Cadena Respiratòria i Fosforilació Oxidativa
Cadena Respiratòria
La diferència de potencial redox entre el NADH i l'O2 és d'1,14V. L'elevada energia potencial dels electrons del NADH s'aprofita per generar un gradient de protons entre l'espai intermembrana i la matriu mitocondrial. Els electrons del NADH passen a través de 3 grans complexos proteics i són finalment transferits a l'O2. L'energia alliberada pel flux d'electrons fa funcionar les bombes de protons d'aquests complexos, que envien ions H+ a l'espai intermembrana. La succinat deshidrogenasa (complex II) és el punt d'entrada dels electrons del succinat del cicle de Krebs.
Complex I. NADH: Ubiquinona Oxidoreductasa
El Complex I està format per 42 cadenes polipeptídiques. Catalitza la transferència d'electrons exergònica des del NADH fins a la ubiquinona. Els electrons passen per diversos centres, que inclouen una flavina mononucleòtid (FMN) i varies proteïnes ferro-sulfurades. L'energia s'aprofita per transferir 4 protons a l'espai intermembrana. La ubiquinona reduïda marxa del complex I i difon a través de la membrana, transportant els electrons fins al complex III.
Complex II. Succinat Deshidrogenasa
Està format per 4 cadenes polipeptídiques diferents. Conté 3 centres ferro-sulfurats (Fe-S), FAD, un grup hemo i el lloc d'unió pel succinat. Catalitza la transferència d'electrons des del succinat fins a la ubiquinona. Els electrons passen pel FAD, i a través dels centres Fe-S, fins a la ubiquinona. El grup hemo no participa en la transferència i funciona bloquejant els electrons que es poden escapar durant el procés de transferència. La ubiquinona també actua com a acceptor d'electrons a partir d'acils grassos CoA procedents de l'àcid gras i del glicerol 3-P del citosol.
Complex III. Ubiquinona: Citocrom C Oxidoreductasa
El complex III transfereix els electrons de la ubiquinona al citocrom c al mateix temps que bombeja 4 protons a l'espai intermembrana. Un citocrom és una proteïna transportadora d'electrons que conté un grup prostètic hemo. El citocrom c és una proteïna soluble de l'espai intermembrana que accepta un electró. El complex III està format per dos protòmers, cada un amb 11 subunitats. Conté 2 citocroms (b i c1) i un centre Fe-S.
El cicle Q
Un dels 2 electrons de la ubiquinona reduïda es transfereix al citocrom c. El segon es transfereix a una ubiquinona oxidada per formar una semiquinona. Una segona ubiquinona reduïda redueix un altre citocrom c i acaba de formar ubiquinol, que entra novament al cicle.
Complex IV. Citocrom C Oxidasa
El citocrom c reduït difon per l'espai intermembrana fins a interaccionar amb el complex IV, que està format per 11 subunitats de les quals 3 són essencials per la funció. La subunitat II conté un centre de Cu (CuA). La subunitat I conté 2 citocroms (a i a3) i un segon centre de Cu (CuB). Per reduir l'O2 fan falta 4 electrons que provenen de 4 citocroms c, que de forma seqüencial transfereixen els electrons al centre de Fe-Cu de la subunitat I i d'aquí a l'O2. Els diferents centres redox només poden transportar un electró a la vegada. Els intermediaris de la reacció interaccionen fortament amb el complex IV fins que s'alliberen les 2 molècules d'aigua.
Balanç de les Reaccions de la Cadena Respiratòria
L'elevada energia potencial dels electrons del NADH es va transferint a diferents transportadors. En cada pas l'energia potencial va disminuint i es va transformant en energia química, elèctrica i calorífica.
Fosforilació Oxidativa. Model Quimiosmòtic
El bombeig de protons de la cadena respiratòria produeix una diferència de pH de 0,8 unitats i un potencial de membrana de 0,15V entre l'espai intermembrana i la matriu mitocondrial. La major part de l'energia alliberada en la cadena respiratòria es conserva en forma de gradient de protons.
Hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell
El gradient de protons originat per la cadena respiratòria proporciona l'energia necessària i és el responsable de la fosforilació oxidativa (ADP + Pi = ATP) mitocondrial.
L'ATP Sintasa
És un enzim amb nombroses subunitats i 2 parts ben diferenciades, els complexos Fo i F1.
- El complex Fo està compost per 10-12 subunitats c, una subunitat a i 2 b. És hidrofòbic i travessa la membrana mitocondrial interna, formant un canal per on retornen els protons bombejats per la cadena respiratòria.
- El complex F1 està format per 5 subunitats diferents i constitueixen la part catalítica de l'enzim a on té lloc la fosforilació de l'ATP.
El pas de protons pel complex Fo fa girar les subunitats c, ε i γ respecte la resta de subunitats.
L'ATP Sintasa. Catàlisi Rotacional
El gir de la subunitat γ fa que la subunitat β passi per 3 tipus de conformacions diferents:
- Elevada afinitat per l'ADP + Pi
- Elevada afinitat per l'ATP
- Baixa afinitat per l'ATP.
L'estat d'elevada afinitat per l'ATP proporciona l'energia necessària per la síntesi d'ATP. En cada volta es produeixen 3 ATPs. Es consumeixen 10-12 protons per volta.
Fosforilació i Cadena Respiratòria estan Estrictament Acoblades
En general, els agents que inhibeixen la cadena respiratòria bloquegen també la fosforilació oxidativa i viceversa.
Agents Desacoblants
- El DNP és un àcid dèbil de caràcter hidrofòbic que difon fàcilment a través de la membrana mitocondrial, anul·lant el gradient creat per la cadena respiratòria.
- Termogenina. En el teixit adipós marró les mitocondries no tenen la funció de produir ATP sinó de generar calor. En aquestes mitocondries la termogenina permet l'entrada en la matriu dels protons bombejats per la cadena respiratòria. L'energia es dissipa en forma de calor.
Transport d'ATP, ADP i Pi
Existeixen 2 translocases diferents per transportar ATP, ADP i Pi:
- Adenina nucleòtid translocasa: L'entrada d'un ADP (amb 3 càrregues -) està acoblada amb la sortida d'un ATP (amb 4 càrregues -). Sistema antiport. La presència de càrregues + en l'espai intermembrana afavoreix el transport.
- Fosfat translocasa. L'entrada d'un protó a favor de gradient permet l'entrada d'un fosfat. Sistema simport.
Destí del NADH Citoplasmàtic
Tant el NADH com el NAD+ no poden travessar la membrana mitocondrial.
Llançadora de Glicerol 3-Fosfat
L'acceptor dels electrons del NADH és el FAD mitocondrial. Per tant, entren en la cadena respiratòria en el complex III i només es bombegen 6 protons. És una llançadora irreversible.
Llançadora d'Aspartat-Malat
Els electrons del NADH del citosol són finalment recollits pel NAD+ mitocondrial. Per tant, entren en la cadena respiratòria en el complex I i són aprofitats per bombejar 10 protons. És una llançadora reversible.
Rendiment Oxidació Completa de Glucosa
1 NADH genera 2,5 ATP, i 1 FADH2 genera 1,5 ATP.