Tema 2: OxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreducciOxidoreduccióóóóóóóónnnnnnnn biolbiolbiolbiolbiolbiolbiolbiolóóóóóóóógica gica gica gica gica gica gica gica

y fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilaciy fosforilacióóóóóóóón oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativa

Oxido-reducción

OxidorreducciOxidorreduccióón bioln biolóógicagica

••Potencial de oxidoPotencial de oxido--reduccireduccióón y n y ∆∆ de energde energíía libre.a libre.

••Cadena respiratoria: composiciCadena respiratoria: composicióón y localizacin y localizacióón subcelularn subcelular

••FosforilaciFosforilacióón oxidativa: n oxidativa: teorteoríía a quimiosmquimiosmóóticatica

•• Acoplamiento y rendimiento energAcoplamiento y rendimiento energéético en la formacitico en la formacióón de ATPn de ATP

••ATPATP--sintasasintasa: estructura y funci: estructura y funcióónn

Tema 2: Oxidacción biológica de nutrientes ���� NADH + H+

�NADH transporta e- a la cadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoriacadena respiratoria��El transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de eEl transporte de e-------- generagenerageneragenerageneragenerageneragenera gradiente de H + en la membrana��EsosEsosEsosEsosEsosEsosEsosEsos H+ activan a la ATP-sintasa (fosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacifosforilacióóóóóóóón oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativan oxidativa))))))))

Oxido-reducción

Objetivos de aprendizaje:

�Entender que la oxidación del NADH transcurre en múltiples pasosefectuada por tres complejos de proteínas transmembrana con varios grupos red-ox activos en cada uno.

�Comprender que la Coenzima Q y el citocromo c son transportadores móviles de e - entre los complejos proteícos.

�Comprender que los H+ son traslocados a través de la membrana mitocondrial por los complejos I, III y IV .

�Entender como la energía libre de la oxidación del NADH se conserva como un gradiente electroquímico de H +.

� APLICAR EL BALANCE: 2NADH + 2H+ + O2 ���� 4e- ���� 4 H2O

�Entender que la reducción de cada molécula de O 2 por los e- aportados por 2 NADH hasta formar 2 H2O , requiere 4 e- y produce la translocaciónde 20 H+ al espacio intermembranoso.

�Las células oxidan los nutrientes orgánicos para ge nerar ATP, necesario para su trabajo útil.�Perdida de electrones = Oxidación�Ganancia de electrones = Reducción

�El flujo de electrones en el metabolismo se canaliz a a través de intermediarios metabólicos y de transportadores (CO ENZIMAS REDOX) que convierten la energía del flujo de e- ( ∆ Eo) en energía química ( ∆ Go): ATP. �Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una f uente de electrones. Su degradación producirá NADH

OxidoOxido--reduccireduccióón bioln biolóógicagica

A A+ + e-

reducido oxidado

∆ Go

NADNAD++ NADHNADH

FADFAD FADHFADH22

∆ Eo

∆ Go

ATP

CO2

H2O

Reacciones de oxidaciReacciones de oxidacióón reduccin reduccióónn

A + B+ A+ + Boxidado reducidoreducido oxidado

A: pierde e-, se oxida

B: gana e-, se reduce

Reductor

Oxidante

A (red) A (ox) + e-

B (ox) + e- B (red)

Cu2+ + e- Cu+

Fe2+ Fe3+ + e-

Fe2+ (donador) / Fe3+ (aceptor) : par redox conjugado

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

NADH (donador) / NAD+ (aceptor) : par redox conjugado

Potencial de reducciPotencial de reduccióón: n: Eo

Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e -

H+ + e- ½ H2

� En condiciones estándar ( Eo ):

� En condiciones fisiológicas pH = 7 ( Eo´́́́ )

Eo = 0 V

25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M

Los e - fluyen desde las especies reductoras, con un E o´́́́ más electronegativo (- E º’)

a las especies oxidantes, con un E o´́́́ más electropositivo (+ E º’).

•Tendencia a adquirir e- > par estándar Eo´ + Mucha afinidad por e- ->OXIDANTE

•Tendencia a adquirir e- < par estándar Eo´ - Poca afinidad por e- ->REDUCTOR

Patrón o par estandar

Eo(H+/1/2H2) = 0,42 V

Potencial de reducciPotencial de reduccióón e n e ∆∆∆∆∆∆∆∆GG

E = Eo +RTnF

ln[aceptor electrones]

[donador de electrones]

n = nº de e- cedidos

F = cte de Faraday = 96,48 kJ/mol V

� El flujo de e - produce una energía libre ( ∆∆∆∆G ) capaz de realizar trabajo útil

� ∆∆∆∆Go ´́́́ es proporcional a ∆∆∆∆Eo´́́́

∆∆∆∆Eo´́́́ + ∆∆∆∆Go ´́́́ - Reacción espontánea

∆∆∆∆Go ´́́́ = - n F ∆ ∆ ∆ ∆Eo ´́́́ ∆∆∆∆G = - n F ∆ ∆ ∆ ∆E

Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+

Piruvato + 2H+ + 2e- Lactato

NADH - 2H+ - 2e- NAD+

Eo´ = -0,19 V

Eo´ = -0,32 V

∆∆∆∆Eo´́́́ = Eo

´́́́(aceptor e-) – Eo

´́́́(donador e-)

∆∆∆∆Go ´́́́ = - n F ∆ ∆ ∆ ∆Eo ´́́́

n = nº de e- cedidos = 2, F = 96,48 kJ/mol V

∆Eo´ = -0,19 – (-0,32) = 0,13 V

∆∆∆∆Go ´́́́ = -2 (96,5 kJ/mol V) (0,13 V) = -25,09 kJ/molLa reacción es espontánea en condiciones estándar: [ ]= 1M, 25ºC y pH 7

� Semirreacciones:

Piruvato acepta e- del NADH

Los potenciales de reducción estándar de los compue stos permitencalcular la ∆∆∆∆Gº de la reacción redox

Potencial de reducciPotencial de reduccióón e n e ∆∆∆∆∆∆∆∆GG

∆∆∆∆Eo´́́́ = Eo

´́́́(oxidante) – Eo

´́́́(reductor)

RespiraciRespiracióón n mitocondrialmitocondrial

• La fosforilación oxidativa consiste en la fosforilación del ADP hasta ATP por la ATP-sintasa, activada por los H+.• constituye la fuente más importante de ATP en los organismos aerobios

� Durante la transferencia de e- desde el NADH, o el FADH2 , hasta el O2 se genera un bombeo de H+ hacia el espacio intermembranoso, originando una fuerza protomotriz (H+-motriz) que activa a la ATP-sintasa.

� TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL:Se da en la membrana interna mitocondrial a través de una serie de transportadores de e- (componentes de la cadena respiratoria) que llevan los e- desde las coenzimas reducidas (NADH, FADH2) hasta el O2.

• Las células aeróbicas consumen O2 y lo reducen a H2O con los e- procedentes de la oxidación de nutrientes (NADH, FADH2).

MitocondriaMitocondriaLa fosforilación oxidativa se produce en la membran a interna de la mitocondria

La mitocondria posee dos membranas muy estructuradas, que rodean a la matriz.

Matriz� Interior mitocondrial donde tienen lugar el ciclo del ácido cítrico y la oxidación de los ácidos grasos, etc.

Membrana interna� Es impermeable a casi todos los iones, Se pliega en crestas� Contiene los componentes de la

cadena de transporte de e-� y la ATP sintasa

Membrana externa� Es bastante permeable a iones y

moléculas pequeñas

Crestas

Matriz

Membrana externa

Membrana interna

Espacio intermembrana

La oxidaciLa oxidacióón del NADH n del NADH se produce enla cadena respiratoria la cadena respiratoria mitocondrialmitocondrial

Formada porComplejos proteicos

� 1.- Transporte de electrones desde el NADH

� 2.- Transporte de electronesdesde el FADH2

• Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa

• Complejo IV: Citocromo c oxidasa

• Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa

• Complejo II: Succinato CoQreductasa

• Otros

Compuestos redox

Componentes de la cadena respiratoriaComponentes de la cadena respiratoria

� Quinonas: Transportadores en medio no acuoso (membr anas)

� Citocromos:

� Centros ferro-sulfurados

Proteínas con grupo prostético hemo

Proteínas con Fe asociado a átomos de S

Ubiquinona = Co Q = Q

� Coenzimas:

NAD+

NADP+

FMNFAD

Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas

UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético)

Transportadores de electrones

� algunos transportadores de e- están asociados a proteínas y forman lo que llamamos Complejos: I, II, III y IV

Coenzimas transportadoras de eCoenzimas transportadoras de e-- ::DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDADINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA

NAD+

(oxidado)

NADH(reducido)

Adenina

o

NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+

AH2 + NAD+ A + NADH + H+

� Coenzima de oxidorreductasas odeshidrogenasas

� Responsable entrada e- por el complejo I

NADH (coenzima soluble)

MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA yMONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA yDINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINADINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA

FMN y FAD (coenzimas NO solubles,ligadas a proteínas)

FMN

FAD

FADH.

(FMNH.)

(semiquinona)

FADH2 (FMNH2)(totalmente reducido)

Anillo de isoaloxazina

FAD + 2H+ + 2e- FADH2

FMN + 2H+ + 2e- FMNH2

� FMN presente en complejo I

� FADH2 entrada de e- por el complejo II

COENZIMA transportadora de eCOENZIMA transportadora de e -- ::

UbiquinonaUbiquinona, Coenzima Q, , Coenzima Q, CoQCoQ

� Lípido isoprenoide

� Difunde libremente por la membrana

� No está ligado a ninguna proteína

� Puede transferir 1 e- o 2 e-

Método: Extraible con isooctano

Ubiquinoa (Q)Totalmente oxidada

Radical SemiquinonaParcialmente oxidadoQHo

UbiquinolTotalmente reducidoQH2

Unidades de ISOPRENO

� Proteínas con un grupo hemo

� Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe (2+, 3+)

� Clasificación según su espectro de absorción: a, b, c

� Citocromos a y b están en LOS complejos III y IV� Citocromo c es una proteína soluble, se asocia con la membrana interna

ProteProte íínas con transportadores de enas con transportadores de e -- ::CitocromosCitocromos (HEMO)(HEMO)

ProteProteíínas con centros nas con centros ferroferro--sulfuradossulfurados

� Proteínas con Fe en forma NO HEMO sino asociado a átomos de S

� Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe

Fe-S 2Fe-2S 4Fe–4S

TRANSPORTE enTRANSPORTE enComplejo I:Complejo I:NADH NADH CoQCoQ reductasareductasa

Transfiere 2 e-desde el NADH hasta la CO Q,

pasando por FMN y por grupos ferosulfurados(Fe-S)

•• succinatosuccinato CoQCoQ reductasareductasa• Glicerol-3-P desHasa• Acil-CoA desHasa

Transfieren 2 e- desde diversos sustratos (succinato, glicerol-3-P, Acil-CoA) que son oxidados por estas enzimas, y los e- van

a través de FAD ypor grupos ferrosulfurados

hasta la CoQ

TRANSPORTE enTRANSPORTE enComplejo II:Complejo II:

TRANSPORTE en TRANSPORTE en Complejo III:Complejo III:CoQCoQ citcit c c reductasareductasa

Transfiere 2 e-desde la CO Q hasta el cit c,

pasando por los cit b y c1 y por grupos ferosulfurados

Los e- se transfieren aquíde 1 en 1

TRANSPORTE en TRANSPORTE en Complejo IV:Complejo IV:CitCit c c oxidasaoxidasa

Transfiere e- desde el citocromo c (4

viajes) hasta el O2,

pasando por dos grupos de Cu y por los citocromos a y a3.

Secuencia del transporte de eSecuencia del transporte de e-- en la cadena respiratoriaen la cadena respiratoria

NADH →→→→ FMNQ →→→→ cito b →→→→ cito c 1 →→→→ cito c →→→→ cito a →→→→ cito a 3 →→→→ O2

FADH2

Complejo I

Complejo III

Complejo IV

FADH2

[ H+]

[ H+]

[ H+]

+0.82•½ O2 / H2O

+0.55•Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red)

+0.25•Citocromo C (ox) / Citocromo C (red)

+0.04•Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red)

-0.166Oxalacetato / L - malato

-0.16Acetaldehido / Etanol

-0.30

–0.18

•Flavoproteina -FMN (ox) / Flavoproteina -FMNH2 (red)

Piruvato / Lactato

-0.32•NAD+ / NADH + H+

E0‘REACCIÓN

Potenciales de reducciPotenciales de reduccióón de los pares n de los pares redred--oxox transportadores de etransportadores de e-- en la en la cadena respiratoriacadena respiratoria

DeterminaciDeterminacióón de la secuencian de la secuencia con con Inhibidores del transporte electrInhibidores del transporte electróónico nico

NADH →→→→ FMNCoQ →→→→ cit b →→→→ cit c 1 →→→→ cit c →→→→ cit a →→→→ cit a 3 →→→→ O2

FADH2

Rotenonabarbitúricos

Azida

Amital

Glycolysis

Sugars

TCA Cycle

Electron

Transport

Oxidative

Phosphorylation

Inhibidores del Inhibidores del T.E.MT.E.M..

Impiden el paso de e- a través de los transportadores respiratorios, interrumpiendo en consecuencia la forforilación oxidativa.

Rotenonainsecticida

TeorTeoríía a quimiosmquimiosmóóticatica de de MitchelMitchel: : Los Complejo I, III, y IV generan un gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que a ctiva la ATP sintasa

Potencial químico ∆pH

(dentro alcalino)

Síntesis de ATP guiada por la

fuerza H+-motriz )

Potencial eléctrico ∆ψ

(dentro negativo)

Mitocondria

Espacio intermembrana

FumaratoSuccinato

La FUERZA PROTÓN-MOTRIZ, en el espacio intermembranoso, tiene dos componentes

El gradiente de carga ����potencial eléctrico = ∆Ψ

El gradiente de [ H+ ] ����potencial químico = 2,3 RT ∆pH / F

Balance energBalance energéético en la cadena respiratoriatico en la cadena respiratoria

A) 2NADH ���� 4e- ����O2 ���� H2O

20 H+ ���� 6 ATP

B) 2 FADH2 ���� 4 e- ����O2 ���� H2O

12 H+ ���� 4 ATP

Agentes Agentes desacoplantesdesacoplantesDISIPAN LA FUERZA PROTDISIPAN LA FUERZA PROTÓÓNN--MOTRIZMOTRIZ y y desacoplan la fosforilacidesacoplan la fosforilacióón oxidativa del n oxidativa del TEM, TEM, por tanto bajan el rendimiento de la por tanto bajan el rendimiento de la ssííntesis de ATPntesis de ATP

Los agentes desacoplantes son sustancias que introducen H+ hacia el interior mitocondrial.

El p-DNF entra en las células en estado molecular y en el interior se disocia.

En el espacio intermembranoso (pHinferior) se protona y entra a la mitocondria, en el interior hay un pHsuperior y se disocia.

UCP1 o termogenina (adiposo pardo)Obesidad y Proteínas desacoplantes(UCPs)

La gramicidina A es un ionóforo

p-DNFp-dinitrofeno l

ATP ATP sintasasintasa: la : la subunidadsubunidad FF00 la ancla a la la ancla a la

membrana y la Fmembrana y la F11 en la matriz en la matriz mitocondrialmitocondrial

F1= αααα3 3 3 3 ββββ3 3 3 3 γ δ εγ δ εγ δ εγ δ ε

F0= a b2 c12

El anillo c gira con el paso de H+El giro de “ γεγεγεγε” provoca cambios conformacionales en las subunidades αβαβαβαβ

Mecanismo de actuaciMecanismo de actuacióónnde la ATP de la ATP sintasasintasa

Las 3 unidades ββββ de la ATP sintasano son equivalentes, la rotación de “ γγγγ−−−−εεεε” las cambia la conformación.

Según va girando el complejo por el paso de H+ las unidades ββββ cambian de conformación:L: une ADP y PiT: sintetiza ATPO: libera ATP

L

T

O

L

T

OL

T

O

Transportadores de iones a travTransportadores de iones a travéés de la s de la membrana internamembrana interna

El ATP sintetizado en el interior mitocondrial debe de exportarse al citoplasma para cumplir allí con las necesidades propias

-Esto se hace con un sistema antiporte : 1 ATP sale y 1ADP entra a refosforilarse

- Hay otro sistema simporte que importa Pi y H+

Espacio intermembranoso

DENTRO de la Matriz

Traslocasa de nucleotidos de adenina(antiporte)

Traslocasade fosfato(simporte)

ATP sintasa