1. Ciencia

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
a) Reacciones de transferencia de electrones
en las mitocondrias
b) Síntesis de ATP
LOCALIZACIÓN Y ESTRUCTURA DE LAS MITOCONDRIAS
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA SE LLEVA A CABO EN LA MEMBRANA
INTERNA MITOCONDRIAL
Membrana externa
Espacio
intermembranal
PERMEABLE A MOLÉCULAS PEQUEÑAS E IONES
Membrana interna
EXISTEN TRANSPORTADORES ESPECÍFICOS
Y ALOJA A LOS COMPONENTES DE LA CADENA
RESPIRATORIA Y LA ATP SINTASA
Matriz
CONTIENE AL COMPLEJO DE LA PIRUVATO
DESHIDROGENASA Y LOS ENZIMAS DEL CICLO DE KREBS
Y DE OTRAS RUTAS (β
β-OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS Y
OXIDACIÓN DE AMINOÁCIDOS)
RESPIRACIÓN AERÓBICA: INCLUYE GLUCÓLISIS, CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
CICLO DEL ÁCIDO
CÍTRICO
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA COMIENZA CON LA
ENTRADA DE ELECTRONES EN
LA CADENA RESPIRATORIA
¿DE DÓNDE VIENEN LOS ELECTRONES?
LA MAYOR PARTE DE LOS ELECTRONES PROVIENEN
DE LA ACCIÓN DE DESHIDROGENASAS
QUE CAPTAN e- DE VÍAS CATABÓLICAS
LOS ELECTRONES GENERADOS DURANTE
LA GLUCÓLISIS Y
EL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
SON CANALIZADOS HACIA
LA CADENA
TRANSPORTADORA
DE ELECTRONES
(CADENA RESPIRATORIA)
LOS ELECTRONES SE CAPTAN A TRAVÉS DE
ACEPTORES UNIVERSALES DE ELECTRONES
REDUCIDO NÚMERO DE
TRANSPORTADORES
DE ELECTRONES
Nucleótidos de
Nicotinamida:
NAD+, NADP+
Quinonas
Citocromos
Nucleótidos de
Flavina:
FMN, FAD
Proteínas
Ferro-sulfuradas
LOS NUCLEÓTIDOS DE NICOTINAMIDA.- Las deshidrogenasas ligadas
a NAD+ eliminan dos átomos de hidrógeno de sus sustratos
DESHIDROGENACIÓN
SUSTRATO REDUCIDO + NAD+
SUSTRATO OXIDADO + NADH + H+
TANTO EL NADH COMO EL NADPH SON TRANSPORTADORES
ELECTRÓNICOS HIDROSOLUBLES QUE SE ASOCIAN
REVERSIBLEMENTE CON DESHIDROGENASAS
LOS NUCLEÓTIDOS DE FLAVINA.- La forma oxidada puede aceptar un
Electrón (formando un semiquinona) o dos electrones
Se encuentran fuertemente
unidos a las FLAVOPROTEÍNAS
GRUPOS PROSTÉTICOS
≠ E’o depende de su entorno
LOS ELECTRONES SE CAPTAN A TRAVÉS DE
ACEPTORES UNIVERSALES DE ELECTRONES
TRANSPORTADORES UNIDOS A MEMBRANA
(INTERNA MITOCONDRIAL)
Nucleótidos de
Nicotinamida:
NAD+, NADP+
Quinonas
Citocromos
Nucleótidos de
Flavina:
FMN, FAD
Proteínas
Ferro-sulfuradas
LA UBIQUINONA, COENZIMA Q, Q
(benzoquinona liposoluble
con una larga
cadena lateral
isoprenoide)
ES HIDROFÓBICA
Puede actuar
como puente
entre un dador
de dos e- y un
aceptor de un
electrón
LOS CITOCROMOS SON PROTEÍNAS QUE TIENEN COMO
COFACTORES A LOS GRUPOS HEMO (Fe)
TRES CLASES DE CITOCROMOS.- De acuerdo a diferencias en su
espectro de absorción de la luz
a 600 nm
b 560 nm
c 550 nm
No covalente
≠ E’o depende de su
interacción con la proteína
Covalente (Cys)
SON HIDROFÓBICAS, EXCEPTO EL CITOCROMO C
MITOCONDRIAL
PROTEÍNAS FERRO-SULFURADAS.- El hierro está presente
No como grupo hemo sino en asociación con átomos de
Azufre de residuos de Cys
Aconitasa
LA CADENA RESPIRATORIA
(FOSFORILACIÓN OXIDATIVA)
CONSTA DE UNA SERIE DE TRANSPORTADORES
ELECTRÓNICOS QUE ACTÚAN SECUENCIALMENTE,
LA MAYORÍA DE LOS CUALES SON
PROTEÍNAS INTEGRALES CON GRUPOS PROSTÉTICOS
CAPAZ DE ACEPTAR Y DONAR UNO O DOS
ELECTRONES
LA INTERACCIÓN DE LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
CON LAS PROTEÍNAS MODIFICA LOS POTENCIALES DE REDUCCIÓN
Transportador
de
electrones
E’o
Transportador
de
electrones
E’o
≠
E’o
E’o
LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES CEDEN,
A SU VEZ, LOS ELECTRONES A ACEPTORES
CON AFINIDAD POR LOS ELECTRONES
MÁS ELEVADA
POTENCIAL DE REDUCCIÓN ESTÁNDAR, E’o (V)
Es un parámetro que permite medir la afinidad del aceptor
por los electrones
FLUJO DE ELECTRONES:
E’O BAJOS
E’O MÁS ELEVADOS
A MEDIDA QUE LA GLUCOSA SE OXIDA ENZIMÁTICAMENTE,
LOS ELECTRONES LIBERADOS FLUYEN A TRAVÉS DE UNA
SERIE DE TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
INTERMEDIOS HASTA EL O2
DONDE EL O2 TIENE UNA AFINIDAD MAYOR QUE LOS
TRANSPORTADORES INTERMEDIOS
DURANTE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA SE LLEVAN A
CABO TRES TIPOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES:
1. Directamente como electrones.- Tal como sucede
en la reducción de Fe3+ a Fe2+
2. En forma de átomos de hidrógeno
3. En forma de ion hidruro (:H-) portador de 2 e-
LA OXIDACIÓN DE GLUCOSA A DIÓXIDO DE CARBONO
REQUIERE DE TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
ESPECIALIZADOS
10 NADH + 2FADH2
GAL3PDH
PiruvatoDH
isicitratoDH
α-cetog DH
succDH
malDH
∆G°’=-2840 kJ/mol
POTENCIALES DE REDUCCIÓN ESTÁNDAR DE LOS
TRANSPORTADORES DE LA CADENA RESPIRATORIA
LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES SE
ENCUENTRAN EN COMPLEJOS MULTIENZIMÁTICOS
(+) Espacio
intermembranal
E°’
-0.4
NADH
NAD+ (-0.315 V)
ADP+Pi
Complejo I (∆G°’= -69.5 kJ/mol)
-0.2
0
ATP
(+0.03V)
Succ FADH2
Complejo II
CoQ (0.045V)
ADP+Pi
Fum
Complejo III (∆G°’= -36.7 kJ/mol)
ATP
0.2
CytC (0.235V)
0.4
ADP+Pi
0.6
Complejo IV (∆G°’= -112 kJ/mol)
0.8
2H+ + ½ O2
H2O (0.815 V)
ATP
REACCIÓN GLOBAL CATALIZADA POR LA CADENA
RESPIRATORIA MITOCONDRIAL
E’O (v) -0.4
NADH
Rotenona
Q
-0.2
Cyt b
Antimicina A
0
Cyt c1
0.2
Cyt c
0.4
0.6
0.8
Cyt (a + a3)
CN- o CO
O2
COMPLEJO
ENZIMÁTICO/PROTEÍNA
MASA
(kDa)
No. de
subunidades
I NADH deshidrogenasa
850
43 (14)
FMN, Fe-S
II Succinato deshidrogenasa
140
4
FAD, Fe-S
III Ubiquinona-citocromo c
oxidorreductasa
250
11
13
1
160
13 (3-4)
Citocromo c
IV Citocromo oxidasa
Grupo(s)
transportador(es) e-
Hemos, Fe-S
Hemo
Hemos, CuA, CuB
COMPLEJO I: NADH a Ubiquinona
4H+
43 subunidades
FMN
(4) Fe-S
Q
2H+
NADH
(2) QH2
Espacio
intermembranal
Membrana
interna
Matriz
FAD: Acil graso-CoA (β
β-oxidación)
Glicerol-3-fosfato (hidrólisis de TG/ Glucólisis)
COMPLEJO II:
Succinato a Ubiquinona
Fe-S
FAD
Succinato
Espacio
intermembranal
Q
2H+
QH2
Membrana
interna
Matriz
COMPLEJO II
4 subunidades
MATRIZ
COMPLEJO III:Ubiquinona a citocromo c “Complejo
Citocromo bc1
4H+
Cyt c
Q
(2) QH2
Fe-S
Cyt b
QH2
Cyt c1
Espacio
intermembranal
Membrana
interna
.Q-
Matriz
2H+
COMPLEJO III:Ubiquinona a citocromo c “Complejo
Citocromo bc1
EL UBIQUINOL (QH2) SE OXIDA A Q AL TIEMPO
QUE SE REDUCEN DOS MOLÉCULAS DE CITOCROMO c
COMPLEJO IV: Citocromo c al O2 “Citocromo oxidasa”
2H+
Cyt c
Espacio
intermembranal
CuA
Cyt a
Membrana
interna
Cyt a3
CuB
Matriz
O2
2H2O
FLUJO DE ELECTRONES Y PROTONES A TRAVÉS DE LA
CADENA RESPIRATORIA
4H+
+
2H+
4H+
Espacio
intermembranal
Cyt c
III
IV
Q
Membrana
interna
I
Matriz
II
NADH + H+
NAD+
Succinato
1
2 O2
+
2H+
H2O
-
≠ [H+] y en carga
ENERGÍA ALMACENADA
FUERZA PROTÓN-MOTRIZ
a) Energía química potencial ∆pH
b) Energía eléctrica potencial ∆ψ
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Energía del flujo de esíntesis ATP
transducción de energía
Hipótesis quimiosmótica
Energía se conserva por bombeo protones al espacio
intermembranal: gradiente electroquímico.
Fuerza protón-motriz: síntesis ATP
+ + +
+ + + +
- - - -
+ + +
+ + + + +
Fo
- - - - - - - - - - - - - - - +
H
F1
+
ADP + Pi
ATP
Espacio
intermembranal
Membrana
interna
Matriz
HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
EXPLICA EL MECANISMO POR EL CUAL SE ACOPLA
EL FLUJO DE PROTONES CON LA FOSFORILACIÓN
1) LOS PROTONES GENERADOS DURANTE EL
PASO DE ELECTRONES POR LA CADENA RESPIRATORIA
(COMPLEJOS I AL IV)
2) DAN LUGAR A LA
FUERZA PROTÓN-MOTRIZ (∆pH, ∆ψ
ψ)
3) QUE IMPULSA LA FOSFORILACIÓN DEL ADP
PARA FORMAR ATP
COMPLEJO DE LA ATP SINTASA MITOCONDRIAL
Es una ATPasa tipo F (factor de acoplamiento de energía)
Complejo V
Dos componentes: F1, una proteína periférica de membrana
Fo, una proteína integral de membrana
F1
Fo
F1 Fo de la ATP sintasa
F1
Fo
9 Subunidades
de cinco tipos
distintos
α3 β3 γ δ ε
3 Subunidades
a b2 c10-12
MODELO DE UNIÓN Y CAMBIO DE LA ATP SINTASA
La catálisis rotacional es clave en el mecanismo
de unión y cambio de la síntesis de ATP
impulsada por el
bombeo de H+
Conformación β-ADP
Une ADP y Pi
Conformación β-ATP
Une fuertemente ATP
Conformación β-vacía
Baja afinidad por
ATP
ESPACIO
INTERMEMBRANAL
(10 H+)
En F1: tres sitios con diferente conformación
(INTERCONVERTIBLES)
L(oose) : unión débil a sustratos (ADP y Pi)
T(ight) : unión fuerte (síntesis ATP)
O(pen) : sin unión (abierto: salida ATP)
SÍNTESIS ATP:
1. Translocación protones : Fo
2. Formación enlace fosfoanhídrido de
ATP: F1
Glucosa
1 glucosa:
2 ATP
10 NADH
2 FADH2
1 GTP
1 NADH : 3 ATP
1FADH2 : 2 ATP
Glucosa6P
2 GALD3P
2 NADH
2 1,3BiPglicerato
2 piruvato
2NAD+
2 NPDH
AD
2
10 NADH X 3 ATP= 30 ATP
2 FADH2 X 2 ATP = 4 ATP
Glucólisis =
2 ATP
TCA
=
1 GTP
H
2
TOTAL
2
2
36 ATP
1 GTP