Cadena de transporte de electrones
1
Cadena de transporte de electrones La
cadena
de
transporte
de
es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasm€tica de bacterias, en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, que mediante reacciones bioqu•micas producen adenosin trifosfato (ATP), que es el compuesto energ‚tico que utilizan los seres vivos. Sƒlo dos fuentes de energ•a son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de ƒxido-reducciƒn (redox) y la luz solar (fotos•ntesis). Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce La cadena de transporte de electrones. con el nombre de quimioaut€trofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fotoaut€trofos. Ambos tipos de organismos utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energ•a en ATP. electrones
Conceptos generales La misiƒn de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroqu•mico que se utiliza para la s•ntesis de ATP. Dicho gradiente electroqu•mico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en „ltimo caso la translocaciƒn de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado. De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes: … Un flujo flujo de electrones electrones desde desde sustanci sustancias as individu individuales. ales. … Un uso de la energ•a despren desprendida dida de ese flujo flujo de electrones electrones que se utiliza utiliza para la transloca translocaciƒn ciƒn de protones protones en contra de gradiente, por lo que energ‚ticamente estamos hablando de un proceso desfavorable. … Un uso de ese gradiente electroqu•mico para la formaciƒn de ATP mediante un proceso favorable desde un punto punto de vista energ‚tico.
Antecedentes Las reacciones redox son reacciones qu•micas en las cuales los electrones son transferidos desde una mol‚cula donadora hacia una mol‚cula aceptora. La fuerza que conduce a esta clase de reacciones es la energ•a libre de Gibbs de los reactivos y los productos. La energ•a libre de Gibbs es la energ•a disponible para realizar un trabajo. Ninguna reacciƒn que incremente la energ•a libre de Gibbs total de un sistema se realizar€ de forma espont€nea. La transferencia de electrones desde mol‚culas altamente energ‚ticas (donadoras) hacia mol‚culas de bajo poder energ‚tico (aceptoras) puede ser espaciado en una serie de reacciones redox intermediarias, que en definitiva forman una cadena de transporte. El hecho de que estas reacciones sean termodin€micamente posibles no significa que puedan ocurrir; por ejemplo una mezcla de hidrƒgeno y ox•geno no entra en igniciƒn de forma espont€nea, se requiere suplementar cierta energ•a de activaciƒn o bajar la energ•a de activaciƒn de la reacciƒn. Los sistemas biolƒgicos usan estructuras complejas que reducen la energ•a de activaciƒn de las reacciones bioqu•micas.
Cadena de transporte de electrones El transporte de electrones se realiza mediante reacciones que son termodin€micamente favorables, y han sido acopladas a reacciones que termodin€micamente no lo son, como por ejemplo son la separaciƒn de carga o la creaciƒn de un gradiente osmƒtico. De esta forma la energ•a libre del sistema baja y hace posible que el proceso se lleve a cabo. Las macromol‚culas biolƒgicas que catalizan este tipo de reacciones desfavorables, termodin€micamente hablando, se han encontrado en todas las formas de vida conocidas, y sƒlo realizan estas funciones s• y solo si est€n acopladas a reacciones termodin€micas favorables y que ocurran a la vez de las que no lo son. La cadena de transporte de electrones produce energ•a para la formaciƒn de un gradiente electroqu•mico, es decir se utiliza ese flujo para el transporte de sustancias a trav‚s de membrana. Este gradiente se utiliza para realizar, posteriormente un trabajo mec€nico, como puede ser la rotaciƒn de un flagelo bacteriano o la s•ntesis de ATP, que es imprescindible para un organismo. El ATP tambi‚n se puede obtener de otras formas, como por ejemplo en la fosforilaciƒn a nivel de sustrato. Existen organismos que obtienen el ATP exclusivamente mediante fermentaciƒn, pero en la mayor•a de los casos la generaciƒn de grandes cantidades de ATP se realiza a trav‚s de cadenas de transportes de electrones.
Cadenas de transporte de electrones en mitocondrias Las c‚lulas de todos los eucariotas contienen org€nulos intracelulares conocidos con el nombre de mitocondrias que producen ATP. Las fuentes de energ•a como la glucosa son inicialmente metabolizados en el citoplasma y los productos obtenidos son llevados al interior de la mitocondria donde se continua el catabolismo usando rutas metabƒlicas que incluyen el ciclo de los €cidos tricarbox•licos, la beta oxidaciƒn de los €cidos grasos y la oxidaciƒn de los amino€cidos. El resultado final de estas rutas es la producciƒn de dos donadores de electrones: NADH y FADH2. Los electrones de estos dos donadores son pasados a trav‚s de la cadena de electrones hasta el ox•geno, el cual se reduce para formar agua. Esto es un proceso de m„ltiples pasos que ocurren en la membrana mitocondrial interna. Las enzimas que catalizan estas reacciones tienen la notable capacidad de crear simult€neamente un gradiente de protones a trav‚s de la membrana, produciendo un estado altamente energ‚tico con el potencial de generar trabajo. Mientras el transporte de electrones ocurre con una alta eficiencia, un peque†o porcentaje de electrones son prematuramente extra•dos del ox•geno, resultando en la formaciƒn de un radical libre tƒxico: el superƒxido. En los „ltimos a†os se ha descubierto que los complejos de la cadena de transporte de electrones suelen juntarse unas con otras formando estructuras prote•nicas mayores que se nombran supercomplejos respiratorios. Estos supercomplejos suelen estar formados „nicamente por los complejos I, III y IV en plantas, mientras que en mam•feros se les han encontrado en conjunto con complejo II tambi‚n. Se ha propuesto que la funciƒn de la formaciƒn de los supercomplejos respiratorios es la canalizaciƒn de los electrones a trav‚s de los complejos I, III y IV, con la finalidad de agilizar el transporte de electrones, regular la formaciƒn de radicales de ox•geno o incrementar la eficiencia de producciƒn de ATP por medio de la exclusiƒn de la alternativa oxidasa o de las NAD(P)H dehidrogenasas del tipo II del transporte de electrones. De esta forma „nicamente las prote•nas que tienen la capacidad de transportar protones a trav‚s de la membrana interna de las mitochondrias y que por lo mismo contribuyen a la formaciƒn del gradiente electroqu•mico para la producciƒn de ATP estar•an inclu•das en la estructura de los supercomplejos. El parecido entre las mitocondrias intracelulares y las bacterias de vida libre es alt•simo. El conocimiento de la estructura, la funcionalidad y las similitudes en el ADN entre mitocondrias y las bacterias prueban fuertemente el origen endosimbiƒntico de las mitocondrias. Es decir, hay fuertes pruebas que indican que las c‚lulas eucariƒticas primitivas incorporaron bacterias, que debido a las fuerzas selectivas de la evoluciƒn se han trasformado en un org€nulo de ‚stas.
2
Cadena de transporte de electrones
3
Transportadores redox mitocondriales Se han identificado cuatro complejos enzim€ticos unidos a membrana interna mitocondrial. Tres de ellos son complejos transmembrana, que est€n embebidos en la membrana interna, mientras que el otro esta asociado a membrana. Los tres complejos transmembrana tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. El flujo de electrones global se esquematiza de la siguiente forma: NADH € Complejo I € Q € Complejo III € Citocromo c € Complejo IV € H O 2
• Complejo II
Complejo I
El "complejo I" o NADH deshidrogenasa o NADH:ubiquinona oxidoreductasa (EC 1.6.5.3) capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo el Complejo I transloca cuatro protones a trav‚s de membrana, produciendo un gradiente de protones. El flujo de electrones ocurre de la siguiente forma: El NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN a FMNH2 en un „nico paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es un centro Fe-S que sƒlo puede aceptar un electrƒn y trasferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a ser reducido con el otro electrƒn que quedaba generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones son translocados a trav‚s de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Complejo II
El "Complejo II" o Succinato deshidrogenasa; [1] EC 1.3.5.1 no es una bomba de protones. Adem€s es la „nica enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Este complejo dona electrones a la ubiquinona desde el succinato y los transfiere v•a FAD a la ubiquinona. Complejo III
El "complejo III" o Complejo citocromo bc1; EC 1.10.2.2, obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos mol‚culas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca cuatro protones a trav‚s de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol. Complejo IV
El complejo IV o Citocromo c oxidasa; EC 1.9.3.1 capta cuatro electrones de las cuatro mol‚culas de citocromo c y se transfieren al ox•geno (O2), para producir dos mol‚culas de agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Adem€s "desaparecen" de la matriz 2 protones que forman parte del H2O.
Acoplamiento con la fosforilizaci€n oxidativa La hipƒtesis del acoplamiento quimiosmƒtico, lo que el valiƒ el premio Nobel de qu•mica a Peter D. Mitchell, explica que la cadena de transporte de electrones y la fosforilaciƒn oxidativa est€n acopladas por el gradiente de protones. El flujo de protones crea un gradiente de pH y un gradiente electroqu•mico. Este gradiente de protones es usado por la ATP sintasa para formar ATP v•a la fosforilaciƒn oxidativa. La ATP sintasa act„a como un canal de iones que "devuelve" los protones a la matriz mitocondrial. Durante esta vuelta, la energ•a libre de Gibbs producida durante la generaciƒn de las formas oxidadas de los transportadores de electrones es liberada. Esta energ•a es utilizada por la s•ntesis de ATP, catalizada por el componente F1 del complejo FOF1 ATP sintasa
Cadena de transporte de electrones
4
El acoplamiento con la fosforilaciƒn oxidativa es un paso clave en la producciƒn de ATP. Sin embargo, en ciertas ocasiones desacoplarlo puede tener usos biolƒgicos. En la membrana interna mitocondrial de los tejidos adiposos marrones existe una gran cantidad de termogenina, que es una prote•na desacopladora, que act„a como una v•a alternativa para el regreso de los protones a la matriz. Esto resulta en consumo de la energ•a en termog‚nesis en vez de utilizarse para la producciƒn de ATP. Esto puede ser „til para generar calor cuando sea necesario, por ejemplo en invierno o durante la hibernaciƒn de ciertos animales. Tambi‚n se conocen desacoplantes sint‚ticos como el caso del 2,4-dinitrofenol, que se ha usado como pesticida, debido a su alta toxicidad.
Resumen La cadena de transporte de electrones mitocondrial utiliza electrones desde un donador ya sea NADH o FADH 2 y los pasa a un aceptor de electrones final, como el O 2, mediante una serie de reacciones redox. Estas reacciones est€n acopladas a la creaciƒn de un gradiente de protones generado por los complejos I, III y IV. Dicho gradiente es utilizado para generar ATP mediante la ATP sintasa. Las reacciones catalizadas por los complejos I y III est€n en equilibrio. Las concentraciones de reactivos y productos son aproximadamente los mismos. Esto significa que estas reacciones son reversibles al incrementar la concentraciƒn de producto.
Cadena transportadora de electrones en bacterias En eucariotas, el NADH es el donador de electrones m€s importante. En procariotas, es decir bacterias y arqueas la situaciƒn es algo m€s complicada, debido a que hay un gran n„mero de donante de electrones y un gran n„mero de aceptores. Si generalizamos el transporte en bacterias este podr•a quedar de la siguiente forma: Donador
Donador
‚ Aceptor
Donador
‚ Aceptor
Puede que los electrones pueden entrar a la cadena en tres niveles: un nivel en donde participa una deshidrogenasa, otro en la que act„a un reservorio de quinonas, o en un nivel en el que act„a un transportador mƒvil como es el citocromo. Estos niveles corresponden a sucesivos potenciales redox m€s positivos o sucesivas bajadas de las diferencias en el potencial relativo en los aceptores de electrones. En otras palabras, corresponden a cambios cada vez menores en la energ•a libre de Gibbs. Las bacterias pueden usar m„ltiples cadenas de transporte de electrones, e incluso simult€neamente. Las bacterias pueden usar varios donadores diferentes de electrones. Por ejemplo, Escherichia coli, cuando crece en condiciones aerƒbicas usando glucosa como fuente de energ•a, usa dos NADH deshidrogenasas diferentes y dos quinol oxidasas diferentes, un total de cuatro cadenas de transporte que funcionan simult€neamente. Las bacterias tambi‚n generan un gradiente de protones, para ello utilizan al menos tres bombas de protones, al igual que las mitocondrias, aunque se han descrito casos en los que solo existen dos o incluso una. Evidentemente siempre tiene que existir al menos una bomba de protones para poder generar el gradiente electroqu•mico, que es esencial para la generaciƒn de ATP.
Cadena de transporte de electrones
Donadores de electrones En la biosfera actual, los donadores de electrones m€s comunes son las mol‚culas org€nicas. Los organismos que usan mol‚culas org€nicas como fuente de energ•a son conocidos como organotrofos. Sin embargo, existen procariotas que son capaces de utilizar fuentes inorg€nicas como fuente de energ•a y se les conoce por ello con el nombre de litotrofos. Estos donadores inorg€nicos incluyen al hidrƒgeno, al monƒxido de carbono, el amonio, el nitrito, sulfuro, y el ion ferroso. Los litotrofos se han observado creciendo en formaciones de rocas a centenares de metros bajo la superficie de la Tierra. El uso de donadores de electrones inorg€nicos como fuente de energ•a es de particular inter‚s en el estudio de la evoluciƒn. Este tipo de metabolismo tuvo que ser el predecesor de los actuales modelos de organotrofos.
Deshidrogenasas Las bacterias pueden usar un gran n„mero de donadores de electrones. Cuando utilizan materia org€nica como fuente de energ•a, el donador puede ser el NADH o el succinato, en tal caso los electrones entran a la cadena de transporte mediante la NADH deshidrogenasa, que es similar al complejo I mitocondrial, o bien mediante la succinato deshidrogena, que es similar al complejo II. Otras deshidrogenasas pueden ser utilizadas dependiendo del donador; ejemplos pueden ser la formato deshidrogenasa, la lactato deshidrogenasa, la gliceraldeh•do-3-fosfato deshidrogenasa, H2 deshidrogenasa, tambi‚n conocida por el nombre de hidrogenasa, y etc. Algunas de estas deshidrogenasas tambi‚n act„an como bombas de protones, otras simplemente donan los electrones al reservorio de quinonas. La mayor•a de las deshidrogenasas son sintetizadas solo en caso de necesidad, por lo que dependiendo del ambiente en el que se encuentra podremos detectar una o varias de estas deshidrogenasas. Las bacterias son capaces por tanto de realizar una regulaciƒn transcripcional de las mismas.
Transportadores de quinona Las quinonas son transportadores mƒviles liposolubles. En general desempe†an las mismas funciones que la quinona mitocondrial, aunque las bacterias presenten quinonas espec•ficas como son por ejemplo la ubiquinona o la menaquinona.
Bombas de protones Se considera una bomba de protones cualquier proceso que genere un gradiente de protones a trav‚s de la membrana. Los protones pueden ser movidos f•sicamente a trav‚s de la membrana como es el caso de los complejos I y IV de las mitocondrias. El mismo efecto es observado cuando los electrones se mueven en la direcciƒn opuesta, El resultado es la desapariciƒn de protones de la matriz y la apariciƒn de protones en el espacio intermembrana. Este es el caso del complejo III de las mitocondrias, en el cual se observa el ciclo Q. Algunas deshidrogenasas son bombas de protones, otras no. La mayor•a de oxidadas y reductasas si lo son, aunque existen excepciones. El citocromo bc1 es una bomba de protones encontrada en muchas bacterias, aunque no en todas, por ejemplo Escherichia coli.
5
Cadena de transporte de electrones
Citocromos Los citocromos son prote•nas que contienen porfirinas que tienen ligado un €tomo de hierro. Existen citocromos que son hidrosolubles, otros que son liposolubles. Otra peculiaridad es que existen citocromos mƒviles como por ejemplo el citocromo c. Aunque la gran mayor•a funcionan asociadas a macromol‚culas como pueden ser los complejos III y IV.
Oxidasas y reductasas terminales Cuando una bacteria crece en ambientes aerƒbicos, el aceptor final de los electrones es reducido hasta agua por un enzima que se denomina oxidasa. Cuando una bacteria crece en ambientes de hipoxia, el aceptor de electrones es reducido por una enzima que se denomina reductasa. En las mitocondrias el complejo terminal es la citocromo oxidasa, pero las bacterias aerƒbicas pueden utilizar varias oxidasas. Escherichia coli, no presenta citocromo oxidasa, por lo que en condiciones aerƒbicas utiliza dos quinol oxidasa diferentes para reducir el ox•geno a agua. Ambas quinol oxidasas act„an a su vez como bombas de protones. Las bacterias anaerƒbicas no pueden utilizar el ox•geno como aceptor final de los electrones, por lo que requieren reductasas especializadas para cada una de los aceptores. Escherichia coli puede usar, por ejemplo, una fumarato reductasa, la nitrato reductasa, la nitrito reductasa o la DMSO reductasa dependiendo de si existen esos aceptores en el medio en el que est€s creciendo.
Aceptores de electrones Al igual que existen un gran n„mero de donadores de electrones, tambi‚n existen un gran n„mero de aceptores que pueden ser de ambos tipos, es decir de origen org€nico o inorg€nico. Si el ox•geno est€ disponible, se usar€ como aceptor, ya que genera mayor producciƒn energ‚tica. En los ambientes anaerƒbicos, se puede utilizar NO3-, NO2-, Fe3+, SO42-, CO2 y peque†as mol‚culas org€nicas como por ejemplo el fumarato.
Resumen Las cadenas de transporte de electrones bacterianas, son en general, inducibles. Dependiendo del medio en el que est‚n creciendo las bacterias sintetizar€n distintos complejos transmembranas que producir€n diferentes transportes en sus membranas.
Cadena de transporte de electrones fotosint•tica En la fosforilaciƒn oxidativa, los electrones son transferidos desde un donador de electrones de alta energ•a a un aceptor a trav‚s de una cadena de transporte de electrones. En la fotofosforilaciƒn, la energ•a de la luz solar es usada para crear un donador de electrones altamente energ‚tico y un aceptor de esos electrones. Los electrones son transferidos desde el donador hasta el aceptor por una cadena de transporte totalmente diferente a la observada en las mitocondrias. La cadena de transporte de electrones fotosint‚tica tiene varias similitudes con la cadena oxidativa. Tienen transportadores mƒviles, transportadores liposolubles y mƒviles, transportadores hidrosolubles y bombas de protones, que se encargan de generar el gradiente electroqu•mico.
6
Cadena de transporte de electrones
Bibliograf‚a bƒsica … Fenchel T; King GM, Blackburn TH (Sep de 2006). Bacterial Biogeochemistry: The Ecophysiology of Mineral Cycling (2nd ed. ediciƒn). Elsevier. ISBN 978-0121034559 . … Lengeler JW; Drews G; Schlegel HG (editors) (Jan de 1999). Biology of the Prokaryotes. Blackwell Science. ISBN 978-0632053575 . … Nelson DL; Cox MM (Apr de 2005). Lehninger Principles of Biochemistry (4th ed ediciƒn). W. H. Freeman. ISBN 978-0716743392 . … Nicholls DG; Ferguson SJ (Jul de 2002). Bioenergetics 3. Academic Press. ISBN 978-0125181211 . … Stumm W (1996). Aquatic Chemistry (3rd ed ediciƒn). Wiley. ISBN 978-0471511854 . … Thauer RK; Jungermann K; Decker K (Mar 1977). ‡Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteriaˆ. [2] Bacteriol Rev 41 (1): pp. 100-80. PMID 860983 . … White D. (Sep de 1999). The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes (2nd ed. ediciƒn). Oxford University Press. ISBN 978-0195125795 . … Voet D; Voet JG (Mar de 2004). Biochemistry (3rd ed ediciƒn). Wiley. ISBN 978-0471586517 .
Referencias [1] http:/ / www.genome. jp/ dbget-bin/ www_bget?ec:1.3.5.1 [2] http:/ / www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/ 860983
Enlaces externos … Animaciƒn: fosforilaciƒn oxidativa en eucariotas (http:/ / portales.educared.net/ wikiEducared/ index. php?title=AnimaciŠ‹n:_fosforilacion_oxidativa)
7
Fuentes y contribuyentes del art•culo
Fuentes y contribuyentes del art‚culo Cadena de transporte de electrones Fuente: https://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=66279751 Contribuyentes: Airunp, Albnn, Alfonso M€rquez, Angel GN, Blasete, Boku wa kage,
Cobalttempest, Diegusjaimes, Emiduronte, F.A.A, Floripaint, GermanX, Guillem Marco, Heroedeleyenda7, Jcaraballo, Jjafjjaf, Jkbw, Jorge c2010, Klion, Maldoror, Marcelo, Matdrodes, Millars, Mpeinadopa, Netito777, Ninovolador, Petruss, Polinizador, Quesete, Rafabio, Ruskillo, Shahriyar alavi, VanKleinen, Xvazquez, Yleon, 92 ediciones anƒnimas
Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentes Archivo:Mitochondrial electron transport chain.png Fuente: https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Mitochondrial_electron_transport_chain.png Licencia: Creative Commons Attribution-Sharealike 2.5 Contribuyentes: User:Rozzychan
Licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported //creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
8