Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa.

Cadena de transporte electrónico (CTE) o Cadena Respiratoria. Componentes principales.

Fosforilación oxidativa (FO). Hipótesis quimiosmótica. Acoplamiento CTE-FO.

Inhibidores y desacoplantes.

Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico (CTE)

o Cadena Respiratoria (CR).

Enzimas deshidrogenasas: NAD+, FAD y FMN coenzimas

Coenzima Q óUbiquinona

Citocromos, transfieren e- , contienen Fe (Hemo)

Proteínas Fe sulfuradasFe-S (NO Hemo)

Los componentes se agrupan en Complejos I, II, III y IV, a

excepción del citocromo c y la Co. Q (NO complejos):

Complejo I

NAD DESHIDROGENASA

Complejo II

SUCCINATO DESHIDROGENASA

Complejo III

Ubiquinona-Citocromo c oxidoreductasa

Complejo II

CITOCROMO OXIDASA

Complejo I: NAD deshidrogenasa.

MH2

M

NAD+

NADH . H

FMNH2

FMN

Fe-S oxd

Fe-S red

Co.Q.H2

Co.Q

NADH . H+ + Co.Q NAD+ + Co.Q.H2

Bombea e- de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.Interviene una flavoproteína (FMN) que entrega e- a la Co.Q.

Participa una Proteína Fe-S.

Funcionamiento:

Complejo II: Succinato deshidrogenasa

FADH2 + Co.Q FAD + Co.QH2

Flavoproteína FAD reduce a la Co.Q.Participa una Proteína Fe-S

Funcionamiento:

Succinato

Fumarato

FAD

FADH2

Fe-S red

Fe-S oxd

Co.Q

Co.Q.H2

Complejo III: Ubiquinona-Citocromo c oxidoreductasa

Co.QH2 + Cit c Fe3+ Co.Q + Cit c Fe2+

Bombea H+ de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

Funcionamiento

Co.QH2

Co.Q

Cit b Fe3+

Cit b Fe2+

Cit c1 Fe2+

Cit c1 Fe3+

Cit c Fe3+

Cit c Fe2+

Complejo IV: Citocromo oxidasa

2 Cit aa3 Fe2+ + ½ O2 + 2H+ 2 Cit aa3Fe3+ + 2 H2O

Bombea H+ de la matríz mitocondrial al espacio intermembrana.

En resumen: Complejos I , III y IV: Bombeo de protones. Complejo II: No bombea protones.

Funcionamiento

Cit c Fe2+

Cit c Fe3+

Cit aa3Fe3+

Cit aa3 Fe2+

O2-

½ O2

½ O2 + 2H+ 2 H2O

Representación esquemática de la CTE o CR.

I

II

III IV

Cit c

UQ

M A T R I Z M I T O C O N D R I A LExiste un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana o membrana interna de la mitocondria. Válido para animales y vegetales, pero en estos últimos aparecen otros dos complejos que veremos más adelante.

E S P A C I O I N T E R M E M B R A N A

H+H+

H+

¿ Cómo se transportan los e- desde los sustratos reducidos hasta el O2 ?

Los sustratos se oxidan y entregan electrones a las deshidrogenasas (NAD ó FAD dependientes) y éstas entregan los electrones al Complejo I y II respectivamente, continuando a través de la coenzima Q (Co.Q), Complejo III, Citc , Complejo IV, reduciendo finalmente el O2 , con la correspondiente formación de H2O.

Observe la siguiente diapositiva.

Otra forma de representar la Cadena Respiratoria:

NADH FMN Ubiquinona Citb Cit c1

Complejo I

FAD

Succinato

Complejo II

Cit c

Cit aa3

O2

COMPLEJOIV

Complejo III

Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico (CTE) ó Cadena Respiratoria (CR) en las plantas.

Complejo V: NAD(P) deshidrogenasa externa. Para reoxidar los NAD(P) H exógenos.

Complejo VI: Oxidasa alternativa. Para la reducción del oxígeno cuando se limita el funcionamiento del Complejo IV, ya sea por inhibidores o condiciones de anoxia, éstas últimas pueden estar presente en los propios cultivos.

Hipótesis quimiosmótica (Mitchell,1961).

Como se aprecia en la diapositiva No. 8: La transferencia electrónica va acompañada del bombeo de

protones, lo que provoca un gradiente de pH. Aparece un gradiente de potencial electroquímico. La fuerza protón-motriz se utiliza para la síntesis de ATP

(ATP-asas), formadas por dos fracciones Fo y F1 .

¡La transferencia de e- es un proceso muy exergónico! NADH. H + O2 H2O + NAD+

Eo (v)NAD+/ NADH.H - 0,32

O2 / H2O + 0,82

AG= - nFдE = - (2)(96,5KJ/V mol) (1,14 V) = - 220 KJ / molLa liberación ocurre Escalonadamente.

Balance energético.

FADH2 + O2 H2O + FAD

Eo (v)

FAD / FADH2 - 0,11

O2 / H2O + 0,82

AG= - nFдE = - (2)(96,5KJ/V mol) (0,71 V) = - 137,03 KJ / molEn ambos casos, la energía liberada es suficiente para sintetizar ATP:ADP + Pi ATP + H2OAG = + 30,5 KJ / mol

Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP a expensas de la energía que se libera escalonadamente en la Cadena de transporte electrónico mitocondrial.

El ATP pertenece al grupo de los nucleótidos, por lo tanto esta compuesto por una base nitrogenada (adenina), una pentosa (ribosa) y un grupo fosfato ( tres radicales fosfato con enlaces de alta energía).

ATP significa Adenosina Tri Fosfato, o Trifosfato de Adenosina. Tómese en cuenta que fósforo se abrevia con la letra P.

Recuerde que la palabra fosfato significa que el fósforo está participando con carga de -5 (si fuera carga -3 sería fosfito). Vea el siguiente esquema del ATP:

Enlaces fosfatos del ATP Liberación de energía del

ATP: La energía almacenada en

los enlaces de fosfato se libera a través de un proceso catabólico.

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo donde una molécula compleja se transforma en otras más sencillas con liberación de energía (ATP).

El ATP al liberar su grupo fosfato tiende a transformarse en Adenosina di Fosfato o ADP.

ATP - ADP

De esta forma es que el ATP, libera energía transformándose en ADP + P + E°.Esta reacción es reversible, o sea el ATP del organismo se reconstituye a partir de ADP para almacenar la Energía.Usualmente el ATP se transforma en ADP para liberar energía,y el ADP en ATP para almacenar energía.Sin embargo bajo ciertas condiciones el ADP se transforma en AMP (Adenosina Mono Fosfato), liberando así un excedente de energía al romper el segundo enlace fosfato.

Orientación: Complete el siguiente esquema de la Cadena de transporte electrónico mitocondrial, destacándose los sitios de Fosforilación Oxidativa.

Descarboxilación del ácido pirúvico a Acetil CoA. Glucólisis aerobia.

La descarboxilación del ácido pirúvico con producción de acetil CoA es de gran importancia dentro del metabolismo de los glúcidos y su relación con otros procesos del organismo.

La reacción esta catalizada por el complejo enzimático conocido como pirúvico deshidrogenasa integrado por tres enzimas. La primera es la propia pirúvico deshidrogenasa que tiene a la tiamina como coenzima; la segunda la dihidrolipoil transacetilasa que trabaja con el ácido lipóico y la coenzima A, y la última llamada dihidrolipoil deshidrogenasa que oxida al ácido lipóico por medio del FAD que se mantiene firmemente unida a la enzima y que es oxidada finalmente por el NAD. Varias unidades de estas enzimas con sus respectivas coenzimas forman un complejo con una masa molecular por partícula de unos 7 millones.

Ciclo de Krebs. Antecedentes. Como paso obligado en el estudio del metabolismo celular corresponde

al análisis del destino del acetil CoA producido a partir de la descarboxilación del pirúvico proveniente de la glucólisis; de la degradación de varios aminoácidos y de la oxidación de los ácidos grasos.

En los animales superiores la única vía degradativa para el acetil CoA es su incorporación al Ciclo de Krebs donde es oxidado totalmente a CO2. Este ciclo de enorme significación dentro del metabolismo intermediario.

Conocido inicialmente como el ciclo del ácido cítrico y también como ciclo tricarbóxilico, hoy se acostumbra a usar el nombre de Ciclo de Krebs en homenaje al bioquímico alemán H . A. Krebs quien en 1937, a partir de una serie de experimentos realizados en suspensiones de músculos de paloma, integró y postuló la secuencia fundamental de la serie de reacciones cíclicas de esta vía metabólica, a la que él denominó "ciclo del ácido cítrico”, sentado las bases para un estudio más profundo sobre el tema.

Principales reacciones del Ciclo de Krebs.

Ácido

Antes de estudiar las reacciones propias del ciclo de Krebs debemos considerar el origen del compuesto encargado de iniciar el desarrollo del ciclo, nos referimos al ácido oxaloacético. El origen de éste ácido, en cantidades requeridas para mantener el normal funcionamiento del ciclo, corresponde a la carboxilación del ácido pirúvico por el pirúvico carboxilasa, enzima mitocondrial que cataliza la siguiente reacción:

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Balance energético Ciclo de Krebs:

La oxidación del radical acetil dentro del ciclo de Krebs a dos moléculas de C02, contribuye a la formación del ATP de una manera destacada. Si analizamos los diferentes pasos del ciclo podemos establecer el siguiente balance energético del mismo, teniendo en cuenta la producción de NADH2 que en la cadena respiratoria libera la energía requerida para la síntesis de 3 ATP y del FADH2 que produce dos ATP.

En resumen, el balance energético es el siguiente:

Deshidrogenación del isocítrico 3 ATP

Descarboxi¡ación oxidativa del cetoglutárico 3 ATP

Etapa del succinil CoA a succínico 1 ATP

Deshidrogenación del succínico 2 ATP

Deshidrogenación del málico 3 ATP

Total 12 ATP

il

Significación del Ciclo de Krebs

La propia existencia del ciclo, donde al conjugarse los productos finales de los glúcidos, lípidos y aminoácidos, se produce un mayor aprovechamiento de los mismos. La existencia de vías distintas para cada uno de estos provocaría una mayor complejidad y menor eficiencia del organismo.

La gran cantidad de energía que aporta el ciclo, el sistema del ciclo tricarbóxilico es uno de los principales suministradores de material reducido a la cadena respiratoria para la síntesis de ATP.

Varios compuestos del ciclo se utilizan como material para la síntesis de nuevas sustancias. Por ejemplo, a partir de los ácidos oxaloacético y cetoglutárico se originan por transaminación, los aminoácidos ácido aspártico y ácido glutámico respectivamente, que están muy relacionados con el ciclo de la urea.

Así mismo, para la síntesis del anillo porfirínico hace falta el succinil CoA. La utilización de los componentes del ciclo para estas reacciones permite sintetizar muchos productos de gran utilidad para el organismo.

Orientación: Analice en la siguiente tabla el balance general de la oxidación de la glucosa vía aeróbica.

F-1