FOSFORILACIÓN OXIDATIVA - eva.fcien.udelar.edu.uy
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ΔG o’ = - 220.1 kJ/mol NADH + ½ O 2 + H + → H 2 O + NAD + Exergónico Endergónico ADP + P i + H + ↔ ATP + H 2 O ΔG o’ = + 30.5 kJ/mol ¿Cómo se acoplan estos procesos ? la búsqueda duró varias décadas FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
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ΔGo’= - 220.1 kJ/mol
NADH + ½ O2 + H+ → H2O + NAD+
Exergónico
Endergónico
ADP + Pi + H+ ↔ ATP + H2O
ΔGo’= + 30.5 kJ/mol
¿Cómo se acoplan
estos procesos ?
la búsqueda duró
varias décadas
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Variation_de_l%27%C3%A9nergie_libre_pend
ant_le_transport_d%27%C3%A9lectrons.jpg
ΔGo’
El transporte electrónico y la síntesis de ATP se acoplan mediante un
gradiente de protones a través de la membrana interna mitocondrial
1961-Peter Mitchell Propuso la Teoría Quimiosmótica
Un gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP
Constituye con el descubrimiento de la estructura del ADN el segundo
avance principal en la Biología del siglo XX
En 1961 Mitchell fue considerado por colegas con ideas de bufón de la corte….
En 1978 recibió el premio Nobel.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chaine_de_transport_d%27electrons2.png
Recordemos en que etapas se establece el gradiente de H+
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Espacio
Intermebrana
MATRIZ
mitocondrial
Membrana
interna
mitocondrial
Espacio
intermembrana Matriz
Bomba de
protones
[H+]matriz disminuye
se genera un campo
eléctrico negativo en la
matriz
El pH externo es 1.4 unidades menor que el interno
y el potencial de membrana en de 0.14 v, positivo en el exterior.
Este potencial de membrana se corresponde con una
ΔG’o de 21.8 kj/mol de protones.
Los H+ bombeados fuera de la matriz fluyen de vuelta a la matriz para igualar la distribución delos mismos
flujo de H+ que
regresa a la matriz e
impulsa la síntesis
de ATP
Fuerza protón-
motriz (Δp)
=
Gradiente
químico
ΔpH
(dentro
alcalino)
+
Gradiente
de carga
Δψ
(dentro
negativo)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chaine_de_transport_d%27electrons2.png
4 4 2
La ATP-sintasa o complejo V
Antes la llamaban F1Fo-ATPasa mitocondrial ¿porqué?
¿Cómo se convierte la fuerza
protón-motriz en el potencial
de transferencia de fosforilo
de alta energía del ATP?
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atp_synthase.PNG
Fo
F1
Membrana
Interna
mitocondrial
Matriz
(a3, b3, g, d , e)
F1 : contiene la actividad catalítica
Fo: contiene el canal de H
+
Subunidades c10-14 insertas en la membrana y una subunidad a
Fo y F1 se conectan por las subunidades ge
y mediante una columna externa (a, b2, d)
Membrana interna
mitocondrial
Matriz
Espacio
intermembrana
Fo: contiene el canal de H
+ permite el regreso de H+ a la matriz mitocondrial y este flujo de H + permite la liberación del ATP de Fo
F1 : actividad catalítica sitio de síntesis del ATP (necesita del flujo de protones para liberar el ATP sintetizado)
a
a a
b b
b
g
b2
d
a
c12
ADP + Pi
ATP
Adaptada de Lehninger 4ta. Edición 2005
La liberación del ATP desde la ATP sintasa es la mayor barrera energética que hay que sobrepasar
Las subunidades F1 aisladas
exhiben actividad ATPasa
Las subunidades a y b son NTPasas de bucle P
Las dos unen nucléotidos
Sólo la subunidades b participarían directamente en la
catálisis
a
a a
b b
b
g
Adaptada de Lehninger 4ta. Edición 2005
Subunidad g rompe la simetría del hexámero a3 b 3 pues cada una de las subunidades b es distinta en virtud de sus interacciones con diferentes caras de g (interacciones con aminoácidos diferentes de cada cara de la subunidad g)
Matriz
Espacio
intermembrana
Unidad móvil o rotor:
formada por el anillo c y el tallo e, g
Unidad estacionaria NO móvil: formada por el resto de la molécula
ADP + Pi
ATP
e
a
a a
b b
b
g
b2
d
a
c12
Adaptada de Lehninger 4ta. Edición 2005
Poder distinguir entre
las tres subunidades b
resulta crucial para
entender el mecanismo
de síntesis de ATP
Por más información ver el siguiente link
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ATPsyn.gif
EL flujo de H+ a través de la ATP sintasa provoca la liberación del ATP fuertemente unido: el mecanismo de cambio de unión
El papel de gradiente de
H+ no es la formación
del ATP sino su
liberación de la sintasa
3 centros
activos (b)
una subunidad b puede llevar a cabo
cada uno de los tres pasos del proceso de
síntesis de ATP cambiando de conformación
1) Unión del ADP + Pi
2) Síntesis de ATP
3) Liberación de ATP
Lubert Stryer 7ma. Edición 2012
Los sitios de unión a nucléotidos de la ATP sintasa no son equivalentes
Las subunidades b son las que participa
directamente en la catálisis
las interacciones con la subunidad g
hacen que las tres subunidades b
no sean equivalentes
a
a a
b b
b
g
L= floja, el ADP + Pi se pueden unir
T= tensa, el ADP + Pi pasa a ATP
O= abierta el ATP o el ADP y el Pi se liberan fácilmente
Adaptada de Lehninger 4ta. Edición 2005
Mecanismo de cambio de Unión de la ATP sintasa
La rotación de la subunidad g promueve la
interconversión entre las tres conformaciones de b
L= floja, el ADP + Pi se pueden unir
T= tensa, el ADP + Pi pasa a ATP
O= abierta el ATP o el ADP y el Pi se liberan fácilmente
Lubert Stryer 7ma. Edición 2012
Se requiere que 3 H+ sean translocados para liberar 1 ATP
H+
H+
Lubert Stryer 7ma. Edición 2012
¿Cómo el flujo de H+ alrededor del anillo c impulsa la liberación de ATP ?
Lubert Stryer 7ma. Edición 2012
Se requiere que 3 H+ sean translocados para liberar 1 ATP
H+
H+
Un protón adicional se consume en el transporte del ATP de la matriz al citoplasma
Entonces 4H+ son necesarios que regresen a la matriz para la liberación de 1 ATP
Matriz mitocondrial Espacio
intermembrana
Translocasa
ATP/ADP
ATP
sintasa
Translocasa
de Fosfato OH-
3 3H+ 3H+
Adaptada de Lehninger 4ta. Edición 2005
El transporte de electrones del NADH se acoplaba al bombeo de 10 H+
10/4=2.5 ATP
El transporte de electrones del FADH2 se acoplaba al bombeo de 6 H+
6/4= 1.5. ATP
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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chaine_de_transport_d%27electrons2.png
Vía metabólica Productos ATP producido por
molécula de glucosa
Glicólisis 2 NADH (citosólico)
2 ATP
3 o 5
(dependiendo de la
lanzadera que hace
entrar los e del NADH
a la matriz)
Oxidación del Piruvato
(dos por glucosa)
2 NADH (matriz) 5
Oxidación del acetil-CoA
en el Ciclo de Krebs
(dos por glucosa) y
Fosforilación Oxidativa.
6 NADH (matriz)
2 FADH2 (matriz)
2 ATP o GTP
15
3
2
Rendimiento neto por molécula de glucosa 30
Por cada NADH oxidado 2.5 ATP
Por cada FADH2 oxidado 1.5 ATP
Lanzadera aspartato malato
Lanzadera del malato-aspartato en corazón, hígado y riñones
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Malate-aspartate_shuttle.png
Lanzadera de glicerol 3-fosfato
Lanzadera del glicerol 3- fosfato en cerebro y músculo esquelético
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:GPDH_shuttle.png
Matriz
Citoplasma
Glicerol-3-fosfato
Deshidrogenasa
citoplasmática
Glicerol
3-fosfato
Dihidroxiacetona
fosfato
Glicerol-3-fosfato
Deshidrogenasa
Mitocondrial
unida a la membrana
La velocidad de la fosforilación oxidativa está determinada por la necesidad de ATP
En condiciones normales los e- no suelen desplazarse a lo largo de la cadena de
transporte de electrones hasta el O2 a menos que al mismo tiempo
el ADP se fosforile por ATP
Que puede incrementar la velocidad de la fosforilación oxidativa
Que la [ADP] ↑ como puede ocurrir en el músculo activo
(control respiratorio o control por aceptor).
A su vez la disponibilidad de NAD+ y FAD controlan la velocidad del ciclo de Krebs
Desacoplamiento regulado provoca la generación de calor
En algunos organismos
Desacople de la fosforilación oxidativa
de la síntesis de ATP
Objetivo mantener el calor corporal
En animales que hibernan,
en tejido adiposo pardo
Rico en mitocondrias
Rico en hemoglobina
Termogenina (activada por ácidos grasos)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ThermogeneseAdipozyten-en.svg
Rotenona y amital
Antimicina A
Cianuro (CN-)
azida (N3-)
monóxido de carbono (CO)
Inhibidores de la cadena respiratoria También inhiben la síntesis de ATP
Inhibidores y agentes desacoplantes
Agentes
desacoplantes
Inhibidores de
la ATP sintasa
Lehninger 4ta. Edición 2005
Transportan H+ a través
de la membrana interna
mitocondrial
