Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

12/04/2012
CADENA RESPIRATORIA
y
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Moléculas combustibles orgánicas En organismos
QUIMIOTRÓFICOS:
NAD + y FAD
OXIDACIÓN
NADH y FADH 2
Cadena de transportadores electrónicos
ADP + P i
FINALIDAD:
Reoxidar las
coenzimas NADH ó
FADH 2 reducidas en
las reacciones
oxidativas previas
O 2
H 2 O
ATP
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Procesos
oxidativos
ATP
CITOPLASMA
Cofactores
reducidos
NADH + H +
FADH 2
e -
NH 3
Desaminación
CO 2
MITOCONDRIA
Reoxidación
de los
cofactores
reducidos
e -
e -
ATP
e -
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MITOCONDRIA:
etapa final de la
oxidación de los
nutrientes
(1948)
Albert L. Lehninger
1917-1986
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REOXIDACIÓN DE COFACTORES REDUCIDOS EN
LA CADENA RESPIRATORIA
NADH NAD +
FADH 2
FAD
e -
Transportadores electrónicos
O 2
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CADENA DE
TRANSPORTADORES
ELECTRÓNICOS:
los complejos y sus grupos
prostéticos
Complejo I NADH-ubiquinona reductasa
Complejo II Succinato-ubiquinona reductasa
Complejo III Ubiquinol citocromo c reductasa
Complejo IV Citocromo c oxidasa
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FMN
Complejos Fe-S
FAD
Complejo Fe-S
Cit b
Cit c 1
Complejo Fe-S
Cit a
Cit a 3
2 Cu ++
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ORGANIZACIÓN DE LOS TRANSPORTADORES
ELECTRÓNICOS EN LA CADENA:
• complejos I, III y IV: proteínas integrales de membrana
• Coenzima Q: transportador móvil embebido en la MMI
• citocromo c: proteína periférica en la cara externa de la MMI
FADH 2
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Flujo de e -
Reducción y Oxidación
de transportadores
Gradientes de reducción crecientes
Agentes
reductores
fuertes
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Agente
oxidante
fuerte
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NADH y FADH2 ceden e - a la cadena,
su pasaje de un transportador a otro
libera energía
FADH 2 Cátedra de Bioquímica -
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VÍA DE FLUJO DE ELECTRONES
NADH
complejo I
complejo II
Q
complejo III
Liberación de
Energía
cit c
FADH 2
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complejo IV
O 2
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La liberación de E libre que
acompaña al flujo de e -
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impulsa el bombeo de H +
a través de la MMI
desde la matriz hacia el espacio
intermembrana
El gradiente electroquímico resultante
se utiliza para sintetizar ATP
en un complejo proteico transmembrana y
los H + fluyen nuevamente hacia la matriz Cátedra de Bioquímica -
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FLUJO DE e-:
• parten de un nivel energético alto
• van cediendo energía a medida que
avanzan a lo largo de la cadena
• cada complejo tiene mayor afinidad
por los electrones que el anterior
• pasan secuencialmente de uno al otro
hasta que son transferidos al O 2 que es
el de mayor afinidad por los electrones
y se reduce formando H 2 O
• LOS e - FLUYEN DE ACUERDO
AL POTENCIAL DE REDUCCIÓN
CRECIENTE
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Los potenciales redox (E°´) de los componentes
de la cadena respiratoria
NADH 2
FMNH 2
Fe-S (Complejo I)
FADH 2
Fe-S (Complejo II)
Ubiquinol (UQH 2 )
Citocromo b k
Citocromo b T
Citocromo c (+c 1 )
Citocromo a+a 3
Oxigeno
- 320 mV
- 280 mV
- 270 mV
- 10 mV
20 mV
60 mV
40 mV
190 mV
230 mV
380 mV
820 mV
Los superiores
en la tabla
reducen a los
inferiores
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Desde el NADH hasta el O 2 hay 3 descensos importantes
de energía libre:
en el cj I, III y IV
NADH
FADH 2
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Que aportan suficiente
energía para sintetizar
ATP
DESCENSOS de E libre que GARANTIZAN
la SÍNTESIS de ATP
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FINALIDAD DE LA CADENA
RESPIRATORIA
1) Reoxidación de las coenzimas reducidas:
NADH y FADH 2
2) SÍNTESIS de ATP
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FOSFORILACIÓN OXIDATIVA:
ES EL MECANISMO POR EL CUAL
LA DISMINUCIÓN DE ENERGÍA LIBRE
QUE ACOMPAÑA AL FLUJO DE ELECTRONES
A LO LARGO DE LA CADENA RESPIRATORIA
SE ACOPLA A LA SÍNTESIS DE ATP
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SÍNTESIS de ATP por ATP sintasa
Premio Nobel de química en 1997
“por el descubrimiento del mecanismo
enzimático involucrado en la síntesis de ATP”
John Walker
Paul Boyer
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ACOPLAMIENTO entre:
TRANSPORTE ELECTRÓNICO y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
ATP
sintetasa
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Complejo enzimático que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y
Pi, acompañado del flujo de H + desde el espacio intermembrana (EIM)
a la matriz
Está formado por dos componentes:
F 1 : una proteína periférica de membrana ( 3 3 )
F 0 : una proteína integral (poro de H + ) (ab 2 c 10-12 )
Subunidad c (de F0) forman
2 círculos concéntricos
La subunidad pasa a través
del centro esférico 33
Subunidad y (de F1) se unen
firmemente al anillo de subunidad c
Organización
de la
ATP sintetasa
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Las translocación de H + a través del poro F 0 provoca que el cilindro
de subunidad c y la subunidad adjunta, roten alrededor del eje de
(perpendicular al plano de la membrana)
El pasaje de H+ a través de F 0 provoca 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+
Funcionamiento
de la
ATP sintetasa
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RENDIMIENTO ENERGÉTICO de la REOXIDACIÓN de:
• por cada mol de NADH que se oxida, se sintetizan 3 moles de ATP
(cj I, III y IV)
• por cada mol de FADH 2 que se oxida, se sintetizan 2 moles de ATP
(cj III y IV)
NADH
ATP
ATP
FADH 2
ATP
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¿Cuál será el destino del
ATP
generado por el acoplamiento
de la cadena respiratoria y la
fosforilación oxidativa?
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Oxidación de coenzimas reducidas (NADH ó FADH 2 ) por el O 2
proceso exergónico
NADH + ½ O 2 + H + H 2 O + NAD + ∆Gº = -52,6 kcal/mol
ADP + P i + H + ATP + H 2 O ∆Gº = +7,3 kcal/mol
el ADP captura E libre de los procesos catabólicos para generar ATP
que luego será utilizado por las células para procesos de síntesis, transporte
de moléculas, contracción muscular, etc.
ATP + H 2 O ADP + P i + H + ∆Gº = - 7,7 kcal/mol
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¿Cómo se explica este
acoplamiento entre la reoxidación
de las coenzimas y la síntesis de
ATP?
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TEORÍA DEL ACOPLAMIENTO
QUIMIOSMÓTICO
Premio Nobel de Química en 1978
“por su contribución a la comprensión de
la transferencia de energía a través de la
formulación de la teoría quimiosmótica"
Peter Mitchell
1920-1992
El gradiente electroquímico de protones a través de la
membrana interna mitocondrial (fuerza proto-motriz)
es crucial para los procesos de transducción de energía
y síntesis de ATP (1961)
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POSTULADOS DE LA HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al
transporte de H + desde la matriz hacia el espacio intermembranas
La membrana interna es impermeable a los H +
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
El flujo de H + a favor de su gradiente electroquímico proporciona la
energía libre para la síntesis de ATP. Las concentraciones de H + en
las 2 fases acuosas (EIM y M) separadas por la membrana interna,
constituyen la fuerza responsable (fuerza proto-motriz) de la formación
de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la
membrana mitocondrial
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12/04/2012
TEORÍA DEL ACPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICO
Espacio
intermembrana
H + H + H + pH = 7.0
O 2
Membrana
mitocondrial
interna
FP b c a a 3
ATPasa
Matriz
mitocondrial
pH = 7.8
ADP + Pi
ATP
• La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria
produce un bombeo de H + desde la matriz hacia el espacio
intermembrana
• generando un gradiente electroquímico a través de la MMI,
• que se disipa por el retorno pasivo de éstos a través de un poro de
H + (F 0 ) asociado a la ATP sintetasa
• asociado a la síntesis de ATP
H +
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ACOPLAMIENTO:
CADENA RESPIRATORIA Y
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
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LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
depende del aporte continuo de ADP -3 y PO 4 H -2
para la síntesis de ATP -4
que luego debe ser transportado hacia el
citosol
¿cómo se produce el transporte de estos
iones?
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TRASLOCASAS
Fosfato
traslocasa
ADP/ATP
traslocasa
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CONTROL RESPIRATORIO
flujo de
electrones
Fosforilación
de ADP
La magnitud del consumo de O 2 mitocondrial
está regulado por los niveles de ADP y P i =
sustratos de la fosforilación oxidativa
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AGENTES QUE INTERFIEREN CON LA
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Desacoplantes de la
cadena respiratoria
Inhibidores de la
fosforilación oxidativa
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INTERFIEREN CON LA FOSFORILACION OXIDATIVA:
Tipo de interferencia Compuesto Blanco Modo de acción
Inhibición de la
transferencia
electrónica
Inhibición de la ATP
sintetasa
Desacoplamiento de la
Fosforilación y el
transporte
electrónico
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Cianuro
CO
Antimicina A
Rotenona
Amital
Inhiben la citocromooxidasa
Bloquea la transferencia
electrónica desde el cit
b al cit c1
Impiden la transferencia
electrónica desde un
centro Fe-S a la
ubiquinona
Oligomicina Inhibe F 0
y CF 0
Carbonil-cianuro
Fenilhidrazona
Dinitrofenol
Acarreadores hidrofóbicos
de
Protones
Valinomicina Ionóforo del K +
Proteína Desacopladora
(termogenina)
Forma poros conductores
de H + en la MMI del
tejido adiposo pardo
EL CASO DE LA
TERMOGENINA
Relación entre tejido
adiposo y
termogénesis
• Proteína que se comporta como
un desacoplante natural
• Permite el pasaje de H + desde el
espacio intermembrana a la matriz
sin pasar por F1-F0
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REOXIDACIÓN del NADH citosólico
El NADH generado en el citosol durante la
glucólisis DEBE SER REOXIDADO
El NADH no puede atravesar la MMI
necesita una ruta indirecta:
MECANISMO de LANZADERAS
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LANZADERA DEL MALATO – ASPARTATO
Mitocondrias de
hígado
y corazón
Por cada NADH citosólico
que se reoxida
un NAD + se reduce y
rinde 3 ATP por FO
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LANZADERA DEL GLICEROL 3- FOSFATO
Mitocondrias de
músculo esquelético
y cerebro
Por cada NADH citosólico
que se reoxida
un FAD se reduce,
pasa a la CoQ y
rinde 2 ATP por FO
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BALANCE DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE
1 MOLÉCULA DE GLUCOSA
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