La cadena de transporte electrónico y la respiración celular

La segunda gran aportación metabólica de la mitocondria a las células eucariotas es la respiración celular, realizada gracias al transporte electrónico. El ciclo de Krebs, en realidad, no guarda relación con el oxígeno, sino que se trata de una ruta de oxidación anaerobia completa del acetil coenzima A. En ese proceso se produce una pequeña cantidad de energía (1GTP = 1ATP por cada molécula de acetil coA, dos por cada molécula de glucosa) pero, sobre todo, se desprende un buen número de protones y electrones (ocho en total por cada molécula de acetil coA) que van a parar a las coenzimas de oxidación reducción, especialmente al NADH+H⁺.

El efecto de esto es que la célula se encuentra con un excedente de protones y electrones ubicados en moléculas que, por otra parte, poseen un considerable contenido energético en forma de poder reductor. La gran innovación metabólica de los organismos primitivos que dieron origen a las mitocondrias fue, sin duda, el desarrollo de un proceso que permite aprovechar el poder reductor de las coenzimas redox para generar la forma de energía química más utilizada por la célula: el ATP.

El proceso por el que una forma de energía química (el potencial redox) se transforma en la otra (la energía almacenada en el enlace fosfato del ATP) incluye reacciones de oxidación reducción, bombeo de protones en contra de gradiente a través de la membrana mitocondrial interna y acoplamiento entre el paso de protones a favor de gradiente y la fosforilación del ADP.


Visión teórica de la respiración celular

El desarrollo del proceso de respiración celular en la mitocondria pone en juego tres "tipos" de energía química y los respectivos procesos relacionados con ellos:

• El potencial redox: una sustancia reducida puede ceder sus electrones a otra en una reacción espontánea, siempre que la segunda tenga un potencial redox menor que la primera. La transferencia de electrones lleva aparejada un intercambio de energía, que puede ser utilizado en otros procesos. En la respiración celular las sustancias reducidas, con un elevado potencial redox, son las coenzimas de oxidación reducción generadas en el ciclo de Krebs y en otros procesos metabólicos, el NADH+H⁺ y el FADH₂. Estas sustancias ceden sus electrones a una proteína de menor potencial redox, que a su vez los ceden a otro compuesto, iniciando una cadena de transferencia. Cada transferencia de electrones supone una liberación de energía que se utiliza en otro proceso. Finalmente, los electrones tienen que ser transferidos a una última sustancia que se los queda sufriendo una modificación química. En la respiración celular, el aceptor final de esos electrones es el oxígeno, que los utiliza para reaccionar con dos protones y generar una molécula de agua. Este es, precisamente, el punto en el que aparece el oxígeno en todo el proceso.
• Energía asociada al gradiente de concentración: de acuerdo con el principio de equilibrio químico, si existen dos compartimentos separados por una membrana permeable o semipermeable que contienen una misma sustancia, la concentración de dicha sustancia tiende a igualarse en ambos compartimentos. Si la membrana no permite el paso de esa sustancia, se crea un gradiente quimosmótico, que es una forma de energía química, que tiende a restablecer el equilibrio. En la respiración celular la especie química que genera el gradiente son los protones, H+, procedentes en último término de las coenzimas de oxidación reducción. Algunas de las proteínas que transfieren electrones son capaces de utilizar la energía liberada en la reacción redox para enviar protones a través de la membrana interna de la mitocondria, en contra del gradiente de concentración, acumulándolos en el espacio intermembranoso.
• Energía de enlace: la energía desprendida en un proceso químico puede ser utilizada en una reacción de formación de un enlace, pudiéndose recuperar cuando ese enlace se rompa. Cada tipo de enlace posee un valor característico de energía de formación y de hidrólisis. En la respiración celular la ATP sintasa (o ATPasa) es capaz de formar un enlace de alta energía entre el ADP y un fosfato inorgánico, dando lugar a ATP. La energía necesaria para formar dicho enlace procede del paso de los protones que se habían acumulado en el espacio intermembranoso de la mitocondria, precisamente a través de la propia ATP sintasa, que actúa también como transportador.

 Cadena de transporte electrónico

La cadena de transporte electrónico de la mitocondria es un conjunto de complejos multienzimáticos, proteínas y otras sustancias liposolubles presentes en la membrana mitocondrial interna que pueden sufrir reacciones redox sucesivas, recibiendo electrones de un compuesto con mayor potencial redox que ellos, y cediéndolos a otra sustancia de menor potencial. Algunos de los complejos multienzimáticos tienen, además, actividad como "bomba de protones", lo que significa que son capaces de enviar estos iones a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembranoso.

El proceso en sí es una transferencia, en la que los electrones pasan desde una sustancia inicial (el dador electrónico) hasta una final (el aceptor). La diferencia de potencial redox entre ambas sustancias es muy elevada, lo que supondría, en caso de ocurrir en un solo paso, la pérdida de gran cantidad de energía. En lugar de esto, lo que ocurre es que, al introducirse elementos intermedios y formar una cadena, los saltos energéticos en cada paso son menores, y la energía se aprovecha mejor.

Los dadores electrónicos en la cadena de transporte mitocondrial son las coenzimas de oxidación reducción en su forma reducida: NADH+H⁺ y FADH₂. Estos compuestos se comportan de forma diferente entre sí, y de hecho ceden sus electrones a complejos multienzimáticos distintos, lo que supone que permitann producir cantidades distintas de energía.

• El NADH+H⁺ cede sus electrones al Complejo I (NADH reductasa), que actúa también como bomba de protones.
• El FADH₂ no es una sustancia soluble, sino que permanece firmemente unido a la enzima en la que se forma (cofactor). Cede sus electrones al complejo multienzimático en el que se ha formado, el llamado Complejo II (fumarato reductasa), que no es una bomba de protones.

El resto de los elementos de la cadena son los mismos, pero esta diferencia  hace que el NADH permita el bombeo de 10 protones al espacio intermembranoso, mientras que el FADH solo hace que se bombeen 6, lo que se traduce en que se produzcan 3 moléculas de ATP por cada molécula de NADH que se incorpora a la cadena de transporte electrónico, pero solo 2 moléculas de ATP por cada una de FADH que lo hace.

Los electrones del complejo I o del complejo II son transferidos a la ubiquinona, un transportador de pequeño tamaño y soluble en la membrana, que los traslada hasta el complejo II, el complejo citocromo bc1, que también es una bomba de protones, capaz de expulsar tres por cada par de electrones recibidos.

El complejo citocromo bc1 cede un único electrón al citocromo c, una proteína pequeña y móvil que lo traslada al complejo citocromo c oxidasa. Cuando este complejo proteico recibe una pareja de electrones realiza varias funciones:

• Transfiere otros tres protones hacia el espacio intermembranoso
• Cede la pareja de electrones a una molécula de oxígeno
• Cataliza una reacción química que hace reaccionar el oxígeno con el hidrógeno, para producir agua.

El balance final de la cadena de transporte electrónico es la transferencia de 10 protones si los electrones proceden del NADH+H⁺ y de 8 si los electrones proceden del FADH₂.

Actividad de la ATP sintasa (ATPasa)

Las membranas biológicas son impermeables a los iones, entre ellos a los protones, de modo que la diferencia de concentración de protones generada por la actividad de los transportadores electrónicos no puede compensarse espontáneamente. El paso de este tipo de especies químicas a través de la bicapa debe hacerse mediante un transportador específico de naturaleza proteica.

En el caso de la respiración celular, el transportador de membrana que permite el paso de los protones a favor de gradiente de concentración es una enzima que recibe el nombre de ATP sintasa o ATPasa, porque es capaz de acoplar este transporte con la fosforilación del ADP. Este proceso, el acoplamiento entre el gradiente de concentración de protones y la síntesis de ATP se denomina hipótesis de acoplamiento quimiosmótico.

La ATP sintasa es una enzima altamente conservada evolutivamente. Tiene dos componentes, uno de los cuales se integra en la membrana, mientras que la otra, que sobresale hacia la matriz mitocondrial, se encarga de la fosforilación.

Balance energético de la respiración celular y comparación con la glucolisis

El balance energético de la respiración celular es solo un valor teórico, aproximado, porque la utilización que hace la célula de los pasos intermedios en las rutas metabólicas implicadas es mucho más flexible de lo que indica su estudio teórico. En todo caso, para poder establecer una comparación entre el rendimiento entre la glucolisis y la respiración celular hay que tener en cuenta que ambas rutas ocurren en compartimentos celulares distintos y que el paso de sustancias de uno a otro no siempre es sencillo.

En concreto, el NADH+H⁺ que se genera en el citoplasma no puede atravesar directamente las membranas mitocondriales, sino que lo hace mediante un sistema de "lanzaderas", un conjunto de reacciones químicas que consumen NADH+H⁺en el citoplasma para sintetizar una sustancia reducida, que sí puede atravesar las membranas, regenerando luego la coenzima en el interior de la mitocondria. Estos procesos, sin embargo, consumen energía: una molécula de ATP por NADH+H⁺ transferido.

En realidad, lo más probable es que la célula no utilice frecuentemente estas lanzaderas, sino que emplee el NADH+H⁺en el citoplasma para otras reacciones, aunque para comparar el rendimiento energético de los procesos hay que considerar que el paso sí se produce. Teniendo esto en cuenta, el rendimiento energético de ambos procesos sería el siguiente:

• Glucolisis (en el citoplasma): una molécula de glucosa produce...
• Dos moléculas de ATP
• Dos moléculas de NADH+H⁺ .
• Respiración celular:
• El paso del NADH+H⁺supone el gasto de un ATP por molécula (-2 ATP)
• La descarboxilación oxidativa del piruvato proporciona dos NADH+H⁺.
• En el ciclo de Krebs entran dos moléculas de acetil coA por cada glucosa, dando lugar a...
• Dos moléculas de GTP
• Seis moléculas de NADH+H⁺.
• Dos moléculas de FADH₂
• La cadena de transporte electrónico produce
• Treinta ATPs a partir del NADH+H⁺ (tres por cada molécula, por diez moléculas)
• Cuatro ATPs a partir del  FADH₂. 

En resumen, la oxidación completa de una molécula de glucosa mediante la respriación celular produce un total de 36 moléculas de ATP (teniendo en cuenta la pérdida en la transferencia del  NADH+H⁺), mientras que la oxidación parcial de esa misma molécula en la glucolisis solo proporciona dos moléculas de ATP y otras dos de NADH+H⁺, que no pueden ser transformadas en ATP en el citoplasma. La diferencia de rendimiento entre ambos procesos se debe a:

• La oxidación completa de la glucosa, sin necesidad de oxígeno, proporciona tanto poder reductor como energía mediante reacciones de descarboxilación oxidativa. Sin embargo, el aporte energético "directo" de estos procesos es pequeño: solo dos moléculas más de GTP (las que se producen en el ciclo de Krebs).
• La transformación del potencial redox de las coenzimas de oxidación reducción en energía química es, sin duda, el proceso metabólico que mayor energía proporciona a la célula. La fosforilación oxidativa es, por tanto, la principal fuente energética de las células eucariotas heterótrofas.

Desde un punto de vista evolutivo, la adquisición por parte de los primeros eucariotas de estos dos procesos metabólicos al incorporar las proto-mitocondrias a su estructura celular debió suponer una gran ventaja evolutiva, gracias a una enorme mejora del rendimiento energético de su metabolismo. A esto hay que añadir, además, que la mitocondria es también el orgánulo responsable de la  β-oxidación, el proceso de degradación de los ácidos grasos, que proporciona una molécula de NADH+H⁺ y otra de FADH₂ y un acetil coA por cada dos átomos de carbono.