La cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

Durante las primeras etapas de la respiración celular, en la glucólisis y en el ciclo de Krebs, se han ido formando una serie de moléculas reducidas, NADH y FADH₂, que van a ser oxidadas en esta última etapa que se tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria.

El último aceptor de los electrones del NADH y FADH₂ es el oxígeno, O₂, el cual acabará reduciéndose para formar H₂O.

NADH ⟶ NAD⁺ + H⁺ + 2 e^-

4 e^- + 4 H⁺ + O₂ ⟶ 2 H₂O

Sin embargo, la oxidación directa del NADH y el FADH₂ hasta el oxígeno libera una gran cantidad de energía que no puede captarse por la célula, por lo que el proceso tiene lugar en varios pasos en los que intervienen varios complejos que se van pasando los electrones de uno a otro, liberando cantidades de energía más pequeñas en cada salto que sí puede ser captada y aprovechada. Las moléculas que intervienen en esta oxidación consituyen lo que se conoce como cadena de transporte de electrones y son moléculas que actúan como transportadores de electrones, es decir, pueden captar y ceder electrones a otras moléculas. Generalmente son proteínas en cuya composición participan grupos o iones que son los que participan en estas reacciones de oxidación-reducción como flavinas, hierro, azufre,...

Durante la transferencia de los 4 e^- desde dos moléculas de NADH o el FADH₂ hasta el O₂ se genera un bombeo de 20 H+ hacia el espacio intermembranoso de la mitocondria, originando una fuerza protomotriz (H⁺-motriz) que activa a la ATPsintasa: la fosforilación oxidativa consiste en esta fosforilación del ADP hasta ATP, y es el proceso de obtención de energía más importante de los seres vivos.

Esquema de la cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

La cadena de transporte de electrones

Los componentes de la cadena de transporte de electrones se organizan en cuatro grandes complejos proteicos denominados complejos I, II, III y IV. Además, hay otras dos proteínas, la ubiquinona y el citocromo C, que transfieren electrones entre estos complejos. Todas estas proteínas son proteínas de membrana, por lo que esta cadena de electrones se localiza en la membrana interna de la mitocondria, en las crestas mitocondriales. La cadena de electrones está organizada de tal forma que los electrones, cuando pasan de una proteína a otra, van perdiendo energía potencial hasta llegar a un aceptor final de electrones, que cuando es el O₂, se reduce para formar H₂O.

Esquema de la cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones puede iniciarse de dos formas; bien con una molécula de NADH o bien con una molécula de FADH₂, ambos originados en el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico y en otras rutas metabólicas de la célula.

En el caso del NADH los electronos pasan por los siguientes complejos:

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  Complejo I de la cadena de electrones
  El NADH cede los electrones al complejo I (o NADH-deshidrogenasa o NADH:ubiquinona oxidoreductasa), que capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH₂) puede difundir libremente por la membrana. El flujo de electrones ocurre de la siguiente forma: el NADH es oxidado a NAD⁺, y reduce al FMN a FMNH₂ en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones del complejo es un centro Fe-S que solo puede aceptar un electrón y transferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida, denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a reducirse con el otro electrón que quedaba, generando el ubiquinol, QH₂. Durante este proceso, cuatro protones se translocan a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana y produce un gradiente de protones.
  
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  Complejo II de la cadena de electrones
  El ubiquinol, QH₂, es una molécula pequeña que se mueve en el interior de la membrana interna de la mitocondria y es oxidada por el complejo III (o citocromo C-reductasa), el cual obtiene dos electrones desde el ubiquinol y los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria; al mismo tiempo, transloca cuatro protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.
  
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  Complejo IV de la cadena de electrones
  El complejo IV (o citocromo C-oxidasa) capta cuatro electrones de las cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O₂), el aceptor final de electrones, para producir dos moléculas de agua (H₂O). Al mismo tiempo, se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además, desaparecen de la matriz 2 protones que pasarán a formar parte del H₂O.
  

En el caso del FADH₂ la ruta es idéntica, con la excepción de que la molécula que acepta los electrones no es el complejo I sino el complejo II (o succinato-deshidrogenasa); es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana y antes de que este complejo actúe, es necesario formar el FADH₂, que ocurre durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo de Krebs. A continuación los electrones son transferidos por medio de una serie de centros FeS hacia la ubiquinona. EL glicerol-3-fosfato y el acetil-CoA también transfieren electrones a la ubiquinona mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas. A partir de esta molécula, los procesos de oxidación-reducción que se producen son exactamente iguales que en el caso del NADH. Otra diferencia importante es que el paso de electrones del complejo II a la ubiquinona no supone un paso de protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso, por lo que el rendimiento es algo menor.

Funciones de la cadena de electrones

La cadena de transporte de electrones tiene las siguientes dos funciones básicas:

1. Regenera los acarreadores de electrones. El NADH y el FADH₂ donan sus electrones a la cadena de transporte de electrones y se convierten otra vez en NAD⁺ y FAD. Esto es importante porque las formas oxidadas de los acarreadores de electrones se utilizan en la glucólisis y en el ciclo de Krebs, así que deben estar disponibles para mantener estos procesos en funcionamiento.
2. Forma un gradiente de protones. La cadena de transporte genera un gradiente de protones a través de la membrana interna de la mitocondria: en el espacio intermembranal hay una concentración más alta de H⁺ mientras que en la matriz hay una concentración más baja. Este gradiente es una forma de energía almacenada que, como veremos, se puede utilizar para generar ATP.

Balance de la cadena de transporte de electrones

Hay que entender que la reducción de cada molécula de O₂ por los e^- aportados por 2 NADH hasta formar 2 H₂O, requiere 4 e^- y produce la translocación de 20 H⁺ al espacio intermembranoso a través de la membrana mitocondrial por los complejos I, III y IV; estos complejos funcionan como bombas de protones. Por tanto, la energía libre liberada por las reacciones redox se almacena en el gradiente de H⁺ acumulado en el espacio intermembranoso, que será usado en la fosforilación oxidativa para la producción de energía.

Fosforilación oxidativa

La última etapa de la respiración aerobia es la etapa en la que la célula obtiene el mayor rendimiento en forma de moléculas de ATP en un proceso diferente a la fosforilación a nivel de sustrato vista anteriormente y que es la fosforilación oxidativa.

Teoría quimiosmótica

En 1961, Peter Mitchell propuso, para explicar la síntesis de ATP en la mitocondria un mecanismo conocido como teoría quimiosmótica de acoplamiento, en la cual, como hemos visto, la energía del transporte de la cadena de electrones impulsa un sistema de transporte activo (los complejos I, III y IV), que bombea protones fuera de la matriz mitocondrial, lo cual genera un gradiente de H⁺ o fuerza protón-motriz con un potencial electroquímico que posibilita la síntesis de ATP mediante la activación de la ATP-sintasa.

Esta hipótesis se basa en:

• La existencia de una fuerza protón-motriz con dos componentes electro-químico. Se genera una diferencia de potencial (voltaje) transmembrana y un gradiente de pH, pH_matriz > pH_{intermembrana}.
• Un sistema de membrana interna intacta. El uso experimental de los agentes desacoplantes, de los inhibidores y/o de los ionóforos fueron apoyos adicionales para comprobar esta hipótesis. Estos agentes son sustancias que disminuyen la fuerza protón-motriz, disminuyendo el gradiente de H⁺ en la membrana interna mitocondrial, como por ejemplo dinitrofenol y los compuestos ionóforos (permiten el paso de iones a través de membranas).
  
  
  

  
  Algunos inhibidores de la cadena de transporte de electrones y lugar en el que actúan

  
  

La ATP-sintasa

Como muchos otros iones, los protones no pueden atravesar directamente la bicapa de fosfolípidos de la membrana interna de la mitocondria debido a que esta es muy hidrofóbica en su interior. Por ello, los iones H⁺ solo pueden moverse por su gradiente de concentración con la ayuda de proteínas de canal que forman túneles hidrofílicos a través de la membrana.

En la membrana interna de la mitocondria, los iones de H⁺ solamente cuentan con un canal disponible: una proteína transmembranal conocida como ATP sintasa. Cuando se produce el flujo de protones que regresan a la matriz mitocondrial a través de la ATP-sintasa, esta enzima se activa y y sintetiza ATP mediante la unión de fósforo inorgánico a ADP. Esta enzima tiene dos unidades con estructuras diferentes:

• Unidad o factor F₀, de forma esférica, dirigida hacia la matriz mitocondrial, que actúa a modo de rotor y que está formada por las subunidades a, b₂ y c₁₂.
• Unidad o factor F₁, integrado en la membrana interna mitocondrial, que consta de las subunidades %α₃, β₃, γ, δ y ε.

La ATP-sintasa es una proteína integrada en la membrana interna de la mitocondria que es activada por el gradiente de protones creado por las bombas de protones de la cadena de transporte de electrones. Este flujo de protones causa que la ATP sintasa gire y catalice la adición de un fosfato a ADP, con lo que captura la energía del gradiente de protones en forma de ATP. Las 3 unidades β de la ATP sintasa no son equivalentes, y el giro de γ y ε las cambia la conformación. Según va girando el complejo por el paso de H⁺ las unidades β cambian de conformación y adquieren estas tres formas a la vez que producen la síntesis de ATP a partir del ADP:

• L: une ADP y P_i.
• T: sintetiza ATP.
• O: libera ATP.

Cada bombeo de protones de los complejos de la cadena de transporte de electrones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso supone la síntesis de una molécula de ATP, por lo que la entrada de un NADH en esta cadena conduce a la síntesis de 3 ATP. El paso de dos electrones del NADH al oxígeno va acompañado por una gran disminución en la energía libre, que podría hacer factible la síntesis de 7,5 moles de ATP, si se asume una energía libre de hidrólisis para el ATP de 7,3 Kcal*mol^-1 o 30,5 KJ/mol ( 52,7/7,0 =7,5 ATP) o 220,286 / 30,5 = 7,3 ATP. Sin embargo, el rendimiento de la fosforilación oxidativa será sólo de aproximadamente un 41%, puesto que se sintetizan de hecho 3 ATP (aproximadamente).

2NADH ⟶ 4^- ⟶ O2 ⟶ H2O | 20 H ⟶ 6 ATP | 1 NADH ⟶ 10 H+ ⟶ 3 ATP

Si es FADH₂ el que inicia la cadena son dos los ATP sintetizados.

2 FADH2 ⟶ 4 e^- ⟶ O₂ ⟶ H₂O | 12 H⁺ ⟶ 4 ATP | 1 FADH₂ ⟶ 2 ATP

Sistema de lanzaderas

La glucolisis y otras vías metabólicas oxidativas, catabólicas, generan en el citosol cofactores reducidos, NADH, FADH₂, que allí no pueden oxidarse a NAD⁺ y FAD para seguir actuando como coenzimas en las oxidaciones metabólicas de las nutrientes, catalizadas por las deshidrogenadas. La membrana interna de la mitocondria resulta ser impermeablev a los iones y estas moléculas reducidas que se producen, por lo que no pueden por si solas atravesar la membrana y llegar a la matriz mitocondrial para iniciar la cadena de transporte de electrones. El traspaso de este poder reductor [H] desde el citosol hacia la mitocondria para convertirlo en energía, ATP, se efectúa con reacciones soportadas en dos sistemas de lanzaderas:

• Lanzadera de glicerol-3-fosfato. Se basa fundamentalmente en la enzima glicerol-fosfato-deshidrogenasa. La glicerol-3-P deshidrogenasa es una flavo-proteína de membrana tipo complejo II. Esta proteína enzimática toma los e^- del NADH citoplasmático, regenerando allí el NAD⁺ necesario para el metabolismo citosólico y los pasa a la CoQ, transportador móvil en la membrana interna mitocondrial. La glicerol-P deshidrogenasa es una flavoproteína, su cofactor redox es el FAD ⟶ FADH₂. Estos 2e^- en su paso por los complejos III y IV bombearán sólo 6H⁺ y por tanto la fuerza protón-motriz generada servirá para sintetizar 2 ATP. Funciona en las células del tejido muscular y cerebro.
• Lanzadera del malato-aspartato. La lanzadera malato-aspartato se basa en la función de varias proteínas: transportadoras de membrana y proteínas enzimas solubles. Entre las primeras se encuentran los sistemas de transporte de compuestos iónicos a través de la membrana interna mitocondrial y entre las segundas las enzimas malato deshidrogenasa, MDH, glutamato, oxalacetato transaminasa y GOT. Los NADH citosólicos ceden sus e^- al oxalacetato, que se reduce a malato y entra a la mitocondria. Los 2e^- del NADH citosólico que entran con el malato acaban como NADH mitocondriales que descargan en la cadena de transporte electrónico y bombearán 10 H⁺ y rendirán el potencial suficiente para sintetizar 3 ATP. Funciona en las células del hígado y del corazón.

Sistemas de lanzadera y funcionamiento