QUÍMICA BIOLÓGICA- LIC. EN NUTRICIÓN TEMA 2 Cadena respiratoria. Ubicación celular. Componentes de la cadena respiratoria. Función. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP. Acción de Inhibidores: inhibidores de la fosforilación, inhibición del transporte electrónico. Desacoplantes. Control respiratorio. Otros sistemas de transporte electrónico: metabolismo de xenobióticos (Citocromo P450). Importancia de las vitaminas en el funcionamiento de estas vías.

Metabolismo El conjunto de las reacciones químicas que tienen lugar en el seno de los tejidos constituye el metabolismo. Estas reacciones pueden estar dirigidos a: Obtener energía y poder reductor de los alimentos. Degradar los compuestos ingresados en productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de tejidos y órganos.

Metabolismo Procesos degradativos: CATABOLISMO Procesos de biosíntesis: ANABOLISMO

VIAS METABÓLICAS Las transformaciones metabólicas se realizan a través de series de reacciones catalizadas por enzimas, ordenadas en una secuencia definida, llamadas VÍAS METABÓLICAS. Cada una de estas convierte un precursor o sustrato inicial en un producto final. Cada uno de los productos intermedios se denominan metabolitos.

VÍAS METABÓLICAS El sustrato inicial por acción de una enzima específica, se convierte en un producto que sirve de sustrato para otra enzima de la reacción siguiente y así sucesivamente, hasta llegar al producto final, en una SECUENCIA LINEAL. A B C D E a b c d

VÍAS METABÓLICAS Existen vías que incluyen puntos de ramificación: C D E A B P Q R B tiene dos vías alternativas. c d b a p q b´

VÍAS METABÓLICAS Cuando todas las reacciones de la vía son reversibles, el camino puede recorrerse en ambos sentidos: A B C D E Cuando una o más reacciones de la vía son irreversibles, el camino de vuelta debe realizar desvíos: S

VÍAS METABÓLICAS Existen transformaciones que ocurren en forma cíclica: la secuencia ordenada de reacciones termina regenerando el compuesto final.

VÍAS METABÓLICAS CICLOS INTERCONECTADOS REACCIONES EN CASCADA

VÍAS METABÓLICAS Vías catabólicas: sustrato inicial es reducido a un compuesto más simple. Reacciones oxidativas, exergónicas, con producción de ATP y NADH. Glucólisis, beta-oxidación. Vías anabólicas: formación de nuevos enlaces químicos. Reacciones endergónicas, con hidrólisis de ATP y NADPH como donante de equivalentes de reducción. Gluconeogénesis , síntesis de ácidos grasos. Vías anfibólicas: funcionan como anabólicas o catabólicas de acuerdo a las necesidades celulares. Ciclo de Krebs.

ETAPAS DEL CATABOLISMO

ETAPAS DEL ANABOLISMO

Principales reacciones que ocurren en el metabolismo: 1- reacciones de óxido-reducción. 2- formación o ruptura de enlaces C-C 3- reordenamientos internos, isomerizaciones, eliminaciones. 4-reacciones de transferencias de grupo. 5- reacciones de radicales libres.

Reordenamientos internos, isomerizaciones, eliminaciones Reacciones de óxido-reducción Reacciones de transferencias de grupo Formación o ruptura de enlaces C-C

Cómo utiliza la célula la energía almacenada en los compuestos? OXIDACIONES BIOLÓGICAS

Compuestos con uniones ricas en energía Hidratos de carbono GLUCOSA Compuestos con uniones ricas en energía OXIDACION Lípidos ACIDOS GRASOS NADH FADH2 ATP O2 Proteínas AMINOACIDOS

OXIDACIONES BIOLÓGICAS Los organismos aerobios modernos transforman la energía del enlace químico de las moléculas de alimentos, en energía del enlace del ATP empleando oxígeno como aceptor final de los electrones procedentes de los alimentos. La utilización de oxígeno por parte de los organismos aerobios proporciona enormes ventajas si los comparamos con formas de vida anaerobias, debido a que la oxidación aerobia de nutrientes tales como glucosa y ácidos grasos, proporciona una cantidad de energía sustancialmente mayor que la fermentación.

MECANISMOS DE SINTESIS DE ATP FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO FOSFORILACION OXIDATIVA HIDRÓLISIS DE UNA UNION DE ALTA ENERGIA CADENA RESPIRATORIA O2

ES EL PRINCIPAL INTERMEDIARIO DE ALTO CONTENIDO ENERGÉTICO

Compuestos con uniones ricas en energía

Desde el punto de vista químico OXIDACIÓN Ganancia de oxígeno Pérdida de electrones Pérdida de hidrógeno REDUCCIÓN Pérdida de oxígeno Ganancia de electrones Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos) Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la comprensión de la naturaleza de las oxidaciones biológicas. Químicamente la oxidación se define como la pérdida de electrones y la reducción como la ganancia de ellos. En consecuencia la oxidación está siempre acompañada por la reducción de un aceptor de electrones. Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la comprensión de la naturaleza de las oxidaciones biológicas. La vida de los animales superiores depende en forma absoluta del suministro de oxígeno. El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP

OXIDORREDUCTASAS EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS

Catalizan reacciones de oxido- reducción Ared + Box Aox + Bred Oxidorreductasas Catalizan reacciones de oxido- reducción Ared + Box Aox + Bred A : es el reductor o dador electrónico; en el curso de la reacción se oxida (pierde electrones) B : es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso de la reacción se reduce (gana electrones) En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

Estas reacciones son fuertemente exergónicas, en las cuales para evitar una liberación brusca de energía, no aprovechable por la célula, se libera en forma fraccionada. Potencial de reducción

DISTINTAS FORMAS EN QUE LA CELULA PUEDE TRANSFERIR ELECTRONES 1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++ Fe++ 2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno: (H+ + e-): AH2 + B A + BH2 3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-) AH2 + NAD+ → A + NADH + H+ 4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2 RCH2-OH

TRANSPORTADORES DE ELECTRONES En la mayoría de las reacciones de oxidación celular, los electrones son transportados por moléculas que se reducen en los procesos catabólicos Permitiendo así la conservación de la energía liberada por la oxidación de los sustratos.

ENZIMAS DESHIDROGENASAS Gran parte de los sustratos oxidados en el organismo sufren deshidrogenación. Las reacciones de deshidrogenación son catalizadas por las ENZIMAS DESHIDROGENASAS En estas reacciones el hidrógeno es captado por una coenzima. Las coenzimas pueden ser: - Nicotinamida (NAD o NADP) - Flavina (FAD o FMN).

NAD: Nicotinamida Adenina Dinucleótido Derivado del ácido nicotínico o vit B3. Otra forma es el NADP. Ambos (NAD y NADP) son sintetizados por la mayoría de los tejidos a partir del ácido nicotínico. FAD Y FMN: Flavin Adenina Dinucleótido y Flavin Mononucleótido. Derivados de la riboflavina o vit B2. Se sintetizan a partir de riboflavina en el enterocito. Buscar: fuentes de estas vitaminas, requerimientos, absorción y metabolización, avitaminosis

OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS) Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas AH2 + NAD+ A + NADH + H+

REACCION DE REDUCCION DE NAD+ .. H H + H+ │ R R │ │H + :H- (ion hidruro) Anillo de nicotinamida NAD OXIDADO NAD REDUCIDO

Deshidrogenasas ligadas a FAD ó a FMN AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 +(FMNH2) FMN FAD: tiene además un nucleótido de adenina unido al fosfato

FLAVINA R . H + - Anillo isoaloxacina R e- + H+ e- + H+ R H

Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR LA MITOCONDRIA FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Estructura mitocondrial impermeable para la mayoría de los compuestos

Destino de los equivalentes de reducción C. de Krebs Memb.interna Espacio intermemb. Memb.externa Crestas mitoc. Matriz

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO Los componentes de la cadena se encuentran en la membrana mitocondrial interna. Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2 producidos en la matriz. Los componentes se encuentran ordenados en orden creciente de sus potenciales de reducción. El aceptor final de electrones es el oxígeno. La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.

Potenciales de reducción estándar 2 H+ + 2 e- → H2 -0.42 V NAD+ + H+ + 2 e- → NADH -0.32 V S + 2 H+ + 2 e- → H2S -0.23 V FAD + 2 H+ + 2 e- → FADH2 -0.22 V Acetaldehído + 2 H+ + 2 e- → etanol -0.20 V Piruvato + 2 H+ + 2 e- → lactato -0.19 V Cu+ → Cu2+ + e- -0.16 V Citocromo b (Fe3+) + e- → citocromo b (Fe2+) + 0.075 V Citocromo c1 (Fe3+) + e- → citocromo c1 (Fe2+) + 0.22 V Citocromo c (Fe3+) + e- → citocromo c (Fe2+) + 0.235 V Citocromo a (Fe3+) + e- → citocromo a (Fe2+) + 0.29 V Fe3+ + e- → Fe2+ + 0.77 V ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O + 0.82 V

COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO FLAVOPROTEINAS: FMN ó FAD: Transportan 2 e- y 2 H+ PROTEINAS FERROSULFURADAS: transportan e- (Fe+++ Fe++) COENZIMA Q ó UBIQUINONA: Quinona isoprenoide no proteica. Transporta 1 e- y libera 2 H+ a la matriz. CITOCROMOS b, c, c1, a, a3: Proteínas que contienen un grupo hemo. Transportan 1 e-

Estructura de los citocromos Hemo A (Citocromo a y a3) Estructura general de citocromo c y c1

Complejos de la Cadena de transporte electrónico-Citocromo c Complejo enzimático Grupos prostéticos Complejo I (NADH deshidrogenasa) FMN, FeS Complejo II(succinato deshidrogenasa) FAD,FeS Complejo III (citocromo bc1) Hemo, FeS Citocromo c Hemo Complejo IV (citocromo oxidasa) Hemo, Cu

Ordenamiento de los componentes de la cadena respiratoria

H2O Fumarato FAD e- Succinato NADH e- II Fe-S e- NAD+ FMN I III Cit.c Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA FAD Fe-S II e- NADH FMN Fe-S I NAD+ e- Succinato e- Fe-S Fe III Coenzima Q Fe Cit.c Complejo I NADH UBIQUINONA REDUCTASA Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 Fe/Cu O2 IV Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Cit.a Cit a3 Complejo IV CITOCROMO OXIDASA H2O

REACCIONES DEL COMPLEJO I NADH + H+ NAD+ + 2 e- + H+ (Eo= - 0,32 V) FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH2 (Eo= - 0,22 V) NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+

Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoria Piruvato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa Malato deshidrogenasa a-cetoglutarato deshidrogenasa Oxidación de glucosa CICLO DE KREBS Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H Cadena Respiratoria

Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

COMPLEJO II Succinato-coenzima Q oxidorreductasa Coenzima: FAD Proteínas ferrosulfuradas Transfiere equivalentes de reducción desde succinato a la coenzima Q Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2 E-FADH2 + Prot-Fe+++ E-FAD + Prot-Fe++ Prot-Fe++ + CoQ Prot-Fe+++ + CoQH2

CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2 ½ O2 + H+ CoQH2 Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Cit. b566 Cit. b562 Cit. c1 Cit. c Cit. a.a3 Fe-S CoQ H2O Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Complejo III Complejo IV

En resumen La cadena de transporte electrónica transfiere electrones desde los equivalentes de reducción proveniente de la oxidación hasta el oxígeno. Está formada por complejos ordenados de menor a mayor potencial de reducción. Está compuesta por enzimas, proteínas ferrosulfuradas, citocromos que contienen hierro o cobre, ubiquinona (componente no proteico). Necesita de enzimas deshidrogenasas ligadas a NAD o FAD como dadores de equivalentes de reducción.

Esto constituye un gradiente de protones La Cadena de Transporte de Electrones comprende dos procesos: 1.- Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportadoras a otro. 2. Los protones son translocados a través de la membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana de la mitocondria. Esto constituye un gradiente de protones El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

La transferencia de electrones desde el NADH a través de la cadena respiratoria hasta el O2 es un proceso altamente exergónico. La mayor parte de esa energía se emplea para bombear protones fuera de la matriz. Por cada par de electrones transferidos al O2  los complejos I y III bombean 4 H+ y el complejo IV bombea 2 H+ . El complejo II no transfiere H+ ya que no atraviesa la membrana interna como los demás. Así esta energía electroquímica generada por el gradiente protónico impulsa la síntesis de ATP.

SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA H+ MATRIZ ESPACIO INTERMEMBRANA H+ H+ e- e- e- e- H+ H+ H+ H+ H+ H+ 3 ATP

H+ H+ H+ e- e- e- 2 ATP H+ H+ H+

TRANSLOCACIÓN DE PROTONES Y SÍNTESIS DE ATP Espacio intermembrana Translocasa de nucleótidos de adenina (contratransporte) ATP SINTASA Translocasa fosfato protón (cotransporte) 31

POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA Membrana mitocondrial impermeable a protones Expulsión de H+ al espacio intermembrana durante el transporte de electrones Formación de un gradiente electroquímico (H+ y cargas positivas) El pasaje de los H+ a través de Fo activan la ATP sintasa

Rendimiento de la fosforilación oxidativa Cada 3 H+ que se translocan, la ATP-sintasa produce una molécula de ATP. El transporte de Pi, ADP y ATP requiere de un H+ Por NADH se bombean 10 H+: 10/4: 2,5 ATP/NADH. Por FADH se bombean 6H+: 6/4: 1,5 ATP/FADH. Para simplificar se utilizan 3 y 2 ATP respectivamente.

CONTROL RESPIRATORIO Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay una concentración suficiente de ADP y Pi. Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de oxígeno. Cuando se suministra ADP aumenta el consumo de oxígeno.

INHIBIDORES Inhibidores del transporte electrónico Inhiben el transporte de e- y como consecuencia la síntesis de ATP. Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente el transporte de e- Desacoplantes Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el transporte de electrones Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la mitocondria

Sitios de bloqueo por inhibidores Los componentes anteriores al sitio de bloqueo permanecen reducidos y los posteriores oxidados. No hay transporte electrónico, por lo que no hay bombeo de protones hacia el espacio intermembrana, no se forma el gradiente electroquímico y no hay síntesis de ATP.

INHIBIDORES DE LA FOSFORILACIÓN Oligomicina: Bloquea el flujo de protones a través de Fo. Se inhibe la síntesis de ATP Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.

ESPACIO INTERMEMBRANA H+ H+ MATRIZ ESPACIO INTERMEMBRANA H+ e- OLIGOMICINA H+ H+ H+

DESACOPLANTES Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones. O- 2,4 Dinitrofenol (DNF) + H+ Forma protonada que atraviesa la membrana TERMOGENINA: proteína desacoplante de la grasa parda. Importante para el mantenimiento de la temperatura corporal en recién nacido

ACCIÓN DE DESACOPLANTES: DNF MATRIZ ESPACIO INTERMEMBRANA H+ H+ H+ DNF e- H+ H+ H+ La energía liberada por el transporte electrónico se pierde como calor

termogenina CALOR Espacio intermembrana Matriz mitocondrial

Relación P/O Mitocondrias + sustrato oxidable. Consumo de Pi y O2 Sustrato oxidable + deshidrogenasa NAD dependiente: NADH + H+ Sustrato oxidable + deshidrogenasa FAD dependiente: FADH Cadena respiratoria P/O= 3/1 Cadena respiratoria P/O= 2/1

Relación P/O en presencia de Inhibidores c/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I P/O = 0 e- e- e- (Q al O2) Sustrato: NADH e- e- e- P/O = 3/1 Sin Inhibidor Sin Inhibidor c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II e- e- e- P/O = 3/1 C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES P/O = 0/1 e- e- e- e- e- e- e- e- e- (Q al O2)

Sustrato: FADH2 P/O = 2 P/O = 0 P/O = 2 P/O = 0 c/Inh. del COMPLEJO I e- e- e- (Q al O2) e- e- e- Sin Inhibidor Sin Inhibidor P/O = 0 c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II e- e- e- (Q al O2) P/O = 2 C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES P/O = 0 e- e- e- e- e- e- e- e- e- (Q al O2)

Otros sistemas de transporte electrónico Metabolismo de xenobióticos

Localización: Microsomas y peroxisomas OXIDASAS Y OXIGENASAS Localización: Microsomas y peroxisomas No asociados a la producción de ATP Usan O2 como sustrato OXIDASAS OXIGENASAS No incorporan O2 Incorporan un átomo del O2 MONOXIGENASAS DIOXIGENASAS Incorporan los 2 átomos del O2

MONOOXIGENASAS u OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA ó HIDROXILASAS AH + BH2 + O=O A-OH + B + H2O Sustrato principal NADH, NADPH, FMNH2, FADH2, BH4 Co-Sustrato 1 O se incorpora al sustrato y el otro O forma agua CITOCROMO P-450 Hidroxilación de esteroides Hidroxilación de fármacos Hidroxilación de xenobióticos CITOCROMO b5 Desaturación de ácidos grasos

Esquema de reacción donde interviene un Citocromo P450 H2O Sustrato Sustrato hidroxilado CytP450 (red) CytP450 (oxid) RH NADPH Reducido Oxidado Citocromo P-450 Reductasa (Fe-S) Citocromo P-450 reducido O2 NADP+ H2O Reducido ROH Oxidado