Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa PDF

20.- CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 20- Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa CTE: Mitocondria, componentes de la CTE Cofactores: metálicos, coenzimas, libres, grupos prostético...

20.- CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 20- Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa CTE: Mitocondria, componentes de la CTE Cofactores: metálicos, coenzimas, libres, grupos prostético Potencial de reducción Fosforilación oxidativa: teoría quimiostática, ATP sintasa Sistemas de transporte en la membrana interna mitocondrial: sistemas lanzadera Proteínas desacoplantes ESTRUCTURA DE LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES MITOCONDRIAL Feduchi y cols. Bioquímica, conceptos esenciales. Ed, Panamericana 2011 MITOCONDRIA Centrales energéticas celulares. Espacio intermembrana Herrera E. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES O RESPIRATORIA Esta OXIDACIÓN GRADUAL: Evita el daño celular Mayor rendimiento energético Proceso muy exergónico acoplado a la síntesis de ATP. Gradiente de protones COMPONENTES DE LA CADENA RESPIRATORIA SUBUNIDADES 46 4 8 7 COFACTORES 1FMN 1 FAD Fe-S Citocromo b562 Citocromo a REDOX Fe-S Fe-S Citocromo b566 Citocromo a3 Citocromo b560 Citocromo c1 2 iones cobre NADH DH Succinato DH La Ubiquinona (ubicua en sistemas biológicos) y Citocromo c son moléculas móviles de transferencia de electrones COMPONENTES DE LA CADENA RESPIRATORIA Complejos I-IV: proteínas con transportadores de electrones: 1.1.- Citocromos: proteínas con grupo prostético hemo. 1.2- Centros ferro-sulfurados: proteínas con Fe asociado a átomos de S. Coenzimas: NAD+ NADP+ Coenzimas solubles de enzimas deshidrogenasas FMN FAD Coenzimas UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético) Quinonas: transportadoras en medio no acuoso-liposoluble (membranas) Ubiquinona, Co Q, Co Q10 Coenzima Q10:10 unidades de isopreno Acepta electrones del complejo I, del II y de otras deshidrogenasas mitocondriales: Glicerofosfato DH Acil CoA DH  Distintas flavoproteínas transfieren electrones a la CoQ: _ Complejo I _ Complejo II _La Acil-CoA deshidrogenasa (beta oxidación): transfiere los electrones de FADH2 a la ubiquinona a través de una flavoproteína transferidora de electrones (ETFP). _Glicerol-3-P deshidrogenasa (sistema lanzadera): los electrones procedentes del citosol son cedidos a la ubiquinona a través de este enzima. Herrera E. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014. FLAVINAS: FAD (Dinucleotido de flavina y adenina) Derivado de la vitamina B2- FMN (Flavín mononucleótido) Riboflavina Acepta dos átomos de hidrógeno, es decir, dos electrones y dos protones. PIRIDINAS: NAD: Dinucleótidos de nicotinamida y adenina NADP: Dinucleótidos fosfato de nicotinamida y adenina Derivado de la vitamina B3-Niacina o ácido nicotínico y nicotinamida Acepta un ión hidruro (:H-), es decir dos electrones y un protón NAD: participa en procesos de oxidorreducción y el 60-80% se encuentra en la mitocondria. NADP: participa en reacciones de síntesis y el 70% se encuentra en el citosol. TRANSFERENCIA DE ELECTRONES FLUJO DE ELECTRONES DESDE EL NADH y FADH2 HASTA EL OXÍGENO MOLECULAR  FUENTE DE ELECTRONES ACEPTOR DE ELECTRONES e- e- nutrientes Oxígeno: el mayor de los oxidantes Algunas enzimas del metabolismo que generan poder reductor son: Gliceraldehido-3P deshidrogenasa α-Cetoglutarato deshidrogenasa Piruvato deshidrogenasa NADH Malato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa 3-Hidroxil-CoA deshidrogenasa Succinato deshidrogenasa FADH2 Acil-CoA deshidrogenasa FUENTES DE PODER REDUCTOR El flujo de electrones desde NADH y FADH2 hasta el oxígeno es exergónico, porque el oxígeno tiene una afinidad por los electrones mayor que la que tienen los transportadores de electrones intermedios. Con la cesión de los electrones, NADH y FADH2 vuelven a oxidarse en la cadena respiratoria.  El electrón de un par redox se desplaza desde el dador hacia una molécula con mayor afinidad relativa por el electrón que el propio dador. A esa tendencia de una molécula a ser reducida (es decir, a coger el electrón) se le conoce como POTENCIAL DE REDUCCIÓN (E). El electrón va del hierro al cobre por que el potencial de reducción de este último es mayor. Cu2+: oxidante E Cu2+ > E Fe2+ Fe2+: reductor La transferencia espontánea de electrones tiene lugar solamente desde un sistema más negativo (E más bajo) a otro más positivo (un E más alto) de potencial de reducción (de un reductor a un oxidante), es decir E○´ positivo E º´= E º´(agente oxidante) − E º´(agente reductor ) E ○ ´> 0 reacción termodinámicamente favorable Potencial Estándar de Reducción (Eo): 25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M. En condiciones fisiológicas pH = 7 (Eo´)  Los electrones se transfieren espontáneamente desde un sistema con menor potencial de reducción a otro con mayor potencial de reducción (de un reductor a un oxidante), es decir E ○ ´ > positivo REACCIÓN ESPONTANEA Cada uno de los transportadores de la cadena de transporte de electrones está situado en la cadena según el orden creciente de potencial de reducción, con el oxígeno en el extremo. E⁰=1.14 v G⁰= -52.4 Kcal/mol -220 KJ/mol 1J=0,24cal; 1cal=4,19J  2e- + Complejo I y II catalizan la transferencia de electrones a la ubiquinona a partir de NADH (I) y succinato (II). Complejo III transporta electrones desde la ubiquinona reducida al citocromo c. Complejo IV completa la secuencia transmitiendo electrones desde el citocromo c al O2 Complejo I, III y IV bombean protones al espacio intermembranal. El potencial de reducción del del complejo II y la CoQ es similar, por lo que no se desprende energía suficiente para realizar el bombeo de protones. La reducción incompleta del oxígeno genera especies reactivas de oxígeno (ROS): superóxido (O2– ), peróxido de hidrógeno (H2O2), radical hidroxilo (OH ). Las ROS ocasionan daño oxidativo en DNA, membranas y proteínas. Disponemos de enzimas que protegen frente al daño oxidativo de las ROS, como la enzima superóxido dismutasa (SOD), catalasa o glutatión peroxidasa. Herrera E. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014.  FOSFORILACIÓN OXIDATIVA La producción de un gradiente de protones está conectada al flujo de electrones mediante los complejos I, III y IV.  TEORÍA QUIMIOSMÓTICA Gradiente de pH Síntesis de ATP Potencial Eléctrico de  pH~0.5-1 membrana Impulsada por LA FUERZA y~-150 mV (alcalino en la matriz) PROTÓN-MOTRIZ (en la matriz) El gradiente de pH y el potencial de membrana que se generan como consecuencia del bombeo de protones en la cadena de transporte de electrones, constituyen una fuerza protón-motriz que se utiliza para la síntesis de ATP por la ATP sintasa. (Peter Mitchell-premio Nobel 1978)  Se transportan protones en los complejos I (4H+), III (4H+) y IV (2 H+) NADH a O2:10 H+/2 e-. FADH2 a O2: 6 H+/2 e-. El acoplamiento entre la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP, es indirecto, siendo el 1 molécula de NADH→ 10H+/4 → 2,5 ATP número de protones necesarios para impulsar la síntesis de una molécula de ATP de aproximadamente 4. 1 molécula de FADH2 → 6H+/4 → 1,5 ATP Mathews. Bioquímica. Pearson  ATP SINTASA: SUBUNIDAD F0 Y F1 La ATP sintasa es la estructura más compleja de la membrana interna mitocondrial: contiene dos subestructuras principales F0 y F1, conectadas entre sí por un tallo central formado por las proteínas  y  Porción F1 (tres dímeros   + γ, δ, ɛ.) es una proteína periférica de membrana, soluble en agua. Proyecta hacia la matriz mitocondrial: Trímeros   Región que cataliza la formación de ATP. En la subunidad  Matriz se unen los nucleótidos. δ: se une a b2, que inmoviliza a F1  y ɛ: transmisión del movimiento de Fo hacia F1. Porción F0: proteína transmembrana hidrofóbica que contiene un canal M.I.M por donde regresan los protones a la matriz mitocondrial. La energía libre generada por este retorno impulsa la síntesis de ATP por la Porción F1 de la ATP sintasa. Formado por un anillo de 10-14 subunidades de tipo c, subunidad a y b2 que conecta con F1 y lo inmoviliza a través de la subunidad . Espacio intermembrana El anillo c (F0) gira con el paso de los H+, lo que causa el giro de las subunidades  Esto, induce cambios en la conformación de los dímeros , que se asocian con la formación y liberación de una molécula de ATP.  SÍNTESIS DE ATP Cada rotación de 120° de la subunidad γ induce cambios conformacionales en los dímeros de las subunidades αβ, de forma que los centros de fijación de nucleótidos (subunidad ) van alternando entre tres estados: L: Unida a ADP y Pi T: Sintetiza ATP O: Libera ATP- vacía Catálisis rotacional En este modelo, el ATP se forma espontáneamente por condensación ADP+Pi. El paso dependiente de energía no es la síntesis de ATP, sino su liberación de su lugar de unión. Esta liberación se produce por la rotación de  que requiere energía y que impulsa los cambios conformacionales de los ensamblajes . (Premio Nobel de Química, 1997, Walter y Boyer) Nelson y Cox. Leningher. Principios de Bioquímica. 5ª ed. Omega. 2009  ESTEQUIOMETRÍA DEL CONSUMO DE O2 Y SÍNTESIS DE ATP Según va girando el complejo por el paso de 3 H+ las unidades  cambian de conformación, y liberan una molécula de ATP en cada giro. ATP Sintasa   En la medición real con mitocondrias aisladas, la     relación ATP formado respecto a la oxidación de los ADP3- + metabolitos que producen NADH es de ∼2,5 y la ATP4- Pi Matriz b2 H+ relación para los que producen FADH2 es de ∼1,5.   Fosfato Translocasa (10/4) 1 molécula de NADH genera 2,5 ATP a c12 (6/4) 1 molécula de FADH2 genera 1,5 ATP Espacio P i H+ ≈30% de la energía derivada de la cadena de intermembrana 3H+ ATP4- ADP3- transporte de electrones se usa para la síntesis de Nucleótido de adenina ATP. Parte de la energía restante se usa para el Translocasa transporte de aniones y calcio al interior de la mitocondria y el resto se disipa en forma de calor. ATP sintasoma: ATP sintasa, Fosfato translocasa y Nucleótido de adenina translocasa SISTEMAS DE TRANSPORTE M.I.M  SISTEMAS DE TRANSPORTE M.I.M La membrana externa mitocondrial es permeable para muchos compuestos, pero la permeabilidad de la membrana interna es muy limitada y selectiva. Para realizar el intercambio de compuestos a través de la M.I.M. existen unos sistemas de transporte específicos: - el ATP se sintetiza en la mitocondria, pero su hidrólisis ocurre mayoritariamente en el citosol, por lo que sale a través de la Adenosina Nucleótico Traslocasa cuando entra el ADP. - el fosfato inorgánico puede entrar a la matriz mediante la fosfato traslocasa, acoplado a la entrada de un protón (simporte) o salida de ion hidroxilo (antiporte). Herrera E. Bioquímica básica. Disponible en: ClinicalKey Student, Elsevier Limited (UK), 2014. SISTEMAS LANZADERA DE NADH DEL CITOSOL A LA MITOCONDRIA ¿Cómo accede a la mitocondria el poder reductor generado en el citosol siendo la membrana interna mitocondrial impermeable a su paso? SISTEMAS LANZADERA  El NADH, generado en la glucolisis y por otras deshidrogenasas citosólicas debe llegar a la mitocondria, pero no puede atravesar por sí mismo la membrana mitocondrial. Lo hace a través de un SISTEMA DE LANZADERA, que consiste en: 1.- Oxidación del NADH al reducir a otra molécula para la NADH+H+ que existe un transportador específico en la membrana NAD + mitocondrial. Molécula-Oxid Molécula-Red 2.- Paso del sustrato reducido a la matriz mitocondrial Citoplasma Matriz mitocondrial 3.- Reoxidación de ese compuesto en el interior de la matriz, con obtención de NADH o FADH2 Molécula-Red Molécula-Oxid 4.- Paso del sustrato oxidado de vuelta hacia el citoplasma. FAD o NAD + FADH2 o NADH+H+ SISTEMAS LANZADERAS A.- Glicerol 3P: el poder reductor llega a la mitocondria en forma de FADH2, por lo que los electrones que incorporan a la ubiquinona (no en el complejo I); obtención de menor número de ATPs. B.- Malato-Aspartato: el poder reductor llega a la mitocondria en forma de NADH+H+, por lo que los electrones se incorporan en el complejo I; obtención de mayor número de ATPs. Baynes J, Bioquímica Médica. Ed. Elsevier. 2019 Proteínas desacoplantes Transporte electrónico en ausencia de síntesis de ATP debido a la disipación del gradiente de protones.  PROTEÍNA DESACOPLANTE- UCP1 UCP1 o termogenina- Proteína localizada en la membrana interna mitocondrial del tejido adiposo pardo. Canal de protones, que desacoplan la CTE con la síntesis de ATP. La energía se disipa entonces en forma de calor, en lo que se conoce como termogénesis. Importante en neonatos. Regulación alostérica, transcripcional, hormonal  INHIBIDORES Y SUSTRATOS ARTIFICIALES Rotenona (insecticida) Cianuro(CN-), azida(N3-) Antimicina A Amital (barbitúricos) monóxido de carbono (Complejo III) (Complejo I) (Complejo IV) Agentes desacoplantes: 2,4-dinitrofenol, dicumarol Son ácidos débiles que liberan H+ en la matriz mitocondrial, disipando el gradiente electroquímico. No síntesis de ATP- Estimulan el gasto de O2. Se genera calor Inhibidores de ATP sintasa: Oligomicina, venturicidina Bloquea el canal F0 y el gradiente de pH no puede disiparse. Inhiben síntesis de ATP-No estimulan el gasto de O2 Ionóforos: Valinomicina Interfieren en el transporte de cationes e influyen de forma indirecta en el transporte de H+ y en la síntesis de ATP