Fosforilación oxidativa. Dr. Octavio Loera Corral

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Marcos del Río Alvarado
hace 7 años
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1 Fosforilación oxidativa Dr. Octavio Loera Corral

2 Membrana externa Poros no específicos Permeable (10 KDa) Membrana interna 75% Proteínas (p/p) Impermeable (Excepto a O 2, CO 2 y H 2 O) Transportadores de: ATP, ADP, Piruvato,Ca 2+, Pi

3 4 Complejos Multi-unidades Al menos 10 centros redox unidos a proteínas

4 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Hipótesis del acoplamiento Acoplamiento Químico (Edward Slater, 1953) Intermediarios con alta energía Acoplamiento Conformacional (Paul Boyer, 1964) Edos. Energéticos de las proteínas mitocondriales Acoplamiento por Quimiosmósis (Peter Mitchell, 1961) ΔG del transporte de e - usada para expulsar H + Formación de un gradiente electroquímico Gradiente síntesis de ATP

5 Acoplamiento Químico (Edward Slater, 1953) Intermediarios con alta energía Basado en la estrategia Química de la Glucólisis 1. Adición de P a la glucosa 2. Conversión a intermediarios fosforilados por qué? 3. Acoplamiento de estas transferencias a la formación de ATP G o de la hidrólisis de fosfatos orgánicos COMPUESTO Fosfo-enol-piruvato 1,3-Bifosfo-glicerato Fosfato de acetilo Fosfato de creatina Pirofosfato (PP i ) G o (kj/mol) * * ATP ATP AMP + PP i ADP + P i Fosfato-1-de Glucosilo Fosfato-6-de Fructosilo Fosfato-6-de Glucosilo Fosfato-3-de Glicerilo * * * * Intermediarios de la glucólisis

6 Dos etapas: I. Utilización de ATP para generar 2 triosas fosfatadas (2 GAP). Rxs 1 a 5 II. Conversión del GAP a Piruvato, formando ATP. Rxs 6 a 10 Balance Global: Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H + + 2H 2 O

7 Reacción 1 Para otras reacciones Enzima Hexoquinasa (HK) Las HK s trasfieren grupos fosforilo entre el ATP y un metabolito La misma HK puede hacer la transferencia a otras hexosas El Mg 2+ también es sustrato Debido al G o, [G6P] puede inhibir la Rx

8 Grupo acil-fosfato de alta energía Reacción 6 Qué átomo de C cambió el edo. de oxidación? Enzima Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) In vivo la Rx se favorece por la relación alta: NAD + / NADH [NAD + ] elevada El 1,3-BPG es el primer intermediario capaz de transferir el P al ADP Para 1,3-BPG, G o de transferencia del P = kj/mol

9 Reacción 7 Enzima Fosfogliceratoquinasa (PGK) La Rx es libre de agua en el sitio catalítico, como la HK Estructuras similares, pero secuencias distintas entre HK y PGK 1,3-BPG transfiere el P al ADP Fosforilación a nivel sustrato

10 Reacción 10 De Rx 1 Enzima: Piruvatoquinasa (PK) Sin embargo, no se han identificado intermediarios de alta energía en la Cadena de electrones Se descarta la hipótesis de Edward Slater.

11 Acoplamiento por Quimiosmósis (Peter Mitchell, 1961) Evidencias de la Hipótesis Quimiosmótica La fosforilación oxidativa requiere membranas internas íntegras Estas membranas son impermeables a iones como H +, OH -, K + y Cl -, cuyo difusión libre rompería el gradiente electroquímico El transporte de e - transloca H + fuera de la mitocondria Hay desacoplantes del gradiente, que no interrumpen el flujo de e -

12 El incremento de la acidez fuera de la membrana interna, estimula la síntesis de ATP Complejo V = ATP sintasa El ph de la matriz mitocondrial es casi 1 unidad más alto El Complejo V requiere 3 H + para cada ATP

13 Complejo V : F0 y F1

14 Analogía con una presa Qué mueve a la turbina (Complejo V) en la mitocondria?

15 Estructura de F 1 Vista Lateral Vista Superior

16 La energía es cedida por el paso favorable de H + a través de F 0 O: open L: loose T: tight

17 Los cambios comformacionales modifican AFINIDADES de LIGANDOS Paul Boyer tenía razón, pero la energía para el cambio proviene del gradiente electroquímico

18 Control de la Producción de ATP Las Rxs en el transporte de e - tiene ΔG ~ O Desde el Complejo I hasta Cit c La Rx en el Complejo IV es irreversible Sitio de control El mayor efecto lo tiene su sustrato: Cit c Reducido (c 2+ )

19 Desde el Complejo I hasta Cit c El Complejo V requiere 3 H + para cada ATP

20 El Cit c Reducido está en equilibrio con el resto de los intermediarios En el Complejo IV el mayor efecto lo tiene su sustrato: Cit c Reducido (c 2+ ), en equilibrio con la relación : Y con la ley de acción de masas: *K eq Situación de una célula en crecimiento rápido sin limitación de nutrientes: ALTA [ Cit c Reducido] ALTA y BAJA [ Cit c Reducido] ALTA AUMENTA LA ACTIVIDAD DEL COMPLEJO IV

21 El ATP se produce en las células mayormente por: GLUCÓLISIS (GLUC) CICLO DE KREBS (TCA) FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (FO) Se mantiene alta por GLUC y TCA. Estos e -, aumentan Hasta que haya efecto inhibitorio GLUC y TCA se regulan coordinadamente para producir NADH y FADH 2 a la velocidad requerida según la demanda de ATP

22 Dos etapas: I. Utilización de ATP para generar 2 triosas fosfatadas (2 GAP). Rxs 1 a 5 II. Conversión del GAP a Piruvato, formando ATP. Rxs 6 a 10 Balance Global: Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H + + 2H 2 O

23 NAD + Es el agente oxidante más importante de la Glucólisis 2Hº + H + Debe ser reoxidado para su uso continuo por estas vías: 1. Fosforilación oxidativa ATP 2. Reducción de piruvato a lactato 3. Fermentación alcohólica Por qué se recicla?

24 Vista de la Glucólisis Glucólisis Glucosa Piruvato

25 Tryptophan ATP Entrada de ATP 2 ó 3 ATP s por NAD + ATP 3 ó 4 ATP s por NADP + Sólo en la parte final de la ruta PROBLEMA Para una levadura. Cómo sería el rendimiento de ATP de la Glucólisis hasta piruvato sin reciclar el NADH +? Considerando 2 NAD + por Glucosa: a) A partir de Nicotinato b) Suponiendo que el medio de cultivo tiene NMN suficiente

26 Conversión de Piruvato a Lactato por la Lactato Deshidrogenasa Qué átomo modifica su número de oxidación?

27 Conversión de Piruvato a Etanol por la Alcohol Deshidrogenasa Qué átomo modifica su número de oxidación?

28 Fermentación Homoláctica Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O G o = kj/mol Formación de 2 ATP, G o = + 61 kj/mol 31% de eficiencia Fermentación Alcohólica Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 Etanol + 2 ATP + 2 CO2 G o = kj/mol 26% de eficiencia En condiciones fisiológicas la eficiencia se aproxima al 50%, Disipación por calor proceso irreversible

29 Efecto Pasteur con Levaduras: Cultivo anaerobio Consumo Alto de Glucosa + Etanol Cultivo aerobio Consumo Bajo de Glucosa (no hay Etanol) Cómo se explica este cambio rápido? Qué enzimas se inhiben? Por qué efectores? [ATP] en cultivo aerobio >> [ATP] en cultivo anaerobio

30 El ATP se produce en las células mayormente por: GLUCÓLISIS (GLUC) CICLO DE KREBS (TCA) FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (FO) Se mantiene alta por GLUC y TCA. Estos e -, aumentan Hasta que haya efecto inhibitorio GLUC y TCA se regulan coordinadamente para producir NADH y FADH 2 a la velocidad requerida según la demanda de ATP

31 Efecto Pasteur con Levaduras: Cultivo anaerobio Consumo Alto de Glucosa + Etanol Cultivo aerobio Consumo Bajo de Glucosa (no hay Etanol) Cómo se explica este cambio rápido? Qué enzimas se inhiben? Por qué efectores? Las enzimas de la GLUCÓLISIS no se inhiben por [NADH], Funcionan en anaerobiosis.

33 Aplicaciones del Conocimiento de la Regulación Homeostásis vs. Ing. Metabólica Uso Industrial Síntesis Química Mezclas Racémicas $? $$$

34 Redirección del Flujo de C Glucosa extracelular X X G6P Mediado por ATP Desregulación del alosterismo Cepa Silvestre (Y p/s) = 30 % (Y p/s) máx Cepa Modificada (Y p/s) = 60 % (Y p/s) máx Báez et al., 2006

35 ENZIMA: Enzima II del sistema de transferencia de fosfato (PTS, en inglés) El aceptor es un grupo OH (en C6 de Glucosa ó C1 de Fructosa) Funciona en muchas bacterias. PEP + Pa Piruvato + Pa-P PEP, Fosfoenolpiruvato Pa, Péptidos acarreadores Pa-P Pa PTS, Enzima Glucosa PTS-P PTS Glucosa-6-P Hay una translocación de la Glucosa

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