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CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA Material elaborado por: J. Monza, O. Borsani, L. Batista y S. Signorelli 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. Como se observa en la figura 1, 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 (Figura 1 y 2).

Figura 1. Diagrama que muestra la convergencia del poder reductor (H2) desde moléculas reducidas (aminoácidos, glúcidos y ácidos grasos) hasta el oxígeno. Parte de la energía liberada se conserva como ATP.

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El ATP es un mononucleótido que acumula la energía A través de los transportadores de la cadena respiratoria ocurren reacciones de óxido reducción, que liberan la energía necesaria para la síntesis de ATP, según se representa en la Figura 1. Esta molécula es el reservorio de energía común en animales, vegetales, hongos y bacterias. •

El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos: es un nucleótido trifosfato (Fig. 2). También son mononucléotidos, pero mono y difosfato, el AMP y el ADP .

Figura 2. Molécula de ATP (adenosín trifosfato). AMP (adenosín monofosfato) y ADP (adenosín difosfato). Las flechas indican los enlaces fosfoanhidro y la energía contenida en ellos. La adenina (A) es una representación de la molécula, y no su fórmula.

La formación de un enlace fosfoanhidro (entre dos P) es una reacción fuertemente endergónica que requiere 7.5 Kcal (Figura 2). La hidrólisis de este enlace libera la misma cantidad de energía. De esta forma, en la transformación del ATP en ADP se liberan 7.5 Kcal y un fosfato, y de ADP a AMP se liberan otras 7.5 Kcal y otro fosfato: la hidrólisis de ATP en AMP rinde entonces 15 Kcal.

Otros mononucleótidos, como los que aparecen en la figura 3, tienen otras bases: guanina el GTP, citosina el CTP, uracilo el UTP y timina el TTP. La síntesis de estos nucleótidos trifosfato desde los monofosfato o difosfato respectivos requiere la misma cantidad de energía que la síntesis de ATP desde el AMP o ADP. Por lo tanto, la hidrólisis de los enlaces de alta energía de cualquier mononucleótido rinde la misma cantidad de energía: de GTP a GMP o de TTP a TMP se liberan 15 kcal.

Si bien hay otros mononucleótidos capaces de conservar energía en sus enlaces fosforanhidro, el ATP es la molécula bajo la cual las células almacenan inicialmente la energía, y a partir de ella se forman en general los otros mononucleótidos. Por ejemplo, mientras un ATP rinde ADP un GDT se fosforila a GTP, etc.

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Figura 3. Mononuclótidos trifosfato. Los enlaces de alta energía (indicados con flecha) ocurren entre dos fosfatos con pérdida de agua (fosfoanhidros). Su hidrólisis, es decir su ruptura con entrada de agua, libera la misma cantidad de energía.

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 intermembrana y la matriz (Figura 4).

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 enziamas. 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.

Figura 4. Mitocondria. A Modelo de una mitocondria. (modificado de botanica.cnba.uba.ar) y B Microscopia electrónica de una mitocondria (tomado de genomasur.com). En la matriz hay ADN y ribosomas, que le permiten sintetizar algunas proteínas necesarias para su funcionamiento: es un organelo semiautónomo.

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.

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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).

Figura 5. Esquema donde se representan los transportadores de la cadena respiratoria ordenados según su afinidad creciente por los e-. Los e- fluyen desde los transportadores más electronegativos a los más electropositivos. NAD, nicotín adenín dinucleótido; FAD, flavín adenin dinucleótido; CoQ, coenzima Q o ubiquinona; cit, citocromos. Los ATP se representan para ilustrar la cantidad que se pueden formar, pero su posición en el esquema es imprecisa.

La cadena respiratoria está integrada por trasportadores y proteínas que forman loa “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

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involucra a los citocromos y la energía aportada por este Complejo para el bombeo de protones es suficiente para formar ATP (Fig. 7).

Figura 6. Representación de los complejos que integran a la cadena respiratoria. Se indica la dirección del transporte de e- a través de los complejos y de los H+ desde la matriz al espacio intermembrana, y desde este nuevamente a la matriz a través de la ATPasa (Complejo V).

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).

Matriz

a

Espacio intermembrana

Figura 7. Modelo de la ATPasa y canal protónico. Se indican los oligómeros que conforman el canal protónico (Fo) y a la ATPasa (F1). Tomado de ugr.es.

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En resumen: en la membrana mitocondrial interna se localizan los Complejos I al IV (NADH deshidrogenasa, succínico deshidrogenasa, coenzima-Q reductasa y citocromo c oxidasa) que transportan electrones, y el Complejo V que no está vinculado al transporte de e- como los otros, sino a la síntesis de ATP. La cantidad de ATP generado es distinta si los electrones ingresen por el Complejo I o II Por cada fosfato que se une al ADP para dar ATP se requiere energía que liberan los electrones, que son aceptados finalmente por el ½ O2 con la consecuente formación de H2O (Fig. 5 y 6). De esta forma se puede establecer una relación entre el fósforo y el oxígeno P/O: •

Los electrones desde el NAD al O2 liberan energía suficiente para generar 3 ATP y consumen ½O2 (1 O) para formar H2O. En esta condición la relación P/O = 3/1= 3.

Los electrones desde el FAD al O2 liberan energía suficiente para generar 2 ATP y consumen ½O2 (1 O) para formar H2O. En esta condición la relación P/O = 2/1= 2.

En resumen: la relación P/O se refiere a cuantas moléculas de fosfato son fijadas en relación a la cantidad de oxígeno consumido. El resultado neto es que por cada NADH es posible generar 3 ATP (relación 3/1), mientras que por cada FADH2 es posible generar 2 ATP (relación 2/1). La variación de energía libre en un proceso de oxidación se puede cuantificar La variación de energía libre (∆Gº´) que se produce en las reacciones redox está relacionada con el potencial de reducción estándar (Eº´), cuando se transfieren electrones desde una molécula a otra. •

Se puede calcular el cambio de energía libre estándar de una reacción redox a partir de la diferencia del potencial redox de los dos pares que participan en la reacción, según la fórmula: ∆G º´ = - n . F. ∆Eº´ n es el número de electrones transferidos; F la constante de Faraday (23.06 Kcal V-1 mol-1, ó 96.5 kJ V-1 mol -1) y ∆Eº´ la variación del potencial redox en voltios.

La cadena respiratoria es un proceso fuertemente exergónico, pero hay pérdidas de energía bajo forma de entropía en el acople entre el transporte de e- y la fosforilación del ADP. Si se relaciona la cantidad de kcal que se conservan en los enlaces del ATP con la cantidad de energía que potencialmente se podría formar surge que alrededor del 40% de la energía se disipa.

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 intermembrana (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 intermembrana 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).

En resumen: la fuerza protón motriz entre los dos compartimentos es el acontecimiento primario en la conservación de energía. Con el flujo pasivo de H+ hacia la matriz a través de la ATP asa se sintetiza ATP en cuyos enlaces fosfoanhidro se conserva la energía química.

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Figura 8. Modelo de la teoría quimiosmótica o de Mitchel. Mientras los electrones transcurren por la cadena de transportadores desde el Complejo I hasta el O2, la energía liberada se usa para bombear H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Los H+ vuelven a la matriz a través de los canales protónicos (Fo), que se abren como consecuencia del gradiente generado a ambos lados de la membrana interna. La energía liberada por los H+ al volver a la matriz es usada para sintetizar ATP, es decir, para generar enlaces fosfoanhidro entre el fosfato y el ADP. Adaptado de recursos.cnice.mec.es.

Los inhibidores de la cadena respiratoria impiden el pasaje de electrones Las moléculas que actúan como inhibidores impiden el flujo de e- entre los transportadores, y por lo tanto la síntesis de ATP. Estas moléculas pueden actuar como venenos. •

El Amital (un barbitúrico) o la Rotenona (un insecticida) bloquean el flujo de e- desde el NADH a la CoQ, mientras la Antimicina (un antibiótico) lo hace entre CoQ y Cit b, y el cianuro, la azida y el monóxido de carbono actúan sobre la citocromo oxidasa.

La aplicación de estos inhibidores bloquea el pasaje de e- por la cadena respiratoria. De esta forma “por detrás” del punto de inhibición los transportadores quedan reducidos.

Como consecuencia de esto no se produce ATP porque no se genera el gradiente protónico, ni agua porque los e- no llegan a reducir al O2: la cadena está interrumpida.

Los desacopladotes de la cadena respiratoria no impiden el pasaje de electrones El Dinitrofenol (DNP) y la termogenina, entre otras moléculas, pueden actuar como desacopladores, es decir desacoplan el transporte de e- de la síntesis de ATP. •

Los desacopladores disminuyen la generación del gradiente de H+ porque permiten que los H+ difundan desde el espacio intermembrana hacia la matriz. La membrana mitocondrial interna se hace entonces permeable a los H+, lo que interfiere con la generación del gradiente.

En presencia de desacopladores se consume oxígeno, porque no está alterado el transporte de e- a través de la cadena, pero se forman menos ATP porque no se establece normalmente el gradiente protónico.

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La termogenina es una proteína presente en la membrana mitocondrial interna del tejido adiposo pardo. A través de esta proteína pasan los H+, de manera que se genera un gradiente protónico mucho menor, y por lo tanto la cantidad de ATP generado también es menor. Como consecuencia de este desacople entre el transporte de e- y la fosforilación oxidativa, se libera energía como calor. El tejido adiposo pardo es abundante en animales que hibernan.

Inhibidores de la ATPasa Hay moléculas que inhiben la síntesis de ATP, pero que no actúan sobre la cadena respiratoria. Por ejemplo la oligomicina, un antibiótico que interfiere en el transporte de protones. Esta molécula se une a la subunidad Fo de la ATPasa e impidie de esta forma el pasaje de H+. Bibliografía Nelson y Cox, Lenhinger Principios de Bioquímica. Editorial Omega. Ediciones varias. Stryer, Lubert; Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L. Bioquímica: Stryer. Editorial Reverte. Ediciones varias. Link video: http://www.edumedia-sciences.com/es/a417-cadena-respiratoria

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