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LA OXIDACIÓN EN LOS SISTEMAS
BIOLÓGICOS
CADENA RESPIRATORIA
O
TRANSPORTE ELECTRONICO
y
FOSFORILACION OXIDATIVA
Desde el punto de vista químico
OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
• Ganancia de oxígeno
• Pérdida de oxígeno
• Pérdida de electrones
• Ganancia de electrones
• Pérdida de hidrógeno
• Ganancia de hidrógeno
(en compuestos orgánicos)
Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas
bioquímicos y es un concepto importante para la comprensión de la
naturaleza de las oxidaciones biológicas.
El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN
Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS OBTIENEN
ENERGÍA EN FORMA DE ATP
EN LOS SISTEMAS REDOX
LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE
PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL
POTENCIAL DE
OXIDACIÓN – REDUCCIÓN
LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS
PROCESOS REDOX
SE DENOMINAN
OXIDORREDUCTASAS
Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxido- reducción
Ared + Box
Aox + Bred
A : es el reductor o dador electrónico; en el curso
de la reacción se oxida (pierde electrones)
B : es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso
de la reacción se reduce (gana electrones)
En las reacciones redox, siempre tienen que estar
presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico
Estas reacciones son fuertemente exergónicas,
en las cuales para evitar una liberación brusca de energía,
no aprovechable por la célula,
se libera en forma fraccionada.
DISTINTAS FORMAS EN QUE LA CELULA PUEDE TRANSFERIR
ELECTRONES
1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++
Fe++
2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno:
(H+ + e-): AH2 + B
A + BH2
3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-)
AH2 + NAD+ → A + NADH + H+
4.- Transferencia de e- desde un reductor
orgánico al oxígeno:
R-CH3 + ½ O2
RCH2-OH
• Gran parte de los sustratos oxidados en el
organismo sufren deshidrogenación.
• Las reacciones de deshidrogenación son
catalizadas por las ENZIMAS
DESHIDROGENASAS.
• En estas reacciones el hidrógeno es captado
por una coenzima.
• Las coenzimas pueden ser:
- Nicotinamida (NAD o NADP)
- Flavina (FAD).
Flujo de electrones en la oxido-reducciones
biológicas
Respiración Celular
Es el conjunto de reacciones en las
cuales el ác. pirúvico producido por la
glucólisis se desdobla a CO2 y H2O y
se producen 30 ATP.
En las células eucariontes la respiración
se realiza en la mitocondria.
LA MITOCONDRIA
FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR
ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR
EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Localización
30ATP
32ATP
La cadena transportadora de
electrones
• El NADH+H y el FADH2, obtenidos en el
ciclo de Krebs, van a entrar en una
cadena transportadora de electrones o
cadena respiratoria, donde pasan los
electrones, de una molécula reducida a
otra oxidada, hasta el aceptor final que
será el oxígeno molecular, que al
reducirse formará agua.
CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
• Los componentes de la cadena se encuentran
en la membrana mitocondrial interna.
• Reciben equivalentes de reducción de NADH
Y FADH2 producidos en la matriz.
• Los componentes actúan secuencialmente en
orden creciente según sus potenciales de
reducción.
• La energía que se libera durante la
transferencia electrónica está acoplada a
varios procesos endergónicos entre los que
se destaca la síntesis de ATP.
Reacciones de la cadena de transporte de
electrones
Con excepción de la coenzima Q, todos los
miembros de esta cadena son proteínas.
Pueden funcionar como enzimas como en el
caso de varias deshidrogenasas.
Pueden contener hierro como parte de su
centro hierro-azufre .
Los citocromos a y a3 contienen cobre.
Componentes de la cadena respiratoria
Transportadores de electrones
-Coenzimas hidrosolubles:
NAD+
NADP+
coenzimas de las deshidrogenasas
FMN
FAD
se unen covalentemente a flavoproteínas
(grupo prostético), transportan 2 e- y 2 H+
- Quinonas: Coenzima Q – Ubiquinona, transportadores en medio
no acuoso (membrana), transporta 1 e- y libera 2 H+ a la matriz
- Citocromos b, c, c1, a y a3 : proteínas con grupo prostético hemo,
transportan 1 e- Proteínas ferro-sulfuradas: proteínas con Fe asociado a átomos
de S, transfieren 1 e- por oxidación o reducción del Fe
Reacciones que proveen de NADH
a la cadena respiratoria
• Piruvato deshidrogenasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• Malato deshidrogenasa
CICLO DE KREBS
• a-cetoglutarato deshidrogenasa
Sustrato + NAD+
Producto + NADH + H
CR
Componentes de la Cadena de transporte
electrónico
Complejo enzimático
Complejo I (NADH deshidrogenasa)
Grupos prostéticos
FMN, FeS
Complejo II ( succinato deshidrogenasa) FAD, FeS
Complejo III (citocromo bc1)
Hemo, FeS
Citocromo c
Hemo
Complejo IV (citocromo oxidasa)
Hemo, Cu
Complejo V (ATP sintasa)
La Cadena de Transporte de Electrones comprende
dos procesos:
1.- Los electrones son transportados a lo largo de la
membrana, de un complejo de proteínas
transportadoras a otro.
2. Los protones son translocados a través de la
membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio
intermembrana de la mitocondria.
Esto constituye un gradiente de protones
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón,
combinándose con electrones e iones H+ para
producir agua.
• La transferencia de electrones desde el NADH a
través de la cadena respiratoria hasta el O2 es un
proceso altamente exergónico.
• La mayor parte de esa energía se emplea para
bombear protones fuera de la matriz.
• Por cada par de electrones transferidos al O2  los
complejos I y III bombean 4 H+ y 2 el complejo IV.
• El complejo II no transfiere H+ ya que no atraviesa la
membrana interna como los demás.
• Así esta energía electroquímica generada por el
gradiente protónico impulsa la síntesis de ATP.
Flujo de electrones y protones a través de los cuatro complejos
que forman la cadena respiratoria
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con
electrones e iones H+ para producir agua.
INHIBICION DEL TRANSPORTE
ELECTRÓNICO
• Inhibidores del transporte electrónico
Inhiben solamente el transporte de e• Inhibidores de la fosforilación
Inhiben la síntesis de ATP, indirectamente el transporte
de e• Desacoplantes
Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el transporte
de electrones. Actúan como ionóforos eliminando el
gradiente de protones.
• Inhibidores de la translocasa
Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la
mitocondria
ACCIÓN DE INHIBIDORES
La cadena de transporte de electrones y la fosforilación
oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho
tiempo.
Las observaciones sobre la formación del ATP hacían pensar
a los investigadores en un intermediario fosforilado de la
reacción.
En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica:
“EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA
FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES LA
DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A
TRAVÉS DE LA MEMBRANA”
PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)
-Interesado inicialmente en la penicilina, a partir
de 1961 trabajó en el estudio sobre el
almacenamiento de la energía en los seres vivos para
ser posteriormente transportada a los puntos de
utilización por medio de las moléculas de ATP.
-Así la energía liberada por el traslado de electrones
en la cadena respiratoria se conserva mediante la
fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente
en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA.
-En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de
Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE
ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA
QUÍMICA OSMÓTICA.
POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA
• Pasaje de H+ durante la transferencia de electrones desde la
matriz al espacio intermembrana.
• Generación de un gradiente electroquímico : flujo electrónico
acompañado de la transferencia de protones.
• Los protones acumulados en el espacio intermembrana crean
una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a
pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la
membrana.
• Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H + a través de Fo
y así activan la ATP sintasa
Lugar de translocación de protones
COMPLEJO ATP sintasa
• F1 : 9 subunidades: a3 b3 g
d e y 3 sitios catalíticos
• Fo: Proteína integral ,
canal transmembrana
para protones con 3
subunidades: a, b2 y c12
• Esta enzima es la que
transforma la energía
cinética del ATP en
energía química.
• El Dr. Boyer (1964)
recibió el Premio Nobel al
describir la ATP sintasa.
La energía del gradiente de protones se utiliza
también para el transporte
• El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir
solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus
actividades.
• El valor del cociente P/O, representa el número de moles de Pi que
se consumen para que se reduzca cada átomo de O2 a H2O.
• El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para
FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP,
respectivamente.
Control respiratorio por el aceptor:
• Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay
una concentración suficiente de ADP y Pi.
• Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de
oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.
Inhibidores de la fosforilación
Oligomicina:
• Bloquea el flujo de protones a través de F0, impidiendo la
fosforilación.
• Se inhibe la síntesis de ATP
• Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa
deteniéndose el transporte de electrones.
Desacoplantes:
• Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean
el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena
respiratoria de la fosforilación oxidativa.
• El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el
lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones
creado por la cadena respiratoria.
Sistemas de lanzaderas
Surgen de la necesidad de recuperar el NAD+ citosólico, dado que la
membrana mitocondrial es impermeable a este compuesto
Mas activa en hígado y corazón