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Con frecuencia las mitocondrias se describen como centrales eléctricas en miniatura, puesto que extraen la energía de materiales orgánicos y la almacenan durante un lapso en forma de energía eléctrica. En términos más específicos, la energía obtenida de los sustratos se utiliza para generar un gradiente iónico a través de la membrana mitocondrial interna. Éste representa una forma de energía que puede aprovecharse para realizar un trabajo. En el capítulo 4 se describe la forma en que las células intestinales emplean un gradiente iónico a través de su membrana plasmática para transportar azúcares y aminoácidos fuera de la luz intestinal, de la misma forma que las células nerviosas usan un gradiente similar para conducir impulsos neurales. El uso de gradientes iónicos como forma de energía requiere varios componentes, incluidos un sistema para generar el gradiente, una membrana capaz de mantenerlo y los mecanismos para utilizarlo de tal manera que pueda realizar un trabajo.
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Las mitocondrias emplean un gradiente iónico a través de su membrana interna para impulsar muchas actividades que requieren energía, en particular la síntesis de ATP. Cuando la formación de dicha molécula se impulsa con la energía liberada de los electrones removidos durante la oxidación de sustratos, el proceso se conoce como fosforilación oxidativa y se resume en la figura 5.10. Ésta puede compararse con la fosforilación en el nivel del sustrato, como se explica en la página 113; en dicho proceso se forma ATP de manera directa por la transferencia de un grupo fosfato de una molécula de sustrato a otra de ADP. De acuerdo con una estimación, la fosforilación oxidativa produce más de 2 × 1026 moléculas (>160 kg) de ATP en el cuerpo humano cada día. El descubrimiento del mecanismo básico de la fosforilación oxidativa ha sido uno de los principales logros en el campo de la biología celular y molecular; aún continúa la investigación de los eventos por descubrir. Para comprender el mecanismo de este proceso, primero es necesario considerar cómo es que la oxidación de un sustrato puede liberar energía libre.
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Potenciales de oxidación-reducción
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Si se comparan varios agentes oxidantes, éstos pueden ordenarse en una serie de acuerdo con su afinidad por los electrones: mientras mayor sea la atracción, más potente será el agente oxidante. Los agentes reductores también pueden clasificarse según el mismo criterio: cuanto menor sea la afinidad (mayor facilidad para liberar los electrones), más fuerte será el agente reductor. En términos cuantificables, los agentes reductores se ordenan de acuerdo con su potencial para transferir electrones; los agentes que poseen un potencial mayor, como el NADH, son reductores fuertes, mientras que aquellos con capacidad baja, como el H2O, son reductores débiles. Las sustancias oxidantes y las reductoras se encuentran en parejas, como NAD+ y NADH, que difieren en cuanto a su número de electrones. Las moléculas reductoras potentes se unen con agentes oxidantes débiles, y viceversa. Por ejemplo, el NAD+ (de la pareja NAD+-NADH) es un agente oxidante débil, mientras que el O2 (de la pareja O2-H2O) es una molécula oxidante fuerte.
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Puesto que el movimiento de electrones genera separación de la carga, la afinidad de las sustancias por dichas partículas puede medirse con instrumentos que detectan el voltaje (fig. 5.11). Lo que se mide en una pareja determinada es un potencial de oxidación-reducción (o potencial redox) relativo al potencial de alguna pareja estándar (en este caso el hidrógeno [H+-H2], el cual se eligió de forma arbitraria). Como sucede con los cambios de energía libre, donde se utilizaba el cambio de energía libre estándar (ΔG°), se emplea una asignación similar para las parejas redox. El potencial redox estándar (E0) de una pareja determinada se designa como el voltaje producido por media celda (sólo con miembros de una pareja) en la que cada integrante está presente en condiciones normales (como en la figura 5.11). Las condiciones estándar son una concentración de 1.0 M para los solutos y los iones y una presión de una atmósfera para los gases (p. ej., H2) a 25°C. El potencial redox estándar para la reacción de oxidación-reducción que incluye al hidrógeno (2 H+ + 2 electrones → H2) es 0.00 V. El cuadro 5.1 presenta los potenciales redox de algunas parejas de importancia biológica. El valor del par de hidrógeno en el cuadro no es 0.00, sino −0.42 V. Este número representa el potencial cuando la concentración de H+ es 10−7 M (pH de 7.0) en lugar de 1.0 M (pH de 0.0), que tendría poca aplicación fisiológica. Cuando se calcula con un pH de 7, el potencial redox estándar se indica con el símbolo en lugar de E0. La asignación del signo (positivo o negativo) a las parejas es arbitraria, varía entre las distintas disciplinas y se considera de la siguiente manera. A las parejas cuyos agentes reductores son mejores donadores de electrones se les asignan potenciales redox más negativos. Por ejemplo, el potencial redox estándar para la pareja NAD+-NADH es −0.32 V (cuadro 5.1). El acetaldehído es un agente reductor más fuerte que el NADH y la pareja acetato-acetaldehído tiene un potencial redox estándar de −0.58 V. Las parejas cuyos agentes oxidantes poseen mayor afinidad por los electrones que el NAD+, tienen potenciales redox más positivos.
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Como cualquier reacción espontánea, las reacciones de oxidación-reducción también se acompañan de pérdida de energía. El cambio estándar de energía libre durante una transformación del siguiente tipo:
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A(ox) + B(red) ⇌ A(red) + B(ox)
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puede calcularse a partir de los potenciales redox estándar de las dos parejas involucradas utilizando la siguiente ecuación:
+
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donde n es el número de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday (23.063 kcal/V · mol) y es la diferencia en voltios entre los potenciales redox estándar de las dos parejas. Mientras más amplia sea la diferencia del potencial redox estándar entre ambos pares, mayor será la formación de los productos en condiciones estándar hasta alcanzar un estado de equilibrio. Considérese una reacción en la que el NADH, un agente reductor potente, se oxida con oxígeno molecular, un agente oxidante fuerte.
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Los potenciales redox estándar de las dos parejas pueden escribirse de la siguiente manera:
+
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El cambio de voltaje en la reacción total es igual a la diferencia entre los dos valores de :
+
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que es una medida de la energía libre que se desprende cuando el NADH es oxidado por el oxígeno molecular en condiciones estándar. Si se sustituye este valor en la ecuación previa,
+
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la diferencia en la energía libre estándar (ΔG°′) es −52.6 kcal/mol. Tal y como ocurre con otras reacciones, los valores reales de ΔG dependen de las concentraciones relativas de los reactivos y los productos (versiones oxidadas y reducidas de los compuestos) presentes en una célula en un instante determinado. Al margen de lo anterior, parece que el descenso de energía libre de un par de electrones al pasar del NADH al oxígeno molecular (ΔG°′ = −52.6 kcal/mol) debe ser suficiente para impulsar la formación de varias moléculas de ATP (ΔG°′ = +7.3 kcal/mol) aun en condiciones celulares, en las que las proporciones ATP/ADP son mucho más altas que en situaciones estándar. La transferencia de esta energía del NADH al ATP dentro de la mitocondria ocurre en una serie de pequeños pasos que la liberan. Estos eventos son el tema principal del resto del capítulo.
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Los electrones se transfieren al NAD+ (o al FAD) dentro de la mitocondria a partir de numerosos sustratos del ciclo del TCA, el isocitrato, el α-cetoglutarato, malato y succinato (reacciones 14, 15-16, 19 y 17 de la figura 5.7, en dicho orden). Los primeros tres de estos intermediarios tienen potenciales redox con valores negativos lo suficientemente altos (cuadro 5.1) para transferir electrones al NAD+ en las condiciones que prevalecen en la célula.2 En cambio, la oxidación de succinato a fumarato, que tiene un potencial redox más positivo, procede por la reducción del FAD, una coenzima con una mayor afinidad por los electrones que el NAD+.
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Transporte de electrones
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Cinco de las nueve reacciones ilustradas en la figura 5.7 son catalizadas por deshidrogenasas, enzimas que transfieren pares de electrones de sustratos a coenzimas. Cuatro de estas reacciones generan NADH y una produce FADH2. Las moléculas de NADH, que se forman en la matriz mitocondrial, se disocian de sus deshidrogenasas respectivas y se unen a la deshidrogenasa de NADH, una proteína integral de la membrana mitocondrial interna (fig. 5.17). A diferencia de las otras enzimas del ciclo del TCA, la deshidrogenasa de succinato (la enzima que cataliza la formación de FADH2 [fig. 5.7, reacción 17]), es un componente de la membrana mitocondrial interna. En cualquier caso, los electrones de alta energía unidos a NADH o a FADH2 se transfieren a través de una serie de acarreadores específicos de electrones que constituyen la cadena de transporte de electrones (o cadena respiratoria) de la membrana mitocondrial interna.
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Tipos de portadores de electrones
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La cadena transportadora de electrones se compone de cinco tipos de portadores de electrones unidos a la membrana: flavoproteínas, citocromos, átomos de cobre, ubiquinona y proteínas con hierro y azufre. Excepto por la ubiquinona, todos los centros de redox dentro de la cadena respiratoria que aceptan y donan electrones son grupos prostéticos, es decir, componentes que no son aminoácidos, pero que mantienen una relación estrecha con las proteínas.
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Las flavoproteínas consisten en un polipéptido unido con fuerza a uno de dos grupos prostéticos relacionados; FAD o mononucleótido de flavina (FMN; flavin mononucleotide) (fig. 5.12a). Los grupos prostéticos de las flavoproteínas derivan de la riboflavina (vitamina B2) y cada uno es capaz de aceptar y donar dos protones y dos electrones. Las principales flavoproteínas de las mitocondrias son la deshidrogenasa de NADH de la cadena de transporte de electrones y la deshidrogenasa de succinato del ciclo del TCA.
Los citocromos son proteínas que contienen grupos prostéticos hemo (como el de la mioglobina, descrito en la página 58). El átomo de hierro de un grupo hemo presenta una transición reversible entre los estados oxidados Fe3+ y Fe2+ como resultado de la aceptación y la pérdida de un solo electrón (fig. 5.12b). Hay tres tipos distintos de citocromos (a, b y c) en la cadena transportadora de electrones, que difieren entre sí por sustituciones en el grupo hemo (que se indican como porciones sombreadas azules en la figura 5.12b).
Tres átomos de cobre, que se localizan dentro de un solo complejo proteínico de la membrana mitocondrial interna (fig. 5.20), aceptan y donan un solo electrón cuando alternan entre los estados Cu2+ y Cu1+.
La ubiquinona (UQ o coenzima Q) es una molécula liposoluble que contiene una cadena hidrófoba larga compuesta de unidades isoprenoides de cinco carbonos (fig. 5.12c). Al igual que las flavoproteínas, cada ubiquinona puede aceptar y donar dos electrones y dos protones. La molécula en estado de reducción parcial es el radical libre ubisemiquinona y la molécula reducida por completo es el ubiquinol (UQH2). La molécula UQ/UQH2 permanece dentro de la bicapa lipídica de la membrana, donde se puede difundir de manera lateral con rapidez.
Las proteínas con hierro y azufre son proteínas que contienen hierro, en las cuales los átomos de este metal no se localizan dentro de un grupo hemo, sino que están unidos a átomos de azufre inorgánico como parte de un centro de hierro-azufre. Los núcleos más frecuentes contienen dos o cuatro átomos de hierro y azufre (designados [2Fe-2S] y [4Fe-4S]), enlazados a la proteína a través de residuos de cisteína (fig. 5.13). Aunque un solo centro puede tener varios átomos de hierro, el complejo entero es capaz de aceptar y donar un solo electrón. El potencial redox de un centro hierro-azufre depende de la hidrofobicidad y la carga de los aminoácidos que constituyen su ambiente local. Como grupo, las proteínas con hierro-azufre tienen potenciales que van de −700 mV a cerca de +300 mV, lo cual corresponde a una porción considerable del espectro en el que ocurre el transporte de electrones. Se han identificado más de 12 centros de hierro-azufre diferentes dentro de las mitocondrias.
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Los acarreadores de la cadena transportadora de electrones están dispuestos en orden de potencial redox positivo creciente (fig. 5.14). Cada transportador se reduce con la ganancia de electrones a partir del portador precedente en la cadena y luego se oxida por el paso de electrones al portador que le sigue. Por lo tanto, los electrones se pasan de un portador al siguiente y pierden energía conforme se desplazan “colina abajo” a lo largo de la sucesión. El aceptor final de esta “cadena de cubos” de electrones es el O2, el cual acepta los electrones con energía agotada y se reduce para formar agua. Britton Chance y colaboradores; de la University of Pennsylvania; descubrieron la secuencia específica de los portadores que constituyen la cadena transportadora de electrones con diversos inhibidores que bloquean el transporte de dichas partículas en sitios específicos a lo largo de la ruta. En la figura 5.15 se muestra una analogía del concepto de estos experimentos. En cada caso se agregó un inhibidor a las células y se identificó el estado de oxidación de varios portadores de electrones en las células inhibidas. Esta identificación puede efectuarse con un espectrofotómetro que mide la absorción de la luz de una muestra en varias longitudes de onda. La medición revela si un portador particular se encuentra en estado reducido u oxidado. En el caso que se presenta en la figura 5.15, la adición de rotenona bloquea el transporte de electrones en un sitio que deja al NADH y al FMNH2 en estado reducido y a los citocromos b, c y a en estado oxidado. Este resultado indica que el NAD y el FMN se localizan “antes” del bloqueo. En cambio, un inhibidor (p. ej., la antimicina A) que actúa entre los citocromos b y c dejaría al NADH, al FMNH2, a la QH2 y al citocromo b en el estado reducido. Por consiguiente, al identificar los componentes reducidos y oxidados en presencia de distintos inhibidores, puede establecerse la secuencia de los portadores.
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La tendencia de los electrones a transferirse de un transportador al siguiente depende de la diferencia de potencial entre los dos centros redox, pero la velocidad de transferencia guarda relación con las actividades catalíticas de las proteínas implicadas. Esta diferenciación entre la termodinámica y la cinética es similar a la explicada en la página 95 respecto de la actividad de las enzimas. Ciertos estudios indican que los electrones pueden transcurrir distancias considerables (de 10 a 20 Å) entre centros redox adyacentes y que es probable que los electrones fluyan por “túneles” especiales formados por una serie de enlaces covalentes y de hidrógeno que se extienden entre partes de numerosos residuos de aminoácidos. La figura 5.16 muestra un ejemplo de una de las vías que involucran al citocromo c.
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Complejos transportadores de electrones
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Cuando se rompe la membrana mitocondrial interna con un detergente, pueden aislarse los diversos portadores de electrones como parte de cuatro complejos transmembrana asimétricos distintos que se identifican como complejos I, II, III y IV (fig. 5.17). A cada uno de éstos se les puede asignar una función distinta en la vía general de oxidación. Dos componentes de la cadena transportadora de electrones, el citocromo c y la ubiquinona, no son parte de ninguno de los cuatro complejos. La segunda existe como parte de una reserva de moléculas disueltas en la bicapa lipídica y el citocromo c es una proteína soluble localizada en el espacio intermembrana. Se cree que la ubiquinona y el citocromo c se mueven dentro o a lo largo de la membrana y transfieren electrones entre los complejos proteínicos grandes y relativamente inmóviles. Una vez dentro de alguno de estos, los electrones viajan a lo largo de trayectos definidos (como los que se ilustran en la figura 5.16) entre centros redox adyacentes cuyas posiciones relativas están fijas.
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Cuando el NADH es el donador de electrones, estos entran a la cadena respiratoria a través del complejo I, el cual los transfiere a la ubiquinona, generando ubiquinol (figs. 5.12 y 5.17). A diferencia del NADH, que puede difundirse lejos de estas deshidrogenasas solubles, el FADH2 permanece unido mediante un enlace covalente a la deshidrogenasa de succinato, un componente del complejo II. Cuando el donador es el FADH2, los electrones pasan de manera directa a la ubiquinona y evitan el paso a través del extremo final de la cadena, que tiene un potencial redox demasiado negativo para aceptar los electrones con menor energía del nucléotido de flavina (fig. 5.14).
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Si se examinan los potenciales redox de los portadores sucesivos en la figura 5.14, resulta evidente que hay tres sitios en los que la transferencia de electrones se acompaña de una liberación notable de energía libre. Cada una de estas regiones, llamadas sitios de unión (acoplamiento), ocurre entre portadores que son parte de uno de los tres complejos, I, III y IV. La energía disponible, que se libera cuando los electrones pasan por estos tres sitios, se conserva mediante la translocación de protones de la matriz a través de la membrana interna hacia el espacio intermembrana. Estos tres complejos proteínicos se describen a menudo como bombas de protones. A diferencia de otros iones (p. ej., Na+ o Cl−) que tienen que difundirse por sí mismos toda la distancia por recorrer, los iones de hidrógeno pueden “brincar” a través de un conducto al intercambiarse con otros protones presentes en el trayecto (como se muestra en la figura 5.19b). Dichas vías de conducción de protones (o “cables protónicos”) pueden identificarse porque consisten en cordones de residuos ácidos, residuos unidos a hidrógeno, moléculas de agua atrapadas o los tres componentes de consuno. Las translocaciones de protones por estos tres complejos transportadores de electrones establecen el gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP. La capacidad de estas notables máquinas moleculares, para actuar como unidades independientes de translocación de protones, puede demostrarse si se purifica cada una de ellas y se les incorpora de manera individual en vesículas artificiales de lípidos. Cuando se aporta un donador de electrones adecuado, estas vesículas portadoras de proteínas son capaces de aceptar electrones y usar la energía liberada para bombear protones a través de la membrana de la vesícula (fig. 5.18).
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En los últimos años ha habido grandes avances en la descripción de la configuración molecular de todos los complejos proteínicos de la membrana interna (fig. 5.17b). Los investigadores ya no se preguntan cómo se ven estas proteínas; en cambio, utilizan la abundante información estructural para comprender cómo funcionan. A continuación se analizan de forma breve las versiones que tienen los mamíferos de cada uno de estos complejos transportadores de electrones, que en conjunto contienen cerca de 70 polipéptidos diferentes. Las versiones bacterianas son mucho mas sencillas que sus contrapartes en los mamíferos y contienen muchas menos subunidades. Las subunidades adicionales de los complejos de los mamíferos no poseen centros redox y se cree que funcionan en la regulación o el ensamble del complejo y no en el transporte de electrones. En otras palabras, el proceso básico del transporte de electrones durante la respiración ha permanecido sin cambios desde su evolución hace miles de millones de años en los ancestros procariotas.
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Complejo I (o deshidrogenasa de NADH) El complejo I es la puerta de entrada a la cadena transportadora de electrones y cataliza la transferencia de un par de electrones del NADH a la ubiquinona (UQ) para formar ubiquinol (UQH2). La versión de los mamíferos del complejo I es un conglomerado enorme con forma de L que contiene por lo menos 45 subunidades diferentes y representa una masa molecular cercana a 1 millón de daltones. Como se muestra en las figuras 5.17b y 5.19a, en promedio, la mitad del complejo consiste en un dominio hidrófilo que sobresale al interior de la matriz, en tanto que el segmento hidrófobo restante del complejo está incluido en la membrana. Los genes mitocondriales codifican siete de las subunidades (todas polipéptidos hidrófobos que abarcan toda la membrana) y muestran homología con los polipéptidos bacterianos. En conjunto, el dominio hidrófilo y los segmentos embebidos en la membrana del complejo desempeñan dos actividades diferentes que son necesarias en la cadena de transporte electrónico: la transferencia de electrones y la translocación de protones.
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Todos los componentes necesarios para la transferencia electrónica están dentro del segmento hidrófilo del complejo (fig. 5.19b). La cadena de portadores de electrones comienza con una flavoproteína que contiene FMN y que oxida al NADH en la parte más alta del complejo gigante. Más adelante, los electrones son transferidos a través de siete centros de hierro-azufre distintos dentro del dominio hidrófilo y tal paso termina con la transferencia de electrones a una molécula de ubiquinona unida a proteína, situada cerca de los límites de la membrana (también existen un octavo grupo de Fe-S y tal vez una segunda molécula de quinona, pero no se manifiestan en la vía directa de la transferencia electrónica). Según se piensa, el paso de un par de electrones del NADH a la ubiquinona se acompaña del desplazamiento de cuatro protones desde la matriz hasta el interior del espacio intermembrana. El conocimiento de la estructura del complejo I (fig. 5.19a) ha permitido plantear una propuesta que explica la forma en que el transporte electrónico a través del componente periférico del complejo puede impulsar la translocación de protones a través de la porción distante embebida en la membrana. En la figura 5.19b se advierte que el dominio transmembrana del complejo contiene una hélice α muy larga, que se ha denominado HL (señalada en color púrpura), que sigue una orientación casi paralela a la superficie de la membrana. Dicha hélice, que transcurre a casi todo lo largo del dominio de membrana, está en contacto directo con tres hélices discontinuas transmembrana (señaladas con los colores violeta, azul y verde olivo). Cada una de las hélices discontinuas es parte de la mitad de un conducto. Cada par de medios conductos está unido por una red de cadenas laterales de aminoácidos polares para formar un canal completo potencial para la translocación de protones a través de la membrana. Es probable que un cuarto conducto transportador de protones esté cerca de los límites con el dominio soluble, como se demuestra en la figura 5.19b. Se ha planteado que el desplazamiento de electrones hasta la ubiquinona induce un cambio de conformación en el complejo, que origina el desplazamiento lateral de la hélice HL (hacia la región derecha en la figura 5.19b); ello a su vez origina una inclinación de las hélices transmembrana que cambia el entorno iónico de algunos residuos que transfieren protones, provocando el desplazamiento de éstos a través de la membrana (flechas negras descendentes). Los autores de tal planteamiento comparan el mecanismo de acción del complejo I con el de una máquina de vapor, en el que la hélice HL actúa como un pistón que impulsa el desplazamiento de los elementos de la máquina hacia abajo.
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Hay que destacar que la disfunción del complejo I se ha vinculado con algunas enfermedades neurodegenerativas, como se discute en la sección “Perspectiva humana” de la página 208).
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Complejo II (o deshidrogenasa de succinato) El complejo II está formado por cuatro polipéptidos: dos subunidades hidrófobas que fijan la proteína a la membrana y dos subunidades hidrófilas que comprenden la enzima del ciclo del TCA, llamada deshidrogenasa de succinato. El complejo II suministra una vía para alimentar al FAD y a la ubiquinona con electrones de baja energía (aquellos con un potencial cercano a 0 mV) del succinato (figs. 5.14 y 5.17). El trayecto del FADH2, localizado en el sitio catalítico, a la ubiquinona mueve a los electrones una distancia de 40 Å a través de tres cúmulos diferentes de hierro-azufre. El complejo II también contiene un grupo hemo, el cual se piensa que atrae a los electrones que se han escapado, lo que previene que se formen radicales superóxido destructivos (pág. 35). La transferencia de electrones a través del complejo II no se acompaña de translocación de protones.
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Complejo III (o citocromo bc1) El complejo III cataliza la transferencia de electrones del ubiquinol al citocromo c. Las evaluaciones experimentales sugieren que se bombean cuatro protones a través de la membrana por cada par de electrones que se transfiere por el complejo III. Los protones se liberan hacia el espacio intermembrana en dos pasos separados, impulsados por la energía que se libera cuando dos electrones se separan entre sí y pasan por diferentes vías a través del complejo. Dos protones provienen de la molécula de ubiquinol que ingresó al complejo. Dos más se retiran de la matriz y se trasladan a través de la membrana como parte de una segunda molécula de ubiquinol. Tres de las subunidades del complejo III contienen grupos redox: el citocromo b posee dos moléculas “hemo b” con diferentes potenciales redox, citocromo c1 y una proteína que contiene hierro y azufre. El citocromo b es el único polipéptido del complejo que es codificado por un gen mitocondrial.
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Complejo IV (u oxidasa de citocromo c) El paso final en el transporte de electrones en una mitocondria es la transferencia sucesiva de dichas partículas del citocromo c reducido al oxígeno, de acuerdo con la siguiente reacción:
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Para reducir una molécula completa de O2,
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La reducción de O2 la cataliza el complejo IV, el cual es una enorme estructura de polipéptidos conocida como citocromo oxidasa. Esta molécula fue el primer componente de la cadena de transporte de electrones que se demostró que actúa como bomba de protones, lo cual se llevó a cabo con el experimento que se muestra en la figura 5.18, en el cual se incorporó la enzima purificada en vesículas formadas por una bicapa lipídica artificial (liposomas). La adición del citocromo c reducido al medio se acompañó de la expulsión de iones H+ de las vesículas, lo cual se cuantificó como una disminución del pH circundante. Sea dentro de un liposoma o en la membrana mitocondrial interna, la translocación de protones se suma a cambios de la conformación generados por la liberación de energía que acompaña a la transferencia de electrones. Se cree que por cada molécula de O2 reducida por la oxidasa de citocromo (cyt, cytochrome) se captan ocho protones de la matriz. Cuatro de éstos se consumen en la formación de dos moléculas de agua, como se indicó antes; los cuatro restantes se trasladan a través de la membrana y se liberan en el espacio intermembrana (fig. 5.17). Por consiguiente, la reacción total puede escribirse de la siguiente manera:
+
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Los seres humanos producen cerca de 300 ml de “agua metabólica” al día mediante esta reacción. Se puede señalar que varios venenos respiratorios potentes, incluidos el monóxido de carbono (CO), la azida (N3−) y el cianuro (CN−), ejercen su efecto tóxico al unirse al sitio hemo a3 de la citocromo oxidasa. (El monóxido de carbono también se une al grupo hemo de la hemoglobina.)
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Una mirada más cercana a la citocromo oxidasa
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La citocromo oxidasa consta de 13 subunidades, tres de las cuales son codificadas por el genoma mitocondrial y contienen los cuatro centros redox de la proteína. Un desafío importante para los investigadores consiste en explicar cómo portadores, que sólo son capaces de transferir electrones individuales, pueden reducir una molécula de O2 a dos moléculas de H2O, un proceso que requiere cuatro electrones (junto con cuatro protones). De manera importante, el proceso debe ser muy eficiente debido a que la célula trata con sustancias muy peligrosas; la liberación “accidental” de las especies de oxígeno parcialmente reducidas puede dañar todas las macromoléculas de la célula (pág. 35).
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El movimiento de electrones entre los centros redox de la citocromo oxidasa se muestra en la figura 5.20. Los electrones se transfieren uno a la vez del citocromo c, a través de un centro de cobre bimetálico (CuA) de la subunidad II, a un grupo hemo a de la subunidad I. De ahí, los electrones se pasan a un centro redox localizado en la subunidad I que contiene un segundo grupo hemo (a3) y otro átomo de cobre (CuB) situado a menos de 5 Å de distancia. La aceptación de los primeros dos electrones reduce el centro binuclear a3-CuB de acuerdo con la siguiente reacción:
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Una vez que el centro binuclear acepta su segundo electrón, una molécula de O2 se une a él. El doble enlace O=O se rompe cuando los átomos de oxígeno aceptan un par de electrones del centro binuclear a3-CuB reducido, lo que quizá forma un anión peróxido reactivo O22−.
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En etapas subsiguientes, el centro binuclear acepta dos electrones más provenientes del citocromo c y cuatro protones de la matriz, con lo cual se forman dos moléculas de agua. Por cada protón que se retira de la matriz, queda un exceso de carga negativa (en forma de un grupo OH−), lo que contribuye en forma directa al gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna.
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Como se mencionó antes, los protones captados de la matriz se utilizan de dos formas muy distintas. Por cada molécula de O2 que se reduce a dos de H2O por acción de la citocromo oxidasa en esta reacción química: (1) se consumen cuatro iones H+ y (2) se trasladan cuatro más a través de la membrana mitocondrial interna. Los primeros cuatro protones pueden denominarse de “sustrato” (o químicos) y los últimos cuatro pueden referirse como protones “bombeados”. El movimiento de ambos grupos de protones contribuye al gradiente electroquímico a través de la membrana.
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Con la publicación de la estructura cristalina tridimensional de la citocromo oxidasa fue posible la búsqueda de vías por las cuales podrían moverse los protones de sustrato y los bombeados a través de la enorme proteína. Algunos investigadores han identificado posibles conductos de protones dentro de la molécula, pero su función aún no se confirma de manera experimental. Por desgracia, los modelos estructurales estáticos no pueden revelar por sí mismos los movimientos dinámicos que ocurren dentro de la proteína durante su función. Es probable que la energía liberada por la reducción de O2 se utilice para impulsar los cambios conformacionales que alteran los estados de ionización y las localizaciones precisas de las cadenas laterales de los aminoácidos ubicados dentro de estos conductos. A su vez, estos cambios podrían promover el movimiento de iones H+ a través de la proteína, como ocurre durante el transporte de electrones en el complejo I (fig. 5.19b).
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REVISIÓN
Describa los pasos mediante los cuales el transporte de electrones a lo largo de la cadena respiratoria conduce a la formación de un gradiente de protones.
De los cinco tipos de transportadores de electrones, ¿cuál tiene la menor masa molecular?, ¿cuál posee la mayor proporción entre átomos de hierro y electrones transportados?, ¿cuál tiene un componente que se localiza fuera de la bicapa lipídica?, ¿cuáles son capaces de aceptar protones y electrones? y ¿cuál sólo acepta electrones?
Describa la relación que hay entre la afinidad de un compuesto por los electrones y su capacidad para actuar como agente reductor. ¿Cuál es la asociación entre el potencial de transferencia de electrones de un agente reductor y la capacidad del otro miembro de esa pareja para actuar como agente oxidante?
Observe la figura 5.12 y describa cómo son similares los estados de semiquinona de la ubiquinona y del FMN.
¿A qué se refiere el término “centro binuclear” de la citocromo oxidasa?, ¿cómo funciona en la reducción de O2?
¿Cuáles son las dos maneras en las que la citocromo oxidasa contribuye al gradiente de protones?
¿Por qué algunas transferencias de electrones producen una mayor liberación de energía que otras?
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