Vamos a estudiar una reacción en la que juntaremos dos pares Redox en un recipiente : A oxi + e-A red B oxi + e-B red E 0´ = + 250 mV E 0´ = - 415 mV En.

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1 Vamos a estudiar una reacción en la que juntaremos dos pares Redox en un recipiente : A oxi + e-A red B oxi + e-B red E 0´ = + 250 mV E 0´ = - 415 mV En el primer par la forma oxidada tiene mucha afinidad por los electrones. En el segundo par la forma oxidada tiene poca afinidad por los electrones. Por lo tanto, si juntamos ambos pares en la misma cubeta en condiciones equimoleculares, la reacción se realizará en la dirección : A oxi + B red En que el par de menor potencial potencial Redox cede electrones al de mayor potencial A red + B oxi e-e- Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

2 A oxi + B red A red + B oxi La diferencia entre el potencial Redox de ambos pares nos indica la dirección y grado de espontaneidad de la reacción : Par A E 0´ = + 250 mV Par B E 0´ = - 415 mV  E 0´ = + 665 mV ¿ Como podemos expresar la espontaneidad de esta reacción en términos termodinámicos ?. Esto es, en términos de Variación de Energía libre Estandar Cuanto mayor ( y positiva ) sea la  E 0´ mas hacia la derecha estará desplazada esta reacción en el equilibrio.  Gº´ = - nF  º´ Cuanto mayor y más positiva es la diferencia de potencial Redox Estandar, menor y mas negativa es la Variación de Energía libre Estandar. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

3 La Ecuación de Nernst nos permite calcular Potencial de Oxidación-reducción de una reacción redox en condiciones reales conociendo las concentraciones de oxidantes y reductores : A oxi + B red A red + B oxi  Gº´ = - nF  º´  E =  Eº´ RT_ ____ nF Ln [A red ][ B oxi ] [A oxi ][ B red ] __________ Se pueden resumir las relaciones entre Variación de Energía libre y Potencial redox :  G = - nF 

4 acetato- + 3 H+ + 3 e- acetaldehido + H2O- 0,581 2 e- + 2 H+ 1/2 H2 - 0,421 acetoacetato- + 2 H+ + 2 e-  - hidroxibutirato- - 0,346 cistina + 2 H+ + 2 e- 2 cisteina - 0,340 NADP+ + H+ + 2 e- NADPH - 0,320 NAD+ + H+ + 2 e- NADH - 0,315I FMN + 2 H+ + 2 e- FMNH2 ( complejo I ) - 0,300I ácido lipoico + 2 H+ + 2 e- ácido dihidrolipoico- 0,290 S + 2 e- + 2 H+ SH2 - 0,230 FAD + 2 H+ + 2 e- FADH2 ( coenzima libre ) - 0,219 acetaldehido + 2 H+ + 2 e- etanol - 0,197 piruvato- + 2 H+ + 2 e- lactato- - 0,185 oxalacetato- + 2 H+ + 2 e- malato- - 0,166 (Fe-S)oxi N-2 + e- (Fe-S)red N-2 ( complejo I )- 0,030I fumarato- + 2 H+ + 2 e- succinato- + 0,031II FAD + 2 H+ + 2 e- FADH2 ( en D-AA oxidasa ) *0.00 ubiquinona + 2 H+ + 2 e- ubiquinol+ 0,045I,II - III citocromo b ( Fe+++ ) + e- citocromo b ( Fe++ ) ( mitoc. )+ 0,077III hemo c1 ( Fe+++ ) + e- hemo c1 ( Fe++ ) ( complejo III )+ 0,220III citocromo c ( Fe+++ ) + e- citocromo c ( Fe++ )+ 0,254III - IV citocromo a ( Fe+++ ) + e- citocromo a ( Fe++ )+ 0,290IV O2 + 2 e- + 2 H+ H2 O2+ 0, 295 hemo a3 ( Fe+++ ) + e- hemo a3 ( Fe++ ) (complejo IV )+ 0,385IV NO3- + 2 e- + 2 H+ NO2- + H2 O 0,420 SO42- + 2 e- + 2 H+ SO32- + 0,480 1/2 O2 + 2 e- + 2 H+ H2 O+ 0,815IV * El potencial Redox estandar del FAD / FADH2 cuando está unido al enzima covalentemente varía entre – 465 y +169 mV. NADH FADH 2 Succinato Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Las distancias no son proporcionales a las diferencias de potencial redox. e-e- ETF  -oxidación

5 Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones el donador inicial de electrones y el aceptor final de electrones : ComplejoDonadorE 0´ AceptorE 0´  E 0´  G 0´ INADH - 0,315 Ubiquinol + 0,045+ 0,360 IISuccinato + 0,031 Ubiquinol + 0,045+ 0,014 IIIUbiquinol + 0,045 Citocromo c + 0,254+ 0,209 IVCitocromo c + 0,254 ½ O 2 + 0,815+ 0,561 Total I - IVNADH - 0,315 ½ O 2 + 0,815+ 1,130 Total II - IVSuccinato + 0,031 ½ O 2 + 0,815+ 0,784 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

6 Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones el donador inicial de electrones y el aceptor final de electrones : ComplejoDonadorE 0´ AceptorE 0´  E 0´  G 0´ INADH - 0,315 Ubiquinol + 0,045+ 0,360 - 16.57 Kcal mol -1 IISuccinato + 0,031 Ubiquinol + 0,045+ 0,014 - 0.65 Kcal mol -1 IIIUbiquinol + 0,045 2 Citocromo c + 0,254+ 0,209 - 9.64 Kcal mol -1 IV2 Citocromo c + 0,254 ½ O 2 + 0,815+ 0,561 - 25.87 Kcal mol -1 Total I - IVNADH - 0,315 ½ O 2 + 0,815+ 1,130 - 52.12 Kcal mol -1 Total II - IVSuccinato + 0,031 ½ O 2 + 0,815+ 0,784 - 36.16 Kcal mol -1 Solo realizamos el cálculo cuando el número de electrones de los pares donador y aceptor es el mismo para el valor del potencial redox estandar dado en la tabla. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

7 La Variación de energía libre estandar en el proceso de transferencia de 2 electrones desde el NADH hasta el O 2 es aproximadamente - 52.12 Kcal mol -1 La Variación de energía libre estandar de la reacción de síntesis de ATP a partir de ADP y de P i es de + 7.33 Kcal mol-1 ¿ Cuantas moléculas de ATP se podrían sintetizar a partir de ADP y de P i si se aprovechase toda la energía de la transferencia de estos 2 electrones ? 52 / 7.33 = 7.11, la energía es suficiente para para producir 7 moléculas de ATP En la práctica se producen 3 moléculas de ATP. Por ello se dice frecuentemente que la eficiencia del proceso es de 3 x 100 / 7 = 43% ¿ Es verdad que el resto se “pierde” en forma de calor ?. Decir esto no sería exacto, puesto que las estimaciones que acabamos de realizar se han hecho utilizando valores de Variación de energía libre estandar, y por lo tanto no son las reales de la mitocondria. Únicamente deben tomarse como una aproximación al problema, y de ahí que hablemos de estimación mas que de cálculo. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

8 ¿ Como se produce la transferencia de energía desde la Cadena Transportadora de Electrones ( Complejos I, II, III y IV ) hasta el Complejo V ( F 0 F 1 ATP asa )?. Como ya hemos señalado anteriormente, la Cadena Transportadora de Electrones se comporta como un gran sistema de bombeo de protones, de tal forma que tres de los cuatro complejos ( I, III y IV ) se comportan como Bombas de protones. II III IV I cit C Q Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

9 II III IV I cit C Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Por cada 2 electrones transportados desde el NADH hasta el O2, se bombean 10 H + Lado P Lado N Cuatro de ellos son bombeados por el Complejo I H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid El Complejo III bombea 2 protones H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ El Complejo IV bombea 2 protones H+H+

10 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid II III I Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Lado P Lado N H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Q e-e- e-e- ¿ Como son bombeados los otros dos protones ? H+H+ H+H+ Q e-e- e-e- H+H+ H+H+ Q CICLO Q, sitios Q 0 y Q i

11 II III IV I cit C Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Lado P Lado N H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo I : Rotenona, Amital ROTENONA, AMITAL e-e- e-e- e-e- e-e- H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+

12 II III IV I cit C Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Lado P Lado N H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo II : Carboxina CARBOXINA e-e- e-e- e-e- e-e- H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+

13 II III IV I cit C Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Lado P Lado N H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo III : Antimicina ANTIMICINA e-e- e-e- e-e- e-e-

14 II III IV I cit C Q H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Lado P Lado N H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo IV : CN -, azida, CO CN -, AZIDA, CO e-e- e-e- e-e- e-e- H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+

15 II III IV I cit C H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ e-e- e-e- H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Q ½ O 2 H2OH2O H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ ATP ADP + P i H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ e-e- e-e- ¿ cuántas moléculas de ATP se forman por cada 2 electrones transportados desde el NADH hasta el O2 ? La Ratio P / O es la relación de entre el número de moléculas de ATP formadas ( y translocadas al citosol ) y el número de átomos de O utilizados. Su valor se fijaba en 3 para el NADH y 2 para el FADH2 ( Succinato ). Sin embargo, los aparatos utilizados actualmente permiten conocer que es de 2.5 y 1.5 respectivamente. También hay que considerar que en estos cálculos incluyen la translocación del ATP. Si no se considerase la translocación sería 10/3 y 6/3 respectivamente Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

16 Oligomicina y DCCD como inhibidores de la ATP Sintasa H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ ATP ADP + P i Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Oligomicina, DCCD H+H+ H+H+ H+H+

17 Agentes desacoplantes del Transporte de electrones y Fosforilación oxidativa. El Dinitrofenol. Las Proteínas UCP ( ej. Termogenina ). H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ ATP ADP + P i Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ HO- NO 2 - O- NO 2 - O- NO 2 H+H+ O- NO 2

18 Formación de superóxido Proteínas UCP ( termogenina ) UCP4 Sinónimos : Proteína 4 Desacoplante ( UCP4 ). Localización del gen : cromosoma 6 ( 6p11.2-q12 ).cromosoma 6 ( 6p11.2-q12 ). Secuencia del mRNA : NM_004277NM_004277 Secuencia de la proteína : NP_004268.1NP_004268.1 Otras características : Las proteínas desacoplantes ( UCP ) son miembros de la familia de proteínas transportadoras de aniones ( MACP ). Transportan aniones desde la matriz al espacio intermembrana mediante un sistema antiporte en que simultaneamente se transportan protones desde el espacio intermembrana a la matriz, con la consiguiente pérdida de potencial de membrana. Durante la transferencia de electrones en el Complejo IV hasta el O 2, se producen cantidades de superóxido y epóxido, que se caracterizan por ser radicales libres, y responsables del envejecimiento de la mitocondria. O2O2 O2-O2- O 2 2- e-e- e-e- Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid El enzima Superóxido Dismutasa ( SOD ) y la catalasa catalizan su neutralización mediante conversión sucesiva en H 2 O 2 y H 2 O