martes, junio 19, 2012



4.2 Estructura y función de la cadena respiratoria



La cadena respiratoria se abastece de poder reductor

Las células eucariotas y procariotas obtienen energía, principalmente bajo forma de ATP, a partir del poder reductor (o H2) presente en las moléculas de glúcidos, lípidos y aminoácidos, entre otras. El aceptor final de los H2 es el O2, se trata de un ejemplo de célula aerobia. Sin embargo, hay otros tipos de células en que los aceptores finales de H2 son moléculas diferentes del O2, esas células son anaerobias y fermentativas. Ahora vamos a centrar el estudio en células aerobias.



• Los azúcares, ácidos grasos y aminoácidos cuando son oxidados (degradados) proveen de poder reductor, de manera más o menos directa, a la cadena respiratoria (Figura 1). Así, se reducen cofactores como el NAD y el FAD dando inicio a la transferencia del poder reductor (H2) hasta el aceptor final, que en los organismos aerobios es el O2 (Figura 1).

• La variación de energía de los electrones desde los precursores reducidos (aminoácidos, glúcidos y ácidos grasos) hasta el agua, es un proceso exergónico, que impulsa la reacción endergónica de síntesis de ATP a partir del ADP y P.



La cadena respiratoria en las células eucariotas ocurre en mitocondrias

• La mitocondria en un organelo presente en las células de vegetales, animales y hongos, es decir en todas las eucariotas. Su número por célula es variable, y está limitada por dos membranas, una externa y otra interna. Estas membranas delimitan dos espacios: la cámara externa o espacio intermembranal y la matriz.

• En la membrana interna se localiza la cadena respiratoria, que consta de una serie de transportadores de electrones como el NAD, CoQ, citocromos y diversas enzimas. En las bacterias la cadena respiratoria está asociada a la membrana celular.

• La cadena respiratoria siempre está asociada a una membrana, porque para su funcionamiento es necesario un ordenamiento espacial bien definido de los transportadores y proteínas que la integran, como se verá más adelante.



Los transportadores de cadena respiratoria tienen diferente afinidad por los electrones

A través de la cadena respiratoria se dan reacciones de óxido reducción que se suceden desde el NAD y el FAD hasta el oxígeno (Fig. 5). Los electrones pueden ser captados o cedidos de diferentes formas:

a. un electrón individualmente,
b. un electrón unido a un protón; como un átomo de H,
c. dos electrones unidos a dos protones; como dos átomos de H.



En la figura 5 se representan los transportadores de la cadena respiratoria ordenados según su potencial redox. La dirección del flujo de e-, indicada con una flecha, es desde los transportadores con menor afinidad por los e- (potencial redox más electronegativo) a los de mayor afinidad (potencial redox más electropositivo).

La cadena respiratoria está integrada por trasportadores y proteínas que forman  los “complejos” 

Una forma de analizar el funcionamiento de la cadena respiratoria es a través de los complejos que forman los transportadores y las enzimas. 

• El Complejo I (NADH - ubiquinona reductasa) es por  donde ingresan la mayoría de los electrones a la cadena. Los electrones son  transferidos desde el NADH.H a la CoQ (Fig. 6), a través del FMN (flavín mononucleótido) que es parte del Complejo I. El esquema resume el proceso.

El Complejo II (succinato deshidrogenasa) es el otro punto de entrada de electrones a la cadena (Fig. 6), y en su transferencia entre el FAD y la CoQ no libera energía suficiente para bombear protones. Por esto se genera un ATP menos cuando la cadena comienza por el FAD respecto a cuando comienza por el NAD.

• El Complejo III (CoQ - citocromo c reductasa) recibe electrones de los Complejos I y II (Fig. 5 y 6). A partir de este paso se transportan electrones, y quedan libre los H+. El Complejo III involucra a los citocromos y la energía aportada por este Complejo para el bombeo de protones es suficiente para formar ATP (Fig. 7).



El Complejo IV (citocromo oxidasa) cataliza la formación de H2O a partir de los 2 e-, ½ O y 2H+.
Este complejo contribuye con la generación de un gradiente de protones suficiente para generar un ATP. Observar que el oxígeno se reduce a agua, mientras la energía liberada por los electrones permite la fosforilación del ADP a ATP: el proceso se denomina fosforilación oxidativa.

• El Complejo V, también anclado en la membrana mitocondrial interna, es la ATPasa o ATPsintasa (Fig. 6). Este complejo está formado por los componentes Fo y F1:

 a. Fo corresponde al canal protónico (Fig. 7). En presencia de oligomicina, un antibiótico que se une a este canal, no ocurre el pasaje de H+, y por lo tanto se inhibe la síntesis de ATP.
b. F1 contiene las unidades catalíticas de la ATPasa, que permite sintetizar el ATP a partir del ADP y P (Fig. 6 y 7).




La teoría quimiosmótica explica cómo el gradiente protónico generado por la cadena respiratoria permite la síntesis de ATP

La energía liberada por los electrones en la cadena respiratoria, es usada para el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranal (figuras 4 y 8). Este bombeo produce un gradiente de protones, y como consecuencia una desigualdad de cargas y de pH a ambos lados de la membrana interna.

• Como consecuencia del bombeo de H+, el pH de la matriz se vuelve alcalino respecto al del espacio intermembranal y se genera un gradiente químico y eléctrico. La fuerza protón motriz, consecuencia del gradiente, hace posible que los protones vuelvan a la matriz, de manera que  el pH tiende a igualarse a ambos lados de la membrana.

• A medida que los H+ fluyen pasivamente de nuevo hacia la matriz a través del canal Fo, el complejo enzimático ATP sintasa utiliza la fuerza protón motriz para generar el enlace fosfoahidro entre el ADP y el P, y producir ATP.

• La membrana interna es impermeable a los iones, incluyendo a los H+, que sólo pueden atravesarla mediante transportadores y por canales Fo - F1 (ATP sintasa).



Referencias:


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