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
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.
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
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
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 ).
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 e- desde 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, Acil- CoA) 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 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
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.
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
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) -0.32-0.30 Piruvato / Lactato Acetaldehido / Etanol Oxalacetato / L - malato 0.18-0.16-0.166 Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red) Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red) ½ O 2 / H 2 O +0.04 +0.25 +0.55 +0.82
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
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 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)
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 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
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
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
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)