(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La respiración celular)(Introducción)(Generalidades de la respiración celular)(La betaoxidación de la grasa)(Introducción al ciclo de Krebs)(Reacciones del ciclo de Krebs 1, hasta GTP)(Reacciones del ciclo de Krebs 2, regeneración del oxaloacetato)( Coenzimas y membrana celular en la respiración celular)(Portadores de electrones en la cadena de transporte respiratoria)(La cadena de transporte de electrones respiratoria)(Fosforilación oxidativa)(El ejercicio y la respiración aeróbica)(Resumen)(Evolución)(¿Y por qué engordamos?)(Referencias bibliográficas)(Documento versión word)
Una cadena de transporte de
electrones (CTE) es una serie de complejos que transfieren electrones de
donantes de electrones a receptores de electrones a través de reacciones redox
(ambas reducciones y oxidaciones que ocurren simultáneamente), y acopla esta
transferencia de electrones con la transferencia de iones protio(1+) a través
de una membrana . Esto crea un gradiente de protones electroquímicos que impulsa
la síntesis de adenosina trifosfato (ATP), una molécula que almacena la energía
químicamente en forma de enlaces de alta tensión. Las moléculas de la cadena
incluyen péptidos, enzimas (que son proteínas o complejos de proteínas), y
otros. El aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones
durante la respiración aeróbica es el oxígeno molecular, aunque existe una
variedad de aceptores distintos del oxígeno, tales como el sulfato, en la
respiración anaeróbica.
Las cadenas de
transporte de electrones se utilizan para extraer energía a través de
reacciones redox de la luz solar en la fotosíntesis o, como en el caso de la
oxidación de los azúcares, la respiración celular. En los eucariotas, una
importante cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana
mitocondrial interna, donde sirve como el sitio de la fosforilación oxidativa
mediante el uso de la ATP sintasa. También se encuentra en la membrana
tilacoide del cloroplasto en eucariotas fotosintéticos. En las bacterias, la cadena
de transporte de electrones se encuentra en su membrana celular.
Cuando la membrana
interna de la mitocondria colapsa con la ayuda de un detergente especial, es
posible aislar varios de los portadores de electrones como parte de cuatro
complejos transmembranales asimétricos. Los portadores de electrones van
insertados en los complejos como si fueran una red eléctrica. Estos complejos
se los puede identificar como estructuras cuaternarias en las que varias
unidades funcionales se acoplan de manera muy estrecha. Cada uno de los cuatro
complejos puede ser identificado en base a la función que cumplen en la ruta de
flujo de electrones general. Dos componentes de la cadena de transporte de
electrones, el citocromo c y la ubioquinona no hacen parte de los cuatro
complejos proteínicos insertados en la membrana interna de la mitocondria. La
ubiquinona funciona como un grupo de molecular disueltas en el interior de la
bicapa lipídica de la membrana interna, mientras que el citocromo c es una
proteína soluble que se encuentra en la región intermembranal disuelta. La
función de estos componentes es la de servir como puentes para el flujo de
electrones, como si fueran una red eléctrica móvil entre cada uno de los
complejos transmembranales.
Figura 17. Los componentes
solubles de la cadena de transporte son II, la ubiquinona que se solubiliza en
los lípidos de la membrana y el citocromo c que se solubiliza en el citoplasma
de la mitocondria.
NADH:H+
y FADH2 poseen una relación diferente con la cadena de transporte de
electrones que depende de su comportamiento en el ciclo de Krebs. El NADH:H+
al ser sintetizado puede difundirse de las proteínas que lo sintetizan,
mientras que el FADH2 queda unido de manera covalente a la succinato
deshidrogenasa. Es por esto que mientras el NADH:H+ puede donar sus
electrones al complejo I de la cadena de transporte de electrones, el FADH2
no tiene más opción que regresar los electrones a la enzima succinado
deshidrogenasa a la cual está unido. Dado que una de las reacciones de
transferencia de energía ocurre entre el complejo I y el complejo II, que los
electrones del FADH2 ingresen directamente en el complejo II tiene
un efecto negativo en la obtención de energía desde esta coenzima. Es por esto que la cantidad de energía que
puede sintetizarse a partir del NADH:H+ es superior a la del FADH2.
Figura 18. Las zonas de
acoplamiento hace referencia a complejos que poseen dominios transmembranales
capaces de ejecutar transporte activo de iones protio(1+) desde la matriz a la
región intermembranal manteniendo el pH de la matriz en contra de la tendencia
acidificante del NADH:H+ y el FADH2.
Si se examinan los
potenciales redox de cada uno de los portadores de electrones, se hace evidente
que existen tres lugares en los que la transferencia de electrones se logra
junto a una liberación de energía libre máxima. Cada uno de estos sitios de
acoplamiento ocurre entre los portadores que son parte de los complejos I, III
y IV. La energía libre es empleada por los complejos para alterar su propia
estructura de manera momentánea, lo cual permite una segunda función como
bombas de protones "transporte activo de iones protio(1+)".
Aquí empleamos uno
en los significados posibles de bomba, en ingles no ocurre esto ya que están
las palabras pump y bomb para diferenciar las dos ideas. Aquí emplearemos la
palabra bomba como traducción del inglés pump. Las bombas de protones son
dominios transmembranales empleados para hacer transporte activo de iones protio(1+)
"el ion protio(1+) es un producto ácido ya sea en la teoría de Lewis o de
Bronsted, en otras palabras son los responsables del poder corrosivo de un
ácido"
(YouTube). Bomba de Protones
Una bomba es una
máquina que permite hacer fluir algo en contra de una tendencia general. Por
ejemplo, cuando un barco sufre una fisura y empieza a hundirse, el hundimiento
se produce porque el agua ingresa a él con cierta velocidad. Una bomba es una
máquina que saca el agua desde el interior del barco al exterior con una
velocidad y gastando energía. En el caso del barco, la acción que va en favor
de la segunda ley de la termodinámica es que el agua ingrese al barco y lo
hunda ya que es la ruta espontánea que no requiere energía, sino que la libera
“energía gravitacional contenida en el agua y que se libera cuando ingresa a
presión en el barco”.
La ruta que va en
contra es sacar el agua, y para lograrlo es necesario invertir grandes
cantidades de energía. Una bomba de protones es una proteína que sirve como
canal iónico para iones protio(1+) “agua enlazada débilmente a un átomo de
hidrogeno iónico o protón”. El flujo de
protio(1+) “para simplificar, protones” puede darse en favor del gradiente de concentración
“desde el lado donde hay más, hacia el lado donde hay menos” o en contra del
gradiente de concentración. Como cualquier transporte activo, cuando se trabaja
en contra del gradiente de concentración se debe invertir energía para lograr
la tarea. Esta energía para el caso de la cadena de transporte de electrones es
proporcionada por los electrones de alta energía proporcionados por el NADH:H+
y el FADH2.
Los complejos I,
III y IV tienen un segundo dominio transmembranal a parte de los que sirven
para que se dé una corriente de electrones. Ambos dominios están acoplados,
cuando se recibe un electrón energético, parte de su energía se consume para
que la proteína cambie de forma y traslade a la fuerza “translocar” a un protón
"ión protio(1+)" desde una región de menor concentración a una de
mayor concentración”, es por esto que los complejos I, III y IV sirven como
bombas de protones.
La función de la
cadena de transporte de electrones es acumular enormes cantidades de protones
en la zona intermembranal de la mitocondria, lo cual genera una presión
osmótica y eléctrica. Es la energía generada por estas presiones la que será
empleada en el último paso de la respiración celular aeróbica para sintetizar
ATP, transfiriendo la energía desde la presión de protones a un enlace entre
grupos fosfato. Las bombas de protones son tipos de proteína muy general que
son empleadas en otros contextos en diferentes tipos de seres vivos.
La respiración
celular aeróbica es un desarrollo evolutivo exclusive de las células
procariotas. Es gracias a que cierto grupo de bacterias procariotas que
evolucionaron endosimbióticamente en los eucariotas, los hongos, las plantas,
los animales y otros eucariotas pueden obtener beneficios energéticos de este
tipo de metabolismo. Sin embargo, existen diferencias significativas entre los
linajes de vida libre y endosimbiótico que se correlacionan a los diferentes
ambientes en que han evolucionado. En los mamíferos, por ejemplo, la cadena de
transporte de electrones es conformada con 70 polipéptidos, mientras que las
bacterianas contienen menos unidades genéticas.
Las partes
adicionales de los mamíferos no contienen centros funcionales de la cadena de
transporte de electrones, es decir centros redox, y aunque su función es poco
clara es probable que estas proteínas sirvan para regular la conformación de la
cadena de transporte de electrones de las mitocondrias. Lo anterior implica que
el núcleo básico que genera la función de la cadena de transporte de electrones
ha cambiado poco desde que los linajes de vida libre y endosimbiótico se
separaron en su historia evolutiva.
El complejo I es
una de las compuertas de ingreso de los electrones a la cadena de transporte de
electrones relacionada a la NADH:H+, esta proteína cataliza la
transferencia de un par de electrones desde el NADH hasta la ubiquinona para
formar ubiquinol.
La versión del complejo I de los mamíferos es un conglomerado multiprotéico en forma de L conteniendo 45 subunidades. Siete de estas subunidades son hidrófobas insertadas en la membrana se codifican por los genes de la mitocondria y son homólogos a los polipéptidos de las bacterias. El complejo I contiene flavoproteinas de FMN la cual oxida al NADH, también posee almenos 8 distintos de núcleos de hierro-sulfuro y dos moléculas unidas de ubiquinona. El paso del par de electrones a través del complejo I induce el transporte activo de cuatro protones desde la matriz de la mitocondria a la región intermembranal. Es este transporte activo el objeto de la cadena de transporte de electrones y ocurrirá otro par de veces a través de toda la cadena hasta que los electrones pierdan su energía y sean captados por el oxígeno.
Figura 19. El complejo I es
una estructura compleja de varias proteínas en forma de L, la región hidrófila
"superior" se encuentra en la matriz de la mitocondria
"arriba"
El complejo II consiste en cuatro polipéptidos: dos unidades hidrófobas insertadas en la membrana y dos unidades hidrófilas expuestas a la matriz de la mitocondria, las cuales cumplen una función en el ciclo de Krebs como la enzima succinato deshidrogenasa. El complejo II provee una segunda compuesta de entrada para electrones de menor nivel energético proporcionados por el FADH2 el cual se sintetiza sobre la succinado deshidrogenasa “dominios hidrófilos del complejo II” y al cual queda unido después de su síntesis.
Figura 20. Aquí se muestra la función doble del complejo II en la cadena de transporte de electrones "arriba" y en el ciclo de Krebs "abajo". El ciclo de Krebs "abajo" en el paso de succinato a fumarato sintetiza una molécula de FADH2 que queda pegada al complejo II e ingresa inmediatamente a la cadena de transporte de electrones.
Los grupos
prostéticos del complejo dos se caracterizan por tres núcleos de hierro-sulfuro
y grupos hemo. Actualmente se piensa que el grupo hemo cumple una función de
atractor de electrones que desvían su camino de la cadena, impidiendo que estos
se liberen hacia la matriz generando radicales de oxígeno llamados superóxido
que poseen el potencial de lastimar el ADN de la célula y la mitocondria. El
complejo II no posee el dominio intermembranal que permite el transporte activo
de iones protio(1+), por lo que no hay acumulación en este paso de la cadena de
transporte de electrones.
El complejo III cataliza la transferencia de electrones desde el ubiquinol al citocromo c.
Figura 21. Dominios del
citocromo bc1.
Determinaciones
experimentales sugieren que el complejo III posee los dominios transmembranales
necesarios para la translocación de iones protio(1+) desde la matriz hasta el
espacio intermembranal de la mitocondria al costo de energía proporcionada por
electrones. Por cada par de electrones son transferidos cuatro iones
protio(1+). El complejo III posee los siguientes tipos de grupos prostéticos
que permiten la transferencia de electrones, grupos hemo, y núcleos de
hierro-sulfuro.
Complejo IV y citocromo c oxidasa
El paso final de la
cadena de transporte de electrones en una mitocondria es la transferencia
sucesiva de electrones desde el citocromo C al oxígeno molecular diatómico de
acuerdo a la siguiente reacción:
10
La reducción del
oxígeno es catalizada por el complejo IV como un enorme ensamblaje de
polipéptidos denominados en conjunto como citocromo oxidase. La citocromo
oxidasa fue el primer componente de la cadena de transporte de electrones en
mostrar un dominio de transporte activo para iones protio(1+) “también llamada
bomba de protones”. Debemos recordar que la acidez de la matriz de la
mitocondria sería muy alta debido al constante aporte de protones desde el FADH2
y el NADH:H+ para formar iones protio(1+) con agua. Esta acidez no
se manifiesta por dos factores.
El primero es la cadena de transporte de electrones misma, que exporta protones al otro lado de la membrana. Por cada oxígeno en una ronda 4 iones protio(1+) son transferidos desde la matriz hacia la región intermembranal. Otros 4 iones protio(1+) restantes de la matriz son consumidos por el oxígeno mismo para la formación de una molécula de agua. Esto sirve como segundo factor que impide que la acidez del interior de la mitocondria sea muy alta. Los seres humanos producen 300ml de agua sintetizada metabólicamente al día. Vale la pena señalar que varios venenos se caracterizan por interrumpir la cadena de transporte de electrones a la altura de un grupo hemo prostético en la subunidad a3 de la citocromo oxidasa. Ejemplos de este tipo de venenos incluye al monóxido de carbono, el cianuro y la azida.
Figura 22. Existen dos
estructuras con nombre semejante, el citocromo c que es el portador de
electrones desde el complejo III al complejo IV y el propio complejo IV que
recibe el nombre de citocromo c oxidasa y que es muchísimo más grande que el
citocromo c.
El citocromo C
oxidasa es una proteína compuesta por 13 subunidades, tres de las cuales se
codifican en el genoma mitocondrial, estas subunidades de la mitocondria poseen
todas las fracciones que poseen los 4 núcleos redox. El mecanismo de
transferencia de electrones a través del complejo IV ha sido estudiado de
manera intensiva por varios grupos de investigación alrededor del mundo. Uno
de los aspectos más desconcertantes de
la parte final de la cadena de transporte de electrones es la habilidad del
complejo IV de reducir dos átomos de oxígeno para formar dos moléculas de agua,
un proceso que requiere de cuatro electrones acoplándose de manera simultánea,
siendo que su flujo de electrones solo permite el paso de uno a la vez.
Si el sistema no
estuviera acoplado de manera eficiente podrían liberarse radicales parcialmente
reducidos de oxígeno que pueden dañar cualquier macromolécula en el interior de
la célula. Este aspecto podría inducir al pensamiento teleológico de que ambas
funciones de la cadena de transporte de electrones deben haber aparecido de
manera simultánea. Sin embargo, varios modelos evolutivos de la cadena de
transporte de electrones proponen que esta se desarrolló en primera instancia
como un mecanismo de defensa contra el oxígeno venenoso convirtiéndolo en agua.
De hecho, podemos contabilizar dos funciones de la citocromo c oxidasa en el
contexto de bacterias de vida libre.
1-Protector contra
el envenenamiento por oxígeno al convertirlo en agua.
2-Protector contra
la acidificación del interior de la célula mediante (a) la producción de agua
metabólica y (b) mediante la excreción de iones protio(1+) al exterior de la
célula.
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