Cadena transportadora de electrones y Fosforilación oxidativa

A la membrana interna mitocondrial llegan los aceptores de electrones NADH y FADH2 producidos en la glucólisis, la oxidación del piruvato y el ciclo de Krebs, que transferirán sus electrones al oxígeno (O2) a través de una cadena transportadora de electrones, liberando en el proceso una gran cantidad de energía. Esta energía se utilizará para formar ATP por fosforilación oxidativa.

Transporte a través la membrana interna mitocondrial

En la matriz mitocondrial se encuentran numerosas enzimas del catabolismo: el Complejo de la Piruvato deshidrogenasa, las enzimas del Ciclo de Krebs, de la β-oxidación de ácidos grasos y de la oxidación de aminoácidos, además de otras enzimas y metabolitos.

La membrana interna mitocondrial es impermeable a iones y moléculas de pequeño tamaño, aunque deja pasar H2O, CO2 y O2. Tiene por tanto dos caras: la que se encuentra en contacto con el espacio intermembranoso, denominado lado P, y la que se encuentra en contacto con la matriz mitocondrial, denominado lado N. En este último se encuentra la cadena transportadora de electrones, además de otros transportadores y de la ATP sintasa.

Si la membrana interna es impermeable ¿cómo se realiza el intercambio entre la matriz y el exterior? Pues a través de proteínas translocasa (ADP-ATP translocasa y fosfato translocasa) o por medio de lanzaderas.

Lanzadera malato-aspartato

Esta lanzadera se encarga de transportar malato (procedente de oxalacetato citosólico) y aspartato, lo que favorece el intercambio entre metabolitos del citoplasma y la mitocondria. Además se introduce el equivalente reductor de NADH + H+ en forma de malato que lo libera dentro de la matriz mitocondrial, por lo que el poder reductor que entra de esta manera a la matriz lo hace como si se hubiera formado en ella.

lanzadera malato

La lanzadera de malato- aspartato es bastante compleja ya que sus intermediarios están acoplados con intermediarios del ciclo de Krebs y está relacionada con el metabolismo de aminoácidos y el ciclo de la urea.

El oxalacetato es reducido en el citoplasma por la malato deshidrogenasa 1 ( MDH1) a malato por oxidación del NADH. El malato difunde a través de la membrana mitocondrial externa por los canales de porina (VDAC) y desde el espacio intermembranoso el malato se transporta a la matriz mitocondrial por el transportador mitocondrial antiporter de malato – a-cetoglutarato.

En la matriz el malato se oxida a oxalacetato gracias a la malato deshidrogenasa 2 (MDH2) que reduce el NAD+ a NADH + H+. De esta manera el par de electrones y protones transmitidos al oxalacetato en el citoplasma se transfieren en la matriz mitocondrial  para volver a formar NADH + H+.

El oxalcetato tampoco puede atravesar la membrana mitocondrial interna,por lo que necesita ser transformado a aspartato en una reacción catalizada por GOT2 ( glutamato transaminasa 2) aceptando el grupo amino proveniente del glutamato, que a su vez se transforma en cetoglutarato.

El aspartato atraviesa la membrana mitocondrial interna mediante el transportador mitocondrial antiporter de glutamato – aspartato. Una vez en el citoplasma, el aspartato puede donar su grupo amino para originar oxalacetato gracias a la GOT1 (glutamato transaminasa 1) en la que el cetoglutarato aceptará el grupo amino, y se convertirá en glutamato.

Lanzadera Glicerol-fosfato

Esta lanzadera se encarga de transportar a y desde la matriz mitocondrial glicerol-3-fosfato y dihidroxiacetona-3-fosfato a FADH2, perdiéndose poder reductor en la transferencia.

La GPD1 cataliza en el citoplasma la transferencia de dos electrones y dos protones desde NADH + H+  a la dihidroxiacetona-fosfato, formándose NAD+  y glicerol-3-fosfato. . Como consecuencia el poder reductor previamente almacenado en el NADH + H+ queda transferido al glicerol-3-P.

El glicerol-3-fosfato atraviesa entonces la membrana mitocondrial externa a través de porinas (VDAC), y llega al espacio intermembranoso donde la enzima GPD2 situado en la cara externa de la membrana mitocondrial interna cataliza la transferencia de los dos electrones y dos protones desde el glicerol-3-fosfato a FAD, que se reduce a FADH2 y se incorpora a la cadena transportadora de electrones. La dihidroxiacetona-fosfato vuelve al citoplasma a través de porinas  (VDAC).

Cadena transportadora de electrones

La cadena transportadora de electrones está formada por moléculas que se agrupan en complejos y que transportan los electrones procedentes del NADH + H+ y el FADH2 a favor de gradiente de potenciales de oxidorreducción hasta llegar al aceptor final: el O2. El movimiento de los electrones a través de los diferentes complejos va liberando energía, que a su vez es utilizada para bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso.

Transporte de electrones desde NADH + H+

Complejo I: el NADH + H+ cede dos electrones a la NADH deshidrogenasa, también conocida como complejo I, y los cede a la ubiquinona (Q), mientras bombea 4 protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso.

NADH + H+ + Q + 4H+ (matriz) ↔ NAD+ + QH2 + 4H+ (citosol)

Complejo III: la ubiquinona reducida por el complejo anterior se conoce como ubiquinol (QH2) y es capaz de ceder sus electrones al citocromo bc1 o complejo III, a la vez que se bombean 4 protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. El ubiquinol se oxida completamente a ubiquinona y vuelve a estar disponible para reducrise.

QH2 + 2 Cyt c ox + 2 H+ (matriz) → Q + 2 Cyt c red + 4 H+ (citosol)

Citocromo c: el citocromo bc1 cede los electrones al citocromo c, una proteína soluble que se encuentra unida a la membrana interna mitocondrial por su parte externa.

Cadena transportadora de electrones mitocondrial

Complejo IV: el citocromo c cede los electrones al citocromo c oxidasa o complejo IV. Este a su vez bombea 4 protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso y cede los electrones al oxígeno. El oxígeno es el aceptor final de la cadena transportadora de electrones mitocondrial, produciendo por cada O2, 2 moléculas de agua.

4 Cit creducido + O2 + 8 H+ (matriz) → 4 Cit coxidado + 2 H2O + 4 H+ (citosol)

Transporte de electrones desde FADH2

Complejo II: el FADH2 cede dos electrones a la succinado deshidrogenasa, también conocida como complejo II, que forma parte del ciclo de Krebs. Los electrones son cedidos a la ubiquinona (Q), que se reduce a  ubiquinol (QH2).

Cadena transportadora de electrones mitocondrial

Una vez introducidos los electrones en la cadena transportadora son cedidos al complejo III y al IV como se ha explicado anteriormente.

A diferencia de los demás complejos, la succinato deshidrogenasa no es una bomba de protones, por lo que se genera menos gradiente electroquímico, concretamente 4 protones menos, cuando el dador de electrones es el FADH2 en lugar del NADH.

Fosforilación oxidativa

La diferencia de concentración de protones entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembaronoso como consecuencia del bombeo activo de protones en la cadena transportadora de electrones se utiliza para crear ATP por fosforilación oxidativa.

Los protones intentan volver a la matriz mitocondrial para igualar las concentraciones a ambos lados de la membrana interna mitocondrial, pero ésta es impermeable para los iones. Existe una proteína transmembrana capaz de transportar los protones actuando cómo un canal bidireccional, es el complejo de la ATP sintasa.

La ATP-sintasa es capaz de generar ATP  cuando los protones se mueven a favor de gradiente. Esto se produce por cambios de conformación de su centro catalítico. Cada molécula de NADH contribuye a generar la fuerza motriz para producir entre 2 y 3 moléculas de ATP y cada molécula de FADH2 produce entre 1,5 y 2 moléculas de ATP.

Cadena transportadora de electrones mitocondrial, fosforilación oxidativa, ATP sintasa

Cómo la energía necesaria para formar ATP proviene del gradiente de pH producido durante la cadena transportadora de electrones, se dice que la fosforilación oxidativa y la cadena respiratoria están acopladas.

El balance global del catabolismo lo puedes ver aquí ***.

Añadir comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.