La fosforilacin oxidativa es la culminacin del metabolismo productor
de energa en organismos aerbicos.
Todas las etapas oxidativas en la degradacin de los hidratos de
carbono, grasas y aminocidos convergen en esta etapa final de la
respiracin celular, en el que la energa de la oxidacin impulsa la
sntesis de ATP
Nuestra comprensin actual de la sntesis de ATP en la mitocondria y los
cloroplastos se basa en la hiptesis, introducida por Peter Mitchell en 1961, la cual
expresa que las diferencias en la concentracin de protones transmembrana son
el reservorio de la energa extrada de las reacciones de oxidacin biolgica.
Esta teora quimiosmtica ha sido aceptado como uno de los grandes principios
unificadores de la biologa del siglo XX.
Peter Mitchell
Modelo quimiosmtico
La fosforilacin oxidativa y fotofosforilacin son mecnicamente similar
en tres aspectos.
(1) Ambos procesos implican el flujo de electrones a travs de una
cadena de transportadores unidos a la membrana.
(2) La energa libre disponible por el flujo de electrones "cuesta abajo
(exergnico) est acoplado al transporte "cuesta arriba" de protones
a travs de una membrana impermeable al paso de los protones, la
conservando la energa libre de oxidacin del combustible como un
potencial electroqumico transmembrana.
(3) El flujo transmembrana de protones hacia abajo de su gradiente de
concentracin a travs de los canales de protenas especficos
proporciona la energa libre para la sntesis de ATP, catalizada por un
complejo de protenas de membrana (ATP sintasa) que acopla el
flujo de protones flujo a la fosforilacin del ADP.
Albert L. Lehninger 19171986
Las nicas especies que cruzan
esta membrana lo hacen a travs
de transportadores especficos
La membrana interna lleva los
componentes de la cadena
respiratoria y la ATP sintasa.
La fosforilacin oxidativa
implica la reduccin de O a
HO con electrones donados
por NADH y FADH
La fosforilacin oxidativa comienza con la entrada de electrones en la cadena
respiratoria. La mayor parte de estos electrones se derivan de la accin de
deshidrogenasas que recogen los electrones de las vas catablicas y la
energa permanece dentro de aceptores universales de electrones, la
nicotinamida (NAD nucletidos o NADP) o los nucletidos de flavina (FMN o
FAD).
Adems de NAD y flavoproteinas,
otros tres tipos de molculas que
transportan electrones funcionan
en la cadena respiratoria: una
quinona hidrfobica (ubiquinona) y
dos tipos diferentes de protenas
que contienen hierro (citocromos y
protenas hierro-azufre). La
ubiquinona (coenzima Q tambin
llamado, o simplemente Q) es una
benzoquinona liposoluble con una
cadena lateral larga deisoprenoide
Ubiquinone, coenzyme Q, o Q
Los citocromos son protenas
con una caracterstica, fuerte
absorcin de la luz visible,
debido a sus grupos
prostticos hemo que
contienen hierro. El citocromo
c de las mitocondrias, una
protena soluble que se asocia
a travs de interacciones
electrostticas con la
superficie exterior de la
membrana interna.
Citocromos
En las protenas hierro-azufre, el
hierro no est presente como grupo
hemo, sino en asociacin con tomos
de azufre inorgnicos o con los
tomos de azufre de los residuos Cys
en la protena, o ambos. Estos
centros de hierro-azufre (Fe-S) van
desde estructuras simples con un
solo tomo de Fe coordinados a
cuatro Grupos Cys-SH con ms de
un complejo con dos o cuatro tomos
de Fe.
En la reaccin catalizada por la
cadena respiratoria mitocondrial, los
electrones se mueven desde el
NADH, succinato, o algn otro
donante de electrones primario, a
travs de flavoproteins, ubiquinona,
protenas hierro-azufre, y los
citocromos, y finalmente hasta el O
protenas hierro-azufre
La cadena respiratoria mitocondrial consta de
una serie de transportadores de electrones que
actan secuencialmente, la mayora de las
cuales son protenas integrales con grupos
prostticos capaces de aceptar y donar ya sea
uno o dos electrones.
Complejos I y II catalizan la transferencia de electrones a la ubiquinona a
partir de dos diferentes donadores de electrones: NADH (Complejo I) y
succinato (complejo II). Complejo III lleva electrones de la reduccin de
ubiquinona al citocromo c, y Complejo IV completa la secuencia mediante la
transferencia de electrones desde el citocromo c a O
Complejo I: NADH ubiquinona.
Complejo I, tambin llamado NADH:
reductasa NADH deshidrogenasa o
ubiquinoneoxido, es una gran enzima
compuesta por 42 cadenas de
polipptidos diferentes, incluyendo una
flavoproteina que contiene FMN y al
menos seis centros de hierro-azufre.
Microscopa de electrones de alta
resolucin muestra que el Complejo I
tiene forma de L, con un brazo de la L
en la membrana y la otra se extiende en
la matriz.
Complejo I cataliza dos procesos obligatoriamente acoplados y simultneas
(1) la transferencia exergnica a la ubiquinona de un ion hidruro desde un
NADH y un protn desde la matriz, expresada por
y (2) la transferencia endergnica de cuatro protones desde la matriz al
espacio intermembrana. Por lo tanto, el complejo I es una bomba de
protones impulsada por la energa de transferencia de electrones, y la
reaccin que la cataliza es vectorial: se mueve protones desde una
direccin especfica desde, la matriz, que se carga negativamente con la
salida de protones, a otro, que es la espacio intermembrana, que se
carga positivamente.
Complejo II: succinato de ubiquinona la
succinato deshidrogenasa, la nica
enzima unida a la membrana en el ciclo
del cido ctrico . Aunque es ms
pequeo y ms simple que el Complejo
I, contiene cinco grupos prostticos de
dos tipos y cuatro sub unidades
protecas diferentes.
Ubiquinol (QH), la forma completamente reducida se difunde en
la membrana mitocondrial interna desde
el Complejo I al Complejo III, donde se
oxida a Q en un proceso que tambin
implica el movimiento hacia afuera de
H+.
Complejo III: ubiquinona al citocromo C.
El complejo respiratorio, Complejo III, tambin llamado complejo citocromo
bc1 o ubiquinona: citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia de
electrones desde el ubiquinol (QH2) al citocromo C con el transporte
vectorial de protones desde la matriz al espacio intermembrana.
Modelo quimiosmtico
For each pair of electrons transferred to O four protons are pumped out by Complex I, four by Complex III, and two by Complex IV
Liberan ~ 220 kJ
Sntesis de ATP requiere 50 kJ Reacciones
Redox enlazadas
The electrochemical energy inherent in this difference in proton concentration and separation of charge represents a temporary conservation of much of the energy of electron transfer. The energy stored in such a gradient, termed the proton-motive force, has two components: (1) the chemical potential energy due to the difference in concentration of a chemical species (H) in the two regions separated by the membrane, and (2) the electrical potential energy that results from the separation of charge when a proton moves across the membrane without a counterion
FUERZA MOTRIZ DEL PROTN
Alrededor de 200 kJ (de los 220 kJ liberados por oxidacin de 1
mol de NADH) se conserva en el gradiente de protones.
Para pH (0,75 unidades) y (0.15 V) en esta ecuacin da G 19 kJ / mol (de protones). Debido a que la
transferencia de dos electrones de
NADH a O se acompaa por el bombeo hacia fuera de 10 protones.
Las especies reactivas de oxgeno pueden causar estragos al reaccionar con enzimas, lpidos de membrana, y cidos nucleicos En mitocondrias que respiran activamente, del 0,1% al 4% del O utilizado en la respiracin, es ms que suficiente para tener efectos letales, a menos que el radical libre sea eliminado rpidamente.
Superxido
Para prevenir el dao oxidativo por ,
las clulas tienen varias formas de la
enzima superxido dismutasa que
cataliza la reaccin
El perxido de hidrgeno (HO) as generado se vuelve inofensivos por la accin de la glutationa peroxidasa. La glutatin reductasa recicla el glutatin oxidado a su forma reducida, utilizando electrones de la NADPH generado por el nucletido nicotinamida transhidrogenasa (en la mitocondria)
El glutatin reducido tambin sirve para mantener a los grupos sulfhidrilo de
protenas en su estado reducido, previniendo de algunos de los efectos nocivos del
estrs oxidativo
RESPIRASOMA
Cada vez hay ms evidencia experimental de que en la mitocondria intacta, los complejos respiratorios fuertemente asociados entre s en la membrana interna en forma de respirasomes que son combinaciones funcionales de dos o ms complejos de transferencia de electrones. La evidencia apoya la cintica de transferencia de electrones a travs de un estado slido, y por lo tanto el modelo respirasome.
La transferencia de electrones, y la fuerza conservas protn-
motriz conservan mas que suficiente energa libre (alrededor
de 200 kJ) por mol " de pares de electrones para impulsar la formacin de un mol de ATP, que requiere
aproximadamente 50 kJ. Por lo tanto, la fosforilacin
oxidativa mitocondrial no plantea ningn problema
termodinmico.
cul es el mecanismo qumico que acopla el flujo de
protones con la fosforilacin?
.
SINTESIS DEL ATP
La energa electroqumica inherente a la diferencia en la concentracin de
protones y la separacin de la carga a travs de las membranas
mitocondriales- la fuerza motriz de protones- maneja la sntesis de ATP, a
medida que los protones flujen pasivamente a la matriz a travs de un
poro de protones asociada con la ATP sintasa
Acoplamiento de la transferencia de e- a la
sntesis de ATP
Inhibidores de la ATP sintasa (Fo)
Dinitrofenol (DNP) agente
desacoplante
Inhibe la transferencia de e a la
citocromo oxidasa
Agentes
Desacoplantes
Ciertos compuestos qumicos causan desacoplamiento sin interrumpir la estructura mitocondrial. Los desacopladores qumicos incluyen 2,4-dinitrofenol (DNP) y carbonylcyanide-p trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP), cidos dbiles con propiedades hidrfobas que les permiten difundir fcilmente travs de las membranas mitocondriales Despus de entrar en la matriz en la forma protonada, pueden liberar un
protn, disipando as el gradiente de protones.
Ionophores such as valinomycin
ATP sintasa o
Complejo V
Poro de protones
ATP sntesis
ATP sintasa, tambin llamado
Complejo V, tiene dos
componentes distintos: F 1, una
protena perifrica a la membrana,
y Fo (o denota oligomicina-
sensible), que es parte integral de
la membrana
oligomicina
Las mediciones de las
constantes de unin muestran
que F o F 1 se une ATP con
muy alta afinidad (K d> 10 -12
M) y ADP con mucho menor
afinidad (K d 10- 5 M). La diferencia en la Kd corresponde
a una diferencia de
aproximadamente 40 kJ / mol en
energa de enlace, y esta
energa de unin desplaza el
equilibrio hacia la formacin del
ATP.
Reversibilidad de la reaccin
ADP Pi ATP + H2O
ATP es estabilizado
Gradiente de
H+
Go ~ 0
FoF1 Kd ATP 10 -12 M
ADP 10 -5 M
Mitochondrial F1 has nine subunits of five different types, with the composition Each of the three beta subunits has one catalytic site for ATP synthesis.
-ADP
-vaco
-ATP
-ATP
-vaco
-ADP
ADP ATP
Subunidad-
1 2
3
9 subunidades de 5 tipos diferentes
Cada subunidad asume conformaciones diferentes
Fo posee 10 subunidades c
Subunidades a,b y c
Complejo FoF1
8000 Da
Catlisis rotacional
Subunidad- rotacin
This produces a cooperative
conformational
change in which the
-ATP site is converted to the -empty
conformation, and
ATP dissociates; the -ADP site is converted to the -ATP
conformation,which
promotes
condensation of
bound ADP + P to
form ATP;and the -empty site becomes
a -ADP site, which loosely binds ADP+
P entering from the
solvent.
biotina
Yoshida y Kinosita
Los valores de consenso para el nmero de protones
bombeados por par de electrones son 10 para NADH y 6 para
succinato. El valor experimental ms ampliamente aceptada
para el nmero de protones necesarios para impulsar la sntesis
de una molcula de ATP es 4, de las cuales 1 se utiliza en el
transporte de P 1, ATP y ADP travs de la membrana
mitocondrial
Fuerza originada por protones energiza
transporte activo
atractilosida
Sistemas de transporte indirectamente llevan el NADH
citoslico dentro de las mitocondrias por Oxidacin
NADH dehydrogenase Liver, kidney, and heart mitochondria
About 2.5 molecules of ATP are generated as this pair of electrons passes to O .
El msculo esqueltico y el cerebro utilizan un sistema de transporte
NADH diferente, el sistema de transporte 3-fosfato glicerol
Se diferencia del transporte
malato-aspartato en que
entrega los equivalentes
reductores desde NADH a
ubiquinona y por lo tanto en
Complejo III, no Complejo I,
proporcionando slo
suficiente energa para
sintetizar 1,5 molculas de
ATP por par de electrones.
The mass-action ratio of the ATP-ADP system, [ATP]([ADP][P]). Normally this ratio is very high, so the ATP-ADP system is almost fully phosphorylated. When the rate of some energy-requiring process (protein synthesis, for example) increases, the rate of breakdown of ATP to ADP and Pi increases, lowering the mass-action ratio. With more ADP available for oxidative phosphorylation, the rate of respiration increases, causing regeneration of ATP. This continues until the massa ction ratio returns to its normal high level, at which point respiration slows again i
Fosforilacin Oxidativa es
regulada por las necesidades
energticas de la clula
[ ATP] ([ ADP] [ Pi])
Gasto de ATP
+ ADP disponible
respiracin
ATP
/
La mayora de los mamferos recin nacidos,
incluidos los humanos, tienen un tipo de tejido
adiposo llamado tejido adiposo marrn, no sirve
para producir ATP, pero para generar calor para
mantener caliente el recin nacido
Hibernating animals also depend on the activity of uncoupled BAT mitochondria to generate heat during their Long dormancy
And the rotary motion of
bacterial agella is provided by proton turbines,molecular rotary motors driven not by ATP
but directly by the
transmembrane electrochemical
potential generated by
respiration-linked proton
pumping . It seems likely that the
chemiosmotic mechanism
evolved early, before the
emergence of eukaryotes.
Mutaciones en genes mitocondriales causa
enfermedades
Encefalomiopatas mitocondriales: encefalopata y lesiones
musculares
Neuropatia optica: Mutacin puntual (Arg aHis) en el
Complejo I
The human mitochondrial chromosome contains 37 genes (16,569 bp), including 13 that encode subunits of proteins of the respiratory chain; the remaining genes code for rRNA and tRNA molecules essential to the protein-synthesizing machinery of mitochondria. The great majority of mitochondrial proteinsabout 900 different typesare encoded by nuclear genes, synthesized on cytoplasmic ribosomes, then imported into and assembled in the mitochondria