Tema 5: Fosforilación oxidativa

Tema 5: Fosforilación oxidativa

• La fosforilación oxidativa es la última etapa del metabolismo de los glúcidos
• Esta ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citosol de las células procariotas
• Se compone principalmente de la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP

Introducción

• Proceso caracterizado porque la energía de oxidación impulsa la síntesis de ATP
• Esta es la etapa del metabolismo productor de energía que realizan los organismos aeróbicos
• Es el punto donde convergen los pasos oxidativos de la degradación de lípidos, carbohidratos y aminoácidos
• La oxidación de las coenzimas reducidas NADH+H+ y FADH₂ provoca la reducción del último aceptor de electrones (O₂), generando H₂O
• La teoría quimiosmótica de Mitchell explica la síntesis de ATP mitocondrial
• El proceso se puede resumir en tres componentes principales:
  • Flujo de e⁻ a través de transportadores ligados a la membrana
  • Transporte de H⁺ a través de una membrana impermeable a los protones
  • El movimiento de H⁺ a favor de su gradiente de concentración para la síntesis de ATP
• Los e⁻ proceden de las coenzimas reducidas generadas por las deshidrogenasas en las rutas catabólicas
• La membrana mitocondrial interna es impermeable a la mayoría de las moléculas, incluidos los H⁺

Cadena Transportadora de Electrones (CTE)

• La CTE está constituida por transportadores de electrones
• Los transportadores se organizan en complejos multienzimáticos incrustados en la membrana mitocondrial interna
• Complejo I: NADH-ubiquinona oxidorreductasa (NADH deshidrogenasa)
• Complejo II: succinato deshidrogenasa
• Complejo III: ubiquinona citocromo c oxidorreductasa
• Complejo IV: citocromo oxidasa
• Los transportadores también pueden estar presentes como proteínas liposolubles en la membrana mitocondrial interna
• Coenzima Q (ubiquinona)
• Citocromo c
• Nucleótidos de flavina, ubiquinona, centros hierro-azufre, grupos hemo (citocromos) y cobre facilitan el transporte de e⁻
• El movimiento de los e⁻ tiende a fluir desde transportadores con potenciales de reducción menor a mayor
• Libera energía en cada transferencia

Generalidades de la Ubiquinona

• Es un lípido isoprenoide que no forma parte de los complejos multienzimáticos
• Puede presentar varios estados de oxidación debido a que puede recibir 2 e⁻ y 2 H⁺
• Es hidrofóbica y se desplaza por la membrana mitocondrial interna, actuando como lanzadera de equivalentes de reducción entre los transportadores
• Acepta dos electrones y dos protones, pero solo dona uno de los dos electrones al citocromo del complejo III
• Este proceso acopla el flujo electrónico y el movimiento de H+

Generalidades de los centros Hierro-Sulfuro

• Son transportadores de electrones que forman parte de los complejos multienzimáticos I, II y III
• Contienen Fe en asociación con átomos de S inorgánico y/o de residuos de Cys de la proteína
• Participan en transferencias de un electrón, donde se oxida o reduce uno de los átomos de Fe

Generalidades de los Citocromos

• Son transportadores de electrones en los complejos multienzimáticos III y IV, y actúan sin integrarlos
• Contienen Fe como parte del grupo hemo con capacidad de absorber luz visible
• Se clasifican en a, b, o c según su longitud de onda de absorción
• Ejem: Citocromo c no forma parte de complejos y se une a la parte externa de la membrana mitocondrial interna

Complejos Multienzimáticos en la CTE

• Complejo I (NADH-ubiquinona oxidorreductasa):
  • Contiene 42 cadenas polipeptídicas, FMN y 6 centros Fe-S
  • Acepta 2 e- y 2 H+ de la oxidación del NADH + H+
  • Dona 2 e- y 2 H+ para la reducción de la Q
  • Bombea 4 H+ desde la matriz al espacio intermembrana
  • La reacción vectorial es el movimiento de H+ de un lugar a otro utilizando energía electrónica
• Complejo II (succinato deshidrogenasa):
  • Compuesto por 4 subunidades, FAD y 3 centros Fe-S
  • Acepta 2 e- y 2 H+ de la oxidación del succinato
  • Dona 2 e- y 2 H+ para la reducción de la Q
  • No bombea 4 H+ desde la matriz hacía el espacio intermembrana
  • Succinato + Q → Fumarato + QH2
  • La subunidad hemo b no participa en la transferencia electrónica, pero protege al interceptar e- y evitar su reacción con el oxígeno generando ROS
• Complejo III (ubiquinona citocromo c oxidorreductasa):
  • Compuesto por cit b, cit c₁ y centro Fe-S
  • Acepta 2 e- procedentes de la oxidación de QH2
  • Dona dos electrones para la reducción del cit b, cit c₁-cit c
  • Bombea 4 H+ desde 2QH₂ hacia el espacio intermembrana
  • Los citocromos solo pueden captar un electrón
  • QH₂ + 2 cit c (ox) + 2 H⁺N → Q + 2 cit c (red) + 4 H⁺p
• Complejo IV (citocromo oxidasa):
  • Compuesto por un dímero de 2 cit a, 2 cit a₃, 2 CuA y 2 CuB
  • Acepta 4 e − procedentes de la oxidación de 4 cit c
  • Dona 4 e − destinados a la reducción de 02
  • Bombeo de H: impulsa 4 protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana
  • 4 cit c (reducido) + 8 H⁺N + O₂ → 4 cit c (oxidado) + 4 H⁺p + 2 H₂O -Se necesitan 4 cit c oxidados para realizar una transferencia electrónica de 4 e⁻ y reducir una molécula de O₂ en 2 moléculas de H₂O con bombeo de 4H⁺

Rutas alternativas que ceden electrones

• Acil-CoA: procedente de la ß-oxidación
  • Los elementos que participan presentan la flavoproteína FAD como transportador de electrones
  • Formado por acil-CoA deshidrogenasa, ETF y ETF ubiquinona oxidorreductasa
  • Acepta 2 e- y 2 H+ procedentes de la oxidación de acil-CoA
  • Dona 2 e- y 2 H+ destinados a la reducción de la Q
  • Bombea 4 H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana
  • Acil-CoA + Q → enoil-CoA + QH2
• Glicerol-3-fosfato: procedente de la hidrólisis de triacilglicéridos y de DHAP glucolítica, utiliza la flavoproteína FAD como transportador de electrones
  • El Glicerol-3P es procedente de DHAP glucolítica
  • Su composición es la glicerol-3P DH
  • Acepta 2 e- y 2 H+ procedentes de la oxidación de glicerol-3P
  • Bombea 4 H+ desde la matriz hacía el espacio intermembrana
  • Glicerol-3P + Q → DHAP + QH₂

Deficiencia de elementos de la CTE

• La coenzima Q10 protege contra los efectos secundarios de las estatinas
• Si falta Q10, solo se obtendría energía por glucólisis, que no es suficiente
• Puede generar daños musculares ya que disminuye la producción endógena de Q10
• Dosis de 80mg de atorvastatina podría reducir a la mitad el nivel de coenzima Q10
• Simvastatina y pravastatina, dosis de 20mg, pueden reducir el nivel de coenzima Q10 a un 40%
• El déficit de coenzima Q10 disminuye la función mitocondrial, lo que significa menos energía para las células musculares

Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)

• Son átomos o moléculas con al menos un electrón desapareado
• Se forman por el escape de electrones en la CTE
• Se forman por la unión de un electrón al O2
  • O2 + e- → (superóxido) O₂•- → (radical hidroxilo) •OH
• Generalmente son neutralizadas
• Provocan daño oxidativo a las macromoléculas
  • Lípidos: alterando las propiedades de las membranas lipídicas
  • Proteínas: alterando su función enzimática y estructural
  • Ácidos nucleicos: produciendo mutaciones
• Estos daños pueden producir envejecimiento y enfermedades
• Tienen lugar cuando participa la ubiquinona (Q), ya que el intermediario QH es el responsable de la donación de 1 electrón al O₂
• La principal causa en la producción de ROS es el desajuste entre los niveles de NADH + H⁺ y la cantidad de O₂
• La QH hace que los complejos I y III sean responsables de la producción de ROS

Defensas Antioxidantes

• Mecanismos para impedir el daño oxidativo
• Enzimáticas
• Superóxido dismutasa: transforma el superóxido en peróxido de hidrogeno
• Glutatión peroxidasa: transforma el peróxido de hidrogeno en agua
• Glutatión reductasa: transforma el glutatión oxidado en glutatión reducido
• No enzimáticas
• Glutatión reducido (GSH): dador de e⁻ al peróxido de hidrógeno
• Glutatión oxidado (GSSG): aceptor de H⁺ del NADPH + H⁺
• Si no se neutralizan los ROS, se produce estrés oxidativo

Síntesis de ATP

• Impulsado por la fuerza protón motriz
• Modelo quimiosmótico:
  • Creación de 2 gradientes: eléctrico y de concentración
  • La oxidación del NADH + H⁺ y el succinato libera energía y bombea protones
  • ADP + P + nH⁺p ATP + H₂O + nH+N

Descripción de ATP Sintasa

• ATPasa de tipo F (ADP + Pi → ATP)
• Presenta 2 componentes:
  • F₁: unidad catalítica
  • α₃
  • β₃
  • δ: se asocia a b1,2 de Fo y a αβ de F₁
  • γ
  • ε
  • E₀: unidad bombeadora de H+
  • a: rodea el conducto de H+
  • b1,2: se asocia a αβδ de F1
  • c10-12: conducto de H+ incrustado en la membrana y se asocia a γε

Catálisis Rotacional

• Alternancia entre las 3 conformaciones en cada subunidad ẞ
• Bombeo de H+ a la subunidad 𝛽 provoca cambios y rotación que obliga a las demás subunidades a cambiar de conformación
• Para que haya rotación se deben bombear 3 H+ desde el espacio a la matriz, fosforilar 1 ADP ➜ ATP y unir un nuevo ADP

Fosfato Translocasa

• Cotransportador de la membrana mitocondrial interna, cotransporta H+ + H2PO4⁻ desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial
• La membrana mitocondrial interna es impermeable a los Pi
• El Pi es separado del H2PO4- recientemente transportado
• Requiere el cotransporte de H+ + H2PO4 para fosforilar 1 ADP ➜ ATP

Rendimiento P/O

• Moléculas de ATP sintetizadas por átomo de O consumido.
• NADH + H+ ➜ razón P/O de 2,5 ATP
  • Bombeo de 10 H+ desde la matriz al espacio intermembrana
  • Retorno de 10 H+ desde el espacio intermembrana a la matriz
  • Se necesitarían 12 H+ para la fosforilación de 3 ADP
• Succinato ➜ razón P/O de 1,5 ATP
  • Bombeo de 6 H+ desde la matriz al espacio intermembrana
  • Retorno de 6 H+ desde el espacio intermembrana a la matriz
  • Se necesitarían 8 H+ para la fosforilación de 2 ADP

Lanzaderas de electrones del NADH + H+

• El NADH + H+ generado en el citoplasma por glucólisis necesita:
  • Oxidarse en NAD+ para poder volver a ser utilizado
  • Donar e⁻ y H+ a la cadena transportadora de e⁻
• La impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna requiere las lanzaderas de moléculas, que actúan como transportadores de e⁻ y H+
• Lanzaderas:
  • Glicerol-3P
  • Malato-Aspartato

Lanzadera Glicerol-3P

• Utiliza el glicerol-3P como equivalente de reducción
• Con glicerol-3P procedente de DHAP glucolítica
• Su composición es la glicerol-3P DH
• Acepta 2 e- y 2 H+ procedentes de la oxidación de glicerol-3P
• Dona 2 e- y 2 H+ destinados a la reducción de la Q
• Bombea 4 H+ desde la matriz hacía el espacio intermembrana
• Isozimas según la localización celular:
  • Citoplasmática: dependiente de NADH + H+
  • Mitocondrial: dependiente de FAD

Lanzadera Malato-Aspartato

• Utiliza el oxalacetato (OAA) como equivalente de reducción
• El OAA procede del aspartato por transaminación
• Su composición es la NADH-ubiquinona oxidorreductasa = NADH deshidrogenasa
• Acepta 2 e- y 2 H+ procedentes de la oxidación del NADH + H+
• Dona 2 e- y 2 H+ destinados a la reducción de la Q
• Bombea 4 H+ desde la matriz hacía el espacio intermembrana
• Requiere dos transportadores:
  • Malato-α-cetoglutarato
  • Glutamato-aspartato

Balance energético oxidación completa glucosa

• Recuerda que 1 Glucosa + 10 NAD⁺ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi ➜ 6 CO₂ + 10 NADH + 10 H⁺ + 2 FADH₂ + 4 ATP
• Su sustrato es la glucosa
• Su producto es el CO₂
• El balance energético tiene como producto 10NADH+10H⁺, 2FADH₂ y 4ATP
• Sin contar la oxidación, las reacciones de glucosa a glucosa-6-fosfato y de fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato consumen 1 ATP
• La reacción de 2 Gliceraldehído-3-fosfato a 2 1,3-bisfosfoglicerato genera 2 NADH
• La reacción de 2 1,3-Bisfosfoglicerato a 2 3-fosfoglicerato genera 2 ATP
• La reacción de 2 Fosfoenolpiruvato a 2 piruvato genera 2 ATP
• La reacción de 2 Piruvato a 2 acetil-CoA genera 2 NADH
• La reacción de 2 Isocitrato a 2 α-cetoglutarato genera 2 NADH
• La reacción de 2 α-Cetoglutarato a 2 succinil-CoA genera 2 NADH
• La reacción de 2 Succinil-CoA a 2 succinato genera 2 ATP (o 2 GTP)
• La reacción de 2 Succinato a 2 fumarato genera 2 FADH₂
• La reacción de 2 Malato a 2 oxalacetato genera 2 NADH

Lanzadera glicerol-3P:

• La oxidación completa de glucosa genera un total de 30 ATP
• Glucólisis: 2 ATP y 2 NADH + H+
• Fosforilación oxidativa de 2 NADH+H+: 2 x(1,5 ATP)
• Piruvato a acetil-CoA: 2 x (1 NADH + H+)
• Ciclo del ácido cítrico : 2 ATP, 2 x (3 NADH + H+) y 2 x (1FADH₂)

Lanzadera Malato-Aspartato

• La oxidación completa de glucosa genera un total de 32 ATP
• Glucólisis: 2 ATP y 2 NADH + H+
• Piruvato a acetil-CoA: 2 x (1 NADH + H+)
• Fosforilación oxidativa del acetliCoA: 2 x (2,5 ATP)
• A partir de 2 NADH y 2 NADH en otras reacciones
• Ciclo del ácido cítrico : 2 ATP, 2 x (3 NADH + H+) y 2 x (1FADH₂)

Regulación de la fosforilación oxidativa

• Regulada por las necesidades celulares de energía
• Existen dos mecanismos regulatorios:
  • Control por aceptor: disponibilidad de ADP
  • ↑ ADP ↑ velocidad respiración celular
  • ↓ ADP ↓ velocidad respiración celular
  • Control por cociente: [ATP] / [ADP] + [Pi]
  • ↑ [ATP] / [ADP] + [Pi] ↓ velocidad respiración celular
  • ↓ [ATP] / [ADP] + [Pi] ↑ velocidad respiración celular

Hipoxia

• Disminución de la cantidad de oxígeno disponible
• Causada por infarto de miocardio y el ictus
• La falta de oxígeno provoca la disminución de la velocidad de la respiración celular
• La disminución de la velocidad provoca que la ATPasa hidrolice ATP → ADP + Pi
• IF₁ (factor isquemia): es una proteína inhibitoria de la ATPasa
• Inhibe cuando está en forma dimérica
• Estable en forma dimérica a pH < 6,5
• Su actividad depende del pH debido al piruvato (glucólisis) y el lactato (fermentación)
• Evita que se hidrolice ATP en situaciones de isquemia