sábado, 20 de mayo de 2017

8 LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES RESPIRATORIA

Una cadena de transporte de electrones (CTE) es una serie de complejos que transfieren electrones de donantes de electrones a receptores de electrones a través de reacciones redox (ambas reducciones y oxidaciones que ocurren simultáneamente), y acopla esta transferencia de electrones con la transferencia de iones protio(1+) a través de una membrana . Esto crea un gradiente de protones electroquímicos que impulsa la síntesis de adenosina trifosfato (ATP), una molécula que almacena la energía químicamente en forma de enlaces de alta tensión. Las moléculas de la cadena incluyen péptidos, enzimas (que son proteínas o complejos de proteínas), y otros. El aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones durante la respiración aeróbica es el oxígeno molecular aunque existe una variedad de aceptores distintos del oxígeno, tales como el sulfato, en la respiración anaeróbica.

Las cadenas de transporte de electrones se utilizan para extraer energía a través de reacciones redox de la luz solar en la fotosíntesis o, como en el caso de la oxidación de los azúcares, la respiración celular. En los eucariotas, una importante cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana mitocondrial interna, donde sirve como el sitio de la fosforilación oxidativa mediante el uso de la ATP sintasa. También se encuentra en la membrana tilacoide del cloroplasto en eucariotas fotosintéticos. En las bacterias, la cadena de transporte de electrones se encuentra en su membrana celular.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.1 Componentes solubles  y no solubles de la cadena de transporte de electrones

Cuando la membrana interna de la mitocondria colapsa con la ayuda de un detergente especial, es posible aislar varios de los portadores de electrones como parte de cuatro complejos transmembranales asimétricos. Los portadores de electrones van insertados en los complejos como si fueran una red eléctrica. Estos complejos se los puede identificar como estructuras cuaternarias en las que varias unidades funcionales se acoplan de manera muy estrecha. Cada uno de los cuatro complejos puede ser identificado en base a la función que cumplen en la ruta de flujo de electrones general. Dos componentes de la cadena de transporte de electrones, el citocromo c y la ubioquinona no hacen parte de los cuatro complejos proteínicos insertados en la membrana interna de la mitocondria. La ubiquinona funciona como un grupo de molecular disueltas en el interior de la bicapa lipídica de la membrana interna, mientras que el citocromo c es una proteína soluble que se encuentra en la región intermembranal disuelta. La función de estos componentes es la de servir como puentes para el flujo de electrones, como si fueran una red eléctrica móvil entre cada uno de los complejos transmembranales.

Los componentes solubles de la cadena de transporte son II, la ubiquinona que se solubiliza en los lípidos de la membrana y el citocromo c que se solubiliza en el citoplasma de la mitocondria.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.2 NADH, FADH2 y la cadena de transporte de electrones

NADH y FADH2 poseen una relación diferente con la cadena de transporte de electrones que depende de su comportamiento en el ciclo de Krebs. El NADH al ser sintetizado puede difundirse de las proteínas que lo sintetizan, mientras que el FADH2 queda unido de manera covalente a la succinato deshidrogenasa. Es por esto que mientras el NADH puede donar sus electrones al complejo I de la cadena de transporte de electrones, el FADH2 no tiene más opción que regresar los electrones a la enzima succinado deshidrogenasa a la cual está unido. Dado que una de las reacciones de transferencia de energía ocurre entre el complejo I y el complejo II, que los electrones del FADH2 ingresen directamente en el complejo II tiene un efecto negativo en la obtención de energía desde esta coenzima.  Es por esto que la cantidad de energía que puede sintetizarse a partir del NADH es superior a la del FADH2.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.3 Sitios de acoplamiento

Si se examinan los potenciales redox de cada uno de los portadores de electrones, se hace evidente que existen tres lugares en los que la transferencia de electrones se logra junto a una liberación de energía libre máxima. Cada uno de estos sitios de acoplamiento ocurre entre los portadores que son parte de los complejos I, III y IV. La energía libre es empleada por los complejos para alterar su propia estructura de manera momentánea, lo cual permite una segunda función como bombas de protones "transporte activo de iones protio(1+)".

Las zonas de acoplamiento hace referencia a complejos que poseen dominios transmembranales capaces de ejecutar transporte activo de iones protio(1+) desde la matriz a la región intermembranal manteniendo el pH de la matriz en contra de la tendencia acidificante del NADH y el FADH2.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.4 Los complejos de la cadena de electrones como bombas de protones

Aquí empleamos uno en los significados posibles de bomba, en ingles no ocurre esto ya que están las palabras pump y bomb para diferenciar las dos ideas. Aquí emplearemos la palabra bomba como traducción del inglés pump. Las bombas de protones son dominios transmembranales empleados para hacer transporte activo de iones protio(1+) "el ion protio(1+) es un producto ácido ya sea en la teoría de Lewis o de Bronsted, en otras palabras son los responsables del poder corrosivo de un ácido"

Una bomba es una máquina que permite hacer fluir algo en contra de una tendencia general. Por ejemplo, cuando un barco sufre una fisura y empieza a hundirse, el hundimiento se produce porque el agua ingresa a él con cierta velocidad. Una bomba es una máquina que saca el agua desde el interior del barco al exterior con una velocidad y gastando energía. En el caso del barco, la acción que va en favor de la segunda ley de la termodinámica es que el agua ingrese al barco y lo hunda ya que es la ruta espontánea que no requiere energía sino que la libera “energía gravitacional contenida en el agua y que se libera cuando ingresa a presión en el barco”.

La ruta que va en contra es sacar el agua, y para lograrlo es necesario invertir grandes cantidades de energía. Una bomba de protones es una proteína que sirve como canal iónico para iones protio(1+) “agua enlazada débilmente a un átomo de hidrogeno iónico o protón”.  El flujo de protio(1+) “para simplificar, protones” puede darse en favor del gradiente de concentración “desde el lado donde hay más, hacia el lado donde hay menos” o en contra del gradiente de concentración. Como cualquier transporte activo, cuando se trabaja en contra del gradiente de concentración se debe invertir energía para lograr la tarea. Esta energía para el caso de la cadena de transporte de electrones es proporcionada por los electrones de alta energía proporcionados por el NADH y el FADH2.

Los complejos I, III y IV tienen un segundo dominio transmembranal a parte de los que sirven para que se dé una corriente de electrones. Ambos dominios están acoplados, cuando se recibe un electrón energético, parte de su energía se consume para que la proteína cambie de forma y traslade a la fuerza “translocar” a un protón "ión protio(1+)" desde una región de menor concentración a una de mayor concentración”, es por esto que los complejos I, III y IV sirven como bombas de protones.

La función de la cadena de transporte de electrones es acumular enormes cantidades de protones en la zona intermembranal de la mitocondria, lo cual genera una presión osmótica y eléctrica. Es la energía generada por estas presiones la que será empleada en el último paso de la respiración celular aeróbica para sintetizar ATP, transfiriendo la energía desde la presión de protones a un enlace entre grupos fosfato. Las bombas de protones son tipos de proteína muy general que son empleadas en otros contextos en diferentes tipos de seres vivos.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.5 Diferentes versiones de la cadena de transporte de electrones

La respiración celular aeróbica es un desarrollo evolutivo exclusive de las células procariotas. Es gracias a que cierto grupo de bacterias procariotas que evolucionaron endosimbióticamente en los eucariotas, los hongos, las plantas, los animales y otros eucariotas pueden obtener beneficios energéticos de este tipo de metabolismo. Sin embargo, existen diferencias significativas entre los linajes de vida libre y endosimbiótico que se correlacionan a los diferentes ambientes en que han evolucionado. En los mamíferos por ejemplo, la cadena de transporte de electrones es conformada con 70 polipéptidos, mientras que las bacterianas contienen menos unidades genéticas.

Las partes adicionales de los mamíferos no contienen centros funcionales de la cadena de transporte de electrones, es decir centros redox, y aunque su función es poco clara es probable que estas proteínas sirvan para regular la conformación de la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias. Lo anterior implica que el núcleo básico que genera la función de la cadena de transporte de electrones ha cambiado poco desde que los linajes de vida libre y endosimbiótico se separaron en su historia evolutiva.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.6 Complejo I o deshidrogenasa de NADH

El complejo I es una de las compuertas de ingreso de los electrones a la cadena de transporte de electrones relacionada a la NADH, esta proteína cataliza la transferencia de un par de electrones desde el NADH hasta la ubiquinona para formar ubiquinol. El complejo I es una estructura compleja de varias proteínas en forma de L, la región hidrófila "superior" se encuentra en la matriz de la mitocondria "arriba"

La versión del complejo I de los mamíferos es un conglomerado multiprotéico en forma de L conteniendo 45 subunidades. Siete de estas subunidades son hidrófobas insertadas en la membrana se codifican por los genes de la mitocondria y son homólogos a los polipéptidos de las bacterias. El complejo I contiene flavoproteinas de FMN la cual oxida al NADH, también posee almenos 8 distintos de núcleos de hierro-sulfuro y dos moléculas unidas de ubiquinona. El paso del par de electrones a través del complejo I induce el transporte activo de cuatro protones desde la matriz de la mitocondria a la región intermembranal. Es este transporte activo el objeto de la cadena de transporte de electrones y ocurrirá otro par de veces a través de toda la cadena hasta que los electrones pierdan su energía y sean captados por el oxígeno.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.7 Complejo II o succinato deshidrogenasa

El complejo II consiste en cuatro polipéptidos: dos unidades hidrófobas insertadas en la membrana y dos unidades hidrófilas expuestas a la matriz de la mitocondria, las cuales cumplen una función en el ciclo de Krebs como la enzima succinato deshidrogenasa. El complejo II provee una segunda compuesta de entrada para electrones de menor nivel energético proporcionados por el FADH2 el cual se sintetiza sobre la succinado deshidrogenasa “dominios hidrófilos del complejo II” y al cual queda unido después de su síntesis.

Los grupos prostéticos del complejo dos se caracterizan por  tres núcleos de hierro-sulfuro y grupos hemo. Actualmente se piensa que el grupo hemo cumple una función de atractor de electrones que desvían su camino de la cadena, impidiendo que estos se liberen hacia la matriz generando radicales de oxígeno llamados superóxido que poseen el potencial de lastimar el ADN de la célula y la mitocondria. El complejo II no posee el dominio intermembranal que permite el transporte activo de iones protio(1+), por lo que no hay acumulación en este paso de la cadena de transporte de electrones.

Aquí se muestra la función doble del complejo II en la cadena de transporte de electrones "arriba" y en el ciclo de Krebs "abajo". El ciclo de Krebs "abajo" en el paso de succinato a fumarato sintetiza una molécula de FADH2 que queda pegada al complejo II e ingresa inmediatamente a la cadena de transporte de electrones.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).


8.8 Complejo III o citocromo bc1

El complejo III cataliza la transferencia de electrones desde el ubiquinol al citocromo c. Determinaciones experimentales sugieren  que el complejo III posee los dominios transmembranales necesarios para la translocación de iones protio(1+) desde la matriz hasta el espacio intermembranal de la mitocondria al costo de energía proporcionada por electrones. Por cada par de electrones son transferidos cuatro iones protio(1+). El complejo III posee los siguientes tipos de grupos prostéticos que permiten la transferencia de electrones, grupos hemo, y núcleos de hierro-sulfuro.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

8.9 Complejo IV y citocromo c oxidasa

El paso final de la cadena de transporte de electrones en una mitocondria es la transferencia sucesiva de electrones desde el citocromo C al oxígeno molecular diatómico de acuerdo a la siguiente reacción:

La reducción del oxígeno es catalizada por el complejo IV como un enorme ensamblaje de polipéptidos denominados en conjunto como citocromo oxidase. La citocromo oxidasa fue el primer componente de la cadena de transporte de electrones en mostrar un dominio de transporte activo para iones protio(1+) “también llamada bomba de protones”. Debemos recordar que la acidez de la matriz de la mitocondria sería muy alta debido al constante aporte de protones desde el FADH2 y el NADH para formar iones protio(1+) con agua. Esta acidez no se manifiesta por dos factores.

El primero es la cadena de transporte de electrones misma, que exporta protones al otro lado de la membrana. Por cada oxígeno en una ronda 4 iones protio(1+) son transferidos desde la matriz hacia la región intermembranal. Otros 4 iones protio(1+) restantes de la matriz son consumidos por el oxígeno mismo para la formación de una molécula de agua. Esto sirve como segundo factor que impide que la acidez del interior de la mitocondria sea muy alta. Los seres humanos producen 300ml de agua sintetizada metabólicamente al día. Vale la pena señalar que varios venenos se caracterizan por interrumpir la cadena de transporte de electrones a la altura de un grupo hemo prostético en la subunidad a3 de la citocromo oxidasa. Ejemplos de este tipo de venenos incluye al monóxido de carbono, el cianuro y la azida.

Existen dos estructuras con nombre semejante, el citocromo c que es el portador de electrones desde el complejo  III al complejo IV y el propio complejo IV que recibe el nombre de citocromo c oxidasa y que es muchísimo más grande que el citocromo c.

El citocromo C oxidasa es una proteína compuesta por 13 subunidades, tres de las cuales se codifican en el genoma mitocondrial, estas subunidades de la mitocondria poseen todas las fracciones que poseen los 4 núcleos redox. El mecanismo de transferencia de electrones a través del complejo IV ha sido estudiado de manera intensiva por varios grupos de investigación alrededor del mundo. Uno de  los aspectos más desconcertantes de la parte final de la cadena de transporte de electrones es la habilidad del complejo IV de reducir dos átomos de oxígeno para formar dos moléculas de agua, un proceso que requiere de cuatro electrones acoplándose de manera simultánea, siendo que su flujo de electrones solo permite el paso de uno a la vez.

Si el sistema no estuviera acoplado de manera eficiente podrían liberarse radicales parcialmente reducidos de oxígeno que pueden dañar cualquier macromolécula en el interior de la célula. Este aspecto podría inducir al pensamiento teleológico de que ambas funciones de la cadena de transporte de electrones debe haber aparecido de manera simultánea. Sin embargo varios modelos evolutivos de la cadena de transporte de electrones proponen que esta se desarrolló en primera instancia como un mecanismo de defensa contra el oxígeno venenoso convirtiéndolo en agua. De hecho podemos contabilizar dos funciones de la citocromo c oxidasa en el contexto de bacterias de vida libre.

1-Protector contra el envenenamiento por oxígeno al convertirlo en agua. 
2-Protector contra la acidificación del interior de la célula mediante (a) la producción de agua metabólica y (b) mediante la excreción de iones protio(1+) al exterior de la célula.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Voet et al., 2013).

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