Transcript Fosforilación oxidativa

Transporte de electrones
y
fosforilación oxidativa
Los organismos aerobios consumen oxígeno y generan
dióxido de carbono en e proceso de oxidación de los
combustibles metabólicos.
Por ejemplo, la oxidación de la glucosa
C6 H12 O6 + 6 O2
6CO2 + 6 H2O
Puede descomponerse en 2 hemirreacciones:
 C6 H12 O6 + 6 H2O
6CO2 + 24 H+ + 24 e- (oxidación)
 6 O2 +24 H+ + 24 e-
12 H2O (reducción)
Durante el proceso de transporte de electrones:
1)
El NADH y FADH2 se reoxidan a NAD+ y FAD para
poder participar en reacciones de oxidación
2)
Los electrones transferidos participan en una secuencia
redox en cuatro complejos enzimáticos antes de
reducir O2 a H2O
3)
Durante la transferencia electrónica, los protones son
expulsados de la mitocondria, generando un gradiente.
La energía libre almacenada en este permite la síntesis
de ATP:
fosforilación oxidativa
Mitocondria
Sistemas de transporte
•
•
•
Porinas
Proteínas de transporte de la cadena respiratoria
Translocador ATP-ADP: transporte de ATP fuera de la
matriz en intercambio por el ADP producido en el
citosol por hidrólisis del ATP.
Citocromos
• Son proteínas redox activas de transporte de electrones
• Contienen un grupo prostético hemo coordinado con un
átomo de hierro que alterna entre sus estados de
oxidación Fe (II) y Fe (III)
Proteínas hierro- azufradas
• El hierro no está presente en forma de hemo, sino en
asociación con átomos de azufre inorgánico o con
átomos de azufre de residuos de Cys.
• Estos centro Fe-S van de estructuras sencillas con un solo
Fe coordinado a centros más complejo con 2 o 4 átomos
de Fe
Transporte de electrones
• Reacción de oxidación de NADH:
NAD+ + H+ + 2e½ O2 + 2H+ + 2eNADH + ½ O2 + H+
NADH
H20
ε°= -0,315 V
ε°= 0,815 V
H20 + NAD+
Δε°= 0,815 V – (-0,315 V) = 1,130 V
• La oxidación de NADH y FADH2 la lleva a cabo la cadena
de transporte de electrones, formada por complejos
proteicos que contienen centros redox
• Transporte “cuesta abajo”
• La FMN (flavinamononucleótido), CoQ y los citocromos
b, c, a y a3 son los principales transportadores de
electrones de la cadena.
• Los electrones transportados por la NADH entran en la
cadena cuando son transferidos a la FMN, la cual se
reduce (celeste). Posteriormente, la FMN vuelve a su
forma oxidada (anaranjado) al ceder los electrones a la
CoQ.
• El proceso se repite en forma descendente.
• Los electrones transportados por el FADH2 se encuentran
en un nivel energético inferior.
Complejo I (NADH- coenzima Q
oxidorreductasa)
• Posee una molécula de FMN y seis a siete grupos hierro- azufre
que participan en el transporte electrónico
• Los grupos hierro- azufre pueden sufrir una oxidación y una
reducción de un electrón. Los dos tipos más comunes son [2 Fe2S] y [4Fe- 4S]
• El tránsito de electrones ocurre mediante un mecanismo
escalonado
• 4 H+ se translocan al espacio intremembrana por cada
par de electrones que se transfiere de NADH a CoQ
Complejo II (succinato- coenzima Q )
•Contiene la enzima del ciclo del ácido cítrico
•Transferencia de electrones :
•Succinato
FAD
centros Fe-S
•Energía libre insuficiente para impulsar síntesis de ATP
•Los complejos I y II no operan en serie
Complejo III (coenzima Q- citocromo c)
 Funciona para permitirle a una molécula de CoQH2, un
transportador de dos electrones, reducir dos moléculas
de citocromo c (transportador de un e-) mediante el
llamado Ciclo Q
 Se bombean 4H+ hacia el espacio intermembrana: el
complejo III funciona como una bomba de protones
CoQH2 + 2 cti c (Fe3+) + 2H+(matriz)
CoQ + 2 cti c (Fe2+) + 4H+(intermembrana)
Complejo IV (citocromo c oxidasa)
Contiene citocromos a y a3, formados por dos grupos
hemo unidos a diferentes regiones de la misma proteína
y dos iones cobre CuA y CuB, de importancia crucial para
la transferencia de electrones
8 H+ (matriz) + O2 + 4 cit c (Fe 2+)
4 cit c (Fe 3+) + 2H2O + 4H+ (intermembrana)
 Responsable del 90% de la captación total de O2 de la
mayoría de las células
Fosforilación oxidativa
La síntesis de ATP es catalizada por una ATP sintasa (o
complejo V) que se impulsa por el proceso de transporte
electrónico, el cual libera energía libre que es
conservada: acoplamiento de energía
Teoría quimiosmótica
• Peter Mitchell vinculó el transporte electrónico con la
síntesis de ATP.
• La energía libre del transporte electrónico se conserva
por un bombeo de H+ desde la matriz mitocondrial hacia
el espacio intermembrana para crear un gradiente de H+
electroquímico.
• El potencial electroquímico se utiliza para sintetizar ATP.
• La distribución desigual de protones se conoce como
fuerza protón- motriz.
• La diferencia en [H+] entre la matriz y el exterior
representa energía libre (ΔG):
ΔG= 2,3 R T [pH
(entrada)
– pH
(salida)]+
Z . F . ΔΨ
ATP sintasa
•
•
Actúa como un motor molecular que genera energía
•
A)
Dos unidades funcionales: F0 y F1
Mecanismo de acoplamiento reversible:
puede sintetizar ATP aprovechando el gradiente de H+
B)
puede bombear H+ a través de la membrana
hidrolizando el ATP.
El componente F1
• Es una proteína de membrana periférica soluble en agua,
formada por cinco subunidades (α3β3γδε)
• Se conecta a F0 (enclavado en la membrana) a través de
un tallo proteico
• Fue purificado por 1° vez por E. Racker y no puede
sintetizar ATP en forma aislada, sí catalizar la hidrólisis
de ATP
El componente F0
• Es una proteína transmembrana insoluble en agua que
contiene hasta 8 tipos diferentes de subunidades
El mecanismo del cambio de unión
•
1)
2)
3)
•
El mecanismo de síntesis de ATP se puede
descomponer en tres etapas:
Translocación de protones por F0
Catálisis de la formación del enlace en el ATP por F1
Acoplamiento del gradiente de protones con la síntesis
de ATP (por F0 y F1)
Intervienen tres protómeros αβ:
Estado L- Estado T- Estado O
La energía libre de la translocación de protones se emplea
para la interconversión de estos estados
La conversión rápida de ADP en ATP en mitocondrias
mantiene una elevada
relación ATP/ ADP en las células
Gracias a la ATP sintasa, moléculas de ADP
producto de la hidrólisis de ATP ingresan en la
mitocondria, mientras que las de ATP recién
formadas en la matriz por fosforilación oxidativa
son bombeadas al citosol
La unión del ADP (1) desde el citoplasma favorece la
inversión del transportador (2) para liberar el ADP en la
matriz (3). La unión del ATP proveniente de la matriz a la
forma invertida (4) favorece la re- eversión a la
conformación original (5), liberando ATP en el citoplasma
(6).
Rendimiento en la oxidación completa de la
glucosa
Dado que la oxidación total de una mol de glucosa produce
un ΔG°= -2870 kJ/ mol
y que la hidrólisis del ATP es acompañada de
ΔG°= -30.5 KJ/mol, podemos calcular la eficiencia
de operación:
Inhibición de la cadena transportadora
Entre los compuestos que inhiben el transporte electrónico:
• Rotenona: se usa como insecticida
• Amital: sedante barbitúrico
Ambos bloquean el transporte electrónico en el complejo I
• Antimicina A: antibiótico que bloquea el complejo III
• Cianuro: bloquea el complejo IV
También detienen el consumo de O2
Ferrocianuro
• Su mecanismo de acción se basa en su gran afinidad por
el Fe 3+, por lo que se une al de la citocromooxidasa,
impidiéndole su reducción y posterior participación en la
cadena respiratoria.
• Cuando el cianuro está en el estómago puede
complejarse a ferrocianuro, mediante ingestión de sal
ferrosa o férrica
• Cuando –CN está en sangre, es imprescindible proteger
la citocromooxidasa por formación de metahemoglobina
que bloqueará al ion cianuro
• Se sigue recomendando la administración de tiosulfato
sódico que, por intervención de la enzima transulfurasa,
transforma el cianuro en tiocianato sódico, excretable
por orina, sudor y lágrimas.
Desacoplamiento
Aumento de la permeabilidad de la membrana
mitocondrial interna, disipación del gradiente y
transporte electrónico descontrolado
Ejemplos:
• 2,4- dinitrofenol (DNP)
• Termogenina: proteína desacopladora de las
mitocondrias del tejido adiposo marrón
Control del metabolismo oxidativo
• La regulación de la velocidad de fosforilación oxidativa
por los niveles de ADP se denomina CONTROL
RESPIRATORIO.
• Cuando los niveles de ADP se incrementan. Como
consecuencia de un gasto de ATP, paralelamente aumenta
la velocidad de fosforilación oxidativa para reponer el ATP
consumido.
• En condiciones experimentales, el control respiratorio
puede evaluarse en suspensiones mitocondriales de un
dado tejido en presencia de oxígeno.
• Estado 4: la respiración es lenta, en un medio en el cual
existe una alta concentración de sustratos, fosfatos y
oxígeno.
• Estado 3: se añade ADP se estimula la síntesis de ATP y se
incrementa la velocidad del transporte de electrones, y por
lo tanto, del consumo de oxígeno.
Valores bajos de control respiratorio indican mitocondrias
dañadas o desacopladas.