Cadena de transporte de electrones y

Fosforilación oxidativa

Etapas del catabolismo celular

Respiración celular: Procesos moleculares mediante los cuales la célula consume O2 y produce CO2.

Anatomía Bioquímica de la mitocondria

Las crestas aumentan la superficie de la membrana mitocondrial interna.

La membrana mitocondrial interna puede alojar hasta 10.000 “cadenas

respiratorias” y ATP sintasa.

Estado de Baja Energía Estado de Alta energía

Mitocondrias hígado de rata

La cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa están acopladas

Resolución de los complejos funcionales de la cadena respiratoria

EL flujo de electrones libera energía.

La síntesis de ATP consume energía.

Transportador Masa (kDa) (Subunidades)

Grupo(s) prostético(s)

I 850 (43) FMN, Fe-S

II 140 (4) FAD, Fe-S

III 250 (11)

Hemos, Fe-S

Citocromo C 13 (1)

Hemo

IV 160 (13) Hemos, CuA, CuB

1. Transferencia directa de e-: Fe3+→ Fe2+

2. Transferencia de un átomo de H (H+ + e-)

3. Transferencia de un ión hidruro (:H-) portador de 2 e-

Existen tres tipos de transferencias de e-

Potencial de reducción estándar (E’º): medida de afinidad de un aceptor de e- de cada par redox a aceptar e-. (1M, 25ºC, pH7).

Ubiquinona

(Q)

Proteínas ferro-sulfuradas

Semiquinona

(.QH)

H+ + e-

H+ + e-

Citocromo C

Ubiquinol

(QH2)

NADH + 5H+N + Q → NAD+ + QH2 + 4H+P

Complejo I: NADH-Ubiquinona oxidorreductasa

La rotenona, el mixotiazol y el amital impiden la trasferencia

electrónica desde un centro Fe-S a la ubiquinono.

El azul de metileno tiene un valor de E’º de 0.01 (mayor a la FMN y menor a Q)

Complejo II: Succinato Deshidrogenasa

Q

QH2 Succinato

Fumarato

FAD C CH2 CH2 C

O

O-

O

O

C CH CH C

O

O-

O

O

FADH2

La rotenona, el mixotiazol y el amital impiden la trasferencia

electrónica desde un centro Fe-S a la ubiquinono.

El metosulfato de fenazina y el DCIP tienen un valor de E’º de menor que Q

Complejo III: Ubiquinona-citocromo oxidorreductasa

La antimicina A bloquea la transferencia electrónica desde el citocromo b al citocromo c1

La tetrametil-p-fenilen diamina tiene E’º similar al citocromo c

Citocromo C

H+ H+ H+ H+

Q QH2

Citocromo C Cc1

H+ H+

Fe-S bL

bH

Ciclo Q

Q- QH2 Q

QH2 + 2 Citocromo C (oxidado) + 2HN+ → Q + 2 Citocromo C (reducido) + 4HP+

Espacio intermembrana

Matriz mitocondrial Complejo III

Complejo IV: Citocromo oxidasa

2 Citocromo C (reducido) + 4 HN + + 1/2O2 → 2 Citocromo C (oxidado) + 2Hp+ + H2O

La azida de sodio, el cianuro y el monóxido de carbono bloquean la transferencia de e- al oxigeno inhibiendo al citocromo a3

El ferricianuro tiene un E’º similar al. citocromo a.

EL flujo de electrones libera energía.

La síntesis de ATP consume energía.

Teoría quimiosmótica

La síntesis de ATP depende de la cadena de transporte de electrones

El funcionamiento de la cadena de transporte de electrones

depende de la síntesis de ATP

Tiempo

O2 consumido

ATP sintetizado

ADP + Pi

Succinato

CN-

Acoplamiento de la transferencia electrónica con la síntesis de ATP

O2 consumido

Tiempo

ATP sintetizado

Succinato

ADP +Pi

Venturicina u Oligomicina

DNP

Estructura molecular de la ATP sintasa

Sensible a la oligomicina

Tallo

Canal

3 Etapas: 1. Translocación de H+ (Fo)

2. Catálisis de enlace fosfoanhidro

del ATP (F1).

3. Acoplamiento de la disipación de gradiente de H+ con la síntesis de ATP.

Sentido de la reacción

Energía libre

Fuerza protón-motriz (200 kJ/”mol” de par e-)

Síntesis de ATP (50 kJ/mol)

Es termodinámicamente posible, pero Cómo?

Energía libre transporte de e- → bombeo de H+ → gradiente electroquímico de H+ →síntesis de ATP

Observaciones experimentales: 1. La fosforilación oxidativa requiere una membrana interna intacta 2. La membrana interna es impermeable a iones como H+, OH-, K+, Cl- 3. El transporte de e- resulta en transporte de H+,fuera de la mitocondria 4. Compuestos que aumentan la permeabilidad de la membrana mitocondrial

interna disipan el gradiente electroquímico, el transporte de e- es posible pero NO hay síntesis de ATP.

ADP + Pi ATP + H2O ∆G°´= 0 kJ/mol en superficie de la enzima

ATP + H2O ADP + Pi ∆G°´= - 30.5 kJ/mol ATP libre en solución

FoF1 une ATP con alta afinidad Kd ≤ 10-12 M FoF1 une ADP con baja afinidad Kd ≈ 10-5 M

Regulación de la Fosforilación Oxidativa

Velocidad de consumo de O2 → disponibilidad de ADP Estatus energético: [ATP ] [ADP] [Pi] La velocidad de oxidación de combustibles es tan rápida que [ATP]/ [ADP] varía muy poco Inhibición de la respiración celular

Resumen

Etapas del catabolismo celular

Respiración celular: Procesos moleculares mediante los cuales la célula consume O2 y produce CO2.

1. Las siguientes reacciones de óxido-reducción ocurren en el complejo I de la cadena transportadora de e-:

A. NADH + H+ + E-FMN � NAD+ + E-FMNH2

B. E-FMNH2 + 2Fe3+ � E-FMN + 2Fe2+ + 2H+

C. 2Fe2+ + 2H+ + Q � 2Fe3+ + QH2

Siendo “E” la enzima:

I. determine la reacción global

II. identifique el donador y el aceptor electrónico, el par redox conjugado, el agente reductor y el agente oxidante para las reacciones A, B y C.

2. En términos generales la transferencia de e- desde el complejo III al IV (mediada por el Citocromo C) es la siguiente:

Citocromo C1� Citocromo C� grupo hemo a � grupo hemo a3 � O2

I. Identifique que grupos prostéticos se encuentran formando parte de los complejos II y III respectivamente.

Autoevaluación

II. Teniendo en cuenta que el CN- inhibe la transferencia de e- al O2, la Antimicina A inhibe la transferencia de e- al Citocromo C1 y la Rotenona inhibe la transferencia de e- a la Q: prediga el grado de oxidación de la Q y los citocromos C1, C, a y a3, en las siguientes situaciones:

A. Altas concentraciones de NADH y O2 pero con adición de CN-

B. Altas concentraciones de NADH pero con O2 agotado

C. Suministro de abundante O2 pero NADH agotado

D. Suministro de abundante Succinato y O2

E. Altas concentraciones de NADH y O2 pero con adición de Antimicina A

F. Altas concentraciones de NADH y O2 pero con adición de Rotenona

G. Altas concentraciones de Succinato y O2 pero con adición de Rotenona

H. Altas concentraciones de Acil graso-CoA y O2 pero con adición de Rotenona

Autoevaluación