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

BOLILLA 3

OXIDACIONES BIOLÓGICASOXIDACIONES BIOLÓGICAS•Hace 2000 millones de años, los procariotas Hace 2000 millones de años, los procariotas (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera oxigenada. oxigenada.

•El oxígeno que producían como producto de deshecho de El oxígeno que producían como producto de deshecho de la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en el mundo vivo. 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.

• 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.

SOL

AUTOTROFOS FOTOSINTETICOS

HETEROTROFOS

O2

CO2

Lípidos

ACIDOS GRASOS

Hidratos de carbono

GLUCOSA

Proteínas

AMINOACIDOS

OXIDACION

Compuestos con uniones

ricas en energía

NADH

FADH2

ATP

O2

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)

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

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.

OXIDACION-REDUCCION

OXIDACION

REDUCCION

+

-

O2

H

+

- O2

H

- e-

e-+

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

OXIDORREDUCTASASOXIDORREDUCTASAS

OxidorreductasasOxidorreductasas

Catalizan reacciones de oxido- reducción

Ared + Box Aox + Bred

A : es el reductor o dador electrónico; en el cursode 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 estarpresentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES EN LA CELULA

2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno

(H+ + e-): AH2 + B A + BH2

3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-)

AH2 + NAD+ → A + NADH + H+

4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2 RCH2-OH

1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++ Fe++

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

2 Na + Cl2 2 NaCl

2 Na 2 Na+ + 2 e-

Cl2 + 2 e- 2 Cl-

Oxidación

Reducción

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

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

Representación esquemática de una oxidación biológica

Sustrato H2

Sox

A(OX)

AH2

(RED)

C(OX)

B(OX)

BH2

(RED)

CH2

(RED)½ O2

H2O

Escala de Potencial de reducciónSS OO22

E E E E

Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

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.

• 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).

OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS)

• Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas

• Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas

AH2 + NAD+ A + NADH + H+

AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 (FMNH2)e- + H+

H-

LA MITOCONDRIA

FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR

ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR

EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y

LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

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.

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.

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.

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.

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 grupo hemo. Transportan 1 e-

Componentes de la Cadena de transporte electrónico

Complejo enzimático Grupos 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

Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1

Coenzima Q

Fe/Cu

Fe/Cu

O2

IV

FAD

Fe-SII

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Cit.a

Cit a3

Cit.cFeFe-SFe Fe Fe

III

Fumarato

Succinato

Complejo II

SUCCINATO DESHIDROGENASA

NADH

FMN

Fe-SI

NAD+

e-

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA

Complejo II

SUCCINATO DESHIDROGENASA

Complejo IV

CITOCROMO OXIDASA

Complejo I

NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III

CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA

Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoria

• Piruvato deshidrogenasa

• Isocitrato deshidrogenasa

• Malato deshidrogenasa

• -cetoglutarato deshidrogenasa

Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H CR

CICLO DE KREBS

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+

Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

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

Ordenamiento de los Componentes de la Cadena Respiratoria

CoQ

NADH-UBQ reductasa

FMN

(Fe-S)

I Cit c

Cit b

(Fe-S)

Cit c1III

Cit a

Cit a3

2 CuIV O2

3-P-Glicerol

FAD

FAD

II

3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol

-cetoglutarato

Glutamato

3-OH-AcilCoa

-OH-Butirato

SUCCINATO

Acil-CoA

Piruvato

Malato

Isocitrato

3-P-

CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2

CoQH2

CoQ

Cit.b566

Fe+++ Fe++Fe++ Fe+++ Fe+++

Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++

Fe++½ O2 + H+

H2O

Cit.b562

Fe-SCit.c1

Cit.c

Cit.a.a3

Complejo IVComplejo III

MECANISMOS DE SINTESIS DE ATP

• FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO

• FOSFORILACION OXIDATIVA

CADENA RESPIRATORIA

HIDRÓLISIS DE UNA UNION DE ALTA ENERGIA

O2

Adenosina Trifosfato (ATP)

Moléculas de alta energía: ATP, GTP, 1,3

difosfoglicerato, Fosfoenolpiruvato, Acetil-

CoA, Creatina fosfato.

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”

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.

SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA

MATRIZ

ESPACIO INTERMEMBRANA

Lugar de translocación de protones

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

TRANSLOCACION DE PROTONES Y SINTESIS DE ATP

COMPLEJO ATP sintasa

• F1 : 9 subunidades: 3 3

ysitios 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 Nobel al describir la ATP sintasa.

Esquema translocasa ADP-ATP y transportador de Pi.

Mitocondria

Citosol

Membrana mitocondrial

interna

ADP ATP Pi

ADP ATP Pi

• 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.

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

ACCIÓN DE INHIBIDORES

Complejo I

Complejo III

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.

Inhibidores de la fosforilación

Oligomicina:

•Bloquea el flujo de protones a través de F0, impidiendo la fosforilación.•Se inhibe la síntesis de ATP•Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.

Desacoplantes: •Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa.•El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria.

OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE DE OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE DE ELECTRONESELECTRONES

Existen sistemas de transporte distintos de la CR.

Que no participan en la síntesis de ATP

Participan en reacciones de hidroxilaciones y deshidrogenaciones hidroxilaciones y deshidrogenaciones del sustratodel sustrato.

Estos sistemas se encuentran en la fracciónfracción microsomal del retículo microsomal del retículo endoplásmicoendoplásmico.

Un 90% del O2 consumido por las células se emplea en la fosforilación oxidativa.

OXIDASAS Y OXIGENASAS

• Localización: Microsomas y peroxisomas

• No asociados a la producción de ATP

• Usan O2 como sustrato

OXIDASAS

OXIGENASAS

No incorporan O2

Oxid.

MONOXIGENASAS

DIOXIGENASAS

Incorporan un átomo del O2

Incorporan los 2 átomos del O2

OXIDASAS

• Oxidación peroxisómica de ácidos grasos

• Citocromo oxidasa

Flavoproteína: FADH2 FAD y O2 H2O2

Hemoproteína: Fe++ Fe+++ y O2 H2O

MONOOXIGENASAS u OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA ó HIDROXILASAS

• AH + BH2 + O=O A-OH + B + H2O

1 O se incorpora al sustrato y el otro O forma agua

Sustrato principal Co-Sustrato NADH, NADPH, FMNH2,

FADH2, BH4

CITOCROMO P-450

Hidroxilación de esteroides

Hidroxilación de fármacos

Hidroxilación de xenobióticos

CITOCROMO b5 Desaturación de ácidos grasos

Esquema de reacción donde interviene un Citocromo P450

NADPH

NADP+

CytP450 (oxid)CytP450 (red)

Sustrato Sustrato hidroxilado

O2 H2O

Citocromo P-450Reductasa

(Fe-S)

Citocromo P-450reducido

RH

ROH

O2

H2O

Oxidado

Reducido

Reducido

Oxidado

La hidroxilación de sustancias extrañas, aumenta su La hidroxilación de sustancias extrañas, aumenta su polaridad y solubilidad en agua polaridad y solubilidad en agua facilita su eliminación facilita su eliminación

anula su toxicidad anula su toxicidad aumenta su metabolismo aumenta su metabolismo son son excretadas.excretadas.

Los sistemas de Cit Los sistemas de Cit p450 participan en p450 participan en reacciones de reacciones de oxigenación, oxigenación, desulfuración, desulfuración, desaminación desaminación activas en hígado.activas en hígado.

Son enzimas Son enzimas inducibles, entre los inducibles, entre los inductores inductores fármacos, alimentos fármacos, alimentos asados al carbón.asados al carbón.

Pueden ser Pueden ser inhibidas: consumo inhibidas: consumo simultáneo de jugos simultáneo de jugos cítricos con cítricos con medicamentos.medicamentos. Alcohol: Por cortos períodos inhibe el metabolismo Alcohol: Por cortos períodos inhibe el metabolismo

de medicamentos de medicamentos mas toxicidad. mas toxicidad. Por períodos largos: aumenta la metabolización Por períodos largos: aumenta la metabolización reduce el efecto terapéutico. reduce el efecto terapéutico.

METABOLISMO DE XENOBIÓTICOSMETABOLISMO DE XENOBIÓTICOS

EXPOSICIÓN A SUSTANCIAS QUÍMICAS EXTRAÑAS MEDICAMENTOS

ADITIVOS EN ALIMENTOS CONTAMINANTES AMBIENTALES

IMPORTANCIA BIOMÉDICAIMPORTANCIA BIOMÉDICA

COMPRENSIÓN RACIONAL DE LA FARMACOLOGÍA. TOXICOLOGÍA

INVESTIGACIÓN DEL CÁNCER

EL HÍGADO ES EL PRINCIPAL ÓRGANO DONDE SE LLEVA A CABO LA METABOLIZACIÓN

(DESTOXIFICACIÓN) DE LOS XENOBIÓTICOS

METABOLISMO DE XENOBIOTICOS

FASE I

FASE II

Reacciones de Hidroxilación

•Reacciones de Conjugación

•Metilaciones

Citocromo P-450

AUMENTO DE SOLUBILIDAD > EXCRECION

Hígado: Membrana del retículo endoplásmico Hígado: Membrana del retículo endoplásmico (Microsomas)(Microsomas)