Documento original del MIT, http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/chapters.html

1.5- La respiración

La segunda solución es usar un aceptor de electrones externo. El Oxígeno es el ejemplo clásico.

• El "problema" con la fermentación es que, al usar moléculas orgánicas como aceptores terminales de electrones y tener que eliminar como residuo al producto resultante, se pierde la energía potencial de esos compuestos.
• La solución alternativa es usar alguna molécula no orgánica que pueda aceptar electrones y convertirse así en una molécula reducida. El oxígeno es perfecto para esto, porque luego de recibir los electrones se combina con dos protones convitiéndose así en el residuo perfecto par un ambiente líquido: H₂O
• Nota: la respiración depende de la disponibilidad de receptor externo de los electrones. Tan pronto como el mismo desaparece, la respiración cesa. A diferencia, la fermentación, donde el aceptor es interno (por ej. piruvato) y es un producto del desdoblamiento de la glucosa, el aceptor estará disponible en tanto exista alimento para oxidar.

La Mitocondria y el Sistema transportador de electrones

• Microfotografía electrónica de una mitocondria
• Diagrama de las enzimas de la membrana interna de la mitocondria (Universidad de Virginia Curso Bio 121 ).
• Si bien las células pueden transferir electrones directamente desde el NADH al oxígeno, esto produciría directamente la liberación de la energía como calor.
• El NADH posee una gran cantidad de energía. Si los electrone se transfieren directamente al oxígeno:
1. NADH + O₂ -------> NAD + H₂O

G_o' = - 52 kcal/mole
• Si el NADH tiene ~52 kcal de energía, y solo son necesarias 7,3 kcal para hacer un ATP, se puede calcular en 52/7,3 = ~ 7 ATP por NADH si la conversión de energía un 100% de eficiencia.
• En la práctica las células han desarrollado sistemas que le permiten obtener un 40% de eficiencia (~3 ATP/NADH) bajo condiciones óptimas.
• Cadena transportadora de electrones (CTE) = sistema enzimático ligado a membrana que transfiere electrones desde moléculas orgánicas al oxígeno.
• La CTE comprende dos procesos:
1. los electrones son pasados de un transportador ("carrier") a otro dentro de la membrana.
2. Los protones son pasados desde el interior al exterior de la membrana. Esto construye un gradiente de protones.
• Animación de cadena transportadora de electrones
• Balance neto: los electrones entran a la CTE desde portadores tales como el NADH o el FADH, llegan a la "oxidasa terminal" (una oxígeno-reductasa) y se "pegan" al oxígeno.
• La cadena transportadora de electrones (CTE) consiste en 4 complejos, conectados por portadores móviles (Coenzima Q, citocromo c) que oscilan ("shuttle") entre los complejos de la membrana.
• Los "carriers" específicos de la CTEen la mitocondria son:
1. NADH ---> Flavoproteina ---> ---> Ubiquinona ---> citocromo b ---> citocromo c ---> citocromo a ---> citocromo a3 ---> oxígeno

Gradiente de protones y fosforilación oxidativa

• Hipótesis Quimiosmótica (Peter Mitchell, 1961). A medida que los electrones fluyen por la CTE, a ciertas etapas los protones (H⁺) son transferidos desde el interior al exterior de la membrana.
• Esto construye un gradiente de protones , dado que las cargas + son retiradas del interior mientras que las -, permanecen en el interior (en gran parte como iones OH^- ), el pH en la cara externa de la membrana puede llegar a un pH 5,5, mientras que el pH justo en la cara interna de la misma puede llegar a 8,5 ---> la diferencia es de 3 unidades de pH , recuerde que el pH es igual a - log. de [H] y por lo tanto 3 unidades de pH significan una diferencia de concentración de H⁺ estimada en 1000x entre ambas caras de la membrana. Y esto representa energía potencial acumulada como:
• gradiente de protones= fuerza móvil de protones ("protonmotive force"), y dado que
• la membrana es básicamente impermeable a los protones, por lo tanto el gradiente no se desarma por una constante re-entrada de los mismos, y teniendo en cuenta que
• la ATP sintetasa complejo proteico (conocido tambíen como "lollipops,complejo F1, ATPasa mitocondrial) contiene el único canal para la entrada del protón, por lo tanto
• a medida que los protones pasan por el canal, se produce la siguiente reacción:
• ADP + P_i ---> ATP.
• Este proceso puede llamarse: fosforilación quimiosmótica (asumiendo que la hipótesis quimiosmótica sea la correcta), o fosforilación oxidativa (sin asumir respecto al mecanismo).
• Ver animación

Inhibidores de la Fosforilación oxidativa

• Numerosos productos químicos pueden bloquear la transferencia de electrones en la cadena respiratoria, o la transferencia de electrones al oxígeno. Todos ellos son potentes venenos, entre ellos
1. Monóxido de Carbono -- se combina directamente con la citocromo oxidasa terminal, y bloque la entrada de oxígeno a la misma.
2. Cianuro (CN^-) se pega al hierro del citocromo e impide la transferencia de electrones.