Potencial de oxido-reducci. Cadena respiratoria: composición n y localización n subcelular. y fosforilación n oxidativa

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1 Oxidoreducción Tema 2: Oxidoreducción biológica y fosforilación n oxidativa Oxidorreducción n biológica Potencial de oxido-reducci reducción n y de energía a libre. Cadena respiratoria: composición n y localización n subcelular Fosforilación n oxidativa: teoría quimiosmótica Acoplamiento y rendimiento energético en la formación n de ATP ATP-sintasa:: estructura y función

2 Oxidoreducción Tema 2: Oxidacción biológica de nutrientes NADH + H + NADH transporta e- a lacadena respiratoria El transporte de e- e genera gradiente de H + en la membrana Esos H+ activan a la ATP-sintasa (fosforilación n 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 O 2 por los e- aportados por 2 NADH hasta formar 2 H 2 O, requiere 4 e- y produce la translocación de 20 H + al espacio intermembranoso.

3 Las células oxidan los nutrientes orgánicos para generar ATP, necesario para su trabajo útil. Perdida de electrones = Oxidación Ganancia de electrones = Reducción 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 ( G o ): ATP. Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una fuente de electrones. Su degradación producirá NADH Oxido-reducci reducción n biológica A A + + e - reducido oxidado CO 2 NAD + FAD NADH FADH 2 Eo H 2 O ATP Go Go

4 Reacciones de oxidación n reducción A + B + reducido oxidado A + + B oxidado reducido A: pierde e -, se oxida B: gana e -, se reduce Reductor Oxidante A (red) A (ox) + e - B (ox) + e - B (red) Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + Fe 2+ Fe 3+ + e - Cu 2+ + e - Cu + Fe 2+ (donador) / Fe 3+ (aceptor): par redox conjugado NADH (donador) / NAD + (aceptor): par redox conjugado

5 Potencial de reducción: Eo Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e - En condiciones estándar ( E o ): 25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M H + + e - ½ H 2 E o = 0 V Patrón o par estandar En condiciones fisiológicas ph = 7 ( E o ) E o(h+/1/2h2) = 0,42 V Tendencia a adquirir e - > par estándar E o + Mucha afinidad por e - -> OXIDANTE Tendencia a adquirir e - < par estándar E o - Poca afinidad por e - -> REDUCTOR Los e - fluyen desde las especies reductoras, con un E o más electronegativo (- E º ) a las especies oxidantes, con un E o más electropositivo (+ E º ).

6 Potencial de reducción n e G E = E o + RT nf ln [aceptor electrones] [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 G o es proporcional a E o G o = - n F E o G = - n F E E o + G o - Reacción espontánea

7 Potencial de reducción n 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 - NADH - 2H + - 2e - NAD+ Lactato E o = -0,19 V E o = -0,32 V G o = - n F E o n = nº de e - cedidos = 2, E o = E o (aceptor e-) E o (donador e-) E o = E o (oxidante) E o (reductor) F = 96,48 kj/mol V E o = -0,19 (-0,32) = 0,13 V Piruvato acepta e- del NADH G o = -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

8 Respiración mitocondrial Las células aeróbicas consumen O2 y lo reducen a H 2 O con los e- procedentes de la oxidación de nutrientes (NADH, FADH 2 ). 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 FADH 2, hasta el O 2 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

9 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 Crestas Espacio intermembran Matriz Matriz Interior mitocondrial donde tienen lugar el ciclo del ácido cítrico y la oxidación de los ácidos grasos, etc. Membrana externa Membrana interna

10 Formada por Complejos proteicos 1.- Transporte de electrones desde el NADH Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa La oxidación n del NADH se produce en la cadena respiratoria mitocondrial Complejo IV: Citocromo c oxidasa 2.- Transporte de electrones desde el FADH 2 Compuestos redox Complejo II: Succinato CoQ reductasa Otros

11 Componentes de la cadena respiratoria Transportadores de electrones Coenzimas: NAD + NADP + FMN FAD Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas 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

12 Coenzimas transportadoras de e- e : DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA NADH (coenzima soluble) o NAD + (oxidado) Adenina NADH (reducido) NAD + + 2H + + 2e - NADH + H + AH 2 + NAD + A + NADH + H + Coenzima de oxidorreductasas o deshidrogenasas Responsable entrada e - por el complejo I

13 MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA y DINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA FMN y FAD (coenzimas NO solubles, ligadas a proteínas) Anillo de isoaloxazina FAD FMN FADH. (FMNH. ) (semiquinona) FADH 2 (FMNH 2 ) (totalmente reducido) FAD + 2H + + 2e - FADH 2 FMN + 2H + + 2e - FMNH 2 FMN presente en complejo I FADH2 entrada de e- por el complejo II

14 COENZIMA transportadora de e- e : Ubiquinona,, Coenzima Q, CoQ Unidades de ISOPRENO Ubiquinoa (Q) Totalmente oxidada Lípido isoprenoide Radical Semiquinona Parcialmente oxidado QH o Difunde libremente por la membrana No está ligado a ninguna proteína Ubiquinol Totalmente reducido QH 2 Puede transferir 1 e - o 2 e - Método: Extraible con isooctano

15 Proteínas con transportadores de e- 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

16 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

17 TRANSPORTE en Complejo I: NADH CoQ reductasa Transfiere 2 e- desde el NADH hasta la CO Q, pasando por FMN y por grupos ferosulfurados (Fe-S)

18 TRANSPORTE en Complejo II: succinato CoQ reductasa Glicerol-3-P deshasa Acil-CoA deshasa Transfieren 2 e- desde diversos sustratos (succinato, glicerol-3-p, Acil- CoA) que son oxidados por estas enzimas, y los e- van a través de FAD y por grupos ferrosulfurados hasta la CoQ

19 TRANSPORTE en Complejo III: CoQ cit c reductasa Transfiere 2 e- desde 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

20 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 a 3.

21 Secuencia del transporte de e-e en la cadena respiratoria Complejo I [ H + ] Complejo III FADH 2 [ H + ] Complejo IV NADH FMN [ H + ] Q cito b cito c 1 cito c cito a cito a 3 O 2 FADH 2

22 Potenciales de reducción n de los pares red-ox transportadores de e-e en la cadena respiratoria REACCIÓN E 0 NAD + / NADH + H + Flavoproteina-FMN (ox) / Flavoproteina-FMNH2 (red) Piruvato / Lactato Acetaldehido / Etanol Oxalacetato / L - malato Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red) Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red) ½ O 2 / H 2 O

23 Determinación n de la secuencia con Inhibidores del transporte electrónico NADH FMN CoQ cit b cit c 1 cit c cit a cit a 3 O 2 FADH 2 Rotenona barbitúricos Amital Azida

24 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

25 Teoría quimiosmótica de Mitchel Mitchel: Los Complejo I, III, y IV generan un gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que activa la ATP sintasa La FUERZA PROTÓN- MOTRIZ, en el espacio intermembrano so, tiene dos componentes Espacio intermembrana El gradiente de carga potencial eléctrico = Ψ El gradiente de [ H+ ] potencial químico = 2,3 RT ph / F Potencial químico ph (dentro alcalino) Fumarato Succinato Mitocondri a Síntesis de ATP guiada por la fuerza H+motriz) Potencial eléctrico ψ (dentro negativo)

26 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

27 Agentes desacoplantes p-dnf 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) DISIPAN LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ y desacoplan la fosforilación n oxidativa del TEM, por tanto bajan el rendimiento de la síntesis de ATP La gramicidina A es un ionóforo

28 ATP sintasa: : la subunidad F 0 la ancla a la membrana y la F 1 en la matriz mitocondrial F 1 = α 3 β 3 γ δ ε El anillo c gira con el paso de H+ El giro de γε γε provoca cambios conformacionales en las subunidades αβ F 0 = a b 2 c 12

29 Mecanismo de actuación de la ATP sintasa L T Las 3 unidades β de la ATP sintasa no son equivalentes, la rotación de γ ε las cambia la conformación. O 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 T O L O T L

30 Transportadores de iones a través s de la membrana interna Espacio intermembranoso DENTRO de la Matriz El ATP sintetizado en el interior mitocondrial debe de exportarse al citoplasma para cumplir allí con las necesidades propias -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 nucleotidos de adenina (antiporte) ATP sintasa Traslocasa de fosfato (simporte)

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