CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

 

En un proceso de combustión de glucosa (materia orgánica):

 

 

 

Es una combustión controlada que permite sacar energía de forma muy óptima en cada paso.

La cantidad de energía importante se obtiene en la oxidación de NADH y FADH2 a expensas de reducir el O2.

Esta reacción red-ox es la forma en la que los organismos aeróbicos obtienen energía. Hay excepciones: hay bacterias que, en vez de reducir O2, usan S y los reduce a sulfídrico(SH2).

Se transforma energía eléctrica en química. Ese transformador es la cadena de transporte de electrones de la membrana interna de la mitocondria. Requiere ser estanco. Son proteínas.

La cadena de transporte de electrones es un mecanismo para pasar electrones de 1 molécula a otra. Algunos saltos generan suficiente energía para bombear H+ del interior de la membrana interna al exterior de la mitocondria.

La cadena de transporte de electrones se transforma en un gradiente de H+. Los gradientes tienden a homogeneizarse y sólo pueden volver a través del tubo que hay (donde se aprovecha la energía liberada por el gradiente de H+ para fabricar ATP a partir de ADP). Se conoce como teoría quimiosmótica de Michel.

Una molécula tiene un potencial red-ox negativo cuando tiene tendencia a ceder electrones a otra molécula. Se le da a un par de H+/H2.

La tendencia a obtener electrones de H+/H2 es el potencia red-ox positivo.

Cuando hay una oxidación y reducción en una reacción red-ox, hay un cambio. La diferencia de potencial red-ox evalúa los cambios que se producen. Se calcula:

Pyr + NADH  --->  Lactato + NAD+

 

La diferencia de potencial red-ox se puede calcular fijándose que hay 2 reacciones diferentes:

2 H+ + 2 e- + Pyr  --> Lactato

NAD+ + 2 e- + H+  --> NADH

Por definición, las semirreacciones electroquímicas son oxidante + e- -> reductor.

El potencial redox del piruvato se obtiene mediante tablas

 

 

 

 

Los dos son reductores porque tienen un valor negativo.

DE0´ es la suma de cada componente. DE0´= -0.19 + 0.32 = 0.13 V. Se relaciona con la energía de Gibbs.

DG0´ = - nF DE0´

 

DG0´= 2 x 23´06 x 0´13 = - 6 Kcal/mol

Estas reacciones producen calor y depende de las concentraciones de la célula para ser espontáneas.

Esto se puede aplicar a la reacción de oxidación de NADH con el O2.

 

 

 

 

 

Estructura de la cadena de transporte de electrones.

La estructura está formada por 3 partes: macromolécula, molécula pequeña (citocrom C) y un coenzima Q (Ubiquinona). Son un conjunto de reacciones red-ox.

La NADH-Q reductasa es enorme y tiene 106 D. Tiene 2 tipos de grupos prostéticos que son los responsables de regular NADH (FMN y complejos ferro-sulfurados (manera de contener moléculas de Fe sin estar en la molécula de Hemo (Hierro no hémico)). Manejan los electrones  que se reciben.

El NADH se oxida a NAD+ (transferencia de 2 electrones).  Implica que el FMN se reduzca a FMNH2.

 

 

 

La FMN más 1 e- forman la semiquinona, que si se le suma un segundo e-, se transfiere al segundo enlace y da FMNH2. Estos dos electrones son transferidos a un complejo Fe-S, que pasa de una forma oxidada (FE+3) a una forma reducida (FE+2). El Fe+3 se regenera transfiriéndoselo al co-enzima Q, que cuando recibe 2 e-, se transforma en la QH2.

La ubiquinona                    es una molécula con un potencial red-ox muy bueno. La parte derecha es una estructura que se repite de isopreno. El isopreno es muy importante en biología porque forma diferentes sustancias. La cola confiere a la molécula hidrofílica un elemento completamente hidrofóbico que permite que la ubiquinona se inserte en la membrana mitocondrial interna.

La ubiquinona, cuando capta 1 electrón, se transforma en una semiquinona. Con el segundo electrón, se transforma en reducida (ubiquinol).

La ubiquinona es el punto de entrada para los electrones del FADH2 (tiene un potencial red-ox menos negativo que NADH).

La ubiquinona se regenera cediendo los electrones a la citocromo reductasa. Es un multímero de 10 subunidades de 25.000 D de masa molecular. Tiene varios grupos prostéticos. Tiene citocromos (tienen un grupo hemo y un Fe asociado). Tiene 2 citocromos B (definido por el tipo de sustituyente del anillo tetrapirrólico), 1 citocromo C1 y Fe-S.

 

 

 

 

 

El electrón se transfiere al complejo Fe-S. Implica que se transfiere de 1 en 1. El potencial red-ox de la semiquinona es insuficiente para transferir el segundo electrón. A través de los 2 citocromos B de la reductasa, se cataliza una reacción: una segunda molécula de semiquinona interacciona para formar una quinona totalmente reducida (vuelve a transferir el electrón) y otra totalmente oxidada (forma regenerada de ubiquinona). Es una reacción de dismutación.

El entorno de la proteína define las características eléctricas del Fe. El Fe+2, a través de la citocromo oxidasa va a transferir electrones al O2.

 

 

La citocromo oxidasa contiene grupos hemo (Fe2+/3+) y contiene grupos Cu+1/+2+. El DNA mitocondrial es suficiente para codificar citocromo C oxidasa. La reacción de reducción del O2 se debe dar completamente porque si son incompletas, da lugar a un anión superóxido.

O2 + e- --> O2- anión superóxido (químicamente muy reactivo).

Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa es el proceso por el cual el gradiente de H+ al transferir electrones en la cadena de transporte de electrones, se aprovecha para producir ATP.

La teoría quimiosmótica de Michel ocurre gracias a la ATPasa mitocondrial. Son 2 procesos independientes que se hacen juntos. El espacio intermembranal es un punto más ácido de PH (con 10 e- más) que el interior.

En ausencia de la cadena de transporte de electrones, la ATPasa, con un gradiente de electrones diferente, la ATPasa sintetiza ATP. El modelo de Michel exige que el compartimento sea estanco para que los H+ que se bombean fuera, deban volver a pasar por la ATPasa.

El bombeo de H+ alimenta la síntesis de ATP porque son reacciones acopladas.

El bombeo de H+ ocurre por la variación de potencial redox en la cadena de transporte de electrones es suficientemente grande para transformar energía que puede dar ATP. No se puede fabricar ATP si el salto energético inicial no es suficientemente grande. En la cadena de transporte de electrones se producen saltos de electrones con suficiente nivel energético.

Hay relación entre la cantidad de Fosfato que se consume y el consumo de cierto O2.

 

 

 

 

 

 

 

 

La producción de ATP es diferente según si se intoxica la cadena con un producto o otro. Si se bloquea al final de la cadena, se produce más ATP porque hay más saltos electrónicos. Si se bloquea  arriba del todo, no se produce nada de ATP porque no hay saltos electrónicos.

Los H+ que se forman en la cadena de transporte de electrones no son suficientes porque cada salto necesita 10-12 H+. El resto de H+ son de algunas proteínas involucradas (residuos de imidazol). P.ejemplo: algún componente de la reductasa, citocromo y citocromo oxidasa.

La ATPasa mitocondrial está dividida en 2 funciones (F1 (actividad catalítica) y F0 (enganchada a la membrana)). Cuando está fuera de la mitocondria, hidroliza ATP.

La F1 está compuesta por diversas proteínas (3a, 3b, 1s, 1d, 1e). Las b son las responsables de síntesis o hidrólisis de ATP.

La F0 está insertada en la bicapa lipídica. Tiene 4 tipos diferentes de subunidades. Hay unidades de 8 KD (en grupos de 6), que atraviesan físicamente la membrana en forma de tubo. Por ese agujero se mueven los H+ del espacio intermembrana a la mitocondria.

 

Además, existen proteínas de tipo regulador.

La ATPasa funciona:

1. Las 3 unidades b (que son proteínas idénticamente iguales químicamente, no funcionan igual porque están interaccionadas con diferentes unidades). La forma T está unida a ATP. Cuando hay ADP + Pi, la zona C tiene afinidad por ADP+Pi. El flujo de protones cambia la conformación de las 3 unidades b. La forma L se transforma en T y la T en forma de O. La forma O se transforma en L. El ATP deja de estar unida  a b, que tiene afinidad a otra que no le tiene afinidad y lo libera.

2. El ADP+Pi se coloca en una zona que cataliza la síntesis de ATP. Esta estructura es la misma que al principio. El flujo de protones se emplea en expulsar el ATP que había y cataliza una nueva molécula de ATP. Para que pase todo esto, se necesita que haya NADH o FADH2.

Todo pasa en la membrana interna mitocondrial.

Los NADH que se forman en la glucólisis son citosólicos. Estos NADH citosólicos no entran en la matriz mitocondrial. La célula aprovecha los electrones del NADH sin entrar el NADH mediante la lanzadera del glicerolfosfato.

 

 

 

 

 

 

 

La dihidroxiacetonafosfato está en el citosol en abundancia. Esta molécula puede ser reducida a glicerolfosfato.

El glicerolfosfato puede entrar por canales de alcohol.

La lanzadera transforma NADH en NAD+ en el citosol y  FAD+ en FADH2. Los electrones del FADH2 no son tan buenos como los del NADH. La concentración de NADH mitocondrial  es mayor dentro de la mitocondria que fuera.

La glicerolfosfatodeshidrogenasa es diferente en los 2 procesos.

El enzima interior de la mitocondria no fabricaría NADH, sino que lo hidrolizaría porque hay más dentro que fuera. Por eso, los enzimas son diferentes para que se pueda asegurar que parte del potencial red-ox de los electrones del NADH citosólico son introducidos en la mitocondria.

En algunas circunstancias (músculo cardíaco o hígado), el nivel de NADH en la mitocondria no es tan elevado. Existe una lanzadera malatoaspartato para meter:

 

 

 

 

 

 

 

 

Los electrones del NADH están enteros. Sólo ocurre cuando la concentración de NADH mitocondrial es muy baja.

Los procesos mitocondriales son catabólicos (fabrica ATP) y se gasta en el citosol. La célula transporta mediante la translocasa (proteína responsable de introducir ADP a la mitocondria y sacar ATP).

Cuando se importa un ADP, se exporta un ATP. Es una proteína que mediante gasto energético, cambia su conformación.

La direccionalidad del proceso es:

-Porque ADP y ATP son parecidas pero difieren en la carga eléctrica.

-Las 2 caras de la membrana mitocondrial no son iguales (la cara de la matriz es más negativa (2V) que la citosólica). Cuando la translocasa lleva ATP, más negativo que ADP, vuelca el ATP a la zona más positiva. Prácticamente una cuarta parte de la fosforilación oxidativa se consume en este mecanismo.

Es un proceso imprescindible para la mitocondria. Los procesos que implican movimiento consumen mucha energía. Ej:

Glucosa + 30 ADP + 30 Pi + 30 H+ + 6 O2 --> 6 CO2 + 30 ATP + 42 H2O

Si se asume que desde el punto de vista neto:

1. NADH rinde netamente 2´5 ATP (NADH entrado gracias a la lanzadera glicerolfosfato.

2. FADH2 rinde netamente 1´5 ATP.

Cada ATP da aproximadamente 7´3 Kcal/mol.

DG0´= 7´3 Kcal/mol x 30 ATP = 219 Kcal/mol.

La oxidación aeróbica de glucosa rinde 219 Kcal/mol. Si se produce la combustión química se produce:

Glucosa + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O

DG0´= -686 Kcal /mol

La célula funciona con una eficiencia del 33%. La célula tiene mecanismos para evitar meter FADH2 y NADH en la cadena de transporte. Sólo se mete. Se basa en la disponibilidad de ATP.

La translocasa sólo mete ADP cuando hay ADP en el exterior. Cuando el ADP no se utiliza para formar ATP, se usa para producir calor, desacoplando la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

La termogenina es una proteína abundante (10-15% de la proteína total de la membrana interna mitocondrial) que se encuentra en el tejido adiposo marrón (porque tiene muchas mitocondrias).Actúa como coladero de H+. Pasa a través de la membrana mitocondrial. No pasa por la cadena de transporte de electrones. Esa energía se transforma en calor.

Se produce el anión superóxido (O2-):

 

 

 

 

Estas reacciones son deseables. El agua oxigenada es un paso intermedio para librarnos de los radicales.

 

 

 

 

La célula dispone de mecanismos para eliminar agua oxigenada:

H2O2 + H2O2 --catalasa--> 2 H2O + O2

La catalasa es la responsable de las burbujas de O2 tisular cuando hay H2O2. El O2 funciona como antiséptico. La célula diseña mecanismos para eliminar sustancias potencialmente peligrosas y agresivas que se puedan generar por procesos químicamente sencillos.