Tema 2.2. Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa PDF

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Tema 2.b: Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa Introducción Vamos a estudiar la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa, el catabolismo tiene 3 etapas, que se conocen como respiración celular. La cadena respiratoria y fosforilación oxidativa componen el tercer paso.

Tenemos el NADH y el DAH2 que cogen los electrones del Ciclo de Krebs y los llevan a la cadena respiratoria.

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Mitocondrias Características Esto tiene lugar en la mitocondria, tiene 2 membranas, que definen dos compartimentos.

Historia 1. Benda ,1898 Las mitocondrias, colección de gránulos que forman hileras. Del griego: Μἰτος/Mitos (hileras) Χονδρἰ ον/Condros (grano)

2. Lewis & Lewis, (Margaret Reed Lewis and Warren Harmon Lewis) En una publicación de 1914, describen el Retículo mitocondrial, red mitocondrial, con cambios de forma y movimiento.

Dinamismo mitocondrial •

Las mitocondrias experimentan procesos de fisión y de fusión

•

Estabilidad del ADN mitocondrial

•

Resistencia al estrés oxidativo

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Características de la Respiración y La Fosforilación Oxidativa en la Mitocondria 1. Reducción del O2 a H2O 2. Flujo electrónico “espontáneo” a través de una cadena de transportadores ligados a la membrana 3. La Energía Libre derivada de este flujo de electrones está acoplada al bombeo de protones a través de la membrana, se bombean desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, se genera un gradiente electroquímico. Los protones vuelven a la membrana liberando una energía, permitiéndose la síntesis de ATP. 4. El regreso de los protones a través de canales proteicos específicos impulsa la síntesis de ATP 5. El proceso es relativamente eficiente, pero se dan reducciones incompletas del O2 formándose especies reactivas del Oxígeno (ROS), afectan a lípidos, proteínas, ADN, etc. Bioquímica de la Mitocondria -

Membrana externa: Permeable a pequeñas moléculas e iones (canales de porina, VDAC)

-

Membrana interna: Impermeable a la mayoría de las moléculas pequeñas, si no se podría formar el gradiente electroquímico de protones.

-

•

Transportadores electrónicos

•

ATP sintasa

•

Otros transportadores de membrana

Matriz: •

Complejo PDH

•

Ciclo de Krebs

•

Β-oxidación de ác. grasos

•

Oxidación de aminoácidos

•

ADN (Algunas subunidades de los complejos 1,3 Y 4 están codificadas por el núcleo, no hay ninguna subunidad del complejo 2 en la mitocondria, todo en el núcleo), ribosomas.. Página 3 de 63

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Los Complejos Respiratorios •

Conjunto de proteínas transportadoras de electrónicos y otras proteínas estructurales localizados en la m. mitocondrial interna

•

Transfieren electrones desde los coenzimas reducidos (NADH y FADH2 )hasta el oxígeno

•

Los transportadores están dispuestos en cuatro complejos proteicos: –

Complejo I : NADH deshidrogenasa

–

Complejo II: Succinato deshidrogenasa

–

Complejo III: Citocromo bc1 reductasa

–

Complejo IV: Citocromo c oxidasa

–

Complejo V: La ATP sintasa no se considera un complejo

 Lado P: parte de la matriz que está cargado positivamente  Lado N: espacio intermembrana está cargado negativamente R

El 1,3 y 4 bombean protones

. Los complejos respiratorios y los dos transportadores móviles (el Coenzima Q (UQ) y el Citocromo C) constituyen la cadena respiratoria.

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Potencial REDOX

Caída del potencial redox estándar en el flujo de electrones a lo largo de la cadena de transporte mitocondrial -

E0: Potencial de

Se va haciendo cada vez más positivo, los electrones van de potenciales electroquímicos negativos a positivos.

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Tipos de Moléculas Transportadoras de Electrones de la CR -

Coenzimas redox

NAD, FAD, FMN y Coenzima Q

-

-

Proteínas integrales con grupos prostéticos que capturan electrones de un modo reversible •

Citocromos: Proteínas con hemo como grupo prostético, este grupo protético es capaz de transportar electrones, los capturan de forma reversible.

•

Proteínas ferro-sulfuradas: Proteínas con átomos de hierro asociado con átomos de azufre inorgánico, azufre de residuos Cys de la cadena o ambas cosas a la vez. El centro ferro-sulfurado de Rieske (complejo III) está coordinado con residuos His en lugar de Cys, la Proteína Rieske se une a residuos de Histina en lugar de Cisteína

Iones de cobre asociado a proteínas (complejo IV)

Recordatorio

 Grupo hemo:

Vamos a explicar más acerca de las moléculas transportadoras de electrones

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Coenzimas redox Coenzima Q o Ubiquinona

•

La ubiquinona es un compuesto dicarbonilo conjugado soluble en lípidos que acepta fácilmente electrones

•

Al aceptar dos electrones, recoge dos protones para dar un alcohol, ubiquinol (Q  QH2)

•

El ubiquinol se puede difundir libremente en la membrana, llevando electrones con protones de un lado de la membrana a otro lado

Coenzima Q10 Es un tipo de coenzima Q. Los diversos tipos de coenzimas Q pueden diferenciarse por el número de isoprenos que posee su cadena lateral. Existen Q6, Q7, etc.

Transporta tanto protones como electrones, tiene un papel muy importante en la cadena respiratoria.

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Citocromos •

Grupos prostéticos hemo que contienen hierro

•

Las mitocondrias contienen tres clases de citocromos, designados a, b, y c

•

Los cofactores hemo de los citocromos a y b están estrechamente, pero no covalentemente, unidos a sus proteínas asociadas. El hemo del citocromo c están unidos covalentemente a través de residuos de Cys. Solo los hemos del citocromo c están unidos covalentemente.

•

Los citocromos de tipo a y b y algunos de tipo c son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna. Excepto citocromo c de la mitocondria, que es soluble y se asocia mediante interacciones electrostáticas con la superficie externa de la membrana interna.

 Ej: Grupo prostético de un citocromo a.

Los grupos hemo están unidos de forma no covalente a la proteína, excepto en el caso del citocromo c. El Ion Fe en puede estar en estado Férrico/Ferroso según el grado de oxido-reducción.

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 Ej: grupos protéticos de otros citocromos

Los átomos de Fe están coordinados con cuatro grupos de nitrógeno, el que recoge electrones es el átomo de hierro, no solo depende de su propio potencial, si no también según las cadenas de proteínas a las que está unido, y esto varía según el tipo de citocromo. Cada grupo hemo, según a que citocromo pertenezca, varían las cadenas de aas de alrededor, por tanto esto ayuda a que varía su potencial de reducción El anillo de porfirina absorbe la luz visible.

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Centros Ferrosulfurados (Fe-S) •

El hierro está presente no en un grupo hemo, sino en asociación con átomos de azufre inorgánicos o con los átomos de azufre de los residuos de Cys de la proteína, o ambos.

•

Se encuentra en varias proteínas de la cadena de transporte de electrones, incluyendo NADH: ubiquinona oxidorreductasa

•

Transfiere un electrón de cada vez

Existen 3 tipos:

a. FeS: 1 hierro 1 azufre (Aquí no interacciona ningún azufre inorgánico). b. 2Fe2S: 2 hierros 2 azufres. c. 3Fe4s: 4 hierros 4 azufres. Se basa en la interacción con los átomos de azufre inorgánicos El potencial de reducción del Fe depende del tipo y de su interacción con la proteína asociada

 Ej: Ferrodoxina de una bacteria y donde se encuentra el centro ferrosulfurado (2FE2S)

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Flujo de electrones Va a favor del potencial de REDUCCION estándar.

Va desde más negativo, a más positivo. Este experimento se ha hecho en el laboratorio, no se ha medido en condiciones celulares, variarían los resultados Hay varias formas e medir los potenciales: -

Separando los componentes y analizando los potenciales.

-

Reduciendo por completo y al añadir oxigeno voy mirando en qué orden se van están situados los distintos complejos. Los valores vienen de medirlos separadamente, los citocromos por un lado etc. Si yo reduzco una mitocondria, no le doy oxigeno que acepte electrones, se reducen todos los compuesto de la cadena, en el momento que doy oxigeno, puedo medir la posición de los complejos.

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-

Inhibidores Bloqueo los diferentes pasos, los compuestos que estén antes del paso inhibido estarán reducidos, mientras que todos los demás estarán oxidados.

Con los inhibidores se llegó a la misma conclusión, se terminó con el mismo orden, todos los experimentos se validan unos a otros.

“Donde actúa el inhibidor también se queda reducido”

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Complejos Respiratorios Los Transportadores de electrones de la cadena respiratoria se organizan en complejos supramoleculares incrustados en la membrana y se pueden separar físicamente para realizar todos los estudios  Ej: Se tratan con detergentes que rompen la membrana externa, y después la membrana interna se rompe por choque osmótico

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Complejos I y II catalizan la transferencia de electrones a la ubiquinona desde NADH (Complejo I) y succinato (Complejo II).

-

Complejo III transporta electrones de la ubiquinona reducida al citocromo c

-

Complejo IV del citocromo c al O2.*

“La ATP sintasa in vitro solo tiene capacidad de degradar ATP, no es capaz de sintetizarlo, requiere de otros factores para sintetizarlo, in vitro solo puede hidrolizarlo “

Tamaños y cantidad de proteínas que los forman -

Complejo 1: 850 kDa y 43 subunidades(proteínas diferentes). Lo que está entre paréntesis corresponde a las bacterias (tienen la cadena respiratoria en la membrana externa, la única que tienen)

-

Complejo 2: 140 kDa y 4 subunidades

-

Complejo 3: 250 KDa y 11 subunidades

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Complejo 4: 160Kda y 13 subunidades

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1. Complejo I: NADH DESHIDROGENASA

•

Transfiere e- desde el NADH hasta la ubiquinona oxidada (Q, UQ)

•

En el proceso se bombean 4 H+ al espacio intermembrana

•

Composición, varía según los organismos (Ej: corazón bovino) –

Una molécula de FMN (Flavín Mononucleótido, es una proteína)

–

45 proteínas, de las cuales 8 son proteínas con centros hierroazufre/ferrosulfurados (al menos 7 participan en el transporte de e-)

“Un NADH da 2 electrones, y por 2 electrones que se transfieren, se bombean 5 protones, cada electrón bombea 5 electrones”

Reacción General

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Brazo de la matriz -

Actividad deshidrogenasa

-

Flavoproteína (FMN)

-

6 Proteínas Fe-S dispuestas en serie

-

Proteína N2 (FeS): aceptor final de e- del brazo.

-

Proteínas con funciones estructurales, no conocidas, etc.

Brazo de la membrana -

Estructura no resuelta.

-

Proteínas de unión a Q y bomba de protones

Inhibidores -

Amital Rotenona Mixotiazol Piericidina

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•

Reacción catalizada por la enzima del complejo I NADH + Q + 5 H+N→ NAD+ +QH2 + 4 H+P

“N y P: hace referencia al lado N o P de la mitocondria” Se transportan 2 electrones y se bombean 4 protones hacia fuera de la mitocondria, no van hacia fuera de la mitocondria, van hacia el espacio intermembrana de la mitocondria, fuera de la matriz mitocondrial.

“QH2 = ubiquinol, se difunde a través de la matriz interna y lleva los electrones del complejo 2 al 3”

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2. Complejo II: SUCCINATO DESHIDROGENASA

•

Transfiere e- desde el succinato (Ciclo de Krebs) a Coenzima Q (oxidado) (ubiquinona)

•

Se compone de 4 subunidades (nDNA) que contienen: –

Actividad succinato deshidrogenasa

–

3 centros FeS

–

1 (FAD)

–

1 citocromo b (no participa en el transporte)

–

Sitio de unión para Q

Reacción General: •

Succinato- + Q → QH2+ Fumarato

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Estructura del complejo II El complejo tiene 4 subunidades -

2 matriciales A, que une succinato y el sitio de unión a FAD B, que contiene 3 centros 2Fe2S y el sitio de unión a Q

-

2 transmembrana C, y D

El hemo b está entre medio de las subunidades. El hemo b no interviene en la transferencia electrónica, pero atenúa la formación de radicales libres de oxigeno en este complejo 2 moléculas de fosfatidiletanolamina Se unen fuertemente a la subunidad D

→Electrones

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3. Complejo III (Complejo bc1) Citocromo c reductasa •

Transfiere e- desde el ubiquinol al citocromo c

•

Dímero con 2 monómeros y cada monómero tiene 11 subunidades). El núcleo funcional está compuesto por: – Proteína ferro-sulfurada de Rieske ( 2Fe-2S) – Citocromo b (con sus grupos hemo bL y bH – Citocromo c1 – Sitio Qp (o) y sitio QN (i)

•

En el proceso se bombean 4 H+ al espacio intermembrana

Reacción General QH2 + (ubiquinol) 2 Ferricitocromo c (Citocromo oxidado) + 2 H+N → Q (ubiquinona) + 2 Ferrocitocromo c (Citocromo reducido) + 4 H+ P

Estructura del complejo III Homodímero con 11 subunidades cada uno (10 nDNA (núcleo), 1 mtDNA(mitocondria)) Núcleo funcional de un monómero -

Citocromo b con sus 2 hemos Proteína de Rieske con 2 centros 2Fe 2S Citocromo c1

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Núcleo Funcional del complejo III

La interfase entre los dos citocromos b, donde se ubican las dos zonas de unión a la ubiquinona, Qp y Qn (Son los sitios de unión, también se unen ahí los inhibidores) . Hemo c1 y Rieske interaccionan con Cit.C. La estructura dimérica es esencial para su funcionamiento, dado que dentro hay una “caverna” que permite que se den las uniones.

Inhibidores -Antimicina A -Mixotiazol Inhiben el paso de electrones

Curiosidad El complejo 3 se ha cristalizado en dos formas diferentes: -

En la subunidad de Rieske aparece más cerca del Citocromo c La SUBUNIDAD DE Rieske aparece más cerca del citocromo b

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El ciclo Q Una teoría que intenta explicar la transferencia de los 4 protones, un modelo (no es al 100%) que intenta explicar las observaciones •

4 protones se transportan a través de la membrana por cada 2 electrones que llegan al Cit.C (aceptor de electrones)

•

2 protones vienen de QH2. 2QH2 se oxidan dos moléculas de ubiquinol

•

El ciclo Q proporciona un buen modelo que explica por qué se utilizan dos protones adicionales del a matriz mitocondrial.

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Ocurre en dos fases: 1. Fase Entra una molécula de QH2 cede un electrón hacia arriba al centro ferro sulfuro y otro hacia abajo al hemo del citocromo b, el ubiquinol pierde dos electrones, el electro de abajo reduce a una ubiquinona, y la convierte en semiubiquinona (con solo 1 electrón) El centro sulfurado pasa el electrón que ha ido hacia arriba al citocromo c1 (que es parte del complejo 3) y de ahí al citocromo c que es móvil y lo transporta.

2. Fase Ocurre lo mismo, una molécula de ubiquinol cede dos electrones, el que va hacia abajo termina de reducir la semiubiquinona que se ha formado, da lugar a ubiquinol. Pasa otro electrón hacia arriba con el mismo proceso de antes. “Muy bien en el dibujo”

Se oxidan 2 moléculas de ubiquinol (dan electrones), pero se regenera 1 (se reduce, le da un electrón cada ubiquinol)

Tenemos 2 protones por cada electrón que salta al citocromo c Los citocromos solo transportan 1 electrón cada vez, el ubiquinol puede transportar 2. Este modelo explica también este fenómeno

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Reacción completa •

La reacción catalizada por la enzima d...