Universidad Veracruzana Facultad de Medicina

Región Veracruz

Bioquímica clínicaFOSFORILACION OXIDATIVA

PROCESOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVASíntesis química de ATP impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones desde el NADH al O2

FOTOFOSFORILACIÓNSíntesis química de ATP impulsada por absorción de luz solar

Procesos transductores de energía más importantes en la biósfera

HETERÓTROFOS AUTÓTROFOS

SÍNTESIS DE ATP

RESPIRACIÓN CELULAR

Fase 1

Fase 2: Ciclo de Krebs

Fase 3: Cadena respiratoria yFosforilación oxidativa

Producción de Acetil-CoA

Oxidación de Acetil-CoA

Síntesis de ATP

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

Amino-ácidos

Ácidosgrasos

Glúcidos

Glucólisis

Piruvato

CO2

Acetil-CoA

Cadena respiratoria(de transferencia de e-)

y Fosforilación oxidativa

Ciclo deKrebs

CitratoOxalacetato

CO2

CO2

NADH, FADH2(transportadoresde e- reducidos)

ADP + Pi ATP

½ O2 + 2 H+

H2O

e-

e-e-

e-

e-

e-e- e-

e-

e-e-

e-

La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA comienza con la entrada de electrones en la CADENA RESPIRATORIA

Es el proceso mediante el cuál se genera ATP como resultado de la transferencia de electrones desde el NADH o el FADH2 al O2, a través de una serie de

transportadores de electrones.

· Consta de una serie de transportadores de electrones, la mayoría proteínas integrales de la membrana interna, con grupos prostéticos capaces de aceptar y/o ceder 1 ó 2 electrones

· Cada componente de la cadena, acepta electrones del transportador precedente y se los transfiere al siguiente, en una secuencia específica

· Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos proteicos ordenados en serie

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES MITOCONDRIALO CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL

· Transferencia directa de electrones: par redox Fe3+/Fe2+

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

· Transferencia de átomos de hidrógeno: un protón (H+) y un e-

AH2 A + 2 e- + 2 H+

· Transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Mientras una molécula de sustrato es oxidada (deshidrogenación), cediendo 2 átomos de hidrógeno, la formas oxidadas (NAD+ o NADP+) aceptan un hidruro (:H-; -un protón y 2 e-) transformándose en las formas reducidas (NADH o NADPH). El segundo H+ del sustrato se libera al medio.

NADP+ + 2 e- + 2 H+ NADPH + H+

NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H+

Tipos de transferencia de electrones en la cadena respiratoria

Equivalente de reducciónTérmino utilizado para designar a un equivalente

electrónico simple (un electrón transferido) que participa en una reacción de oxidación-reducción, sin importar si este equivalente está en forma de

electrón , átomo de hidrógeno ó ión hidruro

· Transportadores universales de electrones

- Nucleótidos de nicotinamida (NAD+ y NADP+)

- Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)

· Otros grupos transportadores de electrones

- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)

- Citocromos

- Hierro-sulfoproteínas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Aceptores universales de electrones

Nucleótidos de nicotinamida· NAD+ y NADP+ están compuestos por 2 nucleótidos unidos mediante sus

grupos fosfatos· NAD+ y NADP+ son transportadores electrónicos hidrosolubles, asociados

reversiblemente a deshidrogenasas

La flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN) fuertemente unido, a veces covalentemente. El nucleótido oxidado puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando FADH2 o FMNH2

Aceptores universales de electronesNucleótidos de flavinas

· Otros grupos transportadores de electrones

- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)

- Citocromos

- Hierro-sulfo proteínas

Transportadores de electrones en la cadena respiratoria

Otros grupos transportadores de electronesUbiquinona o Coenzima Q

· La reducción completa (UQH2) requiere 2 e- y 2 H+ y se produce en 2 pasos sucesivos

· La UQ puede aceptar 1 e- formándose radical semiquinona (UQH)

· Debido a que es pequeña e hidrofóbica difunde a través de la membrana interna, actuando de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana, menos móviles

Otros grupos transportadores de electronesCitocromos

· Son proteínas que contienen el grupo prostético hemo: 4 anillos penta-atómicos nitrogenados en una estructura cíclica llamada porfirina. Los 4 N están coordinados con un Fe2+ (cit. reducido) o Fe3+ (cit. oxidado)

· Hemo de cit c está unido covalentemente a su proteína, a diferencia de hemos de cit a y b

· El cit c mitocondrial es una proteína periférica.

Hemo A(Citocromos tipo a)

Hemo C(Citocromos tipo c)

Fe protoporfirina IX(Citocromos tipo b)

Otros grupos transportadores de electronesHierro-sulfo proteínas

· En las hierro-sulfo proteínas, el hierro está presente no en forma de hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente

· Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas

· Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce uno de los átomos de Fe

· Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-

Fosforilación oxidativa

Fase 1 Fase 2

Paso de electrones de NADH y FADH2 a la cadena transportadora de electrones.Las reacciones liberan energía la cual usan las proteínas para aceptar los electrones y empujar los protones hacia afuera. Los electrones de baja energía se transfieren a un aceptor final, oxigeno molecular, el cual forma agua.

El movimiento controlado de protones de regreso a la matriz mediante la enzima ATP sintasa proporciona la energía necesaria para Fosforilar ADP en ATP.

Lanzadera malato-aspartatoEs una lanzadera de electrones. Lo que hace es ingresar los electrones que están en el NADH proveniente del citosol, hacia la matriz mitocondrial para que ingresen a la cadena de electrones.

NADH + H+

Oxalacetatoenzima malato deshidrogenasa

-Malato

malato-a-cetoglutarato

Malato deshidrogenasa

Oxalacetato NADH +H+

Aspartato

--NAD

+NAD

+

Lanzadera del glicerol fosfatoTambién ingresa (indirectamente) desde el citosol hacia la matriz mitocondrial.

NADH + H+

glicerol 3 fosfato deshidrogenasa

dihidroxiacetona fosfato

glicerol 3 fosfato deshidrogenasa mitocondrial

+

 glicerol 3 fosfato NAD ++

 glicerol 3 fosfato

FAD +

dihidroxiacetona fosfato + FADH2 FADH2

En las células eucariotas, esta serie de reacciones redox son llevadas a cabo por una serie de complejos proteicos localizados en la membrana interna de las mitocondrias. Estos grupos relacionados de enzimas son llamados Cadena de Transporte de Electrones.

Cadena de transporte de electrones

El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones, desde donantes de electrones como NADH a aceptores de electrones tales como oxígeno, es un proceso exergónico, libera energía, mientras que la síntesis de ATP es un proceso endergónico, el cual requiere de energía.

Complejos de la cadena respiratoriaEn la membrana interna de la mitocondria se encuentran 5 complejos lipo-proteicos integrados por trasportadores y proteínas; 4 de ellos transportan electrones, el quinto es el responsable de la síntesis de ATP: es el complejo de la ATP sintasa.

• Complejo I. NADH-Ubiquinona oxidorreductasa o NADH Deshidrogenasa.

Es el primer eslabón en la cadena de transporte de electrones. Y es una enzima de gran tamaño. Contiene centros de hierro-azufre, ubicuitina y FMN.

• Complejo II. Succinato-Q oxidorreductasa o succinato deshidrogenasa..

Es el segundo punto de entrada en la cadena de transporte de electrones. Consiste en cuatro subunidades de proteínas y contiene unidos como cofactores al FAD, 2 centros de hierro-azufre y un grupo hemo.

• Complejo III. CoQ-citocromo C oxidorreductasa, citocromo C reductasa o complejo del citocromo.

Esta enzima contiene una flavina y un centro hierro-azufre, se une a la superficie de la membrana y no atraviesa la bicapa lipídica. Un citocromo es un tipo de proteína de transferencia de electrones que contiene al menos un grupo hemo.• Complejo IV. Citocromo Oxidasa.En su estructura hay 2 grupos hemo y 2 centros de cobre

• Complejo V. ATP sintasa Es la enzima final del proceso de la Fosforilación oxidativa. Tiene una Unidad Catalítica (ATP Sintasa) y una Unidad bombeadora de H+

La reacción empieza cuando el complejo I “Complejo NADH

deshidrogenasa” oxida al NADH proveniente de diferentes rutas

metabólicas.

NADH+

++

- -

+ +

++ + +NAD+

Sus componentes como el FMN, los centros de hierro-azufre y la ubicuitina (CoQ) acarrean los electrones atreves del complejo I.

El complejo II recibe los electrones de moléculas con potencial REDOX mayor que NADH, como el

succinato y los transporta a la coenzima Q

El FADH2 de la beta oxidación de lípidos o glucolisis puede

transmitir electrones a través de enzimas

sin utilizar el complejo II

Las coenzimas Q que provienen de los complejos I y II transfieren sus electrones al citocromo por medio del complejo III o complejo bc1

El complejo IV o citocromo c oxidasa transfiere los electrones del citocromo c y los utiliza para formar moléculas de agua a partir de oxigeno molecular.

El transporte constante de protones a través de la membrana interna mitocondrial crea un gradiente electroquímica, por lo que la matriz adquiere carga negativa lo que promueve el paso de protones.

El movimiento de protones es utilizado por el ultimo complejo ATP sintasa para Fosforilar ADP y generar ATP.

Por cada molécula de NADH se producen aproximadamente 3 moléculas de ATP

Por cada FADH2 se producen 2 moléculas de ATP