Cadena Transportadora de Electrones

Fosforilación Oxidativa

LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (CADENA RESPIRATORIA).CONCEPTO Y OBJETIVOS

• Concepto: Consiste en un transporte de electrones desde las coenzimasreducidas, NADH+ H+ o FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte se realizaen la membrana de las crestas mitocondriales.

• Objetivos: Se obtendrá la mayor parte de la energía contenida en laglucosa y otros compuestos orgánicos, que será almacenada en forma deATP.

Se recuperarán las coenzimas transportadoras de electrones en su formaoxidada, lo que permitirá la oxidación de nuevas moléculas de glucosa yde otras sustancias orgánicas.

Como producto de desecho se obtendrá agua.

Balance Energético obtenido de los procesos de Glucolisis y Ciclo de Krebs

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA DE LAS CRESTAS MITOCONDRIALES

• Las crestas mitocondriales tienen la estructura de toda membranabiológica.

• Empotradas en la doble capa lipídica se encuentran diferentes sustanciastransportadoras de electrones formando la cadena respiratoria.

• En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces detransportar electrones.

1.- La ubiquinona o coenzima Q (una quinona hidrofóbica)

2.- Los citocromos (proteínas que tienen como grupos prostéticos grupos hemocon hierro)

3.- Las proteínas con agrupaciones sulfo-férricas.

• El complejo I, también llamado NADH: ubiquinona oxidorreductasa transportalos electrones del NADH a la ubiquinona.

• El complejo II, es la succinato dehidrogenasa, única enzima del ciclo de Krebsunida a membrana, que pasa los electrones del FADH2 a la ubiquinona.

• El complejo III, también llamado citocromo bc1 o complejo ubiquinona:citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia de electrones desde laubiquinona al citocromo c.

• El complejo IV, también llamado citocromo oxidasa, es la última etapa de lacadena de transporte electrónico de la respiración y conduce los electronesdesde el citocromo c hasta el último aceptor de los electrones, el oxígeno que sereduce a agua.

Supone:

• Un transporte de electrones del NADH2 o del FADH2 a un aceptor o receptorfinal. Este transporte de electrones lo realizan proteínas y otras sustanciasen una membrana celular

• El transporte de electrones se aprovecha para bombear protones al exteriorde la membrana. Se crea un gradiente de concentración de protones y unpotencial (diferencia de cargas)

• El gradiente eléctrico permite la formación de ATP. 1ATP por cada 2 H+

transportados. Lo realiza un complejo enzimático: ATP asa mitocondrial

Cadena de transporte electrónico.

Oxidación de NADH2

• NADH+ cede los protones y los electrones a la NAD deshidrogenasaproteína con un grupo FMN que transporta 2 H+ al exterior y pasa 2e- acoenzima Q .

• La Coenzima Q toma dos protones del interior y con los dos electrones.Puede moverse en el interior de la membrana transportando al otro ladode la membrana 2 H+. Cede los electrones al complejo citocromo b-c1.

• Complejos de citocromos b-c1 transporta 2H+ al exterior y cede los e- alcomplejo citocromo a-a3 mediante un intermediario libre, el Citocromo c

Oxidación de FADH2

• Semejante a la del NADH2 pero comienza con la Succinato deshidrogenasaque no bombea protones como lo hace la NAD deshidrogenasa por lo queel balance de protones transportados es menor. La succinatodeshidrogenasa cede protones y electrones a la coenzima Q

• El resto del proceso es el mismo

Fosforilación oxidativa

• La síntesis de ATP a partir de ADP y Pi en las mitocondrias está catalizada porla ATP sintasa, y está impulsada mediante el proceso de transporteelectrónico anterior.

• La energía liberada durante el transporte debe conservarse en una forma quepueda ser usada por la ATP-sintasa. Esto se conoce como acoplamiento deenergía o transducción de energía.

• Para explicar tal acoplamiento, existen distintas hipótesis. La teoría másaceptada es la de Mitchell, que propone que los transportadores deelectrones además de transportar electrones bombean protones desde lamatriz mitocondrial al espacio intermembrana en contra de gradiente, paraser llevado a cabo este proceso endergónico es acoplado a la energíaproducida por el transporte de electrones a favor de gradiente, de modo quese crea un gradiente electroquímico de protones a través de la membranamitocondrial interna.

• El potencial electroquímico de este gradiente es aprovechado por la ATPsintasa para sintetizar ATP.

ATP sintetasa.

• La ATP sintasa transporta los protones a la matriz mitocondrial a favor degradiente y acopla este proceso exergónico a la síntesis de ATP.

• La ATP sintasa translocadora de protones es la estructura más compleja dela membrana mitocondrial.

• Contiene dos subestructuras principales (F0 y F1 ) cada una con una Funcióndeterminada.

• F0 es una proteína submembranal insoluble en agua y que contiene un canalpara la translocación de los protones.

• F1 es una proteína periférica de membrana, soluble en agua, que participadirectamente en la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, como se muestra en

Cit C

La Cadena Respiratoria partiendo del NADH (animación)

3ATP3ADP

NADH

NAD+

+

+

Co

mp

. I

e e

e e

+

+

Co

mp

. II

e e

+

+

Co

mp

.III

e e

e e

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

¿Cómo entra NADH generado en citosol a la mitocondria?

• Las moléculas de NAD+ y NADH no pueden atravesar la membranamitocondrial interna, que es una barrera selectiva. Por ello el NADHgenerado durante la glicólisis y por otras deshidrogenasas citosólicas nopuede atravesar dicha membrana para llegar a la matriz mitocondrial y darsu par de electrones al complejo I de la cadena transportadora.

• Para poder transferir ese " poder reductor " generado en el citosol hasta lacadena transportadora de electrones existen en las células de mamíferodos sistemas de lanzadera de solutos que permiten la transferencia depares de electrones y protones ( pares de átomos de hidrógeno ) biendirectamente hasta la cadena transportadora, bien hasta la matrizmitocondrial.

Lanzadera DihidroxicetonaP/Glicerol -3P (muy activo en el cerebro)

Lanzadera Malato/Aspartato.

Lanzadera Dihidroxicetona-P/Glicerol-3P

Mecanismo de la lanzadera :

• GPD1 cataliza en el citosol la transferencia de 2 electrones + 2 protones desdeNADH + H+ a la dihidroxiacetona-P, formándose NAD+ y glicerol-3-P. De estaforma se ha transferido el " poder reductor " desde el NADH hasta el glicerol-3-P.

• El glicerol-3-P atraviesa la membrana mitocondrial externa por los canales deporina ( VDAC ), y llega al espacio intermembrana mitocondrial donde elenzima GPD2 situado en la cara externa de la membrana mitocondrial internacataliza la transferencia de los 2 electrones + 2 protones desde el glicerol-3-P aFAD, que se reduce a FADH2 y se incorpora a la cadena transportadora deelectrones en la propia membrana interna. El glicerol-3-P al donar los 2 átomosde H se convierte en dihidroxiacetona-P.

• De esta forma se ha producido la transferencia de 2 electrones + 2 protonesdesde el NADH ( + H+ ) en el citosol hasta el FAD en la membrana mitocondrialinterna, mientras que la dihidroxiacetona-P puede retornar desde el espaciointermembrana al citosol a través de los canales de porina ( VDAC ).

Lanzadera Aspartato/ Malato

Mecanismo y significado de la lanzadera :

• La lanzadera de malato - aspartato es más compleja que la de glicerol-3-P. Susintermediarios están acoplados con intermediarios del ciclo de los ácidostricarboxilicos. También está relacionada con el metabolismo de aminoácidosy en el hígado con el ciclo de la urea.

• En citosol, la malato deshidrogenasa 1 (MDH1) reduce el oxalacetato amalato mediante oxidación del NADH. El malato difunde a través de lamembrana mitocondrial externa por los canales de porina ( VDAC ).

• Desde el espacio intermembrana el malato se transporta a la matrizmitocondrial por el transportador mitocondrial de oxoglutarato (SLC25A11),al que se ha denominado frecuentemente como transportador de ácidosdicarboxílicos y antiporter de malato - α-cetoglutarato.

• Una vez el malato ha llegado a la matriz sufre una oxidación a oxalacetatocatalizada por la malato deshidrogenasa 2 (MDH2), en una reacción enque el NAD+ se reduce a NADH + H+.

• De esta manera el par de electrones + 2 protones que fueron aceptadospor el oxalacetato en el citosol han sido transferidos a la matrizmitocondrial y utilizados en la formación de NADH + H+ .

• Ahora el par de electrones + 2 protones pueden ser cedidos al Complejo Ide la cadena transportadora de electrones donde proporcionaría la fuerzaprotomotriz necesaria para la síntesis de 3 moléculas de ATP en elComplejo V.

• El oxalacetato no puede atravesar la membrana mitocondrial interna, al noexistir ningún sistema transportador que le permita hacerlo. Sin embargo,puede ser transformado en aspartato en una reacción catalizada por GOT2(glutamato transaminasa 2 o mitocondrial ) aceptando un grupo amino delglutamato, que a su vez se transforma en α-cetoglutarato.

• El aspartato puede atravesar la membrana mitocondrial interna medianteel transportador mitocondrial de glutamato (SLC25A22), al que se hadenominado frecuentemente como antiporter de glutamato-aspartato,que intercambia glutamato y aspartato.

• Una vez en el citosol, el aspartato puede donar su grupo amino paraoriginar oxalacetato. En esta reacción catalizada por la GOT1 (glutamatotransaminasa 1 o citosólica) el α-cetoglutarato es el aceptor del grupoamino, y se convertirá en glutamato.

Oxidación completa de la glucosa en la célula