efecto de los inhibidores en la cadena respiratoria

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EFECTO DE LOS INHIBIDORES EN LA CADENA RESPIRATORIA I. INTRODUCCIÓN Según se ha indicado, en las oxidaciones biológicas los hidrógenos sustraídos al sustrato son transferidos en forma gradual a través de aceptores que experimentan cambios reversibles en su estado redox. En la membrana interna de las mitocondrias estos aceptores están dispuestos ordenadamente según un gradiente de potencial de reducción creciente y asociados íntimamente a las enzimas que catalizan las transferencias. El conjunto recibe el nombre de cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones. (Blanco 2001) Dos hidrógenos cedidos en una reacción redox representan la suma de dos protones (H + ) y dos electrones (e-). Hidrógenos y electrones frecuentemente son denominados equivalentes de reducción. La cadena respiratoria comprende una serie de etapas. Durante todo el recorrido, los electrones fluyen naturalmente en el sentido que les fija el desnivel en el potencial de reducción de los aceptores. En este sistema, los electrones se deslizan desde A a B, a C, a D, y al oxígeno secuencialmente, impulsados por el potencial creciente. Todos los integrantes de la cadena de transporte de electrones se encuentran en la membrana interna de la mitocondria, constituyendo un sistema multienzimático altamente ordenado. Su inclusión en la membrana asegura la

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Page 1: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

EFECTO DE LOS INHIBIDORES EN LA CADENA

RESPIRATORIA

I. INTRODUCCIÓN

Según se ha indicado, en las oxidaciones biológicas los hidrógenos sustraídos al sustrato

son transferidos en forma gradual a través de aceptores que experimentan cambios

reversibles en su estado redox. En la membrana interna de las mitocondrias estos

aceptores están dispuestos ordenadamente según un gradiente de potencial de reducción

creciente y asociados íntimamente a las enzimas que catalizan las transferencias. El

conjunto recibe el nombre de cadena respiratoria o cadena de transporte de electrones.

(Blanco 2001)

Dos hidrógenos cedidos en una reacción redox representan la suma de dos protones (H+)

y dos electrones (e-). Hidrógenos y electrones frecuentemente son denominados

equivalentes de reducción. La cadena respiratoria comprende una serie de etapas.

Durante todo el recorrido, los electrones fluyen naturalmente en el sentido que les fija el

desnivel en el potencial de reducción de los aceptores. En este sistema, los electrones se

deslizan desde A a B, a C, a D, y al oxígeno secuencialmente, impulsados por el

potencial creciente. Todos los integrantes de la cadena de transporte de electrones se

encuentran en la membrana interna de la mitocondria, constituyendo un sistema

multienzimático altamente ordenado. Su inclusión en la membrana asegura la

disposición espacial adecuada para un óptimo funcionamiento. (Blanco 2001)

Al analizar el proceso de oxidación de un sustrato y la transferencia de electrones, uno

podría preguntarse por qué el sustrato no entrega sus hidrógenos directamente al

oxígeno o a otros aceptores con mayor potencial de reducción que el NAD por ejemplo

ya que esas reacciones son termodinámicamente más favorables. Esto se explica si se

recuerda que, en las condiciones existentes en la célula, toda reacción química

transcurre gracias a la existencia de catalizadores. Sólo la presencia de enzimas

específicas asegura el cumplimiento de las etapas y la liberación de energía en forma

gradual y controlable. Los hidrógenos no pasan directamente de un sustrato dado al

oxígeno o a cualquier otro aceptor si no existen enzimas que catalicen la transferencia.

(Blanco 2001)

Page 2: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

A excepción de la ubiquinona (CoQ), que se encuentra libre en el interior de la doble

capa lipídica, y del citocromo c, cuyas moléculas están adosadas a la cara externa de la

membrana interna, los restantes componentes de la cadena respiratoria se agrupan en

cuatro complejos multimoleculares que ocupan todo el espesor de la membrana. Estos

complejos son designados con números romanos.

Complejo I es la NADH-ubiquinona reductasa. Por intermedio de NAD, recibe

hidrógenos de sustratos oxidados por deshidrogenasas ligadas a esa coenzima. Contiene

FMN y varios centros Fe-S. Entrega los hidrógenos a ubiquinona.

Complejo II corresponde a la Succinato-ubiquinona reductasa. Posee un grupo

prostético FAD y tres centros Fe-S. Transfiere equivalentes de reducción desde

succinato a coenzima Q.

Complejo III es la Ubiquinona-citocromo c reductasa. Contiene citocromos b566, b562 y

c1 y un centro Fe-S, Transfiere electrones desde ubiquinona a citocromo c.

Complejo IV es la Citocromo oxidasa, en la cual están incluidos los citocromos a y aa3

y dos iones Cu. Cataliza la reducción de O2 a H2O.

Un recurso útil para establecer la secuencia de la cadena ha sido el uso de inhibidores

que actúan en sitios específicos. El estado redox de los distintos componentes puede

determinarse por espectrofotometría directamente en suspensiones de mitocondrias.

Cuando se agrega a la preparación un inhibidor que bloquea la transferencia de

electrones en un punto determinado, los componentes de la cadena que participan en las

instancias previas al sitio afectado aparecerán reducidos y los de etapas posteriores

estarán oxidados, pues no reciben electrones. Los estudios con distintos agentes

bloqueantes del transporte de electrones apoyan el ordenamiento propuesto. Como

ejemplo se mencionarán algunos de los inhibidores más utilizados.

Actúan a nivel del complejo I (NADH-ubiquinona reductasa): rotenona, producto

vegetal, poderoso veneno de peces, amital y otros barbitúricos, y anestésicos como

halotano. Estas sustancias impiden la llegada a la CoQ de hidrógenos procedentes de

sustratos oxidados por deshidrogenasas ligadas a NAD. No afectan, en cambio, la

oxidación de succinato y otros sustratos que ceden hidrógenos a flavoproteínas con

FAD, probando así que éstos siguen otra vía. El antibiótico antimicina A inhibe el

transporte de electrones en el complejo III. Cianuros (CN), monóxido de carbono (CO)

Page 3: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

y azidas (N3-) inhiben específicamente la citocromo-oxidasa o complejo IV y bloquean

la etapa final de activación del oxígeno. (Blanco 2001)

El uso de inhibidores no sólo 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.

El objetivo de la presente experiencia es demostrar el efecto de algunos inhibidores

sobre el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria ubicada en la mitocondria.

II. MATERIALES

1. Material biológico :

Homogenizado hepático

2. Material y equipo de laboratorio :

Juego de pipetas 10,5, 2 y 1 mL

Tubos de ensayo

Gradillas

3. Reactivos :

Buffer fosfato de sodio 0,1 M pH 7.4

2,6 Diclorofenolindofenol 0,02%

Malonato 0,1 M

Cianuro de sodio 0.1 M

Barbiturato de sodio 0.1 M

4. Sustratos :

Succinato 0,1 M(sustrato natural)

p-Fenilendiamina(sustrato artificial)

Page 4: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

III. PROCEDIMIENTO

Se prepararon los siguientes sistemas.

A. SISTEMA DE SUCCINATO :

COMPONENTES(mL)TUBOS DE VIDRIO

1 2 3 4 5 6

Buffer fosfato de sodio 0,1 M pH 7.4 1.5 1.2 1.0 0.5 0.5 0.5

2,6 Diclorofenolindofenol 0,02% 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Succinato 0,1 M 0.2 --- 0.2 0.2 0.2 0.2

Malonato 0,1 M --- --- --- 0.5 --- ---

Cianuro de sodio 0.1 M --- --- --- --- 0.5 ---

Barbiturato de sodio 0.1 M --- --- --- --- --- 0.5

Homogenizado hepático --- 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Mezclamos el contenido de cada sistema de reacción (tubo).

Dejamos en reposo a temperatura ambiente.

B. SISTEMA DE LA p-FENILENDIAMINA

COMPONENTES(mL)TUBOS DE VIDRIO

1 2 3 4 5

Buffer fosfato de sodio 0,1 M pH 7.4 2.0 1.5 1.0 1.0 1.0

Malonato 0,1 M --- --- 0.5 --- ---

Cianuro de sodio 0.1 M --- --- --- 0.5 ---

Barbiturato de sodio 0.1 M --- --- --- --- 0.5

p-Fenilendiamina 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Homogenizado hepático --- 0.5 0.5 0.5 0.5

IV. RESULTADOS:

Page 5: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

1. Sistema de Succinato

TUBO 1 2 3 4 5 6

COLOR Azul Azul Incoloro Azul Azul Incoloro

2. Sistema de p-Fenilendiamina

TUBO 1 2 3 4 5

COLORMarrón claro

Marrón oscuro

Marrón oscuro

Marrón claro

Marrón oscuro

V. DISCUSIÓN

Page 6: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

Sistema de Succinato

El tubo ºN 1 contiene 2,6 diclorofenolindofenol (indicador), Succinato (sustrato)

pero no tiene el homogenizado hepático (enzima- cadena respiratoria) por lo que

no se lleva a cabo ninguna reacción de reducción.

En el tubo ºN 2 contiene 2,6 diclorofenolindofenol (indicador) pero a diferencia

del tubo Nº 1 no tiene Succinato (sustrato) pero si tiene el homogenizado

hepático (enzima-cadena respiratoria) por lo que no se reduce el indicador.

En el tubo ºN 3 al contener el 2,6 diclorofenolindofenol (indicador), Succinato

(sustrato) y homogenizado hepático (enzima- cadena respiratoria) se produce la

reducción de el indicador, porque este capta los e- liberados por la Flavoproteina

reducida (fp H2) cadena.

En el tubo ºN 4 el Malonato agregado actúa a nivel del complejo II inhibiendo a

la succinato deshidrogenasa evitando la reducción del 2,6 diclorofenolindofenol.

En el tubo ºN 5 la reacción no fue la esperada.

En el tubo ºN 6 el barbiturato inhibe a nivel de complejo II e impide que la

Flavoproteina done sus electrones a la CoQ. Por lo que el 2,6

diclorofenolindofenol acepta los e- reduciéndose.

Sistema de p-Fenilendiamina

El tubo ºN 1 contiene solo p-Fenilendiamina (sustrato indicador) por lo que no

hay reacción redox.

En el tubo ºN 2 la cadena respiratoria contenida en el homogenizado hepático

oxidada a la p-Fenilendiamina (marrón oscuro) a nivel del Cyt c a la vez que

este se reduce, luego este sigue transfiriendo los electronos por el resto de la

cadena transportadora.

En el tubo ºN 3 el Malonato actúa a nivel de complejo II inhibiéndolo, pero la p-

Fenilendiamina dona sus e- al Cyt c oxidándose (marrón oscuro).

En el tubo ºN 4 el Cianuro de sodio actúa a nivel de complejo IV, impidiendo

que reciba los electrones del Cyt c, donados por la p-Fenilendiamina,

impidiendo que esta siga oxidándose, manteniendo su color claro.

Page 7: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

En el tubo ºN 5 el Barbiturato de sodio inhibe la transferencia de e- de las

flavinas a la CoQ, pero la p-Fenilendiamina dona sus e- al Cyt c oxidándose

(marrón oscuro).

VI. CONCLUSIONES

El Malonato inhibe la cadena respiratoria a nivel de complejo II.

El cianuro de sodio inhibe la cadena respiratoria a nivel de complejo IV.

El Barbiturato de sodio impide la transferencia de e- a nivel de complejo I y II.

BIBLIOGRAFIA

Blanco. Antonio, QUÍMICA BIOLOGICA, 8ta edición, 2001, Editorial El Ateneo.

Stryer. Lubert, BIOQUÍMICA, 5ta edición, 2002, Editorial Reverte S.A.

CUESTIONARIO

1. Señalar los componentes de un sistema de oxido-reducción biológica.

Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un elemento que ceda

electrones y otro que los acepte:

5. El agente reductor: Es aquel elemento químico que suministra electrones de su

estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir;

oxidándose.

6. El agente oxidante: Es el elemento químico que tiende a captar esos electrones,

quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir; reducido.

Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio se convierte en un

elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida

mediante lo que se llama un par redox. Análogamente, se dice que cuando un

elemento químico capta electrones del medio se convierte en un elemento reducido,

e igualmente forma un par redox con su precursor reducido.

2. Señalar los componentes de la cadena respiratoria.

Los tres componentes de la cadena respiratoria son:

Page 8: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

Tres grandes complejos proteicos con moléculas transportadoras y sus enzimas

correspondientes.

Un componente no proteico: UBIQUINONA (Q) que están embebidos en la

membrana.

Una pequeña proteína llamada citocromo c que es periférica y se ubica en el

espacio intermembrana, pero adosado laxamente a la membrana interna.

3. De ejemplos de sustratos y el nivel al que ingresan en la cadena respiratoria.

El succinato: Ingresa a nivel del complejo II.

La P – Fenilendiamina: Ingresa a nivel del complejo IV.

4. De ejemplos de inhibidores de la cadena respiratoria.

Los inhibidores reciben este nombre porque su principal función es el inhibir el

transporte de electrones en la cadena de la respiración. Los inhibidores del transporte de

electrones más comúnmente usados pueden reunirse en tres grupos principales según el

sitio de la cadena respiratoria donde actúan:

a. Sobre la NADH-deshidrogenasa, bloqueando la transferencia de electrones entre la

flavina y la ubiquinona. (Inhibidores del sitio I):

Barbitúricos, como el amobarbital.

Piericidina A (antibiótico).

Rotenona (insecticida).

b. Actúa bloqueando la transferencia de electrones entre el citocromo b y el citocromo

c1. (inhibidores de sitio III):

Antimicina.

c. Actúan sobre el Hemo a3 de la citocromooxidasa impidiendo su interacción con el

oxígeno (inhibidores de sitio IV):

Cianuro.

Monóxido de carbono.

H2S.

5. Que entiende por fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa es una ruta metabólica que utiliza energía liberada por la

oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato (ATP). Se le llama así para

Page 9: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

distinguirla de otras rutas que producen ATP con menor rendimiento, llamadas "a nivel

de sustrato".

6. De ejemplos de desacopladores de la fosforilación oxidativa.

Una clase importante de antimetabolitos son los agentes desacopladores ejemplificados

por el 2,4-dinitrofenol (DNP). Los agentes desacoplantes actúan como ácidos lipofílicos

débiles, que se asocian con protones en el exterior de la mitocondria, que pasan a través

de la membrana unidos a un protón, y que se disocian del protón en el interior de la

mitocondria. Estos agentes causan tasas de respiración máxima pero el transporte de

electrones no genera ATP, debido a que los protones translocados no regresan a la

matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa.

7. Que entiende por fosforilación a nivel de sustrato.

Es la síntesis de ATP (o de otro nucleótido trifosfatado) por transferencia de un grupo

fosforilo y una molécula fosforilada de ADP (o de otro nucleótido difosfatado) en la que

no participa la ATP-sintasa. Una fosforilación a nivel de sustrato es la formación de un

nuevo enlace de fosfato de alta energía en la que NO PARTICIPA EL OXIGENO. Por

ejemplo la fosfoglicerato quinasa y la piruvato quinasa catalizan la fosforilación a nivel

de sustrato en la glicolisis.

8. Establezca diferencias y semejanzas entre fosforilación oxidativa en la cadena

respiratoria y la fosforilación a nivel de sustrato.

La fosforilación oxidativa a nivel de sustrato no utiliza la ATP sintasa, por el contrario

las fosforilación oxidativa si la utiliza.

Las dos producen ATP, debido a la fosforilación del ADP.

La fosforilacion oxidativa a nivel de sustrato aparece en la glicolisis, la fosforilación

oxidativa aparece luego de la cadena de transporte de electrones.

La fosforilación oxidativa es apoyada por una fuerza protón motriz generado por los

complejos de la cadena de transporte de electrones.

La fosforilación oxidativa es endergónica, pero la fosforilación oxidativa a nivel de

sustrato es exergónica.

La fosforilación oxidativa se da en aerobiosis, la fosforilación oxidativa a nivel de

sustrato puede darse en anaerobiosis (glicolisis).

Page 10: Efecto de Los Inhibidores en La Cadena Respiratoria

9. Interpretar el cambio del estado incoloro ha coloreado del p-Fenilendiamina.

La p-Fenilendiamina participa como sustrato además de ser indicador.

La p-Fenilendiamina es un sustrato indicador artificial que en estado oxidado presenta

un color marrón oscuro, en la cadena de electrones acepta electrones liberados por el

Cyt c reducida, reduciendo a la forma marrón claro. La velocidad de transferencia de

electrones puede entonces medirse siguiendo la perdida de color del pigmento.

10. Graficar en una cadena de oxido-reducción biológica la vía de entrada del 2,6

Diclorofenolindofenol y la p-Fenilendiamina.