14. bioenergética

BIOENERGÉTICA

o Los organismos vivos existen gracias a que mantienen una entrada continua de energía. Parte de ella es utilizada en las funciones esenciales, como el mantenimiento, el crecimiento y la reproducción, y el resto se pierde en forma de calor.

o Para la mayoría de los organismos la fuente primaria de energía es el sol.

Bioenergética

o Las plantas y las bacterias fotosintéticas utilizan la energía solar para producir moléculas orgánicas a partir del CO2 (organismos autótrofos). Los animales obtienen alimento mediante la ingesta de plantas o animales que a su vez se alimentan de plantas (organismos heterótrofos).

sol

+ H2O

CO2 C6H12O6

O2 CO2

H2O

A. Orozco-Barocio. 2005

o Las células necesitan un aporte constante de energía.

oEsta energía deriva de la energía de los enlaces químicos de las moléculas de los nutrientes.

o La energía útil proviene de los enlaces químicos almacenada en la glucosa cuando es hidrolizada y oxidada a dióxido de carbono y agua.

Bioenergética

o La energía obtenida de los nutrientes es almacenada

en forma de enlaces químicos ricos en energía, en

moléculas transportadoras activadas como el ATP

(trifosfato de adenosina) que transporta grupos fosfatos

ricos en energía, y el NADH (nicotinamida adenina

dinucleótido) que transporta electrones ricos en

energía.

Bioenergética

Las células animales producen ATP de dos formas:

o La primera es mediante una serie de reacciones catalizadas por enzimas en el citoplasma, llamada glucólisis.

o La segunda tiene lugar en la mitocondria y utiliza la energía de las moléculas transportadoras (NADH) activadas para impulsar la producción de ATP.

Bioenergética

El ATP es usado como combustible en la mayoría de losprocesos celulares.

Las moléculas de nutrientes son hidrolizadas en tres etapas para producir ATP:

1.Rotura enzimática de las moléculas de los alimentos a sus unidades monoméricas, se le llama digestión. Tiene lugar en el exterior de nuestras células del intestino (digestión extracelular) y en el lisosoma (digestión intracelular).

Bioenergética

2. Los monómeros entran al citoplasma de la célula donde son gradualmente oxidados. Se le conoce como glucólisis.

3. Se lleva a cabo en la mitocondria, tanto en la matriz, realizándose el ciclo del ácido cítrico; como en la membrana interna, desarrollándose la fosforilación oxidativa mediante la cadena de transportadores de electrones.

A. Orozco-Barocio. 2005

Bio

ener

gétic

a

o En ausencia de oxigeno el piruvato producido en la glucólisis es transformado en alcohol etílico, producto de organismos anaerobios como la levadura.

o Cuando hay una insuficiencia de oxigeno, como en los músculos esforzados, la oxidación de la glucosa se convierte a lactato.

o En ambas fermentaciones se restablece el NAD+ quedando listo para realizar otra glucólisis.

Fermentación: respiración anaeróbica:

Se encuentran en todas las células eucarióticas.

o En ellas se realiza la mayor producción de ATP de las células.

o Están constituidas de una membrana exterior, una interior, la matriz y el espacio intermembranas.

o Se localizan en todo el citoplasma celular y en células especializadas se ubican en lugares estratégicos para proporcionar ATP directamente donde se necesita (células musculares, espermatozoides).

Mitocondrias:

A. Orozco-Barocio. 2005

Mitocondria

o Se realiza en la matriz mitocondrial.

o La reacción del acetil CoA con el oxalacetato inicia el ciclo con la producción de citrato.

o En cada vuelta del ciclo se producen dos de CO2 como

productos de desecho, más 3 moléculas de NADH, una de

GTP y una de FADH2

Ciclo del ácido cítrico

o El GTP está estrechamente relacionado con el ATP, la transferencia de su grupo fosfato terminal al ADP produce una molécula de ATP en cada vuelta.

o La energía que se almacena en los electrones

fácilmente transferibles del NADH y del FADH2 será

utilizada posteriormente para la producción de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa.

• La mayor parte del ATP producido en las células es por un mecanismo de membrana en la mitocondria y en el cloroplasto. Consiste en dos fases interrelacionadas, que se realizan por complejos proteicos embebidos en la membrana.

Fosforilación oxidativa:

Fase 1: los electrones (derivados del NADH y del FADH2) son transferidos a lo largo de una serie de transportadores de electrones –denominados cadena de transporte de electrones- integrados en la membrana.

Estas transferencias de electrones liberan energía que es utilizada para bombear protones (H+ derivados del agua) a través de la membrana y así generar un gradiente electroquímico de protones.

Cadena de transporte de electrones

A. Orozco-Barocio. 2005

Mitocondria 2

• Fase 2: los H+ fluyen a favor de su gradiente electroquímico, a través de un complejo proteico denominado ATP sintetasa, el cual cataliza la síntesis (dependiente de energía) de ATP a partir de ADP y Pi. Esta enzima ubicua actúa como una turbina, permitiendo que el gradiente de protones impulse la producción de ATP.

La interrelación entre el transporte de electrones, el bombeo de protones y la síntesis de ATP se le conoce como acoplamiento quimiosmótico.

A. Orozco-Barocio. 2005

• El acoplamiento quimiosmótico es utilizado por la mayoría de los organismos vivos como fuente de producción de ATP, utilizando una gran variedad de sustancias diferentes como fuente de electrones para activar la bomba de protones.

• Los organismos aeróbicos utilizan la oxidación de glucosa y ácidos grasos, los vegetales necesita de la energía luminosa para producir los electrones y ciertas bacterias utilizan compuestos inorgánicos como hidrogeno, hierro y sulfuro como fuente de electrones. Todos reducen al oxígeno como aceptor de los electrones formando agua como desecho.

A. Orozco-Barocio. 2005

Lleva a cabo la fosforilación oxidativa y está formada por 40 proteínas, de las cuales solo 15 están directamente implicadas en el transporte de electrones, las que están agrupadas en 3 grandes complejos enzimáticos.

Los complejos respiratorios son: 1) el C. de la NADH deshidrogenasa, 2) el C. del citocromo b – c1 y 3) el C. de la

citocromo oxidasa.

Cadena respiratoria

Todos los complejos contienen en sus moléculas iones metálicos y otros grupos químicos que forman una vía para el paso de los electrones a través del complejo.

Cada uno de los complejos es una maquina protéica que bombea protones a través de la membrana mientras los electrones son transferidos a travé s de ella.

A. Orozco-Barocio. 2005

Transporte de electrones

El mecanismo de síntesis de ATP se genera por la enzima ATP sintetasa. Esta genera una vía hidrofílica a través de la membrana que permite a los protones volver a favor de su gradiente electroquímico.

Los iones se abren paso por la ATP sintetasa y son utilizados para impulsar la reacción, energéticamente desfavorable, entre el ADP y el Pi produciendo ATP.

Síntesis de ATP:

A. Orozco-Barocio. 2005

ATP sintetasa

• Es la serie de reacciones impulsadas por la luz que generan moléculas orgánicas a partir del CO2 atmosférico.

• Los organismos que realizan la fotosíntesis se les conocen como autótrofos y son las plantas, las algas y muchos tipos de bacterias fotosintéticas (cianobacterias).

• Estos organismos utilizan los electrones del agua y la energía del sol para convertir el CO2 atmosférico en

compuestos orgánicos.

Fotosíntesis:

A. Orozco-Barocio. 2005

6CO2 + 12H20 C6H12O6 + 6O2 + 6H20energía luminosa

•Al romperse el agua se liberan grandes cantidades de O2

que es utilizado en la respiración animal.

• La fotosíntesis se realiza en los cloroplastos.

Realizan sus interconversiones energéticas por medio de gradientes de protones (igual que lo hace la mitocondria).

Poseen una membrana plastidial externa, altamente permeable, una membrana interna, un espacio intermembranal muy estrecho, que en conjunto forman la envoltura del cloroplasto.

La membrana plastidial interna delimita el estroma, análogo a la matriz mitocondrial, que contiene muchas enzimas metabólicas.

Cloroplastos:

A. Orozco-Barocio. 2005

Dentro del estroma se encuentran estructuras membranosas, llamadas tilacoides, donde se encuentran los sistemas de captura de luz, las cadenas de transporte de electrones y la ATPsintetasa; se agrupan en estructuras de pilas de sacos que se comunican entre si, llamadas granas.

Las reacciones de la fotosíntesis se pueden agrupar en dos categorías:

1.Reacciones fotosintéticas de transferencia de electrones:

La energía lumínica activa un electrón de la clorofila, permitiéndole desplazarse a lo largo de una cadena de transporte de electrones de la membrana tilacoidal.

La clorofila obtiene sus electrones del agua produciendo O2 como producto final.

Durante el transporte de electrones se bombean H+ a través de la membrana tilacoidal y el gradiente electroquímico de H+ resultante impulsa la síntesis de ATP en el estroma.

Por último los electrones de alta energía son cedidos, junto con H+, al NADP+ convirtiéndolo a NADPH.

2. Reacciones de fijación del carbono:

el ATP y el NADPH producidos en la fase fótica, actúan como fuente de energía y de poder reductor, respectivamente, para impulsar la conversión de CO2 a carbohidratos.

Las reacciones de fijación del carbono inician en el estroma y se continúan en el citoplasma, produciendo sacarosa y otras moléculas orgánicas.

Para fabricar compuestos orgánicos a partir de CO2 se

necesita una gran cantidad de ATP y poder reductor.

El poder reductor se obtiene fabricando NADPH a partir de NADP+, utilizando la energía captada de la luz para transformar los electrones de baja energía del agua en los electrones de alta energía del NADPH.

Para formar el ATP y el NADPH se necesitan dos fotones, el primero se utiliza para el ATP y el segundo para el NADPH; para esto trabajan en serie dos fotosistemas, el fotosistema II y el fotosistema I.

oSíntesis de ATP y NADPH en el cloroplasto:

o La energía de la luz es absorbida inicialmente por el fotosistema II, donde es utilizada para producir un electrón de alta energía que es transferido, por una cadena de transporte de electrones, hacia el segundo fotosistema.

o Mientras viaja el electrón por la cadena de transporte de electrones, el electrón impulsa una bomba de H+ de la membrana tilacoidal creando un gradiente de protones, donde una ATP sintetasa lo utiliza para producir ATP en el estroma.

o Cuando llega al fotosistema I el electrón ocupa un agujero que dejó cuando fue absorbido un segundo fotón por este fotosistema.

o El fotosistma I actúa a un nivel de energía mas elevado que el fotosistema II.

o El electrón utilizado del centro de reacción del fotosistema I para formar el NADPH, es remplazado por el dador de electrones de baja energía que es el agua.

o El fotosistema II escinde 2 moléculas de agua y transfiere el O2 a un grupo de átomos de manganeso que

los retiene hasta que se han utilizado los 4 átomos de H2,

liberándolos a la atmósfera.

LA RESPIRACIÓN CELULAR

Respiración celular• La degradación de la glucosa mediante el uso de

oxígeno o alguna otra sustancia inorgánica, se conoce como respiración celular.

Glucólisis• Es la conversión de glucosa

en dos moléculas de ácido pirúvico (compuesto de 3 carbonos).– Se usan dos moléculas de ATP,

pero se producen cuatro.– El H, junto con electrones, se

unen a una coenzima que se llama nicotín adenín dinucleótido (NAD+) y forma NADH.

– Ocurre en el citoplasma.– Es anaeróbica.

• Libera solamente el 10% de la energía disponible en la glucosa.

• La energía restante se libera al romperse cada molécula de ácido pirúvico en agua y bióxido de carbono.

• El primer paso es la conversión del ácido pirúvico (3 C) en ácido acético (2 C); el cual está unido a la coenzima A (coA). – Se produce una molécula de CO2 y NADH.

Ciclo del Ciclo del Acido CítricoAcido Cítrico

Ciclo de KrebsCiclo de Krebs

• El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una serie de reacciones químicas de gran importancia, que forman parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir que utilizan oxígeno.

• En organismos aeróbicos el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2 y agua, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y ATP).

• El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas tales como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.

Historia del Ciclo de Krebs• El ciclo de Krebs recibe su nombre en honor a su

descubridor Sir Hans Krebs, quien propuso los elementos clave de esta vía en 1937.

• La historia comienza a principios de la década de los 30´s con el descubrimiento de que al agregar succinato, fumarato y malato a músculos machacados incrementa la velocidad del consumo de Oxígeno.

• El oxaloacetato se incorporó a la lista de ácidos dicarboxílicos cuando se descubrió que se podía formar en condiciones aeróbicas a partir del piruvato.

• En 1935 A. Szent-Györgyi propuso que ciertos pares de ácidos dicarboxilicos eran interconvertidos por la acción de deshidrogenasas y que este proceso estaba relacionado con la respiración.

• Carl Martius y Franz Knoop mostraron que el ácido cítrico es convertido en alfa-cetoglutarato por medio del isocitrato. Se supo también que el alfa-cetoglutarato puede ser oxidado a succinato.

• La formación del citrato era la pieza faltante para poder armar completamente el rompecabezas metabólico.

• El descubrimiento que resolvió este rompecabezas y unificó el metabolismo fue hecho en 1937 por Sir Hans Krebs y W.A. Johnson: ellos mostraron que el citrato es derivado del piruvato y del oxaloacetato completando lo que se conoce como el ciclo del ácido cítrico.

• En condiciones anaerobias, las células animales reducen el piruvato a lactato, en las levaduras a etanol.

• En condiciones aerobias, el piruvato ingresa a la matriz mitocondrial y es convertido a acetil-Coenzima A (AcCoA) para llevar estos Carbonos a su estado de oxidación total en el ciclo del ácido cítrico.

• El ciclo del ácido cítrico, considerado el embudo del metabolismo, consiste ocho reacciones enzimáticas, todas ellas mitocondriales en los eucariontes.

• El ciclo del ácido cítrico es la vía central del metabolismo aerobio: es la vía oxidativa final en el catabolismo de los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, además es una fuente importante de intermediarios de vías biosintéticas.

• En muchas células la acción acoplada del ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones son responsables de la mayoría de la energía producida.

• La oxidación del piruvato a Ac-CoA es catalizada por el complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa (PDH), el proceso que es muy complicado, se resume en:

Piruvato + NAD+ + CoA ® Ac-CoA + NADH + H+ + CO2 DG°´= - 8.0kcal/mol

• Esta reacción irreversible en tejidos animales, no forma parte del ciclo de Krebs, pero constituye un paso obligatorio para la incorporación de los glúcidos al ciclo.

• El trabajo acoplado del ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones es la mayor fuente de energía metabólica.

• El metabolismo aerobio del piruvato por el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones produce mucha mas energía que la simple conversión aerobia del piruvato a lactato o etanol .

• En condiciones aerobicas, el piruvato sufre una descarboxilacion oxidativa con la formación de AcCoA. El grupo acetilo del AcCoA es transferido al oxaloacetato para dar citrato

• En reacciones subsecuentes, dos de los átomos de Carbono del citrato se oxidan a CO2 y el oxaloacetato es regenerado.

• La reacción neta de ciclo del ácido cítrico también produce tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una molécula del compuesto trifosfato de guanosina (GTP) altamente energético (en algunos organismos es directamente ATP) por cada molécula de AcCoA oxidada

• Las moléculas de NADH y FADH2 son oxidadas en la cadena de transporte

de electrones con la formación de ATP en la fosforilación oxidativa.

• El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en eucariotas y en el citoplasma de procariotas.

1. Acetil-CoA + Oxalacetato + H2O Citrato

Citrato sintasa (enzima condensante)

2. Citrato cis-aconitato + H2O Isocitrato

Aconitasa

3. Isocitrato + NAD α-cetoglutarato + CO2 + NADH primer

CO2

Isocitrato deshidrogenasa

Enzima reguladora Descarboxilación oxidativaAcoplada a la conversión

De NAD NADH

4. α-cetoglutarato + CoASH + NAD Succinil-CoA + CO2 + NADH

α-cetoglutarato deshidrogenasa(segunda reacción de descarboxilaciòn) Unidireccional (irreversible)

5. Succinil-CoA + GDP + P succinato + CoASH + GTP

Succinato tiocinasa (Succinil-CoA)

6. Succinato + (FAD) Fumarato + (FADH2)

Succinato deshidrogenasa

7. Fumarato + H2O Malato

Fumarasa Cataliza la hidratación del succinato

8. Malato + NAD Oxalacetato Oxidado por NAD

Malato deshidrogenasa

Reacción de oxido-reducción simple

Principales vías que convergen en el ciclo de Krebs

• El ciclo de Krebs constituye la segunda etapa del catabolismo de carbohidratos.

• En eucariotas el piruvato se desplaza al interior de la mitocondria (gracias a un transportador específico de membrana interna). En la matriz mitocondrial

produce acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs.

• En el catabolismo de proteínas, los enlaces peptídicos de las proteínas son degradados por acción de enzimas proteasas en el tracto digestivo liberando sus constituyentes aminoacídicos. Estos aminoácidos penetran en las células, donde pueden ser empleados para la síntesis de proteínas o ser degradados para producir energía en el ciclo de Krebs.

• En el catabolismo de grasas, los triglicéridos son hidrolizados liberando ácidos grasos y glicerol.

• En muy diversos tejidos, especialmente en músculo cardiaco, los ácidos grasos son degradados en la matriz mitocondrial mediante sucesivos ciclos de beta oxidación que liberan unidades de acetil-CoA, que pueden incorporarse al ciclo de Krebs.

• El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación oxidativa.

• Este proceso extrae la energía en forma de electrones de alto potencial de las moléculas de NADH y FADH2, regenerando NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs puede continuar.

• Los electrones son transferidos a moléculas de O2, rindiendo H2O.

• Por cada molécula de glucosa la energía obtenida mediante el metabolismo oxidativo, es decir, glucolisis seguida del ciclo de Krebs, equivale a unas 36 moléculas de ATP.

Fosforilación oxidativa

RESPIRACIÓN CELULAR

Fase 1

Fase 2: Ciclo de Krebs

Fase 3: Cadena respiratoria yFosforilación oxidativa

Producción de Acetil-CoA

Oxidación de Acetil-CoA

Síntesis de ATP

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA comienza con la entrada de electrones en la CADENA RESPIRATORIA

La fosforilación oxidativa, ocurre en la mitocondria, y se refiere a la síntesis química de ATP (reacción endergónica) impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones desde el NADH al O2 (cadena respiratoria).

Consta de una serie de transportadores de electrones, la mayoría proteínas integrales de la membrana interna, con grupos prostéticos capaces de aceptar y/o ceder 1 ó 2 electrones

Cada componente de la cadena, acepta electrones del transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en una secuencia específica

Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL

Transferencia directa de electrones: par redox Fe3+/Fe2+

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

Transferencia de átomos de hidrógeno: un protón (H+) y un e-AH2 A + 2 e- + 2 H+

Transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Mientras una molécula de sustrato es oxidada (deshidrogenación), cediendo 2 átomos de hidrógeno, la formas oxidadas (NAD+ o NADP+) aceptan un hidruro (:H-; -un protón y 2 e-) transformándose en las formas reducidas (NADH o NADPH). El segundo H+ del sustrato se libera al medio.

NADP+ + 2 e- + 2 H+ NADPH + H+

NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H+

Transportadores universales de electrones- Nucleótidos de nicotinamida (NAD+ y NADP+) - Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)

Otros grupos transportadores de electrones- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)- Citocromos- Hierro-sulfo

proteínas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Nucleótidos de nicotinamida

NAD+ y NADP+ están compuestos por 2 nucleótidos unidos mediante sus grupos fosfatos

NAD+ y NADP+ son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados reversiblemente a deshidrogenasas

La flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unido, a veces covalentemente. El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos dando FADH2 o FMNH2

Nucleótidos de flavinas

Ubiquinona o Coenzima Q

La reducción completa (UQH2) requiere 2 e- y 2 H+ y se produce en 2 pasos sucesivos.

La UQ puede aceptar 1 e- formándose radical semiquinona (UQH).

Capaz de actuar como unión entre un dador de 2 e- y un aceptor de 1 e-.

Debido a que es pequeña e hidrofóbica difunde a través de la membrana interna, actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana, menos móviles.

Citocromos

Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (cit. reducido) o Fe3+ (cit. oxidado).

Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína, a diferencia de hemos de cit a y b.

El cit c mitocondrial es una proteína periférica (excepción), asociada a MI por interacciones electrostáticas.

Hemo A(Citocromos tipo a)

Hemo C(Citocromos tipo c)

Fe protoporfirina IX(Citocromos tipo b)

Hierro-sulfo proteínas

En las hierro-sulfo proteínas, el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente.

Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas.

Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce uno de los átomos de Fe.

Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-.

Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial

Hemi-reacción Eo’ (mV) NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ - 320

FMN + 2H+ + 2e- FMNH2 - 290

Fe3+-S-proteína (Complejo I) + 1e- Fe2+-S-proteína - 270

Fumarato + 2H+ + 2e- Succinato - 31

FAD + 2H+ + 2e- FADH2 - 10

Fe3+-S-proteína (Complejo II) + 1e- Fe2+-S-proteína 20

Ubiquinona + 2H+ + 2e- Ubiquinol (UQH2) 50

Citocromo bk (Fe3+) + 1e- Citocromo bk (Fe2+) 77

Citocromo bT (Fe3+) + 1e- Citocromo bT (Fe2+) 190

Citocromo c1 (Fe3+) + 1e- Citocromo c1 (Fe2+) 220

Citocromo c (Fe3+) + 1e- Citocromo c (Fe2+) 254

Citocromo a (Fe3+) + 1e- Citocromo a (Fe2+) 290

Citocromo a3 (Fe3+) + 1e- Citocromo a3 (Fe2+) 550

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 816

Los electrones fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajo hacia los transportadores con Eo’ más elevado. En la tabla, los de más arriba reducen a los de mas abajo.

Complejos proteicos de la cadena respiratoria mitocondrial

pH = 7.0 Espacio intermembranas (Lado P)

pH = 7.8 Matriz (Lado N)

Reacciones de transferencia de electrones en los Complejos mitocondriales

Complejo I (NADH-Ubiquinona oxidoreductasa)

NADH + H+ + Q NAD+ + QH2Eo’ = + 0.42 V

Go’ = -81 kJ/mol

Complejo II (Succinato- Ubiquinona oxidoreductasa)

FADH2 + Q FAD + QH2 Eo’ = + 0.015 V

Go’ = -2.9 kJ/mol

Complejo III (Ubiquinona-citocromo c oxidoreductasa)

QH2 + 2 Fe3+(cit c) Q + 2 Fe2+(cit c) + 2 H+ Eo’ = + 0.15 V

Go’ = -30 kJ/mol

Complejo IV (Citocromo oxidasa)

2 Fe2+(cit c) + 2 H+ + ½ O2 2 Fe3+(cit c) + H2OEo’ = + 0.815 V

Go’ = -109 kJ/mol

LA TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ES UN PROCESO EXERGÓNICO

En la cadena de transporte de e-, pasan 2 e- desde el NADH al O2

NADH + H+ + 1/2 O2 H2O + NAD+

La reacción neta es altamente exergónica

Teniendo en cuenta NAD+/NADH Eo’ = -0.320 V O2/H2O

Eo’ = + 0.816 V

El cambio de energía libre:

Go’ = - n F Eo’

Go’ = - 2 x 96500 x 1.14 V = - 220 kJ/mol NADH (cada 2e-)

En mitocondrias respirando activamente, la relación NADH/NAD es mayor que 1, y el G’ es mucho mayor (más negativo) que -220 kJ/mol

Para el succinato Go’ = - 150 kJ/mol

Eo’ = 1.14 V

La síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, es un proceso endergónico:ADP + Pi ATP + H2O Go’ = 30.5 kJ/mol

• En condiciones fisiológicas, en eritrocitos[ATP] = 2.25 mM

[ADP] = 0.25 mM y [Pi] = 1.65 mMA 25 oC, pH = 7.0 G’ =

51.8 kJ/mol

En las condiciones celulares, la oxidación mitocondrial de NADH o de succinato libera una energía superior a la necesaria para la síntesis de ATP.

La fosforilación oxidativa mitocondrial no plantea un problema termodinámico

LA SÍNTESIS DE ATP ES UN PROCESO ENDERGÓNICO

TRANSLOCACIÓN DE H+ ASOCIADA AL FLUJO DE ELECTRONES MITOCONDRIAL

pH = 6.9-7.0 Espacio intermembranas (Lado P)

pH = 7.5-7.8 Matriz (Lado N)

Por cada par de electrones transferidos al O2,4 H+ son bombeados por el Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y2 H+ por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial (Lado N), hacia el espacio intermembranas (Lado P)

NADH + 11 H+

(N) + 1/2 O2 H2O + NAD+ + 10 H+ (P)

TEORÍA QUIMIOSMÓTICA MITOCONDRIAL(P. Mitchell, 1961)

Peter Mitchell1920-1992

The Nobel Prize in Chemistry 1978"for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory"

El gradiente electroquímico de protones a través de la membrana interna mitocondrial (fuerza proto-motriz) es crucial para los procesos de transducción de energía y síntesis de ATP

La teoría quimiosmótica mitocondrialAcopla el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria y la síntesis de ATP

La fuerza proto-motriz, lleva a la síntesis de ATP, como consecuencia del flujo pasivo de H+ hacia la matriz mitocondrial, a través de un poro de H+ (F0) asociado a la ATP sintasa (Complejo V)

ADP + Pi + nH+ (p) ATP + H2O + nH+

(N)

Postulados de la teoría quimiosmótica mitocondrial(P. Mitchell, 1961)

La membrana interna es impermeable a los H+

El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranas

Se conserva la energía de oxidación de los procesos metabólicos en forma de potencial electroquímico, ya que se genera un gradiente electroquímico de H+

La cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP

Las [H+] en las 2 fases acuosas (EIM y M) separadas por la membrana interna, constituyen la fuerza responsable (fuerza proto-motriz) de la formación de ATP: el flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la membrana mitocondrial.

Se sintetizan 3 ATP por cada par de e- pasados al O2 si el dador es NADH, y 2 ATP por cada par de e- pasados al O2 si el dador es succinato.

Síntesis de ATP por ATP sintasa

John Walker

The Nobel Prize in Chemistry 1997"for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"

Paul Boyer

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V Gran complejo enzimático, que cataliza la síntesis de ATP a partir

de ADP y Pi, acompañado del flujo de H+ desde el lado P al N Está formado por dos componentes:

F1, una proteína periférica de membrana (33)Fo, una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12)

Sub. c (de Fo) forman 2 círculos concéntricos

La subunidad pasa a través del centro esférico 33

Sub. y (de F1) se unen firmemente al anillo de sub. c.

F1

F0

Matriz

EIM

Las translocación de H+ a través del poro Fo provoca que el cilindro de sub. c y la subunidad adjunta, roten alrededor del eje de perpendicular al plano de la membrana)

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V

-ADP -ATP -vacío Alta afinidadpor ATP

Baja afinidadpor ATP

El pasaje de H+ a través de Fo llevan a cambios conformacionales de la subunidad de la F1-ATPasa

El proceso endergónico de rotación de la sub. es impulsado por el proceso exergónico de la translocación de H+ del lado P al N

F1-ATPasa = Rotor molecular

El acoplamiento no es químico, sino electroquímico y físico

RESUMEN

• Ocurre en la mitocondria

• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria

• Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluídos en la membrana interna mitocondrial. Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajo hacia los de Eo’ más elevado

• Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

• La transferencia mitocondrial de e- es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP

• El transporte de e- está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el EIM (fuerza proto-motriz)

• El flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP, por acción de la ATP sintasa (rotor molecular)

ATPasa

• No todas las formas de respiración requieren oxígeno.

• Algunos organismos (bacterias) degradan su alimento por medio de la respiración anaeróbica.

• Aquí, el aceptor final de electrones es otra sustancia inorgánica diferente al oxígeno.

• Se produce menos ATP que en la respiración aeróbica.

• Mecanismo de regeneración de coenzimas reducidas durante la oxidación de glucosa a piruvato.

Respiración anaeróbica

FERMENTACIÓN• Es la degradación de la glucosa y liberación de energía utilizando

sustancias orgánicas como aceptores finales de electrones.• Algunos organismos como las bacterias y las células musculares

humanas, pueden producir energía mediante la fermentación.

Fermentación alcohólica• Este tipo de fermentación produce alcohol etílico y CO2, a partir

del ácido pirúvico.• Es llevada a cabo por levaduras, hongos filamentosos y

bacterias.

Fermentación láctica

• Este tipo de fermentación convierte el ácido pirúvico en ácido láctico.

• Al igual que la alcohólica, es anaeróbica y tiene una ganancia neta de 2 ATP por cada glucosa degradada.

• Es importante en la producción de lácteos.• La llevan a cabo las bacterias.

• Reduce todo el piruvato producido en la glucólisis a ácido láctico.

• También ocurre en el músculo cuando existe deficiencia de oxígeno.

Fermentación homoláctica

• Genera otros productos además de ácido láctico.• Leuconostoc misenteroides, Lactobacillus brevis.

Fermentación heteroláctica

Los productos incluyen lactato, acetato, pequeñas cantidades de etanol y formato, incluso pueden llegar hasta hidrógeno y bióxido de carbono.

E. coli

• Produce butanodiol además de etanol y ácidos.

• Entorbacter, Erwinia, Klebsiella, Serratia

Fermentación 2,3-butanodiol

• Requieren importantes cofactores como la biotina, CoA y CoB12.

• Utilizado en la producción de quesos suizos y la vitamina B12.

• Propionibacterium.

Fermentación ácido propiónica

• Produce acetona, butanol, propanol, otros alcoholes y ácidos.

• Fermenta aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, también como los carbohidratos.

• Clostridium.

Fermentación ácido butírica

• ¿Por qué es importante la fermentación para las células musculares de organismos aeróbicos?

• ¿Qué proceso celular produce mayor cantidad de energía en forma de ATP?

• ¿Cuál es la ganancia neta de ATP en la respiración aerobia y en la fermentación?

• ¿Qué aplicación industrial tiene la fermentación?

Preguntas