BOLILLA 2 ENZIMAS DE OXIDO REDUCCION: La oxidación en los sistemas biológicos. Oxidorreductasas: NAD y FAD Deshidrogenasas. Proteínas ferrosulfuradas. Coenzima Q, Citocromo, Citocromo Oxidasa TRANSPORTE ELECTRONICO- FOSFORILACION OXIDATIVA: Cadena Respiratoria. Complejos. Inhibidores y desacoplantes. Síntesis de ATP. Control Respiratorio Formación de productos de reducción parcial del oxígeno. Mecanismos de defensa contra las especies reactivas al oxígeno. OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE: Sistema Microsomal. Oxigenasas. Catalasas METABOLISMO DE XENOBIOTICOS: Fase I y II.

OXIDACIONES BIOLÓGICAS Hace 2000 millones de años, los procariotas (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera oxigenada. El oxígeno que producían como producto de deshecho de la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en el mundo vivo. 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.

La enorme diferencia de capacidad generadora de energía entre los organismos aerobios y anaerobios está directamente relacionada con las propiedades físicas y químicas del oxígeno. La primera de ellas es que el oxígeno se encuentra en toda la superficie de la tierra. La segunda es que el oxígeno difunde fácilmente a través de las membranas celulares, cosa que no ocurre con otros aceptores de electrones. Por último, la molécula de oxígeno es muy reactiva de modo que acepta fácilmente los electrones. Esto también se relaciona con otra propiedad del oxígeno que es su tendencia a formar metabolitos tóxicos.

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.

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).

El sustrato oxidado pierde 2 hidrógenos, uno es captado por el NAD reduciéndose y el otro aparece como H+ en el medio. Espectros de absorción  Formas Reducidas (340nm) Formas oxidadas (260nm)

Estas coenzimas derivan de la vitamina riboflavina. El anillo de isoaloxacina se reduce reversiblemente por la aceptación de 1 o 2 átomos de hidrógeno, que provienen de un sustrato reducido. Son cofactores que actúan como grupos prostéticos (unión fuerte) Reducidas  570 nm Oxidadas  450 nm

OTROS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES QUINONAS LIPOSOLUBLES  UBIQUINONA Y PLASTOQUINONA: transportan electrones ubicándose en el medio apolar de las membranas. PROTEÍNAS FERROSULFURADAS CITOCROMOS: poseen grupos prostéticos fuertemente unidos que experimentan oxidación y reducción reversibles.

Es la Coenzima Q, una Benzoquinona liposoluble Con una larga cadena lateral isoprenoide. Molécula pequeña que difunde a través de las membranas.

Participan en la transferencia de 1 e-por oxidación o reducción de los átomos de Fe.

Son proteínas con un grupo prostético hemo unido a Fe. Las mitocondrias poseen 3 tipos de Citocromos: a, b y c

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

En los organismos, los nutrientes son degradados para liberar la energía contenida en sus estructuras. Esta energía es capturada y transformada en un tipo de energía química que pueda ser utilizada por las células para la realización de trabajo. El modo de obtener energía de los organismos aerobios es fundamentalmente por medio de reacciones de oxidación en la que los nutrientes son degradados a CO2 y agua.

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 actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción. La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.

La cadena transportadora de electrones El NADH+H y el FADH2, obtenidos en el ciclo de Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria, donde pasan los electrones, de una molécula reducida a otra oxidada, hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular, que al reducirse formará agua.

Localización 30ATP 32ATP

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

Reacciones de la cadena de transporte de electrones Con excepción de la coenzima Q, todos los miembros de esta cadena son proteínas. Pueden funcionar como enzimas como en el caso de varias deshidrogenasas. Pueden contener hierro como parte de su centro hierro-azufre . Los citocromos a y a3 contienen cobre.

Componentes de la cadena respiratoria Transportadores de electrones -Coenzimas hidrosolubles: NAD+ coenzimas de las deshidrogenasas NADP+ FMN se unen covalentemente a flavoproteínas FAD (grupo prostético), transportan 2 e- y 2 H+ Quinonas: Coenzima Q – Ubiquinona, transportadores en medio no acuoso (membrana), transporta 1 e- y libera 2 H+ a la matriz Citocromos b, c, c1, a y a3 : proteínas con grupo prostético hemo, transportan 1 e- Proteínas ferro-sulfuradas: proteínas con Fe asociado a átomos de S, transfieren 1 e- por oxidación o reducción del Fe

Componentes de la Cadena de transporte electrónico 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 Complejo V (ATP sintasa)

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 2 el complejo IV. 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.

Flujo de electrones y protones a través de los cuatro complejos que forman la cadena respiratoria El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

INHIBICION DEL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Inhibidores del transporte electrónico Inhiben solamente el transporte de e- 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. Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones. Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la mitocondria

ACCIÓN DE INHIBIDORES

La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. Las observaciones sobre la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en un intermediario fosforilado de la reacción. En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica: “EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”

PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992) -Interesado inicialmente en la penicilina, a partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el almacenamiento de la energía en los seres vivos para ser posteriormente transportada a los puntos de utilización por medio de las moléculas de ATP. -Así la energía liberada por el traslado de electrones en la cadena respiratoria se conserva mediante la fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. -En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA OSMÓTICA.