Protones,
electrones y oxidación-reducción
Protones, electrones y
oxidación-reducción Los seres vivos consumen oxígeno y producen dióxido de
carbono como parte de su metabolismo celular. Este hecho, que había demostrado
Lavoisier, junto con el desarrollo de la enzimología a principios del siglo XX que
demostró que las oxidaciones biológicas eran catalizadas mediante enzimas in-
tracelulares, permitió descubrir que estas reacciones de transferencia
electrónica aprovechan la energía libre producida para obtener energía química
en forma de ATP, siendo estas reacciones la base de la obtención de energía a
nivel celular.
En los sistemas vivos, los
electrones involucrados en las oxidaciones celulares no pasan directamente al
oxígeno, sino que se transfieren a través de diversas vías con múltiples
etapas. Los electrones de las oxidaciones se emplean en una primera etapa para
reducir el NAD+ y FAD a NADH + H+ y FADH2, respectivamente. Los electrones
fijados en estas coenzimas pasan entonces a la cadena transportadora de
electrones, gracias a la reoxidación mitocondrial del NADH + H+ y del FADH2 a
NAD+ y FAD respectivamente. Los electrones sufren un proceso de
oxidación-reducción secuencial a través de determinados centros rédox
(complejos mitocondriales) para finalmente reducir el oxígeno a agua. Este
proceso, por el cual se transfieren los electrones desde las biomoléculas del
alimento hasta el oxígeno, suele denominarse respiración aerobia o respiración
celular. En este proceso, una serie de protones se transfieren desde la matriz
mitocondrial hacia el espacio inter- membrana de la mitocondria, de modo que se
crea un gradiente de protones (gradiente electroquímico). Este gradiente
resultante sirve para impulsar la síntesis de ATP, a partir de ADP y P¡, a
través de la llamada fosforilación oxidativa.
La respiración celular (cadena
transportadora de electrones) y la fosforilación oxidativa tienen lugar en las
mitocondrias de los eucariotas, cuya membrana interna es impermeable a la
mayoría de las pequeñas moléculas e iones, incluyendo los protones. En los procariotas,
que carecen de mitocondrias, pueden realizar la respiración celular gracias a
las proteínas de la cadena de transporte electrónico que se encuentran en la
membrana plasmática.
Complejos y
transporte electrónico
La mayoría de los electrones que se
van a utilizar en la cadena transportadora de electrones provienen de la acción
de las deshidrogenasas, que recogen los electrones de los distintos procesos
catabólicos y los canalizan hacia los aceptores universales de electrones
(principalmente NAD+ y FAD). Entonces los electrones fijados por estas
coenzimas se transfieren a una serie de transportadores asociados a la membrana
interna de la mitocondria conocidos como complejos (1). Estos complejos
transportadores de electrones son de naturaleza proteica y poseen diversos
grupos prostéticos capaces de aceptar y de donar electrones (2). En la cadena
respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transferir
electrones. La ubiquinona o coenzima Q (una quinona hidrofóbica), los
citocromos (proteínas que tienen como grupos prostéticos grupos hemo con
hierro) y las proteínas con agrupaciones sulfo-férricas (centros Fe-S). El
tránsito de electrones a través de los complejos se produce en orden creciente
de afinidad electrónica, transfiriendo los electrones desde las coenzimas
reducidas hasta el oxígeno, aceptor final de los electrones. Los complejos
implicados en la transferencia de electrones son:
• El complejo I, también llamado
NADH-ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa, que transporta los
electrones del NADH a la ubiquinona.
• El complejo II es la succinato
deshidrogenasa, única enzima del ciclo de Krebs unida a membrana, que pasa los
electrones del FADH2 a la ubiquinona.
• El complejo III, también llamado citocromo
bcj o complejo ubiquinona- citocromo c oxidorreductasa, que acopla la
transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c.
• El complejo IV, también llamado
citocromo c oxidasa, es la última etapa de la cadena de transporte electrónico
de la respiración y conduce a los electrones desde el citocromo c hasta el
último aceptor de los electrones, el oxígeno, que se reduce a agua.
Los electrones del NADH + H+ se
transportan al complejo I, y allí son aceptados por el nucleótido de flavina
FMN; posteriormente se transfieren a una serie de centros Fe-S, que,
finalmente, trasladan los electrones a la ubiquinona. El paso de los dos
electrones del NADH + H+ por el complejo I permite el tránsito de un total de
cuatro protones al espacio intermembrana. La ubiquinona reducida difunde
libremente por la membrana transportando los electrones hasta el complejo III;
en este complejo los electrones se transfieren de uno en uno a través de un
proceso complejo de varios pasos. El hecho de que los electrones pasen
individualmente hace que se genere ubisemiquinona (molécula de ubiquinona
reducida por un solo electrón) que, gracias a los citocromos b del complejo II,
se reduce nuevamente y cede el segundo electrón. Al final, los dos electrones son
cedidos a dos citocromos c (cada citocromo c transporta un electrón): durante
este proceso se logran transportar otros cuatro protones al espacio inter-
membrana. Los citocromos c se encargan de transferir los electrones desde el
complejo III al complejo IV. Dicho complejo IV es el responsable de reducir una
molécula de oxigeno a agua, proceso para el cual necesita cuatro electrones y
en el que es importante la presencia de varios citocromos a y de dos átomos de
cobre que colaboran en la reducción de la molécula de oxigeno. El citocromo IV,
al transferir los cuatro electrones al oxígeno, logra transportar cuatro
protones hacia el espacio intermembrana; si bien, como el NADH + H+ cedió solo
dos electrones por cada molécula, el complejo IV únicamente transfiere dos
protones, lo cual supone un total de diez protones por molécula de NADH + H+
reoxidada a NAD+. La principal fuente de NADH + H+ son los diversos pasos del
ciclo de Krebs estudiados en el apartado anterior.
Los electrones de las moléculas de FADH2
entran en la cadena transportadora de electrones a través del complejo II
(complejo succinato deshidrogenasa del ciclo de Krebs) que transfiere los
electrones a la ubiquinona. Otras enzimas como la acil CoA deshidrogenasa
también transfieren los electrones del FADH2 a la ubiquinona, aunque estos procesos
no logran trasladar ningún protón al espacio intermembrana. A partir de la
ubiquinona, los electrones del FADH2 siguen el mismo camino que los electrones
del NADH + H+, siendo transferidos al complejo III, al citocromo c, al complejo
IV y, finalmente, cedidos al oxígeno formándose agua. El trasiego de los
electrones procedentes del FADH2 permite el paso de un total de seis protones
por molécula al espacio intermembrana. La utilización de la cadena
transportadora de electrones y del oxígeno implica una serie de riesgos para la
célula; estos riesgos son consecuencia de la capacidad oxidante del oxígeno y
de la formación de radicales libres que pueden originar daño oxidativo a las
biomoléculas
0 comentarios:
Publicar un comentario