Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

1. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

2. 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)

4. Durante el proceso de transporte de electrones: • El NADH y FADH2 se reoxidan a NAD+ y FAD para poder participar en reacciones de oxidación • Los electrones transferidos participan en una secuencia redox en cuatro complejos enzimáticos antes de reducir O2 a H2O • 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

5. Mitocondria

6. 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.

7. 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) • 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 Proteínas hierro- azufradas

8. Transporte de electrones

9. Reacción de oxidación de NADH: NAD+ + H+ + 2e- NADH ε°= -0,315 V ½ O2 + 2H+ + 2e- H20 ε°= 0,815 V NADH + ½ O2 + H+ 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”

11. La FMN (flavinamononucleótido), CoQ y los citocromos b, c, a y a3son 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.

13. 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 Fe- 2S] y [4Fe- 4S]

14. 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

15. 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)

16. Complejo IV (citocromo c oxidasa) Contiene citocromos ay a3, formados por dos grupos hemo unidos a diferentes regiones de la misma proteína y dos iones cobre CuAy 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

17. Fosforilación oxidativa

18. 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

19. 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

22. ATP sintasa • Dos unidades funcionales: F0 y F1 • Actúa como un motor molecular que genera energía • Mecanismo de acoplamiento reversible: • puede sintetizar ATP aprovechando el gradiente de H+ • puede bombear H+ a través de la membrana hidrolizando el ATP.

23. 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 • Es una proteína transmembrana insoluble en agua que contiene hasta 8 tipos diferentes de subunidades El componente F0

25. El mecanismo del cambio de unión • 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

26. 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

27. 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).

28. Rendimiento en la oxidación completa de la glucosa

29. 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:

30. 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

31. 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.

32. 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

33. 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.

34. 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.