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Área de Química Biológica - Universidad Nacional de San Luis

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LIC. CS. BIOLÓGICAS – PROF. BIOLOGÍA – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA

PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN 

BOLILLA 2:

Transporte electrónico mitocondrial. Fosforilación oxidativa. Mitocondrias. Cadena respiratoria. Localización. Balance energético. Desacoplantes: proteínas desacopladoras. Inhibidores. Síntesis de ATP. Hipótesis quimiosmótica.Translocasas. Regulación de la fosforilación oxidativa. Oxidasa alternativa en vegetales. Luciferina-luciferasa.

Transporte electrónico cloroplástico. Fotofosforilación y fotosíntesis. Proceso en plantas superiores. Reacciones luminosas. Captación de la energía luminosa. Cloroplastos y pigmentos. Transporte electrónico cíclico y no cíclico. Síntesis de ATP por fotofosforilación. Similitudes entre fosforilación oxidativa y fotofosforilación.Concepto unificador de la teoría quimiosmótica. Otros organismos fotosintetizadores.

Sistema microsomal de transporte electrónico. Formación de compuestos oxígeno-reactivo. Radicales libres. Sistemas de protección.

Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1

Coenzima Q

Fe/Cu

Fe/Cu

O2

IV

FAD

Fe-SII

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Cit.a

Cit a3

Cit.cFeFe-SFe Fe Fe

III

Fumarato

Succinato

Complejo II

SUCCINATO DESHIDROGENASA

NADH

FMN

Fe-SI

NAD+

e-

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA

Complejo II

SUCCINATO DESHIDROGENASA

Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA

Repasemos….

Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico

REACCIONES DEL COMPLEJO I

NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+

NADH + H+ NAD+ + 2 e- + H+ (Eo= - 0,32 V)

FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH2 (Eo= - 0,22 V)

Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

COMPLEJO II

• Succinato-coenzima Q oxidorreductasa (E)• Coenzima: FAD• Proteínas ferrosulfuradas• Transfiere equivalentes de reducción desde succinato a la

coenzima Q

Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2

E-FADH2 + Prot-Fe+++ E-FAD + Prot-Fe++

Prot-Fe++ + CoQ Prot-Fe+++ + CoQH2

Es la Coenzima Q, una Benzoquinona liposolublePosse una cadena lateral isoprenoide (R)

Molécula pequeña que difunde a través de las membranas.

CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2

CoQH2

CoQ

Cit.b566

Fe+++ Fe++Fe++ Fe+++ Fe+++

Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++

Fe++ ½ O2 + H+

H2O

Cit.b562

Fe-SCit.c1

Cit.c

Cit.a.a3

Complejo IVComplejo III

Estructura de los citocromos

Hemo A (Citocromo a y a3)

Estructura general de citocromo c y c1

Son proteínas con un grupo prostético hemo unido a Fe.Las mitocondrias poseen 3 tipos de Citocromos: a, b y c

Ciclo “Q” : Paso de electrones y protones a través del Complejo III

Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Paso de los electrones por el Complejo IVBombeo de H+ acoplado

Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Cadena de Transporte de ElectronesFeduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición

¿Qué reacciones proveen de NADH a la Cadena Respiratoria?

• Piruvato deshidrogenasa

• Isocitrato deshidrogenasa

• Malato deshidrogenasa

• a-cetoglutarato deshidrogenasa

Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H

Cadena

Respiratoria

CICLO DE KREBS

Deshidrogenasas NAD dependientes

Deshidrogenasas NAD dependientes

Oxidaciones en la Mitocondria:

Aportes de NADH+H+ y FADH2

Transporte Electrónico mitocondrial¿Qué tipo de proceso?

El flujo de e- ocurre a favor del gradiente

de Potencial de Reducción

Es un proceso exergónico

Transcurre con disminución de energía libre

Neto posee un – DG

Desde NADH+H hasta O2 y formar H2O : - 52,6 Kcal/mol

¿Se puede aprovechar esa Energía en otro proceso?

¿En formación de enlaces fosfato de alta energía?

Adenosina Trifosfato (ATP)

Moléculas de alta energía

Energía de Hidrólisis de los Compuestos de elevada Energía

Hidrólisis con eliminación de la repulsión de cargas

IonizaciónEstabilización por resonancia

(- 7,3 Kcal/mol)

Hidrólisis del ATP

ADP + Pi ATP + H2O

(DG°´ + 7,3 Kcal/mol)

(DG°´ - 7,3 Kcal/mol)

La producción de ATP utilizando Energía liberada durante el Transporte de Electrones en la Cadena Respiratoria mitocondrial

se denomina

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

¿Dónde ocurre la síntesis de ATP?

COMPLEJO ATP sintasa

• F1 : 9 subunidades polipeptídicas: a3 b3 g d e y 3 sitios catalíticos

• Fo: Proteína integral , canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b2 y c12

• Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química.

• El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobel al describir la ATP sintasa.

¿Cómo ocurre la síntesis de ATP? FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

La Cadena de Transporte de Electrones y la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA estuvieron separadas

conceptualmente por mucho tiempo.

En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica

“LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES POSIBLE POR LA DIFERENCIA EN LA

CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”

PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)

Hipótesis Quimiosmótica

-A partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el almacenamiento de la energía en los seres vivos para ser posteriormente transportada a los puntos de utilización por medio de las moléculas de ATP.

-La energía liberada por el traslado de electrones en la cadena respiratoria se conserva mediante la fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

-En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA OSMÓTICA.

SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA

Traslocación de H+ acoplada al Transporte de electrones

MATRIZ

ESPACIO INTERMEMBRANA

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+H+

3 ATP

e-e-

e-e-

e-e-e-

2 ATPH+

H+

H+

H+

H+

H+

POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA

• Membrana mitocondrial impermeable a protones.• Traslocación de H+ durante el transporte de electrones.• Formación de un gradiente electroquímico (H+ y cargas

positivas).• Los protones acumulados en el espacio

intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la membrana.

• El pasaje de los H+ a través de Fo activan la ATP sintasa.

La energía del gradiente de protones se utiliza también para el transporte

Translocasa ADP-ATP y Transportador de Pi

Relación P/O en Cadena de Transporte Electrónico

Sustrato oxidable + Deshidrogenasa NAD dep.

NADH+H+

P/O = 3/1 (2,5/1)

e- e-

Experimento: Mitocondrias + Sustrato oxidableConsumo de Pi y O2

P/O: Relación entremoléculas de P y

átomos de O2 consumidos

Sustrato oxidable + Deshidrogenasa FAD dep.

FADH2

e- e-

P/O = 2 /1(1,5/1)

• El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus actividades.

• El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP, respectivamente.

Control respiratorio por el aceptor

• Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay una concentración suficiente de ADP y Pi.

• Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.

INHIBIDORES

• Inhibidores del transporte electrónico Inhiben solamente el transporte de e-

• Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente el

transporte de e-

• Desacoplantes Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el

transporte de electrones• Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la

mitocondria

INHIBIDORES del TRANSPORTE ELECTRÓNICO

Complejo I

Complejo III

Complejo IV

El uso de inhibidores no solo ha ayudado a deducir la secuencia de la cadena respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos fármacos y venenos.

Compuesto Comentario Modo de Acción

Rotenona

Amital

Insecticida

Barbitúrico: induce el

sueño

Impiden la transferencia

electrónica desde Fe-S a

la CoQ

Antimicina A Antibiótico

Bloquea la transferencia

electrónica desde cit. B

a cit. c1

Cianuro

Monóxido de

carbono

Inhiben la citocromo

oxidasa

Inhibidores del Transporte Electrónico

Compuesto ComentarioModo de

acción

Oligomicina Antibiótico

Bloquea el

flujo de

protones a

través de F0 .

Inhibidores de la Fosforilación

INHIBIDORES DE LA FOSFORILACIÓN

• Oligomicina: Bloquea el flujo de protones a través de Fo.

• Se inhibe la síntesis de ATP

• Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.

DESACOPLANTES

Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones.

Desacoplan la fosforilación del transporte electrónico

+ H+

O-

2,4 Dinitrofenol (DNP)Forma protonada que atraviesa la membrana

• Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa.

• El 2,4-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria.

• Termogenina de la “grasa parda”

DESACOPLANTES

Problema 7) La “grasa parda” es un tipo de tejido adiposo que poseen los animales que hibernan y los niños, y que también está presente (aunque en baja proporción) en seres humanos adultos. Este tejido posee un alto contenido en mitocondrias (dándole una apariencia marrón), las cuales tienen una relación P/O menor que 1.

a) ¿Qué papel fisiológico desempeñan las mitocondrias de este tejido?b) ¿Qué diferencias hay entre las mitocondrias de este tejido y las de otros tejidos?

Proteína TERMOGENINA:

Generación de calor por mitocondrias desacopladas

Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Oxidaciones mitocondriales alternativas en plantas

Espadice

Espata

Cadena de transporte electrónica alternativa en plantas - Papel fisiológico

• Producción de calor en algunas especies vegetales como por ej. Araceae species en un etapa anterior a la polinización para producción de compuestos aromáticos que atraen a los polinizadores.

• Es activa durante períodos de altas velocidades de oxidación de sustratos para evitar la producción de radicales libres.(Esqueletos carbonados C.Krebs)

• Es activa en situaciones de estrés (sequia, temperaturas extremas, tóxicos presentes en el suelo, falta de Pi, patógenos)( en estas situaciones disminuye la velocidad de la cadena respiratoria normal)

BIBLIOGRAFÍA

• “Química Biológica”-Lehninger A. L., Cap. 19, 4ª Edic. (2007) • “Bioquímica” - Mathews Ch., Van Holde K.E., Ahern K. Cap 17:

665 – 699, 3ra Edic., Pearson Educ. S.A. (2002)• “Fisiología Vegetal” – Taiz L., Zeiger E., Vol I , Cap 7,

3ra Edic., (2006)