Cadena Respiratoria

LA OXIDACIÓN EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS CADENA RESPIRATORIA O

TRANSPORTE ELECTRONICO y FOSFORILACION OXIDATIVA

Desde el punto de vista químico OXIDACIÓN

REDUCCIÓN

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Ganancia de oxígeno

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Pérdida de oxígeno

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Pérdida de electrones

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Ganancia de electrones

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Pérdida de hidrógeno

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Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos)

Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la comprensión de la naturaleza de las oxidaciones biológicas. El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN  Y ESTE ES EL PROCESO PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS CÉLULAS OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP ATP

EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE DENOMINAN

OXIDORREDUCTASAS

Oxidorreductasas Catalizan reacciones de oxido- reducción  Ared + Box

 Aox + Bred

 A : es el reductor o dador  electrónico;  electrónico; en el curso de la reacción se oxida (pierde electrones) B : es el oxidante o aceptor  electrónico;  electrónico; en el curso de la reacción se reduce (gana electrones) En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

Estas reacciones son fuertemente exergónicas, en las cuales para evitar una liberación brusca de energía, no aprovechable por la célula, se libera en forma fraccionada.

DISTINTAS FORMAS EN QUE LA CELULA PUEDE TRANSFERIR ELECTRONES

1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++

Fe++

2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno: (H+ + e-): AH2 + B

A + BH2

3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H -) AH2 + NAD+ → A

+ NADH + H+

4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2

RCH2-OH

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Gran parte de los sustratos oxidados en el organismo sufren deshidrogenación. Las reacciones de deshidrogenación son catalizadas por las ENZIMAS DESHIDROGENASAS. En estas reacciones el hidrógeno es captado por una coenzima. Las coenzimas pueden ser: - Nicotinamida (NAD o NADP) - Flavina (FAD).

Flujo de electrones en la oxido-reducciones biológicas

Respiración Celular Es el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis se desdobla a CO2 y H2O y se producen 30 ATP. En las células eucariontes la respiración se realiza en la mitocondria.

LA MITOCONDRIA FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR

ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR

EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Localización

30ATP

32ATP

La cadena transportadora de electrones •

El NADH+H y el FADH2, obtenidos en el ciclo de Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria, donde pasan los electrones, de una molécula reducida a otra oxidada, hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular, que al reducirse formará agua.

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO •

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Los componentes de la cadena se encuentran en la membrana mitocondrial interna. Reciben equivalentes de reducción de NADH  Y FADH2 producidos en la matriz. Los componentes actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción. La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.

Reacciones de la cadena de transporte de electrones Con excepción de la coenzima Q, todos los miembros de esta cadena son proteínas. Pueden funcionar como enzimas como en el caso de varias deshidrogenasas. Pueden contener hierro como parte de su centro hierro-azufre .

Los citocromos a y a3 contienen cobre.

Componentes de la cadena respiratoria Transportadores de electrones -C o e n z i m a s h i d r o s o l u b l e s  : NAD+ NADP+

coenzimas de las deshidrogenasas

FMN FAD

se unen covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético), transportan 2 e- y 2 H +

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Quinonas  : Coenzima

Q  Ubiquinona, transportadores en medio no acuoso (membrana), transporta 1 e- y libera 2 H + a la matriz

-

C i to c r o m o s b , c , c   , a y a  1  3 : proteínas

 –

con grupo prostético hemo,

transportan 1 e-

Pro teí n as ferr o -su lfu rad as  : proteínas

con Fe asociado a átomos de S, transfieren 1 e- por oxidación o reducción del Fe

Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoria

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Piruvato deshidrogenasa

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Isocitrato deshidrogenasa

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Malato deshidrogenasa

CICLO DE KREBS

-cetoglutarato deshidrogenasa

a 

Sustrato + NAD+

Producto + NADH + H

CR

Componentes de la Cadena de transporte electrónico Complejo enzimático Complejo I (NADH deshidrogenasa)

Grupos prostéticos FMN, FeS

Complejo II ( succinato deshidrogenasa) FAD, FeS Complejo III (citocromo bc 1)

Hemo, FeS

Citocromo c

Hemo

Complejo IV (citocromo oxidasa)

Hemo, Cu

Complejo V (ATP sintasa)

La Cadena de Transporte de Electrones comprende dos procesos: 1.- Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportadoras a otro. 2. Los protones son translocados a través de la membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana de la mitocondria. Esto constituye un gradiente de protones El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H + para producir agua.

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La transferencia de electrones desde el NADH a través de la cadena respiratoria hasta el O 2 es un proceso altamente exergónico. La mayor parte de esa energía se emplea para bombear protones fuera de la matriz. Por cada par de electrones transferidos al O 2  los complejos I y III bombean 4 H + y 2 el complejo IV. El complejo II no transfiere H + ya que no atraviesa la membrana interna como los demás. Así esta energía electroquímica generada por el gradiente protónico impulsa la síntesis de ATP.

Flujo de electrones y protones a través de los cuatro complejos que forman la cadena respiratoria El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

INHIBICION DEL TRANSPORTE ELECTRÓNICO •

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Inhibidores del transporte electrónico Inhiben solamente el transporte de e Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP, indirectamente el transporte de eDesacoplantes Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el transporte de electrones. Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones. Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la mitocondria

ACCIÓN DE INHIBIDORES

La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. Las observaciones sobre la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en un intermediario fosforilado de la reacción. En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica: “EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA

FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA” 

PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)

-Interesado inicialmente en la penicilina, a partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el almacenamiento de la energía en los seres vivos para ser posteriormente transportada a los puntos de utilización por medio de las moléculas de ATP. -Así la energía liberada por el traslado de electrones en la cadena respiratoria se conserva mediante la fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. -En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA OSMÓTICA.

POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA •

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Pasaje de H+ durante la transferencia de electrones desde la matriz al espacio intermembrana. Generación de un gradiente electroquímico : flujo electrónico acompañado de la transferencia de protones. Los protones acumulados en el espacio intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la membrana. Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H + a través de Fo y así activan la A T P s i n t a s a  

Lugar de translocación de protones

COMPLEJO ATP sintasa •

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F1 : 9 subunidades: a3 b3 g d e y 3 sitios catalíticos Fo: Proteína integral , canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b 2 y c12 Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química. El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobel al describir la ATP sintasa.

La energía del gradiente de protones se utiliza también para el transporte

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El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus actividades. El valor del cociente P/O, representa el número de moles de Pi que se consumen para que se reduzca cada átomo de O2 a H2O. El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP, respectivamente.

Control respiratorio por el aceptor: •

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Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay una concentración suficiente de ADP y Pi. Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.

Inhibidores de la fosforilación Oligomicina: Bloquea el flujo de protones a través de F 0, impidiendo la fosforilación. Se inhibe la síntesis de ATP Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones. •

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Desacoplantes: Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria. •

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Sistemas de lanzaderas Surgen de la necesidad de recuperar el NAD+ citosólico, dado que la membrana mitocondrial es impermeable a este compuesto

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