Cadena respiratoria

Qué es la cadena respiratoria

Hacia 1897, el fisiólogo británico Francis Gowland Hopkins sospechaba que la respiración celular no era un solo acto químico sino una secuencia de reacciones. Tres décadas después, David Keilin, trabajando con un espectroscopio manual en Cambridge, observó bandas de absorción cambiantes en músculos de insectos y concluyó que existían pigmentos (los citocromos) que se oxidaban y reducían en cadena. Keilin acuñó el concepto de «cadena respiratoria» para describir esa sucesión de transferencias de electrones.

Se la llama «respiratoria» porque el aceptor final de los electrones es el oxígeno que entra con la respiración. Y «cadena» porque cada componente cede electrones al siguiente en una secuencia ordenada, del más reductor al más oxidante. Si se retira el oxígeno, toda la cadena se detiene, como una fila de fichas de dominó que necesita que la última caiga para que las demás la sigan.

Los complejos de la membrana mitocondrial interna

Cuatro grandes complejos multiproteicos componen la cadena propiamente dicha. El complejo I (NADH deshidrogenasa) recoge los electrones del NADH, la coenzima reducida que genera el ciclo de Krebs y otras rutas. Con más de 40 subunidades en mamíferos, es la estructura más grande de toda la cadena, y es también el punto donde se pierde la mayor proporción de electrones como radicales libres de oxígeno (una fuga que, con los años, contribuye al daño oxidativo mitocondrial acumulado).

El complejo II (succinato deshidrogenasa) tiene la particularidad de pertenecer simultáneamente al ciclo de Krebs y a la cadena respiratoria: oxida el succinato a fumarato y vierte los electrones al transportador ubiquinona. A diferencia de los otros tres complejos, no bombea protones a través de la membrana.

Desde la ubiquinona, los electrones pasan al complejo III (citocromo bc₁), que los transfiere al citocromo c, una pequeña proteína soluble que viaja por el espacio intermembranoso hasta alcanzar el complejo IV (citocromo c oxidasa). Aquí, por fin, cuatro electrones se combinan con una molécula de O₂ y cuatro protones para formar dos moléculas de agua. Es el paso que justifica el adjetivo «respiratoria».

Gradiente de protones y síntesis de ATP

Los complejos I, III y IV, al transferir electrones, bombean protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso. Eso genera un gradiente electroquímico que Peter Mitchell, en una hipótesis que le valió el Nobel de Química en 1978, denominó fuerza protón-motriz. Los protones regresan a la matriz a través de la ATP sintasa (llamada a veces complejo V, aunque estrictamente no forma parte de la cadena de transporte electrónico), y la energía de ese flujo impulsa la fosforilación del ADP para producir ATP.

La eficiencia del sistema es notable: por cada molécula de NADH que entra en la cadena, la célula obtiene entre 2,5 y 3 moléculas de ATP, según las estimaciones actuales. Aproximadamente el 90 % del ATP que consume una célula aerobia procede de este mecanismo. Sin él, el metabolismo humano dependería exclusivamente de la glucólisis, cuyo rendimiento neto es de solo 2 ATP por molécula de glucosa.

Preguntas frecuentes

¿Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa son lo mismo?

No exactamente. La cadena respiratoria se refiere al transporte de electrones a lo largo de los complejos I a IV. La fosforilación oxidativa engloba ese transporte más la síntesis de ATP por la ATP sintasa. Es habitual que los textos usen ambos términos de forma intercambiable, pero en sentido estricto la fosforilación oxidativa es el proceso completo y la cadena respiratoria es solo la primera mitad.

¿Dónde se localiza exactamente?

En la membrana interna de la mitocondria. Esa localización no es casual: la membrana interna es impermeable a los protones, lo que permite que los complejos generen y mantengan el gradiente electroquímico necesario para que la ATP sintasa funcione. En las bacterias, que carecen de mitocondrias, un sistema análogo opera en la membrana plasmática.

¿Qué pasa si un complejo deja de funcionar?

Depende de cuál. Un defecto en el complejo I, el más frecuente en la patología humana, reduce drásticamente la producción de ATP en los tejidos de mayor demanda energética (cerebro, músculo esquelético, corazón). Las llamadas enfermedades mitocondriales (síndrome de Leigh, neuropatía óptica de Leber, MELAS) se deben en muchos casos a mutaciones que afectan a subunidades de estos complejos o a los ARN de transferencia que la propia mitocondria codifica.

¿Por qué se produce daño oxidativo si la cadena funciona con normalidad?

Porque la transferencia de electrones no es perfecta. Entre el 0,2 % y el 2 % de los electrones (el porcentaje varía según las condiciones metabólicas) escapa de los complejos I y III antes de llegar al oxígeno por la vía normal. Esos electrones fugados reaccionan con el O₂ y generan el anión superóxido, un radical libre que, si no es neutralizado por las defensas antioxidantes de la célula, puede dañar proteínas, lípidos y el propio ADN mitocondrial.

Referencias

1. StatPearls [NCBI Bookshelf]. Biochemistry, Electron Transport Chain.
2. Guo R et al. Structure and mechanism of mitochondrial electron transport chain. Biomedical Journal, 2018.
3. Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM). Supercomplejos respiratorios: una visión más completa de la cadena de transporte de electrones mitocondrial.
4. Letts JA, Sazanov LA. The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2021.