T3 - Fosforilación Oxidativa y Cadena de Transporte de Electrones _ Hard

Tema 3: Fosforilación Oxidativa

• El tema central es la fosforilación oxidativa.
• Peter Mitchell (1921-1992) recibió el Premio Nobel de Química en 1973 por su trabajo en el intercambio de energía biológica a través de la teoría quimiosmótica.

Necesidades energéticas diarias

• Un varón sedentario de 70 kg necesita 2000 Kcal, equivalentes a 83 kg de ATP por día, aunque el cuerpo solo almacena 250 g de ATP.
• El ATP se sintetiza constantemente a través de la fosforilación oxidativa.
• La fosforilación oxidativa requiere la ATP sintasa.

Fosforilación oxidativa

• La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía en organismos aerobios, ocurriendo en las mitocondrias.
• La teoría quimiosmótica (1961) establece que las diferencias transmembrana de la concentración de H+ ([H+]) son el reservorio de la energía obtenida a partir de las reacciones biológicas de oxidación.
• Los procesos acoplados de la fosforilación oxidativa incluyen el flujo de electrones, el transporte de protones, y el flujo de protones a favor de su gradiente a través de canales proteicos específicos para sintetizar ATP.

Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa

• La transferencia de electrones en la fosforilación oxidativa se divide en dos componentes principales: la cadena de transporte de electrones (CTE) y el acoplamiento quimiosmótico ("quimiosmosis").
• El esquema también detalla el flujo de electrones, el transporte de H+, y la contribución de NADH y FADH2 en la generación de ATP.

Procedencia de los electrones

• Los electrones provienen de vías catabólicas, donde NADH y NADP se convierten en NAD+ y NADPH, respectivamente, y FAD y FMN se convierten en FADH₂ y FMNH₂.
• Las vías anabólicas utilizan NADPH + H+ y FADH₂ para la Cadena respiratoria.

Cadena transportadora de electrones

• En la cadena respiratoria, un dador electrónico primario (NADH, succinato) transfiere electrones a flavoproteínas, ubiquinona, proteínas Fe-S y citocromos, lo que resulta en la reducción de O₂.
• Los transportadores supramacromoleculares (complejos) están organizados en cuatro complejos: I, II, III, y IV
• El NADH se relaciona con el Complejo I, el Succinato con el Complejo II y el Cyt c se encuentra entre el Complejo III y IV. Y el O2 se produce después del complejo IV

Potenciales redox en la cadena respiratoria

• Los grupos prostéticos de cada componente tienen diferentes potenciales redox (Eº'), indicando su tendencia a liberar electrones.
• Los electrones tienden a fluir desde portadores con Eº' bajos a portadores con Eº' altos, facilitando la transferencia de electrones a lo largo de la cadena respiratoria.

Componentes y función de la membrana mitocondrial

• La CTE consta de cuatro transportadores ubicados uno al lado del otro (Complejos I-IV), además de la ATP sintasa y la ADP-ATP translocasa, todos ubicados en la membrana mitocondrial interna (MMI).
• La membrana mitocondrial externa (MME) permite el paso de moléculas pequeñas (iones) gracias a las porinas.
• La MMI es impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas (iones, H+), y solo moléculas con transportadores específicos pueden cruzarla.
• La matriz contiene el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH), enzimas del ciclo de Krebs, ADN, ribosomas, ATP y ADP.

Centros ferro-sulfurados

• Los centros ferro-sulfurados son proteínas que participan en transferencias de un electrón.
• Ocurre con átomos de S inorgánico y/o residuos de Cys de la proteína. A la hora de transferir átomos pueden oxidarse o reducirse.

Citocromos

• Los citocromos son proteínas que llevan un grupo hemo asociado con un átomo de hierro (Fe).
• Hay tres clases: a, b y c.
• El potencial de reducción estándar del átomo de Fe es diferente para cada citocromo, con un potencial creciente de a a c.
• Los citocromos a y b forman parte de complejos, mientras que el citocromo c es una proteína soluble asociada a la parte externa de la MMI.

Espacio intermembrana y transporte de protones

• Los electrones fluyen a través de complejos, transportando H+ a favor de un gradiente.
• La energía liberada se utiliza para la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa.

Ubiquinona - Coenzima Q - Q

• Lípido isoprenoide
• Puede presentar tres estados de oxidación.
• Actúa como puente entre un dador de 2e⁻ y un aceptor de 1 e⁻.
• Facilita el acoplamiento del flujo electrónico al movimiento de protones.

Transferencias de electrones y energía

• Las transferencias de electrones que ocurren en la CTE son exergónicas.
• Esto ocurre porque van a favor de una diferencia de potencial de reducción.

Detalles de la Catálisis rotacional

• Cataliza tres tipos de reacciones: - Une ADP + P,
• Cataliza la síntesis de ATP
• Libera el ATP

Ruta de electrones y fosforilación

• Los electrones se transfieren a flavoproteínas y luego a la ubiquinona mediante la oxidación de glicerol 3-fosfato o acil graso-CoA.

Cadena respiratoria y fosforilación

• Flavoproteínas, FAD, Fe-S centers o cytochrome participan en la Cadena respiratoria
• La coenzima Q - citocromo c oxidorreductasa pasa por los complejos I,II,III o IV.
• A partir de la glucólisis se pasa por Flavoproteína 1, Flavoproteína 2, Flavoproteína 3y Flavoproteína 4

Bombeo de Protones y Gradiente

• En los complejos I, II y IV, la energía liberada durante los saltos de electrones es suficiente para bombear protones al espacio intermembrana
• Se forma un gradiente de protones.

Síntesis de ATP y Modelo Quimiosmótico

• El modelo quimiosmótico impulsa la síntesis de ATP gracias a la ATP sintasa, donde ADP + P; + nH+p → ATP + H2O + nH+N.
• El componente clave es el acoplamiento entre la oxidación y la fosforilación

Transferencia de Electrones y Bombeo de Protones

• La transferencia de dos electrones desde NADH al oxígeno molecular libera energía, indicada por un ∆G'° de -220 kJ/mol.
• La mayor parte de esta energía se utiliza para bombear protones desde la matriz.
• Por cada par de e- transferidos a O2 el complejo I bombea 4 H+, el complejo III 4 H+ y el complejo IV 2 H+.
• La reacción es: NADH + 11 H+N + ½ O2 → NAD+ + 10 H+P + H2O

Fuerza Protón-Motriz

• La fuerza protón-motriz resulta de la energía química potencial y la energía eléctrica potencial.
• Al bombear protones, los sitios I, III y complejo IV bombea protones.
• Se almacenan unos 200 kJ de los 220 kJ liberados

ATP Sintasa y Síntesis de ATP

• F1 es la ""unidad catalítica"" orientada hacia la matriz y no rota!
• Υε=tallo central de estructura
• Formada por 3 dímeros αβ intercalados en anillo hexámerico
• Tienen centro activo para la síntesis de ATP
• Pueden presentar 3 conformaciones alternativamente
• FOunidad bombeadora de H+ en la MMI

Subunidad Catalítica de la ATP Sintasa

• Los principales componentes de la síntesis de ATP
• α y β alternadas en anillo hexámerico
• miembros de la familia de NTPasas
• une nucleótidos (β participa en la catálisis)
• Υ γ ε forman el tallo central de la estructura.
• rompe la simetría del hexámero ((cada subunidad B adopta diferente conformación debido a su interacción con y).

ATP Sintasa: Rotación del Anillo c

• La subunidad a permite la entrada de protones para atravesar la membrana
• Cada protón entra por el semiconducto citosólico, sigue por el anillo c y sale por el otro

Catálisis rotacional

• En la síntesis de ATP, la energía liberada por la rotación de Υ acoplada al flujo de protones a través de la subunidad a, se utiliza para impulsar la síntesis de ATP.
• Se bombardea protones en cada rotación

Detalles de la Catálisis rotacional

• Por cada rotación de 120º de γ:
• Se requiere el bombeo de 3H+
• liberación de 1 ATP y unión de un nuevo ADP+Pi
• En cada rotación completa:
• Se sintetizan 3 ATP
• Se bombean 9 H+

Producción mitocondrial de ROS (Reactive oxygen species)

• Los radicales libres son átomos o moléculas que presentan al menos un electrón desapareado en su orbital más externo
• Los radicales libres de oxígeno (ROS) producidos en los sistemas biológicos proceden del metabolismo del oxígeno
• Radicales libres son: O2, H2O2, OH

Daño y función de los ROS

• Los ROS causan daño oxidativo a macromoléculas como ácidos nucleicos, lípidos y proteínas, y están relacionados con envejecimiento y enfermedades (enfisema, Parkinson, hígado alcohólico)
• También tienen un papel fisiológico en la regulación de canales, expresión génica y ritmos circadianos.
• Este daño está asociado
• Generan oxidación

Producción de Radicales Libres en la Mitocondria

• La producción de radicales libres ocurre principalmente en los complejos I y III de la cadena respiratoria.
• El CI libera O2 hacia la matriz mitocondrial, mientras que, el CIII libera O2 hacia el espacio intermembrana y la matriz.
• Liberan superoxido

Inhibidores e incremento de ROS

• Los inhibidores de la cadena respiratoria incrementan la producción de ROS en los complejos I y III.
• Los complejos son Rotenona y Antimicina A

CTE e Inhibidores

• Los inhibidores de la CTE impiden la transferencia de electrones a lo largo de la cadena.
• Los desacopladores aumentan la permeabilidad de la membrana mitocondrial a los protones

Modelo quimiosmótico y función

• Para la síntesis de ATP se necesita el modelo quimiosmótico
• La energía eléctrica y química es impulsada por el F1 sintasa

Transferencia de electrones a oxigeno

• La transferencia requiere de NADH a oxígeno molecular.
• Enzima requiere de electrones transferidos para que los complejos (I, III y IV) bombeen la síntesis de ATP

ATP sintasa y energía

• Actúa como una proteína transmembrana, aprovecha la fuerza para generar ATP
• Se orientada hacia a matriz.
• Tienen centro activo, Pueden presentar 3 conformaciones alternativamente - Se encuentra en la MMI (membrana mitocondrial interna)

Transporte a la membrana

• Se compone por subunidades que permite la entrada de protones y así, puedan atravesar la membrana

Regulacion de la Fosforilacion Oxidativa

• Los elementos que requiere
• Medida del estatus eneregético de la célula
• Control de disponibilidad como sustrato de la fosforilación
• La acción en las masas

Factores sobre el ATP en la isquemia

• Durante isquemia y falta de O2,el F1 inhibe la hidrólisis de ATP durante la isquemia
• Si el O2 disminuye y desaparece la fuerza síntesis de protones
• Esto genera la fermentación

Proceso de los desacopladores

• Actúan disipando el gradiente de protones
• El trasnporte de electrones se realiza de nueva manera, se consume NADH, FADH2, pero no se produce ATP
• Se activa para generar calor en presencia de ácidos grasos
• Los protones vuelven a la matriz sin pasar por FoF1

Ruta del acetil Coa

• Proceso de glucolisis.
• Utiliza hexokinase, fosfofructokinase para la producción de ATP y NADPH

Translocasa y ATP

• Translocasa es asociado a la sintasa de ATP
• El ATP generado por EO se encuentra en la matriz y no atraviesa membrana
• Transporta cargas negativas a cambio de cargas positivas

Lanzaderas de electrones

• El NADH tiene que ser degenerado para tener glucosilisis
• En condiciones aerobias Los electrones son trasnferidos a la CTE

Lanzadera del glicerol 3-fosfato

• Permite realizar la fosforsiacion oxidativa
• Es mas activa
• Es muy alto el coste termodinamino de una molecula de ATP

Lanzadera malato aspartato

• Se realiza en el cílosos y permite que reaccione con la matriz para generar energía

Rendimiento energético completo de la glucosa

• Muestra como en la matriz y citosol se combinada para al final generar ATP y electrones en el proceso de oxidación

Regulación de la Fosforilación Oxidativa

• Ajusta el flujo de electrones y formación de protones en función de las necesidades energéticas celulares, controlada por disponibilidad de ADP.
• La velocidad de la respiración y ATP es alta si disminuye el [ATP].

regulación de la fosforilación

• El proceso de la glucolisis durante la isquemia afecta el NAD(h)

Translocasas asociadas a la ATP sintasa

• El ATP generado por FO está en la matriz y no puede atravesar la MMI (membrana mitocondrial interna) debido a que las moléculas de ADP y P; no cuentan con un sistema de transporte.
• Se necesita la adenina nucleótido translocasa, la cual participa en el cotransporte antiparalelo de ADP-ATP
• Se necesita la fosfato translocasa que realiza el cotransporte paralelo de H2PO4- y H+
• Y se consume parte de la energía de la fuerza motriz protón.

Lanzadera del glicerol 3-fosfato

• Es abundante en músculo y cerebro, lo que permite realizar la fosforilación oxidativa a alta velocidad. No obstante, cuenta con menor eficacia Permite que se libere equivalentes o disminuciones
• Implica un coste termodinámico Para llevarse a cabo requiere de un NAD(H)

Regulación de la Fosforilación oxidativa

• el objetivo es mantener la homeostasis celular en función del estatus energético celular y la relación de las acciones de las masas.
• En casos de isquemia, se verá impedida la fosforilación por lo cual se activará la fermentación de ácido láctico ###Procesos en la deficiencia
• No se bombardean los protones y hay poco flujo de electrones ###Proceso de energía
• Lo ideal es utilizar la termogenina ya que disipa el gradiente de protones, haciendo que estos vayan a la matriz y generen mas calor ###Cadena respiratoria
• Los grupos protésicos tienen diferentes potenciales y con gran potencial de oxidación, por lo que se deben llevar portadores bajos de electrones y transferirlos ###Centros ferro-sulfatados
• Participan en las transferencias y ayudan a los átomo de hierro ####Catálisis de la ATP
• Ocurren 3 rotaciones en el y, esto gracias al bombeo de H ###Animaciones
• Se visualiza la cadena energética ###Cadena respiratoria
• La cadena tiene la transferencia de electrones
• Al igual se encuentra 4H y 2H