CADENA DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

1. ¿Cómo se transporta la energía de la oxidación de las moléculas como la glucosa hasta la fosforilación oxidativa?

Toda la energía útil liberada durante la oxidación de ácidos grasos, aminoácidos y virtualmente toda la que proviene de la oxidación de los carbohidratos se vuelve disponible dentro de las mitocondrias en forma de equivalentes reductores (-H o electrones). Las mitocondrias contienen la serie de catalizadores conocidos como la cadena respiratoria que colectan y transportan equivalentes reductores y los dirigen a su reacción final con el oxígeno para formar agua.

Cada H que poseen las coenzimas reducidas están formadas por un Protón y un electrón. El electrón es el que concentra la Energía que posee el NADH y son llamados Electrones de alta energía. La cadena respiratoria consiste en la transferencia de esos electrones de alta energía a la largo de múltiples pasos de REDOX, a través de Intermediarios llamados aceptores de electrones, que lo llevan hasta el último eslabón que es el O2 gaseoso. Por eso la Cadena Respiratoria también se la llama Cadena de Transporte de Electrones.Los 3 primeros aceptores reciben el H+ y el electrón conjuntamente, en cambio a partir del cuarto aceptor (Citocromo q) sólo se transportan electrones y los H+ quedan en solución. El nivel energético de los electrones que se transportan disminuyen por cada transferencia. El úlitmo aceptor es el O2 molecular, que al recibir los electrones del penúltimo aceptor (Citocromo a+3) se reduce y junto con el H+ del medio forman H2O.La cantidad de energía que se libera en 3 de esas reacciones de transferencia es suficiente para fosforilar al ADP para formar ATP. Estas fosforilaciones acopladas a la Cadena Respiratoria reciben el nombre de Fosforilaciones Oxidativas debido a que la energía necesaria para llevarla a cabo proviene de OXIDACIONES.COMPLEJO I: El complejo I o NADH deshidrogenasa o NADH: ubiquinona oxidoreductasa capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado UBIQUINONA (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo el Complejo I transloca cuatro protones a través de membrana, produciendo un gradiente de protones.

El NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN a FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es una centro Fe-S que sólo puede aceptar un electrón y trasferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida denominada SEMIQUINONA. Esta semiquinona vuelve a ser reducido con el otro electrón que quedaba generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones son translocados a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana.

COMPLEJO II: El Complejo II o Succinato deshidrogenasa no es un bomba de protones. Además es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Este complejo dona electrones a la

ubiquinona desde el succinato y los transfiere vía FAD a la ubiquinona.

COMPLEJO III: El complejo III o Complejo citocromo bc1, obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos moléculas de CITOCROMO C, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermebrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca dos protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.

COMPLEJO IV: El complejo IV o Citocromo c oxidasa capta cuatro electrones de la cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además desaparecen de la matriz 4 protones que forman parte del H2O.

El flujo de protones crea un gradiente de pH y un gradiente electroquímico. Este gradiente de protones es usado por la ATP sintasa para formar ATP vía la fosforilación oxidativa. La ATP sintasa actúa como un canal de iones que "devuelve" los protones a la matriz mitocondrial. Durante esta vuelta, la energía libre de Gibbs producida durante la generación de las formas oxidadas de los transportadores de electrones es liberada. Esta energía es utilizada por la síntesis de ATP, catalizada por el componente F1 del complejo FOF1 ATP sintasa.

2. ¿Por qué es importante el estudio de la cadena respiratoria y de la fosforilación oxidativa?

Así podemos comprender donde se realiza el proceso de respiración mitocondrial y metabolización de nutrientes. También podemos conocer el proceso por el que se forma ATP y la importancia de la realización de estas vías metabólicas.

3. ¿A qué llamamos respiración y cuál es la diferencia con la ventilación?

Ventilación se refiere únicamente al hecho de introducir aire a las vías respiratorias, lo cual conocemos como "inspiración" y sacarlo que es el mecanismo conocido como "espiración".Respiración es un fenómeno químico muy complejo, que se lleva a cabo a nivel celular en las estructuras denominadas mitocondrias, llevando a cabo un proceso por el cual las células degradan las moléculas de alimento para obtener energía.

4. ¿Qué es el control respiratorio?

Es la dependencia de captación de oxígeno por las mitocondrias según la disponibilidad de ADP.

5. ¿Cuáles son los componentes de la cadena de transporte de electrones? Nucleótidos de nicotinamida Flavoproteínas Proteínas de hierro y azufre Citocromos Proteínas con Cobre

Ubiquinonas.

6. Explique las características de cada complejo de la cadena respiratoria. Mencione su denominación, componentes, coenzimas y función.

7. ¿Qué relación tiene el consumo de oxígeno con la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa?

El Oxígeno es el aceptor final de los electrones que son transferidos por los complejos, formando 2 moléculas de agua y permitiendo por un lado la eliminación de estos electrones. Y el oxígeno es totalmente necesario para la síntesis de ATP.

8. ¿Qué factores regulan el consumo de oxígeno celular?

El ADP, el O2 y el NO-

9. ¿Qué proteínas regulan la respiración mitocondrial?

La F1-ATPasa (factor limitante: ADP) La mtNOS (produce NO) La citocromo oxidasa (factor limitante:NO/O2)

10. ¿Cómo se mueven los electrones en la cadena de transporte mitocondrial? Individualmente, " de uno en uno". Un electrón unido a un protón, 1 átomo de H. Dos electrones unidos a dos protones, dos átomos de H.

11. ¿Qué reacciones ocurren en cada complejo de la cadena de transporte? NADH:

El NAD+ es reducido a NADH por deshidrogenasas las cuales remueven dos átomos de Hidrógeno de su substrato. Ambos electrones pero sólo un protón (ion hidruro :H -)son transferidos al NAD+, formando NADH más un protón libre, H+, liberado al medio.

El protón libre más el ion hidruro acarreado por el NADH son ahora transferidos a una deshidrogenasa de NADH, un complejo enzimático embebido en la membrana interna mitocondrial.

Este complejo tiene una molécula de flavín mononucleótido (FMN) que acepta los dos átomos de Hidrógeno (2e- + 2H+), reduciéndose a FMNH2.

Coenzima Q :

La CoQ acepta átomos de Hidrógeno tanto del FMNH2 (NADH deshidrogenasa) y del FADH2 (succinato deshidrogenasa en el ciclo del ácido cítrico y la acil-CoA deshidrogenasa en el metabolismo lipídico).

Citocromos :

El átomo de hierro del citocromo es reversiblemente transformado mediante oxido reducciones en su forma férrica (Fe3+) y ferrosa (Fe2+). Los electrones son pasados a los citocromos b, c y a + a3 desde la CoQ.

Citocromo a+a3: En este sitio los electrones transportados, el Oxígeno molecular y los protones libres se unen para formar agua.

12. ¿Cómo transporta electrones el NAD?

13. Describa la función de la Ubiquinona. Es un componente fundamental de la cadena de transporte de electrones. Se localiza en la

membrana interna de la mitocondria e interviene en el proceso de paso de electrones entre los complejos I, III y IV. Juega por lo tanto un papel fundamental en la síntesis de ATP.

Fuera de la mitocondria, su función más importante es evitar la peroxidación de lípidos y proteínas. Interviene en la estabilidad y fluidez de la membrana. Y facilita la fluidez de sangre facilitando su flujo en el musculo cardiaco.

14. Diferencia al entrar en la cadena de electrones de NADH y FADH2.

El NADH no se introduce directamente en la mitocondria para oxidarse, porque la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH y al NAD+. Los electrones del NADH son los que atraviesan la membrana mitocondrial a través de la lanzadera de glicerol 3-fosfato: primero se transfiere un par de electrones desde el NADH a la dihidroxiacetona fosfato, para formar glicerol 3-fosfato, un par de electrones de esté se transfieren al grupo prostético FAD para formar FADH2, que a su vez los dona a la cadena transportadora de electrones para generar 1,5 ATP.

La lanzadera malato-aspartato se transfieren los electrones del NADH citosólico a través de la acción de las formas citosómicas y mitocondrial del malato deshidrogenasa y de aspartatato aminotransferas, al NADH mitocondrial y producir 2,5 ATP.

15. Características similares y diferencias de los citocromos de la cadena respiratoria.

Similitudes:

En ausencia de sustrato están en estado oxidado Su grupo prostético es la porfirina A través de ellos se mueven los electrones Las mitocondrias poseen citocromos a, b y c. En su forma oxidad muestra una banda de absorción principal, mientras que en su forma

reducida presenta tres bandas de absorción. Se estudian a través de espectroscopia diferencial, al tener alta dispersión inespecífica y

dispersión de luz.

Diferencias:

Las mitocondrias poseen citocromos del tipo a, b y c. los citocromos de tipo d y 0 se encuentran como oxidasas terminales en las cadenas de algunas bacterias, los citocromos o son citocromos de tipo b autooxidables, mientras que los citocromos d poseen un anillo de clorina saturado parcialmente en lugar de una porfirina.

16. ¿Por qué el oxígeno reacciona con el complejo IV?

Porque cada uno de sus 4 reductores redox presenta un electrón y la reducción de O2 a agua requiere 4 electrones, las reacciones catalizadas por esta enzima han evolucionad de tal manera que se impide la liberación de los intermediario tóxicos del oxígeno parcialmente reducido. Cada uno de los intermedios formados en la reducción de O2 permanece unido firmemente al centro binuclear con lo que se impide su disociación del enzima hasta que se forme agua.

17. Mencione inhibidores de la cadena mitocondrial y de la fosforilación oxidativa, el sitio de inhibición, mecanismo de acción, capacidad de ser revertidos o no.

Rotenona: bloquea la cadena de transporte electronico entre la NADH deshidrogenasa (Complejo

I) y la CoQ. Como consecuencia, ello impide la utilizacion del NADH como donante de equivalentes

de reduccion a la cadena respiratoria. Sin embargo, el flujo de electrones que resulta de la

reduccion-oxidacion del Complex II no es afectada, ya que los electrones entran en un punto

posterior al bloqueo, a traves de la Coenzima Q.

Antimycin A es un antibiotico producido por Streptomyces griseous que ha sido usado como

veneno para controlar alguna especies de peces. Antymicin A interfiere con el flujo de electrones

desde el citocromo bH en el Complex III (Q-cytochrome coxidoreductasa). En presencia de esta

substancia, el citocromo bH puede ser reducido pero no oxidado, y consecuentemente, el

citocromo c permanece oxidado, al igual que los citocromos a y a3 del Complejo IV.

Cianuro: afecta a practicamente todas las metaloenzimas, pero sus principales efectos toxicos

derivan de su union al Fe+++ en los grupos Hem de la citocromo oxidasa, inhibiendo el

funcionamiento de la Cadena de Transporte de Electrones.

La oligomicina, un antibiótico producido por Streptomyces, inhibe a la ATPasa al unirse a la

subunidad Fo e interferir en el transporte de H+ a través de Fo, inhibe por lo tanto la síntesis de ATP.

Diciclohexilcarbodiimida (DCCD), un reactivo soluble en lípidos, también inhibe el transporte de protones por Fo al reaccionar con un residuo de glutámico en una de las subunidades de Fo de mamíferos.

En estas condiciones el gradiente de protones que se produce es mayor que lo normal, sin embargo la energía potencial de éste no puede ser utilizada para producir ATP.

18. ¿cuánto del oxígeno que llega a los pulmones es utilizado en la cadena respiratoria?

El 95 % del oxígeno corporal se consume en las mitocondrias El 99 % del oxígeno consumido por las mitocondrias es reducido por la citocromo oxidasa El 100 % del oxígeno consumido por la citocromo oxidasa se utiliza para sintetizar ATP por

el mecanismo conocido como fosforilación oxidativa

19. ¿Qué es la fosforilación oxidativa?

Proceso en el que se forma ATP al transferirse electrones del NADH y FADH2 al oxígeno molecular, a través de una serie de transportadores de electrones que conforman la cadena transportadora de electrones.

20. ¿Cuál es el aporte de Kalkar y Belitzer?

Kalkar en Dinamarca y Belitzer en la antigua URSS, encontraron una correlación muy interesante entre la desaparición del Pi y la respiración. Estudiaron el efecto de la adición de Pi (HPO3

4) a homogenados de tejidos de mamíferos; el experimento lo realizaron en presencia y ausencia de 02 o en presencia de cianuro (CN-). Reportaron que a medida que se consumía el 02 el Pi desaparecía del medio de reacción y que cuando agregaban a un inhibidor del consumo de 02, CN- e este caso, el proceso no se llevaba a cabo. Posteriormente se verificó que la síntesis de ATP es una reacción endergónica, en la cual la respiración o consumo de 02 acopladas a la fosforilación del ADP, genera energía.