miniatura|400px|A cadea de transporte electrónico das mitocondrias posibilita a fosforilación oxidativa nos eucariotas. O NADH e o succinato xerados no ciclo do ácido cítrico oxídanse, proporcionando enerxía para que funcione a ATP sintetase. Unha cadea de transporte electrónico (CTE) ou cadea de transporte de electróns está formada por un conxunto de moléculas situadas en membranas que transportan secuencialmente os electróns cedidos por un doante de electróns (como o NADH) ata un aceptor de electróns (como o O2) co bombeo simultáneo de ións H+ (protóns) a través da membrana. Este bombeo de protóns crea un gradiente electroquímico que se usará para xerar enerxía química en forma de ATP durante a fosforilación oxidativa, e é a forma principal por medio da cal a enerxía das moléculas oxidadas se converte en ATP durante a respiración celular. A cadea de transporte electrónico mitocondrial tamén se chama moitas veces cadea respiratoria. As bacterias tamén teñen unha cadea respiratoria nas súas membranas. Tamén se usan cadeas de transporte electrónico para converter a enerxía captada da luz en ATP durante a fase luminosa da fotosíntese, situadas na membrana dos tilacoides dos cloroplastos das plantas e algas ou nas membranas de certas bacterias.
Nos cloroplastos a luz pon en marcha un fluxo de electróns que circulan pola cadea de transportadores da membrana tilacoidal entre o doante, a auga, e o aceptor, o NADP+, que se converte en NADPH. Nas mitocondrias o aceptor final de electróns é o oxíxeno, que se converte en auga. Aínda que algunhas bacterias teñen cadeas de transporte electrónico con compoñentes similares aos das mitocondrias e cloroplastos; outras usan diferentes doantes de electróns, aceptores e transportadores.
Tanto as CTE mitocondriais coma as fotosintéticas poden xerar con frecuencia radicais superóxido, que potencialmente incrementan o estrés oxidativo da célula.
Conceptos básicos Os transportadores de membrana son proteínas con grupos prostéticos coencimáticos, grupos de ferro-xofre, hemo ou con cobre, que poden captar e ceder electróns, sufrindo reaccións redox (de oxidación-redución). No caso dos da cadea respiratoria eucariótica, encóntranse na membrana mitocondrial interna. A cantidade de cada transportador non é a mesma. Por exemplo, algunhas estimacións consideran que nas mitocondrias por cada complexo I hai 50 moléculas de ubiquinona, 7 de citocromo oxidase e 3 do complexo II e 9 de citocromo c. Os transportadores non están fisicamente en ringleira na orde en que se teñen que pasar os electróns, senón que poden moverse na membrana, difunden e coliden ao chou. Algúns son moi móbiles, como a ubiquinona e outros están moito máis fixos, como o complexo I. Non obstante, estudos recentes apuntan a que se poderían formar tamén agrupacións de complexos que fagan máis eficiente o transporte. Poden traspasarse electróns como tales ou en forma dun ión híbrido hidruro por medio de reaccións redox. O hidruro (:H-) é un átomo de H e un electrón adicional, polo que leva dous electróns, e é a forma en que traspasa os electróns o NADH. O transporte realízase por medio de reaccións redox. Nas reaccións redox fálase de pares redox conxugados, que son o transportador con ou sen o electrón (ou o hidróxeno); por exemplo, NAD+/NADH é un par redox ou par conxugado. Os electróns só fluirán cando hai un catalizador ou un encima que acelera o proceso. A tendencia a perderen electróns dos transportadores pode medirse co potencial estándar de redución (E'0). Os electróns sempre pasan dun transportador con E'0 menor a outro con E'0 maior. O par conxugado NAD+/NADH é o que ten un potencial estándar menor, polo que é o que cede os electróns no inicio da cadea. O par conxugado O2/H2O é o que ten un potencial maior, polo que é o aceptor final de lectróns da cadea respiratoria mitocondrial. Cando se transportan os electróns sempre hai unha perda de enerxía libre, que na CTE se libera pouco a pouco en cada cesión de electróns da cadea, e que se aproveita para bombear protóns fóra da matriz mitocondrial. As reaccións que fan decrecer a enerxía libre global dun sistema poden proceder espontaneamente. A ATP sintetase, un encima con secuencia moi conservada na evolución, encóntrase na membrana e sintetiza ATP cando a súa actividade está impulsada por un gradiente de protóns creado polo funcionamento da cadea de transporte electrónico.Gerald Karp explica o gradiente de protóns así: "Estes tres complexos proteicos [I, II, e IV] descríbense a miúdo como ""bombas de protóns". A translocación de protóns por estes complexos transportadores de electróns establece o gradiente de protóns que impulsa a síntese de ATP."(194) A función da cadea de transporte electrónico é producir este gradiente.Harper en "Illustrated Biochemistry" explica a función dos complexos da cadea así: "Cada un dos complexos I, II, e IV... actúa como unha bomba de protóns...creando unha diferenza de potencial electroquímica a través da membrana [mitocondrial interna]."(96) A síntese de ATP na ATP sintetase denomínase fosforilación oxidativa. O gradiente electroquímico creado na membrana mitocondrial interna pode utilizarse, ademais de para bombear protóns, para transportar outras substancias a través da membrana ou para mover flaxelos bacterianos.
Moléculas que transfiren protóns e electróns
miniatura|250px|dereita|Redución do coencima Q desde a súa forma ubiquinona (Q) á forma reducida ubiquinol (QH2). miniatura|esquerda|Hemo A. A cadea de transporte electrónico transporta tanto protóns coma electróns, transferindo electróns desde doantes cara a aceptores, e transportando protóns a través da membrana. Estes procesos utilizan moléculas de transferencia tanto solubles coma unidas a proteínas. Na mitocondria, os electróns son transferidos ao espazo intermembranoso pola proteína de transferencia de electróns hidrosoluble, citocromo c. Isto transporta soamente electróns, e estes son transferidos pola redución e oxidación dun átomo de ferro que se encontra no grupo hemo da proteína. O citocromo c encóntrase tamén nalgunhas bacterias, nas que está situado no espazo periplásmico.
Dentro da membrana interna mitocondrial, o transportador de electróns liposoluble, o coencima Q10 (Q), transporta tanto electrones coma protóns a través dun ciclo redox. Esta pequena molécula de benzoquinona é moi hidrófoba e liposoluble, de modo que difunde libremente na membrana. Cando Q acepta dous electróns ou libera dous protóns, redúcese á súa forma ubiquinol (QH2); cando QH2 libera dous electróns ou acepta dous protóns, oxídase á súa forma orixinal de ubiquinona (Q). Como resultado, se dous encimas están organizados de modo que Q é reducida a un lado da membrana e QH2 oxidada no outro, a ubiquinona actuará como lanzadeira de protóns a través da membrana. Algunhas cadeas de transporte de electróns bacterianas utilizan quinonas diferentes, como a menaquinona, ademais da ubiquinona. miniatura|dereita|grupo ferro-xofre 2Fe-2S. miniatura|esquerda|grupo ferro-xofre cúbico 4Fe-4S. Dentro das proteínas dos complexos transportadores de electróns, os electróns son transferidos entre cofactores de flavina, centros ferro-xofre, e citocromos. Existen varios tipos de centros ferro-xofre; os máis simples que se encontran na cadea de transporte electrónico consisten en dous átomos de ferro unidos por dous átomos xofre inorgánico; estes son centros [2Fe–2S]. O segundo tipo, os centros [4Fe–4S], conteñen un cubo de catro átomos de ferro e catro de xofre. Cada átomo de ferro nestes centros está coordinado por un aminoácido, xeralmente polo átomo de xofre da cisteína. Os ións metálicos cofactores sofren reaccións redox sen unir ou liberar protóns, de modo que na cadea de transporte electrónico serven soamente para o transporte de electróns entre proteínas. Os electróns desprázanse longas distancias a través das proteínas saltando entre as cadeas que forman estes cofactores. Isto ocorre por efecto túnel, o cal é rápido sobre distancias menores a 1,4−9 m.
Cadea de transporte electrónico mitocondrial Practicamente todas as células eucariotas teñen mitocondrias, que producen ATP a partir dos produtos (coencimas reducidos) do ciclo de Krebs, da beta-oxidación dos ácidos graxos, e da oxidación dos aminoácidos. Na membrana mitocondrial interna os electróns procedentes do NADH e do succinato (vía o FADH2 unido ao encima, que os cede ao QH2) pasan pola cadea de transporte de electróns ata o oxíxeno (aceptor final), que se reduce a auga. A cadea de transporte electrónico consta dunha serie de doantes e aceptores de electróns encimáticos. Cada doante de electróns pasa os electróns a un aceptor máis electronegativo (con maior E0'), que á súa vez doa eses electróns a outro aceptor, ata que finalmente os electróns chegan ao oxíxeno, o aceptor máis electronegativo de toda a cadea (con potencial redox maior). O paso de electróns entre doantes e aceptores libera enerxía, que se usa para xerar un gradiente de protóns a través da membrana mitocondrial interna por medio dun bombeo activo de protóns no espazo intermembrana, producindo un estado termodinámico que ten o potencial de producir traballo. Unha pequena porcentaxe de electróns non completan todo o percorrido pola cadea de transporte e "foxen" prematuramente cara ao oxíxeno, o que ten como resultado a formación de radicais superóxido, unha moléculas moi reactivas que contribúen ao estrés oxidativo e están implicados en diversas enfermidades e na senescencia.
Transportadores de electróns mitocondriais
A enerxía obtida polo fluxo de electróns a través da cadea de transporte electrónico mitocondrial úsase para bombear protóns desde a matriz mitocondrial ao espazo intermembranas, creando un gradiente electroquímico de protóns entre os dous lados da membrana mitocondrial interna chamado ΔΨ. Este gradiente electroquímico de protóns permite á ATP sintetase ou (ATPase) usar o fluxo de H+ que regresan á matriz a través do propio encima para xerar ATP a partir de ADP e fosfato inorgánico (Pi). O complexo I (NADH coencima Q redutase) acepta electróns procedentes do NADH formado no ciclo de Krebs ou noutros procesos, e pásaos ao coencima Q (ubiquinona), que pode recibir tamén electróns do complexo II (succinato deshidroxenase). A ubiquinona pasa os electróns ao complexo III (complexo do citocromo bc1), o cal os traspasa ao citocromo c. O citocromo c pasa os electróns ao complexo IV (citocromo c oxidase), o cal utiliza eses electróns e ións hidróxeno para reducir o oxíxeno molecular e formar auga.
Os catro complexos transportadores de electróns unidos á membrana identificados na mitocondria son estruturas transmembrana extremadamente complicadas inseridas na membrana mitocondrial interna. Tres deles son tamén bombas de protóns. As estruturas están conectadas electricamente por transportadores de electróns liposolubles ou hidrosolubles. En conxunto, a cadea de transporte electrónico sería así:
NADH → Complexo I → Q → Complexo III → citocromo c → Complexo IV → O2 ↑ Complexo II (FADH2)
Complexo I dereita|miniatura|O complexo I da NADH deshidroxenase contén o coencima FMN e grupos Fe-S. Recolle electróns e H do NADH e cédeos ás Q. A posición exacta dos grupos Fe-S no complexo non ten que ser a deste esquema moi simplificado. miniatura|dereita|O complexo II recibe electróns do succinato e cédeos a Q. miniatura|dereita|No complexo III o conxunto de quinonas da membrana pasan os electróns ao citocromo c. dereita|miniatura|A citocromo oxidase do complexo IV cede os electróns ao aceptor final, o oxíxeno molecular.