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Tema 2: OxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreduccióóóóóóóónnnnnnnn biolbiolbiolbiolbiolbiolbiolbiolóóóóóóóógica gica gica gica gica gica gica gica
y fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilacióóóóóóóón oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativa
Oxido-reducción
OxidorreducciOxidorreduccióón bioln biolóógicagica
••Potencial de oxidoPotencial de oxido--reduccireduccióón y n y ∆∆ de energde energíía libre.a libre.
••Cadena respiratoria: composiciCadena respiratoria: composicióón y localizacin y localizacióón subcelularn subcelular
••FosforilaciFosforilacióón oxidativa: n oxidativa: teorteoríía a quimiosmquimiosmóóticatica
•• Acoplamiento y rendimiento energAcoplamiento y rendimiento energéético en la formacitico en la formacióón de ATPn de ATP
••ATPATP--sintasasintasa: estructura y funci: estructura y funcióónn
Tema 2: Oxidacción biológica de nutrientes ���� NADH + H+
�NADH transporta e- a la cadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoria��El transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de e-------- generagenerageneragenerageneragenerageneragenera gradiente de H + en la membrana��EsosEsosEsosEsosEsosEsosEsosEsos H+ activan a la ATP-sintasa (fosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacióóóóóóóón oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativa))))))))
Oxido-reducción
Objetivos de aprendizaje:
�Entender que la oxidación del NADH transcurre en múltiples pasosefectuada por tres complejos de proteínas transmembrana con varios grupos red-ox activos en cada uno.
�Comprender que la Coenzima Q y el citocromo c son transportadores móviles de e - entre los complejos proteícos.
�Comprender que los H+ son traslocados a través de la membrana mitocondrial por los complejos I, III y IV .
�Entender como la energía libre de la oxidación del NADH se conserva como un gradiente electroquímico de H +.
� APLICAR EL BALANCE: 2NADH + 2H+ + O2 ���� 4e- ���� 4 H2O
�Entender que la reducción de cada molécula de O 2 por los e- aportados por 2 NADH hasta formar 2 H2O , requiere 4 e- y produce la translocaciónde 20 H+ al espacio intermembranoso.
�Las células oxidan los nutrientes orgánicos para ge nerar ATP, necesario para su trabajo útil.�Perdida de electrones = Oxidación�Ganancia de electrones = Reducción
�El flujo de electrones en el metabolismo se canaliz a a través de intermediarios metabólicos y de transportadores (CO ENZIMAS REDOX) que convierten la energía del flujo de e- ( ∆ Eo) en energía química ( ∆ Go): ATP. �Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una f uente de electrones. Su degradación producirá NADH
OxidoOxido--reduccireduccióón bioln biolóógicagica
A A+ + e-
reducido oxidado
∆ Go
NADNAD++ NADHNADH
FADFAD FADHFADH22
∆ Eo
∆ Go
ATP
CO2
H2O
Reacciones de oxidaciReacciones de oxidacióón reduccin reduccióónn
A + B+ A+ + Boxidado reducidoreducido oxidado
A: pierde e-, se oxida
B: gana e-, se reduce
Reductor
Oxidante
A (red) A (ox) + e-
B (ox) + e- B (red)
Cu2+ + e- Cu+
Fe2+ Fe3+ + e-
Fe2+ (donador) / Fe3+ (aceptor) : par redox conjugado
Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+
NADH (donador) / NAD+ (aceptor) : par redox conjugado
Potencial de reducciPotencial de reduccióón: n: Eo
Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e -
H+ + e- ½ H2
� En condiciones estándar ( Eo ):
� En condiciones fisiológicas pH = 7 ( Eo´́́́ )
Eo = 0 V
25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M
Los e - fluyen desde las especies reductoras, con un E o´́́́ más electronegativo (- E º’)
a las especies oxidantes, con un E o´́́́ más electropositivo (+ E º’).
•Tendencia a adquirir e- > par estándar Eo´ + Mucha afinidad por e- ->OXIDANTE
•Tendencia a adquirir e- < par estándar Eo´ - Poca afinidad por e- ->REDUCTOR
Patrón o par estandar
Eo(H+/1/2H2) = 0,42 V
Potencial de reducciPotencial de reduccióón e n e ∆∆∆∆∆∆∆∆GG
E = Eo +RTnF
ln[aceptor electrones]
[donador de electrones]
n = nº de e- cedidos
F = cte de Faraday = 96,48 kJ/mol V
� El flujo de e - produce una energía libre ( ∆∆∆∆G ) capaz de realizar trabajo útil
� ∆∆∆∆Go ´́́́ es proporcional a ∆∆∆∆Eo´́́́
∆∆∆∆Eo´́́́ + ∆∆∆∆Go ´́́́ - Reacción espontánea
∆∆∆∆Go ´́́́ = - n F ∆ ∆ ∆ ∆Eo ´́́́ ∆∆∆∆G = - n F ∆ ∆ ∆ ∆E
Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+
Piruvato + 2H+ + 2e- Lactato
NADH - 2H+ - 2e- NAD+
Eo´ = -0,19 V
Eo´ = -0,32 V
∆∆∆∆Eo´́́́ = Eo
´́́́(aceptor e-) – Eo
´́́́(donador e-)
∆∆∆∆Go ´́́́ = - n F ∆ ∆ ∆ ∆Eo ´́́́
n = nº de e- cedidos = 2, F = 96,48 kJ/mol V
∆Eo´ = -0,19 – (-0,32) = 0,13 V
∆∆∆∆Go ´́́́ = -2 (96,5 kJ/mol V) (0,13 V) = -25,09 kJ/molLa reacción es espontánea en condiciones estándar: [ ]= 1M, 25ºC y pH 7
� Semirreacciones:
Piruvato acepta e- del NADH
Los potenciales de reducción estándar de los compue stos permitencalcular la ∆∆∆∆Gº de la reacción redox
Potencial de reducciPotencial de reduccióón e n e ∆∆∆∆∆∆∆∆GG
∆∆∆∆Eo´́́́ = Eo
´́́́(oxidante) – Eo
´́́́(reductor)
RespiraciRespiracióón n mitocondrialmitocondrial
• La fosforilación oxidativa consiste en la fosforilación del ADP hasta ATP por la ATP-sintasa, activada por los H+.• constituye la fuente más importante de ATP en los organismos aerobios
� Durante la transferencia de e- desde el NADH, o el FADH2 , hasta el O2 se genera un bombeo de H+ hacia el espacio intermembranoso, originando una fuerza protomotriz (H+-motriz) que activa a la ATP-sintasa.
� TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL:Se da en la membrana interna mitocondrial a través de una serie de transportadores de e- (componentes de la cadena respiratoria) que llevan los e- desde las coenzimas reducidas (NADH, FADH2) hasta el O2.
• Las células aeróbicas consumen O2 y lo reducen a H2O con los e- procedentes de la oxidación de nutrientes (NADH, FADH2).
MitocondriaMitocondriaLa fosforilación oxidativa se produce en la membran a interna de la mitocondria
La mitocondria posee dos membranas muy estructuradas, que rodean a la matriz.
Matriz� Interior mitocondrial donde tienen lugar el ciclo del ácido cítrico y la oxidación de los ácidos grasos, etc.
Membrana interna� Es impermeable a casi todos los iones, Se pliega en crestas� Contiene los componentes de la
cadena de transporte de e-� y la ATP sintasa
Membrana externa� Es bastante permeable a iones y
moléculas pequeñas
Crestas
Matriz
Membrana externa
Membrana interna
Espacio intermembrana
La oxidaciLa oxidacióón del NADH n del NADH se produce enla cadena respiratoria la cadena respiratoria mitocondrialmitocondrial
Formada porComplejos proteicos
� 1.- Transporte de electrones desde el NADH
� 2.- Transporte de electronesdesde el FADH2
• Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa
• Complejo IV: Citocromo c oxidasa
• Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa
• Complejo II: Succinato CoQreductasa
• Otros
Compuestos redox
Componentes de la cadena respiratoriaComponentes de la cadena respiratoria
� Quinonas: Transportadores en medio no acuoso (membr anas)
� Citocromos:
� Centros ferro-sulfurados
Proteínas con grupo prostético hemo
Proteínas con Fe asociado a átomos de S
Ubiquinona = Co Q = Q
� Coenzimas:
NAD+
NADP+
FMNFAD
Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas
UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético)
Transportadores de electrones
� algunos transportadores de e- están asociados a proteínas y forman lo que llamamos Complejos: I, II, III y IV
Coenzimas transportadoras de eCoenzimas transportadoras de e-- ::DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDADINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA
NAD+
(oxidado)
NADH(reducido)
Adenina
o
NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+
AH2 + NAD+ A + NADH + H+
� Coenzima de oxidorreductasas odeshidrogenasas
� Responsable entrada e- por el complejo I
NADH (coenzima soluble)
MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA yMONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA yDINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINADINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA
FMN y FAD (coenzimas NO solubles,ligadas a proteínas)
FMN
FAD
FADH.
(FMNH.)
(semiquinona)
FADH2 (FMNH2)(totalmente reducido)
Anillo de isoaloxazina
FAD + 2H+ + 2e- FADH2
FMN + 2H+ + 2e- FMNH2
� FMN presente en complejo I
� FADH2 entrada de e- por el complejo II
COENZIMA transportadora de eCOENZIMA transportadora de e -- ::
UbiquinonaUbiquinona, Coenzima Q, , Coenzima Q, CoQCoQ
� Lípido isoprenoide
� Difunde libremente por la membrana
� No está ligado a ninguna proteína
� Puede transferir 1 e- o 2 e-
Método: Extraible con isooctano
Ubiquinoa (Q)Totalmente oxidada
Radical SemiquinonaParcialmente oxidadoQHo
UbiquinolTotalmente reducidoQH2
Unidades de ISOPRENO
� Proteínas con un grupo hemo
� Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe (2+, 3+)
� Clasificación según su espectro de absorción: a, b, c
� Citocromos a y b están en LOS complejos III y IV� Citocromo c es una proteína soluble, se asocia con la membrana interna
ProteProte íínas con transportadores de enas con transportadores de e -- ::CitocromosCitocromos (HEMO)(HEMO)
ProteProteíínas con centros nas con centros ferroferro--sulfuradossulfurados
� Proteínas con Fe en forma NO HEMO sino asociado a átomos de S
� Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe
Fe-S 2Fe-2S 4Fe–4S
TRANSPORTE enTRANSPORTE enComplejo I:Complejo I:NADH NADH CoQCoQ reductasareductasa
Transfiere 2 e-desde el NADH hasta la CO Q,
pasando por FMN y por grupos ferosulfurados(Fe-S)
•• succinatosuccinato CoQCoQ reductasareductasa• Glicerol-3-P desHasa• Acil-CoA desHasa
Transfieren 2 e- desde diversos sustratos (succinato, glicerol-3-P, Acil-CoA) que son oxidados por estas enzimas, y los e- van
a través de FAD ypor grupos ferrosulfurados
hasta la CoQ
TRANSPORTE enTRANSPORTE enComplejo II:Complejo II:
TRANSPORTE en TRANSPORTE en Complejo III:Complejo III:CoQCoQ citcit c c reductasareductasa
Transfiere 2 e-desde la CO Q hasta el cit c,
pasando por los cit b y c1 y por grupos ferosulfurados
Los e- se transfieren aquíde 1 en 1
TRANSPORTE en TRANSPORTE en Complejo IV:Complejo IV:CitCit c c oxidasaoxidasa
Transfiere e- desde el citocromo c (4
viajes) hasta el O2,
pasando por dos grupos de Cu y por los citocromos a y a3.
Secuencia del transporte de eSecuencia del transporte de e-- en la cadena respiratoriaen la cadena respiratoria
NADH →→→→ FMNQ →→→→ cito b →→→→ cito c 1 →→→→ cito c →→→→ cito a →→→→ cito a 3 →→→→ O2
FADH2
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
FADH2
[ H+]
[ H+]
[ H+]
+0.82•½ O2 / H2O
+0.55•Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red)
+0.25•Citocromo C (ox) / Citocromo C (red)
+0.04•Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red)
-0.166Oxalacetato / L - malato
-0.16Acetaldehido / Etanol
-0.30
–0.18
•Flavoproteina -FMN (ox) / Flavoproteina -FMNH2 (red)
Piruvato / Lactato
-0.32•NAD+ / NADH + H+
E0‘REACCIÓN
Potenciales de reducciPotenciales de reduccióón de los pares n de los pares redred--oxox transportadores de etransportadores de e-- en la en la cadena respiratoriacadena respiratoria
DeterminaciDeterminacióón de la secuencian de la secuencia con con Inhibidores del transporte electrInhibidores del transporte electróónico nico
NADH →→→→ FMNCoQ →→→→ cit b →→→→ cit c 1 →→→→ cit c →→→→ cit a →→→→ cit a 3 →→→→ O2
FADH2
Rotenonabarbitúricos
Azida
Amital
Glycolysis
Sugars
TCA Cycle
Electron
Transport
Oxidative
Phosphorylation
Inhibidores del Inhibidores del T.E.MT.E.M..
Impiden el paso de e- a través de los transportadores respiratorios, interrumpiendo en consecuencia la forforilación oxidativa.
Rotenonainsecticida
TeorTeoríía a quimiosmquimiosmóóticatica de de MitchelMitchel: : Los Complejo I, III, y IV generan un gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que a ctiva la ATP sintasa
Potencial químico ∆pH
(dentro alcalino)
Síntesis de ATP guiada por la
fuerza H+-motriz )
Potencial eléctrico ∆ψ
(dentro negativo)
Mitocondria
Espacio intermembrana
FumaratoSuccinato
La FUERZA PROTÓN-MOTRIZ, en el espacio intermembranoso, tiene dos componentes
El gradiente de carga ����potencial eléctrico = ∆Ψ
El gradiente de [ H+ ] ����potencial químico = 2,3 RT ∆pH / F
Balance energBalance energéético en la cadena respiratoriatico en la cadena respiratoria
A) 2NADH ���� 4e- ����O2 ���� H2O
20 H+ ���� 6 ATP
B) 2 FADH2 ���� 4 e- ����O2 ���� H2O
12 H+ ���� 4 ATP
Agentes Agentes desacoplantesdesacoplantesDISIPAN LA FUERZA PROTDISIPAN LA FUERZA PROTÓÓNN--MOTRIZMOTRIZ y y desacoplan la fosforilacidesacoplan la fosforilacióón oxidativa del n oxidativa del TEM, TEM, por tanto bajan el rendimiento de la por tanto bajan el rendimiento de la ssííntesis de ATPntesis de ATP
Los agentes desacoplantes son sustancias que introducen H+ hacia el interior mitocondrial.
El p-DNF entra en las células en estado molecular y en el interior se disocia.
En el espacio intermembranoso (pHinferior) se protona y entra a la mitocondria, en el interior hay un pHsuperior y se disocia.
UCP1 o termogenina (adiposo pardo)Obesidad y Proteínas desacoplantes(UCPs)
La gramicidina A es un ionóforo
p-DNFp-dinitrofeno l
ATP ATP sintasasintasa: la : la subunidadsubunidad FF00 la ancla a la la ancla a la
membrana y la Fmembrana y la F11 en la matriz en la matriz mitocondrialmitocondrial
F1= αααα3 3 3 3 ββββ3 3 3 3 γ δ εγ δ εγ δ εγ δ ε
F0= a b2 c12
El anillo c gira con el paso de H+El giro de “ γεγεγεγε” provoca cambios conformacionales en las subunidades αβαβαβαβ
Mecanismo de actuaciMecanismo de actuacióónnde la ATP de la ATP sintasasintasa
Las 3 unidades ββββ de la ATP sintasano son equivalentes, la rotación de “ γγγγ−−−−εεεε” las cambia la conformación.
Según va girando el complejo por el paso de H+ las unidades ββββ cambian de conformación:L: une ADP y PiT: sintetiza ATPO: libera ATP
L
T
O
L
T
OL
T
O
Transportadores de iones a travTransportadores de iones a travéés de la s de la membrana internamembrana interna
El ATP sintetizado en el interior mitocondrial debe de exportarse al citoplasma para cumplir allí con las necesidades propias
-Esto se hace con un sistema antiporte : 1 ATP sale y 1ADP entra a refosforilarse
- Hay otro sistema simporte que importa Pi y H+
Espacio intermembranoso
DENTRO de la Matriz
Traslocasa de nucleotidos de adenina(antiporte)
Traslocasade fosfato(simporte)
ATP sintasa