Fosforilación I

Vista previa del material en texto

2
3
4
Proteínas
Ac. Nucl.
Polisacáridos
Lípidos
Monosacáridos
Nucleótidos
Aminoácidos
Glicerol
Ácidos grasos
Glucosa
Acetil-CoA
Gliceraldehído
3-Fosfato
Piruvato
CO2
NH3
H2O
O2
ADP
5
PIRUVATO 
DESHIDROGENASA
PDH
6
 MECANISMO DE ACCIÓN DE LA PIRUVATO 
DESHIDROGENASA (PDH)
7
Hans Krebs 
Hans Adolf Krebs
Nacio en Hildesheim, Alemania. Estudió en las universidades de Gotinga, Friburgo, Munich, Berlín y Hamburgo. 
En 1932, en colaboración con el bioquímico Kurt Henseleit, identificó el conjunto de reacciones químicas conocidas posteriormente como ciclo de la urea. Se dedicó a la docencia hasta 1933, año en el que el auge del nazismo le impulsó abandonar Alemania e instalarse en el Reino Unido, donde trabajó como profesor de bioquímica en la Universidad de Sheffield.
Recibio en 1953 el Premio Nobel de Medicina. Adscrito a la Universidad de Oxford entre los años 1954 y 1967, entre sus obras cabe destacar Transformaciones energéticas en la materia viva (1957, en colaboración con el bioquímico británico H. Kornberg). Fue nombrado caballero en 1958 y recibió la medalla Copley de la Royal Society en 1961. 
www.biografiasyvidas.com/biografia/k/krebs.htm
8
Ciclo de
 Krebs
9
Reacciones del Ciclo de KREBS
A
B
10
c
D
E
11
F
G
H
12
Regulación 
del ciclo de Krebs
13
Reacciones Anapleroticas
14
15
16
Objetivo 11._ Analizar la morfología de la mitocondria haciendo hincapié en las funciones en las funciones que cumplen cada una de sus partes en el proceso de extracción de energía
Tema:12._Producción aeróbica de ATP
17
Estructura y Funciones de las Mitocondrias.
Son las organelas celulares encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular.
Actúan por tanto, como centrales de la célula.
Sintetizan ATP, a expensas de los carburantes metabólicos.
18
Membrana Mitocondrial Externa:
Membrana Mitocondrial Interna: 
Matriz Mitocondrial:
Es una bicapa lipídica, que es permeable a iones metabolitos y polipéptidos.
Tienen como función la elongación de los ácidos grasos, los ácidos grasos desnaturalizan y síntesis de fosfolípidos
Es impermeable a la mayoría de moléculas pequeñas H+.
Las únicas que cruzan esta membrana son las que poseen transportadores específicos.
Poseen crestas.
Aloja a los componentes de la cadena respiratoria.
Se localizan los enzimas responsables de la oxidacion de Acidos grasos, aa, acido pirúvico y el ciclo de Krebs.
Se encuentran dispersas en la matrizmoleculas de ADN Y pequeños ribosomas. 
Haga clic para modificar el estilo de texto del patrón
Segundo nivel
Tercer nivel
Cuarto nivel
Quinto nivel
19
La fosforilación oxidativa se refiere a la síntesis química de ATP impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones desde el NADH al O2
La fosforilación oxidativa junto con la fotofosforilación (síntesis de ATP impulsada por luz) son los dos procesos transductores de energía más importante en la biósfera
La mayor parte del ATP sintetizado por los organismos aeróbicos es consecuencia de la fosforilación oxidativa y de la fotofosforilación
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
20
Cadena de transporte
Ocurre en la mitocondria
La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria
Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluidos en la membrana interna mitocondrial
21
Translocación de H+ asociada al flujo de electrones
pH = 7.0 
Espacio intermembranas (Lado P) 
pH = 7.8 
Matriz (Lado N) 
Por cada par de e- transferidos al O2, 4 H+ son bombeados por el Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y 2 H+ por el complejo IV; todos ellos desde la matriz mitocondrial (Lado N), hacia el espacio intermembranas (Lado P)
	 NADH + 11 H+ (N) + 1/2 O2  H2O + NAD+ + 10 H+ (P) 
22
Vamos a estudiar una reacción en la que juntaremos dos pares Redox en un recipiente :
Aoxi + e-
Ared
Boxi + e-
Bred
E0´ = + 250 mV 
E0´ = - 415 mV 
En el primer par la forma oxidada tiene mucha afinidad por los electrones. En el segundo par la forma oxidada tiene poca afinidad por los electrones. Por lo tanto, si juntamos ambos pares en la misma cubeta en condiciones equimoleculares, la reacción se realizará en la dirección :
Aoxi + Bred
En que el par de menor potencial potencial Redox cede electrones al de mayor potencial
Ared + Boxi
e-
23
Aoxi + Bred
Ared + Boxi
La diferencia entre el potencial Redox de ambos pares nos indica la dirección y grado de espontaneidad de la reacción :
Par A E0´ = + 250 mV 
Par B E0´ = - 415 mV 
DE0´ = + 665 mV 
¿ Como podemos expresar la espontaneidad de esta reacción en términos termodinámicos ?. Esto es, en términos de Variación de Energía libre Estandar
Cuanto mayor ( y positiva ) sea la DE0´ mas hacia la derecha estará desplazada esta reacción en el equilibrio.
DGº´ = - nF DEº´ 
Cuanto mayor y más positiva es la diferencia de potencial Redox Estandar, menor y mas negativa es la Variación de Energía libre Estandar.
24
La Ecuación de Nernst nos permite calcular Potencial de Oxidación-reducción de una reacción redox en condiciones reales conociendo las concentraciones de oxidantes y reductores :
Aoxi + Bred
Ared + Boxi
DGº´ = - nF DEº´ 
DE = DEº´
RT
_ ____
nF
Ln
[Ared][ Boxi]
[Aoxi][ Bred]
__________
Se pueden resumir las relaciones entre Variación de Energía libre y Potencial redox : 
DG = - nF DE 
25
					
					
					
					
	 NADP+  +   H+   +   2 e- 		NADPH        	- 0,320	
	NAD+   +   H+  +   2 e- 		NADH   	- 0,315	I
	FMN   +  2 H+  +   2 e- 		FMNH2  ( complejo I ) 	- 0,300	I
	ácido  lipoico  + 2 H+  +  2 e- 		ácido dihidrolipoico 	- 0,290	
	S  +   2 e-   +   2 H+ 		SH2   	- 0,230	
	FAD   +  2 H+  +   2 e- 		FADH2  ( coenzima libre )  	- 0,219	
	 acetaldehido  + 2 H+  + 2 e- 		etanol    	- 0,197	
	  piruvato-  + 2 H+  + 2 e- 		lactato-  	- 0,185	
	oxalacetato-  + 2 H+  + 2 e- 		malato-  	- 0,166	
	(Fe-S)oxi N-2 + e- 		(Fe-S)red N-2 ( complejo I )	- 0,030	I
	 fumarato-  + 2 H+  + 2 e- 		succinato-    	+ 0,031	II
	     FAD   +  2 H+  +   2 e- 		FADH2  ( en D-AA oxidasa ) *	0.00	
	 ubiquinona  + 2 H+  + 2 e- 		ubiquinol 	+ 0,045	I,II - III
	 citocromo b ( Fe+++ ) +  e- 		citocromo b ( Fe++ ) ( mitoc. ) 	+ 0,077	III
	hemo c1 ( Fe+++ ) +  e- 		hemo c1 ( Fe++ ) ( complejo III )	+ 0,220	III
	citocromo c ( Fe+++ ) +  e- 		citocromo c ( Fe++ ) 	+ 0,254	III - IV
	citocromo a ( Fe+++ ) +  e- 		citocromo a ( Fe++ ) 	+ 0,290	IV
	O2 +  2 e-  +  2 H+ 		H2 O2 	+ 0, 295	
	 hemo a3 ( Fe+++ ) +  e- 		hemo a3 ( Fe++ ) (complejo IV )	+ 0,385	IV
	 NO3-  +  2 e-  +  2 H+ 		NO2-   +   H2 O  	 0,420	
	SO42-  +  2 e- + 2 H+ 		SO32-   	+ 0,480	
	1/2    O2  +  2 e-  +  2 H+ 		H2 O 	+ 0,815	IV
* El potencial Redox estandar del FAD / FADH2 cuando está unido al enzima covalentemente varía entre – 465 y +169 mV. 
mV
 Reacciones de reducción de algunas moléculas de interés biológico
26
Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones 
el donador inicial de electrones y el aceptor final de electrones :
	Complejo	Donador	E0´	Aceptor	E0´	DE0´	DG0´
	I	NADH	- 0,315	Ubiquinol	+ 0,045	+ 0,360	
	II	Succinato	+ 0,031	Ubiquinol	+ 0,045	+ 0,014	
	III	Ubiquinol	+ 0,045	Citocromo c	+ 0,254	+ 0,209	
	IV	Citocromo c	+ 0,254	½ O2	+ 0,815	+ 0,561	
	Total I - IV	NADH	- 0,315	½ O2	+ 0,815	+ 1,130	
	Total II - IV	Succinato	+ 0,031	½ O2	+ 0,815	+ 0,784	
27
Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones 
el donador inicial de electrones y el aceptor final de electrones :
	Complejo	Donador	E0´	Aceptor	E0´	DE0´	DG0´
	I	NADH	- 0,315	Ubiquinol	+ 0,045	+ 0,360	- 16.57 Kcal mol-1
	II	Succinato	+ 0,031	Ubiquinol	+ 0,045	+ 0,014	- 0.65 Kcal mol-1
	III	Ubiquinol	+ 0,045	2 Citocromo c	+ 0,254	+ 0,209	- 9.64 Kcal mol-1
	IV	2 Citocromo c	+ 0,254	½ O2	+ 0,815	+ 0,561	- 25.87 Kcal mol-1
	Total I - IV	NADH	- 0,315	½ O2	+ 0,815	+ 1,130	- 52.12 Kcal mol-1
	Total II - IV	Succinato	+ 0,031½ O2	+ 0,815	+ 0,784	- 36.16 Kcal mol-1
Solo realizamos el cálculo cuando el número de electrones de los pares donador y aceptor es el mismo para el valor del potencial redox estandar dado en la tabla.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
28
					E’o (mV)
NADH				- 320
FMNH				- 290
Fe-S (Complejo I)		- 270
FADH				- 10
Fe-S (Complejo II)		 20
Ubiquinol (UQH2)		 50
Citocromo bk			 77
Citocromo bT 			 190
Citocromo c (+c1)		 230
Citocromo a+a3		 380
Oxigeno			 816
Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena respiratoria mitocondrial
Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de E’o más bajo hacia los transportadores con E’o más elevado. En la tabla, los de más arriba reducen a los de mas abajo
29
La transferencia de electrones es un proceso exergónico
En la cadena de transporte de e-, pasan 2 e- desde el NADH al O2
		NADH + H+ + 1/2 O2  H2O + NAD+
La reacción neta es altamente exergónica
	Teniendo en cuenta 	NAD+/NADH	E’o = - 0.320 V 						O2/H2O		E’o = + 0.816 V
	DE = E,o aceptor de e- – E,o dador de e-
DE = 0.816 V – (- 0.320 V)
 DE = 1,14 V
 El cambio de energía libre:
			DG’o = - n F DE
			DG’o = - 2 x 96500 x 1.14 V = - 220 kJ/mol NADH (c/2e-)
 En mitocondrias respirando activamente, la relación NADH/NAD es mayor que 1, y el DG’o es mucho mayor (más negativo) que -220 kJ/mol
 E’o = 1.14 V
30
Energía necesaria para la síntesis de ATP?
La síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, es un proceso endergónico:
		ADP + Pi  ATP + H2O	 DG’o = 30.5 kJ/mol
En condiciones fisiológicas, en eritrocitos				[ATP] = 2.25 mM							[ADP] = 0.25 mM y [Pi] = 1.65 mM					A 25 oC, pH = 7.0			DG’ = 51.8 kJ/mol
La cadena de transporte de e- libera energía más que suficiente para sintetizar ATP
31
Transportadores universales de electrones				- Nucleótidos de piridina (NAD+ y NADP+) 			- Nucleótidos de flavina (FMN y FAD+) 						
Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte de electrones
32
Sustrato reducido + NAD+  Sustrato oxidado + NADH + H+ 
Sustrato reducido + NADP+  Sustrato oxidado + NADPH + H+ 
Los electrones son canalizados hacia aceptores universales de electrones
La mayor parte de los e- que entran en la cadena respiratoria proviene de la acción de deshidrogenasas que capturan e- provenientes de reacciones catabólicas, canalizándolos en forma de pares de e- hacia aceptores universales
Las deshidrogenasas ligadas a nucleótidos de piridina, catalizan:
Las deshidrogenasas ligadas al NAD eliminan dos átomos de hidrógeno de sus sustratos (:H- y H+)
33
El NADH y el NADPH son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados reversiblemente con deshidrogenasas
El NADH actúa como transportador de difusión, llevando e- que provienen de reacciones catabólicas a su punto de entrada en la cadena respiratoria, el complejo NADH deshidrogenasa (Complejo I)
La flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unido, a veces covalentemente. El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando FADH2 o FMNH2
NADPH + NAD+ NADP+ + NADH
El NAD+ puede colectar equivalentes de reducción a partir del NADPH. Esta reacción es catalizada por las enzimas transhidrogenasas: 
Los electrones son canalizados hacia aceptores universales de electrones
34
Otros grupos transportadores de electrones				- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)		- Citocromos							- Proteínas ferro-sulfuradas
Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte de electrones
35
La cadena respiratoria consta de una serie de transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar 1 ó 2 e-
Cada componente de la cadena acepta e- del transportador precedente y se los transfiere al siguiente en una secuencia específica
Tipos de transferencia de e- (equivalentes de reducción) en la cadena respiratoria:							(1) transferencia directa de e- (Fe3+/Fe2+) 	(2) transferencia de un H+ (1 e-) 	(3) transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-
Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte de electrones
36
Otros grupos transportadores de electrones
Ubiquinona o Coenzima Q
La reducción completa (UQH2) requiere 2 e- y 2 H+ y se produce en 2 pasos sucesivos
La UQ puede aceptar 1 e- formándose radical semiquinona (UQH)
Debido a que es pequeña e hidrofóbica difunde a través de la membrana interna, actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana, menos móviles
37
38
Otros grupos transportadores de electrones
Citocromos
Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (cit reducido) o Fe3+ (cit oxidado)
Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína, a diferencia de hemos de cit a y b
El cit c mitocondrial es una proteína soluble (excepción), asociada a MI por interacciones electrostáticas
a
b
c
39
Otros grupos transportadores de electrones
Proteínas ferro-sulfuradas
En las proteínas ferro-sulfuradas, el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente
Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas
Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce uno de los átomos de Fe
Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-
Potenciales de reducción: -0.65V a + 0.45 V
40
Una serie de moléculas con grupos prostéticos redox con potenciales de reducción estándar crecientes desde el NADH (-320 mV) al O2 (+ 816 mV)
Cadena respiratoria mitocondrial ó cadena de transporte de electrones
Transporte de e- mitocondrial: reacción global
NADH  Fp(FMN)  UQ  cit bKbT  cit c,c1  cit aa3  O2
41
42
Complejo I
43
Complejo II
44
Complejo III
45
Complejo IV
46
La membrana mitocondrial interna separa 2 compartimientos de diferente pH, generando diferencias tanto en la concentración de H+ (pH) como en la distribución de cargas ().
El efecto neto de esta diferencia es la fuerza protón-motriz
Fuerza protón-motriz
Gradiente electroquímico de H+
47
En resumen
Fosforilación oxidativa
Ocurre en la mitocondria
La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria
Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluidos en la membrana interna mitocondrial
Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie
La cadena de transporte de e- es un proceso exergónico, que libera energía suficiente para la síntesis de ATP
Existe una translocación de H+ desde la matriz hacia el EIM 
 (fuerza protón-motriz)
Síntesis de ATP por ATP sintasa
48
Compuestos que inhiben la cadena respiratoria
Rotenona.
Amital.
Antimicina
Cianuro, Azida.
Monoxido de Carbono.
Fosforilación Oxidativa puede ser inhibida por:
Inhibición del transporte electrónico.
 Inhibición de la ATP sintetasa.
Desacoplamiento de la oxidación y la Fosforilación
Oligomicina
49
Inhibidores de la cadena de transporte
50
51
Tiempo
Efecto de un inhibidor
52
53
Haga clic para modificar el estilo de texto del patrón
Segundo nivel
Tercer nivel
Cuarto nivel
Quinto nivel
54
RESUMEN
55
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología MolecularFac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
e-
e-
Acidos Grasos
Glucosa
Glucolisis
PDH
Ciclo de Krebs
b oxidación
e-
e-
e-
e-
e-
e-
PODER
REDUCTOR
e-
CO2
Los Procesos oxidativos convierten los metabolitos como glucosa o ácidos grasos en CO2 + Energía . La Energía se almacena en forma de moléculas Reducidas como son NADH y FADH2 , que han recibido 2 electrones durante dichos procesos oxidativos.
56
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
H+
H+
H+
H+
H+
IV
I
II
III
e-
PODER
REDUCTOR
e-
PODER
REDUCTOR
e-
PODER
REDUCTOR
e-
PODER
REDUCTOR
e-
La Cadena Transportadora de Electrones bombea protones al espacio intermembrana desde la Matriz mitocondrial
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
O2
H2O
e-
H+
H+
H+
H+
H+
e-
e-
Matriz Mitocondrial
Espacio Intermembrana
H+
57
¿ Como se produce la transferencia de energía desde la Cadena Transportadora de Electrones ( Complejos I, II, III y IV ) hasta el Complejo V ( F0F1 ATPasa )?.
Como ya hemos señalado anteriormente, la Cadena Transportadora de Electrones se comporta como un gran sistema de bombeo de protones, de tal forma que tres de los cuatro complejos ( I, III y IV ) se comportan como Bombas de protones.
II
III
IV
 I
cit C
Q
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
58
II
III
IV
 I
cit C
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Por cada 2 electrones transportados desde el NADH hasta el O2, se bombean 10 H+
Lado P
Lado N
Cuatro de ellos son bombeados por el Complejo I
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
El Complejo III bombea 2 protones
H+
H+
H+
H+
H+
El Complejo IV bombea 2 protones
H+
59
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
II
III
 I
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
Lado N
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Q
e-
e-
¿ Como son bombeados los otros dos protones ?
H+
H+
Q
e-
e-
H+
H+
Q
CICLO Q, sitios Q0 y Qi
60
II
III
IV
 I
cit C
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
Lado N
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo I : Rotenona, Amital
ROTENONA , AMITAL
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
61
II
III
IV
 I
cit C
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
Lado N
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
H+
H+
H+
H+
H+
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo II : Carboxina
CARBOXINA
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
62
II
III
IV
 I
cit C
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
Lado N
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo III : Antimicina
ANTIMICINA
e-
e-
e-
e-
63
II
III
IV
 I
cit C
Q
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
Lado N
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
H+
H+
H+
H+
H+
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo IV : CN- , azida, CO
CN- , AZIDA, CO
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
64