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5.5: Desacoplamiento del transporte de electrones de la síntesis de ATP - Biología


Entonces, eso es fosforilación oxidativa. El sistema normalmente está altamente autorregulado debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna a H+. Por tanto, existe una asociación directa entre la frecuencia respiratoria y la necesidad de energía fisiológica.

Curiosamente, existe una excepción a este estrecho acoplamiento de la cadena de transporte de electrones y la formación de ATP. El propósito de la grasa parda (también conocido como tejido adiposo pardo), que se encuentra con mayor frecuencia en mamíferos recién nacidos e hibernantes, es generar calor que no provoque escalofríos (no se base en el movimiento) para mantener al animal caliente. Esto se logra desacoplando la cadena de transporte de electrones de la síntesis de ATP. Este desacoplamiento es un proceso hormonalmente controlado basado en la presencia de un canal de protones mitocondrial llamado termogenina. La hormona norepinefrina aumenta la producción de ácidos grasos libres, que abren el canal de termogenina. Esto permite que los protones fluyan desde el espacio intermembrana hacia la matriz sin tener que pasar por la ATP sintasa. Debido a esto, la cadena de transporte de electrones puede seguir resoplando, los niveles de ATP no se acumulan, no hay reducción en la frecuencia respiratoria y el exceso de energía que no se utiliza en la producción de ATP se libera en forma de calor.

De hecho, el 2,4-dinitrofenol, que se utiliza en una variedad de aplicaciones industriales y de investigación en la actualidad, se utilizó en una época como fármaco dietético (en la década de 1930) porque a través de un mecanismo diferente, también desacoplaba el transporte de electrones de la síntesis de ATP. Su mecanismo de acción deriva de su capacidad para transportar y liberar protones al difundirse libremente a través de la membrana mitocondrial (ya que es una pequeña molécula hidrófoba). A medida que esto continúa, las células catabolizan más y más reservas de carbohidratos y grasas, que es la razón del interés de las personas que hacen dieta. Desafortunadamente para algunas de esas personas que hacen dieta, este medio farmacológico de desacoplar la cadena de transporte de electrones de la síntesis de ATP no tenía otra regulación que la cantidad de DNP consumida. En casos de sobredosis, la frecuencia respiratoria podría aumentar drásticamente mientras se produce poco ATP y mucho calor. De hecho, la enfermedad por sobredosis y la muerte generalmente se deben al aumento de la temperatura corporal en lugar de a una menor disponibilidad de ATP. Desafortunadamente, todavía hay personas que hacen dieta y culturistas que se automedican con DNP a pesar de los peligros.


5.5: Desacoplamiento del transporte de electrones de la síntesis de ATP - Biología

El gradiente electroquímico acopla la velocidad de la cadena de transporte de electrones a la velocidad de síntesis de ATP. Debido a que el flujo de electrones requiere bombeo de protones, el flujo de electrones no puede ocurrir más rápido que los protones que se usan para la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa acoplada) o que regresan a la matriz mediante un mecanismo que cortocircuita el poro de la ATP sintasa (desacoplamiento).

7.7.1. Regulación mediante acoplamiento

A medida que la energía de enlace químico de ATP se utiliza en reacciones que requieren energía, aumentan las concentraciones de ADP y Pi. Cuanto más ADP presente para unirse a la ATP sintasa, mayor será el flujo de protones a través del poro de la ATP sintasa, desde el espacio intermembrana hasta la matriz; por lo tanto, a medida que aumentan los niveles de ADP, aumenta la afluencia de protones y disminuye el gradiente electroquímico (Fig. 7.2 y 7.3). Las bombas de protones de la cadena de transporte de electrones responden con un mayor bombeo de protones y flujo de electrones para mantener el gradiente electroquímico. El resultado es un aumento de O2 consumo. El aumento de la oxidación de NADH en la cadena de transporte de electrones y el aumento de la concentración de ADP estimulan las vías de oxidación del combustible, como el ciclo del TCA, para suministrar más NADH y FADH.2 a la cadena de transporte de electrones. Por ejemplo, durante el ejercicio, usamos más ATP para la contracción muscular, consumimos más oxígeno, oxidamos más combustible (lo que significa quemar más calorías) y generamos más calor a partir de la cadena de transporte de electrones. Si descansamos y la tasa de utilización de ATP disminuye, la afluencia de protones disminuye, el gradiente electroquímico aumenta y la "contrapresión" de protones disminuye la tasa de la cadena de transporte de electrones. NADH y FADH2 no se pueden oxidar tan rápidamente en la cadena de transporte de electrones y, en consecuencia, su acumulación inhibe las enzimas que los generan. La cadena de transporte de electrones tiene una capacidad muy alta y puede responder muy rápidamente a cualquier aumento en la utilización de ATP.

7.7.2. Desacoplamiento de la síntesis de ATP del transporte de electrones

Cuando los protones regresan a la matriz sin pasar por el poro de la ATP sintasa, disipan el gradiente electroquímico a través de la membrana sin generar ATP. Este fenómeno se llama "desacoplamiento" fosforilación oxidativa. Ocurre con compuestos químicos, conocidos como desacopladores , y ocurre fisiológicamente con proteínas desacopladas que forman canales de conductancia de protones a través de la membrana. El desacoplamiento de la fosforilación oxidativa da como resultado un mayor consumo de oxígeno y producción de calor. como el flujo de electrones y el bombeo de protones intentan mantener el gradiente electroquímico.


Las mitocondrias se describen a menudo como la "fuente de energía" de una célula, ya que es aquí donde se libera en gran medida la energía de la oxidación de los alimentos. Los equivalentes reductores generados a partir de la beta-oxidación de ácidos grasos y del ciclo de Krebs entran en la cadena de transporte de electrones (también llamada cadena respiratoria). Durante una serie de reacciones redox, los electrones viajan por la cadena liberando su energía en pasos controlados. Estas reacciones impulsan el transporte activo de protones desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana interna hasta el espacio intermembrana. La cadena respiratoria consta de cinco tipos principales de flavinas portadoras, centros de hierro-azufre, quinonas, citocromos (proteínas hemo) y cobre. Los dos principales equivalentes reductores que entran en la cadena respiratoria son NADH y FADH2. El NADH se une a través de la deshidrogenasa específica de NADH, mientras que el FADH2 se reoxida dentro de la succinato deshidrogenasa y una ubiquinona reductasa de la vía de oxidación de los ácidos grasos. El oxígeno es el aceptor final de electrones y, con los protones, se convierte para formar agua, el producto final de la respiración celular aeróbica. Se establece un gradiente electroquímico de protones (a menudo llamado fuerza protonmotriz) a través de la membrana interna, con carga positiva en el espacio intermembrana en relación con la matriz. Los protones impulsados ​​por la fuerza motriz del protón pueden ingresar a la ATP sintasa y regresar así a la matriz mitocondrial. Las ATP sintasas utilizan este flujo exergónico para formar ATP en la matriz, un proceso llamado acoplamiento quimiosmótico. Un subproducto de este proceso es la generación de calor.

Un antiport, ATP-ADP translocase, exporta preferentemente ATP de la matriz, manteniendo así una alta relación ADP: ATP en la matriz. El estrecho acoplamiento del flujo de electrones a la síntesis de ATP significa que el consumo de oxígeno depende de la disponibilidad de ADP (denominado control respiratorio). El ADP alto (ATP bajo) aumenta el flujo de electrones, lo que aumenta el consumo de oxígeno y el ADP bajo (ATP alto) disminuye el flujo de electrones y, por lo tanto, disminuye el consumo de oxígeno. Existen muchos inhibidores de la síntesis de ATP mitocondrial. La mayoría actúa bloqueando el flujo de electrones (por ejemplo, cianuro, monóxido de carbono, rotenona) o desacoplando el flujo de electrones de la síntesis de ATP (por ejemplo, dinitrofenol). La termogenina es una proteína natural que se encuentra en la grasa parda. Los bebés recién nacidos tienen una gran cantidad de grasa parda y el calor generado por la termogenina es una alternativa a la síntesis de ATP (y por lo tanto el flujo de electrones solo produce calor) y permite el mantenimiento de la temperatura corporal en los recién nacidos.

La cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana mitocondrial interna y comprende unas 80 proteínas organizadas en cuatro complejos enzimáticos (I-IV). El complejo V genera ATP pero no tiene actividad de transferencia de electrones. Además de estos 5 complejos, también hay dos moléculas lanzadera de electrones Coenzima Q (también conocida como ubiquinona, CoQ) y Citocromo c (Cytc). Estas dos moléculas transportan electrones entre los grandes complejos de la cadena.

¿Cuántos ATP genera este proceso? En teoría, por cada molécula de glucosa, se pueden producir 32 ATP. A medida que los electrones caen del NADH al oxígeno en la cadena, la cantidad de protones bombeados y que regresan a través de la ATP sintasa puede producir 2,5 ATP por par de electrones. Por cada par donado por FADH2, solo se pueden formar 1,5 ATP. Se eliminan doce pares de electrones de cada molécula de glucosa.

10 por NAD + = 25 ATP
2 por FADH2 = 3 ATP.

Haciendo un total de 28 ATP. Sin embargo, se forman 2 ATP durante el ciclo de Krebs y se forman 2 ATP durante la glucólisis para cada molécula de glucosa, lo que genera un rendimiento total de ATP de 32 ATP. En realidad, la energía de la cadena respiratoria se utiliza para otros procesos (como el transporte activo de iones y moléculas importantes), por lo que en condiciones de respiración normal, el rendimiento real de ATP probablemente no alcance los 32 ATP.

Los equivalentes reductores que alimentan la cadena de transporte de electrones, a saber, NADH y FADH2, son producidos por el ciclo de Krebs (ciclo TCA) y la beta-oxidación de ácidos grasos. En tres pasos del ciclo de Krebs (conversión de isocitrato en oxoglutarato, conversión de oxoglutarato en succinil-CoA, conversión de malato en oxaloacetato), se eliminan un par de electrones (2e-) y se transfieren a NAD +, formando NADH y H +. En un solo paso, se eliminan un par de electrones del succinato, reduciendo FAD a FADH2. A partir de la beta-oxidación de ácidos grasos, un paso en el proceso forma NADH y H + y otro paso forma FADH2.

El NADH citoplásmico, generado a partir de la glucólisis, debe oxidarse para reformar el NAD +, esencial para la glucólisis, de lo contrario, la glucólisis dejaría de funcionar. No hay ningún portador que transporte NADH directamente a la matriz mitocondrial y la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH, por lo que la célula utiliza dos sistemas de lanzadera para mover equivalentes reductores a la mitocondria y regenerar el NAD + citosólico.
El primero es el transbordador de fosfato de glicerol, que utiliza electrones del NADH citosólico para producir FADH2 dentro de la membrana interna. Estos electrones luego fluyen a la coenzima Q. El complejo I se pasa por alto, por lo que solo se pueden formar 1,5 ATP por NADH a través de esta ruta. La ecuación balanceada general, sumando todas las reacciones en este sistema, es

NADH (citosol) + H + (citosol) + NAD + (mito.) = NAD + (citosol) + NADH (mito.) + H + (mito.)

La lanzadera malato-aspartato utiliza la oxidación del malato para generar NADH en la matriz mitocondrial. Este NADH puede luego alimentarse directamente al complejo I y, por lo tanto, puede formar 3 ATP a través de la cadena respiratoria. La ecuación balanceada general es

NADH (citosol) + H + (citosol) + FAD (memb. Interior) = NAD + (citosol) + FADH2 (memb. Interior)

Ambos sistemas lanzadera regeneran NAD + citosólico.

El punto de entrada para NADH es el complejo I (NADH deshidrogenasa) y el punto de entrada para FADH2 es la coenzima Q. La entrada de electrones de la oxidación de ácidos grasos a través de la ubiquinona es complicada y no se muestra en el diagrama.


Desacoplamiento mitocondrial de los espermatozoides

Las mitocondrias generan ATP al acoplar las actividades de dos grandes complejos de proteínas de transporte en la membrana mitocondrial interna (IMM): la cadena de transporte de electrones (ETC) y la ATP sintasa. El ETC bombea iones de hidrógeno (H +) fuera de la matriz mitocondrial para generar un gradiente electroquímico de H + (ΔΨ) a través del IMM. La ATP sintasa permite que el H + se difunda nuevamente en la matriz mitocondrial y, como una rueda de agua molecular, utiliza la energía liberada por esta difusión para sintetizar ATP.

Originalmente se asumió que los iones H + solo podían regresar a la matriz a través de la ATP sintasa, pero ahora está bien establecido que hay otras proteínas en la IMM que pueden permitir que H + regrese a la matriz mitocondrial, pero no generan ATP. y en su lugar disipa la energía liberada en forma de calor. Este fenómeno, conocido como desacoplamiento mitocondrial, es crucial para la función y la integridad mitocondrial. En los tejidos termogénicos especializados, grasa marrón y beige, el desacoplamiento mitocondrial ayuda a mantener la temperatura corporal central y a controlar el peso corporal, y está mediado por la proteína desacoplante 1 (UCP1).

En la mayoría de los demás tejidos, las mitocondrias rara vez se desacoplan y, cuando se desacoplan, transportan una corriente de H + más pequeña a través de la IMM. Sin embargo, debido a que este desacoplamiento "leve" ocurre en la mayoría de los tejidos, puede tener un impacto significativo en la termogénesis, el peso corporal, el metabolismo saludable y el potencial de reproducción.

Recientemente, se demostró que el desacoplamiento mitocondrial leve está mediado por proteínas transportadoras de nucleótidos de adenosina (ANT). La función principal de estas proteínas es transportar ATP fuera de la matriz mitocondrial, pero cuando se activan mediante desacopladores químicos, también permiten el paso de los iones H +, desacoplando así las mitocondrias, lo que reduce el potencial de IMM y ralentiza la síntesis de ATP. En humanos y ratones, existen varias isoformas de ANT, y la ANT4 humana se expresa exclusivamente en el esperma.

ANT4 ha sido previamente reconocido como un excelente objetivo anticonceptivo, y nuestro objetivo es activar su función de desacoplamiento, drenando así los espermatozoides de energía y haciéndolos incapaces de encontrar y fertilizar un óvulo. Este enfoque puede conducir a la creación de anticonceptivos unisex con menos efectos secundarios que los que se encontraron en intentos previos de apuntar a ANT4.


Abstracto

Se ha desarrollado un procedimiento para evaluar la actividad de desacoplamiento máxima de los desacopladores fenólicos no sustituidos clásicos de la fosforilación oxidativa mitocondrial (OX PHOS) 2,4-dinitrofenol y 2,6-dinitrofenol. Las concentraciones de desacoplador, C, requeridas para la máxima eficacia de desacoplamiento son una función fuerte del pH, y se obtiene una relación lineal de pC con el pH entre pH 5 y pH 9. Las pendientes de las concentraciones de desacoplador en la acuosa y lipídica Se han estimado las fases en función del pH. Se muestra que los resultados experimentales pueden derivarse de los primeros principios mediante un modelo cinético enzimático para el desacoplamiento que se basa en el mismo ecuaciones formuladas para el acoplamiento del transporte de iones a la síntesis de ATP en un documento complementario después de la imposición de las condiciones especiales que surgen del proceso de desacoplamiento. Los resultados revelan la catálisis de una reacción que involucra tanto las formas aniónicas como protonadas de los desacopladores fenólicos en la vecindad de sus sitios de unión en una región no acuosa de las membranas de las crestas de las mitocondrias. El paso que limita la velocidad en el proceso general de desacoplamiento se ha identificado en función de los datos de desacoplamiento. Los datos no pueden explicarse por una simple conducción de protones por desacopladores de una fase acuosa en masa a otra como postula la teoría quimiosmótica de Mitchell & # x27. Se muestra que la teoría de dos iones de Nath & # x27 del acoplamiento / desacoplamiento de energía en la ATP sintasa es consistente con los resultados. Se presenta un mecanismo molecular para el desacoplamiento de la síntesis de ATP por los dinitrofenoles y se resumen las principales diferencias entre el acoplamiento y desacoplamiento en la catálisis de ATP. Se discuten las consecuencias farmacológicas de nuestro análisis del desacoplamiento, con especial referencia al modo de acción del fármaco antituberculoso bedaquilina que se dirige específicamente a la subunidad c de la F1FO-ATP sintasa y desacopla la respiración de la síntesis de ATP en Tuberculosis micobacteriana. Por lo tanto, se demuestra que el trabajo es importante tanto desde el punto de vista de la biología fundamental como también está preñado de posibilidades para aplicaciones farmacéuticas prácticas.


La energética del transporte de electrones

Al discutir las fuerzas impulsoras del transporte de electrones arriba, nos hemos referido tanto a la energía libre como al potencial redox. Antes de considerar la energética de la cadena respiratoria con más detalle, repasaremos brevemente cómo se relacionan exactamente estos dos términos físicos entre sí.

Las reacciones redox pueden compartimentarse para producir un voltaje medible

Esta diapositiva ilustra la configuración experimental para medir el potencial redox de un portador de electrones. Panel izquierdo: la coenzima Q extrae electrones del electrodo de hidrógeno estándar, que por definición le da un potencial redox positivo (Δ E). Derecha: NADH empuja los electrones hacia el electrodo estándar, lo que hace que su Δ E sea negativo.

En la configuración experimental, la molécula de interés y un soluto de referencia están contenidos en dos cámaras adyacentes llenas de tampón. Los electrodos de platino se sumergen en ambas soluciones y se conectan a través de un voltímetro (V). A medida que se extraen electrones del soluto en una cámara y se envían a la otra, el voltímetro indica la dirección y la magnitud de la diferencia de potencial. Los protones y otros iones pueden fluir a través de un puente de sal entre las cámaras para preservar la electroneutralidad. Para permitir el flujo de iones pero evitar que el contenido de la cámara se mezcle por convección, este orificio se cubre con una membrana porosa o se tapa con agar.

El soluto de referencia comúnmente utilizado en química es H2 , equilibrado con gas hidrógeno a 1 atm por encima de la solución. La forma oxidada correspondiente, H +, se ajusta a 1 mol / lo pH 0. El electrodo de platino sumergido no solo conduce electrones sino que también sirve como catalizador para la interconversión entre H2 y H +.

El potencial de un portador redox medido contra este electrodo se define como su potencial redox estándar o Δ E 0. Para fines bioquímicos, la solución de electrodo estándar está tamponada a pH 7 en lugar de pH 0, y los potenciales redox medidos contra este electrodo se denominan Δ E 0 ′. Un pH de 7 es un punto de referencia tan arbitrario como el pH 0, pero nos quedaremos con él porque los libros de texto también lo hacen.

El potencial redox (Δ E) es proporcional a la energía libre (Δ G)

Δ G ( frac < texto> < texto>)
Δ E ( frac < texto> < texto>)
Δ G = ( frac < texto> < texto> veces frac < text> < texto>)
ΔG = ( Delta E times frac < text> < texto>)
por lo tanto
Δ G = (- Delta E times n times text) (6.1)

De la diapositiva anterior, está claro que los electrones fluirán espontáneamente de un cofactor redox a otro si el Δ E correspondiente es positivo. También sabemos que las reacciones proceden espontáneamente si su Δ G es negativo. Los dos parámetros están directamente relacionados entre sí de acuerdo con la ecuación 6.1. Por lo tanto, cualquiera de los dos es suficiente para describir la energía de la reacción, la razón por la cual los potenciales redox se usan más comúnmente en este contexto es que pueden medirse más directamente que Δ G.

En la ecuación, Δ E es la diferencia en los potenciales redox entre dos cofactores. El parámetro n es el número de electrones transferidos en la reacción, por ejemplo, NADH alimenta dos electrones a la vez en la cadena, lo que significa que n es igual a dos para esta reacción. Por el contrario, el hemo generalmente acepta y dona electrones individuales, lo que significa que n = 1. La F en la ecuación es la constante de Faraday, que nos dice cuántas unidades de carga transporta un mol de electrones (96,500 culombios / mol). 36 Uno puede pensar en el potencial redox de un cofactor como su afinidad por los electrones: cuanto más alto es, con más fuerza atraerá electrones el cofactor. 37

Potenciales redox y energías libres en la cadena respiratoria

Esta diapositiva muestra los potenciales redox y los correspondientes niveles de energía libre de algunos portadores de electrones seleccionados en la cadena respiratoria.El potencial más bajo se encuentra con NAD +, de acuerdo con su posición al inicio de la cadena de transporte. El siguiente portador de la secuencia, FMN, es parte del complejo I. Tiene un potencial ligeramente más alto que el NADH y, por lo tanto, es capaz de aceptar sus electrones. El potencial redox aumenta continuamente a lo largo de la cadena respiratoria hasta alcanzar su valor más alto en el oxígeno, que por lo tanto tiene la mayor afinidad por los electrones y consigue retenerlos. El oxígeno reducido, que se recombina con los protones para producir agua, es el producto final de la respiración.

El grupo de hierro-azufre N2, que ocupa la posición más baja dentro del complejo I, como se muestra en la diapositiva 6.4, tiene un potencial significativamente mayor que el FMN. Este paso en el potencial corresponde a una cantidad significativa de energía libre que se libera en algún punto dentro del complejo I a medida que los electrones viajan a través de él desde FMN hacia N2. El complejo I utiliza esta energía para expulsar protones de la mitocondria, contra su gradiente de concentración. Los principales pasos en el potencial que impulsan la expulsión de protones también ocurren dentro del complejo III y el complejo IV.

Solo se producen pequeños pasos de potencial en la entrega de electrones del complejo I al complejo III a través de la coenzima Q, y entre los complejos III y IV a través del citocromo C. Del mismo modo, con el complejo II, los potenciales de ambos puntos de entrada y salida deben caer en el estrecho intervalo entre FADH2 y coenzima Q, lo que significa que se libera muy poca energía cuando los electrones atraviesan este complejo. Estos pasos menores en el potencial redox son suficientes para impulsar los electrones, pero son demasiado pequeños para contribuir al bombeo de protones.


Evidencia experimental y computacional para el autoensamblaje de UCP2 mitocondrial en bicapas lipídicas

Las proteínas desacopladoras (UCP) son miembros de la familia de portadores mitocondriales (MCF) que transportan protones a través de la membrana mitocondrial interna, desacoplando así el transporte de electrones de la síntesis de ATP. La estequiometría de las UCP y la posibilidad de coexistencia de esta proteína como formas monoméricas y asociadas en las membranas lipídicas siguen siendo una intrigante pregunta abierta. En el presente estudio, la estructura terciaria de UCP2 se analizó tanto experimentalmente como mediante simulaciones de dinámica molecular (MD). Después de la expresión recombinante de UCP2 en la membrana interna de E. coli, la proteína se extrajo directamente de las membranas bacterianas con un detergente no desnaturalizante y se purificó como monómero puro y como mezcla de monómeros, dímeros y tetrámeros. Ambas preparaciones de proteínas se reconstituyeron en vesículas lipídicas de yema de huevo. Se utilizaron métodos de electroforesis en gel, espectroscopia de dicroísmo circular y fluorescencia para caracterizar la estructura y la función de transporte de protones de la proteína. UCP2 mostró formas tetraméricas estables únicas en bicapas lipídicas. Las simulaciones de MD que utilizan lípidos de membrana y análisis de componentes principales respaldan los resultados experimentales y proporcionaron nuevos conocimientos moleculares sobre la naturaleza de las interacciones no covalentes en UCP2 oligomérico. Las simulaciones de MD indican que los tetrámeros de UCP2 son dímeros asimétricos de dímeros, en los que las interacciones entre los monómeros que forman el dímero son más fuertes que las interacciones entre los dímeros dentro del tetrámero. También se muestra que UCP2 tiene una tendencia específica a formar tetrámeros funcionales en bicapas lipídicas, capaces de transportar protones. La naturaleza asimétrica del tetrámero de UCP2 podría actuar como un andamio para regular la actividad de las unidades monoméricas a través de la intercomunicación cooperativa entre estas subunidades. En condiciones experimentales similares, la proteína transportadora ADP / ATP estructuralmente comparable no formó tetrámeros en las vesículas, lo que implica que la tetramerización espontánea no puede generalizarse a todos los miembros de MCF.

DECLARACIÓN DE SIGNIFICADO El autoensamblaje de proteínas de membrana juega un papel importante en su función biológica. En este artículo, se proporcionan pruebas tanto experimentales como computacionales de la tetramerización espontánea de una de las proteínas desacopladoras mitocondriales (UCP2) en membranas lipídicas modelo. También se muestra que la forma tetramérica de UCP2 es capaz de transportar protones, lo que conduce a la regulación de la síntesis de ATP en la mitocondria. Las simulaciones de dinámica molecular confirman la presencia de tetrámeros asimétricos de UCP2 como un andamio potencial para regular la actividad de las unidades monoméricas a través de la intercomunicación mutua. El resultado de este estudio proporciona una base sólida para la posible coexistencia de formas funcionales monoméricas y multiméricas de UCP que contribuye a una comprensión molecular más profunda de su estructura y función.


Grupo Líderes en Inteligencia Comercial Farmacéutica (LPBI)

Los colores de la respiración y el transporte de electrones

Reportero y curador: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Biología molecular de la célula. 4ta edición

Habiendo considerado en términos generales cómo una mitocondria usa electrones
transporte para crear un gradiente de protones electroquímico, necesitamos
examinar los mecanismos que subyacen a este proceso de conversión de energía basado en membranas. Al hacerlo, también logramos un propósito más amplio.
Como se enfatizó al comienzo de este capítulo, químicos muy similares
Los mecanismos osmóticos son utilizados por mitocondrias, cloroplastos, arquea,
y bacterias. De hecho, estos mecanismos subyacen a la función de casi
todos los organismos vivos, incluidos los anaerobios que obtienen toda su energía
de transferencias de electrones entre dos moléculas inorgánicas. Por lo tanto es
bastante humillante para los científicos recordarse a sí mismos que la existencia
de la quimiosmosis se ha reconocido desde hace sólo unos 40 años.

Descripción general de la cadena de transporte de electrones

Comenzamos con un vistazo a algunos de los principios que subyacen al proceso de transporte de electrones, con el objetivo de explicar cómo puede bombear protones.
a través de una membrana.

Aunque los protones se parecen a otros iones positivos como Na + y K +
en su movimiento a través de las membranas, en algunos aspectos son únicos.
Los átomos de hidrógeno son, con mucho, el tipo de átomo más abundante en la vida.
organismos son abundantes no sólo en todos los que contienen carbono
moléculas biológicas, sino también en las moléculas de agua que rodean
ellos. Los protones en el agua son muy móviles, parpadeando a través del
red de moléculas de agua unidas por hidrógeno rápidamente
disociarse de una molécula de agua para asociarse con su vecina,
como se ilustra en la Figura 14-20A. Se cree que los protones se mueven a través de un
bomba de proteína incrustada en una bicapa lipídica de una manera similar:
transferencia de una cadena lateral de aminoácidos a otra, siguiendo una
canal especial a través de la proteína.

Los protones también son especiales con respecto al transporte de electrones. Cuando sea
una molécula se reduce al adquirir un electrón, el electrón (e -) trae
con ella una carga negativa. En muchos casos, este cargo es rápidamente
neutralizado por la adición de un protón (H +) del agua, de modo que
el efecto neto de la reducción es transferir un átomo de hidrógeno completo,
H + + e & # 8211 (Figura 14-20B). De manera similar, cuando una molécula se oxida,
un átomo de hidrógeno extraído de él se puede disociar fácilmente en
su electrón y protón constituyentes, lo que permite que el electrón
transferirse por separado a una molécula que acepta electrones,
mientras que el protón pasa al agua. Por lo tanto, en una membrana
en el que los electrones pasan a lo largo de un transporte de electrones
cadena, bombeando protones de un lado de la membrana a
otro puede ser relativamente simple. El portador de electrones simplemente
debe colocarse en la membrana de una manera que haga que
recoger un protón de un lado de la membrana cuando acepta
un electrón, y para liberar el protón en el otro lado de la
membrana a medida que el electrón pasa a la siguiente molécula portadora
en la cadena (Figura 14-21).

protones bombeados a través de membranas ch14f21

Cómo se pueden bombear los protones a través de las membranas. Como un electron
pasa a lo largo de una cadena de transporte de electrones incrustada en una bicapa lipídica
membrana, puede unirse y liberar un protón en cada paso.
En este diagrama, el portador de electrones B recoge un protón (H +)
de uno (más & # 8230)

El potencial redox es una medida de afinidades electrónicas

En las reacciones bioquímicas, los electrones extraídos de uno
molécula siempre se pasan a otra, de modo que siempre que una
molécula se oxida, otra se reduce. Como cualquier otro químico r
reacción, la tendencia de tales reacciones de oxidación-reducción, o
reacciones redox, proceder espontáneamente depende de la libertad
cambio de energía (ΔG) para la transferencia de electrones, que a su vez
depende de las afinidades relativas de las dos moléculas por los electrones.

Porque las transferencias de electrones proporcionan la mayor parte de la energía para vivir.
cosas, vale la pena dedicar tiempo a comprenderlas. Muchos
los lectores ya están familiarizados con los ácidos y las bases, que donan
y aceptar protones (ver Panel 2-2, págs. 112-113). Ácidos y bases
existen en pares conjugados ácido-base, en los que el ácido es fácilmente
convertido en la base por la pérdida de un protón. Por ejemplo,
El ácido acético (CH3COOH) se convierte en su base conjugada.
(CH3COO-) en la reacción:

Exactamente de la misma manera, pares de compuestos como NADH y
NAD + se denominan pares redox, ya que NADH se convierte en NAD +
por la pérdida de electrones en la reacción:

NADH es un fuerte donante de electrones: porque sus electrones se mantienen
en un enlace de alta energía, el cambio de energía libre para pasar su
electrones para muchas otras moléculas es favorable (véase la figura 14-9).
Es difícil formar un vínculo de alta energía. Por lo tanto su redox
socio, NAD +, es necesariamente un aceptor de electrones débil.

La tendencia a transferir electrones de cualquier par redox puede ser
medido experimentalmente. Todo lo que se requiere es la formación
de un circuito eléctrico que une una mezcla 1: 1 (equimolar) de la
par redox a un segundo par redox que se ha seleccionado arbitrariamente
como estándar de referencia, por lo que se puede medir la diferencia de voltaje
entre ellos (Panel 14-1, p. 784). Esta diferencia de voltaje es
definido como el potencial redox tal como se define, los electrones se mueven
espontáneamente de un par redox como NADH / NAD + con un bajo
potencial redox (una baja afinidad por los electrones) a un par redox como
O2 / H2O con un alto potencial redox (una alta afinidad por los electrones).
Por lo tanto, NADH es una buena molécula para donar electrones a la
cadena respiratoria, mientras que el O2 es adecuado para actuar como el "sumidero" para
electrones al final de la vía. Como se explica en el Panel 14-1,
la diferencia en el potencial redox, ΔE0 ′, es una medida directa de
el cambio de energía libre estándar (ΔG °) para la transferencia de un
electrón de una molécula a otra.

Las transferencias de electrones liberan grandes cantidades de energía

Como se acaba de comentar, los pares de compuestos que tienen los valores más negativos
Los potenciales redox tienen la afinidad más débil por los electrones y, por lo tanto,
contienen portadores con la tendencia más fuerte a donar electrones.
Por el contrario, los pares que tienen los potenciales redox más positivos
tienen la mayor afinidad por los electrones y, por lo tanto, contienen portadores
con la tendencia más fuerte a aceptar electrones. Una mezcla 1: 1 de NADH
y NAD + tiene un potencial redox de -320 mV, lo que indica que NADH tiene
una fuerte tendencia a donar electrones una mezcla 1: 1 de H2O y ½O2
tiene un potencial redox de +820 mV, lo que indica que el O2 tiene un fuerte
tendencia a aceptar electrones. La diferencia en el potencial redox es
1,14 voltios (1140 mV), lo que significa que la transferencia de cada electrón
de NADH a O2 en estas condiciones estándar es enormemente
favorable, donde ΔG ° = -26,2 kcal / mol (-52,4 kcal / mol para los dos
electrones transferidos por molécula de NADH (véase el panel 14-1). Si nosotros
comparar este cambio de energía libre con el de la formación del
enlaces de fosfoanhídrido en ATP (ΔG ° = -7.3 kcal / mol, ver Figura 2-75), vemos que la oxidación libera energía más que suficiente
de una molécula de NADH para sintetizar varias moléculas de ATP a partir de
ADP y Pi.

Dependencia del fosfato de la oxidación del piruvato

Ciertamente, los sistemas vivos podrían haber desarrollado enzimas que
Permita que NADH done electrones directamente al O2 para producir agua en la reacción:

Pero debido a la enorme caída de energía libre, esta reacción continuaría
con una fuerza casi explosiva y casi toda la energía se liberaría
como calor. Las células realizan esta reacción, pero hacen que proceda mucho
más gradualmente pasando los electrones de alta energía de NADH a
O2 a través de los muchos portadores de electrones en la cadena de transporte de electrones.
Dado que cada portador sucesivo en la cadena contiene sus electrones más
firmemente, la reacción altamente energéticamente favorable 2H + + 2e & # 8211 + ½O2
→ El H2O se produce en muchos pasos pequeños. Esto permite casi la mitad
de la energía liberada para ser almacenada, en lugar de perderse en el
medio ambiente como calor.

Se han utilizado métodos espectroscópicos para identificar muchos electrones
Portadores en la cadena respiratoria

Muchos de los portadores de electrones en la cadena respiratoria absorben visible
se encienden y cambian de color cuando se oxidan o reducen. En general,
cada uno tiene un espectro de absorción y reactividad que son lo suficientemente distintos
para permitir rastrear espectroscópicamente su comportamiento, incluso en mezclas crudas.
Por lo tanto, fue posible purificar estos componentes mucho antes de su
se conocían las funciones exactas. Así, se descubrieron los citocromos
en 1925 como compuestos que experimentan una rápida oxidación y reducción de
organismos vivos tan dispares como bacterias, levaduras e insectos. Observando
células y tejidos con un espectroscopio, tres tipos de citocromos fueron
identificados por sus espectros de absorción distintivos y designados
citocromos a, by c. Esta nomenclatura ha sobrevivido, aunque
Ahora se sabe que las células contienen varios citocromos de cada tipo y
la clasificación en tipos no es funcionalmente importante.

Los citocromos constituyen una familia de proteínas coloreadas que son
relacionado por la presencia de un grupo hemo unido, cuyo átomo de hierro
cambios del estado de oxidación férrica (Fe3 +) a la oxidación ferrosa
estado (Fe2 +) siempre que acepte un electrón. El grupo hemo consiste
de un anillo de porfirina con un átomo de hierro fuertemente unido sostenido por cuatro nitrógeno
átomos en las esquinas de un cuadrado (Figura 14-22). Un anillo de porfirina similar
es responsable del color rojo de la sangre y del color verde de
hojas, estando unido al hierro en la hemoglobina y al magnesio en
clorofila, respectivamente.

La estructura del grupo hemo unido covalentemente al citocromo c ch14f22

Figura 14-22. La estructura del grupo hemo unido covalentemente
al citocromo c.

La estructura del grupo hemo unido covalentemente al citocromo c.
El anillo de porfirina se muestra en azul. Hay cinco diferentes
citocromos en la cadena respiratoria. Porque los hemes en diferentes
los citocromos tienen estructuras ligeramente diferentes y (más & # 8230)

Las proteínas de hierro y azufre son una segunda familia importante de portadores de electrones. En estos
proteínas, dos o cuatro átomos de hierro están unidos a un número igual de
átomos de azufre y cadenas laterales de cisteína, formando un centro de hierro-azufre
en la proteína (Figura 14-23). Hay más centros de hierro-azufre que
citocromos en la cadena respiratoria. Pero su detección espectroscópica
requiere espectroscopia de resonancia de espín de electrones (ESR), y son menos
completamente caracterizado. Como los citocromos, estos centros llevan una
electrón a la vez.

estructura de los centros de azufre de hierro

Figura 14-23. Las estructuras de dos tipos de centros de hierro-azufre.

Las estructuras de dos tipos de centros de hierro-azufre. (A) Un centro del
Tipo 2Fe2S. (B) Un centro del tipo 4Fe4S. Aunque contienen
múltiples átomos de hierro, cada centro de hierro-azufre puede llevar sólo uno
electrón a la vez. Hay más de siete diferentes (más & # 8230)

El más simple de los portadores de electrones en la cadena respiratoria, y
el único que no forma parte de una proteína, es un pequeño hidrofóbico
Molécula que se mueve libremente en la bicapa lipídica conocida como ubiquinona,
o coenzima Q.Una quinona (Q) puede recoger o donar una o
dos electrones al reducirse, recoge un protón del medio
junto con cada electrón que transporta (figura 14-24).

portadores de electrones quinonas ch14f24

Figura 14-24. Portadores de electrones de quinona.

Portadores de electrones de quinona. Ubiquinona en las selecciones de la cadena respiratoria
un H + del ambiente acuoso por cada electrón que acepta,
y puede transportar uno o dos electrones como parte de un átomo de hidrógeno
(amarillo). Cuando se reduce la ubiquinona dona (más & # 8230)

Además de seis hemes diferentes vinculados a citocromos, más de
siete centros de hierro-azufre, y ubiquinona, también hay dos de cobre
átomos y una flavina que sirven como portadores de electrones estrechamente unidos a las proteínas de la cadena respiratoria en la vía del NADH al oxígeno. Este camino
involucra más de 60 proteínas diferentes en total.

Como era de esperar, los portadores de electrones tienen cada vez más
afinidades por los electrones (mayores potenciales redox) a medida que uno se mueve a lo largo
la cadena respiratoria. Los potenciales redox se han ajustado
durante la evolución por la unión de cada portador de electrones en un particular
contexto proteico, que puede alterar su afinidad normal por los electrones. Sin embargo,
debido a que los centros de hierro-azufre tienen una afinidad relativamente baja por los electrones,
predominan en la parte temprana de la cadena respiratoria en contraste,
los citocromos predominan más abajo en la cadena, donde un mayor
Se requiere afinidad por los electrones.

El orden de los portadores de electrones individuales en la cadena fue
determinado por sofisticadas mediciones espectroscópicas (Figura 14-25),
y muchas de las proteínas fueron inicialmente aisladas y caracterizadas como
polipéptidos individuales. Un gran avance en la comprensión de la
cadena respiratoria, sin embargo, fue la comprensión posterior de que la mayoría de
las proteínas están organizadas en tres grandes complejos enzimáticos.

camino de los electrones ch14f25

Figura 14-25. Los métodos generales utilizados para determinar la ruta de
electrones a lo largo de una cadena de transporte de electrones.

Los métodos generales utilizados para determinar la trayectoria de los electrones a lo largo
una cadena de transporte de electrones. El grado de oxidación del electrón.
Los portadores a, b, cyd se monitorean continuamente siguiendo sus
espectros distintos, que se diferencian en su oxidación y (más & # 8230)

La cadena respiratoria incluye tres grandes complejos enzimáticos
Incrustado en la membrana interna

Las proteínas de membrana son difíciles de purificar como complejos intactos.
porque son insolubles en soluciones acuosas, y algunos de
los detergentes necesarios para solubilizarlos pueden destruir los
interacciones proteína-proteína. Sin embargo, a principios de la dcada de 1960
Se descubrió que los detergentes iónicos relativamente suaves, como el desoxicolato,
puede solubilizar componentes seleccionados del interior mitocondrial
membrana en su forma nativa. Esto permitió la identificación
y purificación de las tres principales vías respiratorias unidas a membranas
complejos enzimáticos en la vía del NADH al oxígeno (figura 14-26).
Como veremos en esta sección, cada uno de estos complejos actúa como un
bomba de H + impulsada por transporte de electrones, sin embargo,
inicialmente caracterizado en términos de los portadores de electrones que
interactúan y contienen:

fosforilación oxidativa mitocondrial

Figura 14-26. El camino de los electrones a través de las tres vías respiratorias.
complejos enzimáticos.

El camino de los electrones a través de los tres complejos de enzimas respiratorias.
Se muestran el tamaño y la forma relativos de cada complejo. Durante el
transferencia de electrones del NADH al oxígeno (líneas rojas), ubiquinona
y el citocromo c sirven como operadores móviles que transportan (más & # 8230)

El complejo NADH deshidrogenasa (generalmente conocido como complejo I)
es el mayor de los complejos de enzimas respiratorias, que contiene más
de 40 cadenas polipeptídicas. Acepta electrones de NADH y
los pasa a través de una flavina y al menos siete centros de hierro-azufre
a la ubiquinona. La ubiquinona luego transfiere sus electrones a un segundo
complejo de enzimas respiratorias, el complejo citocromo b-c1.

El complejo citocromo b-c1 contiene al menos 11 diferentes
cadenas polipeptídicas y funciona como dímero. Cada monómero
contiene tres hemes unidos a citocromos y un hierro-azufre
proteína. El complejo acepta electrones de ubiquinona.
y los pasa al citocromo c, que lleva su electrón
al complejo de citocromo oxidasa.

El complejo de citocromo oxidasa también funciona como un dímero cada uno
monómero contiene 13 cadenas polipeptídicas diferentes, incluidas dos
citocromos y dos átomos de cobre. El complejo acepta un electrón
a la vez del citocromo cy los pasa cuatro a la vez al oxígeno.

Los citocromos, los centros de hierro-azufre y los átomos de cobre pueden transportar
solo un electrón a la vez. Sin embargo, cada NADH dona dos electrones,
y cada molécula de O2 debe recibir cuatro electrones para producir agua.
Hay varios puntos de recolección y dispersión de electrones.
a lo largo de la cadena de transporte de electrones donde estos cambios en el electrón
se acomodan número. El más obvio de ellos es el citocromo.
oxidasa.

Un centro de hierro y cobre en la citocromo oxidasa cataliza eficientemente
Reducción de O2

Debido a que el oxígeno tiene una alta afinidad por los electrones, libera una
gran cantidad de energía libre cuando se reduce para formar agua.
Así, la evolución de la respiración celular, en la que el O2 es
convertido en agua, permitió a los organismos aprovechar mucho más
energía que se puede derivar del metabolismo anaeróbico. Esta
presumiblemente es la razón por la que todos los organismos superiores respiran. La habilidad de
sistemas biológicos para utilizar O2 de esta manera, sin embargo, requiere un
química muy sofisticada. Podemos tolerar el O2 en el aire
respirar porque tiene problemas para recoger su primer electrón
hecho permite que su reacción inicial en las células sea controlada de cerca por
catálisis enzimática. Pero una vez que una molécula de O2 ha recogido una
electrón para formar un radical superóxido (O2 -), se vuelve peligrosamente
reactivo y rápidamente toma tres electrones adicionales dondequiera que
puede encontrarlos. La celda puede usar O2 para la respiración solo porque
La citocromo oxidasa retiene el oxígeno en un bimetálico especial.
centro, donde permanece sujeto entre un hierro ligado al hemo
átomo y un átomo de cobre hasta que haya recogido un total de cuatro electrones.
Solo entonces pueden los dos átomos de oxígeno de la molécula de oxígeno
liberados de forma segura como dos moléculas de agua (figura 14-27).

Figura 14-27. La reacción de O2 con electrones en la citocromo oxidasa.

La reacción de O2 con electrones en la citocromo oxidasa. Como se indica,
el átomo de hierro en el hemo a sirve como un punto de cola de electrones este
El hemo alimenta cuatro electrones en una molécula de O2 mantenida en el bimetálico
centro del sitio activo, que está formado por el otro (más & # 8230)

Se estima que la reacción de la citocromo oxidasa representa el 90%
de la absorción total de oxígeno en la mayoría de las células. Este complejo proteico es
por lo tanto, crucial para toda la vida aeróbica. El cianuro y la azida son extremadamente
tóxicos porque se unen estrechamente a la citocromo oxidasa de la célula
complejos para detener el transporte de electrones, reduciendo así en gran medida
Producción de ATP.

Aunque la citocromo oxidasa en mamíferos contiene 13
diferentes subunidades de proteínas, la mayoría de estas parecen tener una subsidiaria
papel, contribuyendo a regular la actividad o el montaje de la
tres subunidades que forman el núcleo de la enzima. El completo
La estructura de este gran complejo enzimático se ha determinado recientemente.
por cristalografía de rayos X, como se ilustra en la figura 14-28. El atómico
estructuras de resolución, combinadas con estudios mecanicistas del efecto
de mutaciones adaptadas con precisión introducidas en la enzima por la genética
la ingeniería de la levadura y las proteínas bacterianas, están revelando la
mecanismos detallados de esta máquina de proteínas finamente ajustada.

Figura 14-28. La estructura molecular de la citocromo oxidasa.

La estructura molecular de la citocromo oxidasa. Esta proteina
es un dímero formado a partir de un monómero con 13 proteínas diferentes
subunidades (masa de monómero de 204.000 daltons). Los tres colores
las subunidades están codificadas por el genoma mitocondrial, y
formar lo funcional (más & # 8230)

Las transferencias de electrones están mediadas por colisiones aleatorias en
la membrana mitocondrial interna

Los dos componentes que transportan electrones entre los tres
principales complejos enzimáticos de la cadena respiratoria: ubiquinona
y citocromo c: se difunden rápidamente en el plano del interior
membrana mitocondrial. La tasa esperada de colisiones aleatorias.
entre estos operadores de telefonía móvil y la difusión más lenta
Los complejos enzimáticos pueden explicar las tasas observadas de electrones.
transferencia (cada complejo dona y recibe un electrón sobre
una vez cada 5-20 milisegundos). Por tanto, no es necesario postular
una cadena estructuralmente ordenada de proteínas de transferencia de electrones en el
bicapa lipídica de hecho, los tres complejos enzimáticos parecen existir como
entidades independientes en el plano de la membrana interna, siendo
presente en diferentes proporciones en diferentes mitocondrias.

La transferencia ordenada de electrones a lo largo de la cadena respiratoria.
se debe enteramente a la especificidad de las interacciones funcionales
entre los componentes de la cadena: cada portador de electrones es
capaz de interactuar solo con el transportista adyacente a él en la secuencia
como se muestra en la Figura 14-26, sin cortocircuitos.

Los electrones se mueven entre las moléculas que los transportan
sistemas biológicos no solo moviéndose a lo largo de enlaces covalentes
dentro de una molécula, sino también saltando a través de un espacio tan grande
como 2 nm. Los saltos ocurren por "tunelización" de electrones, un
propiedad mecánica que es crítica para los procesos que estamos
que se discute. Se necesita aislamiento para evitar cortocircuitos que
de lo contrario ocurriría cuando un portador de electrones con un bajo redox
potencial choca con un portador con un alto potencial redox. Esta
el aislamiento parece ser proporcionado llevando un electrón profundo
suficiente dentro de una proteína para evitar sus interacciones de tunelización
con una pareja inapropiada.

Cómo los cambios en el potencial redox de un portador de electrones
al siguiente se aprovechan para bombear protones fuera de la mitocondria
La matriz es el tema que discutimos a continuación.

Una gran caída en el potencial redox en cada uno de los tres dispositivos respiratorios
Los complejos enzimáticos proporcionan la energía para el bombeo de H +

Anteriormente hemos discutido cómo el potencial redox refleja
afinidades electrónicas (véase pág. 783). Un esbozo de los potenciales redox
medido a lo largo de la cadena respiratoria se muestra en la figura 14-29.
Estos potenciales caen en tres grandes pasos, uno en cada uno de los principales
complejo respiratorio. El cambio en el potencial redox entre cualquier
dos portadores de electrones es directamente proporcional a la energía libre
liberado cuando un electrón se transfiere entre ellos. Cada enzima
El complejo actúa como un dispositivo de conversión de energía al aprovechar algunos
de este cambio de energía libre para bombear H + a través de la membrana interna,
creando así un gradiente de protones electroquímico como electrones
pasar por ese complejo. Esta conversión se puede demostrar
purificando cada complejo de enzimas respiratorias e incorporando
por separado en liposomas: cuando un donante de electrones apropiado
y el aceptor se agregan para que los electrones puedan pasar a través del complejo,
H + se transloca a través de la membrana del liposoma.

Figura 14-29. Cambios potenciales redox a lo largo de la mitocondria.
cadena de transporte de electrones.

Cambios de potencial redox a lo largo del transporte de electrones mitocondrial
cadena. El potencial redox (designado E′0) aumenta a medida que los electrones
fluyen por la cadena respiratoria hacia el oxígeno. La energía libre estándar
cambiar, ΔG °, para la transferencia (más & # 8230)

El mecanismo de bombeo de H + pronto se comprenderá en
Detalle atómico

Algunos complejos de enzimas respiratorias bombean un H + por electrón
a través de la membrana mitocondrial interna, mientras que otros bombean
dos. El mecanismo detallado por el cual se acopla el transporte de electrones
al bombeo de H + es diferente para los tres complejos enzimáticos diferentes.
En el complejo citocromo b-c1, las quinonas claramente tienen un papel.
Como se mencionó anteriormente, una quinona recoge un H + del acuoso
medio junto con cada electrón que lleva y lo libera cuando
libera el electrón (vea la Figura 14-24). Dado que la ubiquinona es libre
móvil en la bicapa lipídica, podría aceptar electrones cerca del interior
superficie de la membrana y donarlos al citocromo b-c1
complejo cerca de la superficie exterior, transfiriendo así un H +
a través de la bicapa por cada electrón transportado. Dos protones son
bombeado por electrón en el complejo citocromo b-c1, sin embargo, y
hay buena evidencia de un llamado ciclo Q, en el que la ubiquinona
se recicla a través del complejo de una manera ordenada que hace que este
transferencia de dos por uno posible. Exactamente cómo ocurre esto ahora puede ser
funcionó a nivel atómico, porque la estructura completa de
El complejo citocromo b-c1 se ha determinado mediante rayos X
cristalografía (Figura 14-30).

Figura 14-30. La estructura atómica del citocromo b-c 1.

La estructura atómica del citocromo b-c 1. Esta proteína es un dímero.
El monómero de 240.000 dalton se compone de 11 proteínas diferentes
moléculas en mamíferos. Las tres proteínas coloreadas forman el
núcleo funcional de la enzima: citocromo b (verde), citocromo (más & # 8230)

Cambios alostéricos en las conformaciones de proteínas impulsados ​​por electrones.
El transporte también puede bombear H +, del mismo modo que se bombea H + cuando el ATP
es hidrolizado por la ATP sintasa funcionando a la inversa. Tanto para el
Complejo NADH deshidrogenasa y complejo citocromo oxidasa,
parece probable que el transporte de electrones impulse alostérico secuencial
cambios en la conformación de la proteína que causan una porción de la proteína
para bombear H + a través de la membrana interna mitocondrial. Un general
El mecanismo para este tipo de bombeo de H + se presenta en la Figura 14-31.

Figura 14-31. Un modelo general para bombeo de H +.

Un modelo general para bombeo de H +. Este modelo para bombeo H +
por una proteína transmembrana se basa en mecanismos que son
se cree que es utilizado tanto por la citocromo oxidasa como por la luz
bomba de protones procariotas, bacteriorrodopsina. La proteina
se conduce a través (más & # 8230)

Los ionóforos H + desacoplan el transporte de electrones de la síntesis de ATP

Desde la década de 1940, varias sustancias, como el 2,4-dinitrofenol,
Se sabe que actúan como agentes de desacoplamiento, desacoplamiento de electrones
transporte de la síntesis de ATP. La adición de estos compuestos orgánicos de bajo peso molecular a las células detiene la síntesis de ATP por parte de las mitocondrias.
sin bloquear su absorción de oxígeno. En presencia de un
El agente de desacoplamiento, el transporte de electrones y el bombeo de H + continúan en
una velocidad rápida, pero no se genera gradiente de H +. La explicación de
este efecto es simple y elegante: los agentes desacopladores son lípidos
ácidos débiles solubles que actúan como portadores de H + (ionóforos de H +), y
proporcionan una vía para el flujo de H + a través del interior mitocondrial
membrana que evita la ATP sintasa. Como resultado de esta
circulando, la fuerza motriz del protón se disipa completamente, y
Ya no se puede producir ATP.

El control respiratorio normalmente restringe el flujo de electrones
A través de la cadena

Cuando se agrega un desacoplador como dinitrofenol a las células,
Las mitocondrias aumentan sustancialmente su absorción de oxígeno porque
de una mayor tasa de transporte de electrones. Este aumento refleja
la existencia de control respiratorio. Se cree que el control
actuar a través de una influencia inhibidora directa del protón electroquímico
gradiente en la tasa de transporte de electrones. Cuando el gradiente es
colapsado por un desacoplador, el transporte de electrones es libre de ejecutarse sin control
a la tasa máxima. A medida que aumenta el gradiente, el transporte de electrones
se vuelve más difícil y el proceso se ralentiza. Además, si un
gradiente de protones electroquímicos artificialmente grande es experimentalmente
creado a través de la membrana interna, transporte normal de electrones
se detiene por completo, y se puede detectar un flujo de electrones inverso en
algunas secciones de la cadena respiratoria. Esta observación sugiere
que el control respiratorio refleja un simple equilibrio entre el
cambio de energía libre para el bombeo de protones ligado al transporte de electrones
y el cambio de energía libre para el transporte de electrones, es decir, el
La magnitud del gradiente electroquímico de protones afecta tanto
la velocidad y la dirección del transporte de electrones, al igual que afecta
la direccionalidad de la ATP sintasa (ver Figura 14-19).

El control respiratorio es solo una parte de un elaborado enclavamiento
sistema de controles de retroalimentación que coordinan las tasas de glucólisis,
degradación de ácidos grasos, ciclo del ácido cítrico y transporte de electrones.
Las tasas de todos estos procesos se ajustan a la relación ATP: ADP,
aumentando cada vez que una mayor utilización de ATP causa la relación
caer. La ATP sintasa en la membrana mitocondrial interna,
por ejemplo, funciona más rápido a medida que las concentraciones de sus sustratos
ADP y Pi aumentan. A medida que se acelera, la enzima permite que fluya más H +
en la matriz y por lo tanto disipa el protón electroquímico
gradiente más rápidamente. El gradiente descendente, a su vez, mejora la
tasa de transporte de electrones.

Controles similares, incluida la inhibición por retroalimentación de varias enzimas clave
por ATP, actuar para ajustar las tasas de producción de NADH a la tasa de
Utilización de NADH por la cadena respiratoria, etc. Como resultado de
Estos muchos mecanismos de control, el cuerpo oxida grasas y azúcares.
5-10 veces más rápido durante un período de ejercicio intenso que
durante un período de descanso.

Los desacopladores naturales convierten las mitocondrias de la grasa marrón en
Máquinas generadoras de calor

En algunas células grasas especializadas, la respiración mitocondrial es normalmente
desacoplado de la síntesis de ATP. En estas células, conocidas como grasa parda
células, la mayor parte de la energía de oxidación se disipa como calor en lugar de
que convertirse en ATP. Las membranas internas de los grandes
Las mitocondrias en estas células contienen una proteína de transporte especial que
permite que los protones se muevan hacia abajo en su gradiente electroquímico, por-
pasando ATP sintasa. Como resultado, las células oxidan sus depósitos de grasa.
a un ritmo rápido y producen más calor que el ATP. Tejidos que contienen
La grasa marrón sirve como "almohadillas térmicas", lo que ayuda a revivir a los animales que hibernan.
y proteger del frío las zonas sensibles de los bebés humanos recién nacidos.

Las bacterias también aprovechan los mecanismos quimiosmóticos para aprovechar la energía

Las bacterias utilizan fuentes de energía enormemente diversas. Algunos, como animal
células, son aeróbicas sintetizan ATP a partir de azúcares que oxidan a
CO2 y H2O por glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y un sistema respiratorio
cadena en su membrana plasmática que es similar a la de la
membrana mitocondrial interna. Otros son anaerobios estrictos, que derivan
su energía ya sea de la glucólisis sola (por fermentación) o de un
Cadena de transporte de electrones que emplea una molécula distinta al oxígeno.
como aceptor final de electrones. El aceptor de electrones alternativo puede
ser un compuesto de nitrógeno (nitrato o nitrito), un compuesto de azufre
(sulfato o sulfito), o un compuesto de carbono (fumarato o carbonato),
por ejemplo. Los electrones son transferidos a estos aceptores por un
serie de portadores de electrones en la membrana plasmática que son comparables
a los de las cadenas respiratorias mitocondriales.

A pesar de esta diversidad, la membrana plasmática de la gran mayoría de
La bacteria contiene una ATP sintasa que es muy similar a la de
mitocondrias. En bacterias que utilizan una cadena de transporte de electrones para
cosecha de energía, el transporte de electrones bombea H + fuera de la celda y
De este modo, establece una fuerza motriz de protones a través de la membrana plasmática.
que impulsa a la ATP sintasa a producir ATP. En otras bacterias, la
La ATP sintasa funciona a la inversa, utilizando el ATP producido por la glucólisis.
para bombear H + y establecer un gradiente de protones a través del plasma
membrana. El ATP utilizado para este proceso es generado por
procesos de fermentación (discutidos en el Capítulo 2).

Por tanto, la mayoría de las bacterias, incluidos los anaerobios estrictos, mantienen un protón
gradiente a través de su membrana plasmática. Se puede aprovechar para conducir
un motor flagelar, y se utiliza para bombear Na + fuera de la bacteria a través de
un antiportador de Na + -H + que ocupa el lugar de la bomba de Na + -K + de
células eucariotas. Este gradiente también se utiliza para el transporte interno activo.
de nutrientes, como la mayoría de los aminoácidos y muchos azúcares: cada nutriente es
arrastrado a la celda junto con uno o más H + a través de un simportador específico
(Figura 14-32). En las células animales, por el contrario, la mayor parte del transporte hacia el interior a través de
la membrana plasmática es impulsada por el gradiente de Na + que se establece por
Bomba de Na + -K +.

Figura 14-32. La importancia del transporte de bacterias impulsado por H +.

La importancia del transporte de bacterias impulsado por H +. Una fuerza motriz de protones
generado a través de la membrana plasmática bombea nutrientes a la célula y
expulsa Na +. (A) En una bacteria aeróbica, un gradiente de protones electroquímico
a través de la membrana plasmática se produce (más & # 8230)

Algunas bacterias inusuales se han adaptado a vivir en un ambiente muy alcalino.
medio ambiente y, sin embargo, deben mantener su citoplasma a un nivel fisiológico
pH. Para estas células, cualquier intento de generar un H + electroquímico
gradiente se opondría a un gran gradiente de concentración de H + en
la dirección incorrecta (H + más alto adentro que afuera). Presumiblemente para
Por esta razón, algunas de estas bacterias sustituyen Na + por H + en todos sus
Mecanismos quimiosmóticos. La cadena respiratoria bombea Na + fuera de
la célula, los sistemas de transporte y el motor flagelar son impulsados ​​por un
flujo interno de Na +, y una ATP sintasa impulsada por Na + sintetiza
ATP. La existencia de tales bacterias demuestra que el principio
de la quimiosmosis es más fundamental que la fuerza motriz del protón
en el que se basa normalmente.

La cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna contiene
Tres complejos de enzimas respiratorias a través de los cuales pasan los electrones.
su camino de NADH a O2.

Cada uno de estos se puede purificar, insertar en vesículas lipídicas sintéticas,
y luego se muestra que bombea H + cuando se transportan electrones a través de él.
En la membrana intacta, los portadores de electrones móviles ubiquinona y
El citocromo c completa la cadena de transporte de electrones viajando entre
los complejos enzimáticos. El camino del flujo de electrones es NADH → NADH
complejo deshidrogenasa → ubiquinona → complejo citocromo b-c1 →
citocromo c → complejo citocromo oxidasa → oxígeno molecular (O2).

Los complejos de enzimas respiratorias se acoplan a los energéticamente favorables.
transporte de electrones al bombeo de H + fuera de la matriz. los
El gradiente electroquímico de protones resultante se aprovecha para producir ATP.
por otro complejo proteico transmembrana, ATP sintasa, a través de
que H + fluye de regreso a la matriz. La ATP sintasa es reversible
dispositivo de acoplamiento que normalmente convierte un reflujo de H + en ATP
energía de enlace fosfato catalizando la reacción ADP + Pi → ATP,
pero también puede trabajar en la dirección opuesta e hidrolizar ATP para
bombee H + si el gradiente electroquímico de protones se reduce suficientemente.
Su presencia universal en mitocondrias, cloroplastos y procariotas.
da testimonio de la importancia central de los mecanismos quimiosmóticos en las células.

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Copyright © 2002, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis,
Martin Raff, Keith Roberts y Peter Walter Copyright © 1983, 1989,
1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith
Roberts y James D. Watson.


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5.5: Desacoplamiento del transporte de electrones de la síntesis de ATP - Biología

La respiración celular es el conjunto de reacciones metabólicas que utilizan las células para recolectar energía de los alimentos. El catabolismo de la glucosa en condiciones aeróbicas se produce en tres vías metabólicas secuenciales: glucólisis, oxidación del piruvato y ciclo del ácido cítrico. Las coenzimas reducidas producidas a partir de estas vías metabólicas luego son oxidadas por la cadena respiratoria y se produce ATP. Por estas vías, la glucosa se ha oxidado por completo y la célula ha ganado muchas moléculas de ATP, un portador de energía versátil que alimenta la mayoría de los tipos de trabajo celular.

En este tutorial examinaremos el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y la producción de ATP. En la respiración celular, es la acción de la cadena de transporte de electrones la que produce la mayor parte del ATP para la célula.

CONCLUSIÓN

Durante las primeras fases de la respiración celular, la glucosa se descompone por completo. CO2 se libera a la atmósfera y los átomos de hidrógeno de la glucosa se donan a los portadores de energía NAD + y FAD para formar NADH + H + y FADH2. Para que la respiración celular continúe operando con moléculas de glucosa adicionales, estos portadores de energía deben reciclarse.

El trabajo de la cadena respiratoria es, en parte, reciclar estos transportadores. Los portadores donan sus átomos de hidrógeno adicionales a la cadena respiratoria y, por lo tanto, se vuelven a convertir en NAD + y FAD. En la animación adjunta, nos centramos en NADH, que dona un átomo de hidrógeno al primer complejo de la cadena. FADH2 (no se muestra en la animación) dona a un complejo diferente.

El otro trabajo de la cadena respiratoria es transformar la energía química de los átomos de hidrógeno (específicamente, sus electrones) en energía potencial. En una serie de reacciones redox, los electrones saltan de un complejo a otro y, en el proceso, liberan energía. La cadena utiliza la energía liberada para bombear protones a través de la membrana, desde una región de baja concentración dentro de la mitocondria a una región de alta concentración dentro del espacio intermembrana. Este gradiente de concentración representa energía potencial.

La célula aprovecha la energía potencial del gradiente cuando los protones fluyen de regreso a través de la membrana a través de un poro en el complejo de ATP sintasa. A medida que los protones fluyen, liberan energía, que el complejo utiliza para convertir el ADP y el fosfato inorgánico en ATP. La producción de ATP a partir de energía derivada del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria se denomina fosforilación oxidativa. La quimiosmosis es otro término para la síntesis de ATP, que se refiere al uso de un gradiente de protones para impulsar la producción de ATP.

Referencia de libros de texto: Concepto 6.2 El catabolismo de carbohidratos en presencia de oxígeno libera una gran cantidad de energía


Ver el vídeo: Uncoupling of Electron Transport Chain (Diciembre 2021).