Química III y Química Biológica FOSFORILACIÓN OXIDATIVA CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 2015

RESPIRACIÓN CELULAR Fase 1 Producción de Acetil-CoA Fase 2: Ciclo de Krebs Oxidación de Acetil-CoA Fase 3: Cadena respiratoria y Fosforilación oxidativa Síntesis de ATP La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA comienza con la entrada de electrones en la CADENA RESPIRATORIA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA La fosforilación oxidativa, ocurre en la mitocondria. Es la síntesis química de ATP (reacción endergónica) impulsada por la de transferencia de electrones desde el NADH al O2 (proceso exergónico).

Mitocondria Sitio subcelular donde ocurre la fosforilación oxidativa en células eucariotas La membrana externa es permeable a moléculas de PM inferior a 5000 Da y a iones. Presenta canales transmembrana compuestos por una familia de proteinas integrales de membrana llamadas porinas. La membrana interna es impermeable a la mayoría de iones y moléculas (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 los componentes de la cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP (ATP sintasa)

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES O CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL 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

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria 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- NAD+ + 2 e- + 2 H+  NADH + H+ NADP+ + 2 e- + 2 H+  NADPH + H+ 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.

Tipos de transferencia de electrones en la Equivalente de reducción cadena respiratoria Equivalente de reducción Término 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, átomo de hidrógeno ó ión hidruro

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria 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 - Proteínas Hierro-sulfuradas

Transportadores universales de electrones Nucleótidos de nicotinamida NAD+ y NADP+ están compuestos por 2 nucleótidos unidos mediante sus grupos fosfatos

Transportadores universales de electrones Nucleótidos de nicotinamida NAD+ y NADP+ son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados reversiblemente a deshidrogenasas. El NADH transporta electrones que provienen de las reacciones catabólicas a la cadena respiratoria. El NADPH suministra electrones a las reacciones anabólicas. Ni el NADH ni el NADPH pueden atravesar la membrana interna de la mitocondria, sin embargo, los electrones que transportan sí pueden hacerlo a través de lanzaderas.

Transportadores universales de electrones Nucleótidos de flavinas Las flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unidos, a veces covalentemente. La transferencia electrónica se da debido a que la flavoproteína tiene un potencial de reducción mayor que el del compuesto oxidado. El potencial de reducción estándar de un nucleótido de flavina depende de la proteína a la cual esté asociado. El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando FADH2 o FMNH2.

Transportadores universales de electrones Nucleótidos de flavinas

Otros grupos transportadores de electrones Ubiquinona 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 electrones Citocromos Hemo A (Citocromos tipo a) Fe protoporfirina IX (Citocromos tipo b) Hemo C (Citocromos tipo c) 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) El Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína mediante enlaces tioéter con Cys. El cit c mitocondrial es una proteína periférica (excepción), asociada a la membrana interna por interacciones electrostáticas

Otros grupos transportadores de electrones Proteínas Hierro-sulfuradas 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 Cys de 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

Los electrones fluyen espontáneamente desde los transportadores de Eo’ más bajos hacia los transportadores con Eo’ más elevados. 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 FAD (Fe-S)3 NAD FM - (Fe-S)6

Complejos proteicos de la cadena respiratoria mitocondrial Espacio intermembranas (Lado P) pH = 7.0 pH = 7.8 Matriz (Lado N)

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 que NAD+/NADH Eo’ = -0.320 V O2/H2O Eo’ = + 0.816 V Eo’ = + 1.14 V El cambio de energía libre: Go’ = - n F Eo’ Go’ = - 2 (96.5 kJ/V. mol)(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  Eo’ = 1.14 V

LA SÍNTESIS DE ATP ES UN PROCESO ENDERGÓNICO La síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, es un proceso endergónico: ADP + Pi  ATP + H2O DGo’ = 30.5 kJ/mol En condiciones fisiológicas, en eritrocitos [ATP] = 2.25 mM [ADP] = 0.25 mM y [Pi] = 1.65 mM A 25 oC, pH = 7.0 DG’ = 51.8 kJ/mol En las condiciones celulares, la oxidación mitocondrial de NADH libera una energía superior a la necesaria para la síntesis de ATP

TRANSLOCACIÓN DE H+ ASOCIADA AL FLUJO DE ELECTRONES MITOCONDRIAL Espacio intermembranas pH = 6.9-7.0 Matriz pH = 7.5-7.8 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, hacia el espacio intermembranas

Gradiente electroquímico de H+ FUERZA PROTON-MOTRIZ Gradiente electroquímico de H+ 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 (). El efecto neto de esta diferencia es la fuerza protón-motriz. 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 protón-motriz). Cuando los H+ vuelvan espontáneamente a través de su gradiente electroquímico, hacia la matriz mitocondrial, la energía estará disponible para realizar trabajo.

Teoría quimiosmótica Acopla el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria y la síntesis de ATP La fuerza protón-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+ (Fo) asociado a la ATP sintasa (Complejo V)

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 separadas por la membrana interna, constituyen la fuerza responsable 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.

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V Complejo enzimático, que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, acompañado del flujo de H+ Está formado por dos componentes: F1, una proteína periférica de membrana (33) Fo, una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12) F1 F0 Matriz EIM

ATP sintasa, ATPasa o Complejo V Las translocación de H+ a través del poro Fo provoca que el cilindro de sub. c y la subunidad  adjunta, roten alrededor del eje de g (perpendicular al plano de la membrana) El pasaje de H+ a través de Fo llevan a cambios conformacionales de la subunidad  de la F1-ATPasa El proceso endergónico de rotación de la sub.  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

Adenina nucleótido y fosfato translocasas La fuerza protón – motriz es responsable del transporte de ADP, Pi y ATP a través de la membrana

Lanzadera del malato aspartato En hígado, riñón y corazón

Regulación de las rutas productoras de ATP La fosforilación oxidativa está regulada por las necesidades energéticas celulares. Las concentraciones de ATP y ADP controlan la velocidad de transferencia electrónica, de la glucólisis, de la oxidación del piruvato y del ciclo de Krebs.