Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

El corazón trabaja constantemente. Ya se esté nadando o echándose una siesta, el corazón está siempre en movimiento.

La principal forma de energía que mantiene a las células del corazón, y en realidad a todas las células del organismo, es el trifosfato de adenosina, o ATP.

En la mayoría de las células, la principal fábrica de producción de ATP es la mitocondria, que tiene una membrana interna y otra externa, y es a lo largo de la membrana interna donde se produce un proceso llamado fosforilación oxidativa.

"Oxidativo" se refiere a la oxidación, que es cuando una molécula dona su electrón, y "fosforilación" alude a la adición de un grupo fosfato al difosfato de adenosina, o ADP, para formar ATP.

Así pues, la fosforilación oxidativa es el proceso de fabricación de ATP mediante la donación de electrones a los complejos integrados en la membrana mitocondrial interna.

Estos complejos son proteínas o lípidos acoplados a metales como el hierro y el cobre que facilitan el movimiento de los electrone Juntos, forman la cadena de transporte de electrones.

Durante la cadena de transporte de electrones, los electrones pasan de un complejo a otro, y finalmente al oxígeno, creando un gradiente de protones que se utilizará para fabricar ATP.

La cadena de transporte de electrones comienza con dos moléculas clave que quieren donar sus electrones: el dinucleótido de nicotinamida y adenina, o NADH, y el dinucleótido de flavina y adenina, o FADH2, que se oxidan en la cadena de transporte de electrones.

El NADH y el FADH2 se generan principalmente en el ciclo del ácido cítrico, que tiene lugar en las mitocondrias, pero también pueden proceder directamente de la glucólisis, que es la descomposición de la glucosa en el citoplasma, o de la oxidación de los ácidos grasos, que es la descomposición de las grasas en las mitocondrias.

Las enzimas llamadas deshidrogenasas ayudan a generar el NADH y el FADH2, ricos en electrones. Cuando esas moléculas proceden del citoplasma solo pueden entrar en la mitocondria utilizando una lanzadera específica Al utilizar la lanzadera de malato-aspartato, los electrones entran en la cadena de transporte de electrones como NADH.

Si se usa la lanzadera de glicerol-3-fosfato, los electrones entran en la cadena de transporte de electrones como FADH2.

En la cadena de transporte de electrones hay dos puntos de entrada. En el primer punto de entrada, el NADH cede sus electrones al complejo I.

El complejo I contiene mononucleótido de flavina (un derivado de la riboflavina o vitamina B2) y centros de hierro-azufre llamados FeS.

El NADH cede su electrón al mononucleótido de flavina, y este se convierte de nuevo en NAD+, pudiendo ser reutilizado por las deshidrogenasas para fabricar más NADH.

En el segundo punto de entrada el FADH2 entrega su electrón al complejo II, que también se llama succinato deshidrogenasa, exactamente la misma enzima que participa en el ciclo del ácido cítrico.

Esto significa que el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones comparten un paso, por lo que su actividad aumenta y disminuye conjuntament Finalmente, los electrones de los complejos I y II fluyen directamente a la coenzima Q, también llamada ubiquinona La coenzima Q es en realidad un derivado del colesterol y, por tanto, el único lípido de la cadena de transporte de electrones.

A continuación, la coenzima Q pasa los electrones a una serie de citocromos, que son proteínas que contienen grupos hemo.

Los grupos hemo contienen hierro, que es capaz de captar un electrón y pasar de Fe3+ a Fe2+. El hierro hemo puede entonces liberar el electrón al siguiente citocromo de la cadena y volver al Fe3+, de modo que esté listo para atrapar otro electrón.

El proceso podría compararse a los trabajadores en cadena, que se transmiten los electrones de uno al siguiente. El complejo III está formado por el citocromo b y el citocromo c1, y luego los electrones pasan al citocromo c, y de ahí acceden al complejo IV, que está compuesto por los citocromos a y a3, que se denominan conjuntamente citocromo oxidasa.

Es interesante observar que los grupos hemo del complejo IV contienen cobre en lugar de hierro. La citocromo oxidasa transfiere los electrones al aceptor final de electrones, el oxígeno, haciendo que este sea lo suficientemente electronegativo como para captar dos protones, formando una molécula de H2 Si una célula no recibe suficiente oxígeno, como en la hipoxia, que es la lesión celular más común, la cadena de transporte de electrones se interrumpe y la síntesis de ATP no se produc Así pues, los complejos son responsables de la parte "oxidativa" de la fosforilación oxidativa, y se puede pensar en la cadena de transporte de electrones como en un juego de la patata caliente, en el que los complejos se pasan rápidamente los electrones unos a otros, creando una corriente eléctrica.

Esa corriente eléctrica crea energía que impulsa a los complejos I, III y IV a bombear protones cargados positivamente fuera de la mitocondria y al espacio entre la membrana mitocondrial interna y externa, creando un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna.

Esto se debe a que los complejos I, III y IV son los únicos que abarcan la membrana mitocondrial interna. De hecho, mientras los electrones saltan, los complejos cambian su conformación para empujar los protones Este proceso se asemeja al modo en que los electrones saltan de un cable a otro en una casa, y esa energía puede utilizarse para hacer un trabajo, como enchufar una aspiradora para aspirar la suciedad.

En este caso, los pequeños complejos serían los vacíos, que aspiran protones. Este gradiente se considera inestable porque los protones siempre intentan equilibrarse a través de la membrana mitocondrial interna, aunque esta sea totalmente impermeable a los mismo Para cruzar, los protones tienen que utilizar un canal especial de protones llamado F0, que está unido a una enzima denominada F1 La F1 es una ATP sintasa que utiliza el gradiente de protones para fosforilar una molécula de ADP y producir ATP, por lo que la ATP sintasa se encarga del paso de "fosforilación" de la fosforilación oxidativa.

A veces se llama complejo V de la cadena de transporte de electrones. Como el ATP se forma en la mitocondria, utiliza un antipuerto ATP/ADP para ser bombeado fuera de la mitocondria y hacia el citoplasma, y de esa manera la mitocondria obtiene una nueva molécula de ADP, que utiliza para fabricar el siguiente ATP.

Podría compararse con una lanzadera de ATP. Aproximadamente, una molécula de NADH que dona sus electrones a la cadena de transporte de electrones genera un gradiente de protones con la suficiente intensidad para producir 3 moléculas de ATP, ya que el NADH activa 3 bombas de protones (complejos I, III y IV), mientras que una molécula de FADH2 solo produce 2 moléculas de ATP, porque el FADH2 se salta el complejo 1 y comienza en el complejo 2, activando únicamente 2 bombas de protones (complejos III y IV).

Dado que tanto el NADH como el FADH2 requieren una molécula de oxígeno para aceptar finalmente sus electrones, estos valores se denominan relación fosfato-oxígeno o relación P/O, que es la relación de ATP producido por oxígeno consumido para cada molécula.

Una vez más, se trata de proporciones aproximadas. La cadena de transporte de electrones no está controlada por las hormonas, sino por el nivel de energía de la propia célula Cuando el ATP se acumula en una célula, un signo de alta energía, la cadena de transporte de electrones se ralentiza, y cuando el ADP se acumula, un signo de baja energía, la cadena de transporte de electrones se acelera.

Por otra parte, los fármacos y las sustancias químicas pueden "romper" eficazmente la fosforilación oxidativa de dos maneras: desacoplamiento e inhibición.

Empecemos por el desacoplamiento. Normalmente, la cadena de transporte de electrones está acoplada a la síntesis de ATP, lo que significa que ambos procesos ocurren juntos.

Los agentes desacopladores rompen ese vínculo. Lo hacen insertando sus propios canales de protones, llamados ionóforos, en la membrana mitocondrial interna o simplemente llevando los protones de vuelta a la matriz mitocondrial, lo que les permite eludir la subunidad F0 de la enzima ATP sintasa.

Los agentes de desacoplamiento disipan el gradiente de protones creado por los complejos. Como los protones entran de nuevo en la mitocondria con el agente desacoplador en lugar de hacerlo a través del componente F0 de la ATP sintasa, la F1 no es capaz de fosforilar el ADP para producir ATP.

Ahora es importante señalar que los electrones siguen fluyendo de complejo en complejo hasta llegar al receptor final de electrones, el oxígeno.

Así que los eritrocitos siguen entregando oxígeno a los tejidos para que pueda ser el receptor de electrones Además, a medida que los valores de ADP de la célula aumentan, el cuerpo intenta incrementar su tasa metabólica para producir más donantes de electrones como NADH y FADH2.

No obstante, este flujo de electrones es inútil porque, con independencia de la magnitud de gradiente de protones, los protones simplemente vuelven con el agente de desacoplamiento en lugar de pasar por F0.

Como parte de la energía del electrón no se utiliza para mover los protones a través de la membrana mitocondrial interna, se dispone de más energía para convertirla en energía térmic Existen algunos agentes desacoplantes endógenos como la termogenina, que es una proteína que se encuentra en el tejido adiposo marrón de los bebés, utilizada para generar calor.

Curiosamente, la termogenina también se encuentra en los animales que hibernan, así que sí, de bebés somos como los osos polare El desacoplamiento es algo así como un coche con el motor caliente y funcionando, pero a pesar de ello, el automóvil no se mue Otro ejemplo de un medicamento que puede ser un agente desacoplador en dosis elevadas es la aspirina.

El desacoplamiento puede llevar a una tasa metabólica realmente alta, lo que conduce a veces a una acidosis metabólica, y si los valores de ATP empiezan a bajar demasiado para permitir que los centros respiratorios y los músculos respiratorios trabajen, entonces puede aparecer también una acidosis respiratoria.

Una acidosis metabólica y respiratoria combinada se convierte rápidamente en una amenaza para la vida. La otra forma en que la fosforilación oxidativa puede ir mal es por inhibición, lo que significa que algunas sustancias químicas y fármacos inhiben los componentes de la cadena de transporte de electrones.

A diferencia del desacoplamiento, la inhibición detiene el flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones, lo que conlleva una disminución de la síntesis de AT Como el flujo de electrones se detiene, los donantes de electrones, como el NADH y el FADH2, se acumulan, por lo que el cuerpo no siente la necesidad de producir más, y la tasa metabólica disminuye La inhibición se asemeja a apagar el motor del vehículo lo que, por supuesto, significa que el automóvil no se mueve.

No es de extrañar que los venenos que actúan inhibiendo la cadena de transporte de electrones puedan provocar la muerte con bastante rapide Algunos ejemplos de agentes inhibidores son el monóxido de carbono y el cianuro, que inhiben el complejo IV de la cadena de transporte de electrones.

Los barbitúricos, unos agonistas del GABA que pueden ser eficaces para los trastornos convulsivos, inhiben el complejo I en dosis elevadas La oligomicina, que es un antibiótico demasiado tóxico para el uso humano, inhibe el componente F0 de la ATP sintas Las estatinas, una clase de medicamentos que reducen los lípidos, no inhiben la cadena de transporte de electrones, pero pueden disminuir la síntesis de la coenzima Q.

Esa reducción de la coenzima Q puede dar lugar a una menor producción de ATP y provocar dolores y calambres musculares, y en raras ocasiones incluso causar rabdomiólisis, que aparece cuando se produce una descomposición muscular grave que da lugar a una insuficiencia renal por la mioglobina liberada.

##Resumen Como breve resumen... La fosforilación oxidativa es un proceso mitocondrial en el que los electrones son transportados a través de varios complejos de la cadena de transporte de electrones El NADH y el FADH2 son los principales donantes de electrones, y el oxígeno es el aceptor final de electrones crucial.

Este movimiento de electrones ayuda a establecer un gradiente de protones que impulsa a la ATP sintasa a completar la "fosforilación" del ADP en AT Los desacopladores, como la termogenina, interrumpen la fosforilación oxidativa al disipar el gradiente de protones, mientras que los inhibidores, como el monóxido de carbono, ponen fin al transporte de electrones al inhibir su flujo.