Tema 5. Transporte electrónico y fosforilación oxidativo PDF

Preview

Summary

Download Tema 5. Transporte electrónico y fosforilación oxidativo PDF

Description

TEMA 5: TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. 1. ESQUEMA BÁSICO

2. LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO EN EL PROCESO RESPIRATORIO En el tercer nivel del proceso de respiración celular encontramos la cadena de transporte electrónico de la mitocondria.

Las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) generadas a lo largo de la glucólisis y de los niveles 1 y 2 de la respiración celular, han de volver a su estado oxidado. Ceden

sus

electrones

a

diferentes

complejos

multiproteicos localizados en la membrana interna de la mitocondria. Estos

complejos

generar

un flujo de electrones

exergónico que desemboca en O2 (aceptor final de la cadena), que se reduce a H2O. Este flujo electrónico exergónico se aprovecha para generar un gradiente de protones a través de la membrana de la mitocondria.

3. LA MITOCONDRIA La membrana es un orgánulo especializado, dedicado no sólo a procesos de respiración celular que conllevan la generación de energía (procesos catabólicos, anabólicos…) La mitocondria está dividida en 4 subregiones: Membrana externa, membrana interna, espacio intermembrana y matriz mitocondrial. Lo característico de la membrana interna son las denominadas crestas mitocondriales cuya función es aumentar la superficie efectiva de la membrana mitocondrial interna. La membrana externa es permeable a todo tipo de sustancias, no requiere de transportadores específicos, a diferencia de la membrana mitocondrial interna.

El número de mitocondrias presentes en la célula es variable y dependerá de los requerimientos energéticos de ésta. Es una estructura dinámica en cuanto a su funcionalidad, puesto que el número de crestas dependerá de su acción catabólica. Un tejido que apenas realice respiración, la mitocondria no será tan activa, y tendrá un número menor de crestas. En la membrana interna se encuentran aquellos complejos multiproteicos que constituyen la cadena de transporte electrónico o respiratorio de la mitocondria La cadena respiratoria está constituida por 5 complejos multiproteicos y factores adicionales no proteicos como la Coenzima Q que posee naturaleza lipídica.

Los electrones que provienen del NADH son cedidos al complejo I. Los electrones generados en el FADH2 son cedidos al complejo II. Los electrones del complejo I y II confluyen en la Coenzima Q. Los electrones del complejo I no pasan por el complejo II, van directamente a la Coenzima Q.

El flujo de electrones genera en algunos elementos de la cadena la energía necesaria para generar ese gradiente de protones anteriormente mencionado. Esto se produce en el complejo I, III y IV. El flujo va desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembrana. Los electrones confluyen en el complejo IV que se reducen hasta agua gracias a la presencia del aceptor de electrones final, el oxígeno. (TRANSPORTE ACTIVO. EN CONTRA DE GRADIENTE. COMPLEJO I, II, III, IV) Los electrones terminan su flujo en el O2. El complejo V permite la entrada de protones desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial, y puesto que esto consiste en una disipación de protones (liberación de energía) utiliza para a partir de ADP y fosfato sintetizar ATP. TRANSPORTE A FAVOR DE GRADIENTE. Todos los complejos necesitan cofactores o grupos prosteicos para llevar a cabo el transporte de electrones.

4. OXIDACIONES Y GENERACIÓN DE ENERGÍA De manera análoga a como sucede en las reacciones acido – base, una reacción redox está constituida por un agente donador de electrones (compuesto reducido) y su aceptor de electrones conjugado (compuesto oxidado)

Los electrones no se encuentran libres en disolución, sino que se requiere en toda reacción redox de dos agentes: -

Donador de electrones (compuesto reductor)

-

Aceptor de electrones (compuesto oxidante)

La tendencia de un compuesto a reducirse aceptando electrones se mide por el Potencial de Reducción (E) que es la capacidad que tiene un elemento para reducirse él, es decir, para aceptar electrones él. Se mide en voltios (V). El Potencial de reducción estándar (E0) se denomina como al potencial de reducción cuando la concentración de reductor y su oxidante conjugado es 1M a 25ºC. Por convenio, el E0 del hidrógeno es 0,00V. El resto de potenciales de reducción se determinan por comparación con el del hidrógeno. Un valor negativo del potencial de reducción implica que el compuesto tiene poca tendencia a reducirse, y por tanto, tiende a actuar más bien como reductor, cediendo electrones y oxidándose él. La cadena respiratoria va desde el NADH hasta O2. El O2 tiene mayor tendencia a aceptar electrones que el NADH. Un valor positivo del potencial de reducción implica que el compuesto tiene mucha tendencia a reducirse, y por tanto, tiende a actuar como oxidante, captando electrones.

El que tiene mayor potencial de reducción actuaría como oxidante, tiene mayor capacidad para reducirse. Los cambios energéticos asociados a un proceso rédox viene determinados por:

Los procesos fisiológicos, incluyendo los rédox, no tienen lugar en condiciones estándar; así, las condiciones celulares son variables según diversos factores. Los potenciales de reducción en condiciones no estándar se miden por la ecuación de Nernst.:

5. TRANSPORTE ELECTRÓNICO COMPLEJO I (NADH deshidrogenasa) La gran mayoría del NADH que se genera a través de las diversas enzimas que catalizan oxidaciones se reoxida en el complejo I, NADH deshidrogenasa. El complejo NADH deshidrogenasa está constituido por 25 cadenas polipeptídicas distintas. Este complejo posee varias moléculas de mononucleótido de flavina (FMN) que se encargan de recibir los electrones procedentes del NADH en la siguiente reacción.

Se ceden 2 electrones entre el NADH y el FMN. El complejo además se asocia a varios grupos Fe – S (Fe no hemo): Fe2S2 y Fe4S4. El Fe capta o cede un electrón cada vez.

-

FeS: 1 átomo de hierro y azufres de la cadena lateral de la cisteína, ninguno de ellos es inorgánico.

-

Fe2S2: 2 átomos de hierro y 2 átomos de azufre inorgánicos.

-

Fe3S4: 3 átomos hierro y 4 átomos de azufres inorgánicos.

-

Fe4S4: 4 átomos de hierro y 4 átomos de azufres inorgánicos.

Los electrones recogidos por el FMN son cedidos a los centros de Fe – S, que los cederán al siguiente elemento de la cadena de transporte: la coenzima Q.

Cabe decir que el complejo también recibe el nombre de NADH – coenzima Q reductasa. La estructura de algunos de los cofactores utilizados en este complejo son:

COMPLEJO II ( FADH2 y Succinato Deshidrogenasa) La propia succinato deshidrogenasa constituye el complejo II de la cadena respiratoria mitocondrial. Está constituido por 4 cadenas polipeptídicas y emplea como coenzima el FAD, unido covalentemente a la enzima. Además posee: -

1 centro Fe4S4

-

1 centro Fe3S4

-

1 centro Fe2S2

-

citocromo b (b560).

Los electrones del FADH2 son cedidos a los centros Fe – S y de ahí pasan al citocromo b560. El citocromo b560 posee un grupo hemo idéntico al de la hemoglobina y mioglobina: la protoporfirina IX se asocia a un átomo de hierro (Fe hemo)

Al igual que sucede con el complejo I, los electrones del complejo II se ceden a la coenzima Q mediante el citrocromo b560. La Succinato deshidrogenasa también se denomina succinato – coenzima Q reductasa.

COENZIMA Q

La coenzima Q no es una proteína, por lo que no es un elemento transmembrana, sino un compuesto de naturaleza lipídica. Gracias a dicho carácter lipídico, hidrofóbico, la coenzima Q puede trasladarse libremente por el interior de la membrana interna de la mitocondria, recogiendo los electrones de los complejos I y II para poder cederlos al complejo III. La coenzima Q también se denomina ubiquinona. Cabe decir que capta y cede los electrones de dos en dos. Además, como podemos ver en su estructura, es parecida a la de los lípidos isoprenoides. La forma semiquinona es adquirida al aceptar los 2 electrones, ya que queda completamente reducido.

COMPLEJO III (CITOCROMO bc1 O CITOCROMO–C–COENZIMA Q OXIDORREDUCTASA) Está constituido por 9 – 10 cadenas polipeptídicas. Posee 1 centro Fe2S2 y 3 citocromos (b562 , b566, c1 ). Estos 3 citocromos son similares al citocromo b560 del complejo II, por tanto, cada citocromo posee un Fe hemo, es decir, la protoporfirina IX se asocia al átomo de hierro. Los electrones fluyen en el siguiente orden: Coenzima Q  b562  b566  Fe2S2  c1

CITOCROMO C Se trata de una pequeña proteína (13 kDa). No es un complejo por esto mismo, porque posee una única proteína. Posee un grupo hemo similar al de los citocromos b y c1. Cabe decir que su función es recoger los electrones del complejo III y cederlos al complejo IV. COMPLEJO IV (CITOCROMO OXIDASA) Está formado por 13 cadenas polipeptídicas. Posee 2 citocromos; a y a3. Cabe decir que estos citocromos poseen grupos hemos diferentes a los que se encuentran en los citocromos b, c, y c1. A este grupo hemo diferente se le denomina Hemo A. Cabe decir que se asocian varios átomos de cobre (Cu) que también participan en el transporte de electrones (Cu+/Cu2+). El objetivo final es ceder 4 electrones al O2 (aceptor final de electrones) para que se reduzca a 2 moléculas de H2O. Este transporte de electrones constituye un proceso exergónico.

Los electrones pasan primero por el citocromo a  a3  átomos Cu  O2

Cabe decir que no todos los elementos de la cadena respiratoria pueden bombear protones, sólo son capaces de ello 3 puntos dela cadena respiratoria: -

Complejo I

-

Complejo III

-

Complejo IV.

Los flujos de electrones que generan caídas energéticas (liberación de energía) son suficientes para bombear protones contra gradiente desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana.

Según van pasando los electrones por las cadenas que fluyen electrones, se libera energía que se utiliza para generar cambios conformacionales en las estructuras de las cadenas que se encargan de bombear protones. Se van pasando los protones de tal manera que salen por el lado contrario, generando un gradiente de protones en el espacio intermembrana. La energía se retiene y después, al liberarse se disipará, es decir, se liberará. Los protones volverán a entrar a la matriz mitocondrial interna por medio del complejo V de manera espontánea a favor de gradiente.

6. FORFORILACIÓN OXIDATIVA COMPLEJO V (ATP SINTASA) Es el encargado de sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato (Pi) aprovechando la energía que se libera al dispersarse el gradiente de protones generado.

El complejo está constituido por más de 12 cadenas polipeptídicas. Posee 1 complejo funcional F0F1: -

F0: región transmembrana. Consta de 3 proteínas; a, b, y c, con estequiometria ab2c12.

- F1: región en la matriz mitocondrial. Consta de 5 proteínas; α, β, γ. Δ. ε con una estequiometría α3β3γδε. Cabe decir que F0 se encargaría de disipar el gradiente de protones, permitiendo que estos regresen a la matriz mitocondrial, mientras que F1 se encargaría de sintetizar el ATP a partir de ADP y fosfato (Pi), aprovechando la energía transmitida a F0 al disipar ésta el gradiente de protones. Hipótesis quimiosmótica de Peter Mitchell.

¿CÓMO FUNCIONA LA ATP SINTASA? El proceso de síntesis de ATP tiene lugar en 2 fases: -

Translocación de H+ llevada a cabo por F0

-

Formación del enlace fosfoanhídrido entre el ADP y el Pi llevado a cabo por F1

La interacción entre F1 y F0 permitirá acoplar la disipación del gradiente de H+ a la síntesis de ATP. Con respecto a la F1, el lugar de síntesis de ATP lo constituyen los dímeros de α y β. Tres dímeros αβ, tres sitios de síntesis de ATP. Cada dímero pasa por 3 estados conformacionales distintos de manera consecutiva: -

Estado laxo (L)

-

Estado compacto (T)

-

Estado abierto (O)

En un mismo instante, un dímero se encuentra en forma L, otro en forma T y el tercero en forma O. Es la subunidad γ la encargada de generar los cambios conformacionales. Esta subunidad γ lleva a cabo rotaciones de 120º de tal manera que con cada giro provoca un cambio estructural ordenado en los 3 dímeros.

Según el estado conformacional en el que se encuentre cada dímero, se unirá con mayor o menos afinidad al ADP, al Pi y al ATP.

En el estado abierto, el ADP y fosfato se unen al dímero con baja afinidad. Cuando gira esta subunidad, y pasamos de estado abierto a estado laxo, seguimos teniendo fosfato y ADP, pero quedan retenidos con mayor afinidad. Gira la subunidad para que esta subunidad pase al estado compacto, en este estado compacto, la formación del enlace fosfoanhidrido es espontánea, y por tanto la síntesis de ATP. En el estado compacto sintetizamos ATP pero queda retenido con mucha afinidad, no puede salir. La subunidad gira otra vez para pasar otra vez a estado abierto. El ATP sintetizado pierde afinidad por la subunidad, y se libera. Así entran otro ADP y otro fosfato y comienza el ciclo otra vez. En el estado T, la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi es espontánea. Es la liberación de la ATP sintasa del ATP recién formado la que requiere energía. La energía es aportada por el flujo de H+. Al ser bombeados los H+ por la F0, éstos provocan un movimiento de rotación de las subunidades c. La subunidad γ de F1 se asocia a las subunidades c de F0 y cuando las segundas rotan, la primera lo hace con ellas.

Al rotar la subunidad γ provoca un cambio conformacional en el dímero αβ que se encontraba en forma T y retenía unido ATP. El dímero pasa a estado O en el que se reduce la afinidad por el ATP, lo cual permite que se libere el complejo. En el estado O, se unen ADP y Pi pero para que éstos se unan con alta afinidad, el dímero ha de pasar a un estado L. Finalmente, al pasar del estado L al estado T, se vuelve a producir de manera espontánea la síntesis de ATP por medio de la formación del enlace fosfoanhídrido correspondiente entre el ADP y el Pi. En consecuencia, hay una transmisión de la energía liberada al disiparse el flujo de H+, de tal forma que el flujo de dicha energía va desde la rotación de las subunidades c de F0  rotación de la subunidad γ de F1  cambio conformacional de los dímeros αβ.

7. LANZADERAS NADH ¿Cómo se transportan desde el citosol las moléculas de NADH que se han generado en procesos como la glucólisis? La membrana mitocondrial externa es permeable al paso del NADH; sin embargo, la membrana mitocondrial interna es impermeable a esta coenzima y no existe transportador de membrana alguno que permita su translocación física. Por tanto, los equivalentes reductores han de transportarse al interior mitocondrial sin que haya un movimiento físico de la coenzima. Se emplean sistemas lanzadera: -

Dihidroxiacetona fosfato/glicerol – 3 – fosfato.

-

Malato / Aspartato

SISTEMA DIHIDROXIACETONA FOSFATO / GLICEROL – 3 – FOSFATO Es muy activo en el cerebro. La glicerol – 3 – fosfato deshidrogenasa citosólica se encarga de reducir una molécula de dihidroxiacetona fosfato a glicerol 3 – fosfato por medio de la oxidación de una molécula de NADH. El glicerol – 3 – fosfato pasa al espacio intermembrana de la mitocondria, y una vez allí, la flavoproteína deshidrogenasa (ubicada en la membrana interna) el glicerol – 3 – fosfato deshidrogenasa mitocondrial se encarga de reoxidarlo a dishidroxiacetona fosfato por medio de la reducción de una molécula de FAD + a FADH2, que cede los electrones hacia el complejo II, y ya están en la cadena respiratoria. La dihidroxiacetona fosfato vuelve al citosol y el FADH2 cede sus electrones a la coenzima Q directamente.

Cabe decir que la glicerol 3 fosfato deshidrogenasa citosólica no posee el grupo FAD que sí posee la glicerol – 3 – fosfato deshidrogenasa mitocondrial. El inconveniente es que pierde eficiencia en la síntesis de ATP. En vez de tener 3 ATP tiene 2 ATP. Si un NADH genera 3 ATP, el FADH2 genera 2 ATP. Cada uno de esos 2 NADH solo generarán 4 ATP y no 6, porque entran en la cadena respiratoria como FADH2.. La glucólisis en el cerebro dará lugar a 36 ATP

SISTEMA MALATO / ASPARTATO Este sistema emplea un par de transportadores también localizados en la membrana mitocondrial interna. El oxalacetato es reducido por una malato deshidrogenasa citosólica a malato oxidando una molécula de NADH a NAD +. El malato citosólico atraviesa la membrana mitocondrial interna por medio de un transportador de membrana que lleva a cabo un antiporte entre el malato y alfa – cetoglutarato. El malato, una vez en el interior de la mitocondria, se reoxida a oxalacetato por la malato deshidrogenasa mitocondrial (la misma que la del Ciclo de Krebs), reduciendo una molécula de NAD+ a NADH. Por medio de la aspartato aminotransferasa, el oxalacetato sufre una reacción de transaminación (transferir el grupo amino) con el glutámico (Glu) para originar aspártico (Asp) y alfa – cetoglutarato. El alfa cetoglutarato se devuelve al citosol siguiendo el mecanismo de transporte antes citado. El Asp sale al citosol por medio de otro transportador de membrana que lleva a cabo un antiporte entre el Asp (que se libera al citosol) y el Glu (que se internaliza a la mitocondria). En el citosol, la aspartato aminotransfersa citosólica regenera el oxalacetato por medio de una transaminación entre el alfa – cetoglutarato y el Asp.

Este sistema es característico el hígado y del corazón. A diferencia del sistema anterior, no hay pérdida del rendimiento en la síntesis de ATP. -

Saca oxalacetato porque mete malato. ANTIPORTE

-

Saca Asp porque mete glutámico. ANTIPORTE

-

El Glu lo utilizamos para sacar Asp para transformarlo en oxalacetato. Así el glutámico está disponible para la siguiente transaminación...