TEMA: TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

IntroducciónConceptos: Transporte Electrónico y Fosforilación

OxidativaLocalizaciónImportanciaComponentes de la Cadena RespiratoriaComplejos Enzimáticos de la Cadena RespiratoriaInhibidores de la Cadena RespiratoriaTeoría QuimiosmóticaRegulación: Control de la FosforilaciónDesacopladoresBalance Energético de la degradación total de la

glucosa.

OBJETIVOS:

Conocer los procesos de transporte electrónico y fosforilación oxidativa.

Establecer relaciones entre ambos procesos.Comprender la importancia biológica de

ambos procesos para los seres vivos.Conocer sobre los inhibidores y

desacopladores de ambos procesos.

INTRODUCCIÓN

Después de haber estudiado el Ciclo de Krebs como proveedor de gran cantidad de agentes reductores podemos pasar a estudiar como los equivalentes reductores en forma de NADH + H (H+ y e-) derivados del Ciclo atraviesan la Cadena Cadena RespiratoriaRespiratoria hacia el oxigeno molecular, ultimo aceptor de electrones de la respiración celular.

Este proceso, llamado de Transporte Electrónico Transporte Electrónico es una de las actividades mas importantes de la célula, puesto que libera una alta cantidad de energía libre, la mayor parte de la cual es conservada en forma de ATP en el proceso denominado Fosforilación Fosforilación Oxidativa.Oxidativa.

El proceso de Transporte Electrónico se da en una secuencia acoplada de cadena de reacciones, y por ser un proceso especifico de la respiración celular a esa cadena de reacciones se le llama CADENA RESPIRATORIA.

Dado que el Transporte Electrónico es un proceso especifico de la respiración celular definamos respiración celular.

RESPIRACIÓN CELULAR: Es el proceso mediante el cual los organismos vivos obtienen energía degradando sustancias hasta CO2 y H2O, actividad acompañada del consumo de oxigeno (O2).

El proceso de RESPIRACIÓN CELULAR incluye un sistema complejo de ENZIMAS y TRANSPORTADORES que funcionan en asociación muy estrecha. El Transporte Electrónico se refiere a la oxidación y reducción, siendo definidas como la perdida y la ganancia de electrones; de tal forma que los sistemas de oxidaciones biológicas implican el transfer de electrones.

El proceso de Respiración Celular se lleva a cabo en la membrana interna de las mitocondrias.

En la Cadena Respiratoria los equivalentes reductores (NADH+H ó FADH2) formados en el Ciclo de Krebs son oxidados en presencia de O2 generando energía.

Vía común por la que fluyen

Los electronesDe los nutrientes

Regenera NAD+

Y FAD+

Formación de un Gradiente

electroquímico

TRANSPORTE ELECTRÓNICO

Ubicación Membrana

Mitocondrial interna

La Cadena Respiratoria es el proceso de reoxidación de NADH+H y FADH2 en el que se produce un gradiente electroquímico que bombea protones a la matriz mitocondrial.

Componentes de la cadena respiratoriaFlavoproteínas Proteínas que tienen grupo prostético derivado

de la flavina, FAD ó FMN. Pueden transportar 2 e- y 2H+ a la vez, es decir, moléculas de H2.Succinato Deshidrogenasa-FAD (grupo prostético)NAD-Deshidrogenasa-FMN (grupo prostético)

Hemoproteínas (citocromos) Hay varios tipos de citocromos: a-a3, b, c, c1.

El hemo del citocromo b es igual al de la hemoglobina, la diferencia funcional está en la cadena polipeptídica..

Los Citocromos son agentes transportadores de electrones que contienen enlaces de hierro en el anillo porfirinico. El Fe porfirinico puede cambiar reversiblemente de Fe3+ a Fe2+ en los procesos de oxidoreducción.

El Fe transporta los e- y forma parte del grupo hemo. Los citocromos pueden transportar los e- de 1 en 1. Presentan color porque absorben luz visible, color distinto si la forma es la reducida o la oxidada.

Proteinas Ferrosulfatadas (FeS): Son proteínas que contienen hierro y azufre. Actúan

como transportadores de electrones, experimentando transiciones del Fe3+ y el Fe2+. En la cadena existen al menos seis proteínas ferro-sulfatadas.

Coenzima Q (Ubiquinona) Único transportador no asociado a

proteínas. En los mamíferos tiene 10 subunidades de isopreno, por lo tanto es un compuesto liposoluble y se le llama ubiquinona. Soluble en el entorno hidrofóbico de la membrana. Puede aceptar 2 e- y 2 H+, estará reducida u oxidada.

Se encarga de receptar los hidrógenos que provienen de las proteínas, pasando de su forma oxidada a su forma reducida.

COMPLEJOS DE LA CADENA RESPIRATORIA

REACCION GLOBAL Y FUNCIÓN DE LOS COMPLEJOS ENZIMATICOS:

NADH+H Co Q-Oxidoreductasa.NADH+H Co Q-Oxidoreductasa.

NADH + H + Co Q ------- Co QH2 + NAD + E E suficiente suficiente para bombear protones

(se regenera NAD para las rutas que lo requieren: Ciclo de Krebs y Beta-Oxidación).

FADH2-Co Q-Oxidoreductasa.FADH2-Co Q-Oxidoreductasa.

FADH2 + Co Q ------ Co QH2 + FAD FADH2 + Co Q ------ Co QH2 + FAD

¡ ¡ No genera No genera suficiente energía para bombear protones por su bajo potencial redox!

(se regenera FAD para las rutas que lo requieren)

Co QH2-Citocromo C-Oxidoreductasa.

Co QH2 + Citocromo C (Fe3+) ----- Co Q + Citocromo C (Fe2+) + E suficiente para bombear protones

(se regenera Co Q para las dos primeras reacciones)

Citocromo C-Oxidasa.Citocromo C-Oxidasa.

Cit. C ------ Cit. A ------Cu-------O2 +Cit. C ------ Cit. A ------Cu-------O2 + E E suficiente para bombear protones.suficiente para bombear protones.

Transportadores E’o (mV)

NADH - 320FMNH - 290Fe-S (Complejo I) - 270FADH - 10Fe-S (Complejo II) 20Ubiquinol (UQH2) 50Citocromo b 77Citocromo b 190Citocromo c 230Citocromo a+a3 380Oxigeno 816

Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial

Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo más bajo hacia los transportadores con Eo más elevado. En la tabla, los de más arriba reducen a los de mas abajo

Los transportadores están ordenados del mas reductor (NADH+H) al mas oxidante (O2). Esto asegura el flujo de electrones a lo largo de la Cadena Respiratoria.

REACCIÓN GLOBAL DEL TRANSPORTE ELECTRONICO:

NADH Fp(FMN) UQ cit bKbT cit c,c1 cit aa3 O2

Esquema de la cadena respiratoria

Esquema de la transferencia de electrones

Cuando los electrones se mueven por la cadena transportadora salen a niveles energéticos inferiores y van liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP, a partir de ADP, en el proceso de fosforilaciónoxidativa.

                                                                                                                                                                                                          

Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 moléculas de ATP. Por cada dos electrones que pasan desde el FADH2 al oxígeno forman 2 de ATP. El mecanismo por el cual se produce ATP se explica por la Teoría Quimiosmótica.

Inhibidores y Desacopladores de la Cadena Respiratoria.

Los inhibidores Los inhibidores son sustancias que bloquean el transporte electrónico.

Los desacopladores Los desacopladores son sustancias que desacoplan los procesos de oxidación, transporte electrónico y fosforilación oxidativa, es decir puede darse el proceso de transferencia electrónica pero al no acoplarse con el de fosforilación oxidativa, la síntesis de ATP no se lleva a cabo.

La rotenona, toxina de una planta, utilizada por indios amazónicos como veneno, también ha sido usada como insecticida. Actúa inhibiendo el complejo I. Inhibe la reoxidación del NADH, no afecta la del FADH2. Inhibe la oxidación del malato, que es dependiente del NAD+, no así la del succinato. El succinato entra en el segundo punto de entrada a la cadena, posterior al del NAD+.

La actinomicina A y la antimicina (Antibióticos). Actúan inhibiendo el complejo III. Inhiben la reoxidación del NADH y del FADH2.

El cianuro, CO, N3 (AZIDA), bloquea el paso de electrones del citocromo a3 al oxígeno.

Estos inhibidores detienen el paso de electrones de modo que no hay bombeo de protones. Sin gradiente de protones, no hay síntesis de ATP.

El amital (barbitúrico) y la piericidina A inhiben al complejo I, afectan las oxidaciones dependientes del NADH+H.

Entre el Cit. A3 y el oxigeno se puede bloquear por la presencia de Cianuro y Monóxido de Carbono (CO)

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA es el proceso mediante el cual la energía liberada en la Cadena Respiratoria es acopladaacoplada para sintetizar ATP en presencia de O2

Postulados de la Teoría Quimiosmótica

La membrana interna es impermeable a los HH+ + .

La transferencia de electrones en la cadena respiratoria se da en forma vectorial.

En el espacio intermembranoso se establece un potencial electroquímico.

El potencial electroquímico de los H+ determina su pasaje por el canal de protones e impulsa la síntesis de ATP a través de la ATP-asa.

Según la teoría quimiosmótica de Mitchell (ganador del premio Nobel en 1978), el sistema transportador de electrones produce un gradiente de protones en el espacio intermembranoso, que crea una diferencia de pH y un potencial de membrana (Gradiente Electroquímico). De acuerdo a esta teoría, los protones son bombeados de la matriz mitocondrial hacia el compartimiento intermembranoso, a medida que los electrones del NADH+H y del FADH2 se mueven a través de una cadena transportadora de electrones, en la membrana mitocondrial interna.

REGULACION: CONTROL DE LA FOSFORILACION

El flujo de protones es controlado por las concentraciones de ADP y Pi en el interior de la mitocondria (matriz), es decir si disminuyen las concentraciones de ADP + Pi, el flujo de protones cesa y por ende la fosforilación. Los protones se unen a la ATPasa produciendo un cambio conformacional en esta, la que abre el conducto y se produce el reflujo de protones. Este reflujo activa a esta enzima, que incorpora el Pi al ADP formando ATP.

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Esquema Teoría quimiosmótica

Inhibidores de la fosforilación oxidativa, venenos que inhiben la ATP-sintasa.

La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la subunidad Fo e interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.

Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por Fo al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de Fo de mamíferos.

Desacopladores:

El más común es el 2,4-dinitrofenol que es soluble en la membrana y su grupo OH se puede disociar. Esto libera energía en forma de calor. Tanto el ATP como el ADP necesitan un transportador para salir y entrar de la matriz mitocondrial y este transporte está favorecido por el gradiente de H+.

Otros agentes desacoplantes son: Otros agentes desacoplantes son: DinitrocresolPentaclorofenolCarbonilcianuro-p-trifluorometoxi-hidrazona (FCCP) y

el Carbonilcianuro-m-clorofenilhidrazona (CCCP)

Debido a sus características estructurales los desacopladores tienen la capacidad de introducirse en la membrana interna de la mitocondria provocando un aumento en la permeabilidad a los protones, disipándose el gradiente de concentración. Es decir el reflujo de protones no se concentra por el canal de protones, sino que se da por toda la extensión de la membrana.

Esquema de la Cadena respiratoria

Cuándo actúan los agentes desacoplantes el gradiente que fluye por el canal de protones se disipa, lo que disminuye la síntesis de ATP

CONCLUSIONESLa cadena respiratoria y la fosforilación

oxidativa son procesos acoplados.Se requiere de la integridad de las

mitocondrias para el buen funcionamiento.Los equivalentes reductores en forma de

NADH+H y FADH2 son los sustratos que donan un par de electrones a un grupo especializado de transportadores de electrones FMN, Co Q, y citocromos.

El gradiente electroquímico formado en la cadena respiratoria es la fuerza motriz que impulsa la síntesis de ATP.

Bibliografíarecursos.cnice.mec.es/.../

cadenarespiratoria.gif www.forest.ula.ve/~rubenhg/atp/imagenes/

ctde.jpgBioquímica de Harper 16ª Edición.Bioquímica de Montgomery 6ª Edición.Bioquímica de Pamela C. Champe 3ª Edición