Cadena respiratoria . Ubicación celular. Componentes de la cadena respiratoria. Función.

1. BOLILLA 3 Cadena respiratoria. Ubicación celular. Componentes de la cadena respiratoria. Función. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP. Acción de Inhibidores: Desacoplantes, inhibidores de la fosforilación, inhibición del transporte electrónico. Control respiratorio. Sistema microsómico: Metabolismo de xenobióticos

2. OXIDACIONES BIOLÓGICAS • Hace 2000 millones de años, los procariotas (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera oxigenada. • El oxígeno que producían como producto de deshecho de la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en el mundo vivo. • Los organismos aerobios modernos transforman la energía del enlace químico de las moléculas de alimentos, en energía del enlace del ATP empleando oxígeno como aceptor final de los electrones procedentes de los alimentos. • La utilización de oxígeno por parte de los organismos aerobios proporciona enormes ventajas si los comparamos con formas de vida anaerobias, debido a que la oxidación aerobia de nutrientes tales como glucosa y ácidos grasos, proporciona una cantidad de energía sustancialmente mayor que la fermentación.

3. La enorme diferencia de capacidad generadora de energía entre los organismos aerobios y anaerobios está directamente relacionada con las propiedades físicas y químicas del oxígeno. • La primera de ellas es que el oxígeno se encuentra en toda la superficie de la tierra. • La segunda es que el oxígeno difunde fácilmente a través de las membranas celulares, cosa que no ocurre con otros aceptores de electrones. • Por último, la molécula de oxígeno es muy reactiva de modo que acepta fácilmente los electrones. • Esto también se relaciona con otra propiedad del oxígeno que es su tendencia a formar metabolitos tóxicos.

4. SOL O2 HETEROTROFOS AUTOTROFOS FOTOSINTETICOS CO2

5. Hidratos de carbono GLUCOSA Lípidos ACIDOS GRASOS OXIDACION NADH Proteínas AMINOACIDOS FADH2 O2 ATP Compuestos con uniones ricas en energía

6. Desde el punto de vista químico • OXIDACIÓN • Ganancia de oxígeno • Pérdida de electrones • Pérdida de hidrógeno • REDUCCIÓN • Pérdida de oxígeno • Ganancia de electrones • Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos) Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la comprensión de la naturaleza de las oxidaciones biológicas. El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP

7. OXIDACION-REDUCCION O2 + e- OXIDACION - - H O2 - REDUCCION e- + H +

8. EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS

9. Oxidorreductasas Catalizan reacciones de oxido- reducción Ared + Box Aox + Bred A : es el reductor o dador electrónico; en el curso de la reacción se oxida (pierde electrones) B : es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso de la reacción se reduce (gana electrones) En las reacciones redox, siempre tienen que estar presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

10. 1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++ Fe++ 2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno (H+ + e-): AH2 + B A + BH2 4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2 RCH2-OH DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES EN LA CELULA 3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-) AH2 + NAD+ → A + NADH + H+

11. 2 Na + Cl2 2 NaCl 2 Na 2 Na+ + 2 e- Cl2 + 2 e- 2 Cl- POTENCIAL DE REDUCCION • POTENCIAL DE REDUCCION DE UN ELEMENTO, ION O COMPUESTO ES SU TENDENCIA A GANAR O PERDER ELECTRONES FRENTE A OTRO ELEMENTO, ION O COMPUESTO Oxidación Reducción

12. CUPLA REDOX • La forma oxidada y reducida en cada hemirreacción constituyen un par o cupla redox Na+/Na , Cl/Cl- (Sentido de la reducción) E´o : Potencial de reducción Estándar Se determina en comparación con el potencial de hidrógeno = 0 Signo positivo (+) : par redox con mayor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción Signo negativo (-): par redox con menor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción

13. Potenciales de reducción estándar 2 H+ + 2 e- → H2 -0.42 V NAD+ + H+ + 2 e- → NADH -0.32 V S + 2 H+ + 2 e- → H2S -0.23 V FAD + 2 H+ + 2 e- → FADH2 -0.22 V Acetaldehído + 2 H+ + 2 e- → etanol -0.20 V Piruvato + 2 H+ + 2 e- → lactato -0.19 V Cu+ → Cu2+ + e- -0.16 V Citocromo b (Fe3+) + e- → citocromo b (Fe2+) + 0.075 V Citocromo c1 (Fe3+) + e- → citocromo c1 (Fe2+) + 0.22 V Citocromo c (Fe3+) + e- → citocromo c (Fe2+) + 0.235 V Citocromo a (Fe3+) + e- → citocromo a (Fe2+) + 0.29 V Fe3+ + e- → Fe2+ + 0.77 V ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O + 0.82 V

14. Representación esquemática de una oxidación biológica A (OX) BH2 (RED) Sustrato H2 C (OX) H2O AH2 (RED) B (OX) CH2 (RED) Sox ½ O2 E E E E O2 S Escala de Potencial de reducción

15. Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

16. TRANSPORTADORES DE ELECTRONES • En la mayoría de las reacciones de oxidación celular, los electrones son transportados por moléculas que se reducen en los procesos catabólicos • Permitiendo así la conservación de la energía liberada por la oxidación de los sustratos.

17. Gran parte de los sustratos oxidados en el organismo sufren deshidrogenación. • Las reacciones de deshidrogenación son catalizadas por las • ENZIMAS DESHIDROGENASAS • En estas reacciones el hidrógeno es captado por una coenzima. • Las coenzimas pueden ser: • - Nicotinamida (NAD o NADP) • - Flavina (FAD o FMN).

18. OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS) • Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas • Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas H- AH2 + NAD+ A + NADH + H+ e- + H+ AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 (FMNH2)

19. LA MITOCONDRIA FÁBRICA DE ENERGÍA CELULARES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

20. En los organismos, los nutrientes son degradados para liberar la energía contenida en sus estructuras. • Esta energía es capturada y transformada en un tipo de energía química que pueda ser utilizada por las células para la realización de trabajo. • El modo de obtener energía de los organismos aerobios es fundamentalmente por medio de reacciones de oxidación en la que los nutrientes son degradados a CO2 y agua.

22. CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO • Los componentes de la cadena se encuentran en la membrana mitocondrial interna. • Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2 producidos en la matriz. • Los componentes actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción. • La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.

23. La cadena transportadora de electrones • El NADH+H y el FADH2, obtenidos en el ciclo de Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria, donde pasan los electrones, de una molécula reducida a otra oxidada, hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular, que al reducirse formará agua.

24. La Cadena de Transporte de Electrones comprende dos procesos: 1.- Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportadoras a otro. 2. Los protones son translocados a través de la membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana de la mitocondria. Esto constituye un gradiente de protones El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

25. COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO • FLAVOPROTEINAS: FMN o FAD: Transportan 2 e- y 2 H+ • PROTEINAS FERROSULFURADAS: transportan e- (Fe+++ Fe++) • COENZIMA Q o UBIQUINONA: Quinona isoprenoide no proteica. Transporta 1 e- y libera 2 H+. • CITOCROMOS b, c, c1, a, a3: Proteínas que contienen un grupohemo. Transportan 1 e-

26. Componentes de la Cadena de transporte electrónico Complejo enzimáticoGrupos prostéticos Complejo I (NADH deshidrogenasa) FMN, FeS Complejo II(succinato deshidrogenasa) FAD,FeS Complejo III (citocromo bc1) Hemo, FeS Citocromo c Hemo Complejo IV (citocromo oxidasa) Hemo, Cu

28. e- NAD+ III Fe Fe Fe-S Fe FAD Coenzima Q NADH FMN I II Fe-S Fe-S Fe Fe/Cu IV Fe/Cu O2 Fumarato Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA Succinato Cit.c Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 Cit.a Cit a3 Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA

29. CICLO DE KREBS Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoria • Piruvato deshidrogenasa • Isocitrato deshidrogenasa • Malato deshidrogenasa • a-cetoglutarato deshidrogenasa CR Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H

30. REACCIONES DEL COMPLEJO I NADH + H+ NAD+ + 2 e- + H+ (Eo= - 0,32 V) FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH2 (Eo= - 0,22 V) NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+

31. Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

32. COMPLEJO II • Succinato-coenzima Q oxidorreductasa • Coenzima: FAD • Proteínas ferrosulfuradas • Transfiere equivalentes de reducción desde succinato a la coenzima Q Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2 E-FADH2 + Prot-Fe+++ E-FAD + Prot-Fe++ Prot-Fe++ + CoQ Prot-Fe+++ + CoQH2

33. Ordenamiento de los Componentes de la Cadena Respiratoria Piruvato Malato Isocitrato 3-P-Glicerol 3-P-Glicerol 3-P-Glicerol 3-P-Glicerol 3-P-Glicerol 3-P-Glicerol 3-P- Acil-CoA FAD NADH-UBQ reductasa FMN (Fe-S) Cit a Cit a3 2 Cu Cit b (Fe-S) Cit c1 CoQ Cit c IV O2 I III FAD II a-cetoglutarato Glutamato 3-OH-AcilCoa SUCCINATO b-OH-Butirato

34. Complejo IV Complejo III CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2 ½ O2 + H+ CoQH2 Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Cit. b566 Cit. b562 Cit. c1 Cit. c Cit. a.a3 Fe-S CoQ H2O Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++

36. HIDRÓLISIS DE UNA UNION DE ALTA ENERGIA CADENA RESPIRATORIA MECANISMOS DE SINTESIS DE ATP • FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO • FOSFORILACION OXIDATIVA O2

37. Adenosina Trifosfato (ATP) Moléculas de alta energía: ATP, GTP, 1,3 difosfoglicerato, Fosfoenolpiruvato, Acetil-CoA, Creatina fosfato.

38. La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. Las observaciones sobre la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en un intermediario fosforilado de la reacción. En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica: “EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”

39. PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992) -Interesado inicialmente en la penicilina, a partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el almacenamiento de la energía en los seres vivos para ser posteriormente transportada a los puntos de utilización por medio de las moléculas de ATP. -Así la energía liberada por el traslado de electrones en la cadena respiratoria se conserva mediante la fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. -En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA OSMÓTICA.

40. ESPACIO INTERMEMBRANA MATRIZ SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA

41. Lugar de translocación de protones

42. POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA • Pasaje de H+durante la transferencia de electrones desde la matriz al espacio intermembrana. • Generación de un gradiente electroquímico : flujo electrónico acompañado de la transferencia de protones. • Los protones acumulados en el espacio intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la membrana. • Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H+ a través de Fo y así activan la ATP sintasa

44. TRANSLOCACION DE PROTONES Y SINTESIS DE ATP

45. COMPLEJO ATP sintasa • F1 : 9 subunidades: a3 b3 g d e y 3 sitios catalíticos • Fo: Proteína integral , canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b2 y c12 • Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química. • El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobelal describir la ATP sintasa.

46. ADP ATP Pi Citosol Membrana mitocondrial interna Mitocondria ADP ATP Pi Esquema translocasa ADP-ATP y transportador de Pi.

47. El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus actividades. • El valor del cociente P/O, representa el número de moles de Pi que se consumen para que se reduzca cada átomo de O2 a H2O. • El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP, respectivamente. • Control respiratorio por el aceptor: • Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay una concentración suficiente de ADP y Pi. • Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.

49. INHIBIDORES • Inhibidores del transporte electrónico Inhiben solamente el transporte de e- • Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente eel transporte de e- • Desacoplantes Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el transporte de electrones • Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la mitocondria

50. ACCIÓN DE INHIBIDORES Complejo III Complejo I Complejo IV El uso de inhibidores no solo 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.