Tema 2: Oxidoreducción biológica y fosforilación oxidativa

Oxidoreducción
Tema 2: Oxidoreducción biológica
y fosforilación oxidativa
Oxidorreducción biológica
•Potencial de oxido-reducción y ∆ de energía libre.
•Cadena respiratoria: composición y localización subcelular
•Fosforilación oxidativa: teoría quimiosmótica
• Acoplamiento y rendimiento energético en la formación de ATP
•ATP-sintasa: estructura y función
Oxidoreducción
Tema 2: Oxidacción biológica de nutrientes NADH + H+
NADH transporta e- a la cadena respiratoria
El transporte de e- genera gradiente de H+ en la membrana
Esos H+ activan a la ATP-sintasa (fosforilación oxidativa)
Objetivos de aprendizaje:
Entender que la oxidación del NADH transcurre en múltiples pasos
efectuada por tres complejos de proteínas transmembrana con varios
grupos red-ox activos en cada uno.
Comprender que la Coenzima Q y el citocromo c son transportadores
móviles de e- entre los complejos proteícos.
Comprender que los H+ son traslocados a través de la membrana
mitocondrial por los complejos I, III y IV.
Entender como la energía libre de la oxidación del NADH se conserva
como un gradiente electroquímico de H+.
APLICAR EL BALANCE: 2NADH + 2H+ + O2 4e- 4 H2O
Entender que la reducción de cada molécula de O2 por los e- aportados
por 2 NADH hasta formar 2 H2O , requiere 4 e- y produce la translocación
de 20 H+ al espacio intermembranoso.
Oxido-reducción biológica
Las células oxidan los nutrientes orgánicos para generar ATP,
necesario para su trabajo útil.
Perdida de electrones = Oxidación
A
A+ + e oxidado
Ganancia de electrones = Reducción reducido
El flujo de electrones en el metabolismo se canaliza a través de
intermediarios metabólicos y de transportadores (COENZIMAS REDOX) que
convierten la energía del flujo de e- (∆ Eo) en energía química (∆ Go): ATP.
Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una fuente de electrones. Su
degradación producirá NADH
CO2
NAD+
FAD
NADH
FADH2
∆ Eo
∆ Go
∆ Go
H2O
ATP
Reacciones de oxidación reducción
A + B+
A+ + B
reducido oxidado
oxidado
A: pierde e-, se oxida
Reductor
B: gana e-, se reduce
Oxidante
A (red)
reducido
A (ox) + e-
B (ox) + e-
B (red)
Fe2+ + Cu2+
Fe3+ + Cu+
Fe2+
Fe3+ + eCu2+ + e-
Cu+
Fe2+ (donador) / Fe3+ (aceptor): par redox conjugado
NADH (donador) / NAD+ (aceptor):
par redox conjugado
Potencial de reducción: Eo
Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e En condiciones estándar ( Eo ):
25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M
H+ + e-
Eo = 0 V
½ H2
En condiciones fisiológicas pH = 7 ( Eo´ )
Patrón o par estandar
Eo(H+/1/2H2) = 0,42 V
•Tendencia a adquirir e- > par estándar Eo´
+
Mucha afinidad por e- ->OXIDANTE
•Tendencia a adquirir e- < par estándar Eo´
-
Poca afinidad por e- ->REDUCTOR
Los e- fluyen desde las especies reductoras, con un Eo´ más electronegativo (- Eº’)
a las especies oxidantes, con un Eo´ más electropositivo (+ Eº’).
Potencial de reducción e ∆G
[aceptor electrones]
RT
E = Eo +
ln
nF
[donador de electrones]
n = nº de e- cedidos
F = cte de Faraday = 96,48 kJ/mol V
El flujo de e- produce una energía libre (∆
∆G ) capaz de realizar trabajo útil
∆Go´´ es proporcional a ∆Eo´
∆Go´ = - n F ∆E
∆ o´
∆Eo´ +
∆Go´´ -
∆G = - n F ∆E
∆
Reacción espontánea
Potencial de reducción e ∆G
Los potenciales de reducción estándar de los compuestos permiten
calcular la ∆Gº de la reacción redox
Piruvato + NADH + H+
Lactato + NAD+
Semirreacciones:
Piruvato + 2H+ + 2e-
Lactato
NADH - 2H+ - 2e-
NAD+
Eo´ = -0,19 V
Eo´ = -0,32 V
∆Go´ = - n F ∆E
∆ o´
n = nº de e- cedidos = 2,
∆Eo´ = Eo´ (aceptor e-) – Eo´ (donador e-)
∆Eo´ = Eo´ (oxidante) – Eo´ (reductor)
F = 96,48 kJ/mol V
∆Eo´ = -0,19 – (-0,32) = 0,13 V
Piruvato acepta e- del NADH
∆Go´´ = -2 (96,5 kJ/mol V) (0,13 V) = -25,09 kJ/mol
La reacción es espontánea en condiciones estándar: [ ]= 1M, 25ºC y pH 7
Respiración mitocondrial
• Las células aeróbicas consumen O2 y lo
reducen a H2O con los e- procedentes de la
oxidación de nutrientes (NADH, FADH2).
TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL:
Se da en la membrana interna mitocondrial a través
de una serie de transportadores de e- (componentes
de la cadena respiratoria) que llevan los e- desde las
coenzimas reducidas (NADH, FADH2) hasta el O2.
Durante la transferencia de e- desde el NADH, o
el FADH2 , hasta el O2 se genera un bombeo de H+
hacia el espacio intermembranoso, originando una
fuerza protomotriz (H+-motriz) que activa a la ATPsintasa.
• La fosforilación oxidativa consiste en
la fosforilación del ADP hasta ATP por la
ATP-sintasa, activada por los H+.
• constituye la fuente más importante de ATP
en los organismos aerobios
Mitocondria
La fosforilación oxidativa se produce en la membrana
interna de la mitocondria
La mitocondria posee dos membranas
muy estructuradas, que rodean a la
matriz.
Membrana externa
Es bastante permeable a iones y
moléculas pequeñas
Membrana interna
Es impermeable a casi todos los iones,
Se pliega en crestas
Contiene los componentes de la
cadena de transporte de e y la ATP sintasa
Matriz
Interior mitocondrial donde tienen lugar
el ciclo del ácido cítrico y la oxidación de
los ácidos grasos, etc.
Crestas
Espacio intermembrana
Matriz
Membrana externa
Membrana interna
La oxidación del NADH se produce en
la cadena respiratoria mitocondrial
Formada por
Complejos proteicos
1.- Transporte de
electrones desde el NADH
• Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa
• Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa
• Complejo IV: Citocromo c oxidasa
2.- Transporte de electrones
desde el FADH2
• Complejo II: Succinato CoQ
reductasa
• Otros
Compuestos
redox
Componentes de la cadena respiratoria
Transportadores de electrones
Coenzimas:
NAD+
NADP+
Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas
FMN
FAD
UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético)
Quinonas: Transportadores en medio no acuoso (membranas)
Ubiquinona = Co Q = Q
Citocromos:
Proteínas con grupo prostético hemo
Centros ferro-sulfurados
Proteínas con Fe asociado a átomos de S
algunos transportadores de e- están asociados a proteínas y forman lo
que llamamos Complejos: I, II, III y IV
Coenzimas transportadoras de e- :
DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA
NADH (coenzima soluble)
o
NADH
(reducido)
NAD+
(oxidado)
Adenina
NAD+ + 2H+ + 2e-
AH2 + NAD+
Coenzima de oxidorreductasas o
deshidrogenasas
Responsable entrada e- por el complejo I
NADH + H+
A + NADH + H+
MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA y
DINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA
FMN y FAD (coenzimas NO solubles,
ligadas a proteínas)
Anillo de isoaloxazina
FMN
.
.
FADH (FMNH )
(semiquinona)
FADH2 (FMNH2)
(totalmente reducido)
FAD
FMN presente en complejo I
FADH2 entrada de e- por el complejo II
FAD + 2H+ + 2e-
FADH2
FMN + 2H+ + 2e-
FMNH2
COENZIMA transportadora de e- :
Ubiquinona, Coenzima Q, CoQ
Unidades de ISOPRENO
Ubiquinoa (Q)
Totalmente oxidada
Lípido isoprenoide
Radical Semiquinona
Parcialmente oxidado
QHo
Difunde libremente por la membrana
No está ligado a ninguna proteína
Ubiquinol
Totalmente reducido
QH2
Puede transferir 1 e- o 2 e-
Método: Extraible con isooctano
Proteínas con transportadores de e- :
Citocromos (HEMO)
Proteínas con un grupo hemo
Transfieren 1 e- mediante la
oxidorreducción del Fe (2+, 3+)
Clasificación según su espectro de absorción: a, b, c
Citocromos a y b están en LOS complejos III y IV
Citocromo c es una proteína soluble, se asocia con la membrana interna
Proteínas con centros
ferro-sulfurados
Proteínas con Fe en forma NO HEMO sino asociado a átomos de S
Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe
Fe-S
2Fe-2S
4Fe–4S
TRANSPORTE en
Complejo I:
NADH CoQ reductasa
Transfiere 2 edesde el NADH
hasta la CO Q,
pasando por
FMN y por
grupos
ferosulfurados
(Fe-S)
TRANSPORTE en
Complejo II:
• succinato CoQ reductasa
• Glicerol-3-P desHasa
• Acil-CoA desHasa
Transfieren 2 e- desde
diversos sustratos
(succinato, glicerol-3-P, AcilCoA) que son oxidados por
estas enzimas, y los e- van
a través de FAD y
por grupos ferrosulfurados
hasta la CoQ
TRANSPORTE en
Complejo III:
CoQ cit c reductasa
Transfiere 2 edesde la CO Q
hasta el cit c,
pasando por
los cit b y c1 y
por grupos
ferosulfurados
Los e- se
transfieren aquí
de 1 en 1
TRANSPORTE en
Complejo IV:
Cit c oxidasa
Transfiere e- desde
el citocromo c (4
viajes) hasta el O2,
pasando por dos
grupos de Cu y por
los citocromos a y
a3.
Secuencia del transporte de e- en la cadena respiratoria
Complejo I
[ H +]
FADH2
Complejo III
[ H +]
Complejo IV
NADH → FMN
FADH2
[ H +]
Q → cito b → cito c1 → cito c → cito a → cito a3 → O2
Potenciales de reducción de los pares
red-ox transportadores de e- en la
cadena respiratoria
REACCIÓN
E0‘
•NAD+ / NADH + H+
-0.32
•Flavoproteina-FMN
(ox) / Flavoproteina-FMNH2 (red)
-0.30
Piruvato / Lactato
–0.18
Acetaldehido / Etanol
-0.16
Oxalacetato / L - malato
-0.166
•Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red)
+0.04
•Citocromo C (ox) / Citocromo C (red)
+0.25
•Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red)
+0.55
•½ O 2 / H2O
+0.82
Determinación de la secuencia con
Inhibidores del transporte electrónico
NADH → FMN
CoQ → cit b → cit c1 → cit c → cit a → cit a3 → O2
FADH2
Rotenona
barbitúricos Amital
Azida
Sugars
Glycolysis
Inhibidores del T.E.M.
Impiden el paso de e- a través de los
transportadores respiratorios, interrumpiendo
en consecuencia la forforilación oxidativa.
TCA Cycle
Rotenona
insecticida
Electron
Transport
Oxidative
Phosphorylation
Teoría quimiosmótica de Mitchel: Los Complejo I, III, y IV generan
un gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que activa la ATP sintasa
La FUERZA
PROTÓNMOTRIZ, en el
espacio
intermembrano
so, tiene dos
componentes
El gradiente de
carga potencial
eléctrico = ∆Ψ
El gradiente de
[ H+ ] potencial
químico =
2,3 RT ∆pH / F
Espacio
intermembrana
Fumarato
Succinato
Mitocondri
a
Potencial
químico
∆pH
(dentro
alcalino)
Síntesis
de ATP
guiada
por la
fuerza H+motriz)
Potencial
eléctrico
∆ψ
(dentro
negativo)
Balance energético en la cadena respiratoria
A) 2NADH 4e- O2 H2O
20 H+
6 ATP
B) 2 FADH2 4 e- O2 H2O
12 H+ 4 ATP
Agentes desacoplantes
DISIPAN LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ y
p-DNF
desacoplan la fosforilación oxidativa del
TEM, por tanto bajan el rendimiento de la
síntesis de ATP
p-dinitrofenol
Los agentes desacoplantes son
sustancias que introducen H+
hacia el interior mitocondrial.
El p-DNF entra en las células en
estado molecular y en el interior se
disocia.
En el espacio intermembranoso (pH
inferior) se protona y entra a la
mitocondria, en el interior hay un pH
superior y se disocia.
UCP1 o termogenina (adiposo pardo)
Obesidad y Proteínas desacoplantes
(UCPs)
La gramicidina A
es un ionóforo
ATP sintasa: la subunidad F0 la ancla a la
membrana y la F1 en la matriz mitocondrial
F1= α3 β3 γ δ ε
El anillo c gira con el paso de H+
El giro de “γε
γε”
γε provoca cambios
conformacionales en las
subunidades αβ
F0= a b2 c12
Mecanismo de actuación
de la ATP sintasa
T
L
O
Las 3 unidades β de la ATP sintasa
no son equivalentes, la rotación de
“γγ−ε” las cambia la conformación.
Según va girando el complejo por el
paso de H+ las unidades β cambian
de conformación:
L: une ADP y Pi
T: sintetiza ATP
O: libera ATP
O
L
O
T
L
T
Transportadores de iones a través de la
membrana interna
Espacio
intermembranoso
El ATP sintetizado en el
interior
mitocondrial debe
de exportarse al
citoplasma para
cumplir allí con las
necesidades propias
Traslocasa de
nucleotidos de
adenina
(antiporte)
ATP
sintasa
-Esto se hace con un
sistema antiporte:
1 ATP sale y 1ADP
entra a refosforilarse
- Hay otro sistema
simporte que importa
Pi y H+
Traslocasa
de fosfato
(simporte)
DENTRO de la
Matriz