Transporte Electrónico y Fosforilación Oxidativa: Mecanismos y Componentes Mitocondriales

Transporte Electrónico y Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es la etapa final del metabolismo productor de energía en los organismos aerobios. En ella confluyen todos los pasos oxidativos de la degradación de glúcidos, grasas y aminoácidos, y en la que la energía liberada de la oxidación impulsa la síntesis de ATP. En los organismos eucariotas, la fosforilación oxidativa se produce en la mitocondria y da lugar a la reducción de O₂ a H₂O gracias a los electrones (e^-) cedidos por el NADH y el FADH₂.

Estructura Mitocondrial

La mitocondria es el orgánulo membranoso en el cual se lleva a cabo la fosforilación oxidativa. Presenta la siguiente organización:

• Membrana mitocondrial externa: Es permeable a pequeñas moléculas e iones que se mueven libremente a través de la misma por canales transmembranales formados por proteínas llamadas porinas.
• Membrana mitocondrial interna: Es impermeable a casi todas las moléculas pequeñas e incluso a los iones y protones (H⁺). Las únicas especies químicas capaces de cruzar esta membrana son aquellas que interaccionan con transportadores específicos. En esta membrana se encuentran los componentes de la cadena respiratoria y la ATP sintasa.
• Matriz mitocondrial: Contiene el complejo de la piruvato deshidrogenasa y las enzimas relacionadas con el ciclo de Krebs, la β-oxidación de los ácidos grasos y las rutas de oxidación de aminoácidos.

Todas las rutas de oxidación de combustibles celulares tienen lugar en la matriz mitocondrial, con excepción de la glucólisis, la cual se lleva a cabo en el citosol.

Componentes de la Cadena Respiratoria

La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de electrones en la cadena respiratoria, los cuales proceden en su mayoría de la acción de deshidrogenasas que los captan de las vías catabólicas y los canalizan hacia aceptores universales.

• Deshidrogenasas ligadas a nucleótidos de nicotinamida: Catalizan reacciones reversibles del tipo:
  Sustrato reducido + NAD⁺ ↔ Sustrato oxidado + NADH + H⁺
• NADH y NADPH: Son transportadores electrónicos hidrosolubles que se asocian con deshidrogenasas. El NADH transporta los electrones provenientes de reacciones catabólicas a su punto de entrada en la cadena respiratoria, mientras que el NADPH suministra electrones a reacciones anabólicas. Ni el NADH ni el NADPH pueden traspasar directamente la membrana interna de la mitocondria, pero los electrones que transportan pueden ser introducidos a través de sistemas de lanzadera.
• Flavoproteínas: Contienen un nucleótido de flavina (FAD o FMN). La transferencia de electrones se produce gracias a que la flavoproteína presenta un potencial de reducción mayor que el del compuesto oxidado. El potencial redox de un nucleótido de flavina depende de la proteína a la que se encuentre asociado.

La cadena respiratoria mitocondrial consta de una serie de transportadores que actúan secuencialmente mediante grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos electrones.

Tipos de Transferencia Electrónica

En el transporte de electrones intervienen tres modalidades principales:

1. Transferencia directa de electrones: Por ejemplo, las proteínas ferrosulfuradas transfieren un electrón mediante la reducción directa del átomo de hierro (Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺).
2. Transferencia de un átomo de hidrógeno (H⁺ + e^-).
3. Transferencia de un ion hidruro (:H^-), el cual es portador de dos electrones.

Otros Transportadores Electrónicos de la Cadena Respiratoria

Además del NAD y de las flavoproteínas, existen tres tipos adicionales de transportadores electrónicos que funcionan en la cadena respiratoria:

• Proteínas ferro-sulfuradas (Fe-S): Proteínas que participan transfiriendo un electrón a través de los ciclos de oxidación-reducción de sus átomos de hierro.
• Citocromos: Proteínas que poseen un grupo prostético hemo (localizadas sobre todo en las membranas) que contiene hierro. Las mitocondrias contienen tres clases principales de citocromos que se distinguen por diferencias en sus espectros de absorción lumínica; transfieren un electrón mediante la oxidorreducción del átomo de hierro.
• Ubiquinona (Coenzima Q): Es una quinona hidrofóbica de naturaleza lipídica isoprenoide que actúa como intermediario en el transporte de electrones, dado que puede captarlos y cederlos fácilmente. Es capaz de difundir libremente a través de la membrana mitocondrial interna, actuando como una lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores membranales menos móviles. Dado que transporta tanto electrones como protones (H⁺), resulta esencial para el acoplamiento entre el flujo electrónico y el bombeo de protones. No está unida covalentemente a ninguna proteína y puede transferir secuencialmente uno o dos electrones.