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Área de Química Biológica - Universidad Nacional de San Luis
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LIC. CS. BIOLÓGICAS – PROF. BIOLOGÍA – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA
PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN
BOLILLA 2:
Transporte electrónico mitocondrial. Fosforilación oxidativa. Mitocondrias. Cadena respiratoria. Localización. Balance energético. Desacoplantes: proteínas desacopladoras. Inhibidores. Síntesis de ATP. Hipótesis quimiosmótica.Translocasas. Regulación de la fosforilación oxidativa. Oxidasa alternativa en vegetales. Luciferina-luciferasa.
Transporte electrónico cloroplástico. Fotofosforilación y fotosíntesis. Proceso en plantas superiores. Reacciones luminosas. Captación de la energía luminosa. Cloroplastos y pigmentos. Transporte electrónico cíclico y no cíclico. Síntesis de ATP por fotofosforilación. Similitudes entre fosforilación oxidativa y fotofosforilación.Concepto unificador de la teoría quimiosmótica. Otros organismos fotosintetizadores.
Sistema microsomal de transporte electrónico. Formación de compuestos oxígeno-reactivo. Radicales libres. Sistemas de protección.
Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1
Coenzima Q
Fe/Cu
Fe/Cu
O2
IV
FAD
Fe-SII
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Cit.a
Cit a3
Cit.cFeFe-SFe Fe Fe
III
Fumarato
Succinato
Complejo II
SUCCINATO DESHIDROGENASA
NADH
FMN
Fe-SI
NAD+
e-
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA
Complejo II
SUCCINATO DESHIDROGENASA
Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA
Repasemos….
Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico
REACCIONES DEL COMPLEJO I
NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+
NADH + H+ NAD+ + 2 e- + H+ (Eo= - 0,32 V)
FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH2 (Eo= - 0,22 V)
Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I
COMPLEJO II
• Succinato-coenzima Q oxidorreductasa (E)• Coenzima: FAD• Proteínas ferrosulfuradas• Transfiere equivalentes de reducción desde succinato a la
coenzima Q
Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2
E-FADH2 + Prot-Fe+++ E-FAD + Prot-Fe++
Prot-Fe++ + CoQ Prot-Fe+++ + CoQH2
Es la Coenzima Q, una Benzoquinona liposolublePosse una cadena lateral isoprenoide (R)
Molécula pequeña que difunde a través de las membranas.
CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2
CoQH2
CoQ
Cit.b566
Fe+++ Fe++Fe++ Fe+++ Fe+++
Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++
Fe++ ½ O2 + H+
H2O
Cit.b562
Fe-SCit.c1
Cit.c
Cit.a.a3
Complejo IVComplejo III
Estructura de los citocromos
Hemo A (Citocromo a y a3)
Estructura general de citocromo c y c1
Son proteínas con un grupo prostético hemo unido a Fe.Las mitocondrias poseen 3 tipos de Citocromos: a, b y c
Ciclo “Q” : Paso de electrones y protones a través del Complejo III
Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006
Paso de los electrones por el Complejo IVBombeo de H+ acoplado
Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006
Cadena de Transporte de ElectronesFeduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición
¿Qué reacciones proveen de NADH a la Cadena Respiratoria?
• Piruvato deshidrogenasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• Malato deshidrogenasa
• a-cetoglutarato deshidrogenasa
Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H
Cadena
Respiratoria
CICLO DE KREBS
Deshidrogenasas NAD dependientes
Deshidrogenasas NAD dependientes
Oxidaciones en la Mitocondria:
Aportes de NADH+H+ y FADH2
Transporte Electrónico mitocondrial¿Qué tipo de proceso?
El flujo de e- ocurre a favor del gradiente
de Potencial de Reducción
Es un proceso exergónico
Transcurre con disminución de energía libre
Neto posee un – DG
Desde NADH+H hasta O2 y formar H2O : - 52,6 Kcal/mol
¿Se puede aprovechar esa Energía en otro proceso?
¿En formación de enlaces fosfato de alta energía?
Adenosina Trifosfato (ATP)
Moléculas de alta energía
Energía de Hidrólisis de los Compuestos de elevada Energía
Hidrólisis con eliminación de la repulsión de cargas
IonizaciónEstabilización por resonancia
(- 7,3 Kcal/mol)
Hidrólisis del ATP
ADP + Pi ATP + H2O
(DG°´ + 7,3 Kcal/mol)
(DG°´ - 7,3 Kcal/mol)
La producción de ATP utilizando Energía liberada durante el Transporte de Electrones en la Cadena Respiratoria mitocondrial
se denomina
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
¿Dónde ocurre la síntesis de ATP?
COMPLEJO ATP sintasa
• F1 : 9 subunidades polipeptídicas: 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.
¿Cómo ocurre la síntesis de ATP? FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
La Cadena de Transporte de Electrones y la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA estuvieron separadas
conceptualmente por mucho tiempo.
En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica
“LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES POSIBLE POR LA DIFERENCIA EN LA
CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”
PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)
Hipótesis Quimiosmótica
-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.
-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.
SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA
Traslocación de H+ acoplada al Transporte de electrones
MATRIZ
ESPACIO INTERMEMBRANA
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+
H+H+
3 ATP
e-e-
e-e-
e-e-e-
2 ATPH+
H+
H+
H+
H+
H+
POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA
• Membrana mitocondrial impermeable a protones.• Traslocación de H+ durante el transporte de electrones.• Formación de un gradiente electroquímico (H+ y cargas
positivas).• 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.
• El pasaje de los H+ a través de Fo activan la ATP sintasa.
La energía del gradiente de protones se utiliza también para el transporte
Translocasa ADP-ATP y Transportador de Pi
Relación P/O en Cadena de Transporte Electrónico
Sustrato oxidable + Deshidrogenasa NAD dep.
NADH+H+
P/O = 3/1 (2,5/1)
e- e-
Experimento: Mitocondrias + Sustrato oxidableConsumo de Pi y O2
P/O: Relación entremoléculas de P y
átomos de O2 consumidos
Sustrato oxidable + Deshidrogenasa FAD dep.
FADH2
e- e-
P/O = 2 /1(1,5/1)
• 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 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
• 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• Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la
mitocondria
INHIBIDORES del TRANSPORTE ELECTRÓNICO
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
El uso de inhibidores no solo ha ayudado a deducir la secuencia de la cadena respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos fármacos y venenos.
Compuesto Comentario Modo de Acción
Rotenona
Amital
Insecticida
Barbitúrico: induce el
sueño
Impiden la transferencia
electrónica desde Fe-S a
la CoQ
Antimicina A Antibiótico
Bloquea la transferencia
electrónica desde cit. B
a cit. c1
Cianuro
Monóxido de
carbono
Inhiben la citocromo
oxidasa
Inhibidores del Transporte Electrónico
Compuesto ComentarioModo de
acción
Oligomicina Antibiótico
Bloquea el
flujo de
protones a
través de F0 .
Inhibidores de la Fosforilación
INHIBIDORES DE LA FOSFORILACIÓN
• Oligomicina: Bloquea el flujo de protones a través de Fo.
• Se inhibe la síntesis de ATP
• Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.
DESACOPLANTES
Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones.
Desacoplan la fosforilación del transporte electrónico
+ H+
O-
2,4 Dinitrofenol (DNP)Forma protonada que atraviesa la membrana
• 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 2,4-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria.
• Termogenina de la “grasa parda”
DESACOPLANTES
Problema 7) La “grasa parda” es un tipo de tejido adiposo que poseen los animales que hibernan y los niños, y que también está presente (aunque en baja proporción) en seres humanos adultos. Este tejido posee un alto contenido en mitocondrias (dándole una apariencia marrón), las cuales tienen una relación P/O menor que 1.
a) ¿Qué papel fisiológico desempeñan las mitocondrias de este tejido?b) ¿Qué diferencias hay entre las mitocondrias de este tejido y las de otros tejidos?
Proteína TERMOGENINA:
Generación de calor por mitocondrias desacopladas
Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006
Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006
Oxidaciones mitocondriales alternativas en plantas
Espadice
Espata
Cadena de transporte electrónica alternativa en plantas - Papel fisiológico
• Producción de calor en algunas especies vegetales como por ej. Araceae species en un etapa anterior a la polinización para producción de compuestos aromáticos que atraen a los polinizadores.
• Es activa durante períodos de altas velocidades de oxidación de sustratos para evitar la producción de radicales libres.(Esqueletos carbonados C.Krebs)
• Es activa en situaciones de estrés (sequia, temperaturas extremas, tóxicos presentes en el suelo, falta de Pi, patógenos)( en estas situaciones disminuye la velocidad de la cadena respiratoria normal)
BIBLIOGRAFÍA
• “Química Biológica”-Lehninger A. L., Cap. 19, 4ª Edic. (2007) • “Bioquímica” - Mathews Ch., Van Holde K.E., Ahern K. Cap 17:
665 – 699, 3ra Edic., Pearson Educ. S.A. (2002)• “Fisiología Vegetal” – Taiz L., Zeiger E., Vol I , Cap 7,
3ra Edic., (2006)
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