Reacciones de transferencia de
electrones en las mitocondrias
Visión general de la
fosforilación oxidativa
Los transportadores electrónicos reducidos, producidos por
las deshidrogenasas citosólicas y las rutas oxidativas mitocondriales vuelve a
oxidarse por los complejos enzimáticos unidos en la membrana interna. Se ensamblan en cinco complejos
multiproteicos, denominados I,II,III,IV y V.
El Complejo I y el complejo II reciben electrones de la oxidación
del NADH y del succinato, respectivamente, y los pasan a un trasportador
electrónico lipídico, la coenzima Q, que se desplaza libremente a través de la
membrana. El complejo III cataliza la transferencia de electrones desde la
forma reducida de la coenzima Q al citocromo c, un transportador electrónico
proteico que también puede desplazarse dentro del espacio intermembrana. Por
último, el complejo IV cataliza la oxidación del citocromo c con la reducción
del Oxígeno a agua. La energía liberada por estas reacciones exergónica crea un
gradiente de protones a través de la membrana interna, al bombearse los protones desde la matriz hacia el espacio
intermembrana. Los protones vuelven a entrar posteriormente en la matriz a
través de un canal específico en el complejo V. La energía liberada por este
proceso exergónica impulsa la síntesis endergónica de ATP a partir de ADP. (Bioquímica
4ta Edición: Christopher K. Mtahews… #1)
Los transportadores de
electrones actúan en complejos multienzimáticos.
Los transportadores de electrones de la cadena respiratoria
están organizados en complejos supramoleculares incrustados en membranas que se pueden separar físicamente.
El tratamiento suave de la membrana mitocondrial interna con detergentes
permite la resolución de cuatro complejos distintos de transportadores
electrónicos, siendo cada uno de ellos capaz de catalizar la transferencia de
electrónica a través de una porción de la cadena.
Resolución de los complejos funcionales de la cadena
respiratoria. Se elimina primero la membrana mitocondrial externa por
tratamiento con detergente de digitonina y se obtienen fragmentos de la
membrana interna por rotura osmótica de la mitocondria, disolviéndose
suavemente los fragmentos en un segundo detergente. La mezcla resultante de
proteínas de la membrana interna se resuelve mediante la cromatografía de
intercambio iónico en varios complejos I al IV de la cadena respiratoria, cada
uno con composición proteica distintiva. Los complejos catalizan transferencias
entre dadores: NADH y succinato, Transportadores intermedios: Q y citocromo
c y O2.
Los complejos I y II catalizan la transferencia de electrones
a la ubiquinona a partir de dos dadores electrónicos: NADH (complejo I) y succinato (complejo II). El complejo III transporta electrones desde
la ubiquinona reducida al citocromo c, y el complejo IV completa la secuencia
transfiriendo electrones desde los citocromos c al O2.
Complejo I: NADH hasta
ubiquinona
Complejo I también llamado NADH: ubiquinona oxidorreductasa,
es un enzima enorme, está compuesto por 42 cadenas polipeptídicas diferentes,
entre las que se encuentra una flavoproteína que contiene FMN (flavín mononucleotido)
y como mínimo 6 centros ferro-sulfurados. La microscopia electrónica de alta
resolución muestra que el complejo I tiene forma de L, con un brazo L en la
membrana y el otro prolongándose hacia la matriz.
El complejo I cataliza dos procesos simultáneos forzosamente acoplados:
1. Transferencia
exergónica hacia la ubiquinona de un ion
hidruro
del NADH y un protón de la matriz.
Expresado por
NADH+ H + Q ---------- NAD + QH2
2. Transferencia
endergónica de 4 protones de la matriz hacia el espacio
intermembrana.
El complejo I es una bomba de protones impulsada por la
energía de la transferencia electrónica y la reacción que cataliza es vectorial
(mueve los protones en una dirección especifica desde una localización). La
matriz que carga negativamente con la salida de protones, hacia otra el espacio
intermembrana que se carga postivamente. La
localización de los protones P: para la cara positiva de la membrana interna
(el espacio intermembrana) y N para la cara negativa (la matriz).
El amital un barbiturato, la rotenona de producto vegetal utilizado frecuentemente
como insecticida y el antibiótico piericidina A inhiben el flujo electrónico
desde los centros ferro-sulfurados del complejo I a la ubiquinona, con el
consecuente bloqueo global del proceso de la fosforilación oxidativa.
El ubiquinol (QH2 la forma reducida) difunde por la membrana mitocondrial interna
desde el complejo I al complejo III, donde se oxida a Q en un proceso
acompañado de la salida de H+ hacia el exterior.
Complejo II: Succinato a
ubiquinona
El complejo II bajo un nombre diferente: succinato
deshidrogenasa. Es el único enzima del ciclo del ácido cítrico ligado a
membrana. Aunque más pequeño y más sencillo que el complejo I, contiene cinco
grupos prostéticos de dos tipos y cuatro subunidades proteicas diferentes.
Las subunidades C y D
son proteínas integrales de membrana, cada una de ellas con tres hélices transmembrana.
Contienen un grupo hemo (hemo b) y un sitio de unión para la ubiquinona, que es
el aceptor final de electrones en la reacción catalizada por el complejo II.
Las subunidades A y B se extienden hacia la matriz; contienen tres centros
2Fe-2S, FAD unido y un sitio de unión para el sustrato succinato. La ruta de
transferencia de electrones desde el sitio de unión del succinato al FAD, y a
continuación a través de los centros Fe-S hasta la unión de Q.
Otros sustratos de las deshidrogenasas mitocondriales también
pasan electrones a la cadena
respiratoria a nivel de la ubiquinona, pero no a través del complejo II. El
primer paso en la B-oxidación de los acil graso-CoA, catalizado por la
flavoproteína acil-CoA deshidrogenasa, implica la transferencia de electrones
electrones desde el sustrato al FAD de la deshidrogenasa y a continuación a la
flavoproteína transferidora de electrones ETF que a su vez, pasa sus electrones
a la ETF: ubiqinona oxidorreductasa. Este enzima pasa electrones a la cadena respiratoria al reducir la
ubiquinona. E glicerol 3-fosfato, formado tantoa partir del glicerol liberado
en la hidrolisis del triacilglicerol como de la reducción de la
dihidroxiacetona fosfato en la glucolisis, es oxidado por la glicerol 3-fosfato
deshidrogenasa. Este enzima es una flovoproteína localizada en la cara externa
de la membrana mitocondrial interna y al
igual que la succinato deshidrogenasa, canaliza electrones hacia la cadena
respiratoria, reduciendo la ubiquinona. El efecto de cada uno de los de estos
enzimas transferidores de electrones es contribuir a la reserva de ubiquinona
reducida. El QH2 formado en todas estas reacciones es reoxidado por el complejo
III. (Nelson L. David, Cox M. Michael,Lehninger… #2 )
También llamado complejo
citocromo bc1 o ubiquinona:
citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia de electrones desde el
ubiquinol (QH2) al citocromo c con el transporte vectorial de protones de la
matriz al espacio intermembrana. La determinación de la estructura completa de
este gran complejo y del complejo IV por cristalografía de rayos x marco un
nuevo hito en el estudio de la transferencia de electrones mitocondriales.
Este complejo es un dímero de monómeros idénticos, cada uno
constituido por 11 subunidades deferentes.
(a)
Estructura
del monómero. El núcleo funcional consta de tres subunidades: el citocromo b
(en verde) con sus dos hemos (bH y bL en rojo claro), la proteína
ferro-sulfatada de Rieske (purpura) con sus dos centros 2Fe-2S (amarillo) y el
citocromo c1 (azul) con su hemo (rojo).
(b)
Unidad
dimérica funcional. El citocromo cq y la proteína ferro-sulfurada de Rieske se
proyectan la superficie P y pueden interaccionar con el citocromo c del espacio
intermembrana.
El complejo presenta dos sitios de unión diferenciados a la
ubiquinona, QN y QP, son los sitios de inhibición por dos fármacos que bloquean
la fosforilación oxidativa.
La estructura dimérica es esencial para la función del
complejo III.
El complejo III funciona como una bomba de protones, debido a
la orientación de los complejos, los protones producidos cuando se oxida el
UQH2 a UQ se liberan al espacio intermembrana produciendo una diferencia de
concentración de protones transmembrana, es decir, un gradiente de protones.
COMPLEJO IV: citocromo
c a O2
Es una enzima muy grande (13 subunidades) de la membrana
mitocondrial interna.
Las bacterias contienen una forma mucho más sencilla con solo
tres o cuatro subunidades, pero siguen siendo capaces de catalizar tanto la
transferencia de electrones como el bombeo de protones.
Contiene citocromos a y a3.
La citocromo oxidasa contiene dos iones de cobre (CuA y CuB)
que son importantes para la transferencia de electrones al O2.
Esta enzima ha evolucionado para llevar a cabo la reducción
por 4 electrones de O2 sin generar intermedios incompletamente
reducidos como radicales libres, ya que son especies muy reactivas que
dañarían los componentes celulares.
Este complejo funciona como una bomba de protones que
contribuye a la fuerza protón-motriz.
Fuente bibliográfica
1.
Bioquímica 4ta Edición: Christopher
K. Mtahews, K. E. Van Holde, Dean R. Appling, Sepencer J. Anthony-Cahill. Editorial PEARSON EDUCACION, S.A.,
Madrid, 2013. (Páginas de la 626 a 650)
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