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
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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)
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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
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Metabolismo energticog
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
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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
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Dominio F1Sntesis de ATP
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Metabolismo energticog
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
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la cadena respiratoria bombea protones?
Puede la ATP sintasa usar un gradiente de protones?
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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.
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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
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Efecto de los agentes inhibidores de la cadena de transporte de electrones
Inhibidores del metabolismo oxidativo
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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
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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)
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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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