Cadena de transporte de electrones

A ti, bueno muchachos, buen día. El día de hoy, lo que es la cadena de transporte. Entonces, comencemos. La cadena de transporte de electrones de energía. Ya que si recordamos, en el ciclo de Krebs, nosotros obtuvimos una de NADH y FADH. Recuerden que se ha mencionado que es el principal objetivo del ciclo de Krebs no era la producción de ATP, sin embargo, va a producir grandes cantidades de enzimas reducidas. Esas enzimas reducidas tienen que volverse a oxidar para que los procesos del cuerpo continúen de manera normal. Si recuerdan que las deshidrogenaciones, por ejemplo, de la reacción número 3, de reacción 18 del ciclo de Krebs, no pueden suceder si no tenemos NAD+ disponible para poder realizar este proceso.

Lo primero que tenemos que tener en cuenta es que el NAD+ tiene que ser transportado a la matriz mitocondrial. Ya una vez que está en la matriz mitocondrial, nosotros vamos a realizar una serie, una vez se realizan unas, ya una vez más de electrones. Esta forma, estas van a estar nombradas con los números romanos. Esas enzimas también van a tener su nombre, pero es más fácil recordar que van del 1. Siendo estrictos, la cadena de transporte de electrones. Entonces, vamos a ir viendo es. Entonces, electrones. Bueno, en general, se crea un gradiente. El objetivo de esta cadena va a ser barrer de los exportadores enzimas oxidadas para que puedas. Además, generaremos una gran cantidad de ATP debido al gran viento.

¿Dónde va a suceder esto? ¿Quiénes son los responsables en todas las reacciones? Entonces, igual que las rutas, vamos a iniciar la reacción. El complejo número 1, también conocido como el complejo enzima reducto, van a recibir los electrones de NADH. Una vez que los reciben, los pasarán a FMN, que es llamado flavina mononucleótido. El NADH llega y deja los electrones en el FMN. Los FMN van a ser moléculas que son parte de los complejos en los que va a haber presentes generalmente núcleos de hierro y azufre. Esos núcleos pueden cambiar su estado. El primer núcleo que vamos a tener es el núcleo de la FMN, liberando el NADH a través de la FMN. Posteriormente, estos serán pasados al Fe-S. Esto nos permitirá un paso total de 4 protones.

Posteriormente, el complejo número 3. El complejo número 2 también es llamado la succinato deshidrogenasa, oxidando coenzima Q reductasa. Y va a recibir los electrones del FADH. Y este los va a pasar a coenzima Q. También tiene dos centros de reducción. Va a tener un núcleo de flavina nucleótido y va a tener un núcleo de hierro y azufre. Una vez que recibe, que quita los electrones del FADH, obtenemos el FADH oxidado de nuevo. Esos electrones pasan a través de los núcleos de hierro-azufre y va a pasar de los succinato a citocromo b y va a pasar hacia la coenzima Q. En ambos casos, la coenzima Q se encarga de transportar los electrones recibidos hacia el complejo 3.

En el complejo 3, vamos a tener la coenzima Q citocromo c reductasa, que recibe los electrones de la coenzima Q y los pasa a un segundo transportador llamado citocromo c. El complejo 3 va a tener dos citocromos, el citocromo b y un núcleo de hierro y azufre. Posteriormente, pasará los electrones al citocromo c. En este paso de los electrones de un sitio a otro permitirá el flujo de 4 protones hacia el espacio intermembrana. Una vez que el citocromo c tiene los electrones, este viajará hacia el complejo número 4.

El complejo 4 acopla la oxidación del citocromo c con la reducción del oxígeno para generar moléculas. El complejo 4 entonces recibe los electrones del citocromo c, los acepta en el citocromo a. Posteriormente, son pasados al citocromo a3, y este citocromo a3 será quien pase los electrones y reduzca el oxígeno. Entonces, nosotros vamos a tener dos protones más la mitad de una molécula de oxígeno con dos electrones que vienen o provienen de la cadena de transporte de electrones. Vamos a formar una molécula de agua. Esta molécula de agua forma parte del agua metabólica que se forma día con día y se integra a las reservas de agua del cuerpo.

Con esto, pues propiamente dicho, se termina la cadena de transporte de electrones, porque si se fijan, los electrones ya llegaron a su final, que es el oxígeno. El oxígeno tiene como función dentro del cuerpo aceptar estos electrones. Debido a esto es que nosotros necesitamos respirar. Respiramos para tener oxígeno suficiente y mantener los procesos de oxidación de las enzimas. Siempre, una vez que terminemos, lo que llegamos a esta parte en el proceso, nosotros hemos transportado la cantidad de 12 electrones hacia la matriz mitocondrial.

Ahora, en el complejo 5, nosotros vamos a tener [Música] flujo. Vamos a tener un canal por el cual los protones pueden regresar. Estos protones, cuando regresan de el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial, harán girar el complejo 5, también llamado ATP sintasa. Y mediante un proceso que es meramente mecánico, nosotros vamos a tener la formación del ATP. Cada vez que regresa un protón, gira un tercio de vuelta. Se presentan de esta manera. Cuando completamos una vuelta, nosotros generamos. Ahora, estas son mediciones teóricas. Nosotros vamos a tener que cuando regresan los 12 hidrógenos que fueron introducidos al espacio intermembrana gracias al flujo de los electrones provenientes de NADH, cuando regresen, nosotros vamos a obtener la cantidad de. Cuando nos regresen los 8 protones que regresan del flujo de hidrógenos que generaron energía, vamos a obtener aproximadamente 2 a 3 ATP.

Ahora, sin embargo, estas mediciones siguen siendo o esos cálculos siguen siendo de orden teórico. Cuando nosotros obtenemos mitocondrias aisladas o aislamos más mitocondrias de algunos patógenos y se realiza la medición en los medios de cultivo, encontramos que hay una producción aproximada por cada mol de NADH de 2.5 ATP y por cada mol de FADH de 1.5 ATP. Esto quiere decir que es un proceso que no se puede calcular de manera precisa, y eso se debe a que hay un fenómeno que se conoce como "slippage" electrónico, y este se presenta cuando nosotros regresamos los protones a través del complejo 5. Imagínense que es una conglomeración que son los pasajeros del metro de la ciudad de México, todos a la vez. Entonces, existe la posibilidad de que dos protones entren al mismo tiempo a través del canal del complejo 5 y hagan girar la misma cantidad de distancia, es decir, un tercio de vuelta. Dos protones. Y también existe la posibilidad de que no entren ninguno de los hidrógenos y que por simple inercia siga girando el complejo 5.

Ahora, para fines didácticos y para fines de entendimiento y de facilidad para los cálculos en las evaluaciones que realizan en los ejercicios, nosotros tomaremos como un valor para el NADH de 3 ATP y para el FADH de 2 ATP. Bien, también son los valores que están presentes en varias literaturas. Dependiendo del autor y del libro que se revisen, podrán encontrar en algunos tomar los valores que son un poco más exactos, que son 2.5 y 1.5, y en otros libros me va a tomar los valores que facilitan los cálculos, que son 3 para el NADH y 2 para el FADH.

Nosotros tenemos una dificultad de todos los NADH y FADH que hemos producido a lo largo de las rutas metabólicas que ya revisamos. Lo hemos visto que en la glucólisis aerobia nosotros obtenemos un NADH de la reacción número 6 de la glucólisis. Cuando nosotros pasamos de el gliceraldehído 3-fosfato al 1,3-bifosfoglicerato, y esto debido a la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. Entonces, ¿qué es lo que vamos a hacer? Lo que necesitamos, necesitamos transportar esos NADH a la matriz. Sin embargo, las membranas externa e interna son impermeables para el NADH. Por lo tanto, el NADH no va a fluir a través de las membranas. Será necesario transportarlo de alguna otra manera.

Si las membranas son impermeables al NADH, pues hay que convertirlo o transformarlo en una molécula que se pueda pasar. Generalmente, la membrana es impermeable debido a que dentro de la matriz hay grandes cantidades de energía. Y si se permitiera el flujo libre del NADH a través de una membrana, pues viajaría a favor de gradientes, es decir, el NADH que está dentro de la mitocondria saldría al citoplasma. Para evitar esto, la membrana es semipermeable. Para poder pasar, nosotros vamos a necesitar unos sistemas que se conocen como lanzaderas. Las lanzaderas son sistemas que nos permiten ingresar moléculas que normalmente no pueden pasar la membrana, o en este caso, lo que nos interesa es transportar los electrones que están cargando el NADH.

Para eso, nosotros necesitaremos una enzima, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. La deshidrogenación va a tomar el NADH + H+ y les quitará los electrones. Este flujo de electrones nosotros los vamos a ver como un movimiento de hidruros de hidrógeno. Nosotros en esta molécula tenemos la dihidroxiacetona fosfato. El fosfato proviene de la reacción número 3 de la glucólisis. Y cuando hacemos por medio de la isomerasa de la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato, pues podremos obtener que una vez que tenemos la dihidroxiacetona fosfato, le pasamos los electrones del NADH y generamos glicerol fosfato. Si nosotros analizamos la molécula, el único cambio sucede en el carbono número 2, donde pasamos de un grupo cetona a un grupo alcohol, y el otro hidrógeno que fuera añadido en el carbono 1. De esta manera, pasa de dihidroxiacetona fosfato a glicerol 3-fosfato. Ya que tenemos el glicerol 3-fosfato, este puede ser transportado a través de la membrana.

Y una parte, a través de la membrana mitocondrial, nosotros vamos a tener de nuevo la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa. Entonces, nosotros tenemos dos variantes: una variante citosólica y una variante mitocondrial que se encuentra al lado derecho de su pantalla. La variante mitocondrial va a tomar de nuevo los electrones del glicerol 3-fosfato y se los va a pasar al FAD, obteniendo FADH2. De esa manera, el FADH2 puede pasar los electrones al complejo 2 y el complejo 2 posteriormente a la coenzima Q. De esta manera, pues si se fijan, nosotros pasamos de NADH a FADH2. Hay un cambio de molécula transportadora de electrones. Esto es menos eficiente, porque nosotros pasamos una molécula que nos genera 3 ATP a una molécula que solamente nos va a generar 2 ATP. Esta lanzadera se va a estar presente o se va a expresar en el músculo esquelético.

Ahora, en otros tejidos como el corazón y el hígado, nosotros tenemos una lanzadera que es más eficiente, pero es un poco más compleja, porque involucra lo que es el metabolismo de aminoácidos. Para eso, nosotros vamos a necesitar varias enzimas. El objetivo va a ser el mismo: es introducir los electrones que vienen de NADH al interior de la mitocondria para que estos vayan a la cadena de transporte de electrones. ¿Cómo lo vamos a hacer? Vamos a tener la malato deshidrogenasa citoplasmática, aquí en la izquierda de su pantalla, a la izquierda de su pantalla. Y vamos a tomar oxalacetato. A este oxalacetato nosotros igual le vamos a hacer una deshidrogenación, le vamos a pasar los electrones y lo vamos a pasar otra vez en forma de malato. Le vamos a poner los hidrógenos. Vamos a pasar de oxalacetato a malato. Lo único que vamos a hacer, si se fijan, es agregar los electrones en el carbono 4, que tenemos, y vamos a generar de nuevo un grupo alcohol.

Las membranas presentan poros para poder transportar el malato. Y el malato pasa libremente a través de la membrana. Una vez dentro de la mitocondria, nosotros, con una de las enzimas presentes en el ciclo de Krebs, vamos a pasar de malato a oxalacetato. Lo mismo que sucedía en la reacción número 8 del ciclo de Krebs. De esta manera, nosotros vamos a generar NADH. Le pasamos, le quitamos los hidrógenos al malato, se los pasamos al NAD+, generamos NADH y generamos otra vez oxalacetato.

Ahora, el problema de esta lanzadera es que el oxalacetato no puede pasar libremente a través de la membrana de nuevo. Tenemos la misma problemática: hay grandes concentraciones de oxalacetato dentro de la matriz, y si permitimos el flujo libremente, saldría a favor de gradientes, y entonces la concentración de oxalacetato dentro de la mitocondria disminuiría. Entonces, necesitamos sacarlo de alguna manera, y ahí es donde entra nuestra enzima, la aspartato aminotransferasa, aquí arriba.

Esta aspartato aminotransferasa lo que va a hacer es mover el grupo amino. Ahora, aquí el libro presenta un error en esta flecha. Entonces, lo que hace la enzima es que al glutamato le quita un grupo amino, y se lo pasa al oxalacetato. Al oxalacetato, al ponerle un grupo amino, pasa a aspartato. Y el aspartato puede fluir a través de la membrana mitocondrial. Y el oxalacetato puede pasar a través de la membrana a través de un poro.

Una vez que estamos de vuelta en el citoplasma, en la parte izquierda de su imagen, el oxalacetato, de nuevo por la aspartato aminotransferasa, volverá a tener un grupo amino. De vuelta, esta flecha es más fácil, es al revés. Es más fácil entender de esta manera, porque ¿qué es lo que vamos a hacer ahora? Al aspartato le vamos a quitar el grupo amino. Si yo le quito el grupo amino al aspartato y se lo pego al alfa-cetoglutarato, nos vamos al glutamato. El aspartato, sin ese grupo amino, se convierte en oxalacetato. El glutamato podría pasar a través de poros a través de la membrana mitocondrial y regresa a la matriz mitocondrial.

Entonces, se fijan, está relativamente sencillo, nada más es estar viendo cómo es el flujo. Ahora, esta no está tan fácil de entender en ese punto, porque aún no hemos revisado el metabolismo de los aminoácidos. Y a lo mejor esta parte, la parte de arriba, donde nosotros vemos los cambios o las transferencias de grupos amino, principalmente. Sin embargo, lo que debemos de remarcar en este apartado es que vamos a pasar los electrones que pasaban o que vienen de NADH provenientes de la glucólisis al interior como NADH, por lo cual es un proceso altamente eficiente. No hay pérdida de la energía, pasamos de NADH a NADH, manteniendo la producción de ATP igual. Una vez que ya están los NADH dentro de la matriz mitocondrial, pues pueden ingresar a la cadena de transporte de electrones. En este caso, siendo NADH, va a irse al complejo número 1.

Entonces, este proceso es de suma importancia y va a poderse regular. Sin embargo, hay que hacer una aclaración aquí. Si se detiene, nos morimos. Si este es un proceso que va a generar una gran cantidad de ATP y, por lo tanto, es necesario que todo el tiempo funcione. Y la velocidad va a depender de tres factores: la relación que exista entre ADP y ATP, la cantidad de electrones disponibles y la cantidad de oxígeno. Entre más ATP haya, la velocidad va a ser más lenta. Entre más ADP haya, la velocidad va a ser más rápida. Lo podemos ver aquí con estas balanzas. Si nosotros tenemos mayor cantidad de ADP, mayor cantidad de NADH y mayor cantidad de FADH, o mayor cantidad de oxígeno, la velocidad es mayor. Esto quiere decir que las necesidades energéticas del cuerpo en ese momento son altas. En cambio, si nosotros tenemos a la concentración de ATP, a altas concentraciones de NAD+ oxidado y FAD oxidado, es decir, si los hidrógenos y los electrones, nosotros vamos a tener una velocidad menor. Es decir, a mayores niveles de energía, la velocidad va a ser menor. A menores niveles de energía o disponibilidad de electrones, la velocidad va a ser mayor. Si no hay oxígeno, se detiene y si se detiene, nos morimos.

Ahora, este proceso también puede ser detenido mediante fármacos o algunas sustancias. Es decir, va a haber procesos fisiológicos, procesos terapéuticos o moleculares que pueden detener este proceso y se conocen como inhibidores de la respiración celular. Estos inhibidores se pueden dividir en cuatro grupos diferentes. Los primeros que son los desacoplantes. Los desacoplantes lo que nos van a ayudar es eliminar el gradiente de protones que se generó gracias a la cadena de transporte de electrones. Es decir, todo este proceso que estuvimos viendo nos ayudó a transportar hidrógenos hacia el espacio intermembrana. Esto provoca que se acumulen, que exista una mayor proporción y por un gradiente que nos motiva, es decir, por gradientes de concentración, regresa a través de la ATP sintasa, generando la producción de ATP.

Ahora, lo que hacen los desacoplantes es que aumentan la permeabilidad de hidrógenos a través de la membrana. Por ejemplo, nosotros tenemos un desacoplante que es fisiológico y se llama termogenina o proteína desacoplante 1. Esta lo que va a provocar es que los hidrógenos se regresen a través de ella, un canal en la membrana, disminuyendo la concentración en el espacio intermembrana. Pero al regresar no produce energía en forma de ATP. Sin embargo, al ser un canal un poco más estrecho, provoca fricción y esta fricción genera calor. Esta proteína desacoplante no está presente en el tejido adiposo marrón o café, y provocando el incremento de la temperatura. Cuando nosotros tenemos este gradiente de hidrógeno, este tejido adiposo marrón es importante en procesos como la termogénesis, así que nos ayudan a mantener nuestra temperatura corporal cuando la temperatura ambiental es baja. Si, por ejemplo, en invierno, ahora es tanto el efecto que tiene, por ejemplo, hay estudios que han demostrado que trabajadores que realizan sus actividades en la intemperie en países como Alaska van a poder desde utilizar hasta la utilizar la energía de hasta 5 kilogramos de grasa al año, solamente para mantener su temperatura corporal.

Por otro lado, también existen desacoplantes que no son fisiológicos, es decir, de manera normal no están ahí, como por ejemplo, los antibióticos. Y en este proceso, la respiración celular es conservada. Por ejemplo, las bacterias también los realizan, también presentan los complejos del 1 al 5. Sin embargo, ellos no tienen mitocondrias. Los que están en la membrana de la bacteria, la membrana bacteriana. ¿Qué es lo que van a hacer estos antimicrobianos, estos antibióticos? Pues van a generar un poro por el cual van a regresar los hidrógenos, evitando que decrezcan por el complejo 5. De esta manera, la producción de energía de la bacteria disminuye de manera drástica y la bacteria, ayudando al sistema inmunológico, al organismo a eliminar una infección.

Ahora, por otro lado, también tenemos los que son los inhibidores de la cadena de electrones. Esto es lo que van a hacer es bloquear a algún punto de la cadena, evitando que el flujo de electrones continúe de manera normal. Y por lo tanto, podemos bloquear tanto el complejo 1 como el complejo 4. No hay tantos inhibidores para el complejo 2, o al menos no que tengan algún uso terapéutico. Esto debido a que en el complejo 2 solamente recibimos los FADH. Y si recordamos de todo el proceso desde la glucólisis hasta el ciclo de Krebs, nosotros solamente obtenemos 2 FADH por cada molécula de glucosa. Si lo comparamos con los 10 NADH que se producen por cada molécula de glucosa, pues la mayor cantidad de energía proviene del NADH y no del FADH.

De estos inhibidores, el primer ejemplo, el que bloquea el complejo 1, te va a bloquear la recepción de los electrones del NADH. Ejemplos: los barbitúricos como la amital, o los insecticidas como la rotenona. Y por eso, cuando ustedes ven algún insecto, alguna cucaracha, y les rocían algún insecticida que tenga rotenona dentro de su composición, pues la cadena de transporte de electrones se detendrá dentro del insecto. Y como la energía, como los ATP se generan en tiempo real, pues el pobre insecto se quedará sin energía y fallecerá. Así, así como dicen algunos comerciales, es tan rápido que se ven caer, así de rápido tiene que ser la producción de energía.

Ahora, si nosotros nos volvemos al complejo 3, tenemos ahí un ejemplo que es un antibiótico que es la antimicina. Y esta antimicina también bloquea el complejo 3 de las bacterias, bloqueando la producción de energía. De esta manera, las bacterias mueren, se reproducen a una tasa o una velocidad más lenta, favoreciendo su eliminación por el sistema inmunológico.

Ahora, en el complejo 4, nosotros tenemos varios ejemplos que van a estar bloqueando lo que son los núcleos de hierro y azufre o la recepción de los electrones a través del citocromo, o más bien, a partir del citocromo c. Los tenemos como ejemplos el ácido sulfhídrico, el cianuro y el monóxido de carbono. Si, si salieron, si alguna vez se habían preguntado por qué si tomamos cianuro nos morimos, pues, he aquí la respuesta.

Generalmente, pues todos conocemos que el cianuro es altamente venenoso para los seres humanos, y no solamente para los seres humanos, para la mayoría de los seres vivos. Todos recordarán aquellas historias de la Guerra Fría, de la época de los espías, que todos los espías traían, los espías rusos, alemanes, soviéticos, traían una pequeña cápsula con cianuro en alguno de sus piezas dentales, en algunas de sus molares, y cuando eran atrapados, estos rompían la cápsula, liberando el cianuro y deteniendo la producción de energía, provocando la muerte del espía. Sin embargo, no siempre morían. Provocaba la muerte de algunos tejidos, pero el espía sobrevivía algo de tiempo, no moría, si no tenían secuelas permanentes, provocando el sufrimiento y la agonía del paciente por algunos meses o incluso hasta años.

Por otra parte, tenemos el monóxido de carbono. Por eso es tan peligroso, porque además de que la hemoglobina tiene una mayor afinidad por el monóxido que por el oxígeno, y deteniendo o disminuyendo el transporte de oxígeno, pues va a provocar que el oxígeno no llegue hasta el complejo 4 de la cadena de transporte de electrones. Además, el citocromo también va a tener una gran afinidad por el monóxido. Llega el monóxido y bloquea el complejo número 4. De esta manera, no podemos pasar los electrones al oxígeno, deteniendo todo el proceso.

Esta cadena de transporte de electrones sería el equivalente como la cadena de transporte de ladrillos. Se han visto que luego los albañiles, los trabajadores de la construcción, para bajar el material de los camiones, lo que hacen es una cadena de transporte. Agarran, hacen una fila, se ponen a cierta distancia y los trabajadores toman los ladrillos y se los van lanzando unos a otros. ¿Qué pasaría si uno de ellos se detiene y no arroja los electrones al siguiente albañil o al siguiente trabajador? Pues el que está desde el altar de lanzar los ladrillos observará o verán que aún está ocupado, por lo tanto, no se los pueden lanzar, no tiene las suficientes manos para poderlo sujetar. Entonces, el que está antes de él también se detendrá, y así sucesivamente, deteniendo el flujo de ladrillos. Lo mismo sucede aquí. Si nosotros detenemos cualquiera de los complejos, pues se va a detener el flujo de electrones.

Donde podemos encontrar el monóxido, cuando nosotros tenemos una combustión imperfecta o incompleta, pues se libera monóxido. Por ejemplo, cuando a las personas en las áreas más frías le prenden calefacción a base de leña o a base de gas, cierran las ventanas para mantener la temperatura dentro del hogar elevada, provocando que se acumule el monóxido. Con el tiempo, pues las personas lamentablemente pueden fallecer. Otro uso que es poco agradable y que es, a lo mejor, poco grato de recordar, es que en la época del Holocausto, los nazis utilizaban generadores de monóxido y cuando los mandaban a las cámaras de gas, era fácil de producir, era tan caro y podía asesinar una gran cantidad. Y el único problema es que a veces los cálculos les fallaban a los ingenieros y metían en cámaras de gas a un mayor número de personas para la cual estaba diseñada, es decir, la producción de monóxido no era tan rápida, lo que provocaba que las personas tardaran mucho en morir.

Ahora, también nosotros vamos a tener los inhibidores de la ATP sintasa, o complejo 5. Y lo que hacen es inhibir. Si analizamos el complejo 5, una que está incrustada, es el F0, este hacia aquí en la imagen es el mismo. Y aquí en lugar de hacer el medio ambiente, nuestra bien. Ahora, ¿qué es lo que vamos a tener aquí? Cuando los hidrógenos se ingresan, la parte de abajo es cuando están regresando del espacio intermembrana. Y este poro, aquí haciendo que toda la porción F1 comience a girar. De esta manera, al girar, vamos de energía. Vamos a definir regenerar posición, girar un tercio de vuelta y al girar el último se libera el espacio para un nuevo ADP. Y así, como los molinos de viento, aquellos que logramos de un chaval. Al igual que los molinos de viento, nosotros vamos a obtener la energía. Y es lo que van a ser los inhibidores. Si nosotros los guiamos del flujo, ya no va a girar. Si nosotros detenemos la manera en que sea los protones, ya no gira. Y de esa manera, la producción se ve detenida.

Entonces, si se fijan, es un proceso altamente eficiente. De esta manera podemos obtener energía, este poderla utilizar en otros [Música].