Tema 13 (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 25
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 23
Subido por

Vista previa del texto

13. TRANSDUCCIONS D’ENERGIA: Fosforilacio oxidativa i fotosíntesi CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC MITOCONDRIAL I FOSFORILACIÓ OXIDATIVA L’energia lliure que s’allibera de l’oxidació de la glucosa fins a CO2 es reté en forma de NAD i FADH2.
Durant la cadena de transport electrònic, els electrons es transfereixen de NADH i FADH2 a l’oxigen formant-se aigua.
La fosforilació oxidativa té lloc als mitocondris.
Trobem els complexes que formen part de la cadena de transport electrònic, les ATPsintases, i altres transportadors d’electrons com el citocrom C.
TRANSPORTADORS ELECTRÒNICS El NAD i el FAD són transportadors d’electrons/protons hidrosolubles. Altres transportadors són la ubiquinona (coenzim Q). La ubiquinona és una molècula petita amb una llarga cua isoprenoide liposoluble. És un transportador mòbil (pot anar de complex en complex transportant electrons). És hidrofòbica i pot difondre lliurement per la bicapa lipídica. Accepta fins a 2 electrons en dues etapes. També transporta 2 protons.
Quan està completament reduïda l’anomenem ubiquinol (QH2), quan està semireduïda semiquinona (‘QH) i quan està completament oxidada ubiquinona (Coenzim Q).
Altres transportadors són els citocroms. Tenen un grup prostètic hemo amb un anell de protoporfirina que permet transportar l’electró. Els citocroms poden unir un sol electró cada un.
Un altre transportador són les proteïnes Fe-S. El sofre pot ser inorgànic o provinent de cisteïna. Cada àtom de ferro en aquestes proteïnes agafa un electró.
La cadena de transport d’electrons està formada per 4 complexes units a la membrana interna del mitocondri. A la matriu se li diu lloc N i a l’espai intermembranós se l’anomena P.
El complex I és NADH deshidrogenasa, és el més gran de tots format per 43 subunitats diferents.
Les fletxes blaves indiquen la direcció dels electrons (van en direcció longitudinal al llarg de la membrana) i les fletxes vermelles indiquen el moviment de translocació de protons, que són transportats de manera transversal a la membrana (des de l’espai de la matriu a l’espai intermembrana – d’aquí el nom de N i P, la matriu cada cop té menys càrrega Negativa i l’espai intermembrana té cada cop més càrrega Positiva).
El complex II és succinat deshidrogenasa (també és un enzim de Krebs), és més petit i consta de 4 subunitats.
El complex III s’anomena ubiquinona-citocrom C-oxidoreductasa i és una mica més gran que el II.
Finalment el complex IV és el citocrom-oxidasa que pot contenir coure.
COMPLEX I – NADH ubiquinona oxidoreductasa Els electrons van del NADH a l’ubiquinona però hi ha passos intermedis. El NAD reduït format en les reaccions catabòliques de la matriu mitocondrial traspassa els electrons a les flavoproteïnes i després passen a les proteïnes Fe-S per finalment anar a l’ubiquinona, la qual està completament oxidada.
L’energia que es desprèn del transport d’electrons permet la translocació de 4 protons a través de la membrana.
COMPLEX II – Succinat deshidrogenasa El complex II és un enzim que conté FAD com a grup prostètic i transfereix els electrons a proteïnes Fe-S per després passar-los a la ubiquinona també.
Aquesta llavors viatja fins al següent complex.
L’ubiquinona, però, també pot rebre electrons d’altres llocs com ara de la glicòlisi o de la βoxidació (fins a 4 orígens diferents).
COMPLEX III – Ubiquinona-Citocrom C-Oxidoreductasa Conté citocroms B i C i també proteïnes Fe-S. El citocrom C viatjarà a través de la part interna de la membrana fins al següent complex.
Fins ara els electrons es transportaven de 2 en 2.
Però aquí hi ha citocroms, els quals només transporten els electrons d’un en un. Aquí participa l’ubiquinona que ve del complex I o II a través de la bicapa lipídica. El que fa Q és passar 1 electró al citocrom B de manera que queda semireduïda. Llavors ve una segona Q que passarà un dels electrons a les proteïnes Fe-S i després al citocrom C que anirà fins un altre complex. Al final és com si una sola quinona reduïda hagués cedit els electrons.
07/05/14 EL BALANÇ GLOBAL DEL CICLE Q DE LA QUINONA ÉS: COMPLEX IV – Citocrom Oxidasa Té fins a 13 subunitats, d’on 3 són crítiques pel seu funcionament. Trobem un àtom de coure a la subunitat I i també en la subunitat II (transfereixen els electrons). En realitat són proteïnes ferro-coure (la subunitat I conté ferro i coure) capaces de transferir electrons un a un (els electrons aniran del ferro al coure). De la subunitat III se sap lo que ve a ser res.
L’oxigen entra a la subunitat II del complex IV. Per cada molècula d’oxigen participen 4 electrons (per reduir una molècula d’oxigen calen 4 electrons). Per cada 4 electrons hi ha 8 protons.
L’oxigen que entra a la cadena de transport electrònic pot generar radicals lliures que són neutralitzats pels sistema glutatió o per la superoxiddismutasa en combinació amb la catalasa. Poden causar patologies – aquests enzims són molt importants.
Les neurones són molt sensibles a aquests radicals lliures – Parkinson.
EL BALANÇ FINAL: MECANISME DE LA CITOCROM C OXIDASA La citocrom C oxidasa catalitza la reducció de l’oxigen molecular i síntesi d’aigua.
DERIVATS TÒXICS DE L’OXIGEN MOLECULAR EL BALANÇ FINAL DE LES REACCIONS DE LA CTE: En realitat, la tercera reacció en el complex IV s’hauria de dividir per 2. Si ho fem per un FADH2, com que el complex II no transporta electrons, es transporten només 6 electrons.
INHIBIDORS DE LA CTE ACOBLAMENT DEL CONSUM D’OXIGEN I SÍNTESI D’ATP Si quantifiquem el consum d’oxigen, podem saber la quantitat de NAD reduït o oxidat (mirant les absorbàncies).
Si no hi ha ADP + Pi, encara que hi hagi poder reductor (en forma de succinat per exemple) no veiem consum d’oxigen. Si mesurem quant ATP hi ha en el tub d’assaig, veiem que a mida que augmenta el consum d’oxigen augmenta la síntesi d’ATP.
Es coneixen substàncies que bloquegen la cadena de transport d’electrons com el CN-, el CO, el N3-, rotenona, amital, antimicina A.... Si afegim un d’aquests, s’atura el consum d’oxigen i la síntesi d’ATP.
Això ens indica un acoblament del consum d’oxigen a la síntesi d’ATP. L’energia de transferència electrònica es conserva com a gradient de protons. La fosforilació oxidativa es troba acoblada a la cadena de transport electrònic.
DESACOBLAMENT DE LA CTE I LA FOSFORILACIÓ OXIDATIVA Cal síntesi d’ATP perquè es consumeixi oxigen, excepte si hi ha un desacoblador (DNP).
Si afegim venturicidina o bé oligomicina que són dues drogues que inhibeixen l’ATP sintasa, no poden passar protons d’un costat a l’altre. En canvi quan afegim DNP (dinitrofenol, desacoblant de la cadena de transport electrònic – fa porus a través de la membrana mitocondrial interna) permet que continuï la cadena però no hi ha síntesi d’ATP perquè els protons tornen a favor de gradient i això permet que la cadena porti protons a la part P però aquests no tornen per l’ATP sintasa doncs està inhibida. En aquest cas la diferència de potencial deixa de ser gran i passen els protons.
Un altre desacoblant és la termogenina, que actua com a canal de protons. Permet que una part dels protons que estaven a la part intermembrana tornin sense passar per l’ATP sintasa i l’energia acumulada en aquesta diferència de potencial es dissipa en forma de calor en passar per la termogenina (el teixit adipós marró té com a funció mantenir la temperatura corporal).
La CTE genera un potencial de membrana – en el P side hi ha molta càrrega positiva i en el N side hi ha molta càrrega negativa. Però no només es genera una diferència de càrrega sinó també de concentració. El model quimiosmòtic descriu l’acoblament entre la cadena de transport electrònic i la fosforilació oxidativa/síntesi d’ATP. Per tant l’energia que permetrà la síntesi d’ATP prové de la diferència de pH (potencial químic/concentració) i de la diferència de càrrega (potencial elèctric).
El model quimiosmòtic ESTRUCTURA DE L’ATP SINTASA L’ATP sintasa està formada per diferents subunitats associades en dos dominis diferents, el F1 que està dins la matriu mitocondrial i el F0 que està situat a la membrana interna.
Com són aquests dos dominis? F1: complex perifèric de la membrana al costat de la matriu. Està format per diferents cadenes proteiques: 3 dominis globulars α i 3 dominis globulars β i un domini allargat ϒ. A cadascuna d’aquestes subunitats s’hi pot unir ADP i ATP. Cal poca energia per sintetitzar ADP i Pi; quan cal molta energia no és per sintetitzar ATP sinó per desenganxar-lo del domini F1.
Estudis unint una molècula d’actina marcada amb una sonda fluorescent demostren la catàlisi rotacional de l’ATP sintasa, el que permetrà la formació de l’ATP.
La conformació de les subunitats varia en funció de si tenen unit ADP, ATP o de si no tenen res unit. Per tant cada proteïna (hexàmer) tindrà 3 conformacions possibles.
Els girs de 120º de la subunitat gamma provoquen el canvi de conformació de αs i βs.
MODEL ATP SINTASA BALANÇ GLOBAL DEL METABOLISME OXIDATIU A partir d’una molècula de glucosa és: REGULACIÓ DE LES VIES PRODUCTORES D’ATP Com es regula la producció d’ATP? El que afavoreix l’activitat de l’ATP sintasa són les concentracions elevades d’ADP. Si ens fixem en el consum d’oxigen d’una cèl·lula (gràfic), en afegir ADP aquest consum augmenta fins que en deixa d’haver – s’estanca (acoblament síntesi ATP i consum d’oxigen).
VIA DEL METABOLISME OXIDATIU LA FOTOSÍNTESI 12/05/14 És el procés pel qual els organismes capten energia de la llum i la converteixen en energia química per sintetitzar compostos orgànics.
CO2 +H2O  O2 + (CH2O)n L’aigua és el donador de protons i electrons. A diferència del NADH, l’aigua és un mal donador d’electrons i cal més energia (la de la llum del Sol).
Té dues fases: la lumínica (genera energia en forma d’ATP i poder reductor en forma de NADPH); i la fase fosca (assimila el carboni). La primera és estrictament dependent de la llum.
La fotosíntesi es fa en els cloroplastes. La fase lumínica es fa en les membranes tilacoïdals i la fase fosca en l’estroma del cloroplasta. Els cloroplastes tenen DNA, i es creu que provenen d’antics procariotes.
PIGMENTS FOTOSINTÈTICS Per fer servir l’energia lluminosa necessitem poder-la captar i això es fa mitjançant els pigments fotosintètics. Les radiacions que rep la planta corresponen a radiacions de la franja de la llum visible. Com menor sigui la longitud d’ona més energia obtindrem.
Hi ha diferents pigments que absorbeixen diferents longituds d’ona específicament. Les clorofil·les tenen una estructura similar a l’anell tetrapirròlic al mig del qual es troba un àtom de Mg. Els altres pigments se’ls anomena pigments accessoris. El color del pigment correspon a la longitud d’ona que no absorbeix.
La màxima activitat fotosintètica coincideix amb la de màxima absorció de clorofil·les.
Aquests pigments s’organitzen en fotosistemes, de manera que obtenim una estructura semblant a: EXCITONS I TRANSFERÈNCIA D’ELECTRONS Aquests pigments en els fotosistemes estan al voltant d’un centre de reacció fotoquímica on hi ha les clorofil·les. Al voltant hi ha les molècules antena (clorofil·les i altre pigments) que capten els fotons, i els electrons van passant per les molècules antena i acaben al centre de reacció fotoquímica. Quan hi arriba s’excita un electró del centre de reacció fotoquímica (adquireix una energia superior) ja que hi ha acceptors i donadors d’electrons.
Quan l’electró està excitat, pot ser captat per l’acceptor d’electrons; llavors es crea una diferència de càrrega i hi haurà un donador que li donarà un al centre de reacció fotoquímica perquè torni a quedar tot igual.
Aquesta transferència d’energia s’anomena transferència d’energia per ressonància.
Els centres de reacció fotosintètics van començar a ser estudiats en bacteris.
Per exemple, en els bacteris porpres, trobem un pigment que cedeix electrons a la feofitina i llavors passen al citocrom BC1, el qual permet el pas de protons a través de la membrana del tilacoide impermeable. Aquests protons serviran per sintetitzar ATP.
Els electrons tornen al centre de reacció a través d’un citocrom C2.
Hi ha un altre model en els bacteris verds del sofre en el qual el mecanisme és el mateix però, enlloc de feofitina, trobem que una part dels electrons poden anar a través de la ferrodoxina cap a la ferrodoxina NADreductasa, i reduint el NAD oxidat obtenen NADH. Com es recuperen llavors els electrons al p840? Els electrons que van cap a l’obtenció de NAD reduït es recuperen per oxidació del sulfur: SH2  S  SO42-.
FASE LLUMINOSA Les plantes vasculars/superiors tenen un fotosistema doble i que s’assembla molt a la combinació d’aquests dos fotosistemes (bacteris porpres i bacteris verds del sofre).
En plantes, tenim el fotosistema II (s’oxida l’aigua i s’inicia el transport electrònic) en el qual el seu pigment passa els electrons cap a la feofitina, altres proteïnes transportadores, i després a citocrom BC (passa protons). Després passa a plastocianina cap al fotosistema I (transport electrònic i recuperació del FS2 amb reducció del NADP+) que tornarà a excitar-se per la llum i a través d’una sèrie de proteïnes anirà a la ferrodoxina i finalment a la ferrodoxina NAD reductasa per obtenir NADPH.
En plantes els electrons es recuperen per la fotòlisi de l’aigua.
Tant en el P680 com en el P700 cal energia per excitar els electrons.
Organització dels FS Complex partidor de l’aigua Complex citocrom b6f BALANÇ DE LA FASE LLUMINOSA Per cada electró que s’excita calen 2 fotons.
FOTOFOSFORILACIÓ Tots aquests protons són bombejats des de l’estroma a l’espai intermembrana (lumen). El gradient de protons a banda i banda de la membrana tilacoïdal induït per la llum (aproximadament 3,5 unitats de pH) és la força protó-motriu que utilitzarà l’ATP sintasa per formar ATP (ho diferenciem de la fosforilació oxidativa anomenant-ho fotofosforilació).
Moviment de protons i orientació de l’ATP sintasa: Al mitocondri els protons anaven de la matriu mitocondrial cap a l’espai intermembrana i després retornaven a la matriu mitjançant l’ATP sintasa que feia servir aquest pas de protons contra gradient per la síntesi d’ATP. Als cloroplasts els protons són bombejats al lumen del tilacoide i després retornen a l’estroma per mitjà d’una altra ATPasa. Els transportadors d’electrons en bacteris funcionen igual que en un mitocondri.
FASE FOSCA – Assimilació de CO2 en biomassa de les plantes S’assimila el C atmosfèric per sintetitzar matèria orgànica. Un cop s’ha assimilat el CO2 es generen trioses fosfat. A partir d’elles es generaran les hexoses fosfat i a partir d’elles el midó, cel·lulosa, sacarosa (transport), pentoses fosfat... a partir de les pentoses fosfat es generaran lípids, DNA, RNA...
CICLE DE CALVIN 14/05/14 Els enzims es troben a l’estroma del cloroplast i també en els amiloplasts (emmagatzemen midó a partir dels carbohidrats assimilats).
El cicle de Calvin té 3 fases principals: 1. FIXACIÓ DEL CO2 – L’estadi de fixació està catalitzat per la Rubisco. És l’enzim principal que regula la via. Té estructura globular formada per 8 subunitats grans que contenen el centre actiu i que són codificades pel genoma del cloroplast. Rubisco conté 8 cadenes més petites, codificades pel genoma nuclear de la cèl·lula. Perquè sigui funcional cal que s’uneixin aquestes 16 cadenes.
L’activitat de la Rubisco és molt lenta – té una activitat en que assimila 3 molècules de CO2 per segon; per això cal que n’hi hagi molt (el 50% del pes sec d’un cloroplast és exclusivament Rubisco). Trobem una lisina enmig del centre actiu de la subunitat gran que junt amb el Mg ajuden al correcte posicionament de la RuDP.
2. FASE DE REDUCCIÓ – El CO2 s’incorpora com a carboni carboxílic del fosfoglicerat. La catàlisi del fosfoglicerat es dóna en dues reaccions. Primer es passa de 3-fosfoglicerat a 1,3-bifosfoglicerat (3-fosfoglicerat quinasa) i de 1,3bifosfoglicerat a gliceraldehid-3-P (gliceraldehid-3-fosfatdeshidrogenasa). Són reaccions inverses a la glicòlisi.
Després es passa a dihidroxiacetona fosfat, que pot sortir del cloroplast per anar a glicòlisi per exemple, o fins i tot quedar-se per emmagatzemar midó.
És a dir, que la producció extra de gliceraldheid-3-P pot transformar-se en sucrosa, emmagatzemar-se en forma de midó o ser degradat a la glucòlisi.
Per això trobem la fructosa-6-P en la fase fosca de la fotosíntesi, en qualsevol via que segueixi la dihidroxiacetona fosfat.
De 3 fosfoglicerat, que es redueix gràcies a ATP i NADPH a gliceraldehid-3P, n’obtenim 6 per cada 3 CO2 que entren.
3. REGENERACIÓ DE L’ACCEPTOR (RIBULOSA-DIFOSFAT) – es regenera la RuDP a partir de la fructosa-6-P. Partim de 3 molècules de RuDP on cadascuna assimila un CO2 (3 molècules de 6 C). Com que es trenquen en molècules de 3C, tenim 6 molècules de 3C. D’aquestes, una sola va a la formació de matèria orgànica, les altres 5 regeneren les 3 RuDP inicials.
Hi ha una interconversió de trioses fosfat en pentoses fosfat.
Actuen els mateixos enzims que en la via de les pentoses fosfat: transaldolasa i transcetolasa. Fan servir tiamina pirofosfat i magnesi com a cofactor.
L’enzim que controla aquesta etapa de la via és la fructosa-1,6Bifosfatasa que desfosforilarà la fructosa-1,6-P a fructosa-6-P.
BALANÇ DEL CICLE DE CALVIN Per cada 3 cicles se sintetitza una triosa.
Per sintetitzar una hexosa necessitem 2 trioses i per tant 6 cicles.
BALANÇ GLOBAL FASE LLUMINOSA I FASE FOSCA 48 fotons de llum per cada hexosa.
REGULACIÓ DE LA FOTOSÍNTESI Quan hi ha llum, hi ha transferència d’electrons i pas de protons a través de la membrana. Si es dóna la fase lluminosa, el pH de l’estroma augmenta. Quan augmenta el pH, augmenta també el Mg de l’estroma – la Rubisco i les transaldolases i transcetolases necessiten magnesi.
La fructosa-1,6-bifosfatasa augmenta la seva activitat a major pH i major concentració de Mg. Per això a través del pH i la [Mg] es regula l’activitat dels enzims.
Quan incideix la llum, pot reduir-se la ferrodoxina que reduirà la tioredoxina, que a la vegada reduirà els centres actius dels enzims implicats en fotosíntesi (quan els seus centres actius estan reduïts són actius i quan no són inactius).
...