En las membranas energéticamente activas encontramos una cadena de transporte de electrones compuesta por 4 complejos de membrana a través de los cuales se da un transporte de electrones que, en ciclos de oxidación-reducción, permiten la generación de un gradiente de protones para su posterior utilización en la síntesis de ATP.
Los complejos 1 y 2 toman los electrones procedentes de los dos transportadores electrónicos donde previamente se ha almacenado la energía de los nutrientes. El complejo 1 lo toma del NADH, mientras que el 2 lo toma del FADH2.
Estos dos transportadores electrónicos transmembrana transfieren sus electrones a un mismo elemento, la ubiquinona, la cual transfiere los electrones al citocromo c asociado a la actividad del tercer transportador electrónico.
El cuarto transportador pasa los electrones del citocromo c al oxígeno. Esto genera una fuerza protón motriz que se usará para impulsar la síntesis de ATP. Estos transportadores se asocian formando un complejo molecular llamado respirasoma.
- Pasos en la cadena de transporte de electrones
El NADH y el NADPH llevan 2 electrones, mientras que los FADH y FMNH pueden llevar 1 o 2 electrones, teniendo una forma reducida parcial y otra reducida completa. El complejo 1 toma los electrones del NADH, el complejo 2 los toma del succinato.
El complejo 1 recibe los electrones de 2 en 2 desde el NADH, cediéndolos a un nucleótido de flavina, el FMN, pasando de forma completamente oxidada a la completamente reducida, el FMNH2 (hidroquinona). Esta molécula FMNH2 tiene un potencial eléctrico que depende del entorno donde se encuentre la molécula.
Este FMNH2 puede ceder 1 o 2 electrones al siguiente componente, y cede 1 al centro ferrosulfurado porque solo pueden aceptar o ceder un electrón, ya que solo tiene 2 estados de oxidación. Este centro ferrosulfurado cede los electrones de 1 en 1 al primer transportador móvil, a la ubiquinona, la cual no solo recibe electrones del complejo 1 sino que también los puede recibir del complejo 2.
Los centros de óxido-reducción que aparecen en el complejo 2 son el succinato, que transporta energía en forma de enlace tío-éster. Este succinato cede 2 electrones al FAD, dando FADH2 (forma de hidroquinona). Este FADH2 cede sus electrones a un centro ferrosulfurado de 1 en 1, el cual cede los electrones a la ubiquinona de 1 en 1.
Ahora hay un ciclo Q por el cual pasa la ubiquinona mientras recibe los electrones de 1 en 1. Esta ubiquinona pasa los electrones a un centro ferrosulfurado del complejo 3, el cual cede los electrones a un citocromo, el cual pasa únicamente por 2 estados redox porque el elemento funcional sigue siendo el Fe, por lo que se ceden de 1 en 1.
Este citocromo pasa los electrones al segundo elemento móvil, el citocromo C, el cual capta los electrones de 1 en 1 y los cede a otro citocromo del complejo 4, de 1 en 1 también. El primer citocromo del complejo 4 cede los electrones a un átomo de cobre, que también tiene 2 estados de oxidación, recibiendo y donando electrones de 1 en 1.
Este cobre cede los electrones a otro citocromo de 1 en 1. Finalmente, este citocromo reducido del complejo 4 transfiere un electrón al oxígeno, de manera que la reducción del oxígeno da lugar a la reducción de agua.
El flujo de electores desde el primer NADH hasta el oxígeno se produce de forma espontánea, está termodinámicamente favorecido. Los electrones van de menor a mayor potencial de reducción.
El flujo de electrones libera una cantidad de energía que puede ser suficiente, o no, para bombear protones de un lado a otro de la membrana. En el complejo 1, 3 y 4 se dan valores de energía suficientes para el bombeo de protones, mientras que en el complejo 2 no se libera energía suficiente para bombear protones de un lado a otro de la membrana.
- La generación de ATP
La membrana interna mitocondrial (o tilacoidal) es impermeable a los protones, por lo que solo pueden volver al interior a través de un poro de membrana que forma parte de la bomba protónica conservada en todas las células que hacen fosforilación oxidativa.
El trasvase de los protones a favor de gradiente electroquímico libera una cantidad de energía que se utiliza para impulsar la síntesis de ATP por una enzima asociada al poro transmembrana específico de protones que forma parte de la estructura de la ATP sintasa. El poro se conoce como Fo y el dominio catalítico de ATP es el F1.
Tiene una estructura típica cabeza-tallo. La cabeza es una proteína periférica de membrana que da al lado interno de la membrana mitocondrial. Se llama dominio F1, al ser el primer factor esencial para la fosforilación del ADP y es donde aparece la capacidad de síntesis del ATP.
La cola es un conjunto de polipéptidos que forma un dominio que atraviesa perpendicularmente el plano de la membrana mitocondrial interna. Es sensible a la oligomicina, un antibiótico que bloquea el transporte de protones, por lo que se conoce como dominio Fo. Es el canal a través del cual fluyen los iones.
La energía almacenada en esa fuerza protón motriz va a usarse para impulsar la síntesis de ATP mediante un mecanismo determinado. La cabeza está constituida por 5 subunidades diferentes, 3 alfa, 3 beta, 1 gamma y 1 épsilon que forman el tallo y además 1 delta. Esta última se asocia a proteínas que forman parte del dominio transportador de protones.
Las proteínas que forman parte del dominio transmembrana son 1A, 2B y 10 o 12C idénticas. Se asocian formando una estructura con forma de barril que atraviesa la membrana. A través de ellas sucede el trasvase de protones de un lado a otro.
Una de las características más curiosas es que no solo cataliza la fosforilación del ADP para dar ATP, sino que se puede dar de forma inversa. Que se dé una u otra depende del gradiente electroquímico de protones.
La síntesis de ATP no requiere energía, pero esa energía del gradiente se utiliza para liberar el ATP sintetizado de las subunidades de la enzima donde se sintetiza. La constante de disociación para el ADP es mucho mayor que la del ATP, por lo que la afinidad por el ATP es mucho mayor. Sin la energía del gradiente de protones no se podría liberar el ATP de las subunidades beta, el sitio catalítico.
+ Mecanismo de cambio de unión
El mecanismo a nivel molecular propuesto para la síntesis de ATP es el mecanismo de cambio de unión. Aunque las tres subunidades beta son idénticas, pueden encontrarse en 3 estados conformacionales diferentes, los cuales se conocen como beta vacía cuando no está ocupada, beta ADP cuando está asociada al ADP y beta ATP cuando está asociada a ATP.
Según el modelo, cada una de las tres subunidades pasa sucesivamente por estos tres estados conformacionales. Empezamos por la subunidad beta 1, en una conformación sin afinidad por ATP o ADP, es decir, está vacía.
Esta beta 1 sufre un cambio que le da afinidad pro unir el ADP, uniéndose a ADP y ortofosfato. Cuando se unen ahí se da la fosforilación del ADP sin aporte de energía, dándose ATP. Cuando el ATP ocupa el sitio de la enzima se da el 3 estado conformacional.
Con la energía procedente del gradiente de protones se da la liberación del ATP y comienza de nuevo un ciclo. Cuando el eje gamma va girando va contactando de forma diferente con cada subunidad beta, lo que hace que cambie la afinidad de cada subunidad por los diferentes sustratos.
El modelo dice que el flujo de protones a través del barril transmembrana es lo que hace que gire gamma y, por tanto, toda la estructura de las subunidades beta que catalizan la síntesis de ATP.
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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, Graduado en Biología por la Universidad de Málaga.