La cadena de transporte electrónico (CTE) se encuentra en la mitocondria. Consiste de una serie de transpotadores de electrones que transfieren los electrones derivados de coenzimas reducida (NADH y FADH2) a oxígeno. Este proceso se conoce como Respiración Aeróbica porque partiendo de nutrientes, oxígeno se usa para generar energía. La energía liberada se acopla avarios procesos endergónicos (no espontáneos) en la que es más prominente la formación de ATP.
Los componentes de la CTE están localizados en la membrana interna del mitocondria y estan organizados en 4 complejos, cada uno consistiendo de varias proteínas y grupos prostéticos; incluye tambien Coenzima Q (ubiquinona, UQ) y Citocromo C (cit c).
Fuentes de electrones: coenzimas reducidas (NADH y FADH2) provenientes de:
--Glucólisis
--Ciclo de Acido Cítrico
--Oxidación Beta (degradación de grasas)
Especies moleculares en la CTE:
(1) Flavoproteínas: Mononucleotido de flavina (FMN) o Dinucleotido de flavina y adenina (FAD)
(2) Coenzima Q o Ubiquinona (UQ): puede transferir 1 ó 2 electrones. No empece al nombre, la Ubiquinona no es una coenzima y no está unida a proteinas.
(3) Citocromos (pigmentos celulares de color rojo-marrón): son proteinas conjugadas
que contienen el grupo hemo como grupo prostético. Hay varios de éstos:
Citocromo b, c, c1, a, y a3.
Son agentes de transferencia de 1 electrón: el átomo de hierro del grupo hemo se oxida o se reduce:
(4) Un número de proteínas conjugadas de hierro-azufre (Fe-S) que participan en reacciones de transferencia de 1 electrón: el átomo de hierro del grupo se oxida o se reduce:
(5) Cobre empotrado en proteinas en las que se dá la transferencia de 1 electrón:
CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO (CTE)
COMPLEJO I
COMPLEJO II
COMPLEJO III
COMPLEJO IV
FORMACION DE ATP
FOSFORILACION OXIDATIVA
Es el proceso por el cual la energía generada en la CTE se conserva por la fosforilación de ADP para formar ATP. De acuerdo a la hipótesis del acoplamiento químico, un intermediario de alta energía generado por el proceso de transporte electrónico se usa en una segunda reacción para implulsar la formación de ATP partiendo de ADP + Pi.
La Teoría del Acoplamiento Quemiosmótico*, propuesto por Peter Mitchell establece que la energía libre generada durante el transporte electrónico impulse la formación de ATP (conservación de energía).
(*Quemiosmótico = reacciones químicas acopladas a gradientes osmóticos)
Los electrones fluyen por la CTE y ocurre un flujo de H+, que son transportados de la matriz al espacio intermembrana del mitocondria. Por lo tanto, se crea un gradiente de carga (+) [matriz (-) espacio intermembrana (+)] y concentración de H+ [matriz alto pH, espacio intermembrana bajo pH].
Este gradiente electroquímico se conoce como Fuerza Protonmotiva, Ęp.
La energía libre liberada asociada al transporte de H+ y la síntesis de ATP está acoplada por la Fuerza Protonmotiva creada por la CTE.
En la transferencia de electrones a lo largo de la CTE se bombean H+ de la matriz del mitocondria al espacio intermembrana en tres focos: complejo I , III , y IV. La oxidación de NADH resulta en la translocación de 10 H+ al espacio intermembrana. El influjo de estos 10 H+ por el canal especial de la sintasa de ATP (ATPasa) es suficientepara generar la síntesis de 3 ATP. (Si es de FADH2, se translocan sólo 6 H+. por lo que se generan sólo 2 ATP.)
El ATP formado en el interior del mitocondria (matriz) debe intercambiarse por ADP fuera del mitocondria para mantener el citosol suplido de ATP.
El intercambio de ATP mitocondrial por el ADP citoplásmico está catalizado por la translocasa de ATP/ADP. El intercambio se favorece porque hay un gradiente de carga: ATP4- vs ADP3- .
Este intercambio implica un movimiento neto de carga (-) de la matriz mitocondrial al citosol, lo que equivale al movimiento de un H+ del citosol a la matriz. Esto es así porque el espacio intermembrana es (+) [mas H+] y la matriz es (-) [menos H+]
Regulación: el control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir sólo las cantidades necesarias de ATP para sostener sus actividades. ADP determina el control de la fosforilación oxidatva y NADH y FADH2 producen ATP sólo si hay suficiente ADP + Pi. El consumo de O2 aumenta dramáticamente cuando se suple ATP.
La sintasa de ATP es inhibida por alta [ATP] y activada por alta [ADP] y [Pi].
Total de ATP generados por cada 2e- fluyendo por la CTE:
La razón P/O representa los moles de Pi consumidos por cada átomo de oxígeno reducido a agua. Refleja el grado de acoplamiento observado entre la CTE y la síntesis de ATP.
La oxidación de matabolitos se acopla a la CTE en distintos lugares (complejos I, III, IV) a partir de NADH o FADH2. De aquí que el máximo numero de ATP que se puede producir es 3 (P/O =3), que corresponde al acoplamiento de NADH.
Cuando se trata De FADH2(P/O =2), el valor es de 2 ATP máximo.
Actualmente estos valores han sido reinterpretados dada la evidencia experimental que sugiere que las razones P/O no dan valores íntegros (2 ó 3), sino fraccionales:
P/O (NADH) = 2.5
P/O (FADH2) =1.5
CONECCIONES
La CTE obtiene sustratos de NADH y FADH2 suplidos por el ciclo de ácido cítrico. Este ciclo y la CTE son procesos mitocondriales por lo que las coenzimas reducidad pueden alimentar directamente la fosforilación oxidativa.
El NADH producido en el citoplasma (por ejemplo: glucólisis) no se transporta directamente al mitocondria para ser oxidado porque la membrana mitocondrial no es permeable a esta coemzima. Para entrar se requiere de dos vías o circuitos:
-Circuito de fosfáto de glicerol
-Circuito de malato-aspartato
Circuito de fosfáto de glicerol: NADH del citoplasma se usa para reducir dihidroxiacetona fosfáto (DHAP) a glicerol-3-fosfáto (G3P). Este último pasa al mitocondria donde se reoxida a DHAP, pero esta vez de FADH2. Esto ocurre en el músculo esqueletal y cerebro. El resultado final es la producción de 2 (o 1.5) ATP.
Circuito de malato-aspartato: ocurre en el corazón e hígado y genera 3 (o 2.5) ATP:
En condiciones fisiológicas especiales se interrumpe el acoplamiento del CTE con la fosforilación oxidativa, es decir, se desacoplan los dos procesos. Al estar desacoplados la velocidad del flujo de electrones es incontrolable por lo que se consume una gran cantidad de nutrientes y de O pero no se sintetiza ATP. La energía del transporte de electrones que normalmente se destina para producir ATP ahora se libera en forma de calor. Algunos animales recien nacidos, incluyendo bebés humanos, y mamíferos que hibernan (como los osos) usan de esta estrategia para mantener el calor del cuerpo, y lo hacen por medio del tejido adiposo llamado grasa café por su elevado contenido de citocromos muy pigmentados.
Por otro lado, el cianuro (CN-) y monóxido de carbono (CO) inhiben la cit a/a3, al bloquear el flujo de electrones del cit a y cit a3 a O2. Estos inhibidores se forman complejos con los átomos de cobre en la oxidas de citocromo, lo que interfiere con la unión de O2 al complejo IV.