Bioquímica General · Nivel Intermedio Unidad 4 Parte 1 de 2

Transporte
Electrónico

Cadena respiratoria · Potencial de reducción · Complejos I–IV · CoQ · Citocromos · Lanzaderas de equivalentes reductores

Potencial de reducción (E'₀)— reacciones redox, ecuación de Nernst
Complejo I — NADH deshidrogenasa— FMN, centros Fe-S, CoQ
Complejo II — Succinato deshidrogenasa— FAD, punto de recogida CoQ
Complejos III y IV — Citocromos— ciclo Q, citocromo oxidasa, H₂O
Lanzaderas de equivalentes reductores— glicerol-3-fosfato · malato/aspartato

Ref.: M. Chairez. Unidad 4: Bioenergética y metabolismo. Bioquímica General, UACJ, s.f.

🎯
Diapositiva 02 · Objetivos
Al terminar esta clase podrás…
1
Explicar el concepto de potencial de reducción estándar (E'₀) y calcular cambios de energía libre (ΔG°') a partir de diferencias de potencial entre parejas redox.
2
Describir la estructura y función del Complejo I (NADH deshidrogenasa): subunidades, cofactores FMN y Fe-S, y transferencia de electrones hacia la CoQ.
3
Identificar la CoQ como punto de recogida electrónica y explicar cómo los Complejos I y II (y otras flavoproteínas) convergen en ella.
4
Explicar el ciclo Q (Complejo III) y la función del Complejo IV (citocromo oxidasa) en la reducción del O₂ a H₂O.
5
Comparar las lanzaderas de glicerol-3-fosfato y malato/aspartato para la transferencia de equivalentes reductores del citosol a la matriz mitocondrial.
🔬
Diapositiva 03 · Contexto
La membrana interna mitocondrial y la cadena respiratoria
⚡ Idea central
La membrana interna mitocondrial (muy plegada en crestas) aloja los cinco complejos multiproteicos de la cadena respiratoria. La energía de la reoxidación del NADH impulsa la síntesis endergónica de ATP — eso es la fosforilación oxidativa.
🏗️ Estructura de la membrana interna
  • Muy plegada formando crestas que aumentan el área superficial
  • La densidad de crestas se correlaciona con la actividad respiratoria de la célula
  • Las enzimas respiratorias están embebidas en la membrana interna
  • Cinco complejos multiproteicos + transportadores móviles (CoQ, Cit c)
🔄 Flujo de electrones — visión global
1
NADH / FADH₂

Donadores de electrones generados en glucólisis, ciclo cítrico y β-oxidación.

2
Complejos I → CoQ → III → Cit c → IV

Serie de oxidaciones-reducciones acopladas en potencial creciente.

3
O₂ → H₂O

Aceptor terminal de electrones. Reducción catalizada por el Complejo IV.

4
Energía → ATP

Las reacciones exergónicas impulsan la síntesis de ATP via Complejo V (Parte 2).

⚗️
Diapositiva 04 · Potencial de Reducción
Potencial de reducción estándar E'₀ y ΔG°'
📐 Definición
E'₀ mide la tendencia de una pareja redox a ganar o perder electrones. Mayor E'₀ → mayor tendencia oxidante. En biología se usa pH 7.
⚖️ Reacción redox general
Componentes
  • Donador electrónico = reductor (se oxida)
  • Aceptor electrónico = oxidante (se reduce)
  • Los electrones fluyen de potencial bajo → alto
  • El oxidante más potente atrae electrones de la otra semicélula
Relación con ΔG°'
ΔG°' = −n · F · ΔE'₀
Donde n = e⁻ transferidos · F = constante de Faraday · ΔE'₀ = diferencia de potenciales
📊 Valores clave en la cadena respiratoria
Pareja redoxE'₀ (V)Rol
NAD⁺/NADH−0.32Donador principal
FMN/FMNH₂−0.22Complejo I
CoQ/CoQH₂+0.04Transportador móvil
Cit c (Fe³⁺/Fe²⁺)+0.23Complejo III→IV
O₂/H₂O+0.82Aceptor terminal
Ecuación de Nernst
Para condiciones no estándar: E = E'₀ − (RT/nF) · ln([reducido]/[oxidado]). La curva resultante tiene forma similar a Henderson-Hasselbalch; el punto medio es E'₀.
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Diapositiva 05 · Complejo I
Complejo I — NADH Deshidrogenasa
⚡ Función central
El Complejo I oxida el NADH y transfiere sus electrones a la CoQ. Es el punto de entrada de la mayoría de los equivalentes reductores en la cadena respiratoria. Reacción: NADH + H⁺ + CoQ → NAD⁺ + CoQH₂
🔩 Estructura
  • ~25 cadenas polipeptídicas distintas (gran complejo multiproteico)
  • Contiene FMN (mononucleótido de flavina) como grupo prostético firmemente unido
  • Contiene centros Fe-S (hierro no hemo complejado con azufre en cuatro formas)
  • El Fe de los centros Fe-S alterna entre estados ferroso (Fe²⁺) y férrico (Fe³⁺)
También llamado
NADH-CoQ reductasa. Puede aceptar electrones del NADPH, aunque con baja eficacia. La vía preferida para el NADPH es la transhidrogenasa (NADPH + NAD⁺ → NADP⁺ + NADH).
⚡ Flujo de electrones en el Complejo I
1
NADH → FMN

El NADH transfiere 2 e⁻ al FMN del complejo, generando FMNH₂.

2
FMNH₂ → Centros Fe-S

Los electrones pasan a través de una serie de centros Fe-S (transferencia de 1 e⁻ cada uno).

3
Centros Fe-S → CoQ

Los electrones reducen la CoQ (ubiquinona) a CoQH₂ (ubiquinol).

Inhibidores específicos
Rotenona y Amital bloquean el flujo de electrones desde el NADH hacia la CoQ en este complejo.
⚙️
Diapositiva 06 · CoQ y Complejo II
Coenzima Q y Complejo II — Punto de recogida
🔵 Coenzima Q (Ubiquinona)
Estructura y propiedades
Benzoquinona ligada a unidades de isopreno. Su cola isoprenoide la hace apolar, permitiendo difusión rápida en la membrana interna. De ahí su nombre: ubiquinona (ubicua en células vivas).
Punto de recogida
Concentra electrones desde múltiples deshidrogenasas flavoproteicas:
  • Complejo I (NADH)
  • Complejo II (succinato/FADH₂)
  • Oxidación de ácidos grasos (FADH₂)
Interfase 2e⁻ → 1e⁻
La CoQ se reduce/oxida un electrón a la vez mediante un intermediario semiquinona, proporcionando la interfase entre transportadores de 2 e⁻ y citocromos de 1 e⁻.
🧪 Complejo II — Succinato Deshidrogenasa
⚗️
Única enzima del ciclo cítrico en membrana
Usa FAD como cofactor. Al estar en la membrana interna, transfiere electrones directamente desde su FADH₂ unido hacia la CoQ a través de centros Fe-S.
❌
No impulsa síntesis de ATP
El Complejo II (succinato-CoQ reductasa) no posee lugar de acoplamiento para la síntesis de ATP. La energía del FADH₂ es menor que la del NADH.
Descubrimiento histórico
El tratamiento de mitocondrias con disolvente orgánico eliminaba la actividad respiratoria. Al reintroducir el extracto lipófilo (CoQ), la actividad se restablecía.
🔴
Diapositiva 07 · Citocromos y Complejo III
Citocromos y Complejo III — Ciclo Q
🔬 Los citocromos
Definición
Hemoproteínas rojas o pardas. Transportan 1 electrón por ciclo (Fe²⁺ ↔ Fe³⁺). Clasificados por sus máximos de absorción: tipos b, c, a.
CitocromoUbicación/grupo hemoCaracterística
b, c₁Complejo III · hemo protoporfirina IXb: hemo libre; c₁: hemo covalente
cProteína soluble periférica · hemo covalenteMuy conservado evolutivamente (~50% seq. lev→hum)
a, a₃Complejo IV · hemo A modificadoAsociados con Cu; forman centro binuclear
♻️ El Ciclo Q (Complejo III)
Función
Oxida CoQH₂ y transfiere electrones al citocromo c. También bombea protones al espacio intermembrana, contribuyendo al gradiente electroquímico.
1
CoQH₂ dona 1 e⁻ al centro Fe-S → Cit c₁ → Cit c

Genera semiquinona CoQ·⁻.

2
Semiquinona dona e⁻ al Cit b

Electrón pasa bL → bH, reduce CoQ oxidada a semiquinona.

3
Resultado neto

2 CoQH₂ oxidadas, 1 CoQ reducida, 2 Cit c reducidos. Protones liberados al espacio intermembrana.

Inhibidor
Antimicina A bloquea el flujo desde Cit b al Cit c₁.
💧
Diapositiva 08 · Complejo IV
Complejo IV — Citocromo Oxidasa
💧 Función central
El Complejo IV cataliza el paso final de la cadena respiratoria: la reducción del O₂ a H₂O. Transfiere 4 e⁻ al O₂, aceptando electrones del citocromo c oxidado.
🔩 Estructura
  • Hasta 13 cadenas polipeptídicas en eucariotas
  • 3 subunidades codificadas por el genoma mitocondrial
  • Contiene hemo A (modificado) y Cu asociado a cada hemo
  • Cu y Fe experimentan ciclos de oxidación: Fe²⁺↔Fe³⁺ y Cu⁺↔Cu²⁺
Mecanismo (rayos X)
La oxidación inicial del Cit c la realiza el primer Cu, transfiere el e⁻ al hemo siguiente y a Cu, y el Fe del a₃ forma un centro binuclear para la reducción del O₂ a H₂O.
⚡ Bombeo de protones
Mecanismo
Un residuo de aspartato acompaña la oxidación. La eyección de H⁺ al espacio intermembrana requiere la rotación de un grupo –COOH protonado y su desprotonación. La reducción del O₂ genera una rotación en el aspartato, protonando la tirosina.
Inhibidores
Cianuro (CN⁻) · Azida (N₃⁻) · Monóxido de carbono (CO) — todos bloquean la citocromo oxidasa impidiendo la reducción del O₂.
🚫
Diapositiva 09 · Inhibidores y orden de la cadena
Inhibidores respiratorios y verificación del orden
🧪 Metodología
El orden de los transportadores se verificó con espectrofotometría diferencial, inhibidores específicos y aceptores artificiales de electrones. Cada inhibidor crea un "punto de entrecruzamiento": transportadores previos → reducidos; posteriores → oxidados.
InhibidorSitio de acciónEfecto
Rotenona / AmitalComplejo I (NADH → CoQ)Bloquea flujo desde NADH; transportadores anteriores se reducen
Antimicina AComplejo III (Cit b → Cit c₁)Transportadores antes del punto → reducidos; después → oxidados
Cianuro / Azida / COComplejo IV (citocromo oxidasa)Bloquea reducción del O₂; toda la cadena queda reducida
OligomicinaComplejo V (F₀ de ATP sintasa)Inhibe ATP sintasa → indirectamente inhibe el transporte electrónico
Resumen del orden de la cadena
NADH → Complejo I → CoQ ← Complejo II (FADH₂) → Complejo III → Cit c → Complejo IV → O₂ → H₂O

Los complejos I, III y IV son capaces de impulsar síntesis de ATP. El Complejo II no tiene lugar de acoplamiento.
🚌
Diapositiva 10 · Lanzaderas
Lanzaderas de equivalentes reductores
Problema
El NADH generado en el citosol (glucólisis) no puede atravesar la membrana interna mitocondrial. Se necesitan sistemas de lanzadera para transferir los equivalentes reductores sin mover físicamente la coenzima.
🧠 Lanzadera glicerol-3-fosfato
🧬
Activa en cerebro (más primitiva)
  • NADH en citosol reduce DHAP → glicerol-3-fosfato
  • Glicerol-3-fosfato entra a la mitocondria
  • Se reoxida por glicerol-3-P deshidrogenasa (cara externa, FAD)
  • Genera FADH₂ → electrones a CoQ
⚠️ Pérdida de eficiencia
NADH citosólico entra como FADH₂ mitocondrial → menos ATP producido (≈2 ATP en vez de ≈3).
❤️ Lanzadera malato/aspartato
🏥
Activa en hígado y corazón (más eficiente)
  • MDH citosólica reduce OAA → malato (usando NADH)
  • Malato entra a la matriz; MDH mitocondrial lo reoxida → NADH mitocondrial
  • OAA no puede salir → se transamina a aspartato y sale
  • Requiere transporte de α-cetoglutarato y glutamato
✅ Mayor rendimiento
NADH citosólico genera NADH mitocondrial → misma cantidad de ATP que el NADH generado en la matriz (~3 ATP).
✏️
Diapositiva 11 · Práctica
Ejercicio de comprensión
P1
¿Por qué un valor de E'₀ más alto en una pareja redox indica mayor capacidad oxidante?
  • a Porque el donador electrónico cede más fácilmente sus electrones
  • b ✓ Porque mayor E'₀ indica mayor tendencia del aceptor a ganar electrones, es decir, mayor poder oxidante
  • c Porque la constante de Faraday es directamente proporcional al E'₀
P2
¿Por qué el Complejo II no impulsa la síntesis de ATP mientras que el Complejo I sí lo hace?
  • a Porque el Complejo II no transfiere electrones a la CoQ
  • b ✓ Porque el Complejo II no tiene lugar de acoplamiento; la energía del FADH₂ es insuficiente para impulsar la síntesis de ATP
  • c Porque el Complejo II opera solo en condiciones anaerobias
P3
¿Cuál es la función específica de la CoQ como "interfase" en la cadena respiratoria?
  • a Transferir directamente electrones del NADH al O₂
  • b ✓ Proporcionar la transición entre transportadores de 2 e⁻ y citocromos de 1 e⁻, mediante el intermediario semiquinona
  • c Bombear protones directamente al espacio intermembrana
P4
Si se añade antimicina A a mitocondrias, ¿qué estado redox esperarías en el citocromo c?
  • a ✓ Oxidado, porque el bloqueo en Cit b→c₁ impide que lleguen electrones al Cit c
  • b Reducido, porque se acumulan electrones aguas abajo del bloqueo
  • c No cambia, porque el Cit c es independiente del Complejo III
P5
¿Por qué la lanzadera malato/aspartato es más eficiente que la de glicerol-3-fosfato?
  • a Porque no requiere transportadores en la membrana interna
  • b ✓ Porque transfiere equivalentes reductores como NADH mitocondrial (no como FADH₂), generando más ATP por ciclo
  • c Porque opera en cerebro, que tiene mayor demanda energética
✅ Parte 1 completada → Continúa con la Parte 2

Ideas clave — Transporte Electrónico

E'₀ y ΔG°'
Electrones fluyen de E'₀ bajo → alto. ΔG°' = −nFΔE'₀. NADH (−0.32V) → O₂ (+0.82V) = reacción muy exergónica.
Complejo I
NADH deshidrogenasa. FMN + centros Fe-S → CoQ. Inhibido por rotenona/amital. Impulsa síntesis de ATP.
CoQ + Complejo II
CoQ es el punto de recogida: acepta e⁻ de Complejos I, II y β-oxidación. Complejo II (FADH₂) no impulsa ATP.
Complejos III y IV
Ciclo Q: CoQH₂ → Cit c (Complejo III). Cit c → O₂ → H₂O (Complejo IV). Inhibidores: antimicina A, cianuro, CO.
Lanzaderas
Glicerol-3-P (cerebro, genera FADH₂ → menos ATP) · Malato/aspartato (hígado/corazón, genera NADH → más ATP).

Bioquímica General · Transporte Electrónico · Parte 1 de 2 · UACJ