12/04/2012 1 CADENA RESPIRATORIA y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA En organismos QUIMIOTRÓFICOS: Moléculas combustibles orgánicas OXIDACIÓN NADH y FADH 2 Cadena de transportadores electrónicos O 2 H 2 O NAD + y FAD ADP + P i ATP FINALIDAD: Reoxidar las coenzimas NADH ó FADH 2 reducidas en las reacciones oxidativas previas Cátedra de Bioquímica - FOUBA
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QUIMIOTRÓFICOS: En organismos - odon.uba.ar · ACOPLAMIENTO entre: TRANSPORTE ELECTRÓNICO y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ATP sintetasa Cátedra de Bioquímica - FOUBA . 12/04/2012 11
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CADENA RESPIRATORIA
y
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
En organismos
QUIMIOTRÓFICOS:Moléculas combustibles orgánicas
OXIDACIÓN
NADH y FADH2
Cadena de transportadores electrónicos
O2 H2O
NAD+ y FAD
ADP + Pi
ATP
FINALIDAD:
Reoxidar las coenzimas NADH ó FADH2 reducidas en
las reacciones oxidativas previas
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Procesos oxidativos
Cofactores reducidos
NADH + H+
FADH2
MITOCONDRIA
CITOPLASMA
ATP
e - NH3
Desaminación
CO2
ATP
e - e - e -
Reoxidación de los
cofactores reducidos
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MITOCONDRIA:
etapa final de la oxidación de los nutrientes (1948)
Albert L. Lehninger 1917-1986
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REOXIDACIÓN DE COFACTORES REDUCIDOS EN LA CADENA RESPIRATORIA
NADH NAD+
FADH2 FAD
e-
Transportadores electrónicos O2 Cátedra de Bioquímica - FOUBA
Complejo I NADH-ubiquinona reductasa FMN Complejos Fe-S
Complejo II Succinato-ubiquinona reductasa FAD Complejo Fe-S
Complejo III Ubiquinol citocromo c reductasa Cit b Cit c1 Complejo Fe-S
Complejo IV Citocromo c oxidasa Cit a Cit a3 2 Cu++
CADENA DE TRANSPORTADORES
ELECTRÓNICOS:
los complejos y sus grupos
prostéticos
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ORGANIZACIÓN DE LOS TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS EN LA CADENA:
• complejos I, III y IV: proteínas integrales de membrana
• Coenzima Q: transportador móvil embebido en la MMI
• citocromo c: proteína periférica en la cara externa de la MMI
FADH2
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Flujo de e-Reducción y Oxidación
de transportadores
Agentes reductores
fuertes
Agente oxidante
fuerte
Gradientes de reducción crecientes
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NADH y FADH2 ceden e- a la cadena,
su pasaje de un transportador a otro
libera energía
FADH2 Cátedra de Bioquímica - FOUBA
VÍA DE FLUJO DE ELECTRONES
NADH
complejo I
Q
complejo III
complejo II
complejo IV
O2
FADH2
cit c
Liberación de Energía
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La liberación de E libre que
acompaña al flujo de e-
impulsa el bombeo de H+
a través de la MMI
desde la matriz hacia el espacio intermembrana
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El gradiente electroquímico resultante
se utiliza para sintetizar ATP
en un complejo proteico transmembrana y
los H+ fluyen nuevamente hacia la matriz Cátedra de Bioquímica - FOUBA
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• parten de un nivel energético alto
• van cediendo energía a medida que avanzan a lo largo de la cadena
• cada complejo tiene mayor afinidad por los electrones que el anterior
• pasan secuencialmente de uno al otro hasta que son transferidos al O2 que es el de mayor afinidad por los electrones y se reduce formando H2O
• LOS e- FLUYEN DE ACUERDO AL POTENCIAL DE REDUCCIÓN CRECIENTE
FLUJO DE e-:
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Los potenciales redox (E°´) de los componentes de la cadena respiratoria
Desde el NADH hasta el O2 hay 3 descensos importantes de energía libre:
en el cj I, III y IV
Que aportan suficiente energía para sintetizar
ATP
NADH
FADH2
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DESCENSOS de E libre que GARANTIZAN
la SÍNTESIS de ATP
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FINALIDAD DE LA CADENA RESPIRATORIA
1) Reoxidación de las coenzimas reducidas:
NADH y FADH2
2) SÍNTESIS de ATP
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FOSFORILACIÓN OXIDATIVA:
ES EL MECANISMO POR EL CUAL LA DISMINUCIÓN DE ENERGÍA LIBRE QUE ACOMPAÑA AL FLUJO DE ELECTRONES A LO LARGO DE LA CADENA RESPIRATORIA SE ACOPLA A LA SÍNTESIS DE ATP
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SÍNTESIS de ATP por ATP sintasa
John Walker
Premio Nobel de química en 1997 “por el descubrimiento del mecanismo
enzimático involucrado en la síntesis de ATP”
Paul Boyer
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ACOPLAMIENTO entre:
TRANSPORTE ELECTRÓNICO y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
ATP sintetasa
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Organización de la
ATP sintetasa
Complejo enzimático que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y
Pi, acompañado del flujo de H+ desde el espacio intermembrana (EIM)
a la matriz
Está formado por dos componentes:
F1: una proteína periférica de membrana (33)
F0: una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12)
Subunidad c (de F0) forman
2 círculos concéntricos
La subunidad pasa a través
del centro esférico 33
Subunidad y (de F1) se unen
firmemente al anillo de subunidad c
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Las translocación de H+ a través del poro F0 provoca que el cilindro
de subunidad c y la subunidad adjunta, roten alrededor del eje de
(perpendicular al plano de la membrana)
El pasaje de H+ a través de F0 provoca cambios conformacionales de la subunidad de la F1-ATPasa
El proceso endergónico
de rotación de la sub.
es impulsado por el proceso
exergónico de la
translocación de H+
Funcionamiento de la
ATP sintetasa
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NADH
FADH2
RENDIMIENTO ENERGÉTICO de la REOXIDACIÓN de:
• por cada mol de NADH que se oxida, se sintetizan 3 moles de ATP
(cj I, III y IV)
• por cada mol de FADH2 que se oxida, se sintetizan 2 moles de ATP (cj III y IV)
ATP
ATP
ATP
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¿Cuál será el destino del
ATP
generado por el acoplamiento
de la cadena respiratoria y la
fosforilación oxidativa?
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Oxidación de coenzimas reducidas (NADH ó FADH2) por el O2
proceso exergónico
NADH + ½ O2 + H+ H2O + NAD+ ∆Gº = -52,6 kcal/mol
ADP + Pi + H+ ATP + H2O ∆Gº = +7,3 kcal/mol
el ADP captura E libre de los procesos catabólicos para generar ATP
que luego será utilizado por las células para procesos de síntesis, transporte
de moléculas, contracción muscular, etc.
ATP + H2O ADP + Pi + H+ ∆Gº = - 7,7 kcal/mol
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¿Cómo se explica este
acoplamiento entre la reoxidación
de las coenzimas y la síntesis de
ATP?
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TEORÍA DEL ACOPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICO
Peter Mitchell
1920-1992
Premio Nobel de Química en 1978
“por su contribución a la comprensión de
la transferencia de energía a través de la
formulación de la teoría quimiosmótica"
El gradiente electroquímico de protones a través de la
es crucial para los procesos de transducción de energía
y síntesis de ATP (1961)
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El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al
transporte de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranas
La membrana interna es impermeable a los H+
Se conserva la energía de oxidación de los procesos metabólicos en
forma de potencial electroquímico, ya que se genera un gradiente
electroquímico de H+
La cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP
El flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la
energía libre para la síntesis de ATP. Las concentraciones de H+ en
las 2 fases acuosas (EIM y M) separadas por la membrana interna,
constituyen la fuerza responsable (fuerza proto-motriz) de la formación
de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la
membrana mitocondrial
POSTULADOS DE LA HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
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Membrana
mitocondrial
interna
Matriz
mitocondrial
Espacio
intermembrana
ADP + Pi ATP
O2
FP b c a a3
H+ H+ H+ pH = 7.0
pH = 7.8
ATPasa
H+
• La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria produce un bombeo de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana • generando un gradiente electroquímico a través de la MMI, • que se disipa por el retorno pasivo de éstos a través de un poro de H+ (F0) asociado a la ATP sintetasa • asociado a la síntesis de ATP
TEORÍA DEL ACPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICO
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ACOPLAMIENTO:
CADENA RESPIRATORIA Y
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
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LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
depende del aporte continuo de ADP-3 y PO4H-2
para la síntesis de ATP-4
que luego debe ser transportado hacia el
citosol
¿cómo se produce el transporte de estos iones?
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TRASLOCASAS
ADP/ATP
traslocasa
Fosfato
traslocasa
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CONTROL RESPIRATORIO
flujo de electrones
Fosforilación de ADP
La magnitud del consumo de O2 mitocondrial
está regulado por los niveles de ADP y Pi =
sustratos de la fosforilación oxidativa
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AGENTES QUE INTERFIEREN CON LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Desacoplantes de la cadena respiratoria
Inhibidores de la fosforilación oxidativa
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Tipo de interferencia Compuesto Blanco Modo de acción
Inhibición de la transferencia electrónica
Cianuro Inhiben la citocromo-oxidasa CO
Antimicina A Bloquea la transferencia
electrónica desde el cit b al cit c1
Rotenona Impiden la transferencia electrónica desde un
centro Fe-S a la ubiquinona
Amital
Inhibición de la ATP sintetasa
Oligomicina Inhibe F0 y CF0
Desacoplamiento de la
Fosforilación y el transporte electrónico
Carbonil-cianuro Fenilhidrazona
Acarreadores hidrofóbicos de
Protones Dinitrofenol
Valinomicina Ionóforo del K+
Proteína Desacopladora
(termogenina)
Forma poros conductores de H+ en la MMI del tejido adiposo pardo
INTERFIEREN CON LA FOSFORILACION OXIDATIVA:
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EL CASO DE LA TERMOGENINA
• Proteína que se comporta como un desacoplante natural
• Permite el pasaje de H+ desde el espacio intermembrana a la matriz sin pasar por F1-F0
Relación entre tejido adiposo y
termogénesis
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REOXIDACIÓN del NADH citosólico
El NADH generado en el citosol durante la glucólisis DEBE SER REOXIDADO