Apunts Bioquímica - Primer Examen PDF

lOMoARcPSD|15480832 Inhibició per feedback o retroinhibició: el producte 昀椀nal de la ruta metabòlica inhibeix el primer enzim, d’aquesta manera s’evita la producció en excés de compostos. c.) Enzims regulats per modi昀椀cació covalent : Fosforilació/desfosforilació (reversible)...

lOMoARcPSD|15480832 Inhibició per feedback o retroinhibició: el producte 昀椀nal de la ruta metabòlica inhibeix el primer enzim, d’aquesta manera s’evita la producció en excés de compostos. c.) Enzims regulats per modi昀椀cació covalent : Fosforilació/desfosforilació (reversible) Proteòlisi (irreversible): ac琀椀vació de precursors inac琀椀us (zimògens). Exemple: enzims diges琀椀us o enzims del sistema de coagulació 3.Isoenzims: diferents formes d’un enzim catalitzen una mateixa reacció: diferent seqüència aa -> diferents caracterís琀椀ques cinè琀椀ques Localització en diferents teixits: modulen les ac琀椀vitats metabòliques  Lactat-deshidrogenasa: par琀椀cipa en la fermentació làc琀椀ca, piruvat-> lactat, no es pot fer en tots les teixits.  Múscul: hexoquinasa (Km=0,1mM) molt mes a昀椀 a la glucosa  Fetge: glucoquinasa (Km=10mM) 4.Complexos mul琀椀enzimà琀椀cs: Associació d'enzims que catalitzen dos o més passos d'una ruta metabòlica per millorar l'e昀椀ciència catalí琀椀ca. Els enzims estan estructurats en 3 nivells de complexitat: a. Senzills b. Entremitjos: complexes mul琀椀enzimà琀椀cs c. Elevats: associats a estructures cel·lulars Tema 2 Metabolisme Tema 2.1 Revisió general del metabolisme Metabolisme: conjunt de totes les reaccions químiques que es produeixen dins els éssers vius. És un procés altament ordenat i regulat, catalitzat per enzims. Energia + nutrients -> metabolisme cel·lular (cèl·lula) -> replicació i perpetuació (biosíntesi molècules, transport, treball mecànic, calor) Tipus d’organismes: Segons la font d’energia o Fototrò昀椀cs: energia lluminosa(fotosíntesi)-> energia química (ATP) o Quimiotrò昀椀cs: compostos químics(oxidació)-> energia química (ATP) + Segons d’acceptor 昀椀nal d’electrons ▪ Compostos inorgànics-> organismes respiradors O2 -> respiradors aeròbics Fe3+, SO42-, NO3-, CO2 -> respiradors anaerobis ▪ Compostos orgànics-> organismes fermentadors (ac.lac琀椀c) Segons la font de carboni per la síntesi de biomolècules o Autotro昀椀cs  Co2 o Heterotrofs Materia orgànica Segons la font de Carboni i energia *Plantes → organismes fotoautotrò昀椀cs *Animals i Fongs → organismes quimioheterotrò昀椀cs aerobis *Bacteris → organismes fotoautotro昀椀cs, organismes quimioheterotrò昀椀cs aerobis i anaerobis organismes quimioheterotrò昀椀cs fermentadors Bioenergè琀椀ca: Estudia la transformació i u琀椀lització de l’energia per les cèl·lules. L’energia que no s’apro昀椀ta es dissipa en forma de calor. Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Principis de la termodinàmica - L’energia de l’univers és constant AE = E2 – E1 = q + w - L’entropia tendeix a ser màxima S = ASsistema + ASentorn > 0. 1. Principi de conservació de l’energia (E = Energia interna) : fonts d’energia: elèctrica, mecànica, química, calorí昀椀ca, lluminosa. 2. Els sistemes evolucionen cap al màxim desordre: Sempre l’entropia tendeix a ser molt gran. Semblaria que anem en contra, però hem de mirar el desordre global. Per mantenir aquest ordre s’ha de mantenir augmentant l’entropia. ENTROPIA (S)= ∆S sistema + ∆S entorn >0 Energia lliure de Gibbs (G) G: Quan琀椀tat d’energia d’un sistema capaç de realitzar un treball a una pressió (P) i temperatura (T) constants. Com mes energia pugui ser alliberada d’una reacció mes gran serà l’espontaneïtat. La variació d’energia i d’entropia la u琀椀litzem per determinar si una reacció és espontània. AG = AH – TAS. La AH és un canvi d’entalpia o con琀椀ngut calorí昀椀c del sistema a pressió i temperatura constant. Quan AH < 0 el sistema allibera calor. AG = 0, el sistema es troba en equilibri (estem morts). ∆G = ∆H - T∆S Processos espontanis: ∆G < 0 ∆H: Canvi d’entalpia o con琀椀ngut calorí昀椀c del sistema a P i T ct. ∆H < 0 → El sistema allibera calor (exotèrmica) Energia lliure d’una reacció Si vols comparar dos processos i parteixes de concentracions diferents, no es poden comparar. En canvi si estableixes les concentracions, podràs veure les diferencies que hi ha. L’energia lliure de reacció permet comparar processos 昀椀xant concentracions de la reacció. En l’equilibri: ∆G=0 i Q (quocient de reacció)= Keq Relació amb la constant d’equilibri (Keq):  ∆G’º: Canvi d’energia lliure en condicions estàndard i pH 昀椀siològic (cal/mol):  []= 1M, pH=7,[H+]=10-7M  T= 25 ºC (298 K)  P=1 atm  R: Constant dels gasos: 1,98 cal/mol*K  T: Temperatura absoluta: 298 K  Reaccions exergòniques s’allibera energia lliure que s’u琀椀litzarà per realitzar un treball ú琀椀l): reacció -> : és fàcil passar de RP  Reaccions endergòniques s’absorbeix energia lliure): reacció lluny de l’estat d’equilibri o Generen calor o Incrementen l’entropia de l’entorn a costa de mantenir el seu ordre, ho fan expulsant residus (aigua, amoni,...) - Obtenen l’energia de l’entorn: o Organismes fototrò昀椀cs: energia lumínica o Organismes quimiotrò昀椀cs: oxidació d’aliments (catabolisme) - L’energia es transporta en compostos biològics d’alt con琀椀ngut energè琀椀c Adenosina trifosfat (ATP) Molècula transportadora universal d’energia. Compost d’alt con琀椀ngut energè琀椀c. Quan l’ATP s’hidrolitza transfereix el seu úl琀椀m fosfat a l’aigua (∆Gº= -7,3 kcal/mol=-30,5 KJ/mol, 1cal =4.18J). Contenen energia que s’allibera quan s’hidrolitza els grups fosfats de l’ATP. Compost per una base nitrogenada, una ribosa i grups fosfat, que la energia es con琀椀ndrà en les unions dels fòsfors, que quan s’hidrolitza s’allibera energia per dur a terme altres processos. Aquest transportador es recupera, sinte琀椀tzant energia lluminosa o per oxidació de les molècules. Per què la hidròlisi del grup fosfat de l’ATP genera elevada energia lliure? 1. Grau d’ionització de l’ATP i els productes d’hidròlisi: En ATP lliure, els fosfats estan hidrolitzats, globalment la molècula té 4 càrregues nega琀椀ves (pH=7). Quan entra l’aigua es trenca l’enllaç P-O, s’allibera un fosfat llavors la molècula es queda amb 3 càrregues nega琀椀ves. Molècula electrostà琀椀cament inestable. Genera protons, concentració baixa de protons a ph7 llavors per Le Châtelier es desplaça a la formació dels productes per arribar a l’equilibri. En condicions estàndard: ∆Gº B (reacció exergònica: catabolisme): glucosa –glucòlisi ->piruvat B -> A (reacció endergònica: cal aport d’E, és un procés diferent) : glucosa Seran importants els mecanismes de transport. Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Tema 2.2 Cicle de Krebs Funció catabòlica centrada en la respiració cel·lular: oxidació (poder reductor) de dos àtoms de C 昀椀ns a CO2 de l’ace琀椀l-Coenzim A. També té una funció anabòlica: subministrar intermedis per la biosíntesi, part dels metabòlits que formen part del cicle de Krebs serveixen per a la síntesi de biomolècules. Per tant és una ruta cíclica am昀椀bòlica, té una vessant catabòlica i una anabòlica. La respiració cel·lular és un procés d’oxidació que la cèl·lula u琀椀litza per aconseguir energia. Es produeixen electrons que son captats per transportadors d’electrons. L’O2 és l’úl琀椀m acceptor d’electrons i quan es redueix es converteix en aigua. Aquest procés té lloc principalment el mitocondri. Glucosa  Piruvat  Ace琀椀l-CoA  NADH + FADH2  ATP + H2O Respiració cel·lular (mitocondri): 1. Obtenció d’ace琀椀l Co-A (matriu mitocondrial): prové del catabolisme d’àcids grassos (lípids), d’aminoàcids i de piruvat que es genera a la glucòlisi (catabolisme de glúcids). 2. Cicle de Krebs (matriu mitocondrial) 3. El poder reductor creat pel cicle de Krebs entra a la cadena de transport electrònic (crestes mitocondrials): TE a l’oxigen -> FO -> formació d’ATP Previs a l’ace琀椀l Co-A Durant la glicòlisi, al citosol, es genera piruvat a par琀椀r de glucosa. El piruvat entra dins la membrana mitocondrial interna i, allà, es on es produeix la seva descarboxilació oxida琀椀va en Ace琀椀l-CoA. Aquesta reacció irreversible esta catalitzada per un complex enzimà琀椀c format per múl琀椀ples copies de tres enzims, el piruvat deshidrogenasa (E1) que té com a coenzim el TTP, el dihidrolipoïl transace琀椀lasa (E2) que té com a coenzim el lipoat i el dihidrolipoÏl deshidrogenasa (E3) que té com a coenzim el FAD. El complex s’anomena complex de la piruvat deshidrogenasa (PDH) En el primer pas de la reacció el piruvat es combina amb el TTP (E1) i es descarboxila. Després, l’enzim 2 genera, via la reducció del seu coenzim, el carbonil i afavoreix la transferència del grup Co-A (enllaç 琀椀oèster). Per úl琀椀m, l’enzim 3 s’encarrega de regenerar el lipoate de l’enzim 2 oxidant-lou琀椀litzant com a agent reductor el seu coenzim, el FAD. Per tal de poder conver琀椀r el FADH2 en FAD perquè la reacció es pugui tornar a produir, es redueix un NAD+ Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Obtenció ace琀椀l Co-A Pas de piruvat a ace琀椀l Co-A, catalitzat pel complex enzimà琀椀c piruvat deshidrogenases: juxtaposició 昀sica de 3 enzims, cadascú amb el seu coenzim corresponent i així s’evita la difusió d’intermedis. També hi par琀椀cipen 5 cofactors. Lloc: mitocondri. El carboni del piruvat es eliminat en forma de CO2 i es forma l'ace琀椀l-CoA. Durant aquesta descarboxilació oxida琀椀va, perdem CO2, i es formen electrons que s’han agafat pel NAD (que es redueix). Aquesta reacció esta catalitzada per 3 enzims diferents, el conjunt dels enzims s'anomena complex del piruvat deshidrogenasa (PDH). Aquests enzims treballen amb coenzims associats. Aquesta reacció en fa en 5 etapes on hi ha 5 coenzims que par琀椀cipen en aquestes reaccions. Es per això que de sucres obtenim greixos però dels greixo, sucres no ja que un cop l’ace琀椀l coa esta format es molt di昀cil tornar enrere. - Reacció exergònica - Oxidació: es generen electrons (poder reductor): es genera NAD+ -> NADH - S’allibera un CO2  E1-TPP (pirofosfat 琀椀amina): descarboxilació (formació CO2): enzim uneix el piruvat  E2-lipoat: oxidació ace琀椀l i transferència de HSCOA  E3-FAD: recuperació de l’àcid lipoat Es recullen intactes els enzims després de la reacció, com que els enzims estan aprop es molt més e昀椀cient. Es forma un FADH2 i també un NADH+(reduït). Etapa 3 hi entra el coa-sh i surt formant l’ace琀椀l-coA Estructura de l’ace琀椀l Co-A Grup 琀椀oèster (C-O-S): grup reac琀椀u que permet les transferències de grup ace琀椀l. Permet formar enllaç ester amb l’ace琀椀l. El grup ace琀椀l i el Co-A estan units mitjançant un enllaç 琀椀oèster, el qual facilita la transferència del grup ace琀椀l a un altre substrat. El Co-A esta format per una B-mercaptoeilamina, un àcid pantotènic (vitamina) i un ADP En el cas dels àcids grassos la seva oxidació ja crea ace琀椀l Co-A. En els glúcids s’ha de transformar de piruvat, que entra al mitocondri i es descarboxilat, catalitzada per un complex enzimà琀椀c de 3 enzims i transformat en ace琀椀l-coA. Cicle de krebs Per funcionar necessita condicions aeròbies, necessita oxigen ja que aquest funciona com a úl琀椀m acceptor d’electrons a la cadena de transport electrònic. Am昀椀bòlic: - Important component catabòlic: ruta central de la respiració cel·lular. Reaccions d’oxidació, generació poder reductor… - Component anabòlic: intermediària del cicle actuen de precursors de rutes anabòliques. Oxidació ace琀椀l-CoA (8 reaccions): formació de 2CO2, poder reductor (3NADH i 1 FADH2) i un GTP (ATP). Ruta cíclica: L’ace琀椀l-Coa entra condensant-se amb l’oxalacetat i generant citrat (àcid tricarboxílic) - 4 primeres de reaccions: formació de 2 CO2 - 4 úl琀椀mes reaccions: regeneració de l’oxalacetat El grup ace琀椀l Co-A es transfereix a l’oxalacetat(L’ace琀椀l-Coa entra condensant-se amb l’oxalacetat i generant citrat (àcid tricarboxílic)) De les reaccions 1 a la 4: Pateix dues oxidacions: es formen dues molècules de CO2 (oxidació sucres, producció CO2 -> es converteix en acid carbònic que dissocia i allibera protons-> pH baix afecta a l’a昀椀nitat de l’hemoglobina per o2, l’allibera). A par琀椀r de la reacció 5 es regenera l’oxalacetat En l’etapa 5 es forma 1 ATP: es produeix una fosforilació a nivell de substracte: es transfereix un substrat (succinyl-CoA) sobre l’ADP per formar ATP. 4 úl琀椀mes reaccions: regeneració de l’oxalacetat. S’allibera el coenzim A 1,3,4 reaccions exergòniques ->reaccions irreversible sobre les que hi ha el control de la ruta metabòlica: el 昀氀uxe i la velocitat del cicle de Krebs depèn d’aquestes etapes. Cal un control de l’ac琀椀vitat dels enzims d’aquestes 3 reaccions. Reaccions 3 i 4 son les 2 descarboxilacions, es forma el CO2 Oxidació ace琀椀l-CoA (8 reaccions): formació de 2CO2, poder reductor (3NADH i 1 FADH2(reduits)) i un GTP (ATP). Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Fosforilacio a nivell de substrat  formació de GTP: síntesi vinculada a la transformació enzimà琀椀ca on el subtrat trencat es un substrat d’alta energia Balanç del cicle de Krebs L'energia de l’oxidació es conserva de manera molt e昀椀cient en els coenzims reduïts NADH i FADH2 (transportadors electrònics o de poder reductor). Ace琀椀l-coa pot venir del piruvat o directament de l’oxidació dels acids grassos(dins els mitocondris). La regulació del cicle de Krebs vol dir modular la velocitat, que el cicle generi els seus productes. Per regular la velocitat regulem les etapes irreversibles: la càrrega energè琀椀ca, el poder reductor, compostos d’alta energia. Etapa 2: - Inhibidor: succinyl-CoA(retroinhibició, s’acumula el més endavant aquest producte i para la d’abans per poder gastar-lo), citrat (inhibició per producte, inhibició enzim), ATP - Ac琀椀vador: ADP (necessitat d’energia) Etapa 3: - Inhibidor: ATP - Ac琀椀vador: Ca2+, ADP Etapa 4: - Inhibidor: succinyl-CoA(inhibició per producte, de l’enzim que catalitza la reacció), NADH - Ac琀椀vador: Ca2+ A nivell d’entrada al cicle també hi ha una regulació: transformació del complex piruvat deshidrogenada a ace琀椀l coA. - Inhibidor: ace琀椀l-CoA, NADH, fa琀琀y acids. Quan més NADH(reduït) o ace琀椀l-CoA més inhibició. O inhibició per càrrega energè琀椀ca ATP, quan més ATP més inhibició. No cal fer més energia pq ja en tenim. - Ac琀椀vador: AMP, CoA, NAD+, Ca2+ - ATP i NADH -> inhibidor al·lostèric del piruvat deshidrogenasa(alliberen electrons a la cadena oxida琀椀va, la cèl·lula no en necessita transport electronic, es para una mica el cicle de krebs) - Ace琀椀l–CoA -> inhibidor per producte del piruvat deshidrogenasa - Àcids grassos -> inhibidor del piruvat deshidrogenasa, ja que si augmenten els àcids grassos a l’hora de degradar-se, formarà A-CoA. Per tant, com per aquesta via ja se’n forma, la via del piruvat s’inhibirà. - AMP -> ac琀椀vador de la hidròlisi del piruvat (concetracions elevades) - CoA -> ac琀椀vador de la hidròlisi del piruvat - NAD+ -> ac琀椀vador de la hidròlisi del piruvat - Ca2+ -> ac琀椀vador de la hidròlisi del piruvat (cèl·lules musculars, molt calci vol dir necessitat d’energia, que s’ac琀椀vi l’oxidació dels sucres) AMP i ATP són reguladors al·lostèrics perquè no són ni producte ni reac琀椀u El Ca és un senyal de necessitat energè琀椀ca. Si no hi ha oxigen no es produirà la cadena de transport d’electrons (o2 acceptor 昀椀nal) s’acumularà tots els NADH, FADH, ATP i el cicle de krebs es pararà. Globalment: Estat energè琀椀c Estat redox Compostos d’alta energia Inhibeix: ATP Inhibeix: NADH Inhibeix: ace琀椀l coA Ac琀椀va: AMP, ADP Ac琀椀va: NAD+ Ac琀椀va: succinil CoA Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Paper de la vitamina 琀椀amina Persones amb beriberi, una malal琀椀a causada per la 琀椀amina de昀椀ciència, tenen nivells elevats de piruvat i α- cetoglutarat en sang, sobretot després de consumir un àpat ric en glucosa. Com es relacionen aquests efectes amb una de昀椀ciència de 琀椀amina? El coenzim TPP que s’ajunta al piruvat deshidrogenasa que transforma el piruvat en ace琀椀l-coa, sinó hi ha aquest coenzim s’acumula el piruvat pq no es pot unir al complex piruvat deshidrogenasa. Complex piruvat deshidrogenasa semblant al complex alfa-cetoglutarat deshidrogenasa, mateixos cofactors, produeix succinil-coa a par琀椀r de la cetoglutarat, hi ha una descarboxilació oxida琀椀va. Tb s’acumulara alfa-cetoglutarat. Funcions biosintè琀椀ques dels intermediaris del Cicle de Krebs El cicle de Krebs també té un vessant anabòlica ja que certs intermedis del cicle són precurssors de biomolècules: l’oxalacetat (aminar o per sinte琀椀tzar aminoàcids a par琀椀r d’aquest, fer substrat per sinte琀椀tzar glucosa en la gluconeogènesi), malat, succinil CoA(síntesi anell de por昀椀rina, grup hemo, i citocrom) citrat (acids grassos síntesi) i alfa-cetoglutarat( síntesi aa i bases nitrogenades). Si es canvia la concentració dels intermedis es varia el 昀氀ux del cicle, hi ha una sèrie de mecanismes que regulen que les concentracions no canviïn i asseguren un 昀氀ux constantà - > les reaccions anaplerò琀椀ques: Permeten reposar, restablir intermediaris que s’u琀椀litzen en el cicle de krebs, pq no canvin la velocitat del cicle. CICLE DE GLIOXILAT Cicle que es produeix en cèl·lules vegetals i en microorganismes. U琀椀litza algunes reaccions del cicle de Krebs. Evita les reaccions de pèrdua de CO2 Krebs. Aquest procés es dona en el glioxisoma. Dues entrades d’ace琀椀l-CoA, una sor琀椀da de succinat. Aquest succinat pot ser transformat després, en el cicle de Krebs (reaccions 6,7,8), a oxalacetat. L’oxalacetat és precurssor de la síntesi de glúcids (glucosa). L’ace琀椀l-CoA ve de la degradació d’àcids grassos. Es transformen lípids (triacilglicèrids) en glúcids: molt important en el procés de germinació de la llavor. Ace琀椀l CoA ->citrat-> succinat -> oxalacetat -> glucosa Tema 2.3 Transport electrònic i fosforilació oxida琀椀va 1.1 Respiració cel·lular En la cadena de transport electrònic mitocondrial, hi ha 4 complexos que capten i cedeixen electrons. L’oxigen és l’acceptor 昀椀nal, que després s’alliberarà energia lliure (síntesi acoblada d’ATP) Etapa comú de totes les rutes metabòliques: fase III. Els dos processos estan lligats i tenen lloc als mitocondris, a la membrana mitocondrial interna (=crestes mitocondrials): - Cadena de transport electrònic : Reoxida NADH i FADH2 a NADH+ i FADH. Els electrons que queden 昀氀ueixen dels compostos orgànics al 02 -> H2O. Procés molt exergònic, es genera energia - Fosforilació oxida琀椀va : síntesi de molècules d’ATP, es passa de ADP+Pi a ATP. Aquest pas és endergònic (energia de Gibbs posi琀椀va). A par琀椀r d’un mol de NADH reoxidat se sinte琀椀tzen ~3 mols ATP i a par琀椀r d’1 mol de FADH2 reoxidat es sinte琀椀tzen ~2 mols ATP 1.2 Caracterís琀椀ques de la cadena de transport electrònic mitocondrial Està cons琀椀tuïda per 4 complexes mul琀椀proteics: Capaços de captar electrons (NAD al complex I i FAD al complex II) i cedir electrons a l'acceptor 昀椀nal. 4 complexos i citocroms. Cada complex està format per diferents elements. Es dóna el transport d'electrons 昀椀ns a ser 昀椀nalment transferits a l'oxigen: s'allibera energia lliure -> síntesi acoblada d'ATP. Es forma una molècula d'aigua. Aquestes reaccions de transferència d'electrons s'anomenen reaccions redox 1.3Reaccions d’oxidació-reducció - Agent reductor  ell s’oxida (cedeix electrons) i redueix a l’altre espècie - Agent oxidant  ell es redueix (capta electrons) i oxida a l’altre espècie - Cal un donador i un acceptor d’electons Hi ha 4 formes de transferir electrons entre molècules 1) Directament com electrons 2) En forma d’àtoms d’H+ 3) En forma d’ió hidrur (H- ) 4) Combinació directe d’un reductor orgànic amb O2 (acceptor d’electrons) Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Les reaccions redox tenen potencials de reducció. Mesura de la tendència d’un determinat compost que tendeix a cedir un electró a un altre substància. Potencials estàndards de reducció Tendencia d’un donador d’electrons a reduir l’acceptor conjugat: - Eº < 0 -> tendència a perdre electrons - Eº > 0 -> tendència a acceptar electrons En processos biològics se solen passar entre un o dos electrons. Els potencials de reducció ens permeten predir la direcció en que es transmeten els electrons. L’equació de Nerst dona la relació entre el potencial d’un parell redox (E) i la relació de concentracions entre el donador i l’acceptor d’e- On: - n = nº d’electrons intervinguts en la reacció - ∆Eº = Eº càtode (reducció) – Eºànode (oxidació) - F = constant de Faraday - ∆Gº < 0 -> ESPONTANI Perquè un procés red-ox sigui exergònic: ∆Gº∆Eº (Eº del que es redueix – Eº del que s’oxida) ha de ser posi琀椀u. La tendència és que els electrons han d’anar dels que tenen un potencial més baix als que tenen un potencial més alt. La cadena de transport electrònic te lloc a la membrana mitocondrial interna, que fa unes invaginacions anomenades crestes, on 琀椀ndrem tots els transportadors. És impermeable, requereixen la presencia de proteïnes. Tot el cicle de Krebs es dona a la matriu mitocondrial. Té genoma propi i fa l’expressió pròpia. Cadena de transport electrònic mitocondrial 1.4 Components cadena de transport complexos I-IV Es troba localitzat a la membrana interna (impermeable -> proteïnes transportadores) - Cons琀椀tuïa per 4 complexes mul琀椀proteics (portadors de grups prostè琀椀cs, que experimenten reaccions redox): capaços de captar i cedir electrons - Transport d’electrons 昀椀ns a ser 昀椀nalment transferits a l’oxigen: s’allibera energia lliure -> síntesi acoblada d’ATP - Potencial de reducció creixent Diagrama de conversió energè琀椀ca del transport electronic Par琀椀cipen grups proteics i prostè琀椀cs amb ac琀椀vitat redox. Durant el transport es distribuiran les carregues de diferent manera que això generarà un potencial de reducció creixent. En funció del potencial de reducció s’agafaran els components de la cadena perquè cada cop sigui més posi琀椀u. Seqüència de transport: NADH - FMN - CoQ - cit b - cit c1 - cit c - cit a - cit a3 - O2 El fet de que aquest transport 琀椀ngui un potencial mes posi琀椀u, fa que la variació d’energia lliure serà mes nega琀椀va (exergònica). La suma de les redox de les diferents etapes dona ΔG La síntesis d’ATP seria de 31KJ/mol, per tant respecte el potencial de reducció, es mes pe琀椀t, per tant es podrà sinte琀椀tzar mes ATP. La variació d'energia lliure d'aquest procés, des de NADH 昀椀ns l'oxigen és molt nega琀椀va (- 200KJ/mol). Transportadors electrònics complexos I-IV - NADH - FADH2/FMN - Centres Fe-S - Coenzim Q - Citocrom - NAD S’obtenen 2 protons per cada NAD+. NADH- anell nico琀椀namida és el que es redueix o s'oxida. NADP: funciona igual que el nadh, es fan servir per reaccions de biosíntesi. Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 El NADH accepta 2 electrons i 1 protó (equivalent a un hidrur). - FAD/ FMN Forma oxidada i reduïda dels nucleò琀椀ds de 昀氀avina. També s’obtenen 2 protons per cada FAD+. El FADH2 transporta 2 electrons i 2 protons. - Centres Fe-S Estructures dels complexes que es troben associades a les cadenes polipep琀diques. Cons琀椀tuïts per àtoms de ferro que fa un complex amb àtoms de Sofre (inorgànic o grups Tiol de Cys laterals): Reacció redox cíclica  Fe(II)/Fe(III)  Els àtoms de Fe seran els encarregats de reduir o oxidar les altres molècules. La ubiquinona pot ser que hagi estat reduïda pel FAD. L’acceptor del complex III es una citosina que ho transporta al complex IV i l’oxigen actuarà com acceptor 昀椀nal i es reduirà a aigua. - Coenzim Q10 Benzoquinona unida a 10 unitats d'isoprè que donen caràcter apolar. És una ubiquinona apolar que es mou per la membrana, que si duu els electrons els transmetrà pels diferents complexos. Aquesta difusió per la membrana permet el moviment d’electrons. No forma part de cap complex. Agafa electrons de complex 1 o 2 i els transporta al complex 3. Transporta 2 electrons i un protó. Quan accepta un nou protó es reduirà. Es pot reduir o oxidar, presenta 3 formes diferents. - Citocroms En funció del grup tenen grups hemo diferents. Tots tenen àtoms de ferro, que servirà per transportar electrons, que només en transporten un electró La ubiquinona pot ser que hagi estat reduïda pel FAD. L’acceptor del complex III es una citosina que ho transporta al complex IV i l’oxigen actuarà com acceptor 昀椀nal i es reduirà a aigua. El citocrom C es la única proteïna soluble i la trobem a l’espai intermembrana tocant la membrana mitocondrial externa. Els b i c son proteïnes integrals de membrana Tipus de complexos - Complex I: NADH: Ubiquinona oxidoreductasa NADHdeshidrogenasa Els NADH cedeixen electrons des de matriu mitocondrial ob琀椀nguts del CK i s’oxida a NAD+ al arribar al complex I. Passen de FMN (mononucleò琀椀d de 昀氀avina) a Fe-S i redueixen la ubiquinona a ubiquinol. Simultàniament hi ha un transport de protons de matriu mitocondrial a l'espai intermembranós. - Complex II: Succinat deshidrogenasa – No hi ha transport d’electrons Passa els electrons de FADH2 a través de Fe-S a ubiquinona que es reduirà. Els electrons de FADH provenen de succinat, i una part d'aquest complex està format per succinat deshidrogenasa, aquest enzim oxida el succinat a fumarat (a la matriu mitocondrial), aquesta reacció d'oxidació dóna lloca FADH2. En aquesta etapa no hi ha transport de protons. - Ubiquinona: no es un complex. La ubiquinona es pot reduir per electrons que provinguin del comples I, II, de la oxidació d'àcids grassos, i per electrons de reaccions d'oxidació del citosol. La ubiquinona reduïda que ha rebut electrons de complex 1 i 2, els transporta al complex 3 ges琀椀ona els electrons. Cal passar d’un transport de 2 e- a un transport d’un sol e- (disminució del 昀氀ux d’electrons). *Cicle q o cicle de la ubiquinona - Complex III: Ubiquinol Citocrom C oxidoreductasa Composició del complex Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 2 citocroms (B i C1) Proteïna amb centre de Rieske 2Fe-2S (no par琀椀cipa en el transport d’electrons però si que dona estabilitat al complex) 2 llocs d’unió diferents per la annexió de la ubiquinona La ubiquinona porta els electrons a una proteïna de Rieske amb centres de 2Fe2S, un citocrom B i C1 i una altre part de la proteïna que no par琀椀cipa en el transport d’electrons però si que dona estabilitat a la proteïna. **Els electrons venen en la ubiquinona reduïda, complex III, passen al citocrom C i d’aquest passen al citocrom IV. Aquesta ubiquinona reduïda que te dos electrons, un dels quals anirà als grups hemo dels citocrom B i després l’altre anirà a reduir el citocrom C que prèviament passarà pels grups FeS de la proteïna de Rieske i reduirà parcialment la ubiquinona que necessitarà protons. Per tant la diferencia de gradient serà mes elevada. **Els electrons han de passar pel complex i ser transferits al citocrom c que els transportarà al complex 4. La ubiquinona reduïda té dos protons: un anirà a centre Fe-S, cap al citocrom c1 i d'aquí al citocrom C que quedarà oxidat, i cap al complex 4. L'altre electró anirà al citocrom b i retorna a la ubiquinona i la redueix parcialment. Aquest procés es dóna dues vegades amb una segona ubiquinona, de manera que obtenim 2 citocroms c reduïts i la ubiquinona es pot reduir totalment (primer parcialment i després 昀椀nal amb 2 captacions). Quan es redueix la ubiquinona es passen protons a l'espai intermembranós. La segona ubiquinona capta protons de l'espai mitocondrial. Aquest complex u琀椀litza el mecanisme cicle Q o cicle ubiquinona. - Complex IV: Citocrom C oxidasa - El citocrom C portarà els electrons 昀椀ns el complex 4 on l'oxigen es reduirà donant lloc a l'aigua. En aquest complex 4 es bombegen protons cap a l'espai intermembranós des de la matriu. Composició del complex  11 subunitats: 3 codi昀椀cades pel genoma mitocondrial (I,II,III)  2 grups hemo amb propietats redox diferents  2 centres de coure coordinats per residus de cisteïna.  Complex amb múl琀椀ples cadenes polipep琀diques Són necessaris 4 electrons cedits pel citocrom per reduir l'oxigen a aigua. Els electrons passen a través de la subunitat 2 on hi ha 2 àtoms de Cu. Passen als dos centres Fe-S i cap a la subunitat 1 on hi ha 2 grup hemo: A i A3 que té un àtom de Fe reduït i molt proper al ferro hi ha un àtom de Cu reduït. Aquests electrons serveixen per assegurar que aquests dos àtoms estan reduïts. Entra l'oxigen i reacciona amb el Fe formant-se un enllaç peròxid entre Fe i Cu amb els 2 oxígens que han arribat. Després 2 electrons i 2 protons són necessaris perquè l'oxigen es redueixi parcialment i ob琀椀nguem 2 grups hidroxils. Després per la subunitat 1 que hi haurà Fe-OH i Cu-OH. Calen 2 protons mes que el que permetran es que es formin les dues molècules d’aigua. Aquest oxigen, es molt important que es man琀椀ngui unit a la proteïna, perquè si no es manté unit es poden formar, per exemple grups peròxids i això pot malmetre el DNA. *1r conversió a peròxid d’hidrogen que no surt mai del complex i llavors 2 e dels citocroma c i cedeixen aquests electrons al peròxid, i converteixen el peròxid a aigua. 1.5 Rendiment de la cadena de transport electrònic Mes rendible portar electrons del NADH perquè esta mes afavorit termodinàmicament. Si no hi ha oxigen la cadena arribarà un moment que s’aturarà, per tant el NAD i FAD no es pot reoxidar, per tant en el cicle de Krebs ens faltarà, i disminuirà la seva velocitat. En el cas del NAD quan hi ha concentracions altes, el que passarà es que Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 actuara de modulador nega琀椀u en les etapes del cicle de Krebs. Encara que l’oxigen no es琀椀gui implicat directament en el procés és necessari per dur a terme les reaccions. 1.6 Inhibidors de la respiració cel·lular Inhibeixen una sèrie de transportadors d’electrons. En els acceptors el que faran es seguir en el cicle La cadena de transport electrònica es pot inhibir per inhibidors respiratoris que impedeixen transferències d'electrons entre molècules. A més, hi ha acceptors electrònics ar琀椀昀椀cials que actuaran com a acceptors 昀椀nals, però aquestes molècules no tenen la capacitat de transferir electrons a altres molècules. 1.7 FOSFORILACIO OXIDATIVA Síntesis d’ATP que es produeixi a la membrana interna del mitocondri. Aproximadament l’energia associada els electrons ens permet sinte琀椀tzar menys ATP que l’oxidació del NAD. La cadena de transport i la fosforilació estan acoblades a un gradient de protons (us per la síntesis d’ATP) a traves de la membrana mitocondrial interna. A mesura que funciona la cadena funciona s’acumulen protons a l’espai intermembrana ja que la membrana es impermeable. El que es fa es baixar el pH (4 unitats), tenim un potencial químic (diferencia de pH) i un potencial elèctric (diferencia de protons). La força electromotriu es la que u琀椀litzem per sinte琀椀tzar ATP. Els protons tornaran a través de l’ATP-sintasa (subunitat catalí琀椀ca, sinte琀椀tzarà el ATP i canal iònic, transportar protons de la espai intermembrana a la matriu). Complex V: ATP sintetasa Els protons que es transporten a l'espai intermembranós no poden tornar a entrar ja que la membrana mitocondrial interna és impermeable. Es dóna potencial elèctric (càrregues posi琀椀ves a l'espai intermembranós i càrregues nega琀椀ves a la matriu) i potencial químic (diferència de pH: espai intermembranós més àcid); això genera una força motriu que provocarà la síntesi ATP: els protons tornaran a la matriu mitocondrial mitjançant un canal iònic i permetran que l'ATP sintasa doni lloc a ATP. Complex mul琀椀enzimà琀椀c Subunitat F1 (alfa, beta, gamma, èpsilon): Unitats sinte琀椀tzadores d'ATP. Diferents punts d'unió ATP-ADP. Hi ha 3 subunitats alfa i 3 subunitats beta formant 3 dímers alfabeta. Canals iònics (F0): cadenes b que 昀椀xen la delta, 昀椀xen l’hexàmer. Cada organisme 琀椀ndrà una quan琀椀tat o un altre de cadenes c, que és un canal de protons. Els protons entren per les cadenes c, aquesta entrada de protons provoca un gir a gamma i èpsilon, que anirà donant voltes 昀椀ns que s’acumulin els protons, i quan hagi 昀椀nalitzat la volta quest sor琀椀rà a la matriu i anirà a l’hexàmer afectant èpsilon i gamma. ATP SINTASA F1 Format per 3 complexes alfa-beta amb diferent conformació:  Laxa (L): síntesis ATP+P inorgànic  Compacta (T) sinte琀椀tza ATP  Oberta (O) allibera ATP. La subunitat beta és la subunitat catalí琀椀ca, en canvi la alfa només ajuda a que es produeixi la catàlisi. - Cada rotació de 120º, posa en contacte la subunitat γ amb un dímer αβ diferent i s’allibera ATP. - Una rotació complerta (360º) causa que cadascuna de les subunitats passi per les tres possibles conformacions, i es formen i s’alliberen 3 ATPs Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 Al pas de 3 protons es canvia la conformació, 昀椀ns que fa la volta sencera. Acoblament entre la cadena de transport i la síntesi d’ATP De les tres hipòtesis s’accepta la tercera. 1. Hipòtesi acoblament químic 2. Hipòtesi acoblament conformacional. 3. Hipòtesi acoblament quimiosmò琀椀c (Peter Mitchell). La tercera diu que hi ha transport d’electrons però no fosforilació, per tant si no hi ha transport d’electrons no hi haurà protons, per tant no es podrà sinte琀椀tzar ATP i no es podrà donar la fosforilació. La termogenina (proteïna), dissipen el gradient de protons. El transport electrònic genera una acidi昀椀cació del pH, i com que poden sor琀椀r els protons l’entorn del mitocondri serà àcid. A causa del gradient de protons, si no tenim substrats oxidables, i ho poses en un medi mes àcid els protons tornaran a entrar per l’ATP-sintasa. Consumició d’O2 comença a velocitat molt lenta, per tant s’alliberen electrons molt poc a poc, la síntesis d’ATP es molt lenta. Quan li proporcionem el substrat augmenta la capacitat del consum d’oxigen, i també veiem augmenta la velocitat de la fosforilació. Quan s’afegeixen la oligomicina i la venturicidia això disminueix l’ac琀椀vitat. Com que hi ha mes electrons costa mes bombejar protons i posem un agent desacoblant (protons per altre via). Llavors si que tornen els protons a la fosforilació oxida琀椀va. 3 H+  1 ATP La concentració de protons serà tant alta que l’energia lliure generada no serà su昀椀cient com per seguir transportant protons cap a forma. La concentració de protons serà tant alta que l’energia lliure generada no serà su昀椀cient com per seguir transportant protons cap a fora. Un agent ionòfor es un agnet que, es carrega el potencial electric (Ex: la valiomicina permet la entrada de K+, +posi琀椀u). Els agents desacoplants, a paart, també el gradient de propons Acoblament entre la cadena de transport i la síntesi ATP: [[[[[ Separació de complexos funcionals de la cadena respiratòria. El tractament amb detergent i osmò琀椀c ruptura dels mitocondris, per obtenir fragments de la membrana interna, que es resolen per intercanvi iònic cromatogra昀椀a en diferents complexos (I a IV) de la cadena respiratòria, cadascuna amb la seva singularitat composició proteica i l'enzim ATP sintasa (Complex V). Els complexos aïllats I al IV catalitzar les transferències entre donants (NADH i succinat), intermedi portadors (Q i citocrom c) i O2, com es mostra. In vitro, l'ATP sintasa aïllada només té Ac琀椀vitat d'hidrolització d'ATP (ATPasa), no de síntesi d'ATP. ]]]] ACOBLAMENT QUIMIOSMÒTIC (1) pH extern és 1,4 unitats menor que pH intern a la matriu mitocondrial (2) L'energia del transport electrònic es converteix en un gradient de protons. (3) Potencial elèctric i químic (degut al gradient de protons): Energia impulsora per la fosforilació d'ADP amb eliminació d'aigua. Els donadors d’electrons són el NADH i el FADH i l’acceptor 昀椀nal és l’O2. El potencial elèctric i químic (a causa del gradient de protons): és l’energia impulsora per la fosforilació d’ADP amb l’eliminació d’aigua L’energia lliure que es desprèn en passar els electrons del NADH a l’oxigen és de -220 KJ/mol. Com entren els protons a l’espai intermembrana, farem que s’acidi昀椀qui el seu pH (1,4 unitats menor que el pH intern de la matriu mitocondrial), per tant l’energia del transport electrònic es converteix en un gradient de protons. Per tornar els protons a l’interior han d’entrar per canals (fosforilació). 1.8. Altres transportadors de la membrana interna mitocondrial Translocases Downloaded by Lúa Roca ([email protected])  lOMoARcPSD|15480832 L'ATP ha d'arribar a la resta de la cèl·lula, hi ha d'haver vies per tal que hi arribi. Es necessiten proteïnes, les translocases, que transporten l'ATP entre matriu i citosol. Es fa en sen琀椀t contrari al transport de ADP. El fosfat és transportat també per una translocasa. És transportat en el mateix sen琀椀t que els protons. Transportadors d'equivalents de reducció Transport de NADH citosòlic (glicòlisi) dins el mitocondri. La glicòlisi té lloc al citosol on es generen NADH reduïts que s'han de poder oxidar i obtenir-ne energia. Els electrons han de poder arribar a la membrana mitocondrial. Llençadera aspartat-malat Seran transportats per la membrana i permetran el transport d'electrons. El malat és transportat per una proteïna transportadora a la matriu mitocondrial on es reoxida a oxalacetat i permet la reducció de NAD, l'oxalacetat es converteix en aspartat, que retornarà a l'espai intermembranós i es tornarà a conver琀椀r a oxalacetat. Llençadera del glicerol 3-fosfat (G3P) o Es dóna a múscul esquelè琀椀c i a cervell És la que transportarà electrons que reduiran la ubiquinona a ubiquinol en el complex 2. Això ho fa la glicerol fosfat deshidrogenasa que es troba unida a la membrana interna. Obtenim FAD oxidat. Llençadera molt més ràpida però hi ha menys e昀椀ciència. Obtenim 2,5 ATP per cada NADH i 1,5 ATP per cada FADH2 Downloaded by Lúa Roca ([email protected])