Metabolismo energtico

Metabolismo energtico. Fosforilacin oxidativa

Bioqumica General 1

Metabolismo energticog

Cadena de transporte de electrones

Sitios de sntesis de NADH y FADH2 durante el catabolismo oxidativo de la glucosa

Oxidacin completa de la glucosaC6H1206 + 6O2 6CO2 + 6H2OG 2838 KJ/ lG= -2838 KJ/mol

Esta reaccin redox puede descomponerse en dos semireaccionesC6H1206 + 6H2O 6CO2 + 24H+ +24e-6O2 + 24H+ + 24e- 12 H2O

En los sistemas biolgicos estas dos semireacciones estn conectadas por una va que permite conservar la energa libre de la reaccin globalenerga libre de la reaccin global.

Los electrones no son transferidos directamente al O2 sino a las coenzimas NAD+ y FAD por medio de las varias deshidrogenasas que intervienen durante el metabolismo.


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Secuencia en la transferenciade electrones

La fuerza motriz en la fosforilacin oxidativa es la transferencia de electrones desde las coenzimas

d id (NADH FADH ) h t lreducidas (NADH y FADH2) hasta el O2NADH + O2 + H+ NAD+ + H2OG= -220.1 KJ/mol

Esta energa de transferencia de electrones es suficiente para impulsar la sntesis de ATPADP + Pi + H+ ATP + H2OG= +30.5 KJ/mol

Durante la secuencia de reacciones Durante la secuencia de reacciones de la cadena de transporte de electrones la energa se conserva en un intermediario energtico que ser utilizado para la fosforilacin del ADP

Cadena de transporte de electrones


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Ubiquinona Coenzima Q(CoQ, Q10)

Es una benzoquinona, liposoluble con una cadena isoprenoide.

Presenta tres estados redox: ubiquinona Q, semiquinona QH y ubiquinol QH2

Su carcter hidrofbico le permite difundir dentro de la bi d l bbicapa de la membrana

Es un acarreador tanto de protones como de electrones

Estados redox de FMN(Flavina mononucleotido)


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Citocromos

Son protenas con un espectro caracterstico debido a su grupo gprosttico tipo hemo

Este grupo prosttico consiste en cinco anillos unidos en una estructura llamada porfirina

Los cuatro tomos de N de la porfirina coordinan a un tomo de Fe en el centro

El centro metlico puede variar en dos estados redox (Fe2+ y Fe3+)

Diferentes tipos de citocromos

El grupo Hemo C se encuentra unido covalentemente a la protena del citocromo C por un enlace tioeter con dos residuos de cisteina

El grupo Hemo A se encuentra en el citocromo C y presenta una cadenay presenta una cadena isoprenoide unida a uno de los anillos de la porfirina.


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Centros Fe-S Centro Fe-S. Centro 2Fe-2S. Centro 4Fe-4S En todos los casos, cada En todos los casos, cada

tomo de Fe esta coordinado por cuatro tomos de S provenientes de residuos de cisteina

Centros Fe-S

(A) Fe-S (B) 2Fe-2S (C) 4Fe-4S


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Complejos respiratorios en la cadena de transporte de electrones Complejo I. NADH deshidrogenasa

Complejo II Succinato deshidrogenasa Complejo II. Succinato deshidrogenasa Complejo III. Citocromo bc1 Complejo IV. Citocromo oxidasa.

Complejo INADH deshidrogenasa

NADH:ubiquinona oxidoreductasa

Transferencia de electrones: NADH + H+ + Q NAD+ + QH2

Transporte vectorial de protones NADH + 5H+N + Q NAD+ + QH2 + 4H+P

El complejo I es una bomba de protones impulsada por lade protones impulsada por la transferencia de electrones


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Complejo IISuccinato deshidrogenasa

Succinato-ubiquinona reductasaL id i d i t La oxidacin de succinato a fumarato produce FADH2

Los electrones del FADH2son transferidos a travs de los sitios redox del complejo hasta la coenzima Q

FADH2 + Q FAD + QH2 Este complejo al igual que p j g q

otras enzimas que transfieren electrones desde el FADH2 hacia la coenzima Q no transportan electrones

Complejo IIICitocromo bc1

Ubiquinona:citocromo c oxidoreductasa

Acopla la transferencia de Acopla la transferencia de electrones desde el ubiquinol (QH2) hasta el citocromo c con el transporte de protones hacia el espacio intermembranal QH2 + 2CytC(ox) + 2H+N Q +

2CytC(red) + 4H+P El llamado ciclo Q explica el

i tmecanismo para este acoplamiento en la transferencia de electrones y el bombeo de protones


Bioqumica General 8

El ciclo Q

El ciclo Q

Los dos electrones de una QH2 unida (sitio Qo) son trasferidos, uno hacia Cyt c y otro hacia una Q unida en el sitio Qi para formar una semiquinona unida (Q*-). La Q en el sitio Qo es reemplazada por una segunda QH2, completando as la primera parte del ciclo

La segunda QH2 unida en Qo realiza una transferencia de electrones semejante, un electrn hacia un segundo Cyt c y el segundo hacia la semiquinona que an est unida en el sitio Qi, formando entonces QH2 con la consecuente toma de dos protones del medio. La Q en el sitio Qo nuevamente es reemplazada por una QH2 y ahora la hidroquinona en el sitio Qi es reemplazada por una segunda Q.

Al termino de esta segunda parte del ciclo, el complejo retorna a sus condiciones iniciales. QH2 unido en Qo y Q unido en Qi


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Complejo IVCitocromo c oxidasa

Tres subunidades son esenciales para el mecanismo

Subunidad II contiene dos Subunidad II contiene dos centros Cu coordinados por dos residuos SH de cisteinas (centro 2Cu-2S)

Subunidad I contiene dos grupos hemo a y a3. O2 se une al hemo a3

El complejo acopla la transferencia de electrones desde el citocromo C hasta eldesde el citocromo C hasta el O2 con el transporte de protones hacia el espacio intermembranal

4CytC(red) + 8H+N + O2 4CytC(ox) + 2H2O + 4H+P

Mecanismo de transferencia de electrones en la citocromo c oxidasa


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Mecanismo de reaccin para la reduccin de O2 por la citocromo c oxidasa

(1 y 2) [Fe(III)OH- Cu(II)] se reduce a [Fe(II) Cu(I)]

(3) Unin de O2 a centro de Fe(II)( ) 2 ( ) (4) Redistribucin electrnica

interna que produce el complejo oxiferril [Fe(IV)=O2- HO-Cu(II)] El grupo tirosina (Y-OH) ha donado un protn y un electrn al complejo y asume un estado de radical libre neutro.

(5) La transferencia de un tercer electrn y dos protones regeneran el estado OH de la tirosina y producen el estado ferril delproducen el estado ferril del complejo binuclear con la liberacin de agua

(6) La transferencia del cuarto y ltimo electrn junto con un protn generan nuevamente el estado oxidado del complejo.

Transporte de protones por la citocromo c oxidasa

Durante la reaccin de transferencia de electrones se comsumen 4H+se comsumen 4Hprovenientes de la matriz mitocondrial, de acuerdo a la reaccin:4 CytC(red) + 4H+(N) + O2 4 CytC(ox) + 2 H2O.

Tambin se distingue el consumo de 4H+ adicionales que sonadicionales que son transportados hacia el espacio ext, entonces:4 CytC(red) + 8H+(N) + O2 4 CytC(ox) + 2 H2O. + 4H+(P)



Transporte vectorial de protones mediante los complejos de la cadena respiratoria

Se muestra la secuencia de transportadores de electrones desde el NADH hasta el O2. No se ha incluido el complejo II. La va de transporte de electrones se muestra en rojo, mientras que los sitios de bombeo de protones se muestran con flechas (vectores) a travs de los complejos I, III y IV en la membrana.

Gradiente electroqumico de protnH = 2.3RTpH + F




Fosforilacin oxidativa

Visin general de la fosforilacin oxidativa.Las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) producidas por l d hid it lilas deshidrogenasas citoslicas y las rutas oxidativas mitocondriales vuelven a oxidarse por los complejos enzimticos unidos en la membrana interna. Estos complejos bombean activamente protones hacia el espacio intermembranal creando unintermembranal creando un gradiente energtico (H+) cuya descarga impulsa el complejo V hacia la sntesis de ATP



Complejo V ATP sintasa

Es un complejo de 480 a 500 Kda.El d i i F1 i t d El dominio F1 consiste de cinco subunidades con estequiometra 33. Contiene los sitios catalticos para la sntesis de ATP

El dominio F0 consiste de tres diferentes subunidades hidrofbicas conhidrofbicas con estequiometra ab2c(9-12). Se relaciona a las subunidades a y c con los sitios para el paso de protones

Dominios F1 y F0 de la ATP sintasa



Dominio F1Sntesis de ATP




Teora Quimiosmtica yAcoplamiento respiratorio

Teora QuimiosmticaPeter Mitchell

El primer requisito para la teora quimiosmtica es que q qla actividad de la cadena de transporte de electrones debe generar un gradiente transmembranal de protones

El segundo requisito es que la ATP sintasa debe serla ATP sintasa debe ser capaz de usar un gradiente de protones para la sntesis de ATP



la cadena respiratoria bombea protones?

Puede la ATP sintasa usar un gradiente de protones?



Acoplamiento respiratorioSntesis de ATP y consumo de O2

La velocidad del transporte de electrones, medido ,como el consumo de oxgeno, se incrementa solo despus de la adicin de un sustrato oxidable (succinato) y del sustrato fosforilable (ADP + Pi)

El consumo de sustrato El consumo de sustrato fosforilable regresa la velocidad de consumo de oxgeno a su condicin inicial.

Evidencia que soporta la hiptesis de acoplamiento en la teora quimiosmtica:9 La mitocondria bombea protones y establece un gradiente

electroqumico a travs de su membrana interna9 La fosforilacin oxidativa requiere de una membrana intacta si9 La fosforilacin oxidativa requiere de una membrana intacta, si

esta se encuentra daada los protones pueden fugarse hacia la matriz mitocondrial y consumir el gradiente electroqumico

9 Los transportadores de electrones se encuentran asociados a protenas integrales en la membrana interna, y por tanto en una posicin adecuada para funcionar como transportadores de protones

9 Los agentes que desacoplan la cadena de transporte de electrones de la fosforilacin oxidativa actan disipando elelectrones de la fosforilacin oxidativa actan disipando el gradiente de protones

9 La sntesis de ATP puede inducirse en ausencia de un transporte de electrones al crear artificialmente un gradiente de protones a travs de la membrana interna.



Estequiometra en mitocondrias acopladasRelacin P/O

Relacin P/O (ATP sintetizado por oxgeno

)atmico consumido) Durante la adicin (a) la

fosforilacin de 90mol de ATP consume 15 mol de O2 (90/30 = 3 = P/O)

Se dice entonces que 3 mol de ATP son sintetizados por

d l d NADH id dcada mol de NADH oxidado De igual manera se estiman

las relaciones P/O en las condiciones b y c

Secuencia de reacciones en la cadena de transporte de electrones mitocondrial



Efecto de los agentes inhibidores de la cadena de transporte de electrones

Inhibidores del metabolismo oxidativo



Identificacin experimental de los lugares de acoplamiento

Efecto de los agentes desacoplantes e inhibidores en el control respiratorio

La oligomicina inhibe la respiracin sinrespiracin, sin embargo no es un inhibidor directo en el transporte de electrones.

La oligomicina inhibe el canal de protones de la ATP sintasa



Mecanismo de los agentes desacoplantes

La presencia en la membrana de agentes que aumenten la permeabilidad de H+ desacopla la fosforilacin oxidativa al permitir el paso para la disipacin del gradiente electroqumico sin la sntesis de ATP

UCPs (Uncoupling proteins)



Rendimientos energticos del metabolismo oxidativo. Caso de la glucosa

Los electrones del NADH citoplsmico entran a la mitocondria por sistemas de lanzadera

Lanzadera glicerol-3-fosfatoL d Lanzadera malato aspartato

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