QUÍMICA BIOLÓGICA Lic. Cs. BIOLÓGICAS Prof. en BIOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA QUÍMICA BIOLÓGICA 2015

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.

Antes de profundizar……………. HAGAMOS UN DIAGNÓSTICO DE NUESTROS CONOCIMIENTOS PREVIOS….. ¿ QUÉ RECORDAMOS DE CURSOS ANTERIORES SOBRE CADENA RESPIRATORIA ?

HERRAMIENTAS PARA SU COMPRENSIÓN Antes de estudiar …… CADENA RESPIRATORIA Veremos …. HERRAMIENTAS PARA SU COMPRENSIÓN Concepto de Oxidación y Reducción: Oxidaciones biológicas Mitocondrias: estructura, función ATP: contenido energético

Oxidación y Reducción: Oxidaciones Biológicas Concepto de Oxidación y Reducción: Oxidaciones Biológicas

AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS O2 , GLÚCIDOS HETERÓTROFOS SOL FLUJO DEL MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIÓSFERA AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS CO2, H2O O2 , GLÚCIDOS HETERÓTROFOS

GLÚCIDOS LÍPIDOS PROTEÍNAS DEGRADACIÓN POR OXIDACIÓN (Vía Glicolítica, Ciclo de Krebs) TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS REDUCIDOS COENZIMAS (NADH, FADH2) TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ADP O2 ATP H2O TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS OXIDADOS COENZIMAS (NAD+, FAD)

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

OXIDACIÓN-REDUCCIÓN O2 + e- OXIDACIÓN - - H O2 - REDUCCIÓN e- + H +

LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN

POTENCIAL DE REDUCCIÓN POTENCIAL DE REDUCCIÓN (E) DE UN ELEMENTO, ION O COMPUESTO ES SU TENDENCIA A GANAR ELECTRONES FRENTE A OTRO ELEMENTO, ION O COMPUESTO REACCIÓN REDOX 2 Na + Cl2 2 NaCl HEMIRREACCIONES Oxidación 2 Na 2 Na+ + 2 e- Cl2 + 2 e- 2 Cl- Reducción

CUPLA REDOX La forma oxidada y reducida en cada hemirreacción constituyen un par o cupla redox Na+/Na , Cl/Cl- (Sentido de la reducción) E´o : Potencial de reducción Estándar: Se determina en comparación con el potencial de Hidrógeno = 0 A 25°C , concentración 1M, pH 7 en sistemas biológicos. E´o con: Signo positivo (+) : par redox con mayor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción Signo negativo (-): par redox con menor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción

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

EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS

Catalizan reacciones de óxido- reducción Ared + Box Aox + Bred OXIDORREDUCTASAS Catalizan reacciones de óxido- 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

DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES EN LA CELULA 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-) porta 2 e- AH2 + NAD+ → A + NADH + H+ 4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2 RCH2-OH

Representación esquemática de una oxidación biológica BH2 (RED) Sustrato H2 C (OX) H2O AH2 (RED) B (OX) CH2 (RED) Sox ½ O2 Energía E E E O2 S Escala de Potencial de Reducción E´o (-) E´o (+)

Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS) Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas (en la matriz mitocondrial) Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas H- AH2 + NAD+ A + NADH + H+ AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 (FMNH2) e- + H+

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

MITOCONDRIA ¿En qué sitio celular ocurre la Cadena Respiratoria? Microfotografía electrónica Esquema

Anatomía bioquímica de la Mitocondria Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO Cadena Respiratoria o Cadena de Transporte Electrónico: Grupos de moléculas aceptores de hidrógeno y/o e- (H y e- : “Equivalentes de Reducción”) dispuestos en la membrana mitocondrial interna. Los componentes actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción. Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2 producidos en la matriz. 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 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 determina la formación de un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

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

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

Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 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

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

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+

NIACINA O VITAMINA B3 RIBOFLAVINA O VITAMINA B2 │ │H Nicotinamida + NAD (NADP) FAD (FMN) Intervienen como cofactor enzimático en el metabolismo energético de macronutrientes

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

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

BIBLIOGRAFIA “Química Biológica”- Autor: Antonio blanco- Editorial El Ateneo-Reimpresión 8° edic.-2007 “Química Biológica”-Lehninger A. L., 4ª Edic. (2007) “Lo Esencial en metabolismo y Nutrición”-Cursos Crash de Mosby- Autor: Sarah Benyon-Ed. Harcourt Brace- 1°Ed. 1998