∆ G º = - N* F* ∆ E o ∆ G º =

Bioquímica-2º F (2010-11) -T 17-1
Tema 17: Oxidorreducción biológica. Potencial redox y energía libre. Cadena respiratoria: organización y localización
subcelular. Fosforilación oxidativa: Acoplamiento energético para la formación de ATP. Estudio de la ATPasa. 3 horas
(30 noviem. ,2 y 3 -dic).
Objetivos del aprendizaje:
Entender que la oxidación biológica de sustratos transcurre por rutas catabólicas que generan NADH y que
éste se oxida en la CTEM por varios transportadores red-ox situados en complejos proteicos de membrana.
2. Conocer que la Coenzima Q y el citocromo c son transportadores móviles de e- entre los complejos.
3. Entender que los H+ son traslocados a través de la membrana mitocondrial por los complejo I, III y IV.
4. Interpretar que la reducción de cada molécula de O2 por 2 NADH hasta 2 H2O requiere 4 e- y produce la
translocación de 20 H+ desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso.
GLOBAL: Comprender como la ∆G º de la oxidación de la coenzima NADH se conserva como un gradiente
electroquímico de H+ en la membrana interna mitocondrial.
1.
Oxidorreducción biológica
Las células vivas requieren energía para ejercer sus funciones. Las células usan la energía química almacenada
en las moléculas orgánicas (nutrientes) para generar ATP, molécula que necesitan para desarrollar trabajo útil
(biosíntesis, contracción, transporte, etc)
Para generar ATP, las moléculas orgánicas nutrientes (carbohidratos, ácidos grasos, proteínas, etc.) se degradan
por las rutas catabólicas y esta degradación oxidativa es exergónica. La oxidación de estos nutrientes va a
generar cofactores reducidos: NADH, FADH2, etc.; y éstos ceden sus equivalentes de reducción al O2 molecular a
través de la cadena transportadora mitocondrial, donde se va a generar la mayor parte del ATP celular.
Potencial de oxido-reducción y energía libre.
Las reacciones bioquímicas en los organismos vivos son de transferencia de energía. Frecuentemente ocurren
acopladas unas a otras para que puedan ser favorables termodinámicamente. Acopladas son también las
reacciones de oxido-reducción (redox).
La reducción se puede definir como la ganancia de un electrón o de un equivalente de reducción [H]; mientras
que la oxidación es la perdida de un electrón o de un equivalente de reducción [H]. [H] = 1 e- + 1 H+
El ión ferroso (Fe+2 ) se oxida a ión férrico ( Fe+3 ) por perdida de un electrón.:
Fe+2 - eFe+3
Así mismo, el ión férrico se reduce a ión ferroso por ganancia de un electrón:
Fe+3 + eFe+2
En las reacciones bioquímicas, un metabolito reducido (AH2 ) se oxida a (A), mediante la reacción redox con NAD+
(ox) que en el proceso se reduce a NADH + H+:
AH2 (reductor) + NAD+(oxidante)
A(oxidado) + NADH (reducido).
En el metabolismo celular se producen muchas reacciones redox donde la transferencia de electrones desde el
NADH hasta el O2 está acoplada a la síntesis de ATP en la respiración mitocondrial.
LA ECUACIÓN DE NERNST
La relación que existe entre la energía libre y la energía eléctrica o red-ox es:
∆ G º = - N* F* ∆ E o
N = Número de e- transferidos en la reacción de oxidorreducción.
E = Potencial eléctrico en voltios
F = una constante de proporcionalidad = 23.060 cal / voltios = 96. 487 coulomb * equiv -1
Deducción:
∆ E0 = R*T * ln K
Ecuación de Nernst
N*F
N * F * ∆ E o = R * T * ln K
∆ G o = -R * T * ln K
Sustituyendo
∆ G º = -N * F * ∆ E o
∆ G º = - N* F* ∆ E o
'
Para los sistemas biológicos es normal expresar el potencial redox (E0 ) a pH
7,0, en el cual el potencial de electrodo de hidrógeno es de - 0,42 voltios.
Como regla general los compuestos reductores transfieren electrones a los oxidantes. Un reductor fuerte tiene un
potencial eléctrico en voltios muy negativo, mientras que un oxidante lo tiene positivo.
El potencial de reducción estándar de los sistemas
de oxidorreducción nos permite predecir la dirección
del flujo de electrones de un sistema a otro, bajo
condiciones estándar.
NADH y FADH2
En las reacciones metabólicas el poder reductor de
los nutrientes pasará a las coenzimas de oxidoreducción (NAD+/NADH + H+ y FAD/ FADH2), que en
varios pasos ceden los e- al O2. La energía se
recupera en un gradiente de H+, que a su vez
promueve la fosforilación del ADP a ATP (fosforilación
oxidativa)
Bioquímica-2º F (2010-11) -T 17-2
Cadena respiratoria: Transporte Electrónico mitocondrial
Una célula típica contiene aproximadamente 2 000 mitocondrias, cada una
del tamaño aproximado de una bacteria. La membrana mitocondrial
interna está muy invaginada y contiene un sistema complejo de enzimas y
cofactores que producen ATP, la molécula-moneda de energía celular
usada por todas las formas de vida.
¿De donde viene la energía y como es canalizada hacia la
síntesis de ATP?
La fuente de la mayor parte de la energía utilizada para la síntesis del ATP
es la oxidación del NADH, cuya oxidación libera 218 kJ
/mol en condiciones estándar.
Para maximizar la recuperación de esta energía libre en
forma aprovechable, la oxidación de NADH se produce
en varias etapas que están mediadas por una serie de
transportadores de e- situados en la membrana interna
mitocondrial.
Algunos de estos transportadores (centros red-ox) son
móviles, y otros son componentes de complejos
proteicos (I, III y IVII). La reducción se va produciendo a
favor de potencial de red-ox ∆E. La ∆Gº desprendida
en estas reacciones red-ox se almacena en forma de
gradiente electro-químico de H+ en la membrana
interna. Este gradiente es aprovechado por la ATP
sintasa para sintetizar ATP.
Estructura de la cadena respiratoria:
composición y localización subcelular
Hay tres complejos proteicos transmembrana (I, III y IV), otro periférico (II) y dos transportadores móviles (Co Q,
cyt c) formando parte de la cadena de transporte electrónico mitocondrial (ver figuras de arriba y abajo).
Complejo I:NADH deshidrogenasa (FMN y Fe-S)
El complejo I tiene proteínas, un mononucleotido de flavina (FMN) y centros Fe-S.
El NADH transfiere 2 e- al FMN para formar FMNH2 reducido.
FMNH2 pasa sus e- a una serie de 6 ó 7 clusters Fe-azufre y éstos los pasan al
transportador móvil ubiquinona o CoQ .
Cuando la transferencia de e- es completa, CoQH2, molécula no polar, difunde
dentro de la membrana.
Durante la transferencia de e-, el
complejo I bombea 4 H+ al espacio
intermembranoso.
Complejo
II:
sucinato
deshidrogenasa
y otras
deshidrogenadas (FAD y Fe-S)
Como Complejo II hay varias flavoproteínas (FAD), que reciben edesde sustratos diversos para formar FADH2, y el FADH2
transfiere el par de electrones a la CoQ, igual que el Complejo I.
Los e- que reducen al FAD hasta FADH2 provienen de la
oxidación del succinato, metabolito del ciclo del ácido cítrico.
También pueden originarse en la oxidación de un ácido graso o
del Glicerol-3-P.
Complejos II
(ver figura a la izquierda)
Ya que el potencial estandar de reducción del FADH2 es solo
ligeramente menor que el de la CoQ, el complejo II no bombea
ningún H+ fuera de la matriz.
Bioquímica-2º F (2010-11) -T 17-3
Complejo III: CoQH2-Cit c reductasa (transportadores: Cyt c1, Fe-S, Cyt b y Cyt b1)
Los dos e- ,que entraron en la cadena por el C. I o
por el C. II, y que lleva la CoQH2 son transportados
hasta el Complejo III. Y éste los ha de llevar hasta el
C. IV, a través del cyt c.
CICLO Q: Puesto que el siguiente portador móvil de
e-, el citocromo c, solo puede transportar 1 e-, uno
de los e- de la CoQH2 reducida entrará en la ruta
conocida como el ciclo Q, en el complejo III.
La CoQH2 transfiere 1º un e-, a través de un cluster
de Fe-azufre y de un citocromo c1, a un citocromo c
situado en la cara del espacio intermembranoso del
Complejo III. En este proceso, un H+ liberado por
CoQH2 pasa hacia el espacio intermembranoso.
La transferencia del segundo e- también libera un
H+ al espacio intermembrana. Este e- pasa a través
de un par de Cytos tipo b
dentro del complejo para realizar el ciclo Q.
La CoQ oxidada difunde a su lugar de unión sobre el
formando el radical complejo
III junto a la cara de la matriz, donde retorna el e- secuestrado por Cyt b, produciendo la forma radical CoQH¥.
Un segundo citocromo c recibe su e- desde otra molécula de CoQH2. Como antes, un e- va al citocromo c,
mientras el otro e- pasa al radical anterior CoQH¥, reduciéndolo a CoQH2 esto es el ciclo Q.
Complejo IV: Cyt c oxidasa (transportadores: 2Cu, Cyt a-Cyt a3-Cu)
El citocromo c reducido pasa sus e- al Complejo IV. Y éste pasa los e- al O2
molecular, para reducirlo a dos moléculas de H2O.
La reducción del O2 require 4 e- y por tanto son necesarios dos ciclos totales de
toda la cadena para completar la reducción de 1 molécula de O2.
Dos e- pasan por un centro de Cu binuclear, cercano a la superficie citosólica, hasta un par de
citocromos tipo-a situados en el interior del complejo, reduciéndolo.
Por cada uno de los e- transferido, un H+ se transfiere desde la matriz al espacio
intermembranoso. El oxígeno diatómico se une al complejo binuclear reducido.
(La redistribución interna de e- alrededor del complejo binuclear y una TYR esencial escinde
rápidamente el enlace O-O, generando un hidróxido de Cu, un complejo oxiférrico y un radical
tirosilo. El tercer e- del citocromo c se une a dos H+ de la matriz, convierte el hidroxido a agua
mientras se regenera la TYR. Con la adquisición del cuarto e- y un cuarto H+ de la matriz, el
grupo oxiferrilo es reducido a hidróxido férrico en estado de reposo, y así se completa el
ciclo).
Fosforilación oxidativa: teoría quimiosmótica.
Por cada molécula de oxígeno reducido:
- Cuatro e- son
transportados a través de la cadena desde 2
moléculas de NADH
- 20 H+ se transfieren desde la matriz al espacio
intermembranoso. Además, 4 H+ de la matriz se
usan para formar 2 H2O por cada O2.
La energía libre liberada por las reacciones redox
se almacena en el gradiente de H+ acumulado en
el espacio intermembranoso.
Los 20 H+ serán de nuevo transferidos hacia la
matriz a través de una proteína ATP-sintasa, que
conduce la síntesis de 6 moléculas de ATP, un
proceso conocido como fosforilación oxidativa.
La oxidación de 2 moléculas de FADH2 iniciada
por el complejo II también rinde los cuatro enecesarios para reducir el oxígeno a agua pero
bombea sólo 12 H+ hacia fuera de la matriz y por
tanto rinde solo 4 moléculas de ATP.
Bioquímica-2º F (2010-11) -T 17-4
Acoplamiento de la fosforilación oxidativa al transporte electrónico mitocondrial:
rendimiento energético en la formación de ATP.
Se dan dos situaciones: 1) los e- entran a través del complejo I, y 2) entran por el complejo II
1) 2NADH 4e- O2 H2O
20 H+ 6 ATP,
1 NADH 10 H+ 3 ATP
El cambio de energía libre estandard cuando un par de electrones de NADH pasan al oxígeno molecular se puede
calcular:
Eo’ para NAD/NADH+H+ = -0,32V
∆G´´o = - n F ∆E´´o
Eo’ para 1/2 O2 + 2H+/H2O = +0,82V
∆E´´o = 0,82 – (-0,32) = 1,14 V
∆ G o = - 52,7 Kcal * mol-¹ = - 220,286 KJ / mol
Rendimiento < 1.- El paso de dos electrones del NADH al oxígeno va acompañado por una gran disminución en
la energía libre, que podría hacer factible la síntesis de 7,5 moles de ATP, si se asume una energía libre de
hidrólisis para el ATP de 7,3 Kcal*mol-1 o 30,5 KJ / mol
( 52,7/7,0 =7,5 ATP) o 220,286 / 30,5 = 7,3 ATP
Sin embargo, el rendimiento de la fosforilación oxidativa será sólo de aproximadamente un 41 %, puesto que se
sintetizan de hecho 3 ATP (aproximadamente).
2) 2 FADH2 4 e- O2 H2O
12 H+ 4 ATP
1 FADH2 2 ATP
TEORÍA QUIMIOSMÓTICA: La energía del transporte electrónico impulsa un sistema de transporte activo que
bombea protones fuera de la matriz mitocondrial, lo cual genera un gradiente de H+ con un potencial
electroquímico que posibilita la síntesis de ATP mediante la activación de la ATP-sintasa.
Esta hipótesis se basa en:
i) la existencia de una fuerza protón-motriz con
dos componentes electro-químico: Se genera una
diferencia de potencial (voltaje) transmembrana y
un gradiente de pH, pHmatriz > pHintermembrana
ii) un sistema de membrana interna intacta.
El
uso
experimental
de
los
agentes
desacoplantes, de los inhibidores y/o de los
ionóforos fueron apoyos adicionales para
comprobar esta hipótesis formulada por P.
Mitchell en 1961.
AGENTES DESACOPLANTES.- Son aquellas sustancias que disminuyen la fuerza protón-motriz, disminuyendo el
gradiente de H+ en la membrana interna mitocondrial. Por ejemplo: Dinitrofenol y los compuestos ionóforos
(permiten el paso de iones a través de membranas)
Estudio de la ATPasa.La ATP sintasa es un complejo proteíco formado por muchas subunidades organizadas en dos estructuras con
forma diferenciada: posee una zona esférica, llamada factor F1 dirigida hacia la matriz mitocondrial, y otra parte
canal, el factor F0, integrado en la membrana interna mitocondrial.
Las subunidades que componen cada parte: F0= a b2 c12 y F1= α3 β3 γ δ ε
Mecanismo de acción
Las 3 unidades β de la ATP sintasa no son equivalentes, la rotación de γ−ε las
cambia la conformación. Según va girando el complejo F0 por el paso de 3 H+
las unidades β cambian de conformación: L, T y O.
L: une ADP y Pi y es catalíticamente inactiva
T: sintetiza ATP, es catalíticamente activa
O: libera ATP
Bioquímica-2º F (2010-11) -T 17-5
Lanzaderas
Lanzaderas o transportadores de equivalentes de reducción [H] = 1e- + 1 H+, desde el citosol al interior mitocondrial.
La glucolisis y otras vías metabólicas oxidativas, catabólicas, generan en el citosol cofactores reducidos, NADH, EFADH2, que allí no pueden oxidarse a NAD+ y FAD para seguir actuando como coenzimas en las oxidaciones
metabólicas de las nutrientes, catalizadas por las deshidrogenadas.
El traspaso de este poder reductor [H] desde el citosol hacia la mitocondria para convertirlo en energía, ATP, se
efectúa con reacciones soportadas en dos sistemas de lanzaderas: la del glicerol-3-P y la de malato-aspartato.
1.-LANZADERA DEL GLICEROL-3-P
Se basa fundamentalmente en la enzima glicerol-P
deshidrogenasa
La glicerol-3-P deshidrogenasa es una flavo-proteína
de membrana tipo complejo II
Esta proteína enzimática toma los e- del NADH
citoplasmático, regenerando allí el NAD+ necesario para
metabolismo citosólico y los pasa a la CoQ, transportador
móvil en la membrana interna mitocondrial.
La glicerol-P deshidrogenasa es una flavoproteína, su
cofactor redox es el FAD FADH2
el
Estos 2e- en su paso por los complejos III y IV
bombearán sólo 6H+ y por tanto la fuerza H+-motriz
generada servirá para sintetizar 2 ATP.
2.- LANZADERA MALATO-ASPARTATO
La lanzadera malato-aspartato se basa en la función de varias proteínas: transportadoras de membrana y
proteínas enzimas solubles
Transportadores: Sistemas de transporte de
compuestos iónicos a través de la membrana
interna mitocondrial.
Enzimas: Malato deshidrogenasa, MDH y glutamato
oxalacetato transaminasa, GOT
Los NADH citosólicos ceden sus e- al oxalacetato,
que se reduce a malato y entra a la mitocondria.
Los 2e- del NADH citosólico que entran con el
malato acaban como NADH mitocondriales; que
descargan en la cadena de transporte electrónico y
bombearán protones, 10 H+ y rendirán el potencial
suficiente para sintetizar 3 ATP.
El resto de reacciones reequilibra el sistema.
REDUCCIÓN INCOMPLETA DEL OXÍGENO MOLECULAR.Si el O2 acepta menos de cuatro electrones se reducirá parcialmente: a radical superóxido (O2-) si sólo acepta un
electrón; o a peróxido de hidrógeno (H2O2) si acepta sólo dos. Esto genera especies reactivas de oxígeno (ROS)
causantes del estrés oxidativo.