Cadena de Transporte de Electrones

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 (P_i) 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

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.

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

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.