CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA...

CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyN-INTI

Materia de Articulación CEBI_A4

Química Biológica

Docente a cargo:Marta Blanca Mazzetti

CEBI_A4_5b : Trasporte de electrones y fosforilación oxidativa

PROCESOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVASíntesis química de ATP

impulsada por el proceso exergónicode transferencia de electrones

desde el NADH al O2

FOTOFOSFORILACIÓNSíntesis química de ATP

impulsada por absorción de luz solar

Procesos transductores de energía más importantes en la biósfera

HETERÓTROFOS AUTÓTROFOS

SÍNTESIS DE ATP

Respiración Celular

Es el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis se desdobla a CO2 y H2O y se producen 30 ATP.

En las células eucariontes la respiración se realiza en la mitocondria.

RESPIRACIÓN CELULAR

Fase 1

Fase 2: Ciclo de Krebs

Fase 3: Cadena respiratoria yFosforilación oxidativa

Producción de Acetil-CoA

Oxidación de Acetil-CoA

Síntesis de ATP

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVAcomienza con la entrada de electrones

en la CADENA RESPIRATORIA

La fosforilación oxidativa, ocurre en lamitocondria, y se refiere a la síntesis

química de ATP (reacción endergónica)

impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones desde el

NADH al O2 (cadena respiratoria).

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

MitocondriaSitio subcelular donde ocurre la fosforilación oxidativa en

células eucariotas (1948)

Albert L. Lehninger1917-1986

• La membrana externa es permeable a pequeñas moléculas (PM < 5000 Da) e iones. Presencia de canales transmembrana

• La membrana interna es impermeable a la mayoría de moléculas e iones (H+, O2

-, etc). Las únicas moléculas que cruzan la membrana interna son aquellas para las que hay proteínas transportadoras específicas de metabolitos esenciales (ADP, ATP, ácidos carboxílicos, Ca2+, aminoácidos, etc.)

• La membrana interna aloja a las proteínas pertenecientes de los componentes de la cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP (ATP sintasa)

MitocondriaSitio subcelular donde ocurre la fosforilación oxidativa en

células eucariotas (1948)

La fosforilación oxidativa, ocurre en la mitocondria, y se refiere a la síntesis





• Consta de una serie de transportadores de electrones, la mayoría proteínas integrales de la membrana interna, con grupos prostéticos capaces de aceptar y/o ceder 1 ó 2 electrones

• Cada componente de la cadena, acepta electrones del transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en una secuencia específica

• Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES MITOCONDRIALO CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL

• Transferencia directa de electrones: par redox Fe3+/Fe2+

Fe2+ + Cu2+ � Fe3+ + Cu+

• Transferencia de átomos de hidrógeno: un protón (H+) y un e-

AH2 � A + 2 e- + 2 H+

• Transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Mientras una molécula de sustrato es oxidada (deshidrogenación), cediendo 2 átomos de hidrógeno, la formas oxidadas (NAD+ o NADP+) aceptan un hidruro (:H-; -un protón y 2 e-) transformándose en las formas reducidas (NADH o NADPH). El segundo H+ del sustrato se libera al medio.

NADP+ + 2 e- + 2 H+ � NADPH + H+

NAD+ + 2 e- + 2 H+ � NADH + H+

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Equivalente de reducciónTérmino utilizado para designar a un equivalente

electrónico simple (un electrón transferido) que participa en una reacción de oxidación-reducción, sin importar si este equivalente está en forma de electrón per sé, átomo de hidrógeno ó ión hidruro

• Transportadores universales de electrones- Nucleótidos de nicotinamida (NAD+ y NADP+) - Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)

• Otros grupos transportadores de electrones- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)- Citocromos- Hierro-sulfo

proteínas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Aceptores universales de electrones

Nucleótidos de nicotinamida

• NAD+ y NADP+ están compuestos por 2 nucleótidos unidos mediante sus grupos fosfatos

• NAD+ y NADP+ son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados reversiblemente a deshidrogenasas

La flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unido, a veces covalentemente. El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando FADH2 o FMNH2

Aceptores universales de electronesNucleótidos de flavinas

• Transportadores universales de electrones- Nucleótidos de nicotinamida (NAD+ y NADP+) - Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)

• Otros grupos transportadores de electrones- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)- Citocromos- Hierro-sulfo

proteínas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Otros grupos transportadores de electronesUbiquinona o Coenzima Q

• La reducción completa (UQH2) requiere 2 e- y 2 H+ y se produce en 2 pasos sucesivos

• La UQ puede aceptar 1 e-formándose radical semiquinona(UQH•)

• Capaz de actuar como unión entre un dador de 2 e- y un aceptor de 1 e-

• Debido a que es pequeña e hidrofóbica difunde a través de la membrana interna, actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana, menos móviles

Otros grupos transportadores de electronesCitocromos

• Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (cit. reducido) o Fe3+ (cit. oxidado)

• Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína, a diferencia de hemos de cit a y b

• El cit c mitocondrial es una proteína periférica (excepción), asociada a MI por interacciones electrostáticas

Hemo A(Citocromos tipo a)

Hemo C(Citocromos tipo c)

Fe protoporfirina IX(Citocromos tipo b)

Otros grupos transportadores de electronesHierro-sulfo proteínas

• En las hierro-sulfo proteínas, el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cysde 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

• Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-

Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial

Hemi-reacción Eo’ (mV)

NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+ - 320

FMN + 2H+ + 2e- → FMNH2 - 290

Fe3+-S-proteína (Complejo I) + 1e- → Fe2+-S-proteína - 270

Fumarato + 2H+ + 2e- → Succinato - 31

FAD + 2H+ + 2e- → FADH2 - 10

Fe3+-S-proteína (Complejo II) + 1e- → Fe2+-S-proteína 20

Ubiquinona + 2H+ + 2e- → Ubiquinol (UQH2) 50

Citocromo bk (Fe3+) + 1e- → Citocromo bk (Fe2+) 77

Citocromo bT (Fe3+) + 1e- → Citocromo bT (Fe2+) 190

Citocromo c1 (Fe3+) + 1e- → Citocromo c1 (Fe2+) 220

Citocromo c (Fe3+) + 1e- → Citocromo c (Fe2+) 254

Citocromo a (Fe3+) + 1e- → Citocromo a (Fe2+) 290

Citocromo a3 (Fe3+) + 1e- → Citocromo a3 (Fe2+) 550

½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O 816

Los electrones fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajo hacia los transportadores con Eo’ más elevado. En la tabla, los de más arriba reducen a los de mas abajo.

Los transportadores mitocondriales de electrones funcionan dentro de complejos proteicos

H2O

Malato

NAD FMN - (Fe-S)6

Glutamato

UQ

Succinato

(Fe-S)3

cit bK . cit bT (Fe-S) . cit c1 cit c cit aa3

O2

FAD

I

II

IIIIV

• Cada componente de la cadena, acepta electrones del transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en una secuencia específica


Complejos proteicos de la cadena respiratoria mitocondrial

pH = 7.0 Espacio intermembranas (Lado P)

pH = 7.8 Matriz (Lado N)

Reacciones de transferencia de electrones en los Complejos mitocondriales

Complejo I (NADH-Ubiquinona oxidoreductasa)

NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2 Eo’ = + 0.42 V

∆Go’ = -81 kJ/mol

Complejo II (Succinato- Ubiquinona oxidoreductasa)

FADH2 + Q → FAD + QH2 Eo’ = + 0.015 V

∆Go’ = -2.9 kJ/mol

Complejo III (Ubiquinona-citocromo c oxidoreductasa)

QH2 + 2 Fe3+(cit c) → Q + 2 Fe2+(cit c) + 2 H+ Eo’ = + 0.15 V

∆Go’ = -30 kJ/mol

Complejo IV (Citocromo oxidasa)

2 Fe2+(cit c) + 2 H+ + ½ O2 → 2 Fe3+(cit c) + H2O Eo’ = + 0.815 V

∆Go’ = -109 kJ/mol

LA TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ES UN PROCESO EXERGÓNICO

• En la cadena de transporte de e-, pasan 2 e- desde el NADH al O2

NADH + H+ + 1/2 O2 → H2O + NAD+

• La reacción neta es altamente exergónica

Teniendo en cuenta NAD+/NADH Eo’ = -0.320 V O2/H2O Eo’ = + 0.816 V

El cambio de energía libre:

∆Go’ = - n F ∆Eo’

∆Go’ = - 2 x 96500 x 1.14 V = - 220 kJ/mol NADH (cada 2e-)

• En mitocondrias respirando activamente, la relación NADH/NAD es mayor que 1, y el ∆G’ es mucho mayor (más negativo) que -220 kJ/mol

• Para el succinato ∆∆∆∆Go’ = - 150 kJ/mol

∆ Eo’ = 1.14 V

• La síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, es un proceso endergónico:

ADP + Pi → ATP + H2O ∆∆∆∆Go’ = 30.5 kJ/mol

• En condiciones fisiológicas, en eritrocitos[ATP] = 2.25 mM[ADP] = 0.25 mM y [Pi] = 1.65 mMA 25 oC, pH = 7.0 ∆∆∆∆G’ = 51.8 kJ/mol

En las condiciones celulares, la oxidación mitocondrial de NADH o de succinato libera una energía superior a la

necesaria para la síntesis de ATP.

La fosforilación oxidativa mitocondrial no plantea un problema termodinámico

LA SÍNTESIS DE ATP ES UN PROCESO ENDERGÓNICO

TRANSLOCACIÓN DE H+ ASOCIADA AL FLUJO DE ELECTRONES MITOCONDRIAL

pH = 6.9-7.0 Espacio intermembranas (Lado P)

pH = 7.5-7.8 Matriz (Lado N)

Por cada par de electrones 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 (Lado N), hacia el espacio intermembranas (Lado P)

NADH + 11 H+ (N) + 1/2 O2 →→→→ H2O + NAD+ + 10 H+

(P)

• La membrana mitocondrial interna separa 2 compartimientos de diferente pH, generando diferencias tanto en la concentración de H+ (∆pH) como en la distribución de cargas (∆ψ).

• El efecto neto de esta diferencia es la fuerza proto-motriz

FUERZA PROTO-MOTRIZGradiente electroquímico de H+

Potencial electroquímico para el H+

Para 10 H+ que translocan a través de la membrana

• Aproximadamente, 200 kJ/mol de los 220 kJ liberados por la oxidación de 1 mol de NADH son conservados en el gradiente electroquímico de H+ (fuerza proto-motriz)

• Cuando los H+ vuelvan espontáneamente a través de su gradiente electroquímico, hacia la matriz mitocondrial, la energía estará disponible para realizar trabajo

Potencial electroquímico para el H+

• La fuerza proto-motriz (∆∆∆∆p), expresa en mV (220-230 mV) el potencial electroquímico del H+ que es utilizado en la síntesis endergónica de ATP a partir de ADP y Pi

TEORÍA QUIMIOSMÓTICA MITOCONDRIAL(P. Mitchell, 1961)

Peter Mitchell1920-1992

The Nobel Prize in Chemistry 1978

"for his contribution to the understanding

of biological energy transfer through the

formulation of the chemiosmotic theory"

El gradiente electroquímico de protones a través de la membrana interna mitocondrial (fuerza proto-motriz)

es crucial para los procesos de transducción de energía y síntesis de ATP

La teoría quimiosmótica mitocondrialAcopla el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria y

la síntesis de ATP

La fuerza proto-motriz, lleva a la síntesis de ATP, como consecuencia del flujo pasivo de H+ hacia la matriz mitocondrial, a través de un poro de H+

(F0) asociado a la ATP sintasa (Complejo V)

ADP + Pi + nH+ (p) →→→→ ATP + H2O + nH+

(N)

Postulados de la teoría quimiosmótica mitocondrial(P. Mitchell, 1961)

• La membrana interna es impermeable a los H+

• El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranas

• Se conserva la energía de oxidación de los procesos metabólicos en forma de potencial electroquímico, ya que se genera un gradiente electroquímico de H+

• La cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP

• Las [H+] en las 2 fases acuosas (EIM y M) separadas por la membrana interna, constituyen la fuerza responsable (fuerza proto-motriz) de la formación de ATP: el flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la membrana mitocondrial.

• Se sintetizan 3 ATP por cada par de e- pasados al O2 si el dador es NADH, y 2 ATP por cada par de e- pasados al O2 si el dador es succinato.

Síntesis de ATP por ATP sintasa

John Walker

The Nobel Prize in Chemistry 1997

"for their elucidation of the enzymatic

mechanism underlying the synthesis of

adenosine triphosphate (ATP)"

Paul Boyer

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V

• Gran complejo enzimático, que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, acompañado del flujo de H+ desde el lado P al N

• Está formado por dos componentes:F1, una proteína periférica de membrana (α3β3γδε)Fo, una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12)

• Sub. c (de Fo) forman 2 círculos concéntricos

• La subunidad γ pasa a través del centro esférico α3β3

• Sub. γ y ε (de F1) se unen firmemente al anillo de sub. c.

F1

F0

Matriz

EIM

• Las translocación de H+ a través del poro Fo provoca que el cilindro de sub. c y la subunidad γ adjunta, roten alrededor del eje de γ

(perpendicular al plano de la membrana)

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V

ββββ-ADP ββββ-ATP ββββ-vacío⇔ ⇔Alta afinidad

por ATPBaja afinidad

por ATP

• El pasaje de H+ a través de Follevan a cambios conformacionalesde la subunidad β de la F1-ATPasa

• El proceso endergónico de rotación de la sub. γ es impulsado por el proceso exergónico de la translocación de H+ del lado P al N

F1-ATPasa = Rotor molecular

El acoplamiento no es químico, sino electroquímico y físico

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA se refiere a la síntesis química de ATP impulsada por el proceso exergónico de transferencia de

electrones desde el NADH al O2

RESUMEN

• Ocurre en la mitocondria

• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria

• Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluídos en la membrana interna mitocondrial. Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajo hacia los de Eo’ más elevado


• La transferencia mitocondrial de e- es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP

• El transporte de e- está asociado al transporte de H+ desde la matriz hacia el EIM (fuerza proto-motriz)

• El flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la energía libre para la síntesis de ATP, por acción de la ATP sintasa (rotor molecular)

LANZADERAS

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