Blog para el intercambio de información http://quimicabiologicaunsl.wikispaces.com Área de Química Biológica - Universidad Nacional de San Luis Licenciatura en Bioquímica Farmacia Biología Molecular Ingeniería en Alimentos Analista Biológico Optativo en plantas Licenciatura en Nutrición Licenciatura en Química Licenciatura en Ciencias Biológicas - Prof. en Biología y Lic. en Biotecnología

PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN LIC. CS. BIOLÓGICAS – PROF. BIOLOGÍA – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN   BOLILLA 2: Transporte electrónico mitocondrial. Fosforilación oxidativa. Mitocondrias. Cadena respiratoria. Localización. Balance energético. Desacoplantes: proteínas desacopladoras. Inhibidores. Síntesis de ATP. Hipótesis quimiosmótica. Translocasas. Regulación de la fosforilación oxidativa. Oxidasa alternativa en vegetales. Luciferina-luciferasa. Transporte electrónico cloroplástico. Fotofosforilación y fotosíntesis. Proceso en plantas superiores. Reacciones luminosas. Captación de la energía luminosa. Cloroplastos y pigmentos. Transporte electrónico cíclico y no cíclico. Síntesis de ATP por fotofosforilación. Similitudes entre fosforilación oxidativa y fotofosforilación. Concepto unificador de la teoría quimiosmótica. Otros organismos fotosintetizadores. Sistema microsomal de transporte electrónico. Formación de compuestos oxígeno-reactivo. Radicales libres. Sistemas de protección.

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

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+

Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

COMPLEJO II Succinato-coenzima Q oxidorreductasa (E) 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

Es la Coenzima Q, una Benzoquinona liposoluble Posse una cadena lateral isoprenoide (R) Molécula pequeña que difunde a través de las membranas.

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

Estructura de los citocromos Hemo A (Citocromo a y a3) Estructura general de citocromo c y c1 Son proteínas con un grupo prostético hemo unido a Fe. Las mitocondrias poseen 3 tipos de Citocromos: a, b y c

Ciclo “Q” : Paso de electrones y protones a través del Complejo III Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Paso de los electrones por el Complejo IV Bombeo de H+ acoplado Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Cadena de Transporte de Electrones Feduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición

¿Qué reacciones proveen de NADH a la Cadena Respiratoria? Deshidrogenasas NAD dependientes Piruvato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa Malato deshidrogenasa a-cetoglutarato deshidrogenasa CICLO DE KREBS Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H Deshidrogenasas NAD dependientes Cadena Respiratoria

Oxidaciones en la Mitocondria: Aportes de NADH+H+ y FADH2

Transporte Electrónico mitocondrial ¿Qué tipo de proceso? El flujo de e- ocurre a favor del gradiente de Potencial de Reducción Es un proceso exergónico Transcurre con disminución de energía libre Neto posee un – DG Desde NADH+H hasta O2 y formar H2O : - 52,6 Kcal/mol ¿Se puede aprovechar esa Energía en otro proceso? ¿En formación de enlaces fosfato de alta energía?

Adenosina Trifosfato (ATP) Moléculas de alta energía Adenosina Trifosfato (ATP)

Energía de Hidrólisis de los Compuestos de elevada Energía Hidrólisis con eliminación de la repulsión de cargas Ionización Estabilización por resonancia Hidrólisis del ATP (- 7,3 Kcal/mol)

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (DG°´ + 7,3 Kcal/mol) ADP + Pi ATP + H2O (DG°´ - 7,3 Kcal/mol) La producción de ATP utilizando Energía liberada durante el Transporte de Electrones en la Cadena Respiratoria mitocondrial se denomina FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

¿Dónde ocurre la síntesis de ATP? COMPLEJO ATP sintasa F1 : 9 subunidades polipeptídicas: a3 b3 g d e y 3 sitios catalíticos Fo: Proteína integral , canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b2 y c12 Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química. El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobel al describir la ATP sintasa.

¿Cómo ocurre la síntesis de ATP ¿Cómo ocurre la síntesis de ATP? FOSFORILACIÓN OXIDATIVA La Cadena de Transporte de Electrones y la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica “LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES POSIBLE POR LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”

PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992) Hipótesis Quimiosmótica -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. -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.

ESPACIO INTERMEMBRANA SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA Traslocación de H+ acoplada al Transporte de electrones 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+

POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA Membrana mitocondrial impermeable a protones. Traslocación de H+ durante el transporte de electrones. Formación de un gradiente electroquímico (H+ y cargas positivas). Los protones acumulados en el espacio intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la membrana. El pasaje de los H+ a través de Fo activan la ATP sintasa.

Translocasa ADP-ATP y Transportador de Pi La energía del gradiente de protones se utiliza también para el transporte

Relación P/O en Cadena de Transporte Electrónico Experimento: Mitocondrias + Sustrato oxidable Consumo de Pi y O2 Sustrato oxidable + Deshidrogenasa NAD dep. NADH+H+ Sustrato oxidable + Deshidrogenasa FAD dep. FADH2 e- e- e- e- P/O = 2 /1 (1,5/1) P/O = 3/1 (2,5/1) P/O: Relación entre moléculas de P y átomos de O2 consumidos

Control respiratorio por el aceptor El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus actividades. El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP, respectivamente. Control respiratorio por el aceptor 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 y aumenta cuando se suministra ADP.

INHIBIDORES 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 Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la mitocondria

INHIBIDORES del TRANSPORTE ELECTRÓNICO Complejo III Complejo I Complejo IV El uso de inhibidores no solo ha ayudado a deducir la secuencia de la cadena respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos fármacos y venenos.

Inhibidores del Transporte Electrónico Compuesto Comentario Modo de Acción Rotenona Amital Insecticida Barbitúrico: induce el sueño Impiden la transferencia electrónica desde Fe-S a la CoQ Antimicina A Antibiótico Bloquea la transferencia electrónica desde cit. B a cit. c1 Cianuro Monóxido de carbono Inhiben la citocromo oxidasa

Inhibidores de la Fosforilación Compuesto Comentario Modo de acción Oligomicina Antibiótico Bloquea el flujo de protones a través de F0 .

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.

DESACOPLANTES Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones. Desacoplan la fosforilación del transporte electrónico O- 2,4 Dinitrofenol (DNP) + H+ Forma protonada que atraviesa la membrana

DESACOPLANTES Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. El 2,4-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria. Termogenina de la “grasa parda”

Problema 7) La “grasa parda” es un tipo de tejido adiposo que poseen los animales que hibernan y los niños, y que también está presente (aunque en baja proporción) en seres humanos adultos. Este tejido posee un alto contenido en mitocondrias (dándole una apariencia marrón), las cuales tienen una relación P/O menor que 1. a) ¿Qué papel fisiológico desempeñan las mitocondrias de este tejido? b) ¿Qué diferencias hay entre las mitocondrias de este tejido y las de otros tejidos?

Proteína TERMOGENINA: por mitocondrias desacopladas Generación de calor por mitocondrias desacopladas Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Oxidaciones mitocondriales alternativas en plantas Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Espata Espadice

Cadena de transporte electrónica alternativa en plantas - Papel fisiológico Producción de calor en algunas especies vegetales como por ej. Araceae species en un etapa anterior a la polinización para producción de compuestos aromáticos que atraen a los polinizadores. Es activa durante períodos de altas velocidades de oxidación de sustratos para evitar la producción de radicales libres.(Esqueletos carbonados C.Krebs) Es activa en situaciones de estrés (sequia, temperaturas extremas, tóxicos presentes en el suelo, falta de Pi, patógenos)( en estas situaciones disminuye la velocidad de la cadena respiratoria normal)

BIBLIOGRAFÍA “Química Biológica”-Lehninger A. L., Cap. 19, 4ª Edic. (2007) “Bioquímica” - Mathews Ch., Van Holde K.E., Ahern K. Cap 17: 665 – 699, 3ra Edic., Pearson Educ. S.A. (2002) “Fisiología Vegetal” – Taiz L., Zeiger E., Vol I , Cap 7, 3ra Edic., (2006)