyen de la CoQ al complejo III, que los retransmite a través del citocromo c al complejo IV.
    • Aquí, son aceptados por el O2.
    • Tanto el complejo I como el III transportan 4 protones cada uno al espacio intermembrana, mientras que el complejo IV bombea 2 al espacio intermembrana por cada par de electrones.
    • Los 6 NADH producidos durante el ciclo del ácido cítrico producen 60 protones en el espacio intermembranal.
  • 2 ATP generados durante la glucólisis y 2 producidos en el ciclo del ácido cítrico
Tabla: Protones transportados al espacio intermembranal como resultado de la oxidación de 1 molécula de palmitoil-CoA a CO2 y H2
Enzimas catalizadoras en el paso de la oxidación Número de NADH o FADH2 formados Número de protones finalmente translocados al espacio intermembranal
Acil-CoA deshidrogenasa 7 FADH2 42
Beta-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa 7 NADH 70
Isocitrato deshidrogenasa 8 NADH 80
Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa 8 NADH 80
Succinato deshidrogenasa 8 FADH2 48
Malato deshidrogenasa 8 NADH 80
Total 400

Control de la Fosforilación Oxidativa

  • Existen importantes mecanismos de regulación para controlar la tasa de glucólisis, el ciclo del ácido cítrico, la oxidación del piruvato y la fosforilación oxidativa por las concentraciones relativas:
    • ATP
    • ADP
    • AMP
    • NADH
  • La glucólisis, la degradación de los ácidos grasos y el ciclo del ácido cítrico proporcionan las principales fuentes de electrones que ingresan a la cadena de transporte de electrones mitocondrial.
  • El control de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico se coordina con la demanda de fosforilación oxidativa.
  • La fosforilación oxidativa se mantiene por los requerimientos de energía celular:
    • El ADP intracelular y el ATP son medidas del estado energético de una célula.
    • La regulación de los puntos de control de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico por el NADH y los metabolitos proporcionan un suministro adecuado de electrones para alimentar la cadena de transporte de electrones:
      • Fosfofructoquinasa
      • Piruvato deshidrogenasa
      • Citrato sintasa
      • Isocitrato deshidrogenasa
      • Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa
  • El entrelazamiento del ciclo del ácido cítrico y la glucólisis por el citrato, que dificulta la glucólisis, facilita el modo de acción del sistema de nucleótidos de adenina:
    • Los niveles elevados de NADH y acetil-CoA dificultan la oxidación del piruvato a acetil-CoA.
    • Una proporción elevada de NADH/NAD+ dificulta las reacciones de deshidrogenasa del ciclo del ácido cítrico.
  • Otro efecto regulador importante es la inhibición de la fosfofructoquinasa por el citrato:
    • Cuando la demanda de ATP disminuye, el ATP aumenta y el ADP disminuye.
    • Como el ADP activa la isocitrato deshidrogenasa y el ATP inhibe la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, el ciclo del ácido cítrico se ralentiza.
    • La desaceleración hace que se acumule la concentración de citrato.
    • El citrato sale de la mitocondria a través de un sistema de transporte específico y, una vez en el citosol, actúa para restringir la descomposición de los carbohidratos al inhibir la fosfofructoquinasa.

Referencias

  1. Ahmad, M, Woiberg, A, Kahwaji, CI. (2020). Biochemistry, electron transport chain. StatPearls. Retrieved May 26, 2021, from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK526105/
  2. Cooper, GM. (2000). The mechanism of oxidative phosphorylation. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9885/
  3. Alberts, B, Johnson, A, Lewis, J, et al. (2002). Electron-transport chains and their proton pumps. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26904/

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