Download Ciclo del ácido tricarboxilico (Ciclo de Krebs)

Transporte electrónico
Y
fosforilación oxidativa
• ultima fase de la oxidación biológica
• proceso principal de formación de ATP
Al final del Ciclo de Krebs la célula ha ganado:
- 4 ATP, 2 en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs,
- electrones energéticos:10 NADH2 y 2 FADH2.
•La formación de ATP esta acoplada a un proceso en el cual se transfieren
electrones desde un donador reducido de alta energía mediante
transportadores intermediarios a un aceptor final para dar un producto
reducido de baja energía
Los diversos miembros de la cadena
respiratoria
son
capaces
de
aceptar
electrones de los compuestos anteriores y los
transfieren al siguiente, reciben el nombre de
transportadores electrónicos localizados en la
membrana interna de la mitocondria
Cadena transportadora de electrones (CTE)
Es
un sistema multienzimático ligado a membrana que transfiere
electrones desde moléculas orgánicas al oxígeno.
Los transportadores intermediarios establecidos de la cadena transportadora son:
• NAD
• FAD y FMN
• Coenzima Q (CoQ) (están embebidos en la membrana mitocondrial)
• una familia de citocromos (cit b, cit c1, cit c, cit a, cit a3) son periféricas y se ubica
en el espacio intermembrana
• proteinas de hierro no heminico (intervienen en varias posiciones)
Ubiquinona: Coenzima Q
Citocromos
El proceso comienza con una transferencia de electrones de un sustrato
reducido (SH2 o S’H2) a NAD o FAD.
Cuando el proceso se inicia a nivel de NAD el transportador siguiente es
FMN y luego son transferidos a CoQ y de alli a los citocromos terminando en
el oxigeno como aceptor final
El proceso esta favorecido por los potenciales de reducción de los intermediarios
Reacciones de oxido-reducción
Los sistemas que tienen un
potencial de reducción
relativamente
negativo
tienen tendencia mayor a
perder electrones
Disposición de la cadena respiratoria
Los transportadores se ordenan en cuanto a su
tendencia creciente de experimentar reducción
(Cada transferencia tiene la capacidad de proceder
en forma espontánea y exergónica)
Cadena transportadora de electrones (CTE)
La CTE comprende dos procesos:
Los electrones son transportados a
lo largo de la membrana, de un
complejo de proteínas transportador
("carrier") a otro.
Los protones son translocados a
través de la membrana,
estos
significa que son pasados desde el
interior o matriz hacia el espacio
intermembrana. Esto construye un
gradiente de protones. El oxígeno
es el aceptor terminal del
electrón,
combinándose
con
electrones e iones H+ para producir
agua
Secuencia de eventos:
•los electrones pasan a través de el 1º complejo (NADH-CoQ reductasa) hasta
la ubiquinona, los iones H+ traspasan la membrana hacia el espacio
intermembrana.
• el 2º complejo (citocromo c reductasa) trasnsfiere electrones desde la CoQ a
el citocromo c, generando un nuevo bombeo de protones al exterior.
• el 3º complejo es una citocromo c oxidasa, pasa los e- del citocromo c al
oxígeno, el oxígeno reducido (1/2 O2-) toma dos iones H+ y forma H2O.
Balance neto:
los electrones entran a la CTE desde portadores tales como el NADH o el FADH,
llegan a la "oxidasa terminal" (una oxígeno-reductasa) y se "pegan" al oxígeno.
La cadena respiratoria abarca 1.14 V que corresponden a 53 kcal
La fuerza electromotriz de la fosforilacion oxidativa es el potencial de transferencia
De electrones desde el NADH o FADH2 hacia el O2
a) ½ O2 + 2 H+ + 2e-  H2O 0’ = + 0.82 V
b) NAD+ + H+ + 2e-  NADH 0’ = - 0.32 V
Sustrayendo b) – a) se obtiene:
½ O2 + NADH + H+-  H2O + NAD+ 0’ = + 1.14 V
Luego:
G0’= -n F E0’ = -52.6 kcal/mol
La oxidación y la fosforilación están acopladas por medio de un protón
½ O2 + NADH + H+-  H2O + NAD+ G0’ = -52.6 kcal/mol
Esta energía libre se utiliza para sintetizar ATP:
ADP + Pi + H+  ATP + H2O G0’ = + 7.3 kcal/mol
La síntesis de ATP se
consigue por medio de un
ensamblaje molecular situado
en la membrana mitocondrial
interna: el complejo ATP
sintasa y esta dirigida por el
movimiento de protones a
través de la membrana
interna mitocondrial
(hipótesis quimiosmotica)
Hipótesis del mecanismo de acoplamiento
Acoplamiento quimiosmotico
A medida que los electrones fluyen por la CTE, a ciertas etapas los protones (H+)
son transferidos desde el interior al exterior de la membrana, generando un
gradiente de protones , con una diferencia de concentración de H+ estimada en
1000 (expresada como diferencia de concentracion) entre ambas caras de la
membrana
Esto representa energía potencial acumulada. La membrana es básicamente
impermeable a los protones, pero el complejo proteico ATP sintetasa contiene el
único canal para la entrada del protón, por lo tanto a medida que los protones
pasan por el canal, se produce la siguiente reacción:
ADP + Pi ---> ATP.
Este proceso puede llamarse: fosforilación quimiosmótica (asumiendo que la
hipótesis quimiosmótica sea la correcta), o fosforilación oxidativa (sin asumir
respecto al mecanismo).
CADENA RESPIRATORIA
H+
H+
H+
ATP
sintasa
H+
III
c
IV
Q
ADP +P i
I
H2O
II
O2
H+
NADH+H
FADH2
Matriz
Interna
energía
Producción de ATP de la cadena transportadora de
electrones
(fosforilación oxidativa)
La fosforilación oxidativa del ADP se produce a expensas de una gran
cantidad de energía libre liberada a medida que los electrones circulaban
a lo largo de la cadena respiratoria desde el NADH al oxigeno
Existen tres sitios de la cadena respiratoria en los que la energía
de oxido reducción del transporte electrónico se convierte en energía
del enlace fosfato del ATP. (Hay que considerar que la formacion de
ATP desde ADP y Pi requiere 8000 cal, valor deducido del G)
Estudios realizados con mitocondrias purificadas indican que los sitios de
Fosforilacion son:
ADP + Pi
ADP + Pi
ADP + Pi
ATP
ATP
ATP
¿Cómo puede el flujo de protones a través de la ATPsintasa originar la liberación de
ATP?
Mecanismo de cambio de enlace de la ATP sintasa
La enzima presenta tres centros cataliticos:
O: abierto, poca afinidad por los sustratos
L: enlace débil pero cataliticamente inactivo
T: enlace fuerte y cataliticamente activo
El flujo de protones promueve interconversiones conformacionales en los
centros catalíticos provocados por el flujo de protones
Al centro L se enlazan ADP y Pi, la energía producida por el flujo de electrones
transforma el centro T en un centro O (se produce la liberación de ATP) y el
centro L en un centro T posibilitando la formación de una nueva molécula de
ATP, estas transiciones están relacionadas con cambios en las interacciones
de las subunidades, por ej cambios en las cadenas laterales de la proteína
¿Como entran los electrones del NADH producidos en el citosol ?
La membrana interna de la mitocondria es completamente impermeable al
NADH y NAD+ pero el NADH producido durante la glicólisis en la oxidación del
gliceraldehido-3-fosfato debe ser regenerado para que la glicólisis pueda
continuar
La solución es que los electrones del NADH (en vez del propio NADH) sean
transportados a través de la membrana mitocondrial. Un transportador es el
gliceraldehido-3-fosfato que atraviesa fácilmente la membrana externa mitocondrial,
el proceso es conocido como lanzadera del glicerol fosfato.
La
primera
etapa
implica
la
transferencia de electrones desde el
NADH a la dihidroxiacetona para formar
gliceraldehido (en el citosol), esta
reaccion esta catalizada por la
gliceraldehido-3-fosfato
deshidrogenasa.
El gliceraldehido entra en la mitocondria
y es reoxidado a dihidroxiacetona en la
superficie externa de la membrana
interna mitocondrial
¿Como entran los electrones del NADH producidos en el citosol ?
Durante
la
reoxidacion
del
gliceraldehido a dihidroxiacetona
se transfiere un par de electrones
al
FAD+
de
la
glicerol
deshidrogenasa
mitocondrial
(utiliza FAD en vez de NAD) LA
dihidroxiacetona difunde fuera de
la mitocondria
NADH +
Citoplasmático
H+
La reacción neta es:
+ E-FAD  NAD+
mitocondrial
+
citoplasmático
E-FADH2
mitocondrial
Luego el FADH2 en el interior de la mitocondria transfiere sus electrones al
transportador electrónico, en consecuencia se forman dos moléculas de ATP en
lugar de tres cuando el NADH citoplasmático transportado por esta lanzadera se
oxida por la cadena transportadora
¿Cómo entran los ADP producidos en el citoplasma?
EL ATP y el ADP no se difunden libremente a través de la membrana interna
mitocondrial (esta membrana es impermeable a casi todos los iones y a la
mayoría de las moléculas con carga) sino que hay un transportador especifico: la
ATP-ADP translocasa
Un hecho interesante es que el transporte de ATP y ADP están acoplados: el
ADP pasa la matriz mitocondrial solo si el ATP sale y vicerversa
ADPcitosolico3- + ATPmit4-  ADPmit3- + ATPcitosolico4transporte
se yve
La enzima tiene un único centro de unión que oscila entre elellado
citosolico
la diferencias
mitocondrial. EL ATP y el ADP tienen aproximadamente facilitado
la mismapor
afinidad
de cargas a ambos lados
de la membrana, el
intercambio ADP-ATP
disminuye este potencial
de membrana
Balance energético completo del metabolismo de la glucosa
HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA• Universidad Nacional del Nordeste
http://www.biologia.edu.ar/
Reacción
GLICOLISIS (citoplasma)
Glucosa a Glucosa-6-P
Fructosa-6-P a Fructosa-1,6-dP
1,3-difosfoglicerato a 3-fosfoglicerato (x2)
Fosfoenolpiruvato a piruvato (x2)
Gliceraldehido-3-P a 1,3-difosfoglicerato (x2):
ATP
PRODUCCION NETA:
FADH2
-1
-1
+2
+2
+2
CONVERSION DE PIRUVATO EN ACETIL-CoA (mitocondria)
CICLO DEL ACIDO CITRICO
Succinil-CoA a succinato
oxidación de isocitrato, -cetoglutarato y malato
oxidación de succinato
FOSFORILACION OXIDATIVA (mitocondria)
(oxidación de NADH y FADH2 para producir ATP)
2 NADH proveniente de la glicólisis: 2 c/u produce 2 ATP
(perdida por la lanzadera)
2 NADH de la conversión de piruvato
(c/u produce 3 ATP)
6 NADH del ciclo del ácido cítrico
(c/u origina 3 ATP)
2 FADH2 de la oxidación de succinato
(c/u produce 2 ATP)
NADH
+2
+2(GTP)
+6
+2
+4
+6
+18
+4
+36 ATP
En condiciones estándar la oxidación de glucosa produce
Glucosa + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
G0’= -686 kcal
La energía libre almacenada en 36 ATP es de 263 kcal (-7.3 kcal x 36) por lo tanto la
eficiencia termodinámica de la formación de ATP a partir de glucosa es 263/686 x
100 = 38%
¿Quién controla la velocidad de la fosforilación oxidativa?
La velocidad de la fosforilacion esta determinada por las necesidades de ATP
Los electrones no fluyen normalmente a traves de la cadena de
transportadores de electrones a menos que el ADP sea fosforilado. La
fosforilacion requiere un suminiseo de NADH (u otra fuente de electrones), O2,
ADP y Pi
El factor determinante de la velocidad de fosforilación es el nivel de ADP
(control respiratorio)
Los electrones no fluyen desde las moléculas de combustibles hasta el
oxigeno a menos que se necesite sintetizar ATP
Los derivados tóxicos del oxigeno son eliminados mediante
enzimas protectoras
Si bien las proteínas que reducen al oxigeno están diseñadas para transformar el
oxigeno en agua, puede suceder que durante la reducción se originen especies
toxicas como el anion superoxido O2-. altamente reactivo y destructor.
La protonación del anión superóxido conduce a la formación del radical
hidroperoxilo (HO2.) el cual reacción con otro radical hidroperoxilo originando
peroxido de hidrogeno
O2 + e-  O2-. +H+  HO2. + HO2.  H2O2
El anion superoxido puede ser eliminado por la superoxido dismutasa
O2-. + O2-.  H2O2 + O2
Luego el peroxido de hidrogeno formado en ambas reacciones se elimina por la catalasa
H2O2 + H2O2  2 H2O + O2
Las peroxidasas son tambien otras enzimas que catalizan una reaccion analoga en
Que el peroxido de hidrogeno se reduce a agua mediante un agente reductor (AH2):
H2O2 + AH2  2 H2O + A