Tema 10. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa PDF

Tema 10. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa  2 Tema 10. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. 10.2. Complej...

Tema 10. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa  2 Tema 10. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. 10.4. Sistemas lanzadera NADH. 10.5. Regulación de la fosforilación oxidativa. 10.6. Patologías asociadas. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Cadena Respiratoria también conocida como Cadena Transportadora de Electrones (CTE) 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Cadena Respiratoria también conocida como Cadena Transportadora de Electrones (CTE). ¿Dónde tiene lugar? 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Cadena Respiratoria también conocida como Cadena Transportadora de Electrones (CTE). ¿Dónde tiene lugar? En la mitocondria 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Cadena Respiratoria también conocida como Cadena Transportadora de Electrones (CTE). ¿Dónde tiene lugar? En la mitocondria ¿Qué moléculas son necesarias? 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Cadena Respiratoria también conocida como Cadena Transportadora de Electrones (CTE). ¿Dónde tiene lugar? En la mitocondria ¿Qué moléculas son necesarias? O2 como último aceptor de electrones NADH y FADH como intermediarios que aportan poder reductor al oxidarse FAD FADH2 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Consumo de oxígeno y producción de CO2. Reacciones de transferencia de electrones por una cadena de transporte ligada a membrana. Energía libre puesta a disposición por este flujo de electrones esta acoplada a transporte de protones desde la matriz al espacio intermembrana. Conservándose la energía libre de oxidación de los combustibles en forma de potencial electroquímico de membrana. El flujo transmembrana de protones a favor de gradiente de concentración mediante canales proteicos específicos proporciona la energía libre para la síntesis de ATP catalizada por un complejo proteico. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Paso de electrones no es directo a Oxígeno. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Paso de electrones no es directo a Oxígeno. Primera etapa oxidación de NAD+ y FAD a NADH+H+ y FADH2. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Paso de electrones no es directo a Oxígeno. Primera etapa oxidación de NAD+ y FAD a NADH+H+ y FADH2. Electrones pasan a la CTE por la reoxidación de estas moléculas. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Paso de electrones no es directo a Oxígeno. Primera etapa oxidación de NAD+ y FAD a NADH+H+ y FADH2. Electrones pasan a la CTE por la reoxidación de estas moléculas. El proceso por el que los electrones se transfieren desde biomoléculas de alimento hasta el oxígeno se denomina respiración aerobia. FUENTE: https://definicion.de/respiracion- aerobia/ 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Protones pasan de matriz mitocondrial a espacio intermembrana, generando un gradiente que impulsa la síntesis de ATP, a través de la fosforilación oxidativa. 10.1. Localización y función de la cadena de transporte de electrones. Papel de la mitocondria crítico para la función celular y para el organismo. Defectos en la función mitocondrial implican graves problemas médicos: Claves para función neuronal y muscular. Regulación del metabolismo energético y peso corporal. Enfermedades neurodegenerativas, cáncer, diabetes y obesidad son un posible resultado de función mitocondrial defectuosa. Teoría de envejecimiento basada en la pérdida gradual de la integridad mitocondrial. La mitocondria además de síntesis de ATP tiene otras funciones como la termogénesis, síntesis de esteroides y apoptosis. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Complejos proteicos que participan en la CTE: 1. Complejo I: NADH-ubiquinona oxidorreductasa. 2. Complejo II: succinato-deshidrogenasa. 3. Complejo III: ubiquinona-citocromo c oxidorreductasa. 4. Complejo IV: citocromo c oxidasa. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Grupos transportadores de electrones de la cadena Ubiquinona (coenzima Q) (Q) Flavina Mononucleótido (FMN) Grupos hemo de los citocromos Centros Fe-S 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Ubiquinona (coenzima Q) Derivado quinona con larga cadena isoprenoide. Puede presentar tres estados de oxidación. Sus reacciones de transferencia de electrones están acopladas a la unión o liberación de protones. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Flavín Mononucleótido (FMN) Presente en flavoproteínas. Al igual que la ubiquinona, sus reacciones de transferencia de electrones están acopladas a la unión o liberación de protones. También al poder existir en forma de semiquinona, transportar tanto un electrón como un par. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Centros Fe-S Fe está presente asociado a átomos de azufre de la Cys de la proteína transportadora. Se pueden presentar en tres tipos. El Fe de estos complejos alterna entre los estados oxidado Fe3+ y reducido Fe2+. En este caso no acepta ni libera protones. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Grupos HEMO Son los grupos prostéticos de los citocromos Tres tipos de citocromos en la mitocondria. Los grupos hemo de los citocromos a y b: unidos fuertemente de manera no covalente, a sus proteínas respectivas. Los grupos hemo de los citocromos c están unidos de forma covalente a través de residuos de Cys. Su átomo de hierro oscila entre Fe3+ y Fe2+. Diferentes citocromos tienen diferentes potenciales redox (diferente entorno para cada grupo hemo): intervienen en diferentes pasos en la cadena de transporte de electrones.  10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 1. Complejo I: NADH-ubiquinona oxidorreductasa. Transfiere los electrones desde el NADH a la ubiquinona o coenzima Q: NADH se oxida a NAD+. Ubiquinona se reduce a ubiquinol. Simultáneamente, el complejo I permite el paso de 4 H+ a través de la membrana, produciendo un 2 gradiente.  10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 2. Complejo II: succinato-deshidrogenasa. Enzima del ciclo del ácido cítrico ligado a membrana. Dos tipos de grupos prostéticos y cuatro subunidades proteicas diferentes. Tres centros Fe-S Succinato se oxida a fumarato. FAD se reduce a FADH2. FADH2 se oxida a FAD. Ubiquinona se reduce a ubiquinol. El potencial eléctrico producido en esta reacción es mucho menor que en la primera: Hay transferencia de electrones. No hay gradiente de H+.  10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 2. Complejo II: succinato-deshidrogenasa. De manera análoga, Glicerol fosfato deshidrogenasa y Acil-CoA deshidrogenasa de ácidos grasos transfieren sus electrones de alta energía del FADH2 a Q para formar QH2.  10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 3. Complejo III: ubiquinona-citocromo c oxidorreductasa. Unidad funcional es un dímero, cada monómero consta de tres proteínas: citocromo b, citocromo c1 y la proteína ferro-sulforada de Rieske Cataliza la transferencia de electrones desde ubiquinol formado en los dos pasos anteriores hasta citocromo c que es una proteína soluble que se encuentra en el espacio intermembrana. A la vez el complejo III favorece el paso de 4 H+ a través de la membrana mitocondrial.  10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. 4. Complejo IV: citocromo c oxidasa. Este complejo capta los electrones del citocromo c y se los cede al O2 que se reduce a agua. Por cada 4 electrones que pasan se genera 2 moléculas de agua tomando 4 H+ de la matriz y se bombean otros de 4 H+ de la matriz al espacio intermembrana. 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Producción de radicales de oxígeno por la mitocondria: las semiquinonas/semiflavinas pueden ceder 1 electrón al oxígeno O2+ e →O 2 - ·(radical superóxido) → O2·+ e + H+ O2H· (radical superóxido protonado) O H·+ e + H →H O (O H/H O es muy oxidante) 2 + 2 2 2 2 2 H O + Fe →OH + OH·+ Fe 2 2 2+ - 3+ Radicales de oxígeno atacan a lípidos, proteínas y DNA (daño oxidativo, envejecimiento) 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Sistemas Antioxidantes: Superóxido dismutasa mitocondrial y citosólica: → 2O2- + 2H+ H2O2 + O2 Catalasa: 2H2O2 →2H2O + O2 Glutatión peroxidasa: → H2O2 + 2GSH 2H2O + GSSG GSH: Glutatión reducido GSSG: Glutatión disulfuro (oxidado) 10.2. Complejos y reacciones de la cadena de transporte de electrones. Sistemas Antioxidantes: Vitamina E (tocoferol) y Vitamina C (ascórbico) actúan como antioxidantes atrapando el radical libre y estabilizándolo en su anillo. El radical ascorbilo puede ser de nuevo regenerado por GSH. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosina trifosfato (ATP). 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosina trifosfato (ATP). La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosina trifosfato (ATP). La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP. La fosforilación oxidativa es el mecanismo por el cual el ATP captura la energía libre en el gradiente protónico mitocondrial. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La teoría quimiosmótica (Mitchell, 1961) 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La teoría quimiosmótica (Mitchell, 1961) establece que las diferencias transmembrana en la concentración de protones son el reservorio de la energía obtenida a partir de las reacciones de oxidación. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. La teoría quimiosmótica (Mitchell, 1961) establece que las diferencias transmembrana en la concentración de protones son el reservorio de la energía obtenida a partir de las reacciones de oxidación. El gradiente de concentración de protones generado en la CTE sirve como almacén de energía que dirige la formación de ATP: la fuerza protón-motriz. La fuerza protón-motriz es utilizada por la enzima ATP sintasa para la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi  10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. F1 Unidad catalítica Subunidades α y β (ATP sintasa) Pero solo la β participa en la catálisis F0 Unidad bombeadora de H+ FUENTE: https://www.uv.es/marcof/Tema16.pdf  10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. Tenemos que tener en cuenta que: La ATP sintasa en si no precisa del gradiente de protones para generar el ATP (comprobado por experimentos de marcaje). PERO por si sola la ATP sintasa no es capaz de liberar este ATP del centro catalítico una vez formado. SOLO cuando existe el flujo de protones se produce esa liberación 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. TENSA (T): Cataliza la transformación de ADP+Pi en ATP, une fuertemente el ATP generado sin permitir su liberación: demasiado apretado, encajado en el centro activo. RELAJADA (L): Une ADP y Pi en conformación lo suficientemente apretada para que no se desprenda ABIERTA (O): Puede tanto unir como desprender nucleótidos al ser la conformación más abierta. 10.3. Fosforilación oxidativa. Teoría quimiosmótica. ATP sintasa. Por cada rotación de 120º : liberación de ATP y unión de un nuevo ADP+Pi. Cada vuelta del anillo generara 3 ATP y fluirán 10 protones: 10/3 ~ 3 H+ por ATP 10.4. Sistemas lanzadera NADH. Sistemas lanzadera para obtener NADH Necesarias para que el NADH del citosol se introduzca en la mitocondria. 2 tipos: Lanzadera Glicerol-3-fosfato Lanzadera Aspartato-Malato  10.4. Sistemas lanzadera NADH. Lanzadera Glicerol-3-fosfato El NADH del citosol reduce a la dihidroxiacetona fosfato y la transforma en glicerol-3 fosfato. Este compuesto atraviesa la membrana externa y en el espacio intermembrana reduce al FAD formando FADH2 necesario para la cadena de transporte electrónico. Al actuar como reductor, el glicerol 3-fosfato se oxida a dihidroxiacetona fosfato, que regresa al citosol para poner en marcha de nuevo la lanzadera.  10.4. Sistemas lanzadera NADH. Lanzadera Aspartato-Malato El NADH del citosol reduce al oxalacetato formando malato. Ni NADH ni oxalacetato son capaces de atravesar la membrana interna mitocondrial, pero el malato si, ya que dispone de un transportador específico. Una vez en la matriz mitocondrial, el malato es oxidado de nuevo a oxalacetato y en este proceso el NAD+ presente es reducido a NADH. El oxalacetato en la matriz recibe un grupo amino y se transforma en aspartato, que atraviesa la membrana y regresa al citosol. Allí el aspartato se transforma en oxalacetato disponible para actuar de nuevo como lanzadera. 10.4. Sistemas lanzadera NADH. Sistemas lanzadera para obtener NADH Lanzadera Glicerol-3-fosfato Lanzadera Aspartato-Malato En ambas lanzaderas se recupera la molécula inicial Para que ambas funcionen, la relación NADH/NAD+ tiene que ser mayor en el citosol que en la matriz mitocondrial 10.5. Regulación de la fosforilación oxidativa. Regulada por las necesidades celulares de energía: Tasa respiratoria (consumo de O2) Limitado generalmente por disponibilidad de ADP, llamado control por aceptor. Razón de la acción de masas del sistema ATP-ADP. Cociente elevado [ATP]/([ADP][Pi]) cuando se reduce aumenta el ADP disponible.  10.5. Regulación de la fosforilación oxidativa. Proteína inhibidora de la hidrólisis de ATP durante la hipoxia. En hipoxia la fuerza protón-motriz desaparece. En estas condiciones la ATP sintasa puede operar hidrolizando ATP. IF1, se une a 2 ATP sintasas inhibiendo su actividad. Cuando se recupera el estado aerobio se desestabiliza IF1 y se pierde la inhibición. 10.6. Patologías asociadas. Neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL). Síndrome de Kearns-Sayre. Síndrome de Melas. Síndrome de Leigh.