Cadena respiratoria 2020

.

2. ! La vida no es un proceso espontáneo: requiere,
como lo demanda la Segunda Ley de la
Termodinámica, de un continuo aporte
energético.
! Para resolver este compromiso, los seres vivos
consumen compuestos con un alto contenido
energético (G elevada) o bien se benefician del
aporte de radiación electromagnética (luz) con
un contenido energético significativo.
! Los humanos consumen alimentos y en ellos se
encuentran los NUTRIENTES, que son precisamente
los compuestos que cuentan con estas
carácterísticas energéticas: los carbohidratos, los
lípidos y las proteínas, principalmente
! También como nutrientes se incluyen las vitaminas
(micronutrentes), iones (minerales) e incluso el
agua. Sin ellos, no se desarrollan las reacciones
que sostienen la vida

3. ! No todos los compuestos existentes en los alimentos pueden
ser asimilados: sólo una parte de ellos se integran al
organismo.
! Esto quiere decir que una parte de lo que entra se excreta
en forma de desechos fisiológicos, los cuales poseen un
menor contenido en G.
! En algunos casos, estos desechos se aprovechan por
ejemplo como abonos al no haber perdido por completo su
capacidad para aportar energía.

4. ! Para que los compuestos de alto contenido en G puedan
ser asimilados por el organismo será fundamental que
puedan ser transformados en moléculas más pequeñas.
! En este proceso, las reacciones de hidrólisis juegan un papel
fundamental: los polisacáridos presentes en los alimentos son
transformados en el estómago en azúcares más simples
como los monosacáridos (glucosa), las proteínas en α-
aminoácidos y los triacilglicéridos en ácidos carboxílicos y
glicerol.
! A este proceso de degradación se le conoce como
DIGESTIÓN.

5. Una vez que estas moléculas
han sido absorbidas y han
pasado a torrente sanguíneo,
están listas para cumplir con
su papel fundamental del
sostenimiento la vida.
Si más adelante durante la
jornada hace falta una
nueva carga de estas
moléculas, se activa la
sensación de hambre
para que las consumamos
nuevamente.

6. ! Las moléculas de los nutrientes serán transformadas
enzimáticamente dentro del organismo en otras que poseerán
menor contenido en G; en última instancia, se transformarán en
H
2
O y CO
2
, y a este conjunto de transformaciones químicas que
sufren estas moléculas dentro del organismo se denomina
METABOLISMO.

7. ! Si en una cierta etapa de la jornada no se demanda
demasiada energía o, en su defecto, consideramos la
posibilidad del crecimiento de tejidos, las moléculas de los
nutrientes pueden reorganizarse formando nuevamente
macromoléculas. A las rutas del metabolismo involucradas en
este proceso, demandante de energía, se les denomina
ANABÓLICAS.

8. ! En contraste, las secuencias de conversiones químicas o rutas
metabólicas en las que las moléculas se degradan en otras
más simples son CATABÓLICAS. A la par, las moléculas de los
nutrientes entregan su energía química sintetizando un
compuesto de alto contenido en G: el adenosintrifosfato o
ATP. A la par de su degradación, las moléculas se oxidan
también, lo que hace indispensable contar con una vía de
escape del organismo para estos electrones que han sido
expulsados de estas moléculas.
½ GLUCOSA
Primeras
etapas de
la glucóliis
Glicerladehido
-3-fosfato
1,3-
difosfoglicerato

9. ! Ejemplo de una ruta catabólica: en el esquema de abajo la
glucosa (C
6
) se degrada en las primeras etapas de la GLUCÓLISIS
a gliceraldehido-3-fosfato (C
3
), el cual es oxidado
transformándose en 1,3-difosfoglicerato. El agente oxidante,
esto es, el receptor de los electrones (dos en esta etapa) es la
coenzima NAD
+
, la cual se transforma en su forma reducida:
NADH. A partir del 1,3-difosfoglicerato, la glucólisis sigue
adelante culminando finalmente con la producción de dos
moléculas de ATP por cada molécula de glucosa metabolizada.
½ GLUCOSA
Primeras
etapas de
la glucóliis
Glicerladehido
-3-fosfato
1,3-
difosfoglicerato

10. ! Una vez que los electrones se han incorporado al NAD
+
, ¿qué
ocurre con ellos? ¿Cómo abandonan al roganismo? ¿Dónde
tienen lugar todos estos eventos?

11. Proteínas


Carbohidratos


Lípidos
Digestión
y
absorción
Acetil
CoA
NADH + H
+

NAD

ADP ATP

H
2
O

O
2

Krebs!

! El escenario donde tienen lugar todos estos procesos y
muchos otros relacionados es la mitocondria, un organelo u
orgánulo de la célula que es capaz de cumplir con todas
estas funciones.

12. Enzimas de la membrana
interna:

• Complejos I-IV
(acarreadores de
electrones)
• ATP sintasa
• Transportadores de
membrana

! En la mitocondria tienen lugar procesos como el de la cadena
respiratoria y la fosforilación oxidativa, que es el que está
involucrado en la expulsión de electrones del organismo.

13. Enzimas de la membrana
externa:

• Acil CoA sintetasa
• Glicerofosfato acil
transferasa

! Es también el medio en el que tienen lugar algunas otras rutas
catabólicas de primera importancia, como la β-oxidación, la
descarboxilación oxidativa...

14. Enzimas de la matriz
mitocondrial:

• Enzimas del ciclo de Krebs
• Piruvato deshidrogenasa
• Enzimas de la β-oxidación

! …el ciclo de Krebs, la fase anaeróbica de la glucolisis, etc.

15. ! La estrategia del organismo para expulsar a
los electrones de desecho consiste en
transferirlos a moléculas que se conocen
como ACARREADORES o TRANSPORTADORES DE
ELECTRONES. El NAD
+
es sólo la primera de ellas,
y su misión es la de descargarlos en otra
molécula, y esta en otra, y así sucesivamente
hasta que los electrones sean entregados en
definitiva a una molécula de O
2
, la cual se
transforma por este hecho en dos de H
2
O.
Esto es precisamente lo que define a los seres
humanos como organismos AEROBIOS.
! A esta secuencia de transferencias de
electrones es a lo que se le conoce como
CADENA RESPIRATORIA.

16. ! Las enzimas involucradas en estas reacciones
redox se encuentran en la MEMBRANA INTERNA DE LA
MITOCONDRIA y las reacciones de transferencia
electrónica proceden del lado de la MATRIZ
MITOCONDRIAL.
! Cada una de las etapas de transferencia
electrónica expulsa hacia el ESPACIO
INTERMEMBRANA (que separa las membranas
interna y externa) protones, por lo que conforme
progresa la transferencia electrónica se va
generando una mayor concentración de H
+
en
dicho espacio generando un un gradiente de
concentraciones que favorece al espacio
intermembrana frente a la matriz.
! Como se transportan cationes H
+
hacia un medio
donde la concentración es mayor, se habla de un
TRANSPORTE ACTIVO de cationes H
+
.

17. ! Mientras esto acontece con los cationes H
+
,
Los electrones se incorporaron a la posición 4
del anillo de piridinio del NAD
+
arribando en
forma de anión hidruro, H:
-
y transformándolo
en NADH.
! El anillo heterocíclico cuenta con
características electrofílicas que favorecen el
ingreso del anión hidruro a la estructura del
NAD
+
: una carga formalpositiva sobre el
átomo de N y la apreciable
electronegatividad de este átomo.
! Ya como NADH, en la primera de las etapas
de la cadena respiratoria este acarreador
cede los electrones al segundo de ellos, la
coenzima Q, en la primera etapa de la
cadena respiratoria.

18. NADH + Q + 5 H
+
matriz
→ NAD + QH
2
+ 4H
+
espacio intermembrana
Q = coenzima Q o ubiquinona

Enzima que cataliza la reacción: NADH-Q oxidorreductasa o complejo I

QH
2
+ 2 Cit c
oxidado
+ 2 H
+
matriz
→ Q + 2 Cit c
reducido
+ 4H
+
espacio intermembrana
4 Cit c
reducido
+ O
2
+ 8 H
+
matriz
→ 4 Cit c
oxidado
+ 2 H
2
O + 4H
+
espacio intermembrana

19. Q

O
O
CH
3O
CH
3O
OH
OH
CH
3O
CH
3O
QH
2
! La coenzima Q o ubiquinona, una benzoquinona (ciclohexa-2,5-
dien-1,4-diona) incorpora al anión hidruro a su estructura
generando un producto de reducción: una hidroquinona (QH
2
,
ubiquinona reducida) pasando 4 H
+
al espacio intermembrana.

20. NHH
RO
O
CH3R'CH3OCH3OH
N
H
RO
O
CH3R'CH3OCH3O
H
H
NADH
Q
NAD+
QH2

! La trasferencia de hidruro desde el NADH a la coenzima Q
puede entenderse como se aprecia en la figura. Completa la
reacción la unión con un protón, el único de esta etapa que no
finaliza en el espacio intermembrana, que contribuye a la
formación de QH
2
. El NAD
+
vuelto así a generar puede queda
listo para recibir más electrones provenientes de una nueva
oxidación de otra molécula de gliceraldehido-3-fosfato.

21. NADH + Q + 5 H
+
matriz
→ NAD + QH
2
+ 4H
+
espacio intermembrana
QH
2
+ 2 Cit c
oxidado
+ 2 H
+
matriz
→ Q + 2 Cit c
reducido
+ 4H
+
espacio intermembrana
4 Cit c
reducido
+ O
2
+ 8 H
+
matriz
→ 4 Cit c
oxidado
+ 2 H
2
O + 4H
+
espacio intermembrana
Cit c = citocromo c

Enzima que cataliza la reacción: Q-citocromo c oxidorreductasa o complejo III

22. O
O
CH3R'CH3OCH3O
H
HQH2
Cit cFe3+
Cit cFe3++O
O
CH3R'CH3OCH3OHQ
HCit cFe2+
Cit cFe2++
citocromo c oxidadocitocromo c reducido
! QH
2
a continuación cede el par de electrones por separado dos
cationes Fe(III) ubicados en el centro de la esfera de
coordinación del tercer acarreador de elctrones: el citocromo c
oxidado. Aquí todos los hidrógeno, incluidos los que libera el QH
2

se incorporan al espacio intermembrana.

23. NADH + Q + 5 H
+
matriz
→ NAD + QH
2
+ 4H
+
espacio intermembrana
QH
2
+ 2 Cit c
oxidado
+ 2 H
+
matriz
→ Q + 2 Cit c
reducido
+ 4H
+
espacio intermembrana
4 Cit c
reducido
+ O
2
+ 8 H
+
matriz
→ 4 Cit c
oxidado
+ 2 H
2
O + 4H
+
espacio intermembrana

Enzima que cataliza la reacción: Citocromo c oxidasa o complejo IV

24. ! Finalmente, las moléculas de citocromo c reducido, ahora con
Fe(II) en el centro de la esfera de coordinación tras haber
aceptado un electrón, transfiere éstos a una molécula de O
2
. El
oxígenon se transforma de esta manera en agua.
! El número de electrones de capa de valencia de una molécula
de O
2
es de 12 (el oxígeno pertenece a la familia VI). Los
electrones de valencia presentes en dos moléculas de agua,
que es en lo que se transforma el O
2
, es de 16 (de dos octetos).
! Todo lo anterior quiere decir que por cada molécula de O
2

pueden recibirse cuatro electrones, los correspondientes a los
que abandonan dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato, o
bien a una de glucosa considerando la glucólisis desde el inicio.

25. succinato + FAD → fumarato + FADH
2

Enzima que cataliza la transformación de succinato a fumarato en el ciclo de
Krebs: succinato deshidrogenasa

Enzima que cataliza la reacción redox que consume FADH
2
en cadena respiratoria:
succinato Q reductasa o complejo II

PROCEDE EN CICLO DE KREBS!
! Esta etapa también pertenece al proceso de cadena
respiratoria, pero el primer acarreador de electrones no es el
NAD
+
sino el FAD (dinucleótido de flavina y adenina), que los
“transporta” en forma de FADH
2
. Los electrones proceden de un
metabolito proveniente del ciclo de Krebs que también se oxida:
el succinato.

26. ! Protones transferidos al
espacio intermembrana
por cada 2 moléculas de
QH
2
formada = 8.
! Protones transferidos al
espacio intermembrana
por cada 4 moléculas de
citocromo c reducido
formadas = 8.
! Protones transferidos al
espacio intermembrana
por cada 2 moléculas
de H
2
O formadas (o por
cada una de O
2

consumida) = 4.

27. ! Como se mencionó, las enzimas de la
cadena respiratoria son
transmembranales, es decir, se encuentran
ubicadas dentro de la membrana interna
de la mitocondria y cuentan con canales
por donde los cationes H
+
pueden
atravesar desde la matriz hacia el espacio
intermembrana.
! El paso de cationes H
+
por sí solo no
representa un problema, pero sí el hecho
de que éste se hace en el sentido inverso
a la espontaneidad, esto es, migran hacia
una zona de mayor concentración.
! Este fenómeno demanda que se le
suministre energía. Por ello, acoplado a la
cadena respiratoria se encuentra el de la
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA, que produce ATP.

28. Membrana
interna

! La producción de
energía para sostener
la expulsión de los
electrones a través de
la cadena respiratoria
tiene lugar en un
complejo enzimático
llamado ATP SINTASA,
también inmerso en la
membrana
mitocondrial interna.

29. Membrana
interna

! La estrategia consiste
en aprovechar el
regreso espontáneo
de los protones hacia
la matriz mitocondrial
mediante TRANSPORTE
PASIVO (la migración es
ahora hacia la región
de menor
concentración)
obligándolos a
transitar por el sistema
de canales de la ATP
sintasa.

30. Membrana
interna

! El “camino” de regreso
se inicia cuando los
protones en el espacio
intermembrana se
introducen en el canal
de la SUBUNIDAD a; allí
son transportados e
ingresan a una de las
SUBUNIDADES C, adonde
se fijan en una
cavidad. Cada
subunidad C es capaz
de alojar un catión H
+
.

31. Membrana
interna

! Las diferentes
subunidades C, que
semejan gajos unidos
unos a otros, en
conjunto constituyen
una estructura a
manera de un cinturón
que se denomina
SUBCOMPLEJO PROTEÍNICO
F
0
el cual es capaz de
ir dando vueltas, como
si se tratase de un
carrusel.

32. Membrana
interna

! Al rotar el subcomplejo
proteínico F
0
, los
protones que llegan
provenientes del
espacio
intermembrana
encuentran siempre
una subunidad C
vacía porque, en una
etapa previa, la
subunidad C desaloja
al protón al que
estaba unido
enviándolo hacia la
matriz mitocondrial a
través de un segundo
canal.

33. Membrana
interna



Membrana
interna

! El sistema se halla así
en constante rotación
para que los protones
vayan ocupando el
sitio que cada una de
estas subunidades les
tienen “reservados”.

34. Membrana
interna

! Al girar F
0
también lo
hace la SUBUNIDAD γ, y
cuando ello ocurre
induce cambios de
conformación en el
SISTEMA DE PROTEÍNAS α Y
β, en el que se interna.
El sistema α y β no
puede liberarse de
esto, ya que mantiene
su posición
relativamente fija
gracias a su unión con
la SUBUNIDAD b
2
, fija a
su vez a la membrana
interna mitocondrial.

35. Membrana
interna

! Al cambiar de
conformación la
subunidad β, inmersa
en la matriz
mitocondrial, podrá
alternativamente
unirse a ADP y a P
i

para formar ATP;
cuando
posteriormente
adopte el arreglo con
el que mantiene poca
afinidad con esta
molécula, estará en
condiciones de liberar
el ATP.

36. Membrana
interna

! En suma: el regreso de
los protones hacia la
matriz mitocondrial a
través de este
complejo enzimático
induce la formación
del ATP, necesario para
que el proceso de la
cadena respiratoria
tenga lugar y para
cualquier otro que
precise de ATP.