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7.2.2.2.3. Cadena transportadora de electrones

Cadena transportadora de electrones

Aunque la molécula de glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se ha oxidado completamente y ha producido energía en forma de ATP, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que aceptaron el NAD+ y el FAD, que se redujeron a NADH y FADH2.

El NADH y FADH2 tienen un gran poder reductor, y transfieren sus electrones al oxígeno molecular (O2) a través de una cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. En el transporte de estos electrones se libera gran cantidad de energía que se utiliza para formar ATP (fosforilación oxidativa).

Transporte electrónico

Los electrones de las moléculas de NADH y FADH2, con alto nivel energético, pasan por distintas moléculas transportadoras a favor de un gradiente de potenciales de oxidorreducción hasta llegar al O2, que es el aceptor final de electrones.

Estas moléculas transportadoras, en la membrana mitocondrial interna, se reducen y oxidan, aceptando electrones y cediéndoselos a la molécula siguiente, descendiendo los electrones desde niveles energéticos altos a otros inferiores. Al bajar a otros niveles se libera energía que se empleará en la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa.

Las moléculas transportadoras de electrones de la cadena respiratoria están agrupadas en cuatro grandes complejos supramoleculares situados en la membrana mitocondrial interna:

  • Complejo I o Complejo NADH-deshidrogenasa.
  • Complejo II o Ubiquinona o Coenzima Q reductasa.
  • Complejo III o Complejo citocromo b-c1.
  • Complejo IV o Complejo citocromo-oxidasa.

Fosforilación oxidativa: hipótesis quimiosmótica de Mitchell

La cadena respiratoria, en las crestas mitocondriales, está constituida por una serie de moléculas, los transportadores de protones (H+) y los transportadores de electrones (e-). Los protones y electrones van pasando de una a otra, desde el sustrato hasta el O2, que se reduce obteniéndose agua.

Al pasar los electrones de una molécula a la de menor nivel energético, se produce el paso de protones (H+) de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando una gran diferencia de potencial respecto al de la matriz. Después, los protones regresan a la matriz a través de los oxisomas, activando la ATP sintasa y formando ATP. A este proceso se le llama fosforilación oxidativa, y permite sintetizar ATP a partir de la energía obtenida en las moléculas de NADH y FADH2 liberadas en la glucólisis y en el ciclo de Krebs. De cada NADH se obtienen 3 ATP y del FADH2, sólo 2 ATP.

En la cadena de transporte electrónico:
3 ADP + 3Pi + NADH + O2 → 3 ATP + 2 NAD+ + H2O
2 ADP + 2Pi + FADH2 + O2 → 2 ATP + 2 FAD++ H2O

Para no perdernos en el proceso respiratorio, recordaremos que en la glucólisis se habían producido dos moléculas de NADH, la oxidación del ácido pirúvico a acetil CoA produjo dos moléculas de NADH, y el ciclo de Krebs produjo dos moléculas de FADH2 y seis moléculas de NADH por cada molécula de glucosa.

2 NADH Glucólisis
2 NADH Oxidación de ácido pirúvico a acetil CoA
2 FADH2
Ciclo de Krebs
6 NADH

Este mecanismo por el que se obtiene ATP fue explicado por la hipótesis quimiosmótica o teoría del acoplamiento quimiosmótico, propuesta por Peter Mitchell en 1961.

Según esta hipótesis, la energía liberada al pasar los electrones a otra molécula de menor nivel energético se utiliza para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranal. Así se crea una diferencia de concentración de protones y de cargas eléctricas entre el espacio intermembrana y la matriz, el gradiente electroquímico.

Las enzimas ATP sintasas de la membrana mitocondrial interna tienen un canal en su interior por el que vuelven los protones a la matriz mitocondrial, produciendo la fosforilación del ADP para sintetizar ATP.

Curiosidad: Peter Mitchell, Premio Nobel de Química de 1978

Peter Mitchell (1920-1992) fue un bioquímico inglés galardonado con el Premio Nobel de Química en 1978 por sus estudios sobre la transferencia de energía biológica explicada en la teoría quimiosmótica.

Preguntas que han salido en exámenes de acceso a la Universidad (Selectividad, EBAU, EvAU)

Aragón, Junio de 2019, opción B, cuestión 2.

En relación con el esquema adjunto, conteste las siguientes cuestiones: (2,5 puntos)

a) Defina brevemente anabolismo y catabolismo. (0,5 puntos)

b) ¿En qué tipos de células aparece el orgánulo representado? (0,2 puntos)

c) Teniendo en cuenta el esquema adjunto, indique las estructuras señaladas como A, B, C. (0,3 puntos)

d) Indique el nombre de los procesos representados con los números 1 y 2. Indique el nombre de la molécula 3. (0,6 puntos)

e) ¿Qué ruta metabólica da origen al piruvato? (0,2 puntos)

f) Explique brevemente cuál es el papel del NADH y FADH2 que se generan en el proceso (0,7 puntos)

Aragón, Septiembre de 2014, opción A, cuestión 5.

Defina los siguientes procesos:

a) Glucolisis, fermentación (0,5 puntos)

b) Fosforilación oxidativa, (0,5 puntos)

c) Fotosíntesis, (0,5 puntos)

d) Indique en que tipos de células eucarióticas y en qué lugar de las mismas se realizan los procesos de los apartados a, b y c. (0,5 puntos).

Aragón, Junio de 2010, opción A, cuestión 5.

¿Cuál es la finalidad de la cadena respiratoria? Indicar su funcionamiento. (2 puntos)

Murcia, Septiembre de 2017, opción A, cuestión 3

En relación con el catabolismo, responda a las siguientes preguntas:

a) ¿En qué parte de la mitocondria tiene lugar el ciclo de Krebs? ¿Dónde se realiza la cadena respiratoria? (0,4 ptos).

b) ¿Cuál es la importancia del acetil-CoA en el metabolismo? (0,5 ptos).

c) ¿Qué coenzimas reducidos se generan en el ciclo de Krebs? (0,3 ptos) y ¿cuál es la finalidad de la cadena respiratoria? (0,3 ptos).

Galicia, Junio de 2018, opción B, cuestión 2

Explique brevemente el proceso de la fosforilación oxidativa e indique:

a) ¿Con qué compuesto empieza y con cuál termina?

b) ¿Donde tiene lugar?

c) ¿Qué se genera?

d) ¿Para qué sirve?

Castilla y León, Julio de 2020, pregunta 3

Respecto a la ATP sintetasa:

a) ¿Qué tipo de biomolécula es y dónde se localiza? (0,4)
b) ¿Qué papel desempeña? Explique brevemente su funcionamiento. (1,0)
c) ¿En qué procesos metabólicos participa? (0,6)

Galicia, Julio de 2020, pregunta 4

La figura 3 es un esquema de un orgánulo celular:

a) ¿De qué orgánulo se trata? ¿Qué proceso estaría representado por el número 1? ¿A qué proceso hacen referencia los números 2, 3, 4, 5 y 6? ¿Con qué compuesto, representado por la letra Y, comenzaría dicho proceso? ¿Y qué compuesto representa la letra W? ¿Qué pasaría si no hubiera suficiente compuesto W?

b) ¿Qué representa el número 7? ¿En qué proceso interviene? ¿Qué representa la letra X? ¿Qué compuesto se consigue al final representado por la letra B? (2 puntos)

Madrid, Julio de 2020, pregunta B4

B.4.- (2 puntos) Respecto a los procesos energéticos celulares:

c) Indique la localización mitocondrial de las reacciones del ciclo de Krebs y de la cadena transportadora de electrones respiratoria (0,5 puntos).

Ideas fundamentales sobre la cadena transportadora de electrones

Cadena transportadora de electrones

  • La glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se ha oxidado completamente y ha producido ATP, pero la mayor parte de la energía se encuentra en forma de NADH y FADH2.
  • El NADH y FADH2 ceden sus electrones al oxígeno a través de una cadena de transporte electrónico, y en ese transporte, se produce ATP (fosforilación oxidativa).
  • Los electrones (y los H+) llegan hasta el oxígeno obteniéndose agua.
  • Se realiza en la membrana mitocondrial interna,
  • Los electrones pasan de una molécula a otra de menor nivel energético y los protones (H+) pasan de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando una gran diferencia de potencial respecto al de la matriz.
  • Los protones (H+) vuelven a la matriz activando la ATP sintasa y formando ATP.
    • La ATP sintasa:
      • Actúa como una bomba de protones (H+).
      • Esta situada  en las crestas mitocondriales de la membrana mitocondrial interna y en la membrana de tilacoides (en cloroplastos). 
      • Función: sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.
  • Por cada NADH se obtienen 3 ATP y por cada FADH2, sólo 2 ATP.
  • Recordando lo obtenido en el proceso respiratorio de una molécula de glucosa:
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