Cadena respiratoria: enzimas funcionales

Todas las reacciones bioquímicas en las células de cualquier organismo continúan con el gasto de energía. La cadena respiratoria es una secuencia de estructuras específicas que se localizan en la membrana interna de las mitocondrias y sirven para la formación de ATP. El trifosfato de adenosina es una fuente universal de energía y puede acumularse en sí mismo de 80 a 120 kJ.

La cadena respiratoria de los electrones – ¿qué es?

Los electrones y los protones juegan un papel importante en la formación de energía. Crean una diferencia de potencial en lados opuestos de la membrana mitocondrial, que genera un movimiento dirigido de partículas – corriente. La cadena respiratoria (ETC, la cadena de transferencia de electrones) es un intermediario en la transferencia de partículas positivamente cargadas al espacio intermembrana y partículas cargadas negativamente en el espesor de la membrana interna de las mitocondrias.

El papel principal en la formación de energía pertenece a la ATP sintasa. Este complejo complejo modifica la energía del movimiento dirigido de los protones en la energía de los enlaces bioquímicos. Por cierto, un complejo casi idéntico se encuentra en los cloroplastos de las plantas.

Complejos y enzimas de la cadena respiratoria

La transferencia de electrones se acompaña de reacciones bioquímicas en presencia de un aparato enzimático. Estas sustancias biológicamente activas, cuyas numerosas copias forman grandes estructuras complejas, sirven como intermediarios en la transferencia de electrones.

Los complejos de la cadena respiratoria son los componentes centrales del transporte de partículas cargadas. En total, hay 4 formaciones en la membrana interna de la mitocondria, así como ATP sintasa. Todas estas estructuras están unidas por un objetivo común: la transferencia de electrones a través del ETC, la transferencia de protones de hidrógeno en el espacio intermembrana y, en consecuencia, la síntesis de ATP.

El complejo es un grupo de moléculas de proteínas, entre las cuales hay enzimas, proteínas estructurales y de señalización. Cada uno de los 4 complejos cumple su propia función, que le es peculiar. Veamos para qué tareas en el ETC existen estas estructuras.

Yo complejo

En la transferencia de electrones en el espesor de la membrana mitocondrial, la cadena respiratoria juega el papel principal. Las reacciones del desprendimiento de los protones del hidrógeno y sus electrones acompañantes son una de las reacciones centrales del ETC. El primer complejo de la cadena de transporte toma las moléculas NAD * H + (en animales) o NADP * H + (en plantas), seguido de la separación de cuatro protones de hidrógeno. En realidad, debido a esta reacción bioquímica, el complejo I también se llama NADH deshidrogenasa (por el nombre de la enzima central).

La composición del complejo de deshidrogenasa incluye proteínas deficientes en hierro de 3 especies, así como mononucleótidos de flavina (FMN).

II complejo

El trabajo de este complejo no está asociado con la transferencia de protones de hidrógeno en el espacio intermembrana. La función principal de esta estructura es suministrar electrones adicionales a la cadena de transporte de electrones oxidando el succinato. La enzima central del complejo es succinato-ubiquinona-oxidorreductasa, que cataliza la eliminación de electrones del ácido succínico y la transferencia a ubiquinona lipófila.

El proveedor de hidrógeno y protones electrónicos al segundo complejo es también FAD * H ₂ . Sin embargo, la eficacia del dinucleótido de flavina adenina es menor que la de sus análogos – NAD * H o NADP * H.

La composición del complejo II incluye tres tipos de proteínas de hierro-azufre y una enzima central succinato-oxidorreductasa.

III complejo

El siguiente componente, el ETC, consiste en citocromos b ₅₅₆ , B ₅₆₀ y c ₁ , así como la deficiencia de hierro proteína Riske. El trabajo del tercer complejo está asociado con la transferencia de dos protones de hidrógeno en el espacio intermembrana, y los electrones de la ubiquinona lipófila en el citocromo C.

Una característica de la proteína Riesgo es que se disuelve en la grasa. Otras proteínas de este grupo que se encontraron en los complejos de la cadena respiratoria son solubles en agua. Esta característica afecta la posición de las moléculas de proteínas en el espesor de la membrana interna de la mitocondria.

El tercer complejo funciona como ubiquinona-citocromo c-oxidorreductasa.

Complejo IV

También es un complejo citocromo-oxidante, es el punto final en el ETC. Su trabajo es transferir el electrón del citocromo-c a los átomos de oxígeno. Posteriormente, los átomos de O cargados negativamente reaccionarán con protones de hidrógeno para formar agua. La enzima principal es el citocromo c-oxígeno-oxidorreductasa.

El cuarto complejo incluye citocromos a, a ₃ y dos átomos de cobre. El citocromo a ₃ desempeña un papel central en la transferencia de un electrón al oxígeno. La interacción de estas estructuras es suprimida por el cianuro de nitrógeno y el monóxido de carbono, que en un sentido global conduce a la cesación de la síntesis de ATP y la muerte.

Ubihinon

La ubiquinona es una sustancia similar a la vitamina, un compuesto lipofílico que se mueve libremente en el espesor de la membrana. La cadena respiratoria de las mitocondrias no puede prescindir de esta estructura, ya que es responsable del transporte de los electrones de los complejos I y II al complejo III.

La ubiquinona es un derivado de benzoquinona. Esta estructura en los esquemas puede ser indicada por la letra Q o abreviada LU (ubiquinona lipófila). La oxidación de la molécula conduce a la formación de siete-quinona – un oxidante fuerte, que es potencialmente peligroso para la célula.

ATP sintasa

El papel principal en la formación de energía pertenece a la ATP sintasa. Esta estructura tipo hongo utiliza la energía del movimiento dirigido de las partículas (protones) para transformarlo en la energía de los enlaces químicos.

El proceso principal que ocurre a lo largo del ETC es la oxidación. La cadena respiratoria es responsable de la transferencia de electrones al espesor de la membrana mitocondrial y su acumulación en la matriz. Simultáneamente, los complejos I, III y IV bombean protones de hidrógeno en el espacio intermembrana. La diferencia de cargas en los lados de la membrana conduce al movimiento direccional de los protones a través de la ATP sintasa. Así que H + caen en la matriz, se encuentran electrones (que están asociados con el oxígeno) y forman una sustancia neutra para el agua de la célula.

La ATP sintasa consiste en F0 Y F1 subunidades, que en conjunto forman una molécula enrutador. F1 consta de tres subunidades alfa y tres beta, que en conjunto forman un canal. Este canal tiene exactamente el mismo diámetro que tienen los protones de hidrógeno. Cuando las partículas positivamente cargadas pasan a través de la ATP sintasa, la cabeza de la molécula F ₀ gira 360 grados alrededor de su eje. Durante este tiempo, los residuos de fósforo se unen a AMP o ADP (adenosina y difosfato) con la ayuda de enlaces macroérgicos, en los que una gran cantidad de energía está encerrada.

Las ATP sintasas se encuentran en el cuerpo no sólo en las mitocondrias. En las plantas, estos complejos también se localizan en la membrana de las vacuolas (tonoplast), así como en los tilakoides del cloroplasto.

También en las células de animales y plantas hay ATP-ase. Tienen una estructura similar, como en las ATP sintasas, pero su acción se dirige a la escisión de residuos de fósforo con el gasto de energía.

Significado biológico de la cadena respiratoria

En primer lugar, el producto final de las reacciones ETC es el llamado agua metabólica (300-400 ml por día). En segundo lugar, la síntesis de ATP se produce y la energía se almacena en los enlaces bioquímicos de esta molécula. En un día 40-60 kg de adenosina trifosfato se sintetiza y la misma cantidad se utiliza en las reacciones enzimáticas de la célula. La vida de una molécula de ATP es de 1 minuto, por lo que la cadena respiratoria debe funcionar sin problemas, claramente y sin errores. De lo contrario, la célula morirá.

Las mitocondrias se consideran las centrales eléctricas de cualquier célula. Su número depende de los costos de energía que se requieren para ciertas funciones. Por ejemplo, en neuronas, se pueden contar hasta 1.000 mitocondrias, que a menudo forman un conglomerado en la llamada placa sináptica.

Diferencias en la cadena respiratoria en plantas y animales

En las plantas, la "estación de energía" adicional de la célula es el cloroplasto. También se han encontrado ATP sintasas en la membrana interna de estos orgánulos, y esto es una ventaja sobre las células animales.

Además, las plantas pueden sobrevivir en condiciones de alta concentración de monóxido de carbono, nitrógeno y cianuros debido a una trayectoria resistente al cianuro en el ETC. La cadena respiratoria, por lo tanto, termina en ubiquinona, cuyos electrones son inmediatamente transferidos a átomos de oxígeno. Como resultado, menos ATP se sintetiza, pero la planta puede sobrevivir condiciones adversas. Los animales en estos casos con exposición prolongada mueren.

Es posible comparar la eficiencia de NAD, FAD y vía estable de cianuro mediante el índice de producción de ATP para la transferencia de 1 electrón.

• Con NAD o NADP formado 3 moléculas de ATP;
• Con FAD se forman dos moléculas de ATP;
• Una molécula de ATP se forma a lo largo de la vía cianuro-estable.

Valor evolutivo de ETC

Para todos los organismos eucariotas, una de las principales fuentes de energía es la cadena respiratoria. La bioquímica de la síntesis de ATP en una célula se divide en dos tipos: fosforilación del substrato y fosforilación oxidativa. ETC se utiliza en la síntesis de energía del segundo tipo, es decir, debido a reacciones de oxidación-reducción.

En los organismos procariotas, el ATP se forma sólo en el proceso de fosforilación del substrato en la etapa de glicolisis. Los azúcares de seis carbonos (principalmente glucosa) están implicados en un ciclo de reacciones, ya la salida la célula recibe 2 moléculas de ATP. Este tipo de síntesis de energía se considera la más primitiva, ya que en el proceso eucariótico 36 moléculas de ATP se forman en el proceso de fosforilación oxidativa.

Sin embargo, esto no significa que las plantas y animales modernos hayan perdido la capacidad de fosforilar la fosforilación. Simplemente este tipo de síntesis de ATP se ha convertido en sólo una de las tres etapas de la obtención de energía en la célula.

La glucólisis en eucariotas pasa en el citoplasma de la célula. Hay todas las enzimas necesarias que pueden dividir la glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico con la formación de 2 moléculas de ATP. Todas las etapas posteriores pasan en la matriz de las mitocondrias. El ciclo de Krebs, o ciclo de ácidos tricarboxílicos, también ocurre en las mitocondrias. Esta es una cadena cerrada de reacciones, como resultado de lo cual se sintetizan NAD * H y FAD * H2. Estas moléculas irán como un material fungible en el ETC.