Tema7.Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa PDF

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TEMA 7: CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 1. Introducción. Este tema lo dividiremos en dos partes: i) FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: (1) Entrada de electrones a la cadena de transporte (NADH/FADH2) (2) La cadena respiratoria (3) Complejos y transportadores electrónicos de la cadena respiratori...

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TEMA 7: CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 1. Introducción. Este tema lo dividiremos en dos partes: i) FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: (1) Entrada de electrones a la cadena de transporte (NADH/FADH2) (2) La cadena respiratoria (3) Complejos y transportadores electrónicos de la cadena respiratoria. (4) Transferencia de los transportadores de electrones a las mitocondrias. ii) FOTOSÍNTESIS: (1) Unidades funcionales de la fotosíntesis y reacciones de la fase lumínica (2) Transporte no cíclico y transporte cíclico. (3) Fase oscura.

2. Fosforilación oxidativa. 





Los sustratos reducidos se oxidan en una reacción que se da en el ciclo de Krebs. piruvato (azúcares y lípidos) → Acel Coa En todos los procesos se genera poder reductor NADH, que pasaran al ciclo de Krebs. Primero irán a las mitocondrias y los electrones van al oxígeno (aceptor electrónico) que se reducen por dos moléculas de agua (H2O). En este proceso se acopla un flujo de protones (H+) que ayuda a la obtención de ATP. El oxígeno, al estar en organismos aerobios, se trata de una molécula abundante, pequeña y aceptora de electrones (en fotosíntesis tendremos el proceso contrario). En organismos anaerobios se lleva a cabo por medio de otras moléculas. Por ejemplo en las fermentación es el piruvato.  Ejemplos: Oxidación de la glucosa a piruvato. No es que todos los electrones vayan al oxígeno, sino que se trata de una serie de reacciones acopladas. En las mitocondrias, mediante la fosforilación oxidativa, los electrones pasan al  .  Fosforilación a nivel de sustrato: acoplamiento de reacciones. Suelen ser reacciones muy favorecidas con una que no lo sea y de las que se obtiene directamente el ATP.

3. Cadena respiratoria mitocondrial. En los organismos aerobios todas las etapas enzimáticas de la degradación de azúcares, grasas y aminoácidos convergen en la fase final de la respiración celular en la que los electrones fluyen de los sustratos orgánicos hasta el oxígeno, dando energía para generar ATP a partir de ADP y P. EL OXÍGENO: @ Es muy abundante. @Se difunde fácilmente a través de las membranas. @Es muy reactivo, por lo que es buen aceptor de electrones.

La membrana interna de las mitocondrias tiene una forma dentada que sirve para abarcar una mayor superficie, y al tener esto cumple mejor su función de obtener energía. Además, es más impermeable que la membrana externa.

 Ejemplo:

La oxidación total de la glucosa por O2 se puede describir por:     6  6  6  ↓

Los electrones implicados en la oxidación de la Glc no se transfieren directamente al oxígeno sino que se transfieren a otros sustratos:   , formándose   

4. Las cadenas de transporte electrónico. Las cadenas de transporte electrónico se basan en el encadenamiento de reacciones redox que individualmente implican la transferencia de electrones, iones de hidruro, iones de hidrógeno y electrones de forma simultánea.

Los electrones se transportan gracias a una molécula que realiza reacciones redox (se oxida y se reduce) y que se regenera de manera que pueda aceptar electrones. A veces, se pueden transferir protones y electrones juntos, bombeando protones hacia el espacio intermembranoso y que se aprovechan para generar energía ATP. Los electrones de la coenzima I son transportados hasta el COMPLEJO I→NADH complejo III. Una vez llegan al citocromo, se llevan hasta el COMPLEJO II→FADH2 complejo IV.

Los electrones circulan a través de reducciones y oxidaciones de los grupos prostéticos (elementos no protéicos).  Citocromo: son proteínas que desempeñan una función vital en el transporte de energía química en todas las células vivas. ¿Por qué fluyen los electrones en la cadena de transporte? Porque la energía libre de Gibbs (∆ ) que necesitan para llevar a cabo el transporte es negativa, por lo que se trata de un proceso espontáneo. Cuando hablamos de reacciones redox hay que tener en cuenta el potencial de reducción (tendencia que tiene un elemento a reducirse (aceptar electrones) y se necesitará otro elemento que se oxide. La ∆ debe ser negativa para que la reacción sea espontánea. ∆   ∆ 

n= número de moles F= constante de Faraday

Transporte de electrones de las coenzimas reducidos al oxígeno: los electrones fluyen por los transportadores.

Potencial de reducción, E:  Potencial de reducción: es la tendencia a reducirse, es decir, la tendencia a captar electrones. Para que se trate de un proceso espontáneo, ∆  0 ya que de este modo ∆  0. Además, las sustancias con un potencial de reducción más negativo (menos positivo) recibirán electrones de una sustancia con potencial más positivo. Cada una de las reacciones de redox acopladas en el transporte electrónico biológico comporta la transferencia de electrones de una pareja redox a una otra con un potencial de reducción mayor.  NADH: agente reductor fuerte.  Los transportes electrónicos sufrirán reacciones de oxidoreducción.  O2: agente oxidante fuerte.

5. Complejos y respiratoria.

transportadores

electrónicos

de

la

cadena

Se han identificado cuatro complejos enzimáticos unidos a membrana interna mitocondrial. Tres de ellos son complejos transmembrana, que están embebidos en la membrana interna, mientras que el otro está asociado a membrana. Los tres complejos transmembrana tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. El flujo de electrones global se esquematiza de la siguiente forma: NADH → Complejo I → Q → Complejo III → Citocromo c → Complejo IV → H2O ↑ Complejo II Los elementos que participan en la cadena respiratoria son los siguientes: i) Complejos multienzimáticos. ii) Transportadores electrónicos.

6. Complejo I. Tiene diferentes nombres, como por ejemplo NADH dehidrogenasa (ya que interviene el cofactor NADH) o también, NADH*CoQ reductasa. Está asociado con el bombeo de protones. Se trata de un complejo que acepta los electrones del NADH (se oxida): (a) Complejo multienzimático. (b) Contiene más de 20 polipéptidos diferentes. (c) Contiene diversos núcleos Fe*S.

En este complejo el NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN (flavin mononucleótido o riboflavina*5'*fosfato, es un derivado de la riboflavina (vitamina B2) que actúa como coenzima de diversas oxidoreductasas. Durante el ciclo catalítico se produce la interconversión reversible entre la forma oxidada (FMN), semiquinona (FMNH•) y reducida (FMNH2) de la coenzima. El FMN es un agente oxidante más fuerte que el NAD+ y es particularmente útil ya que puede tranferir uno o dos electrones.) a FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es un centro Fe*S que sólo puede aceptar un electrón y transferirlo a la ubiquinona (Q) generando una forma reducida denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a ser reducido con el otro electrón que quedaba generando el ubiquinol (QH2). Durante este proceso, cuatro protones son translocados a través de la

membrana intern a intermembrana.

mitocondrial, desde

la

matriz

haccia

el

espacio

7. Complejo II. También llamado Succinato deshidrogenasa o succinato1CoQ redu ctasa no es una bomba de protones. Es la única enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Se reduce el FAD+ que pasa p a FADH2 (flavoproteína), acepta electro nes El FADH2 se oxida en el complejo II:  Formado por suc ccinat o DH i ferredoxinas  También transfie ere los electrones a la coenzima Q edoxinas: cadenas polipeptídicas con Fe oxid ado.  Ferre Otras fflavoproteínas también pueden ceder electron nes al CoQ.

Antes de que este com mplejo actúe el FADH2 se forma durante laa conversión de succinato (La enzima succinato deshidrogenasa (SDH), succina to coenzima Q reductasa o complejo II mitocondrial es un complejo proteico ligado o a la membrana interna mitocondrial q que interviene en el ciclo de Krebs y en n la cadena de transporte de electrone es, y que co ntiene FAD unido covalenteme ente. Cataliza la reacción: Succinato + ubiquinona rightleftharpoons fumarato + ubiquinol) en fumarato en el ciclo d el ácido cítrico también conocido como ciclo de Krebs. A continuación los electroones son transferidos por medio de una serie e de centros Fe1S hacia Q. EL glicerol131ffosfato y el acil1CoA también transfieren electrones a Q mediante vías diferente es en que participan flavoproteínas (enzimaas que catalizan reacciones de oxidació ón1reducción utilizando flavina mononucle eótido (FMN) o flavina adenina dinucleótido (FAD) como coenzima. La estrucctura de anillos

fusionados de los nucleótidos de flavina se reduce de manera reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón) desde un sustrato reducido. Las formas completamente reducidas se abrevian FMNH2 y FADH2. Cuando un nucleótido de flavina totalmente oxidado acepta sólo un electrón (un átomo de hidrógeno), se produce la forma semiquinona del anillo de isoaloxazina, abreviada FADH• y FMNH•). NOTA: Ubiquinona o coenzima Q +Benzoquinona ligada a diferentes unidades de isopreno. +La cola polar permite la difusión rápida a través de la membrana. +Es una molécula pequeña (no se trata de un complejo), que puede difundir y pasar de un complejo a otro. +Transporta los electrones de los complejos I y II a los citocromos (complejo III).

8. Complejo III. También llamado Ubiquitina+citocromo c óxido reductasa. Está formado por varias subunidades, citocromos y núcleos Fe+S. Los protones (H+) que ha recibido el CoQ se reducen en el espacio intermembranoso.  Citocromos: proteínas de transporte electrónico con un grupo prostético hemo.  Citocromo c: está unido de forma laxa a la cara externa de la matriz mitocondrial interna, y hay tres tipos (a, b y c) dependiendo de las longitudes de onda se observen. Puede transportar los electrones del complejo III (asociado al bombeo de H+) al IV. La transferencia de electrones del CoQ al citocromo c mediada por el complejo III, se trata de un proceso dificultoso.

Obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos moléculas de citocromo c. Al mismo tiempo, transloca cuatro protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.

9. Complejo IV. También llamado citocromo oxidasa o citocromo c+O2 oxidoreductasa. a) Contiene varias subunidades, citocromos a y a3, y nucleos Fe+Cu. b) El complejo multiproteico citocromo oxidasa (complejo IV) reduce el oxígeno en agua. c) Se modula alostéricamente por ATP. Capta los electrones del citocromo c y los pasa al oxígeno, también asociado a un bombeo de protones. El oxígeno (O2) se reduce a agua (H2O). Por cada dos moléculas de agua hay un bombeo de 4H+. ¿Al estar modulado alostéricamente por ATP, se activa o se inhibe? Se inhibirá porque todo este deriva en una síntesis de ATP, así que cuando se acumula y está en exceso inhibe el complejo.

Resumen:

10.Síntesis de ATP.  COMPLEJO V: (a) Se trata de un canal porque deja pasar H+ de manera regulada. (b) Se genera ATP por la ATPsintetasa → Se basa en la teoría quimiosmótica de Michael. (c) Hay tres complejos que bombean H+ a través de los transportadores. (d) El ATPsinstetaasa asocia la entrada de protones a favor del gradiente.

 SÍNTESIS DE ATP (complejo V, canal  , ATPsintetasa):

La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico, Peter D. Mitchell, explica que la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están acopladas por el gradiente de protones. El flujo de protones crea un gradiente de pH y un gradiente electroquímico. Este gradiente de protones es usado por la ATP sintasa para formar ATP vía la fosforilación oxidativa. La ATP sintasa actúa como un canal de iones que "devuelve" los protones a la matriz mitocondrial. Durante esta vuelta, la energía libre de Gibbs producida durante la generación de las formas oxidadas de los transportadores de electrones es liberada. Esta energía es utilizada por la síntesis de ATP, catalizada por el componente F1 del complejo FOF1 ATP sintasa. La síntesis de ATP gracias a este enzima se denomina fosforilación oxidativa, en mitocondrias, y fosforilación, en cloroplastos. Se puede modular por [ADP] y [P]↑ se ac8vará el proceso, hasta que se llegue a una concentración de [ATP] que se inhibirá, ya que no será necesario que se sintetice más. Todo esto depende de las necesidades energéticas de la célula. ¿Cuánto ATP generaremos? De una molécula de glucosa se llega a dos de piruvato, por lo que si sabemos cuánto de ATP se genera, sabremos el total de energía. Para ello: Cuando hacemos cálculos debemos ser consistentes, es decir, no mezclar. Lo que se hará será comparar la relación que me da más la energía, por ejemplo, un ácido graso nos aporta más energía porque está más reducido.

11.Transferencia de los transportadores de electrones a la cadena respiratoria. Ciertas reacciones del metabolismo tienen lugar en el interior de la mitocondria, como es el ciclo de Krebs; aunque otras reacciones metabólicas se dan en el citosol (glucólisis). Hay que tener en cuenta que la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH. Estas reacciones que se dan en el citosol entran a las mitocondrias por un sistema de lanzadoras: i) LANZADORA DE GLICEROFOSFATO:  Más activa en el cerebro y en el músculo esquelético.  Aprovecha el glicerol232fosfato deshidrogenasa de la enzima glucolítica.  En la glucólisis se genera NADH, los electrones del cual aparecen en el FADH2 y los da a la coenzima I.  Ya que el NADH no puede cruzar la membrana, pasa solamente los electrones.

ii) LANZADERA DEL MALATO 2 ASPARTATO:  Más activa en el corazón, el hígado y el riñón.  Se trata de un complejo bastante más complejo que el glicerofosfato.  Al ser más complejo, también es mucho más eficiente.  El NADH que debe entrar en la mitocondria se aprovecha de otras enzimas de otros metabolismos para conseguirlo.  El malato se encarga de añadir los electrones del NADH dentro de la mitocondria.



El sistema debe regenerar el malato para que se pueda volver a llevar a cabo.

12.Fotosíntesis. La fotosíntesis la llevan a cabo plantas y bacterias fotosintéticas, donde el receptor electrónico será el agua (H2O). Es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz. En este proceso la energía lumínica se transforma en energía química estable, siendo el ATP la primera molécula en la que queda almacenada esta energía química. Con posterioridad, el ATP se usa para sintetizar moléculas orgánicas de mayor estabilidad. (1) FOSFORILACIÓN: 0Se obtiene ATP y poder reductor (oxígeno) 0El poder reductor y el ATP se utilizan para generar carbohidratos en la fase oscura. 0La fotosíntesis tiene lugar en el cloroplasto  Cloroplasto: Tienen doble membrana, con una tercera membrana interna del tilacoide donde se encuentran los complejos que permiten absorber los fotones de la luz. La cadena de transporte electrónico tiene lugar en los tilacoides. Se puede diferenciar:  Antenas: en ellas se produce la absorción de fotones de la luz visible.  Centros de reacción: la energía electromagnética captada por las antenas provoca una separación de cargas.

(2) FASE LUMÍNICA: La energía lumínica que absorbe la clorofila se transmite a los electrones externos de la molécula, los cuales escapan de la misma y producen una especie de corriente eléctrica en el interior del cloroplasto al incorporarse a la cadena de transporte de electrones. Esta energía puede ser empleada en la síntesis de ATP mediante la fotofosforilación, y en la síntesis de NADPH. Ambos compuestos son necesarios para la siguiente fase o Ciclo de Calvin, donde se sintetizarán los primeros azúcares que servirán para la producción de sacarosa y almidón. Los electrones que ceden las clorofilas son repuestos mediante la oxidación del H2O, proceso en el cual se genera el O2 que las plantas liberan a la atmósfera. Existen dos variantes de fotofosforilación: acíclica y cíclica, según el tránsito que sigan los electrones a través de los fotosistemas. Las consecuencias de seguir un tipo u otro estriban principalmente en la producción o no de NADPH y en la liberación o no de O2. Las clorofilas junto con los pigmentos constituyen los accesorios que completan el espectro de absorción de la luz visible. Las clorofilas a y b son las más abundantes en la naturaleza. Los pigmentos contienen cromóforos: partes que absorben la luz. La cadena lateral de fitol ayuda en la interacción con lípidos de membrana.

13.Fotosistemas. Son los centros donde se agrupan los pigmentos fotosintéticos, como la clorofila, entre otros. Estas moléculas son capaces de captar la energía lumínica procedente del Sol. Están formados por antenas, centros de reacción y agentes de transporte electrónico. Existen dos tipos de fotosistemas que constituyen las unidades funcionales de la fotosíntesis: 1) FOTOSISTEMA I:  Complejo de muchas subunidades transmembrana.  Poseen más de 200 moléculas de clorofila.  Hay dos de estas moléculas de clorofila en el centro de la reacción.  Hay también otros transportadores: A0 (clorofil·la), A1i Fx (centres Fe8S).  Se genera poder reductor.  La energía lumínica se induce en las antenas que, por resonancia, transporta electrones a todas las subunidades.  La ferredoxina cede los electrones a una oxidoreductasa.  El NADP+ se reduce a NADPH. 2) FOTOSISTEMA II:  Complejo de muchas proteínas y pigmentos transmembrana.  El centro de reacción está compuesto por: dos polipéptidos, citocromo  y dos clorofilas tipo a.  El complejo formador de oxígeno tiene manganeso.  Otros pigmentos: feofitina ( ~ clorofila), PQ A i B ( ~ ubiquinona).  En el complejo B8f se genera un gradiente protónico.  El fotosistema siempre se regenera.

Transfiere electrones del PSII al PSI Tiene un complejo FeS Transfiere electrones a la plastocianina (proteína hidrosoluble con Cu)  Bombea protones 3) TRANSPORTE ELECTRÓNICO NO CÍCLICO:  Se trata de un tipo que utiliza los elementos del fotosistema 1 (el 2 no se utiliza).  Produce oxígeno.  Utiliza los electrones sintetizados en la ferredoxina o bien en el citocromo B6F.   

14.Fase oscura. La fase oscura de la fotosíntesis, es un conjunto de reacciones independientes de la luz que convierten el dióxido de carbono, el oxígeno y el hidrógeno en glucosa estas reacciones. Estas reacciones toman los productos generados de la fase luminosa (principalmente el ATP y NADPH) y realizan más procesos químicos sobre ellos. Las reacciones oscuras son dos: la fijación del carbono y el ciclo de Calvin.  FIJACIÓN DE CARBONO: El carbono proveniente del CO2 este es "fijado" dentro de un gran carbohidrato. Tres pueden ser los caminos (procesos) que existen para que este tipo de reacción ocurra: Fijación del carbono C3 (la más común entre estas), fijación del carbono C4, y CAM. La fijación del carbono C3 ocurre como el primer paso del ciclo de Calvin en todas las plantas. La enzima RuBisCO cataliza la reacción entre la ribulosa1,5bisfosfato (una pentosa, es decir un monosacárido de 5C) con el CO2, para crear 1 molécula de 6 carbonos, que es inestable y se separara en 2 moléculas de fosfoglicerato que contienen 3 átomos de carbono cada una de estas.  CICLO DE CALVIN: El ciclo de Calvin es el proceso en el cual el dióxido de carbono se incorpora a la ribulosa1,5bisfosfato que acaba rindiendo una molécula neta de glucosa, que la planta usa como energía (respiración mitocondrial)....