cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
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Flujo de electrones desde el NADH y FADH2 al oxígeno.
A través de cuatro complejos proteicos embebidos en la membrana mitocondrial interna
En su conjunto se denomina Cadena Respiratoria o cadena de transporte de electrones
Combustible
O2
Proporcionados
por la circulación
sanguínea
NADH + ½ O2 + H+ → H2O + NAD+
ΔGo’= -220,1 KJ/mol (-52,6 kcal/mol)
La reducción del oxígeno molecular por NADH y FADH2 es un proceso
muy exergónico
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Hombre sedentario de 70 kg, requiere 8400 kJ (2000 kcal) para su actividad diaria
Necesita 83 kg de ATP
Pero sólo tenemos 0.25 kg de ATP en un momento dado
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
→ se resuelve reciclando el ADP a ATP,
principalmente por medio de la Fosforilación Oxidativa
Cada molécula de ATP se recicla unas 300 veces al día
Matriz
Membrana
Fundamento de la fosforilación oxidativa
flujo de e- exergónico (ΔGo’= -220,1 KJ/mol (-52,6 kcal/mol)
acoplamiento con bombeo endergónico de H+ desde la matriz mitocondrial al citoplasma (la
energía se transforma)
la distribución desigual de H+ genera un gradiente de pH y un potencial eléctrico
transmembrana que crea una fuerza protón-motriz.
el ATP es sintetizado cuando los protones vuelven a la matriz mitocondrial mediante un
complejo enzimático.
ADP+ Pi+ H+ → ATP + H20
ΔGo’= +30.5 kJ/mol (7.3 kcal/mol)
Etapa culminante del metabolismo oxidativo,
donde la energía de oxidación dirige la síntesis de ATP
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
la generación de electrones de alto potencial
de transferencia en el Ciclo de Krebs
su flujo a través de la cadena respiratoria
la síntesis de ATP
Respiración celular
Tiene lugar en la mitocondria
Numerosas mitocondrias en cada célula, cada una de ellas con la membrana interna
formando numerosas crestas.
En un ser humano existen unos 14000m2 de membrana interna mitocondrial
(tres canchas de fútbol americano !!!)
Bioquímica de la Mitocondria
Matriz contiene
- Complejo Piruvato Deshirogenasa
- Enzimas del ciclo de Krebs
- Enzimas de la beta-oxidación
- Enzimas de la oxidación de aminoácidos
- DNA, ribosomas
- Otras enzimas
- ATP, ADP, Pi, Mg2+, Ca2+, K+
- varios otros metabolitos intermediarios
Membrana interna Impermeable a la mayoría de las pequeñas
moléculas e iones, incluyendo H+.
Contiene
- Complejos proteicos encargados del
transporte de electrones (Complejo I-IV)
-Translocasas de ADP y ATP
- ATP sintasa (FoF1)
-Otros transportadores (piruvato, citrato)
Membrana externa Permeable a las pequeñas
moléculas y iones (pasan por canales
llamados porinas)
Dominio Público. Animal mitochondrion diagram en.svg by Mariana Ruiz (LadyofHats) Author
Aibdescalzo
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animal_mitochondrion_diagram_es.svg
La fosforilación oxidativa depende del transporte electrónico
el potencial de transferencia electrónica de un electrón se mide como potencial redox
en la fosforilación oxidativa el potencial de transferencia de electrones del NADH
o FADH2 se convierte en el potencial de transferencia de grupos fosforilo del ATP
Un agente fuertemente reductor como el NADH o el FADH2 está obligado a ceder
electrones y tiene un potencial de reducción negativo.
Un agente fuertemente oxidante (como el oxígeno) está dispuesto a aceptar
electrones y tiene un potencial de reducción positivo.
Potencial de transferencia de electrones o
potencial de reducción o
potencial de óxido-reducción
E’o
el potencial de reducción para el par H+/ H2 es cero voltios, por definición
Un potencial de reducción negativo indica que la forma reducida de una sustancia
tiene menos afinidad hacia los electrones que el H2
Un potencial de reducción positivo indica que la forma reducida de una sustancia
tienen más afinidad hacia los electrones que el H2.
Δ Go’=-nFΔEo’
El incremento de energía libre estándar ΔGo’ está relacionado con el incremento
del potencial de reducción ΔEo’ mediante la expresión
Una diferencia de potencial de 1,14 voltios ente el NADH y el O2 impulsa el transporte de electrones a través de la cadena y permite la
formación de un gradiente de protones
¿Cuanta energía se libera durante la reducción del O2 por el NADH?
½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O E’o=+0.82 v
NAD+ + H+ + 2e- → NADH E’o=-0.32 v
La energía liberada se utiliza
para generar un gradiente de protones que será utilizado para la síntesis de ATP
para el transporte de metabolitos a través de la membrana mitocondrial
(ADP, ATP. Pi…)
ΔGo’=-220.1 kJ/mol
Δ Go’=-nFΔEo’
½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O E’o=+0.82 v
NADH → NAD + + H+ + 2e- E’o=+0.32 v
½ O2 + NADH + H+ → H2O + NAD
La cadena respiratoria está formada por cuatro complejos: tres bombas de protones y una conexión física con el ciclo de Krebs
Los electrones fluyen por un gradiente de energía desde el NADH /FADH2 al O2.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cadena_de_transporte_de_electrones.svg
Complejo
enzimático
Masa (kDa) Subunidades Cofactor o grupo
prostético
Complejo I
NADH-Q
oxidorreductasa
> 900 46 FMN
Fe-S
Complejo II
succinato-Q
reductasa.
140 4 FAD
Fe-S
Complejo III
Q-citocromo c
oxidorreductasa
250 11 Hemo bH
Hemo bL
Hemo c1
Fe-S
Complejo IV
citocromo c oxidasa
160 13 Hemo a
Hemo a3
CuA y CuB
Puede existir también en forma de semiquinona, entonces puede transportar un electrón o dos
Las proteínas que contienen FMN se denominan flavoproteínas
Flavina mononucleótido (oxidado)
(FMN)
Flavina mononucleótido (reducido)
(FMNH2) Intermediario semiquinona
En Complejo I
Flavina mononucleótido (FMN)
Agrupaciones hierro-azufre
Cada una de estas agrupaciones puede llevar a cabo reacciones de oxido reducción
Los iones Fe alternan ente los estados Fe2+ (reducido) a Fe3+ (oxidado)
En Complejo I, II, III
Las proteínas que contienen Fe-S se denominan proteínas con hierro no hemo
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FdRedox.png
HEMO
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heme_b.svg
Los electrones se trasladan de un complejo hasta el siguiente mediante transportadores
electrónicos móviles
¿Cómo salen los electrones de los complejos?
La coenzima Q o ubiquinona (quinona ubicua en los sistemas biológicos)
En las quinonas, las reacciones de transferencia de electrones están acopladas
a la unión y liberación de protones, una propiedad clave a la hora
de transportar H+ a través de la membrana
Molécula orgánica hidrofóbica
que difunde con rapidez en la
membrana
Tres estados de oxidación
Q (ubiquinona) QH (semiquinona)
Q.- (ion radical semiquinona)
Forma reducida
QH2 ubiquinol
Los citocromos: el citocromo c es el móvil
proteínas pequeñas transportadoras de electrones
contiene grupos hemo
absorben la luz visible
El citocromo a y b en
cambio es
integral de membrana
El citocromo c
soluble
interacciona en forma
electrostática con la
superficie externa de la
membrana mitocondrial
interna
grupo hemo unido
covalentemente
sólo puede aceptar un
electrón http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cytochrome_c.png
La reacción global parece ser:
NADH + Q + 5H+matriz →NAD+QH2+4H+
espacio intermembrana
Los electrones de alto potencial del NADH entran en la cadena respiratoria por la NADH-Q oxidorreductasa (complejo I)
La Q reducida
(QH2 o ubiquinol)
abandona la enzima por el
interior hidrofóbico de la
membrana
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:NADH_Dehydrogenase_Electron_Carriers_Unlabeled.png
Espacio
intermembrana
Matriz
Complejo I 4H+
NADH NAD+
FMN
Fe-S
2e-
N-2
Q
QH2
2H+
El ubiquinol o QH2 es el punto de entrada para los electrones procedentes
del FADH2
La glicerol fosfato deshidrogenasa (oxidación de la hidroxiacetona fosfato)
La acil-CoA deshidrogenasa de ácidos grasos (oxidación de ácidos grasos)
transfieren de forma similar sus electrones de alto potencial desde el FADH2 a Q
para dar QH2
Estas enzimas tampoco bombean protones
los electrones del FADH2 producido en el Ciclo de Krebs entra son cedidos a la
quinona (Q) desde el complejo II (succinato-Q-reductasa)
La succinato deshidrogenasa del Ciclo de Krebs, forma parte del complejo II
Los electrones del FADH2 se transfieren a centros Fe-S y de allí a la Q para
formar QH2 (ubiquinol)
El complejo II NO bombea H+ (se forma menos ATP a partir de la oxidación de
de FADH2 que a partir de NADH)
Los electrones fluyen desde el ubiquinol (QH2) al citocromo c a través de la Q-citocromo c oxidoreductasa (complejo III)
Denominada también complejo citocromo reductasa y citocrobo bc1 reductasa
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Complex_III.png
El ciclo Q que ocurre en el complejo III canaliza los electrones desde un
transportador de dos electrones a uno de un electrón y bombea protones
Para ver el ciclo animado entrar al siguiente link
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Theqcycle.gif
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Complex_III_reaction-es.svg
QH2 + 2Cit coxid +2H+matriz → Q + 2 Cit cred + 4 H+
citoplasma
La citocromo c oxidasa (complejo IV o citocromo aa3) cataliza la reducción del oxígeno molecular a agua
4 Cyt cred + 8 H+matriz + O2 → 4 Cyt cox + 4 H+
especio interm. + 2 H2O
Cataliza la transferencia
de electrones desde la forma
reducida del citocromo c
al aceptor final
el oxígeno
La necesidad de O2 para
esta reacción es lo que hace
aeróbicos a los organismos aeróbicos
El cobre alterna entre la forma
Cu+ reducida (cuproso) y
la forma Cu2+ oxidado
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Complex_IV_pt.svg
Lanzadera de glicerol 3-fosfato
en cerebro y músculo esquelético
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:GPDH_shuttle.png
Matriz
Citoplasma
Glicerol-3-fosfato
Deshidrogenasa
citoplasmática
Glicerol
3-fosfato
Dihidroxiacetona
fosfato
Glicerol-3-fosfato
Deshidrogenasa
Mitocondrial
unida a la membrana
El ciclo de Krebs no es la fuente única del NADH mitocondrial NADH de la Oxidación de ácidos grasos en la mitocondria NADH de la glucólisis en el citoplasma → ¿cómo entra a la mitocondria?
Lanzadera aspartato malato
en corazón, hígado y riñones
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Malate-aspartate_shuttle.png
Los organismos anaerobios tienen una cadena de transporte electrónico modificada, adaptada a la utilización de otros aceptores
finales de electrones
Como el nitrato (ej. Pseudomonas) NO−3 → NO−2 → N2
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Respiration_nitrate.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pseudomonas.jpg
Los inhibidores de la cadena respiratoria permiten confirmar experimentalmente la secuencia de reacciones de
transferencia de electrones
Rotenona y amital
Antimicina A
CN-, N3-, CO