Respiración tisular y fosforilación oxidativa: cadena de transporte de electrones

Mecanismo de la respiración tisular: deshidrogenasas, complejos de la CTE, gradiente de protones, síntesis de ATP a través de la ATP sintasa, control respiratorio, desacopladores e inhibidores de la fosforilación oxidativa.

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Respiración tisular: características generales

Respiración tisular: conjunto de reacciones de oxidación de sustratos orgánicos en las cuales los átomos de hidrógeno se transfieren al oxígeno molecular con formación de agua y liberación de energía. Alrededor del 60% de esta energía se disipa en forma de calor y cerca del 40% se almacena en enlaces de alta energía de ATP durante la fosforilación oxidativa.

La eliminación de hidrógeno de los sustratos es llevada a cabo por enzimas deshidrogenasas, localizadas predominantemente en la matriz mitocondrial. Según el tipo de coenzima, se dividen en dos grupos:

Donantes primarios de hidrógeno: productos del catabolismo: piruvato, isocitrato, α-cetoglutarato, malato, glutamato para las enzimas dependientes de NAD; succinato y acil-CoA para las dependientes de FAD.

Cadena de transporte de electrones

La transferencia de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno es realizada por un sistema de transportadores integrados en la membrana mitocondrial interna que forman la cadena de transporte de electrones (CTE). Está compuesta por cinco complejos:

  1. Complejo I: NADH deshidrogenasa (NADH:ubiquinona oxidorreductasa);
  2. Complejo II: succinato deshidrogenasa;
  3. Complejo III: CoQH₂ deshidrogenasa (citocromo bc₁);
  4. Complejo IV: citocromo c oxidasa;
  5. Complejo V: ATP sintasa.

Los componentes se disponen en orden creciente de potencial redox, desde uno bajo en el NADH hasta uno alto (aproximadamente +0,8 V) en el oxígeno. Esto garantiza un flujo unidireccional de electrones y una liberación gradual de energía.

Gradiente de protones y síntesis de ATP

El transporte de electrones a través de los complejos I, III y IV está acoplado al transporte de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. Como resultado, se forma un potencial electroquímico de protones ΔμH⁺, compuesto por las componentes química (de concentración) y eléctrica, siendo el gradiente de protones el que desempeña el papel principal.

Al alcanzar un nivel crítico de ΔμH⁺, se activa la ATP sintasa (complejo V): los protones regresan a la matriz a través de su canal (subunidad F₀) y la energía de su movimiento es utilizada por la subunidad catalítica F₁ para fosforilar ADP y formar ATP. Este acoplamiento del transporte de electrones y la síntesis de ATP a través del gradiente de protones se describe en la teoría quimiosmótica de Mitchell.

Coeficiente de fosforilación oxidativa (P/O): número de moléculas de ATP sintetizadas durante la transferencia de dos electrones a un átomo de oxígeno:

Control respiratorio

La velocidad de la respiración tisular y de la fosforilación oxidativa está estrictamente acoplada a la demanda energética de la célula. Durante el consumo activo de ATP, la concentración de ADP en la matriz aumenta. El ADP es sustrato de la ATP sintasa, por lo que su actividad se incrementa, el gradiente de protones disminuye, lo que elimina la inhibición del transporte de electrones y aumenta el consumo de oxígeno y la oxidación de sustratos. Esta dependencia de la velocidad respiratoria respecto a la concentración de ADP se denomina control respiratorio.

Desacopladores e inhibidores

Desacopladores: compuestos lipofílicos que transportan protones desde el espacio intermembranoso hacia la matriz eludiendo la ATP sintasa. Reducen ΔμH⁺, mientras que la oxidación de sustratos y el consumo de oxígeno continúan, pero la energía se disipa en forma de calor. Entre los desacopladores se encuentran:

Inhibidores específicos de la CTE:

Puntos clave

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