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Casi toda la energía que se libera durante la oxidación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos queda disponible dentro de las mitocondrias como equivalentes reductores (—H o electrones) (figura 13-2). Las enzimas del ciclo del ácido cítrico y la β-oxidación (capítulos 22 y 16), los complejos de la cadena respiratoria, y la maquinaria para la fosforilación oxidativa, se encuentran en las mitocondrias. La cadena respiratoria reúne y transporta equivalentes reductores, y los dirige hacia su reacción final con oxígeno para formar agua; la fosforilación oxidativa es el proceso mediante el cual la energía libre liberada se atrapa como fosfato de alta energía.
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Los componentes de la cadena respiratoria están contenidos en cuatro complejos proteínicos grandes insertos en la membrana mitocondrial interna
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Los electrones fluyen por la cadena respiratoria a través de un intervalo redox de 1.1 V desde NAD+/NADH hacia O2/2H2O (cuadro 12-1), y pasan por tres complejos proteínicos grandes: NADH-Q oxidorreductasa (complejo I), donde se transfieren electrones desde NADH hacia la coenzima Q (Q) (también llamada ubiquinona) (figura 13-6); Q-citocromo c oxidorreductasa (complejo III), que pasa los electrones hacia el citocromo c, y citocromo c oxidasa (complejo IV), que completa la cadena, pasa los electrones hacia O2 y hace que se reduzca a H2O (figura 13-3). Algunas sustancias con potenciales redox más positivos que NAD+/NADH (p. ej., succinato) pasan electrones hacia Q por medio de un cuarto complejo, la succinato-Q reductasa (complejo II), en lugar de mediante el complejo I. Los cuatro complejos están embebidos en la membrana mitocondrial interna, pero Q y citocromo c son móviles. Q se difunde con rapidez dentro de la membrana, mientras que el citocromo c es una proteína soluble. El flujo de electrones a través de los complejos I, III y IV da por resultado el bombeo de protones desde la matriz a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembrana (figura 13-7).
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Las flavoproteínas y las proteínas hierro-azufre (Fe-S) son componentes de los complejos de la cadena respiratoria
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Las flavoproteínas (capítulo 12) son componentes de importancia de los complejos I y II. El nucleótido flavina oxidado (FMN o FAD) puede reducirse en reacciones que involucran la transferencia de dos electrones (para formar FMNH2 o FADH2), pero también pueden aceptar un electrón para formar la semiquinona (figura 12-2). Las proteínas hierro-azufre (proteínas hierro no hem, Fe-S) se encuentran en los complejos I, II y III, los cuales pueden contener uno, dos o cuatro átomos de Fe enlazados a átomos de azufre inorgánico, o por medio de grupos de cisteína-SH a la proteína, o ambos (figura 13-4). Las Fe-S participan en reacciones de transferencia de un solo electrón en las cuales un átomo de Fe pasa por oxidorreducción entre Fe2+ y Fe3+.
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Q acepta electrones mediante los complejos I y II
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La NADH-Q oxidorreductasa o complejo I es una proteína grande, en forma de L, de múltiples subunidades, que cataliza la transferencia de electrones desde NADH hacia Q, junto con la transferencia de cuatro H+ a través de la membrana:
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En un inicio los electrones se transfieren desde NADH hacia FMN, después hacia una serie de centros Fe-S y, por último, hacia Q (figura 13-5). En el complejo II (succinato-Q reductasa), se forma FADH2 durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo del ácido cítrico (figura 16-3) y a continuación los electrones se pasan por medio de varios centros Fe-S hacia Q (figura 13-5). El glicerol-3-fosfato (generado en la desintegración de triacilgliceroles o a partir de la glucólisis, figura 17-2) y la acil-CoA también pasan electrones hacia Q mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas (figura 13-5).
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El ciclo Q acopla la transferencia de electrones al transporte de protones en el complejo III
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Los electrones se pasan desde QH2 hacia el citocromo c por medio del complejo III (Q-citocromo c oxidorreductasa):
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Se cree que el proceso incluye citocromos c1, bL y bH, y un Fe-S Rieske (un Fe-S poco común en el cual uno de los átomos de Fe está enlazado a dos residuos de histidina más que a dos residuos de cisteína) (figura 13-5), y se conoce como el ciclo Q (figura 13-6). Q puede existir en tres formas, la quinona oxidada, el quinol reducido o la semiquinona (figura 13-6). Esta última se forma de modo transitorio durante el ciclo, una vuelta del cual origina la oxidación de 2QH2 a Q, lo que libera 4H+ hacia el espacio intermembrana, y la reducción de una Q a QH2, lo que hace que 2H+ sean captados desde la matriz (figura 13-6). Note que aun cuando Q acarrea dos electrones, los citocromos acarrean sólo uno; de esta manera, la oxidación de un QH2 está acoplada a la reducción de dos moléculas de citocromo c mediante el ciclo Q.
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El oxígeno molecular se reduce hacia agua por medio del complejo IV
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El complejo IV (citocromo c oxidasa) oxida el citocromo c reducido, con la reducción concomitante de O2 hacia dos moléculas de agua:
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Esta transferencia de cuatro electrones desde el citocromo c hacia O2 comprende dos grupos hem, a y a3, y Cu (figura 13-5). Los electrones se pasan inicialmente a un centro de Cu (CuA), que contiene átomos 2Cu enlazados a dos grupos proteína cisteína-SH (que semejan una Fe-S), luego en secuencia hacia hem a, hem a3, un segundo centro de Cu, CuB, que está enlazado a hem a3, y por último a O2. De los ocho H+ eliminados de la matriz, cuatro se usan para formar dos moléculas de agua, y cuatro se bombean hacia el espacio intermembrana. De este modo, por cada par de electrones que pasa por la cadena desde NADH o FADH2, el complejo IV bombea 2H+ a través de la membrana. El O2 permanece estrechamente unido al complejo IV hasta que se reduce por completo, y esto minimiza la liberación de intermediarios en potencia perjudiciales, como aniones superóxido, o peróxido, que se forman cuando el O2 acepta uno o dos electrones, respectivamente (capítulo 12).