La mayoría de las células eucariotas tienen mitocondrias, que producen ATP a partir de productos del ciclo del ácido cítrico, la oxidación de ácidos grasos y la oxidación de aminoácidos. En la membrana mitocondrial interna, los electrones de NADH y FADH2 pasan a través de la cadena de transporte de electrones al oxígeno, que se reduce a agua. La cadena de transporte de electrones comprende una serie enzimática de donantes y aceptadores de electrones. Cada donante de electrones pasa electrones a un aceptor más electronegativo, que a su vez dona estos electrones a otro aceptor, un proceso que continúa por la serie hasta que los electrones pasan al oxígeno, el aceptor de electrones más electronegativo y terminal de la cadena. El paso de electrones entre el donante y el receptor libera energía, que se utiliza para generar un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial «bombeando» protones al espacio intermembrana, produciendo un estado termodinámico que tiene el potencial de funcionar. Todo este proceso se llama fosforilación oxidativa, ya que el ADP se fosforila a ATP mediante el uso del gradiente electroquímico establecido por las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones.
Portadores redox mitocondrialeseditar
La energía obtenida a través de la transferencia de electrones por la cadena de transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico de protones (ΔpH) a través de la membrana mitocondrial interna. Este gradiente de protones es en gran parte pero no exclusivamente responsable del potencial de membrana mitocondrial (ΔΨM). Permite que la ATP sintasa utilice el flujo de H + a través de la enzima de vuelta a la matriz para generar ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico. El complejo I (NADH coenzima Q reductasa; etiquetado I) acepta electrones del dinucleótido nicotinamida adenina portador de electrones del ciclo de Krebs (NADH), y los pasa a la coenzima Q (ubiquinona; etiquetado Q), que también recibe electrones del complejo II (succinato deshidrogenasa; etiquetado II). Q pasa electrones al complejo III (complejo del citocromo bc1; etiquetado III), que los pasa al citocromo c (cyt c). El Cyt c pasa electrones al complejo IV (citocromo c oxidasa, etiquetado como IV), que utiliza los electrones y los iones de hidrógeno para reducir el oxígeno molecular al agua.
Se han identificado cuatro complejos unidos a la membrana en las mitocondrias. Cada una es una estructura transmembrana extremadamente compleja que está incrustada en la membrana interna. Tres de ellas son bombas de protones. Las estructuras están conectadas eléctricamente por portadores de electrones solubles en lípidos y portadores de electrones solubles en agua. The overall electron transport chain:
NADH+H+ → Complex I → Q Complex II Succinate → Complex III → cytochrome c → Complex IV → H2O Complex II Succinate
Complex IEdit
In complex I (NADH ubiquinone oxireductase, Type I NADH dehydrogenase, or mitochondrial complex I; EC 1.6.5.3), two electrons are removed from NADH and transferred to a lipid-soluble carrier, ubiquinone (Q). The reduced product, ubiquinol (QH2), freely diffuses within the membrane, and Complex I translocates four protons (H+) across the membrane, thus producing a proton gradient. El complejo I es uno de los principales sitios en los que se produce una fuga prematura de electrones al oxígeno, por lo que es uno de los principales sitios de producción de superóxido.
La ruta de los electrones es la siguiente:
El NADH se oxida a NAD+, reduciendo el mononucleótido de flavina a FMNH2 en un paso de dos electrones. FMNH2 se oxida en dos pasos de un electrón, a través de un intermedio de semicuinona. Cada electrón se transfiere del FMNH2 a un cúmulo de Fe-S, del cúmulo de Fe-S a la ubiquinona (Q). La transferencia de los primeros resultados de electrones en el de los radicales libres (semiquinona) forma de Q, y la transferencia de la segunda electrones reduce la semiquinona forma a la forma de ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones se translocan de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. A medida que los electrones se oxidan continuamente y se reducen en todo el complejo, se produce una corriente de electrones a lo largo del ancho de 180 Angstrom del complejo dentro de la membrana. Esta corriente alimenta el transporte activo de cuatro protones al espacio intermembrana por dos electrones desde NADH.
Complex IIEdit
In complex II (succinate dehydrogenase or succinate-CoQ reductase; EC 1.3.5.1) additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via flavin adenine dinucleotide (FAD)) to Q. Complex II consists of four protein subunits: succinate dehydrogenase, (SDHA); succinate dehydrogenase iron-sulfur subunit, mitochondrial, (SDHB); succinate dehydrogenase complex subunit C, (SDHC) and succinate dehydrogenase complex, subunit D, (SDHD). Other electron donors (e.g., ácidos grasos y glicerol 3-fosfato) también dirigen electrones a Q (vía FAD). El complejo II es una vía de transporte de electrones paralela al complejo 1, pero a diferencia del complejo 1, no se transportan protones al espacio intermembrana en esta vía. Por lo tanto, la ruta a través del complejo II contribuye menos energía al proceso general de la cadena de transporte de electrones.
Complejo IIIEdit
En el complejo III (complejo del citocromo bc1 o COQH2-citocromo c reductasa; EC 1.10.2.2), el ciclo Q contribuye al gradiente de protones mediante una absorción/liberación asimétrica de protones. Se eliminan dos electrones de QH2 en el sitio QO y se transfieren secuencialmente a dos moléculas del citocromo c, un portador de electrones soluble en agua ubicado dentro del espacio intermembrana. Los otros dos electrones pasan secuencialmente a través de la proteína al sitio Qi donde la parte de quinona de ubiquinona se reduce a quinol. Un gradiente de protones está formada por un quinol ( 2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2H+2e-}}} ) oxidaciones en el sitio Qo para formar una quinona ( 2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2H+2e-}}} ) en el Qi del sitio. (En total, se translocan cuatro protones: dos protones reducen la quinona a quinol y dos protones se liberan de dos moléculas de ubiquinol.)
QH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} citocromo c {\displaystyle {\text{ citocromo }}c} ( Fe III ) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} in + {\displaystyle _{\text{in}}^ {+}} Q Q + 2 {\displaystyle {\ce {-> Q + 2}}} citocromo c {\displaystyle {\text{ citocromo }}c} ( Fe II ) + 4 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 H}}} out + {\displaystyle _{\text{out}}^{+}}
Cuando se reduce la transferencia de electrones (por un alto potencial de membrana o inhibidores respiratorios como la antimicina A), el complejo III puede formación de superóxido.
Este complejo es inhibido por dimercaprol (Antilewisita británica, BAL), Naptoquinona y Antimicina.
Complejo IVEDITAR
En el complejo IV (citocromo c oxidasa; EC 1.9.3.1), a veces llamado citocromo AA3, se eliminan cuatro electrones de cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno molecular (O2), produciendo dos moléculas de agua. El complejo contiene iones de cobre coordinados y varios grupos hemo. Al mismo tiempo, se eliminan ocho protones de la matriz mitocondrial (aunque solo cuatro se translocan a través de la membrana), contribuyendo al gradiente de protones. Los detalles exactos del bombeo de protones en el complejo IV aún están bajo estudio. El cianuro es un inhibidor del complejo 4.
Acoplamiento oxidativo phosphorylationEdit
Representación de la ATP sintasa, el sitio de fosforilación oxidativa para generar ATP.
La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico, propuesta por el Premio Nobel de Química Peter D. Mitchell, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están acopladas por un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. El flujo de protones de la matriz mitocondrial crea un gradiente electroquímico (gradiente de protones). Este gradiente es utilizado por el complejo FOF1 ATP sintasa para producir ATP a través de la fosforilación oxidativa. La ATP sintasa a veces se describe como el complejo V de la cadena de transporte de electrones. El componente FO de la ATP sintasa actúa como un canal iónico que proporciona un flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial. Se compone de subunidades a, b y c. Los protones en el espacio inter-membranoso de las mitocondrias entran primero en el complejo ATP sintasa a través de un canal de subunidades. Luego los protones se mueven a las subunidades c. El número de subunidades c que tiene determina cuántos protones necesitará para hacer que el FO gire una revolución completa. Por ejemplo, en humanos, hay 8 subunidades c, por lo que se requieren 8 protones. Después de las subunidades c, los protones finalmente entran en la matriz usando un canal de subunidad que se abre a la matriz mitocondrial. Este reflujo libera energía libre producida durante la generación de las formas oxidadas de los portadores de electrones (NAD+ y Q). La energía libre se utiliza para impulsar la síntesis de ATP, catalizada por el componente F1 del complejo.El acoplamiento con fosforilación oxidativa es un paso clave para la producción de ATP. Sin embargo, en casos específicos, desacoplar los dos procesos puede ser biológicamente útil. La proteína desacoplante, la termogenina, presente en la membrana mitocondrial interna del tejido adiposo marrón, proporciona un flujo alternativo de protones de regreso a la matriz mitocondrial interna. La tiroxina también es un desenganchador natural. Este flujo alternativo da lugar a la termogénesis en lugar de la producción de ATP.
Flujo inverso de electróneditar
El flujo inverso de electrones, es la transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones a través de las reacciones redox inversas. Por lo general, al requerir una cantidad significativa de energía para ser utilizada, esto puede resultar en la reducción de la forma oxidada de los donantes de electrones. Por ejemplo, el NAD+ se puede reducir a NADH por el complejo I. Hay varios factores que han demostrado inducir el flujo inverso de electrones. Sin embargo, hay que seguir trabajando para confirmarlo. Un ejemplo es el bloqueo de la producción de ATP por la ATP sintasa, lo que resulta en una acumulación de protones y, por lo tanto, una mayor fuerza motriz de protones, lo que induce un flujo de electrones inverso.