Cadena de transporte de electrones
Una cadena de transporte de electrones es una serie de complejos de proteínas y otras moléculas que transfieren electrones de los donantes de electrones a los aceptores de electrones a través de reacciones redox (tanto la reducción como la oxidación ocurren simultáneamente) y acopla esta transferencia de electrones con la transferencia de protones (iones H) a través de una membrana. Muchas de las enzimas de la cadena de transporte de electrones están unidas a la membrana.
El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones es un proceso exergónico. La energía de las reacciones redox crea un gradiente electroquímico de protones que impulsa la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP). En la respiración aeróbica, el flujo de electrones termina con el oxígeno molecular como aceptor final de electrones que proporciona la mayor parte de la energía. En la respiración anaeróbica se utilizan otros aceptores de electrones de menor energía, como el sulfato.
En una cadena de transporte de electrones, las reacciones redox son impulsadas por la diferencia en la energía libre de Gibbs de los reactivos y productos. La energía libre liberada cuando un donante y un aceptor de electrones de mayor energía se convierten en productos de menor energía, mientras que los electrones se transfieren de un potencial redox más bajo a uno más alto, es utilizada por los complejos en la cadena de transporte de electrones para crear un gradiente electroquímico de iones.. Es este gradiente electroquímico el que impulsa la síntesis de ATP a través del acoplamiento con la fosforilación oxidativa con la ATP sintasa.
En los organismos eucariotas, la cadena de transporte de electrones y el sitio de fosforilación oxidativa se encuentran en la membrana mitocondrial interna. La energía del oxígeno liberada en su reacción con compuestos reducidos como el citocromo ce (indirectamente) NADH y FADH son utilizados por la cadena de transporte de electrones para bombear protones al espacio intermembrana, generando el gradiente electroquímico sobre la membrana mitocondrial interna. En los eucariotas fotosintéticos, la cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana tilacoide. Aquí, la energía de la luz impulsa el transporte de electrones a través de una bomba de protones y el gradiente de protones resultante provoca la síntesis posterior de ATP. En bacterias, la cadena de transporte de electrones puede variar entre especies pero siempre constituye un conjunto de reacciones redox que se acoplan a la síntesis de ATP mediante la generación de un gradiente electroquímico y la fosforilación oxidativa a través de la ATP sintasa.
Cadenas de transporte de electrones mitocondriales
La mayoría de las células eucariotas tienen mitocondrias, que producen ATP a partir de reacciones del oxígeno con productos del ciclo del ácido cítrico, el metabolismo de los ácidos grasos y el metabolismo de los aminoácidos. En la membrana mitocondrial interna, los electrones de NADH y FADH 2 pasan a través de la cadena de transporte de electrones al oxígeno, que proporciona la energía que impulsa el proceso a medida que se reduce a agua. La cadena de transporte de electrones comprende una serie enzimática de donantes y aceptores de electrones. Cada donante de electrones pasará electrones a un aceptor de mayor potencial redox, que a su vez dona estos electrones a otro aceptor, un proceso que continúa en la serie hasta que los electrones pasan al oxígeno, el más rico en energía.y aceptor de electrones terminal en la cadena. Cada reacción libera energía porque un donante y un aceptor de mayor energía se convierten en productos de menor energía. A través de los electrones transferidos, esta energía se utiliza para generar un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial mediante el "bombeo" de protones en el espacio intermembrana, produciendo un estado de mayor energía libre que tiene el potencial de realizar trabajo. Todo este proceso se denomina fosforilación oxidativa ya que el ADP se fosforila a ATP utilizando el gradiente electroquímico que han establecido las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones impulsadas por la energía del oxígeno.
Portadores redox mitocondriales
La energía asociada con la transferencia de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones se usa 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 (ΔΨ M). Permite que la ATP sintasa use el flujo de Ha 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; etiquetada como I) acepta electrones del dinucleótido de nicotinamida y adenina transportador de electrones del ciclo de Krebs (NADH) y los pasa a la coenzima Q (ubiquinona; etiquetada como Q), que también recibe electrones del complejo II (succinato deshidrogenasa; marcado II). Q pasa electrones al Complejo III (complejo del citocromo bc 1; etiquetado como III), que los pasa al citocromo c (cyt c). Cyt c pasa electrones al complejo IV (citocromo c oxidasa; etiquetado como IV), que utiliza los electrones y los iones de hidrógeno para liberar la energía del oxígeno molecular a medida que se reduce a agua.
Se han identificado cuatro complejos unidos a la membrana en las mitocondrias. Cada uno es una estructura transmembrana extremadamente compleja que está incrustada en la membrana interna. Tres de ellos son bombas de protones. Las estructuras están conectadas eléctricamente por transportadores de electrones solubles en lípidos y transportadores de electrones solubles en agua. La cadena de transporte de electrones en general se puede resumir de la siguiente manera:
NADH+H → Complejo I → Q
↑
Complejo II
↑
Succinato → Complejo III → citocromo c → Complejo IV → H 2 O
↑
Complejo II
↑
succinato
Complejo I
En el complejo I (NADH ubiquinona oxidorreductasa, NADH deshidrogenasa tipo I o complejo mitocondrial I; EC 1.6.5.3), se extraen dos electrones del NADH y se transfieren a un transportador soluble en lípidos, la ubiquinona (Q). El producto reducido, ubiquinol (QH 2), se difunde libremente dentro de la membrana y el Complejo I transloca cuatro protones (H) a través de la membrana, produciendo así un gradiente de protones. El complejo I es uno de los principales sitios en los que se produce la fuga prematura de electrones a oxígeno, siendo así uno de los principales sitios de producción de superóxido.
El camino de los electrones es el siguiente:
El NADH se oxida a NAD, al reducir el mononucleótido de flavina a FMNH 2 en un paso de dos electrones. FMNH 2 luego se oxida en dos pasos de un electrón, a través de un intermedio de semiquinona. Así, cada electrón se transfiere del FMNH 2 a un grupo de Fe-S, del grupo de Fe-S a la ubiquinona (Q). La transferencia del primer electrón da como resultado la forma de radical libre (semiquinona) de Q, y la transferencia del segundo electrón reduce la forma de semiquinona a la forma de ubiquinol, QH 2. Durante este proceso, se translocan cuatro protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.A medida que los electrones se mueven a través del complejo, se produce una corriente de electrones a lo largo del ancho de 180 Angstrom del complejo dentro de la membrana. Esta corriente impulsa el transporte activo de cuatro protones al espacio intermembrana por cada dos electrones del NADH.
Complejo II
En el Complejo II (succinato deshidrogenasa o succinato-CoQ reductasa; EC 1.3.5.1) se entregan electrones adicionales al conjunto de quinonas (Q) que se originan en el succinato y se transfieren (a través del dinucleótido de flavina y adenina (FAD)) al Q. El Complejo II consta de cuatro subunidades proteicas: succinato deshidrogenasa, (SDHA); subunidad mitocondrial de hierro-azufre de la succinato deshidrogenasa [ubiquinona] (SDHB); subunidad C del complejo succinato deshidrogenasa (SDHC) y subunidad D del complejo succinato deshidrogenasa (SDHD). Otros donantes de electrones (p. ej., ácidos grasos y glicerol 3-fosfato) también dirigen electrones hacia Q (a través de FAD). El complejo II es una vía de transporte de electrones paralela al complejo 1, pero a diferencia del complejo I, en esta vía no se transportan protones al espacio intermembrana. Por lo tanto,
Complejo III
En el Complejo III (complejo de citocromo bc 1 o CoQH 2 -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 QH 2 en el sitio Q O y se transfieren secuencialmente a dos moléculas de citocromo c, un transportador 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 la ubiquinona se reduce a quinol. Un gradiente de protones está formado por un quinol ({displaystyle {ce {2H+2e-}}}
Cuando se reduce la transferencia de electrones (por un alto potencial de membrana o inhibidores respiratorios como la antimicina A), el Complejo III puede filtrar electrones al oxígeno molecular, lo que da como resultado la formación de superóxido.
Este complejo es inhibido por dimercaprol (British Antilewisite, BAL), Nafthoquinone y Antimicina.
Complejo IV
En el Complejo IV (citocromo c oxidasa; EC 1.9.3.1), a veces llamado citocromo AA3, se extraen cuatro electrones de cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren a oxígeno molecular (O 2) y cuatro protones, produciendo dos moléculas de agua. El complejo contiene iones de cobre coordinados y varios grupos hemo. Al mismo tiempo, la energía del O 2 se usa para eliminar ocho protones de la matriz mitocondrial (aunque solo cuatro se translocan a través de la membrana), lo que contribuye al gradiente de protones. Los detalles exactos del bombeo de protones en el Complejo IV aún están en estudio. El cianuro es un inhibidor del Complejo IV.
Acoplamiento con fosforilación oxidativa
De acuerdo con la hipótesis del acoplamiento quimiosmótico, propuesta por el ganador del 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. La salida de protones de la matriz mitocondrial crea un gradiente electroquímico (gradiente de protones). Este gradiente es utilizado por el complejo F O F 1 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 focomponente de la ATP sintasa actúa como un canal de iones que proporciona un flujo de protones de regreso a la matriz mitocondrial. Está compuesto por las subunidades a, b y c. Los protones en el espacio intermembrana de las mitocondrias ingresan primero al complejo ATP sintasa a través de un canal de subunidades. Luego, los protones se mueven a las subunidades c. El número de subunidades c determina cuántos protones se requieren para hacer que el F O 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 ingresan a la matriz a través de un canal de subunidad a que se abre hacia la matriz mitocondrial.Este reflujo libera energía libre producida durante la generación de las formas oxidadas de los transportadores de electrones (NAD y Q) con energía proporcionada por el O 2. La energía libre se utiliza para impulsar la síntesis de ATP, catalizada por el componente F 1 del complejo. El acoplamiento con la fosforilación oxidativa es un paso clave para la producción de ATP. Sin embargo, en casos específicos, el desacoplamiento de los dos procesos puede ser biológicamente útil. La proteína de desacoplamiento, 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 desacoplador natural. Este flujo alternativo da como resultado la termogénesis en lugar de la producción de ATP.
Flujo de electrones inverso
El flujo de electrones inverso es la transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones a través de las reacciones redox inversas. Por lo general, requiere una cantidad significativa de energía para usarse, esto puede reducir las formas oxidadas de los donantes de electrones. Por ejemplo, el complejo I puede reducir el NAD a NADH. Se ha demostrado que hay varios factores que inducen el flujo de electrones inverso. Sin embargo, se necesita más trabajo para confirmar esto. Un ejemplo es el bloqueo de la ATP sintasa, lo que da como resultado una acumulación de protones y, por lo tanto, una mayor fuerza motriz de protones, lo que induce un flujo de electrones inverso.
Cadenas de transporte de electrones bacterianos
En eucariotas, el NADH es el donante de electrones más importante. La cadena de transporte de electrones asociada es NADH → Complejo I → Q → Complejo III → citocromo c → Complejo IV → O 2 donde los Complejos I, III y IV son bombas de protones, mientras que Q y el citocromo c son transportadores de electrones móviles. El aceptor de electrones que proporciona la energía para este proceso es el oxígeno molecular.
En procariotas (bacterias y arqueas) la situación es más complicada, porque hay varios donantes de electrones diferentes y varios aceptores de electrones diferentes. La cadena de transporte de electrones generalizada en bacterias es:
Donante Donante Donante
↓ ↓ ↓
deshidrogenasa → quinona → bc 1 → citocromo
↓ ↓
oxidasa (reductasa) oxidasa (reductasa)
↓ ↓
Aceptador Aceptador
Los electrones pueden ingresar a la cadena en tres niveles: al nivel de una deshidrogenasa, al nivel del grupo de quinonas o al nivel de un transportador de electrones de citocromo móvil. Estos niveles corresponden a potenciales redox sucesivamente más positivos, oa diferencias de potencial sucesivamente disminuidas en relación con el aceptor de electrones terminal. En otras palabras, corresponden a cambios de energía libre de Gibbs sucesivamente más pequeños para la reacción redox general.
Las bacterias individuales usan múltiples cadenas de transporte de electrones, a menudo simultáneamente. Las bacterias pueden utilizar varios donantes de electrones diferentes, varias deshidrogenasas diferentes, varias oxidasas y reductasas diferentes y varios aceptores de electrones diferentes. Por ejemplo, E. coli (cuando crece aeróbicamente usando glucosa y oxígeno como fuente de energía) usa dos NADH deshidrogenasas diferentes y dos quinol oxidasas diferentes, para un total de cuatro cadenas de transporte de electrones diferentes que operan simultáneamente.
Una característica común de todas las cadenas de transporte de electrones es la presencia de una bomba de protones para crear un gradiente electroquímico sobre una membrana. Las cadenas de transporte de electrones bacterianos pueden contener hasta tres bombas de protones, como las mitocondrias, o pueden contener dos o al menos una.
Donantes de electrones
En la biosfera actual, los donantes de electrones más comunes son las moléculas orgánicas. Los organismos que utilizan moléculas orgánicas como fuente de electrones se denominan organótrofos. Los quimioorganotrofos (animales, hongos, protistas) y fotolitotrofos (plantas y algas) constituyen la gran mayoría de todas las formas de vida familiares.
Algunos procariotas pueden utilizar materia inorgánica como fuente de electrones. Tal organismo se llama (quimio) litótrofo ("devorador de rocas"). Los donantes de electrones inorgánicos incluyen hidrógeno, monóxido de carbono, amoníaco, nitrito, azufre, sulfuro, óxido de manganeso y hierro ferroso. Se han encontrado litótrofos creciendo en formaciones rocosas a miles de metros por debajo de la superficie de la Tierra. Debido a su volumen de distribución, los litótrofos pueden superar en número a los organótrofos y fotótrofos en nuestra biosfera.
El uso de donantes de electrones inorgánicos como el hidrógeno como fuente de energía es de particular interés en el estudio de la evolución. Este tipo de metabolismo lógicamente debe haber precedido al uso de moléculas orgánicas y oxígeno como fuente de energía.
Complejos I y II
Las bacterias pueden utilizar varios donantes de electrones diferentes. Cuando la materia orgánica es la fuente de electrones, el donante puede ser NADH o succinato, en cuyo caso los electrones ingresan a la cadena de transporte de electrones a través de la NADH deshidrogenasa (similar al Complejo I en las mitocondrias) o la succinato deshidrogenasa (similar al Complejo II). Se pueden usar otras deshidrogenasas para procesar diferentes fuentes de energía: formiato deshidrogenasa, lactato deshidrogenasa, gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, H 2deshidrogenasa (hidrogenasa), cadena de transporte de electrones. Algunas deshidrogenasas también son bombas de protones, mientras que otras canalizan electrones hacia el grupo de quinonas. La mayoría de las deshidrogenasas muestran una expresión inducida en la célula bacteriana en respuesta a las necesidades metabólicas provocadas por el entorno en el que crecen las células. En el caso de la lactato deshidrogenasa en E. coli, la enzima se usa aeróbicamente y en combinación con otras deshidrogenasas. Es inducible y se expresa cuando la concentración de DL-lactato en la célula es alta.
Portadores de quinona
Las quinonas son transportadores móviles solubles en lípidos que transportan electrones (y protones) entre grandes complejos macromoleculares relativamente inmóviles incrustados en la membrana. Las bacterias usan ubiquinona (Coenzima Q, la misma quinona que usan las mitocondrias) y quinonas relacionadas como la menaquinona (Vitamina K< 2). Las arqueas del género Sulfolobus usan caldariellaquinona. El uso de diferentes quinonas se debe a ligeros cambios en los potenciales redox causados por cambios en la estructura. El cambio en los potenciales redox de estas quinonas puede adaptarse a cambios en los aceptores de electrones o variaciones de potenciales redox en complejos bacterianos.
Bombas de protones
Una bomba de protones es cualquier proceso que crea un gradiente de protones a través de una membrana. Los protones se pueden mover físicamente a través de una membrana, como se ve en los complejos mitocondriales I y IV. El mismo efecto se puede producir moviendo electrones en la dirección opuesta. El resultado es la desaparición de un protón del citoplasma y la aparición de un protón en el periplasma. El complejo mitocondrial III utiliza este segundo tipo de bomba de protones, que está mediada por una quinona (el ciclo Q).
Algunas deshidrogenasas son bombas de protones, mientras que otras no lo son. La mayoría de las oxidasas y reductasas son bombas de protones, pero algunas no lo son. El citocromo bc 1 es una bomba de protones que se encuentra en muchas, pero no en todas, las bacterias (no en E. coli). Como su nombre lo indica, el bc 1 bacteriano es similar al bc 1 mitocondrial (Complejo III).
Portadores de electrones del citocromo
Los citocromos son proteínas que contienen hierro. Se encuentran en dos ambientes muy diferentes.
Algunos citocromos son transportadores solubles en agua que transportan electrones hacia y desde estructuras macromoleculares grandes e inmóviles incrustadas en la membrana. El transportador de electrones del citocromo móvil en las mitocondrias es el citocromo c. Las bacterias utilizan varios transportadores de electrones de citocromo móvil diferentes.
Otros citocromos se encuentran dentro de macromoléculas como el Complejo III y el Complejo IV. También funcionan como portadores de electrones, pero en un entorno de estado sólido intramolecular muy diferente.
Los electrones pueden entrar en una cadena de transporte de electrones al nivel de un transportador de quinona o citocromo móvil. Por ejemplo, los electrones de los donantes de electrones inorgánicos (nitrito, hierro ferroso, cadena de transporte de electrones) ingresan a la cadena de transporte de electrones al nivel del citocromo. Cuando los electrones entran a un nivel redox mayor que el NADH, la cadena de transporte de electrones debe operar a la inversa para producir esta molécula necesaria de mayor energía.
Oxidasas y reductasas terminales
Cuando las bacterias crecen en ambientes aeróbicos, el aceptor terminal de electrones (O 2) es reducido a agua por una enzima llamada oxidasa. Cuando las bacterias crecen en ambientes anaeróbicos, el aceptor de electrones terminal se reduce por una enzima llamada reductasa. En las mitocondrias, el complejo de membrana terminal (Complejo IV) es la citocromo oxidasa. Las bacterias aeróbicas utilizan varias oxidasas terminales diferentes. Por ejemplo, E. coli (un anaerobio facultativo) no tiene una citocromo oxidasa o un complejo bc 1. En condiciones aeróbicas, utiliza dos quinol oxidasas terminales diferentes (ambas bombas de protones) para reducir el oxígeno a agua.
El complejo bacteriano IV se puede dividir en clases de acuerdo con las moléculas que actúan como aceptores de electrones terminales. Las oxidasas de clase I son citocromo oxidasas y utilizan oxígeno como aceptor terminal de electrones. Las oxidasas de clase II son quinol oxidasas y pueden usar una variedad de aceptores de electrones terminales. Ambas clases se pueden subdividir en categorías según los componentes activos redox que contengan. Por ejemplo, las oxidasas terminales Heme aa3 Clase 1 son mucho más eficientes que las oxidasas terminales Clase 2
Las bacterias anaerobias, que no usan oxígeno como aceptor terminal de electrones, tienen reductasas terminales individualizadas a su aceptor terminal. Por ejemplo, E. coli puede usar fumarato reductasa, nitrato reductasa, nitrito reductasa, DMSO reductasa o trimetilamina-N-óxido reductasa, según la disponibilidad de estos aceptores en el medio ambiente.
La mayoría de las oxidasas y reductasas terminales son inducibles. Son sintetizados por el organismo según sea necesario, en respuesta a condiciones ambientales específicas.
Aceptores de electrones
Así como hay varios donantes de electrones diferentes (materia orgánica en organótrofos, materia inorgánica en litótrofos), hay varios aceptores de electrones diferentes, tanto orgánicos como inorgánicos. Si hay oxígeno disponible, se utiliza invariablemente como aceptor terminal de electrones en bacterias aerobias y anaerobias facultativas, porque genera el mayor cambio de energía libre de Gibbs y produce la mayor cantidad de energía.
En entornos anaeróbicos, se utilizan diferentes aceptores de electrones de menor energía, incluidos nitrato, nitrito, hierro férrico, sulfato, dióxido de carbono y moléculas orgánicas pequeñas como el fumarato.
Fotosintético
En la fosforilación oxidativa, los electrones se transfieren de un donante de electrones de energía moderada como el NADH a un aceptor de alta energía como el O 2 a través de una cadena de transporte de electrones, liberando la energía. En la fotofosforilación, la energía de la luz solar se utiliza para crear un donante de electrones de alta energía que posteriormente puede reducir los componentes oxidados y acoplarse a la síntesis de ATP a través de la translocación de protones por la cadena de transporte de electrones.
Las cadenas de transporte de electrones fotosintéticos, como la cadena mitocondrial, pueden considerarse como un caso especial de los sistemas bacterianos. Utilizan transportadores de quinona móviles solubles en lípidos (filoquinona y plastoquinona) y transportadores móviles solubles en agua (citocromos). También contienen una bomba de protones. La bomba de protones en todas las cadenas fotosintéticas se parece al complejo mitocondrial III. La teoría común de la simbiogénesis propone que ambos orgánulos descienden de bacterias.
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