bioenergética 10
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Requerimientos energéticos
-La célula utiliza la Energía para:
.Síntesis de nuevas moléculas.
.Trabajo mecánico (contracción muscular).
.Transporte activo (contra gradientes).
.Movimiento de cilias y flagelos.
.Mantener potenciales de membrana.
.Bioluminiscencia.
-Vegetales: mediante sus pigmentos captan energía lumínica y la transforman en Energía Química.
Fotosíntesis
-Demás seres vivos: incorporan moléculas complejas que contienen Energía en forma de enlaces químicos.
Descomponer (oxidar) enlaces.
Liberación de Energía.
Energía Química
-Nutrientes: E Química (Potencial) entre los átomos que forman las moléculas (enlaces covalentes)
-Principales fuentes de Energía: Oxidación de Ácidos Grasos y Glucosa (CO2, H2O y E)
C6H12O6 + 6 O26 CO2 + 6H2O
∆Gº = -686 Kcal/mol
Existe un mecanismo que permite “almacenar” temporalmente la Energía y distribuirla hasta que la
célula pueda utilizarla
Liberación de Energía en los sistemas biológicos debe ser:
• Aprovechable por las células.
• Controlada.
• Etapas Sucesivas.
Nutrientes EnergíaLiberada
Utilización por la célula
oxidación ?
Intermediario que permite captar, almacenar y liberar Ecuando la célula puede utilizarla.Enlaces de alto contenido energético (-7,3 kcal/mol).
ATP
• Las reacciones metabólicas pueden ser termodinámicamente desfavorables (endergónicas) o favorables (exergónicas).
• Las reacciones endergónicas son posibles si se acoplan con otras que sean energéticamente favorables o exergónicas. El ATP cumple un papel muy importante en los acoplamientos entre reacciones enzimáticas.
Reacciones de Oxido – Reducción (Redox)
Se producen con “transferencia de electrones” (e-)
Dador de e- Aceptor de e-
e-
“pierde”Se OXIDA
“gana”Se REDUCE
¿Cómo se transfieren los e-?A- de uno en uno
Fe+++ + e- Fe++
C-dos e- y un H+
NAD+ + H+ + 2e- NADH
B-como un átomo de Hidrógeno (e- + H+)
FAD + 2H+ + 2e- FADH2
¿Quién pierde y quién gana e-?
Los e- se desplazan de un compuesto a otro. Estos
compuestos deben estar ordenados según un
“Gradiente de potencial de REDUCCIÓN
Creciente (E’o)”.
Potencial de REDUCCIÓN: tendencia a “captar e-”
Menor Flujo de e- MayorPot. Reducción Pot. Reducción
H2 A BH2 C DH2 1/2O2 (Sustr. Red)
(Sustr. Ox.)
AH2 B CH2 D H2O
Reacciones de Oxido – Reducciónen los Sistemas Biológicos
Reacciones “ACOPLADAS”: producto de una reacción es elsustrato de la siguiente
E E E E E
e-
H+
Reacciones “ACOPLADAS”: producto de una reacción es elsustrato de la siguiente
Reacciones EXERGÓNICAS: liberación de E.
Como se realizan en varias etapas, los e- se van transfiriendo desde un compuesto al otro, siempre
que estén ordenados según sus Potenciales de REDUCCIÓN crecientes.
En cada etapa se libera E en pequeñas cantidades que la célula puede utilizar o almacenar en forma de “Enlaces de Alto
Contenido Energético” (ATP)
¿Dónde se llevan a cabo estos procesos?
MITOCONDRIAS
¿Qué son?-Organelas citoplasmáticas.-Sitio donde se producen los procesos de oxidación de sustratos, liberación de E y síntesis de ATP.
¿Dónde se ubican?-Cerca de estructuras que requieran E (ATP).
¿Cuántas hay?-Depende del requerimiento de E de cada célula. -En cada tipo celular el n° de mitocondrias es constante.
¿Cómo son? -Forma alargada, similar a un cilindro.-Tamaño: 1-2 um de largo y 0,5 um de diámetro.
Photo researchers Inc. Don Fawcet-keith porter
Contiene la “Matríz Mitocondrial” gel alto contenido proteico (50%).DNA mitocondrial (Circular).Ribosomas mitocondriales (síntesis proteica).
Gránulos δ : almacenamiento de Calcio.
Espacio Interno
Composición semejante al citosol(por la permeabilidad de la M. Externa).
EspacioIntermemb.
Alto contenido proteínas (>76% de su peso)Forma pliegues o “crestas”.Rica en Cardiolipina (fosfolípido complejo).Permeabilidad Selectiva (H2O CO2, O2, NH3).Partículas F1 (hacia interior).
MembInterna
Lisa y elástica.Rica en PORINA (proteína transmembrana que forma canales). Muy Permeable a iones y molec. pequeñas (<5000D).
Memb.Externa
CaracterísticasEstructura
¿Función? oxidación de los sustratos con producción de Energía en forma de ATP.
-Proteínas transporte e- (Cadena Respiratoria).-ATPsintasa (Part. F1): Síntesis ATP.-Proteínas de Transporte específicas: pasaje “selectivo” de sustancias.
MembranaInterna
-Oxidación piruvato y ácidos grasos.-Ciclo Krebs.
Matríz
FunciónCompartimiento
Compartimentalización
Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte
de electrones-La cadena respiratoria consta de una serie de
transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar 1 ó 2 e-.
-Cada componente de la cadena acepta e- del transportador precedente y se los transfiere al siguiente en una secuencia específica (ordenados según gradiente de potencial de reducción creciente).
-Tipos de transferencia de e- (equivalentes de reducción) en la cadena respiratoria:(1) transferencia directa de e- (Fe3+/Fe2+) (2) transferencia de un H+ (1 e-) (3) transferencia de un H+ portador de 2 e-
Cadena Respiratoria
NADH ⇒ Fp(FMN) ⇒ Q ⇒ cit b ⇒ cit c1, c ⇒ cit aa3 ⇒ O2
I
II III
IV
NADH-Ubiquinona Reductasa
Succinato -Ubiquinona Reductasa
CoQ
Cit b Cit c1
Ubiquinona Citocromo c Reductasa
Citc
Cit a Cit a1
Citocromo Oxidasa
O2
I II
III
IV
Grupos transportadores de electronesUbiquinona o Coenzima Q.
Transportador móvil de e- . No está fija en la membrana mitocondrial interna.
Ubi (Ubicuo: en todas partes, sin localización fija ) - Quinona (estructura química)
Otros grupos transportadores de electronesProteínas ferro-sulfuradas
- En las proteínas ferro-sulfuradas (Fe-S), 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 (Fe+++-Fe++).
-Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-.
Otros grupos transportadores de electronesCitocromos
Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados (pirrol) en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (citocromo reducido) o Fe3+ (citocromo oxidado).
a b
c
E’o (mV)
NADH - 320FMNH - 290Fe-S (Complejo I) - 270FADH - 10Fe-S (Complejo II) + 20Ubiquinol (UQH2) + 50Citocromo bk + 77Citocromo bT + 190Citocromo c (+c1) + 230Citocromo a+a3 + 380Oxigeno + 816
Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial
Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de E’o más bajo hacia los transportadores con E’o más elevado.
En la tabla, los de arriba reducen a los de más abajo
Todo este transporte de e- desde el NADH (o FADH2) hasta el O2 es un proceso exergónico (liberación de E).
¿Cómo se relaciona la E liberada durante el transportede e- con la síntesis de ATP?
Pero…
La liberación de E producida durante el transporte de e- es utilizada para la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa)Son 2 procesos diferentes, pero ambos están “acoplados”
Mecanismo de la F.O. Hipótesis del Gradiente Quimiosmótico
Requiere 2 condiciones “imprescindibles”:
Membrana Mitocondrial Interna -impermeable a H+
-intacta
A medida que los e- son transportados, la E liberadase utiliza para “bombear H+” desde la matriz
mitocondrial al espacio intermembrana.
Por cada par de e- transferidos al O2, 4 H+ son bombeados por el Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y 2 H+ por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial, hacia el espacio intermembranas.
Esta “salida” de H+ genera un desequilibrio (gradiente) Quimio-Osmótico entre ambos lados de la Membrana Mitocondrial Interna.
pH OH- q-
pH H+ q+
El gradiente quimio-osmótico favorece el “regreso” de H+
hacia la matriz. Como la Membrana interna es impermeablepenetran a través de canales de H+ : las partículas F1.
Partícula F1= ATP SINTASA
Porción Globular: F1(α, β ,γ ,δ ,ε).
Tallo: F0 (canal de H+)(a, b, c).
Matríz
Espacio Intermembrana
Libera el sitio de unión del ADP y Pi en la subunidad β.
Al invertirse el gradiente se hidroliza el ATP.
Existen sustancias que pueden alterar el proceso:
1- Inhibidores del transporte e-: interrumpen el flujo de e- a distintos niveles en la cadena respiratoria. Afectan por lo tanto la F.O.
RotenonaAmitalHalotano
Antimicina A
Cianuro COAzidas
Existen sustancias que pueden alterar el proceso:
2- Desacoplantes de la F.O.: separan los 2 procesos. -Son sustancias que alteran (aumentan) la permeabilidad de la Membrana Interna.-Afectan el gradiente quimiosmótico. No impiden el transporte de e-.
- Ionóforo de H+: 2,4 di nitro fenol - Ionóforos de K+: Valinomicina, Nigericina- Ionóforos de Na+ y K+:
Gramicidina- Oligomicina: se une a la F0 de la F1 ATPasa
pH OH- q-
pH H+ q+pH OH- q+
pH OH- q-H+
H+
-Termogenina (UCP-Uncoupling Carrier Protein): canal de protones presente en las mitocondrias de la grasa parda. Actúa como un ionóforo. En animales que hibernan permite utilizar el transporte de e- para generar calor y sin síntesis de ATP.
Existen “desacoplantes naturales” de la F.O.:
Algunas características particulares de las mitocondrias
1- Formación de nuevas mitocondrias
2- Origen evolutivo de las mitocondrias
3- Características de ADN mitocondrial
5- Herencia de las mitocondrias
4- Síntesis de proteínas mitocondriales
Algunas características particulares de las mitocondrias
1- Formación de nuevas mitocondrias.
-Al dividirse cualquier célula (mitosis), necesita generar nuevas mitocondrias.
-Nunca se sintetizan “de novo” a partir de sus Componentes.
-Crecimiento y división de las preexistentes.
-Durante la interfase del ciclo celular.
-El n° de mitocondrias en cada tipo celularse mantiene constante.
2- Origen evolutivo de las mitocondrias
Teoría Endosimbiótica: conservan su genoma y se replicanIndependientemente.
Algunas características particulares de las mitocondrias
3- Características del DNA mitocondrial
-Molécula circular y bicatenaria: 20 a 30copias / mitocondria.
-Situadas en la matriz mitocondrial.
-Copia única de cada gen.
-Sin Histonas (no forma nucleosomas).
-Sin secuencias reguladoras.
-Sin intrones (todas las secuencias son codificantes).
-Código genético “alterado” o “degenerado”.
-Codifica 13 polipéptidos (cadena respiratoria).
Código Genético Mitocondrial
Algunas características particulares de las mitocondrias
4- Síntesis de proteínas mitocondriales
-95% proteínas mitocondriales son codificadas por ADN nuclear y sintetizadas en ribosomasdel citoplasma (proteínas importadas).
-5% proteínas mitocondriales (13 polipéptidos) son codificadas por ADN mitocondrial y sintetizadas en los ribosomas mitocondriales (proteínas mitocondriales).
Algunas características particulares de las mitocondrias
5- Herencia de las mitocondrias
Las mitocondrias del cigoto son aportadas en un 99,9 %por el ovocito. Esto implica que las mitocondrias se heredan en forma uniparental (sólo de Origen Materno).
Algunas características particulares de las mitocondrias
Bibliografía
-Voet, Voet, Pratt: Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular, 2da. Ed. 2006. Editorial Médica Panamericana.
-Alberts; Johnson; Lewis; Raff; Roberts; Walter. Molecular Biology of the Cell 4ta Ed. 2002. Ed New York and London: Garland Science.
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Nelson and Cox. Lehninger: Principles of Biochemistry. 4ta Ed. Ediciones Omega SA.
-De Robertis, Hib. Fundamentos de Biología Celular y Molecular. 4ta. Ed, 2004. Editorial el Ateneo.
-Antonio Blanco: Química Biológica, 8va. Ed. 2007. Editorial el Ateneo.
-Karp Gerald: Biología celular y molecular. Conceptos y experimentos. 5º Ed. Ed. Mc Graw Hill 2008.