Cadena de transporte de electrones

Principales complejos proteicos de la CTE

La cadena mitocondrial de transporte de electrones consta de cuatro conjuntos enzimáticos de alto peso molecular integrados en la bicapa lipídica de la membrana. Su función es transferir electrones por etapas y (en la mayoría de los casos) bombear protones al espacio intermembrana.

• Complejo I (NADH deshidrogenasa). Contiene flavina mononucleótido (FMN) y clústeres de hierro-azur (FeS). La parte activa del FMN es el anillo de isoaloxacina unido al ribitol fosfato. En estado oxidado, los átomos de nitrógeno de este anillo forman una estructura quinoide, y al reducirse a $FMNH_2$ incorporan hidrógeno. La enzima oxida el NADH a NAD⁺ y lleva a cabo la primera etapa de acoplamiento, bombeando protones ($nH^+$) desde la matriz.
• Complejo II (succinato deshidrogenasa). Contiene FAD y proteínas FeS. A diferencia de otras enzimas dependientes de FAD que flotan en la matriz, este complejo está firmemente fijo en la membrana interna. Oxida sustratos dependientes de FAD (por ejemplo, convierte el succinato en fumarato). Una característica importante: el Complejo II no bombea protones.
• Complejo III ($QH_2$ deshidrogenasa). Incluye los citocromos $b_1, b_2, c_1$ y clústeres FeS. Acepta electrones del ubiquinol. El mecanismo de acción se basa en el cambio reversible del estado de oxidación del hierro en el grupo hemo (de $Fe^{3+}$ a $Fe^{2+}$). Esta es la segunda etapa de acoplamiento.
• Complejo IV (citocromo c oxidasa). Consta de los citocromos $a, a_3$ y iones de cobre. Mediante el cambio acoplado de los estados de oxidación del hierro en el grupo hemo y del cobre (de $Cu^{2+}$ a $Cu^{1+}$), la enzima efectúa la transferencia final de electrones al oxígeno. Actúa como una bomba de protones (tercera etapa de acoplamiento).

Transportadores de electrones móviles

Entre los complejos fijos circulan transportadores de bajo peso molecular. Estos conectan todo el sistema en una sola cadena.

1. Coenzima Q (ubiquinona). Es un transportador lipídico no enzimático. Estructuralmente, consiste en un anillo de benzoquinona con una larga cadena lateral isoprenoide de 10 unidades. En su forma oxidada (ubiquinona), el anillo contiene dos grupos ceto. Al aceptar electrones de los complejos I y II, los grupos ceto se reducen a grupos hidroxilo y el anillo se vuelve aromático, formándose así el ubiquinol reducido ($QH_2$).
2. Citocromo c. Una proteína hidrófila móvil localizada en la superficie externa de la membrana interna. Su única tarea es interceptar electrones del tercer complejo y llevarlos al cuarto.

Vías de entrada de electrones a la cadena respiratoria

Existen dos escenarios principales mediante los cuales el hidrógeno (y sus electrones) de los sustratos primarios ingresa a la CTE. La elección de la ruta depende de la coenzima de la deshidrogenasa.

• Vía 1: A través de deshidrogenasas dependientes de NAD (vía larga). Las enzimas se localizan en la matriz mitocondrial. Los donantes primarios son el piruvato, isocitrato, $\alpha$-cetoglutarato, malato (oxidado a oxalacetato) y glutamato. El hidrógeno sigue la ruta: Sustrato $\rightarrow$ NAD⁺ $\rightarrow$ se forma NADH $\rightarrow$ Complejo I $\rightarrow$ Coenzima Q.
• Vía 2: A través de deshidrogenasas dependientes de FAD (vía corta). Las enzimas se encuentran en la matriz o en la membrana. Los sustratos son el succinato, $\alpha$-glicerofosfato y acil-CoA (convertido en enoil-CoA a través de la ETF). Ruta: Sustrato $\rightarrow$ FAD $\rightarrow$ Coenzima Q. Esta vía es más corta y elude por completo el primer complejo proteico.

Etapa terminal y esquema general

Independientemente de cómo hayan entrado los electrones en la cadena, al final se acumulan en la ubiquinona y luego siguen una ruta única y estricta hacia el aceptor terminal.

Secuencia del flujo: NADH o sustratos de FAD $\rightarrow$ Coenzima Q $\rightarrow$ Complejo III $\rightarrow$ Citocromo c $\rightarrow$ Complejo IV $\rightarrow$ Oxígeno.

La reacción final conduce a la reducción del oxígeno molecular y a la formación de la llamada agua metabólica (endógena). La ecuación de la etapa terminal es la siguiente: $2e^- + 2H^+ + 1/2 O_2 \rightarrow H_2O$

En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Mecanismos de creación del gradiente de protones en las etapas de acoplamiento 1, 2 y 3.
• Funcionamiento de los complejos de la ATP sintasa en la membrana y teoría de la fosforilación oxidativa.
• Estructura de las deshidrogenasas de matriz y especificidad de la oxidación del acil-CoA a través de la ETF.
• Estructura química del anillo de isoaloxacina en el FMN.
• Papel y estructura de los clústeres de hierro-azur (FeS) en las enzimas de la CTE.

Otros temas de la sección «Metabolismo energético»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.