Química III y Química Biológica

CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

2015

RESPIRACIÓN CELULAR

Fase 1

Fase 2: Ciclo de Krebs

Fase 3: Cadena respiratoria yFosforilación oxidativa

Producción de Acetil-CoA

Oxidación de Acetil-CoA

Síntesis de ATP

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA comienza con la entrada de electrones

en la CADENA RESPIRATORIA

La fosforilación oxidativa, ocurre en la

mitocondria. Es la síntesis química de

ATP (reacción endergónica) impulsada por

la de transferencia de electrones desde el

NADH al O2 (proceso exergónico).

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

La membrana externa es permeable a moléculas de PM inferior a 5000 Da y a iones. Presenta canales transmembrana compuestos por una familia de proteinas integrales de membrana llamadas porinas.

La membrana interna es impermeable a la mayoría de iones y moléculas (H+, O2

-, etc). Las únicas moléculas que cruzan la membrana interna son aquellas para las que hay proteínas transportadoras específicas de metabolitos esenciales (ADP, ATP, ácidos carboxílicos, Ca2+, aminoácidos, etc.)

La membrana interna aloja a los componentes de la cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP (ATP sintasa)

MitocondriaSitio subcelular donde ocurre la fosforilación oxidativa en

células eucariotas

Consta de una serie de transportadores de electrones, la

mayoría proteínas integrales de la membrana interna, con

grupos prostéticos capaces de aceptar y/o ceder 1 ó 2

electrones

Cada componente de la cadena, acepta electrones del

transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en

una secuencia específica

Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan

dentro de complejos proteicos ordenados en serie

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES O CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL

Transferencia directa de electrones: par redox Fe3+/Fe2+

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

Transferencia de átomos de hidrógeno: un protón (H+) y un e-

AH2 A + 2 e- + 2 H+

Transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Mientras una molécula de sustrato es oxidada (deshidrogenación), cediendo 2 átomos de hidrógeno, la formas oxidadas (NAD+ o NADP+) aceptan un hidruro (:H-; -un protón y 2 e-) transformándose en las formas reducidas (NADH o NADPH). El segundo H+ del sustrato se libera al medio.

NADP+ + 2 e- + 2 H+ NADPH + H+

NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H+

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Equivalente de reducciónTérmino utilizado para designar a un equivalente

electrónico simple (un electrón transferido) que participa en una reacción de oxidación-reducción, sin importar si este equivalente está en forma de

electrón, átomo de hidrógeno ó ión hidruro

Transportadores universales de electrones

- Nucleótidos de nicotinamida (NAD+ y NADP+)

- Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)

Otros grupos transportadores de electrones

- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)

- Citocromos

- Proteínas Hierro-sulfuradas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Transportadores universales de electrones

Nucleótidos de nicotinamida

NAD+ y NADP+ están compuestos por 2 nucleótidos unidos mediante sus grupos fosfatos

NAD+ y NADP+ son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados reversiblemente a deshidrogenasas.

El NADH transporta electrones que provienen de las reacciones catabólicas a la cadena respiratoria.

El NADPH suministra electrones a las reacciones anabólicas.

Ni el NADH ni el NADPH pueden atravesar la membrana interna de la mitocondria, sin embargo, los electrones que transportan sí pueden hacerlo a través de lanzaderas.

Transportadores universales de electronesNucleótidos de nicotinamida

Las flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unidos, a veces covalentemente.

La transferencia electrónica se da debido a que la flavoproteína tiene un potencial de reducción mayor que el del compuesto oxidado.

El potencial de reducción estándar de un nucleótido de flavina depende de la proteína a la cual esté asociado.

El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando FADH2 o FMNH2.

Transportadores universales de electronesNucleótidos de flavinas

Transportadores universales de electrones Nucleótidos de flavinas

Otros grupos transportadores de electronesUbiquinona o Coenzima Q

La reducción completa (UQH2) requiere 2 e- y 2 H+ y se produce en 2 pasos sucesivos

La UQ puede aceptar 1 e- formándose radical semiquinona (UQH)

Capaz de actuar como unión entre un dador de 2 e- y un aceptor de 1 e-

Debido a que es pequeña e hidrofóbica difunde a través de la membrana interna, actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana, menos móviles

Otros grupos transportadores de electronesCitocromos

Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (cit. reducido) o Fe3+ (cit. oxidado)

El Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína mediante enlaces tioéter con Cys.

El cit c mitocondrial es una proteína periférica (excepción), asociada a la membrana interna por interacciones electrostáticas

Hemo A(Citocromos tipo a)

Hemo C(Citocromos tipo c)

Fe protoporfirina IX(Citocromos tipo b)

Otros grupos transportadores de electronesProteínas Hierro-sulfuradas

En las hierro-sulfo proteínas, el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente

Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas

Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce uno de los átomos de Fe

Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-

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

Hemi-reacción Eo’ (mV)

NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ - 320

FMN + 2H+ + 2e- FMNH2 - 290

Fe3+-S-proteína (Complejo I) + 1e- Fe2+-S-proteína - 270

Fumarato + 2H+ + 2e- Succinato - 31

FAD + 2H+ + 2e- FADH2 - 10

Fe3+-S-proteína (Complejo II) + 1e- Fe2+-S-proteína 20

Ubiquinona + 2H+ + 2e- Ubiquinol (UQH2) 50

Citocromo bk (Fe3+) + 1e- Citocromo bk (Fe2+) 77

Citocromo bT (Fe3+) + 1e- Citocromo bT (Fe2+) 190

Citocromo c1 (Fe3+) + 1e- Citocromo c1 (Fe2+) 220

Citocromo c (Fe3+) + 1e- Citocromo c (Fe2+) 254

Citocromo a (Fe3+) + 1e- Citocromo a (Fe2+) 290

Citocromo a3 (Fe3+) + 1e- Citocromo a3 (Fe2+) 550

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 816

NAD FM - (Fe-S)6

(Fe-S)3

FAD

Cada componente de la cadena, acepta electrones del transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en una secuencia específica

Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

Los electrones fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajos hacia los transportadores con Eo’ más elevados.

Complejos proteicos de la cadena respiratoria mitocondrial

pH = 7.0 Espacio intermembranas (Lado P)

pH = 7.8 Matriz (Lado N)

LA TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ES UN PROCESO EXERGÓNICO

En la cadena de transporte de e-, pasan 2 e- desde el NADH al O2

NADH + H+ + 1/2 O2 H2O + NAD+

La reacción neta es altamente exergónica

Teniendo en cuenta que NAD+/NADH Eo’ = -0.320 V O2/H2O Eo’ = + 0.816 V

Eo’ = + 1.14 V

El cambio de energía libre: Go’ = - n F Eo’

Go’ = - 2 (96.5 kJ/V. mol)(1.14 V) = - 220 kJ/mol NADH (cada 2e-)

En mitocondrias respirando activamente, la relación NADH/NAD es mayor que 1,

y el G’ es mucho mayor (más negativo) que -220 kJ/mol

Eo’ = 1.14 V

La síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, es un proceso endergónico:

ADP + Pi ATP + H2O Go’ = 30.5 kJ/mol

• En condiciones fisiológicas, en eritrocitos[ATP] = 2.25 mM

[ADP] = 0.25 mM y [Pi] = 1.65 mM

A 25 oC, pH = 7.0 G’ = 51.8 kJ/mol

En las condiciones celulares, la oxidación mitocondrial de NADH libera una energía superior a la necesaria para la

síntesis de ATP

LA SÍNTESIS DE ATP ES UN PROCESO ENDERGÓNICO

TRANSLOCACIÓN DE H+ ASOCIADA AL FLUJO DE ELECTRONES MITOCONDRIAL

pH = 6.9-7.0 Espacio intermembranas

pH = 7.5-7.8 Matriz

Por cada par de electrones transferidos al O2,4 H+ son bombeados por el Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y

2 H+ por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial, hacia el espacio intermembranas

La membrana mitocondrial interna separa 2 compartimientos de diferente pH, generando diferencias tanto en la concentración de H+ (pH) como en la distribución de cargas ().

El efecto neto de esta diferencia es la fuerza protón-motriz.

Aproximadamente, 200 kJ/mol de los 220 kJ liberados por la oxidación de 1 mol de NADH son conservados en el gradiente electroquímico de H+ (fuerza protón-motriz).

Cuando los H+ vuelvan espontáneamente a través de su gradiente electroquímico, hacia la matriz mitocondrial, la energía estará disponible para realizar trabajo.

FUERZA PROTON-MOTRIZGradiente electroquímico de H+

Teoría quimiosmóticaAcopla el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria y

la síntesis de ATP

La fuerza protón-motriz, lleva a la síntesis de ATP, como consecuencia del flujo pasivo de H+ hacia la matriz mitocondrial, a través de un poro de H+ (Fo) asociado a la ATP sintasa (Complejo V)

Postulados de la teoría quimiosmótica mitocondrial(P. Mitchell, 1961)

La membrana interna es impermeable a los H+

El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranas

Se conserva la energía de oxidación de los procesos metabólicos en forma de potencial electroquímico, ya que se genera un gradiente electroquímico de H+

La cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP

Las [H+] en las 2 fases acuosas separadas por la membrana interna, constituyen la fuerza responsable de la formación de ATP: el flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la membrana mitocondrial.

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V

Complejo enzimático, que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, acompañado del flujo de H+

Está formado por dos componentes:F1, una proteína periférica de membrana (33)Fo, una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12)

F1

F0

Matriz

EIM

Las translocación de H+ a través del poro Fo provoca que el cilindro de sub. c y la subunidad adjunta, roten alrededor del eje de perpendicular al plano de la membrana)

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V

El pasaje de H+ a través de Fo llevan a cambios conformacionales de la subunidad de la F1-ATPasa

El proceso endergónico de rotación de la sub. es impulsado por el proceso exergónico de la translocación de H+ del lado P al N

F1- ATPasa = Rotor molecular

El acoplamiento no es químico, sino electroquímico y físico

Adenina nucleótido y fosfato translocasas

La fuerza protón – motriz es responsable del transporte de ADP, Pi y ATP a través de la membrana

Lanzadera del malato aspartato

En hígado, riñón y corazón

Regulación de las rutas productoras de ATP

La fosforilación oxidativa está regulada por las necesidades

energéticas celulares. Las concentraciones de ATP y ADP

controlan la velocidad de transferencia electrónica, de la glucólisis, de la oxidación del piruvato y del ciclo de Krebs.