Tema 5. Fosforilación Oxidativa y Cadena Respiratoria

8/18/2019 Tema 5. Fosforilación Oxidativa y Cadena Respiratoria.

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Tema 5. Fosforilación oxidativa y cadena respiratoria.

Único tema de fosforilación oxidativa, todos las demás son fosforilaciones a nivel de sustrato.

Función metabólica de la cadena respiratoria.

El poder reductor generado en las rutas metabólicas (NADH y FADH2) se usa en reacciones

redox. Para las demás reacciones necesitamos compuestos ricos en energía (ATP) que también

es generado en el ciclo de Krebs.

La célula tiene que convertir la energía redox en energía de enlace (convertir NADH y FADH2

en ATP), para que la célula lo pueda usar para todas las demás reacciones.

Esto ocurre en la membrana interna mitoncondrial (el ciclo de Krebs ocurre en la matrizmitocondrial).

Mecanismo.

1.

La cadena de transporte de electrones acopla el bombeo de electrones del NADH y del

FADH2 con el bombeo de protones de la matriz mitocondrial al espacio

intermembrana.

2. Cuando los protones refluyen a favor de gradiente desde el espacio intermembrana

hasta la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa se genera ATP.

El complejo I coge los electrones del NADH y se los da a la ubiquinona (Q). El complejo II coge

los electrones del Succinato, formando fumarato, y se los da a la ubiquinona. El complejo III

coge los electrones de la ubiquinona y se los pasa al citocromo C y por último el complejo IV

coge los electrones del citocromo C y se los da al O2 para formar H2O.


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Mitocondria.

1.

Tiene 2 membranas, membrana externa y membrana interna:

La membrana externa de la mitocondria es muy permeable a moléculas pequeñas,

iones…

Por el contrario, la membrana interna (tiene crestas y pliegues) es muy impermeable

a moléculas pequeñas e iones. Esto permite crear el gradiente con los protones.

Dentro de la membrana interna tenemos la cadena respiratoria, la ADP/ATP

traslocasa y la ATP sintasa.

2.

Dentro de la mitocondria hay un espacio intermembrana (entre la membrana interna

y la membrana externa) y una matriz mitocondrial (dentro de la membrana interna).

El espacio intermembrana también se le llama lado P o Positivo (se nos acumulan

muchos protones, y tiene carga positiva).

La matriz mitocondrial también se llama lado N o negativo (había protones que

volvemos a bombear luego se nos genera una carga negativa). En la matriz

mitocondrial se da el ciclo de Krebs, la beta oxidación de ácidos grasos, oxidación

de ácidos grasos, ribosomas, otras enzimas…

Concepto de transducción de energía mitocondrial.

Tenemos energía tipo redox (NADH y FADH2) y esta energía la convertimos en un gradiente

electroquímico, la usamos para bombear protones (ponemos en el espacio intermembrana

gran cantidad de protones). Ahora usamos esta energía para, con la ATP sintasa, generar ATP,

que ya podemos utilizar para todas las reacciones (energía química de enlace). Esto es el

concepto de transducción de energía mitocondrial.

Transducción de energía.

La cadena respiratoria está acoplada a la fosforilación oxidativa.


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Ecuación redox de la respiración.

En la cadena respiratoria mitocondrial los electrones se transfieren desde el NADH o el FADH2

hasta el O2. Esto nos da energía suficiente para generar ATP.

Sin la cadena respiratoria.

-

De 1 NADH -> 1 ATP

- De 1 FADH2 -> 1 ATP

Con la cadena respiratoria:

- 1 NADH -> 2,5 ATP

- 1 FADH2 -> 1,5 ATP

La ventaja de usar la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa es que la célula va a

obtener más energía a partir de la misma cantidad de poder reductor. Sin embargo la cadena

respiratoria tampoco es 100% eficiente.

Donadores de electrones.

Las 2 principales moléculas de poder reductor son NADH y FADH2. Del ciclo de Krebs

obtenemos 3 y 1 respectivamente de cada una de estas moléculas. El FAD también puede

provenir de otras fuentes. Hemos visto los dos de abajo que provienen del ciclo de Krebs, pero

también puede venir de ácidos grasos o de la glucólisis (se convierte en gicerol).

Secuencia de la cadena respiratoria.

Los complejos I y II transportan en paralelo hacia la ubiquinona u coenzima Q, que es paso

obligatorio de los electrones procedentes de estos complejos.


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Determinación de la secuencia en la que actúan los transportadores.

¿Cómo se determinó en qué orden estaban todos los componentes? Formas:

1.

Calculando potenciales de reducción estándar. Sabemos que los electrones van a ir de

potenciales más negativos a más positivos, luego viendo los potenciales de las

semirreacciones podemos ordenarlas obteniendo una idea del orden aproximado que

pueden tener en la célula.

2.

Quitando el oxígeno podemos ver también en qué orden se iban reduciendo (el último

se reduciría primero y el de arriba del todo se reduciría cuando se hubiesen reducido

todos los demás).

3. Usando inhibidores de la cadena respiratoria que actúan a diferentes niveles. Por

ejemplo: al inhibir la transferencia de oxígeno, todos los compuestos de la izquierda

hasta llegar al O2 se quedaran reducidos.

Transportadores electrónicos de la cadena respiratoria.

Se puede transportar un electrón solo o acompañado de algún protón.

La cadena respiratoria consta de una serie de transportadores electrónicos capaces de aceptar

y donar 1 o 2 electrones.

Cada componente de la cadena acepta electrones del transportador precedente y se los

transfiere al siguiente en una secuencia específica.

Complejos:

-

NAD, FAD/FMN (son hidrosolubles).

-

Ubiquinona o CoQ (hidrófoba).- Citocromos: son proteínas con grupo prostético hemo.

- Proteínas ferro-sulfuradas (proteínas con Fe asociado a átomos de S).


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Ubiquinona, Coenzima Q o Q10.

Es una molécula pequeña e hidrófoba, porque tiene grupo isoprenoide (cadena repetida 10

veces, por eso se llama Q10). Coenzima Q10 es la más común en humanos y hace referencia al

número de isoprenos. Se localiza dentro de la membrana mitocondrial interna.

La UQ va a ser capaz de estar oxidada, completamente reducida, o semireducida (de manera

que estará en estado semiquinona). Cuando está completamente reducida se denomina

Ubiquinol, y si está oxidada se denomina ubiquinona. Puede aceptar también 1 electron

formándose radical semiquinona.

Es capaz de actuar como unión entre un dador de 2 electrones y un aceptor de 1 e (puede

hacer de traductor o intérprete). Es capaz de transportar 2 electrones y 2 protones.

Debido a que es pequeña e hidrófoba difunde a través de la membrana interna mitocondrial,

actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos

de la membrana, menos móviles.

Proteínas ferro-sulfuradas.

Básicamente tendremos 1, 2 o 4 hierros inorgánicos complejados con azufres inorgánicos o de

cisteínas. Las proteínas ferrosulfuradas solamente transportan un electrón.

Citocromos.

Los citocromos tienen unido un grupo prostético hemo que puede ser grupo A, grupo B o

grupo C. También puede haber diferentes subtipos (a1, a2, c1, c2, c3…).

El citocromo a3 tiene todas las posiciones ocupadas excepto 1, que está libre, y le permite

unirse al oxígeno.

La mayoría de citocromos forman parte de los complejos en la membrana plasmática, pero el

citocromo C es una excepción y es soluble.


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Citocromo C.

El citocromo C también está involucrado en otros procesos como la muerte celular de la célula.

El citocromo C es soluble y se está moviendo normalmente por el espacio intermembrana. Si el

citocromo C se encuentra fuera de la membrana le da una alerta a la célula y hace que se

autodestruya. (lo único que hay que saberse del citocromo C).

Componentes de la cadena respiratoria mitocondrial.

Complejo I: NADH coenzima Q oxidoreductasa, NADH deshidrogenasa.

Complejo II: succinato coenzima Q - oxidoreductasa, succinato deshidrogenasa.

Complejo III: coenzima Q - citocromo C oxidoreductasa.

Complejo IV: citocromo oxidasa.

Complejo I.

Cogemos 2 electrones del NADH y los pasamos al FMN, luego a centros ferrosulfurados, y por

último lo acaba pasando a la ubiquinona (que también coge dos protones). Este proceso tiene

un incremento de G bastante negativo, luego es bastante exergónico. La célula aprovecha esta

energía que hemos generado simplemente por el trasvase de electrones para bombear 4

protones al espacio intermebrana desde la matriz (concepto más importante).

Complejo II.

Está anclado a la membrana, y a él llega el succinato que se convierte luego en fumarato. Los

electrones van a pasar a lo largo de los diferentes centros (FAD, centros ferrosulfurados…) y al

final se lo acaba pasando a la ubiquinona, de manera que ésta queda reducida. La gran

diferencia entre el complejo II y el complejo I es que en el complejo II, los electrones obtenidos

al pasar de FADH a FAD y de succinato a fumarato, no tenemos suficiente energía para

bombear protones. Este complejo no bombea protones al espacio intermembrana. (Por eso el

fadh tiene menos energía, no es capaz de bombear tantos electrones).


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Complejo III.

Tiene un centro ferrosulfurado que es la proteína de Rieske (importante). Tiene dos

citocromos también. En él tiene lugar el ciclo Q :

Cuando llega la ubiquinona en estado reducido, llega a la proteína de Rieske y el ubiquinón le

suelta 1 electrón, al centro ferrosulfurado de la proteína de Rieske (éstos solamente pueden

coger de 1 en 1 los electrones). La proteína de Rieske luego se lo da al citocromo C1, que luego

se lo da al citocromo C. El otro electrón que tiene el ubiquinón se lo va a soltar a alguien

diferente. Se lo suelta al citocromo B, pasa al H y luego ve una ubiquinona completamente

oxidada, y se lo da pasando al estado semiquinona. Los protones se bombean

automáticamente al espacio intermebrana.

En la segunda mitad del ciclo, una ubiquinona vuelve a ceder un electrón a la proteína de

rieske y acaba en otro citocromo C, y la semiquinona que habíamos formado vuelve a captar

otro electrón y dos protones para formarse QH2. Al final hemos transportado 2 electrones a 2

citocromos C, y hemos bombeado 4 protones, dos protones al principio y luego otros 2.

Complejo IV.

El oxígeno es el último aceptor. Sólo bombea 2 protones (si tenemos en cuenta 1 único átomo

de oxígeno). Si coge 1 molécula de O2 se bombean 4 protones. Para una molécula de oxígeno

vamos a obtener 2 moléculas de agua, y necesitaríamos 4 moléculas de citocromo C. Para dar

2 moléculas de agua vamos a necesitar 4 electrones.

El complejo IV tiene un grupo hemo a3, con una posición libre para que se una el oxígeno, y el

cobre B que también participa en la cesión de electrones al oxígeno.

Inhibidores:

Rotenona: bloquea el complejo I.

Antimicina : bloquea el complejo III.

CN y CO2 : ihiben el complejo IV.

El bombeo de protones hacia la membrana era en contra de gradiente, y ahora lo hacemos a

favor de gradiente y ahora es cuando generamos la energía.


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Por qué los electrones entran de 2 en 2 en la cadena respiratoria y acaban transportándose

de 1 en 1.

Debido al principio de exclusión de Pauling: Porque el aceptor final O2 tiene una disposición

electrónica que no permite aceptar electrones de 2 en 2.

Especies reactivas de oxígeno.

Si damos un electrón se forma el radical superóxido. Cuado le damos uno más formamos el ión

peróxido (al cual podemos darle 1 proton, 2 o ninguno) cuando le damos un electrón más al

peróxido de hidrógeno formamos una molécula de agua y un radical hidroxilo, al cual le damos

un electrón y formamos otra molécula de agua.

Estrategias de la célula para evitar daño por ROS (especies reactivas de oxígeno).

-

O2- -> superóxido dismutasa.

- H2O2 -> catalasa.

- ROO- -> glutatión reductasa y glutatión peroxidasa

Fosforilación oxidativa.

Consiste en sintetizar ATP mediante un proceso exergónico (bombeamos protones a favor de

gradiente).


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Mecanismo de la ATP sintasa.

La ATP sintasa es un rotor molecular que acopla el proceso endergónico de rotación (se

translocan protones a través de F0 y esto provoca la rotación del cilindro de subunidades c y la

subunidad gamma roten alrededor del eje de gamma) con el proceso exergónico de

translocación de protones del lado P al N.

La ATP sintasa funciona de la siguiente forma: los centros activos están en la interfase entre las

subunidades alfa y beta. Existen 3 estados conformacionales (cada sitio tiene siempre una

conformación, y éstas van cambiando con la entrada de protones):

-

O (open, vacía (no lleva protones).

- L (loose, une sustratos, une el ADP con el Pi).

-

T (tight, une ATP).

Cuando entra un protón, en F1 se cambia de conformación de L a T, el sitio T pasa a O y el sitio

O pasa a L.

La subunidad F1 abarca abarca: cilindro de subunidades alfa y beta, subunidad b y subunidad

gamma. La subunidad F0 abarca la subunidad a y la c (rota).


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Regulación de la respiración y fosforilación oxidativa.

Lo más importante es conocer que la fosforilación oxidativa está regulada por las necesidades

energéticas de la célula. Cuando hay poco ATP se estimula para producirlo, y cuando hay

mucho, se inhibe la FO.

Estequiometria de la fase III del catabolismo. Razón P/O.

Se define como la cantidad de ADP fosforilado (cantidad de ATP que vamos a formar) por

cantidad de O consumido.

La razón P/O va a ser 2,5 si los electrones provienen del NADH y 1,5 si provienen del FADH2.

NADH -> 10 H+ -> 2,5 ATP/O

FADH2 -> 5 H+ -> 1,5 ATP/O

¿Cuál es el rendimiento energético de un mol de acetilCoA a partir de la fase III del

catabolismo? La acetil CoA entra en un ciclo de Krebs donde se producen 3 NADH y 1 FADH2.

Luego 3 moles de NADH + 1 mol de FADH2 + 1 mol GTP = 3x2,5 + 1,5x1 + 1 ATP = 10 ATP por

cada molécula de acetil coA que entra en el ciclo de Krebs.

Regulación de la respiración y de la fosforilación oxidativa.

Convertimos energía en forma de poder reductor en energía en forma de ATP.

Vamos a tener un incremento de G redox, parte de esta energía se utilizará en bombearprotones (será mayor o igual, ya que el incremento de energía libre de los protones

bombeados, nunca será igual ya que el rendimiento no es 100%), y luego esta energía será

utilizada para generar ATP. También es mayor la delta de G de H que la delta de G de síntesis

de ATP, ya que la eficiencia no es del 100%, porque parte de esta energía se desperdicia.

La regulación va a estar regulada por la concentración de ATP / ADP + fosfato inorgánico que

haya en el citosol. Va a estar regulado por las necesidades energéticas de la célula, y se

controla por la disponibilidad de sustratos (ADP, Pi, O2, y compuestos que en la mitocondria


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producen NADH y FADH). La respiración ocurre en condiciones aerobias, en ausencia de

oxígeno no puede ocurrir (entonces la célula recurre a la fermentación).

El proceso de regulación de fosforilación oxidativa dependerá de la cantidad de energía que

necesite la célula y de la disponibilidad de los sustratos.

Regulación de la producción de ATP.

Tanto el ATP como el poder reductor en altas concentraciones actúan de inhibidor en la

glucólisis y en el ciclo de Krebs y en el ciclo de la fosforilación oxidativa.

Por el contrario, cuando los niveles energéticos de las células son bajos, se favorecen todos

estos procesos.

Agentes que interfieren en la fosforilación oxidativa.

- Inhiben la transferencia de electrones.

o Rotenona -> inhibe el complejo I (hay que saber el nombre y qué complejo

inhibe).o Carboxina -> inhibe el complejo II.

o Antimicina A -> inhibe el complejo III.

o CN- Co, azida sódica -> inhibe el complejo IV.

-

Inhiben la ATPsintetasa o complejo V.

o Oligomicina.

o Venturicidina.

o DCCD (diciclohexi


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- Desacoplan la fosforilación oxidativa y la transferencia de electrones.: favorecen que

pasen los protones del espacio intermembrana a la matriz y se llaman desacoplantes

porque en este caso desacoplan las dos cosas, hacemos que la cadena respiratoria siga

funcionando pero no producimos ATP.

o Dinitrofenol.

o FCCP.

o TErmogenina.

Para inhibir la cadena respiratoria, no basta con inhibir el complejo I (ya que los electrones

entrarían por el complejo II) ni el complejo II (ya que entrarían por el complejo I). Si inhibimos

el complejo III, a la larga acaba parándose la producción de ATP.

Tanto si inhibimos la cadena respiratoria, la ATP sintasa se nos acabará parando, como si

inhibimos la ATP sintasa, se nos acabará parando la cadena respiratoria (porque llega un

momento en que hay tal concentración de protones en el espacio intermembrana que el

gradiente será demasiado grande).

Normalmente los desacoplantes serán ácidos débiles liposolubles. Al ser débiles pueden estar

protonados o desprotonados, y al ser liposolubles pueden difundir (una vez protonados) por la

membrana interna mitocondrial, y una vez que están dentro se desprotonan y liberan

protones (a efectos prácticos cogen protones de fuera y los meten dentro, luego deshacen el

gradiente). Los animales que hibernan liberan gran cantidad de una proteína desacoplante, ya

que genera calor.

Termogenina y termogénesis.

Genera calor. La termogénesis en la mitocondria de la gasa parda está bajo control hormonal.

Los osos en hibernación.

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