Las reacciones que tienen lugar en este transporte, son de óxido-reducción y en consecuencia se puede determinar sus potenciales de reducción estándar y aplicarles la ley de Nernst. En la tabla 17 se muestran los principales compuestos que intervienen en el transporte con sus valores de E°’.
Tabla 17: Potenciales de reducción estándar de algunos metabolitos y transportadores de la cadena de electrones
Forma Reducida Forma Oxidada E°’ (Volts) Piruvato + HSCoA H2 Isocitrato NADH + H+ Malato FADH2 Succinato Citocromo b (Fe+2) Citrocromo c1 (Fe+2) Citocromo c (Fe+2) Citocromo a (Fe+2) Citocromo a3 (Fe+2) H2O Acetíl-CoA 2H+ α-cetoglutarato NAD+ Oxalacetato FAD Fumarato Citrocromo b (Fe+3) Citocromo c1 (Fe+3) Citocromo c (Fe+3) Citocromo a (Fe+3) Citocromo a3 (Fe+3) O2 -0,48 -0,41 -0,38 -0,32 -0,18 -0,05 +0.03 +0,07 +0,23 +0,25 +0,29 +0,55 +0,82
Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Los transportadores de e- más estudiados son de tres tipos: • NAD+
- Deshidrogenasas y NADP+ - Deshidrogenasas • Flavin -deshidrogenasas
152 Las deshidrogenasas del primer tipo poseen NAD+ (cuya estructura y modo de acción ya fue discutido) o NADP+ como coenzimas. Esta última es muy similar estructural y funcionalmente al NAD+ ya que solo difiere en que posee un grupo fosfato adicional que esterifica el OH -2 en la ribosa de la adenosina. La diferencia más importante reside en que las NAD+ - deshidrogenasas actúan preferencialmente en reacciones degradativas y las NADP+ - deshidrogenasas catalizan reacciones redox biosintéticas.
Las deshidrogenasas del segundo tipo emplean FAD y FMN (flavinmono- nucleótido) como enzimas. El FMN es un nucleótido en que interviene la flavina como base nitrogenada, con el mismo mecanismo aceptor de H+ que el FAD. Si está interesado en la estructura del FMN consulte alguna de las referencias generales.
El tercer tipo de transportadores está constituido por la familia de los citocromos. Estas proteínas globulares además de su cadena polipeptídica poseen un grupo heme cuya estructura es muy similar al heme de la hemoglobina ya que solo cambian algunos de los sustituyentes sobre el núcleo porfirínico; la diferencia fundamental estriba en la función de este grupo en los citocromos ya que en ellos el átomo de hierro interviene en el transporte de electrones (e-) pasando de Fe+3 (forma oxidada) a Fe+2 (-forma reducida) y viceversa. En los citocromos los sitios de coordinación 5 y 6 del Fe están ocupados por residuos de AA y por tanto no están disponibles para unirse con O2, CN- o CO. La tabla 18 muestra las
principales características de los citocromos que participan en el transporte de electrones en la fosforilación oxidativa.
Tabla 18: Algunas propiedades fisicoquímicas de los citocromos de la fosforilación oxidativa
Proteína Peso Molecular (Daltons)
E (Volts) Bandas de Absorción (nm)*
α β γ Citocromo b Citocromo c Citocromo c Citocromo a Citocromo a3 30.000 370.000 12.500 240.000** + 0,07 +0,23 +0,25 +0,29 +0,55 563 554 550 600 603 532 524 521 - - 429 418 415 439 (Cu presente) 443 (Cu presente) * Bandas de absorción de la forma reducida
** Complejo a +a3
Fuente: Pérez, G. Navarro Y. (1992). Bioquímica. Santa fe de Bogotá.: Unisur.
Estas proteínas, con excepción del citocromo c, están fuertemente asociadas a la membrana mitocondrial lo cual ha dificultado su purificación y caracterización detallada. Sin embargo se conoce su composición en AA y los estudios comparativos de secuencia hechos con el citocromo c han permitido establecer cómo ha evolucionado esta proteína en los diversos organismos aerobios.
153 La estrategia seguida para establecer los componentes y su orden, en la cadena de transporte de electrones es un buen ejemplo de cómo la evidencia experimental de diferente naturaleza puede integrarse para construir un modelo de una vía metabólica. En el caso presente se tuvieron en cuenta los siguientes hechos:
• Es factible aislar de las mitocondrias complejos de algunos de los transportadores ej: NAD - deshidrogenasa asociada con citocromo b, coenzima Q y proteínas Fe-S o citocromo c asociado a citocromo c1. Esto significa que
hay una organización de estos componentes en la membrana.
• El orden en que se coloquen los transportadores debe considerar los valores de E°’ y se irá del más negativo hasta el más positivo o sea hasta el O2 como
aceptor final de los e-. • El transporte de e-
puede ser bloqueado selectivamente en varios puntos gracias a la existencia de inhibidores de este transporte; los más estudiados son la rotenona, el amital, la antimicina A y el ión CN-. Estos inhibidores provocan la acumulación de las formas reducidas de los transportadores que están localizados antes del sitio de acción del inhibidor; los transportadores posteriores están en su forma oxidada y estas dos formas se pueden distinguir espectroscópicamente. Los estudios con inhibidores del transporte de e- han sido particularmente útiles para establecer el orden de aquellos transportadores para los cuales no se conoce su valor de E°’.
Además de los transportadores ya discutidos, se han aislado:
• Coenzima Q (o ubiquinona). Es una benzoquinona con 8-10 radicales isopreno (n = 8, n = 10) que actúa en reacciones redox de la siguiente forma:
154 Proteínas Fe-S. Estas proteínas se caracterizan por poseer átomos de Fe unidos a S lábil, que no corresponde al S del Meto o CySH. Intervienen en reacciones redox a través del Fe que pasa de Fe+2 a Fe+3 o viceversa.
Considerando el conjunto de la evidencia experimental se ha propuesto que la cadena de transporte de electrones se realiza según el esquema de la figura 44. En este esquema observamos que el donador inicial de 2e- y 2H+, es un sustrato (metabolito) que al oxidarse cede sus e- sobre el NAD+ (caso del piruvato Acetil-CoA + CO2, del isocitrato oxalsuccinato, del α-cetoglutarato succinil-
CoA + CO2 o del malato oxalacetato; reacciones del ciclo de Krebs, ver figura
46, que pasa a NADH + H+ que al cederlos 2e- y 2H+ sobre el FMN se reoxida, formándose FMNH2. Esta coenzima cede los 2e- sobre las proteínas Fe-S que se
reducen y los 2H+ salen de la mitocondria; esta reacción redox permite regenerar el FMN (o FAD según el caso) y constituye un segundo sitio de entrada de e- a la cadena en el caso en que el metabolito al oxidarse produzca FADH2 (o FMNH2)
como sucede en el paso de succinato a fumarato en el ciclo de Krebs. Vemos que así son reoxidados el NADH + H+ y el FADH2 producidos en Krebs; las reacciones
siguientes en la cadena de transporte de electrones tienen como objeto canalizar los electrones a través de una serie de transportadores (coenzima Q, citocromo b, citocromo c1, etc) hasta llevarlas finalmente sobre el O2 y producir H2O.
En la figura 48 se indican también los sitios donde actúan los inhibidores del transporte de electrones; por ejemplo el CN- impide la transferencia de e- del complejo citocromo a + a3 al oxígeno molecular, provocando un bloqueo de la
cadena respiratoria y en consecuencia impidiendo la reoxidación del NADH + H+ y FADH2 con lo cual se paralizan las vías metabólicas (comenzando por el ciclo de
Krebs).
En los procariotes (donde no existen las mitocondrias) el transporte de electrones se realiza en la membrana celular por un mecanismo similar y algo más sencillo como se indica en la figura 49. Aquí la coenzima Q pasa directamente de la forma Q a QH2 y la salida de los H+ es hacia el medio circundante de la célula.
Una discusión detallada de los esquemas de transporte de electrones se encuentra en la lectura recomendada No.3.