Explorando los Complejos Respiratorios Mitocondriales: Función y Mecanismo

Complejos Respiratorios Mitocondriales

Los complejos respiratorios son estructuras supramacromoleculares embebidas en las membranas mitocondriales. Estos complejos pueden separarse físicamente y son esenciales para la cadena respiratoria. En la membrana interna se encuentran los cuatro complejos transportadores:

1. Complejo I: NADH-Q-oxidorreductasa

Este complejo transfiere dos electrones desde el NADH hasta la ubiquinona. Está compuesto por 42 subunidades. Cataliza dos procesos simultáneamente: la transferencia exergónica de un ión hidruro del NADH y un protón de la matriz hacia la ubiquinona, y la transferencia endergónica de 4 H+ de la matriz hacia el espacio intermembranoso. Funciona como una bomba de H+ impulsada por la energía de la transferencia de electrones, catalizando una reacción vectorial que mueve los H+ en una dirección específica desde una localización inicial hacia una final en el espacio intermembranoso, cargándolo positivamente.

Reacción: NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2

2. Complejo II: Succinato-Q-deshidrogenasa

Es la única enzima ligada a la membrana que interviene en el ciclo de Krebs. Posee dos grupos prostéticos y cuatro proteínas diferentes. Una de ellas contiene un FAD unido covalentemente y un centro Fe-S con cuatro átomos de Fe. Los electrones pasan desde el succinato al FAD y después a la ubiquinona a través de estos centros de Fe-S. Otros sustratos de las deshidrogenasas mitocondriales pasan electrones a la cadena respiratoria a nivel de la ubiquinona, pero no a través del Complejo II. El primer paso en la β-oxidación de los ácidos grasos-CoA es catalizado por la acil-CoA deshidrogenasa, que transfiere electrones desde el sustrato al FAD de la deshidrogenasa. A continuación, la flavoproteína transferidora de electrones (ETF) pasa los electrones a la ETF:ubiquinona oxidorreductasa, que reduce la ubiquinona.

Reacción: Succinato + Q → Fumarato + QH2

3. Complejo III: Q-citocromo C oxidorreductasa

Este complejo transfiere electrones desde la ubiquinona al citocromo c, acoplando esta transferencia con el transporte de protones desde la matriz al espacio intermembranoso. El ciclo Q adapta el cambio entre el transportador de dos electrones (ubiquinona) y los transportadores de un electrón (citocromos). Explica la estequiometría medida de cuatro protones translocados por cada par de electrones que pasan del complejo al citocromo c.

Reacción: QH2 + 2 Cyt-c (oxidado) + 2H+n → Q + 2 Cyt-c (reducido) + 4H+p

4. Complejo IV: Citocromo C oxidasa

Este complejo transfiere los electrones del citocromo c al oxígeno molecular, reduciéndolo a agua. Tiene un peso molecular de más de 200 kDa y cataliza la transferencia de electrones y el bombeo de protones. Está formado por tres subunidades esenciales para su función. La subunidad II mitocondrial contiene dos iones de cobre que forman un complejo con los grupos SH de dos residuos de cisteína. La subunidad I posee dos grupos hemo (a y a3) y otro ion de cobre. El grupo hemo y el cobre forman otro centro nuclear que acepta los electrones del grupo hemo y los transfiere al O2. El recorrido simplificado que hacen los electrones en este complejo es del citocromo C al centro Cu, al hemo a, al centro hemo a3-Cu, y finalmente al O2. Por cada cuatro electrones que pasan, la enzima consume 4 H+ de la matriz, convirtiendo el O2 en dos moléculas de H2O. Además, utiliza la energía de las reacciones redox para bombear un H+ hacia el espacio intermembranoso por cada electrón que pasa.

Reacción: 4 Cyt-c (reducido) + 8 H+n + O2 → 4 Cyt-c (oxidado) + 4 H+p + 2 H2O

Todas las reacciones solo son posibles si los potenciales redox del complejo siguiente son superiores al del anterior, ya que tiene más afinidad por los electrones y tiende a quitárselos. El Complejo II no puede bombear protones a la vez que transfiere electrones porque no posee la suficiente energía.