T7. Cadena Respiratoria-CLAV

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULT ACULTAD DE CIENCIAS CI ENCIAS BIOLÓGICAS BIOLÓGICAS DEPART DEP ARTAMENTO AMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA QUÍMICA BIOLÓ BIOLÓGICA GICA  Y FISIOLOGÍA FISIOLOGÍA ANIMAL BIOQUÍMI BIOQUÍMICA CA EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL T7. Transporte electrónico (cadena respiratoria): Componentes, inhibidores. Síntesis de ATP ATP (fosforilación oxidativa): Transporte de electrones y la fosforilación están acoplados. ATPsintasa. ATPsintasa. Translocasa de ATP/ADP. Desacoplantes, control respiratorio.

Blgo. Mblgo. Cinthya Lissett Aspajo Villalaz

 

Fosforilación oxidativa y Transpor ransporte te de electrones electrones Una persona de 70 Kg requiere aprox. 2000Kcal para realizar act. diarias. Es decir requiere 83 Kg de ATP. Se cuenta con 250g: Solución: Reciclaje de ADP a ATP. TP. El ATP se rec recic icla la aprox. 300 veces por día. Este proceso tiene lugar por medio de la fosforilación oxidativa.

 

La fosforilación oxidativa esse el proceso mediante el cual forma ATP por medio de la tran transf sfer eren enci cia a de elec electr tron ones es desde el NADH ó FADH2 hasta el O2  por medio de una serie de transportadores eléc eléctr tric icos os.. Tiene iene luga lugarr en la mitocondria.

Fuente Fue nte más imp importa ortant nte e de  ATP  A TP en los organismos aerobios

 

La fosfo osfori rila lacción oxid oxida ativ tiva con constit stituy uye e la cul ulm min ina aci ción ón de una ser serie de tran tr ansf sfor orma maci cion ones es ener energé géti tica cass que, que, en conj conjun unto to,, reci recibe ben n el nomb nombre re de Respiración.

En la fosforilación oxidativa fuerza electrónmotriz

se convierte

fuerza protónmotriz

se convierte

La fosforilación oxidativa muestra de manera fehaciente que en los sistemas biológicos, los gradientes de protones constituyen una forma intercambiable intercambiab le de energía libre.

potencial de transferencia transferenci a de fosforilo

 

I: NADH-Q Oxidorreductasa La cadena respiratoria consiste de 4 complejos multienzimáticos:

II: Succinato-Q Reductasa III: Q-citocromo c Oxidorreductasa IV: Citocromo c Oxidasa

Estos complejos enzimáticos transmembrana contienen múltiples centros de oxidación-reducción: oxidaciónreducción: Quinonas, flavinas, complejos FE-S, hemos y Cu

Cit. C

 

La Fosforilación Oxidativa en eucariotas tiene lugar en las mitocondrias Las mitoc. contienen el ensamblaje respiratorio, enzimas del ciclo del ác. cítrico y enzimas de la oxidación de los ác. grasos. Delimitada

membrana:

por una   doble externa e interna

(amplia y plegada: crestas)

Dos compa compartimi rtimientos entos::   mat matri rizz y espacio intermembrana.

 

La Fosforilación Oxidativa en eucariotas tiene lugar en las mitocondrias Memb. Externa: permeable  permeable a  a iones y moléc. pequeñas: muchas copias de Porinas mitocondriales (VDAC). PO4, Cl-, aniones orgánicos, nucleótidos de Adenina.

Memb. Interna:  Impermeable a  Impermeable  a casi todos los iones y moléculas polares. Se necesita transportadores. transportadores. Dos caras: caras N y P) Las mitocondrias son el resultado de una endosimbiosis: Las células que tienen mitocondrias dependen de estos orgánulos para realizar la fosf fo sfor orililac ació ión n oxida ox tiva va y, a camb cambio io,, la exis existe tenc ncia ia dependde de la idati célula.

mism misma a de la mito mitoco cond ndria ria

 

La Fosforilación Oxidativa depende de la transferencia de electrones En la fosforilación oxidativa el potencial de transferencia de electrones del NADH ó FADH2  se convierte en el potencial de transferencia de grupos fosforilo del ATP. El potencial de transferencia electrónica de un e- se mide como potencial redox, potencial de reducción o potencial de óxido-reducción (Eo ’).

Si Eo’ es -: Forma reducida tiene < afinidad por los e- que H2. Si Eo’ es +: Forma reducida tiene > afinidad por los e- que H2.

El fl fluj ujo o de ele lect ctro rone ness a tra ravvés de lo loss co com mpo pone nent ntees de la ca cade dena na de tr tran ansp spor orte te el elec ectr trón ónic ico o se re real aliz izaa en or orde den n de po pote tenc ncia iall de re redu ducc cció ión n creciente.

 

NADH (agente reductor fuerte), Eo’ = -0.32 volts) O2   (aceptor final de los electron electrones es agente oxidante fuerte,) fuerte,) Eo’ = +0.82 volts)

Una diferencia de potencial de 1.14V entre el NADH y el O 2 impulsa el transporte de ea través de la cadena respiratoria y permite la formación de un gradiente de protones.

 

Los grupos prostéticos de cada uno de los componentes tienen diferentes potenciales redox y pueden pued en intervenir intervenir en diferente diferentes pasos en la cadena cadena de transporte de electrones. electrones . s pasos

 

La cadena respiratoria está formada por 4 complejos: 3 bombas de protones y una conexión física con el CAC

 

Los e- se trasladan de un complejo a otro a través de transportadores eléctr elé ctrico icoss esp especi eciale ales: s: Coe Coenzi nzima ma Q o Ubiqui Ubiquinon nona a (quino (quinona na hid hidrof rofóbi óbica) ca) y citocromo c (proteína pequeña e hidrosoluble).

 

Ubiquinona (coenzima Q) Derivado Deri vado quinona con larga larga cadena cadena isoprenoid isoprenoide, e, el numero numero de unidades unidades de isopreno isopreno depende de la especie.

Puede presentar tres estados de oxidación Sus rea Sus reacci cio ones nes de tran ransfere ferenc ncia ia de electrones están acopladas a la unión o liberación de protones: propiedad clave a la hora de transportar protones a través de la membrana

 

Los electrones de elevado potencial del NADH entran a la cadena respiratoria a través de este complejo.

Estructura en forma de L: - Brazo horizontal anclado en la membrana interna - Brazo vertical mitocondrial

en

la

matriz

 

Flavina Mononucleótido (FMN) Presente en las flavoproteinas

 Al igual que la ubiquinona, sus reacciones de transferencia transferencia de electrones están acopladas a la unión o liberación de protones. También al poder existir en forma de semiquinona, puede transportar tanto un electrón como un par.

 

Centros Fe-S Fe está presente no en forma de hemo (como en los citocromos) sino en asociación con átomos proteína transporta transportadora, de azufre dora,inorgánico o con los dos o con al átomos mismo tiempo de azufre de residuos de Cys de la

Se pueden presentar en tres tipos

[Fe-S]

[2Fe-2S]

[4Fe-4S]

El Fe de estos complejos alterna entre los estados oxidado Fe 3+ y reducido Fe2+ Suelen intervenir en reacciones redox sin aceptar o liberar protones.

 

La Succinato deshidrogenasa, enzima cítrico, forma comple com plejo jo y genera gen era FADH2   a part pa rtir ir dedel FAciclo D pordellaácido oxid oxida ació ión n del de l suc sucparte ci cina nato todel a fumarato.

No se produce transporte de H+ hacia el citoplasma a diferencia del complejo I.

 

Segunda bomba de H+ de la cadena de transporte.

citocr crom omo o b:   cont -cito contie iene ne 2 grupos hemo tipo b En su estructura podemos pode mos encontra encontrar  r  2 citocromos

bL (baja afinidad) bH (alta afinidad)

-cit -c itoc ocro romo mo c1 c1::   1 grupo hemo tipo c

-Pro -P rottei eina na

hie hierrorro-az azuf ufre re::

2Fe-2S (Centro de Rieske)

Mecanismo: CICLO-Q : Canaliza : Canaliza los e- desde un transportador de 2 e- (QH2) a uno de un e- (Citocromo c) y bombea H+.

 

CICLO-Q

Los el Los elec ectr tron ones es pa pasa san n al cito citocr cro omo C, pr pro ote teíína solu solub ble pres presen ente te en el es espa paci cio o intermembranal, que es una proteína hidrosoluble que se asocia mediante interacciones electrostáticas con la parte exterior de la membrana interna de la mitocondria. Después de aceptar un electrón procedente del complejo III, el citocromo C difunde hacia el complejo IV.

 

Grupos Hemo Presentes en los citocromos. Los fuertes colores característicos de los citocromos se deben a la presencia del grupo prostético hemo.

Grupo prostético del hemo (cit. B, c1 y c): Ferroproteina IX

Su átomo de hierro oscila entre Fe3+ y Fe2+.

 

2 grupos hemo de tipo A: hemo a y hemo a3

Centro A: 2 iones de Cu 3 iones de Cu distribuido dos centros de distribuidos Cu: A y B .s en

Centro B: un ión Cu.

Cu A / Cu A aceptor de los electrones del citocromo c reducido. hemo a aceptor de los electrones de Cu A / Cu A .

Hemo a3/ CuB forman parte del centro activo donde O2 se reduce a H2O.

 

Radicales Libres O : excelente aceptor de electrones 2

RIESGO:  producción de intermediarios anión superóxido (O2-) y anión peróxido (O22-) y radical hidroxilo OH· , también llamados ROS (Reactive oxygen species) dañinos para una serie de componentes celulares.

SOLUCIÓN:   en la cadena de transporte electrónico se opta por unir estos intermediarios fuertemente hasta su completa conversión en agua (complejo IV)

Sin embargo pueden producirse pérdidas, la retención no es eficiente al 100%: necesidad de otras estrategias defensivas: -Superoxido dismutasa (SOD) neutraliza (SOD) neutraliza el anión superóxido dismutándolo: 2 O2 ¯ + 2H+

H2O2 + O2

-Catalasa Catalasa dismuta  dismuta el peroxido producido por SOD y otros enzimas

2 H2O2   + 2H+

H2O+ O2

 

Un gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP

El enzima encargado de llevar a cabo la síntesis de ATP: ATP sintasa o complejo V (ubicada en la membrana interna mitocondrial).

Se creí creía a que que para para la sínt síntes esis is de ATP, TP, se form formab aba a un comp compue uest sto o intermediario intermediar io que transfería los fosforilos para la síntesis.

Peter Mitchell en los años 60 (Premio Nobel 1978): propuso la teoría

Quimiosmótica.

 

Teoría Quimiosmótica El y la síntesis de ATP se acoplan mediante un gradiente de H+transporte a través dedelaemembrana interna mitocondrial. Un gradiente de concentración de protones sirve como almacén de energía que dirige la formación de ATP: la fuerza protón-motriz

•La fuerza protón-motriz (∆p)  es la energía

almacenada en el gradiente de conc co ncen entr trac ació ión n de pr prot oton ones es (d (dist istrib ribuc ució ión n desigual).

Los prot Los proton one es que son son tran transl sloc ocad ados os al espacio intermembrana por la cadena de transporte electrónico, regresan al interior  de la matriz mitocondrial vía ATP sintasa.

 

El bombeo de protones a través de la cadena de transporte electrónico crea una protón-motriz iz suma  suma de las contribuciones de un gradiente químico (gradiente fuerza   protón-motr fuerza de pH) y un gradiente de carga (potencial de membrana).

 

Teoría quimiosmótica: el gradiente de protones generado impulsa la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa

La cadena respiratoria y la ATP sintasa son dos sistemas bioquímicos distintos,

conectados únicamente únicamente por una fuerza protón-motriz.  

ATP sintasa F1 Unidad catalítica

F0 Unidad transportadora de H+

 

F1: unidad catalítica Formada por 5 cadenas polipeptidicas:

3 cadenas α 3 cadenas   β cadenas γ y   ε

α y   β  alternadas en anillo hexámerico

-Miembros de la familia de NTPasas con bucle P -Ambas unen nucleótidos, solo β  participa en la catálisis γ

  y   ε   fo forman el tallo central de la

estructura. γ  rompe

la simetria del hexámero α3β3 : cada subunidad β

adopta diferente conformación debido a su interaccion con   γ  

F0 Segmento hidrofóbico quedel atraviesa la membrana interna mitocondrial Contiene conducto de H+ complejo Formado por 

 Anillo: 10-14 subunidades c (incrustadas en la memb.) 1 subunidad a en la periferia del anillo

 

F1 y F0 están conectadas por el tallo γε y por una columna externa formada por b2 y δ Podemos considerar que el enzima esta formado por dos componentes funcionales:

UNIDAD MOVIL (rotor):  anillo c y tallo γε

UNIDAD ESTACIONARIA (Estática): resto de la molécula

 

Mecanismo de la ATP sintasa La ATP ATP sintasa en si no necesita del gradiente de protones para generar  ATP TP el ATP PERO por si sola la ATP sintasa no es capaz de liberar este A del centro catalítico una vez formado. Es decir el flujo de protones favorece la liberación del ATP de la sintasa, más NO su formación (mecanismo de cambio de unión).

El mecanismo de cambio de unión  que se propone tiene en cuenta la

diferente interacción de la subunidad γ con las diferentes subunidades β, de tal manera que dichas subunidades pueden estar en tres conformaciones.

 

Conformaciones de la Subunidad   β TENSA (T): cataliza la transformación de  ADP+Pi en ATP TP,, une fuertemente el ATP generado sin permitir su liberación: dem de masia asiado do apre aprettad ado, o, encaj ncajad ado o en el centro activo.

RE RELA LAJA JADA DA (L (L): ):   un une ADP y Pi en conformación lo suficientemente apretada para que no se desprenda.

ABIERT puede e ta tant nto o un unir ir co como mo ABIERTA (O):   pued desprender

nucleótidos

conformación más abierta.

al

ser

la

 

La interconversión entre las tres formas puede ser dirigida mediante la rotación de γ en sentido antihorario.

Por cada rotación de 120º de γ: liberación de ATP y unión de un nuevo ADP+Pi

 

La rotación de γ   es producida por el paso de protones a través de la subunidad a, que produce una rotación del anillo de subunidades c.

 

• La   subunidad a parece

•Cada subunidad c esta

contener dos semiconductos que permiten la entrada de protones pero no pueden atravesar completamente la membrana.

formada por dos con hélices transmembrana un residuo de ác. aspártico en la segunda hélice situado en el centro de la membrana.

 

Mecanism Mecanismo o de rotación del anillo c Se supone que los dos residuos Asp en contacto con cada semiconducto han cedido sus protones pasando a ser aspartato cargado negativamente negativamente..

 

Mecanismo de rotación del anillo c Cada protón entra por el semiconducto citosólico, sigue una vuelta completa por el anillo c y sale por el otro semiconducto hacia la matriz Según este modelo: el numero de protones que se han de transp tra nsport ortar ar par para a gen genera erarr una molé mo lécu cula la de ATP de depe pend nder erá á dell nú de núme mero ro de su subu buni nida dade dess del anillo c.

 

Rendimiento neto de la fosforilación oxidativa  ATP  A TP sintasa requiere la translocación de 4H+ por cada ATP que produce • El transporte transporte al citoplasma de Pi, ADP and ATP ATP requi requiere ere 1 H+

Rendimiento neto:   4 H+ transportados por cada ATP sintetizado para: NADH: 10 H+ bombeados. (10 H+/ 4 H+) = 2.5 ATP FADH2: 6 H+ bombeados (6 H+/ 4 H+) = 1.5 ATP

 

Lanzaderas de electrones del NADH La membrana interna mitocondrial es impermeable a NADH y NAD+ citoplasmático, pero susdeelectrones entrarLa a la matriz para ser transferidos la cadena transportedeben electrónico. célula ha mitocondrial diseñado sistemas lanzadera dondea se realiza la transferencia de los electrones del NADH y no de la propia molécula.

Lanzadera glicerol-3-fosfato Los electrones electrones son son transfer transferidos idos a gl glic icer erol ol-3 -3-P -P,, que quale FAD lo loss tran transf sfie iere re posteriormente

 

Lanzadera glicerol-3-fos glicerol-3-fosfato fato

• Con esta lanzadera el rendimiento

energético del NADH citoplasmático es menor ya que el aceptor final de los electrones es FAD: el resu esult lta ado es un menor  enor  bombeo de protones.

•  La lanzadera glicerol-3-P es muy

abundante en músculo, lo que perm pe rmit ite e real realiz izar ar la fosf fosfor orililac ació ión n oxidativa a velocidad muy alta.

 

Lanzaderas de electrones del NADH Lanzadera malato-aspartato

Se usa el malato como transportador de los electrones a través de la membrana.

 

Lanzadera malato-aspartato

Lanzadera

más

com co mpl ple eja ja,, pero pero más eficiente ener en ergé géti tica came ment nte, e, el resultado final es NADH en la matriz mitocondrial Sistema especi esp ecialm alment ente e activo activo en hígado y corazón.

 

ransporte orte ATP/ADP Transp • El ATP que se genera en el

proces proc eso o de la fosf fosfor orililac ació ión n oxidativa esta en el lado de la matriz mitocondrial. No puede atravesar la membrana interna  ADP mit itoc oco yondri nd la ria molécula al, al ig igu de ualfosfato que que inorganico (Pi). Es necesario un sistema de transporte de membrana:

ADP/A /AT TP

translocasa:

realiza el intercambio antiporte entre ADP citosólico y ATP de la matriz mitocondrial.

 

ATP/ADP translocasa: Mecanismo de acción

 

La velocidad de la fosforilación fo sforilación oxidativa está determinada por las necesidades de ATP •   Transporte electrónico y síntesis de ATP se encuentran íntimamente ligados: los

electrones no suelen desplazarse a lo largo de la cadena hasta el O 2  a menos que al mismo tiempo ADP se fosforile para formar ATP. •  El factor más importante a la hora de determinar la velocidad de la fosforilación

oxidativa es el nivel de ADP. •  La velocidad de consumo de oxígeno por las

mitocondrias AUMENTA cuando se añade ADP y re recu cupe pera ra su valo valorr inic inicia iall cu cua ando est ste e ADP ADP añadid ido o se conviert ierte e en ATP: CONTROL ROL RESPIRATORIO RESPIRA TORIO o control por medio del aceptor. •  Significado fisiológico sencillo: el nivel de ADP aumenta cuando se consume ATP.

Solo se realizará transporte electrónico hacia el O 2 cuando se necesite sintetizar ATP . • En definitiva, la carga energética, la relación ATP/ADP es la que controla la producción

de energía por parte de la célula.

 

Inhibidores de la fosforilación oxidativa oxidativa

 

Inhibidores de la fosforilación oxidativa oxidativa

 

GRACIAS POR SU ATEN ATENCI CIÓN ÓN