Universidad Catlica Agropecuaria del Trpico Seco Pbro. Francisco Luis Espinoza Pineda Fundacin 1968-2012 IngenieraAgropecuaria Bioqumica Oxidaciones Biolgicas BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 1 Contenido Introduccin ................................................................................................ 2 Reacciones Oxido- reduccin ..................................................................... 3 Oxidaciones biolgicas ............................................................................... 5 Actividades fundamentales de la cadena respiratoria ................................. 6 Definicin, localizacin y descripcin de la cadena respiratoria .................. 6 Transporte electrnico en la Cadena respiratoria ....................................... 8 Inhibidores de la cadena respiratoria ........................................................ 10 Fosforilacin oxidativa .............................................................................. 11 Ciclo de Krebs .......................................................................................... 13 Descripcin del ciclo de Krebs .................................................................. 14 Balance energtico ................................................................................... 17 Regulacin de Krebs................................................................................. 17 El ciclo de Krebs como va central metablica .......................................... 19 Acoplamientodel ciclo de Krebs. ............................................................. 19 BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 2 Introduccin Lasclulasaerbicasdebenproducirenergaqumicamentefiabley utilizableparaaquellosprocesosquelarequieranyquesonnecesarios para su actividad vital. Losprocesosdesntesiscelularpuedenocurrirmedianteelsuministro adecuadodeenergaprovenientedeprocesoscatablicos.Desdeel puntodevistabioqumicolosprocesosconsumidoresdeenergaque ocurren en la materia viva deben de estar conectados con procesos en los cuales la energa es liberada. En los organismos superiores el principal proceso productor de energa lo constituyenlaoxidacindelasmolculasorgnicaspresentesenlos alimentos las cuales oxidadas totalmente rinden CO2 y H2O con liberacin de energa. Enlasclulasdelossistemasbiolgicosaerbicoslamayorpartedela energaparalosprocesoscatablicosprocededeunatransferenciade electrones,desdelasmolculasorgnicascombustibleshastaeloxgeno molecular.Enlosanimales,laoxidacindeloscarbohidratosylas grasas constituyenla fuenteprincipal suministradorade energa,mientras queenalgunosmicroorganismostienenlafacultaddeobtenerenerga qumica a partirde procesos que no requieren la participacin de O2. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 3 Reacciones Oxido- reduccin Lasreaccionesdeoxidacinreduccinllamadastambinredox;son aquellasen las que tienen lugar una transferencia de electrones desde un dadorelectrnico(elagentereductor)hastaunaceptorelectrnico(el agenteoxidante).Tambinpuedeconsiderarsereaccionesdeoxidacin aquellasenlascualesocurrelaprdidadetomosdehidrgenoola gananciadeoxgenoexistiendosiempre,paralelamente,sus correspondientesreaccionesdereduccinparaformarelredox.Se pueden resumir los tipos de reacciones de oxidacin con ejemplos: 1. Fe2+ Fe3+ + e- (prdida de electrones) 2. CH3 - CH2 - OH + 1/2 O2 CH3CHO+H2O(prdidade hidrgeno) 3. CH3CHO + 1/2 O2 CH3COOH(gananciade oxgeno) Acadaunodelostiposdereaccindeoxidacinpropuestole corresponde la reaccin de reduccin respectiva: ganancia e- ganancia de hidrgeno y prdida de oxgeno. Acetaldehido Acetaldehido Acido actico Etanol BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 4 En la reaccin de deshidrogenacin (2), el hidrgeno suele transportarse al O2paraformaragua,peroeventualmenteseoriginacomoproducto terminal de ciertas oxidaciones biolgicas, el perxido de hidrgeno (H2O2) elcualconstituyeunmetablitodealtatoxicidadparaelorganismo;su eliminacinestreguladaporexistenciadeenzimasespecficamente encargadas de esta funcin en la clula. Siocurreunatransferenciadehidrgeno(Deshidrogenacin hidrogenacin), de hecho ocurre una transferencia de electrones. Por ejemplo:La hidrogenacin deshidrogenacin ocurre: a)En la cadena respiratoria: O2+ 2 H+ H2O b)Enlatransformacindeunalcoholenaldehdo(formacindelgrupo carbonilo). R - CH2OHR - COH c)En la transformacin de aldehdo a carboxilo. R - COHR - COOH d)De carbono saturado a carbono no saturado. [O] [O] - 2H HH H C C H HH HH H C = C H BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 5 Sonejemplosdeoxidacioneslacombustindecualquiermaterialalaire, corrosin de los metales y la respiracin celular.Los procesos de sntesis y ladegradacinsonprocesosredox.Lasntesisinvolucraprocesos reductivos y la degradacin es un proceso oxidativo. Analizandolasiguientereaccinredox,seobservaqueelcidosuccnico entrareducido;elFAD+queentraoxidado,ganaloshidrgenosysale reducido. Oxidaciones biolgicas Sontodoslosprocesosdecarcterbiolgicoquetienenlugarenlas diferentes clulas y en las cuales las molculas orgnicas se transforman mediantereaccionesdeoxidacin-reduccin.Lasmolculasorgnicas se caracterizan por su elevada energa potencial que esta determinada por el alto grade ordenamiento y la estabilidad de sus estructuras.Este hecho provoca que al oxidarse (degradarse) dichas molculas liberan energa, la cualsealmacenanenlasclulasenformadecompuestosricosen energas, o sea en forma de energa qumica. COOH H C C H COOH COOH H C H H C H COOH +FAD+ Forma oxidada +FAD H2 Forma reducida BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 6 Actividades fundamentales de la cadena respiratoria La respiracin y la Oxidacin Celular Larespiracinconsisteenlacaptacinyutilizacindeloxgenoanivel celular.Serealizaenformaanlogopororganismosunicelularesy pluricelulares, solo se diferencian en el mecanismo inicial de captacin delO2 por el organismo en cuestin. LosorganismosunicelularestomanelO2directamenteporsucontacto inmediatoconelmedio,mientrasquelospluricelulares,porelcontrario hanelaboradouncomplejodispositivofisiolgicoderespiraciny distribucindelO2 elcualenelcasodelosorganismosanimales,es transportadoporlahemoglobinahastalaclulaylostejidosms profundos.Una vez transportadoel O2 a las diferentes clulas, en estas se captado y utilizado de igual forma a lo largo de toda la escala biolgica. Definicin, localizacin y descripcin de la cadena respiratoria Unodelosfactoresfundamentalesdelasoxidacionesbiolgicasse verificanmedianteunconjuntodesistemasredoxdispuestosenforma ordenadaslocalizadasenelinteriordelamitocondriaespecficamenteen las encrestas mitocondriales. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 7 Esteconjuntorecibeelnombredecadenadetransporteelectrnicoo cadena respiratoria e incluye una serie de transportadores de hidrgeno y electrones. Cules son los componentes de la cadena respiratoria? 1.Enzimas que participan en la oxidacin, reduccin, desdelos sustratos orgnicos hasta el O2 molecular son: a)Deshidrogenasas ligadas a la piridina, NAD como coenzima. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 8 b)DeshidrogenasasligadasaalpiridinarequierenalFADcomo grupoprosttico. c)Loscitocromosconstituyenungrupodeferroproteinasque transfierenelectrones,enlasclulasaerobias,yqueactan secuencialmenteeneltransportedeelectronesdesdela coenzima Q hasta el oxigeno molecular. 2.La coenzima Q son compuesto lquidos que parecen no estarligados a ninguna protena. 3.Protenasquecontienenhierronoheminco.Loscitocromossonun conjunto de enzimas caracterizados por tener hierro en su estructura en formadelgrupohemodelahemoglobinayqueparticipanenel transporte electrnico a travs del sistema. Transporte electrnico en la Cadena respiratoria Los electrones separados de los intermediarios del ciclo de Krebs, fluyen a lo largo de la cadena de mltiples eslabones constituidos por las enzimas de transporte electrnico, con niveles de energa inferiores hasta alcanzar el oxigeno molecular, ltimo aceptor electrnico en la respiracin. Durante este proceso una parte de la energa se conserva, debido a la fosforilacin oxidativa, en forma de energa del enlace de fosfato del ATP. En los tejidos animales,lasenzimasquecatalizaneltransporteelectrnicoyla fosforilacin oxidativa estn localizadas en las mitocondrias. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 9 Lamayorpartedelospareselectrnicosqueentranalacadena respiratoria,provienendelaclasededeshidrogenasasqueempleanal NAD+oalNADP+,comoaceptoreselectrnicos;selesllamatambin deshidrogenasas ligadas a la piridina. ElNADHhidrogenasa,catalizalatransferenciadeelectronesdesdeel NADH ala coenzima Q, en la cadena respiratoria. Lasecuenciadelasreaccionesde transferenciaelectrnica,queaparece enlasehallan,enprimerlugar,deacuerdoconlospotencialesde reduccinestndardelosdiferentestransportadoreselectronicos,enque BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 10 loselectronessehacenmaspositivosamedidaquecirculan,desdeel sustratohastaeloxgeno.Ensegundolugar,experienciasefectuadas sobrelaespecificidaddelostransportadoreselectronicosaislados confirmanlasecuencia;asielNADHpuedereduciralaNADH deshidrogenasa, pero no puede reducir los citocromos b, c o a+ a3.

Inhibidores de la cadena respiratoria Cuandosebloquealacadenarespiratoriaconuninhibidorespecifico,los transportadoreselectrnicosdelladodelsustrato,enelfragmentodela cadena,bloqueado,sevareduciendo,entantoquelosquesehallanal lado del oxigeno van oxidndose. Eldescubrimientodeinhibidoresespecficosparaciertospuntosdela cadena, ha contribuido, tambin, en gran manera al estudio del transporte electrnico.Losmsimportantessonlaretonona,uninsecticida extremadamentetoxicoyvenenosoparalospeces,yelamitalsdico, unadrogabarbitrica;ambosbloqueanlatransferenciadeelectrones desdeelNADalacoenzimaQ.ElantibiticoAntimicina,aisladodeuna cepadeStreptomyces,bloquealatransferenciadeelectronesdesdeel citocromo b y c, y el cianuro bloquea la etapa final de los citrocromos a + a3.

BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 11 Fosforilacin oxidativa El acoplamiento de la fosforilacin a la respiracin fue descubierto al final de los aos 1930 y recibi el nombre de fosforilacin oxidativa aerobia, con objetivo de diferenciarla de la oxidacin glucoltica. La ecuacin global completa para el transporte electronico y la fosforilacion respiratoria acoplada es NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + O2NAD++ 4H2O + 3ATP BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 12 LaaccincombinadadelciclodeKrebsylafosforilacinoxidativaes motivo de la mayor parte del ATP generado en el hombre. La transferencia exergnicadeelectronesdeNADHodelFADH2aoxigenoporla fosforilacin oxidativa mantiene la sntesis endergnica del ATP a partir deADPyPi.Lafosforilacinoxidativa,peronolaoxidacinanivelde sustrato,requieredeunacadenadetransportedeelectrones,oxigeno molecular y ATP sintasa. La teora quimiosmtica combina las caractersticas de:Las reacciones qumicas Los gradientes inicos vectoriales (gradientes osmticos) LateoraquimiosmticaodeMitchellproporcionaelmarcoconceptual para comprender la fosforilacin oxidativa. Las reacciones exergnicas de transportedeelectronesgeneranungradientedeprotonesatravesdela membrana que sustenta la formacin de ATP. EnlasreaccionesdelciclodeKrebsseproducenNADHyFADH2.El NADHyFADH2 donansuselectronesalacadenadetransportede electrones, que los pasa secuencialmente a oxigeno para generar energia quimicayparaformaragua.LageneraciondeATPapartirdeADPyPi estaacopladoaunaseriadereaccionesdetransferenciadeelectrones desde los reductores (NADH, FADH2) al oxgeno. Lafosforilacinoxidativaocurreenlamitocondria.Lamembrana mitocondrialinternacontienelacadenadetransportedeelectronesyla ATPsintasa,queeslamediadoradelaformacindeATP.Elsuccinato BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 13 deshidrogenasadelciclodeKrebs,queformapartedelacadenade transporte de electrones, es unaprotena integral de la membrana interna mitocondrial. El resto de las enzimas del ciclo de Krebs se localizan en la matriz. Ciclo de Krebs ElciclodeKrebsloconstituyeunaserieordenadadereaccionesde carctercclicoenlaqueparticipanlosdiferentesmetabolitosquesirven comosustratoopuntodepartidaparaelfuncionamientodelaC.Ryla PO.ElciclodeKrebsestambinconocidocomocidoctricoociclo tricarboxilcoyenlasclulasaerbicasconstituyelarutafinaldel catabolismooxidativodetodaslasmolculascombustiblescomolas protenas, los carbohidratos y las protenas, los carbohidratos y los lpidos.TodaslasenzimasqueparticipanenelciclodeKrebsascomolas coenzimasycofactoresestnlocalizadosaniveldelamembranainterna de las mitocondrias. El metabolismo aerobio de la glucosa a dixido de carbono y agua provee muchamsenergaquelaliberadadurantelagluclisisanaerobia. Despusquelaglucosaesconvertidaenpiruvato,elpiruvatoes convertidoaacetil-CoApordescarboxilacinoxidativaantesdeentraral ciclo de Krebs. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 14 Descripcin del ciclo de Krebs Esteprocesoconsisteenunaseriedereaccionesconsecutivasque terminan en el mismo compuesto inicial. a)Elacetilosecondensaconunamolculadecuatrotomosde carbono, el cido exococetico para formar el cido ctrico. b)Elcidoctricosetransformaenisocitratoymediante oxidacionesdecarboxilacionesetc.ypasasucesivamentea oxalosuccionato cetoglurato, succinil CoA y succinato.Hasta aqu sehanliberadodosmolculasdeCO2,oseaunacantidadde tomos de carbono igual.El proceso no termina aqu el succinato se transformaluegoenfumoratoporunaoxidacin(pierdedos hidrgenos). Elfumaratoalcaptarunamolculadeaguasetransformaen malato, finalmente para cerrar el ciclo, el malato se oxida (pierde dos hidrgenos)yquedaconvertidoenoxalatoosealamolculainicial quepuedecombinarsenuevamenteconotroacelitoparaquese reinicieelciclorelacionadoalfoforilacinoxidativa;portantoestas deshidrogenasionessonlasquerepresentanelacoplamientodel ciclodeKrebsconlacadenarespiratoriaylafoforilacinoxidativa, siendo estas reacciones: BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 15 Isocitrato-ceto glutarato +2H Aceto glutarato succinil Co A +2H Succinatofumarato + 2H MalatoOAA +2H. Del total de los hidrgenos producidos, 6 de ellos van a ser captados por el NAD+ producindose3NADH+Hylosotrosdosrestantesvanaser captados por el FAD producindose FADH2. LosNADH+H+yFADH2originadosvanaincorporarsealacadena respiratoria de modo que a travs de estas coenzimas y grupos prsteticos y con la participacin conjunta de la coenzima Q y los citocromos los H de lossustratosvanasertransportadosfinalmentehastaelO2conla siguiente formacin del H2O. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 16 BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 17 Balance energtico LaformacindeATPesunprocesoquerequiereflujodeelectrones, oxgeno yreaccin que lleve a cabo la unin entre el ADP y el fosfato. A este procesose llama Fosforilacin Oxidativa. FosforilacinporqueelADPsefosforilayoxidacinporqueseconsume oxgeno durante todo el proceso. Considerando la fosforilacin del ADP acoplada a la cadena respiratoria en la fosforilacin oxidativa es posible efectuar el balance energtico total del ciclo de krebs teniendo en cuenta que por cada NADH+ H+ que interviene enlacadenarespiratoria,sesintetizantresATPporlafosfoliracin oxidativa y por cada FADH2 dos ATP mediante el mismo proceso; hay que sealarquelanicadeshidrogenacindelcicloqueimplicaunganancia dedosATPporelFADH2queseproduceesladelsuccinatopasandoa fumaratoportenerelparsuccinato/fumaratounpotencialdereduccin estndarsuperiorqueserelcorrespondientealdelparNAD/NADH+H+ nopudiendoportantocederleelsuccinatosushidrgenosalNAD+para oxidarse (que es indispensable del transporte electrnico). Regulacin de Krebs Como ocurre en cada secuencia metablica de la clula, el ciclo de Krebs vienereguladoporlaaccindeenzimasreguladoresoalostricos,que respondenalaconcentracindealgunosmetabolitosimportantesdela clula. La principal reaccin limitante del ritmo del cicloKrebs, en muchos tejidos, es la catalizada por el citrato sintasa, primera de las reacciones del BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 18 ciclo.Esestaunaenzimaalostrica,cuyosmoduladoresnegativoso inhibidoressonelATP,productofinaldelasreaccionesdeconservacin de la energa en la respiracin, y el NADH, producto final de las etapas de deshidrogenacin del ciclo. El segundo enzima regulador es la isocitratodeshidrogenasa dependiente del NAD; la reaccion catalizada por dicha enzima puede ser limitante de la velocidaddelcicloenalgunostejidos.Estaenzimaalostricaes fuertementeinhibidopormoduladoresespecificosnegativos, particularmenteporelATPyelNADH,yesestimuladoporlos moduladores positivos ADP y NAD. Siempre que la concentracin de ATP en la clula supere un determinado nivel satisfactorio para sus necesidades energticas, el metabolito inhibe a la citrato sintasa y a la isocitricodeshidrogenasa. Adems, siempre que la concentracindeNADHsobrepasaciertolmite,tambinactacomo inhibidordeambasenzimasreguladoras.Porelcontrario,cuando desciende el nivel del ATP celular, provocado por un consumo intenso de aquelpararealizarfuncionesquerequieranenerga,laconsiguiente elevacindeADPsirveparaestimularlavelocidadglobaldelciclode Krebs, que tiende a restablecer, de este modo, el nivel normal de ATP.

BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 19 El ciclo de Krebs como va central metablica Elciclodekrebsencombinacinconlacadenarespiratoriayla fosforilacinoxidativayapartirdelacetilCoAprovenientedemltiples metabolitos produce la mayor parte del CO2 el H2O y la energa (en forma de ATP) resultante del catabolismo de las cadenas carbonadasen dichas molculas.Esta energa es la principal forma de energa metablicamente utilizableparaeldesarrollodelasactividadesvitalesdecarcter endergnico que se lleva a cabo en los diferentes organismos. Acoplamientodel ciclo de Krebs. Comofuedescritoanteriormente,los8Hprovenientesdelosdiferentes metabolitos que experimentan deshidrogenacinen el ciclo de krebs son incorporadosalacadenarespiratoria,queasuvezestnntimamente relacionadosconlaPO.Porlotantoestasdeshidrogenacionessonlas querepresentanelacoplamientodelciclodekrebsconlacadena respiratoria y PO. DeltotaldelosHproducidos,6deellosvanasercaptadosporelNAD producindose 3NADH +Hy los dos otros 2 los capta el FADH 2. Luego el NADH+H yFADH2son incorporados en la cadena respiratoria. Demodoqueatravsdeestascoenzimasygruposprostticosyconla participacinconjuntadecoenzimaQ,loscitocromos,losHdelos sustratos van hacer transportados hasta el Oxgenoproduciendo agua. BioqumicaOxidaciones Biolgicas Pgina 20 Considerando la fosforilacin del ADP acoplada a la cadena respiratoria en la PO es posible efectuarse el balance energtico total del ciclo dekrebs, teniendoencuentaqueporcadaNAD+Hqueintervieneenlacadena respetarasesintetizan3molculasdeATPporPOyporelFADH22 ATP por PO.