TEMA 6. Transport electrònic i fosforilació oxidativa (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura Biosenyalització i Metabolisme
Año del apunte 2014
Páginas 23
Fecha de subida 24/12/2014
Descargas 70
Subido por

Descripción

Apuntes realizados con las anotaciones del docente, el material visto en classe y complementado con bibliografía.

Vista previa del texto

BIOSENYALITZACIÓ I METABOLISME Tania Mesa González 2º CURS BIOLOGIA UAB TEMA 6: TRANSPORT ELECTRÒNIC I FOSFORIL·LACIÓ OXIDATIVA.
CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC I FOSFORILACIÓ OXIDATIVA En la degradació de glucosa, hi ha un cert rendiment d’ATP, però del que hi ha més, són elements reduïts que s’han de reoxidar (un exemple són els coenzims). Això es dona a la cadena respiratòria.
L’energia lliure que s’allibera de l’oxidació de la glucosa fins a CO2 es reté en forma de NADH FADH2.
 A la cadena de transport electrònic, els electrons es transfereixen des de NADH i FADH2 a l’oxigen, formant-se aigua.
 L’energia de transferència electrònica es conserva com a gradient de protons i voltatge a través de la membrana interna mitocondrial.
 El moviment de protons a favor del gradient electroquímic permet la síntesi d’ATP.
COMPARTIMENTACIÓ METABÒLICA / FUNCIONAL EN EL MITOCONDRI.
La permeabilitat selectiva de la membrana interna mitocondrial permet separar les vies del citosol de les de la matriu, ja que necessita transportadors per a permetre el flux dels metabòlits d’un medi a un altre.
Les crestes mitocondrials augmenten la superfície de la membrana interna mitocondrial, que on es troben els elements de la cadena respiratòria. En aquestes mateixes membrana es també hi ha ATP sintasa.
Dintre del mitocondri també té enzims, com és el cas de la β-oxidació d’aminoàcids i d’àcids grassos, per tant també tindrà poder reductor d’altres processos oxidatius.
 En el interior també hi ha ribosomes, DNA, i proteïnes específiques del mitocondri, es a dir que són traduïdes en el mateix mitcondri.
 També actuen altres enzims i metabòlits intermediaris de diferents vies i força ions presents en ells.
TRANSPORTADORS ELECTRÒNICS DE LA CADENA RESPIRATÒRIA  En NADH i el FADH2 ho son, però també hi ha més.
 La ubiquinona o coenzim Q  té una cua hidrofòbica per la porció quinona, que pot actuar captant un protó i un electró (per etapa), convertir-se en semiquinona i posteriorment en ubiquinol.
- És la llarga cua isoprenoide liposoluble, la que permet que es difongui per la membrana lliurement.
- El ubiquinol actua amb el transport de 2 e- i 2 H per la membrana. Pot captar un H d’un donador i un e- d’un altre donador.
 Els altres components són els citrocroms  són proteïnes amb grups prostètics hemo.
- La diferencia entre els citrocroms es dona principalment pels grups hemo, i per tant segons els seu espectre d’absorció de la llum  A, B, C.
- Transfereixen els electrons d’un en un .
a) Citocrom A  l’hemo A, té una cua isoprenoide llarga unida a un dels anells penta-atòmics del citrocom A.
b) Citocrom C  l’hemo C, està unit a la proteïna del citocrom C, per enllaços tioéster amb dos residus de cytosines.
- Cada gruo hemo està format per 4 anells penta-atòmics nitrogenats, formant la porfirina. Els 4àtoms de N2 estan coordinats amb un ió Fe, que pot estar oxidat (Fe+3) o reduït (Fe+2).
 Depenent de l’estat del Fe, pot captar o cedir un electró.
 Proteïnes amb complexes ferro-sofre  Son transportadors amb ferro, però no es que no es troben dins del grup hemos: - Les cisteïnes formen enllaços de coordinació amb el ferro, mitjançant el S (propi o inorgànic).
- Poden tenir unions més simples o complexes, en funció dels ions Fe que presenten.
- El ferro es el que transportarà els electrons, d’un en un.
 Pot capta un electró i es reduir-se, per a després cedir-lo i oxidar-se.
 El potencial de reducció del F dependrà del tipus de centre i de l’associació amb la proteïna.
Agrupació [4Fe-4S] Agrupació [2Fe-2S] - Proteïnes amb complexes ferro-sofre de Rieske  Aquestes proteïnes, menys una, tenen dues cisteïnes enfrontades a dues histidines, que son els que interaccionen amb el Fe.
 Aquestes estructures reben el nom de N2, ja que està present el nitrogen de la histidina que s’allibera amb el ferro.
POTENCIALS DE REDUCCIÓ ESTÀNDARD DELS TRANSPORTADORS DE LA CADENA D’e La transferència sempre va des dels transportadors amb el potencial Standard de reducció més negatiu al més positiu.
 Si mirem les Abs. del NAD+ i NADH, a baixes longituds d’ona, són molt similars. En canvi, a altres longituds, el NADH (forma reduïda) dona un pic més alt que el del NAD+.
 Amb els citocroms passa el mateix (les formes reduïdes donen un màxim, mentre que la forma oxidada queda més cap avall)  es va veure que els citocroms tenien un ordre específic, de més reduïts als més oxidats.
ASPECTES ENERGÈTICS DE LA CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC: SEQÜÈNCIA DELS TRANSPORTADORS D’e- A LA CTE  Afegint per separat inhibidors de diferents passos del procés es pot determinar la seqüència sencera, al mesurar el grau d’oxidació de cada transportador per espectrofotometria.
 Els transportadors anteriors al bloqueig per l’inhibidor estaran més reduïts i els localitzats després estaran més oxidats.
COMPLEXES DE LA CTE:  Per a determinar els complexes, es van afegir detergents suaus (digitonina) a mitocondris intactes. Llavors només es degrada la membrana externa mitocondrial.
- Després els mitocondris van ser sotmesos a un xoc osmòtic i els diferents fragments van ser tractats amb diferents tècniques per a fraccionar les proteïnes.
 Es van trobar 4 complexes molt diferents entre ells.
Es va estudiar també que aquest complexes actuen en forma de complexes inserits a la membrana interna mitocondrial.
 Alguns d’aquest complexos aïllats no realitzen de igual manera la seva funció, com és el cas de l’ATPsintasa  aïllada fa el procés contrari i passa de ATP a ADP+Pi.
 Cadascuna de les fraccions estaven formades per diferents cadenes polipeptíques. De 4 a 43 subunitats polipeptídiques diferents.
-  També presentaven grups prostètics diferents.
El component que falta dintre del complex és el citocrom C  que és una proteïna petita, d’una sola cadena polipeptídica que no es troba formant complexos.
- Es troba enganxat a la membrana interna, però no inserit en ella i presenta mobilitat, per això no van aconseguir aïllar-lo amb el trencament de membrana.
ESQUEMA GENERAL DE LA CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC:  La donació d’electrons es dona des de dins de la matriu mitocondrial.
 Hi ha algunes de les etapes en que hi ha un bombeig de protons des de la matriu fins l’estai intramembrana.
- Zona P  Cara carregada positivament - Zona N  Cara carregada negativament COMPLEX I:  Té 42 cadenes polipeptídiques diferents  El NADH, que es troba a la matriu, és el que cedeix els dos electrons.
 - Els dona d’un en un.
- S’alliberen els protons al medi.
El FMN, que es troba unit covalentment al complex, capta els electrons del NADH+H.
 Els electrons dons del complex passen d’un en un per diferents centres d’unió Fe-S (Proteïna N2), per vies alternatives, fins arribar a la Ubiquinona.
- Quan els 2 electrons arriben a la ubiquinona, es produeix una transferència de 4H+, des de la matriu a l’espai intermembrana (no es coneix el mecanisme, però es creu que és com el cicle Q del complex III).
- El coenzim Q es redueix amb els dos electrons i capta dos protons  QH2.
 El QH2 no es part del complex, esta en la bicapa lipídica interaccionant amb el complex.
 Per tant el que pateix el canvi conformacional és la ubiquinona.
COMPLEX II (Succinat deshiodrogenasa)  És l'únic enzim del cicle de Krebs lligat a la membrana.
 El FAD accepta 2 electrons del succinat.
 Els electrons són transferits, un cada vegada, via centres F-S a la ubiquinona que es redueix a QH2.
 Tot i que conté hemo b aquest no participa en la via principal de transmissió d’electrons sinó que actua com a protector en front a la formació d’espècies reactives d’oxigen (ROS) per electrons que es desvien (o s’escapen) de la ruta principal.
 Hi ha 2 molècules de fosfatidiletanolamina unides tant fortament a la subunitat D que es veuen a l'estructura del cristall.
Ruta de electrons des del NADH, succinat, acil gras CoA i glicerol 3-fosfat a la ubiquinona  El complex II no participa en la ruta de transferència electrònica des del complex I al coenzim Q.
 El coenzim Q és un punt d’entrada a la CTE d’electrons procedents de diverses rutes, no sols des dels complexes I o II  Paper integrador.
- Un exemple són els electrons procedents de la β-oxidació dels àcids grassos  Normalment actuen els NADs, però en alguns casos ho poden fer els FADs.
 FAD  ETF (FAD)  Fe-s (FAD)  Q  Q + NADH + 5H+ (espai N) QH2+ NAD+4H+ (espai P).
COMPLEX III  Dímer constituït per 2 monòmers idèntics, cadascun amb 11 subunitats diferents.
 Utilitza 2 electrons de la QH2 per reduir 2 molècules de citocrom C.
-  bL: b562 Grups  bH: b566 hemo  Qp Llocs d’interacció (unió)  Qn a la ubiquinona Si Qp i Qn s’inhibeixen per fàrmacs, s’atura la fosforilació oxidativa.
El cicle Q:  Q té més afinitat per Qp, quan arriba a unir-se amb ell s0alliberen 2 protons a l’espai intermembranal.
 El citocrom C, capta un dels electrons , i després es desprèn del complex.
 L’altre electró continua en el complex i passa pels grups hemo bL i bH. Finalment torna a una Q oxidada, on es queda  Q-.
 Per cada 2 e- cedits fins al cyt C es transporten 4 H+ a través de la membrana. 2 dels 4 H+ venen del QH2.
 El cicle Q proposa un bon model que explica com 2 protons addicionals són captats de la matriu i transportats a l’espai intermembrana.
COMPLEX IV (citocrom oxidasa):  Acaba transferint els electrons a l’O2, per a formar H2O.
 La citocrom oxidasa dels mamífers és una proteïna de membrana amb 13 subunitats diferents.
Conté 2 grup hemo (Fe-S) i ions coure.
 CuA  centre amb 2 Cu (binuclear), units a Cys amb estructura semblant als centres 2Fe-2S.
 CuB  Cu present a subunitat I, que junt amb el Fe del hemo a3 forma un centre binuclear Fe- Cu en transferència e- a O2 unit a l’hemo a3.
 4 Cit C cedeixen 4 e-(un cada cit C). 4 e- redueixen una molècula d’oxigen a 2 molècules d’aigua. Per aquest procés s’utilitzen 4 H+ de la matriu.
 4 H+ addicionals passen de la matriu a l’espai intermembrana per un mecanisme desconegut.
Reacció globals:  4 citc(reduït) + 8 H++ O2 4 citc(oxidat) + 4H++ 2H2O BALANÇ DE LES REACCIONS DE LA CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC DERIVATS TÒXICS DE L’OXIGEN MOLECULAR  A vegades de la cadena de transport electrònics s’escapa algun electró, i es captat per un oxigen.
- O2 + e-  O2-  El intermediari que normalment allibera l’electró que capta l’O2 es la Q-, que actua com a tal en el complex I i III.
 Llavors es forma H2O2, que per acció de la Glutatió peroxidasa es convertirà en H2O.
Patologies que poden ocasionar danys per radicals lliures  Aterogènesi  Malalties hepàtiques provocades  Emfisema: bronquitis  per l’alcohol  Parkinson  Diabetis  Càncer  Síndrome de Down  Distròfia muscular de Duschene  Malalties cerebrovasculars ALTERACIONS MITOCONDRIALS I APOPTOSI  El mitocondris rep la senyal d’apoptosis i llavors la membrana externa es torna més permeable i permet la sortida del citocrom C, de l’espai intermembranal.
 El citocrom C activa l’enzim proteolític (caspasa 9), que s’encarrega de degradar les proteïnes durant l’apoptosis.
TRANSPORT ELECTRÓNIC I FOSFORILACIÓ OXIDATIVA:  L’energia de la transferència electrònica es conserva com a gradient de protons.
 La fosforilació oxidativa es troba acoblada a la cadena de transport electrònic.
Energia protó motora:  És la energia de transferència emmagatzemada , causada per la diferència de concentració de protons i la separació de càrregues. Té dos components: a) Energia química de potencial  degut a la concentració de les espècies (H+) entre les regions.
b) Energia elèctrica de potencial  es forma amb la separació de càrregues quan un protó creua la membrana sense una contracció.
SÍNTESI D’ATP: Model quimiosmòtic:  L’energia electroquímica inherent a la diferència de concentració de protons i a la separació de càrregues a traves de la membrana mitocondrial interna.
 És la força protó-motora que impulsa la síntesi d’ATP  A mesura que els protons passen per la membrana passivament i retornen a la matriu, per l’ATPsintasa.
ATP sintasa  complex V:  Està formada per dos complexes, estudiats, per separats, mitjançant un tractament amb ultrasons i l’agitació mecànica.
- F0  Per ell es forma un canal de protons, ja que es troba integrat a la membrana. Conté vesícules membranoses que poden transportar protons, però no poden sintetitzar ATP .
 Hi ha 1 sola unitat a  forma un dímer amb una unitat b.
 2 unitats b.
 10 unitats c  unides entre sí i a la unitat a.
- F1  Pot catalitzar la síntesi i degradació d’ATP, que s’allibera cap a la matriu.
  3 dímers α-β units a la unitat  cada dímer té un centre d’unió ATP/ADP.
Cada centre actiu pot tenir 3 conformacions diferents, que anirà rotant depenent de l moment i situació.
- O  sense res - L  amb ADP - T  amb ATP Catàlisi rotacional els tres llocs actius de F1 s’alternen la catàlisi de la síntesi d’ATP.
1. Unitat β-ADP  ADP+Pi 2. Unitat β-ATP  uneix i estabilitza ATP Equilibri ADP+P i ATP Canvis conformacionals 3. 3. Unitat β buida  afinitat baixa per ATP  l’allibera al medi.
 Els estudis es van realitzar amb una molècula marcada amb una sonda fluorescent.
 El que gira es la subunitat A, que mou a C, que acaba movent a tot F1.
 El pas limitant és l’alliberament del producte (ATP) de la superfície de F1.
 ATP s’uneix 107 cops mes fort que ADP  l’alliberament del producte requereix E de la translocació de H+ .
Complex ATP sintasa i transport de protons:  La subunitat a, té com un mig canal que connecta amb l’espai intermembrana.
- Per aquest canal passen els protons .
- El protó desplaça la Arg 210 a la subunitat C  la rotació de la ARg210 desplaça H+ del àcid aspàrtic (de la subunitat C).
- Aquest protó surt de la subunitat A, pel mig canal de la zona citosòlica.
- La subunitat C rota per tal de tornar la Arg210 al mig canal a la zona intermembranal, per a repetir el procés.
SISTEMES DE TRANSPORT MITOCONDRIAL:  Sistema nucleòtid d’adenina translocasa  està integrat a la membrana interna.
- Uneix ADP3- en l’espai intermembrana i el transporta a la matriu, intercanviant-lo amb ATP4-.
 Extreu 4 càrregues negatives i entre 3 càrregues positives  a favor de gradient electroquímic.
- La força protó-motriu impulsa l’intercanvi ATP-ADP.
- Sistema inhibit per l’atractilósid, que inhibeix el tranport d’ADP a l’interior i ATP a l’exterior.
 Sistema fosfato translocasa  promou el contratransport paral·lel de un H2PO4- i un H+ a l’interior de la matriu.
- Procés afavorit per el gradient de protons transmembranal.
- El procés necessita que un protó passi del Pside al Nside  consumeix energia de transferència electrònica.
Llançadora malat-aspartat  Transporta NADH citosòlic a la matriu mitocondrial.
 Fetge, ronyó i cor.
1. NADH de l’espai intermembrana redueix l’oxalacetat al malat.
2. El malat transpassa la membrana interna pel transportador malato-α-cetoglutarato.
3. A la matriu el malat redueix el NAD+ a NADH+H i forma oxalacetat.
4. L’oxalacetat es transamina a aspartat (per a poder sortir pel transportador glutamatoaspartato.
5. Al citosol es torna a regenerar l’oxalacetat.
Llançadora glicerol 3-fosfat  Sistema alternatiu per a transportar FADH2 des del citosol a la matriu.
 Múscul esquelètic i cervell.
1. En el citosol la dihidroxiacetona fosfat accepta 2 NADH+H i forma Glicerol 3 fosfat, mitjançant el glicerol 3-fosfat deshidrogenasa citosòlica.
2. El isoenzim glicerol 3-fosfat deshidrogenasa mitocondrial, ancorat a la cara externa de la membrana, transforma el Glicerol 3F a dihidroxicetona fosfat, transmetent 2 FADH2 a la ubiquinona.
 Sistema que no necessita transport de membrana.
INHIBIDORS DE LA FOSFORILACIÓ OXIDATIVA  Hi ha diferents compostos que actuen com a inhibidors de la fosforilació oxidativa, actuants sobre passos intermedis.
 A part d’aquest inhibidiors i han altres factors que actuen directament sobre l’ATP sintasa.
 Hi ha factors que desacoblen tots els processos.
- I. Transferència electrònica: a) Cianid Inhibeix el b) CO citocrom oxidasa.
c) Rotenone  inhibeix el pas de Fe-S a la Q - Inhibeixen l’ATP sintasa a) Oligomicina - Desacoblen els processos de la fosforilació amb l’electró de transferència: a) DNT  desacobla la síntesis d’ATP i el consum d’O2. La síntesis d’ATP para, però el consum d’O2 continua.
- Inhibició del procés d’ATP a ADP: a) Atractilosid  inhibeix el sistema nucleòtid d’adenina translocasa.
ACOBLAMENT DE LA FOSFORILACIÓ OXIDATIVA A LA CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC  És un dels processos de desacoplament  2,4 dinitrotrophenol (DNP).
 Si s’adiciona ADP + Pi i succinat, creix la síntesi d’ATP com es mostra a la taula, en canvi si afegim CN- la síntesi d’ATP queda anul·lada i alhora també ho fa el consum d’O2.
 Oligomicina  bloqueja la síntesi d’ATP  Si afegim DNP el consum d’oxigen continua, però la síntesi d’ATP continua parada.
 Veiem que l’ordre en que acoplem els compostos al procés, la síntesi d’ATP en funció del consum d’oxigen segueix un procés similar. excepte en el cas de l’adició de DNP.
REGULACIÓ DE LES VIES PRODUCTORES D’ATP  La velocitat de la fosforilació oxidativa depèn dels requeriments d’ATP.
 Si hi ha ADP, el consum d’oxigen augmenta. Si no hi ha ADP suficient per sintetitzar ATP, llavors es para o disminueix de forma considerada la fosforilació.
-  L’ADP incrementa la velocitat de la síntesi.
Per tant l’ATP es un modulador fisiológic.
 Les 4 rutes (glucólisis, C. de l’àcid cítric, l’oxidació del piruvat i la fosforilació oxidativa) acceleren la velocitat quan augmenta el consum d’ATP amb un increment de la formació de ADP, AMP i Pi.
METABOLISME OXIDATIU DE LA GLUCOSA: BALANÇ GLOBAL   ATP sintasa dona una volta: - 3 ATP - 10 protons han de passar.
Per dos electrons cedits per NADH = 10 protons dins de la matriu. Per tant per cada NADH = síntesi de 3ATP.
 Però experimentalment es va veure que es sintetitzaven aproximadament 2,5. Mai eren tres perquè per passar el grup fosfat calen tres protons.
 Si els electrons entre per altres complexos i els cedeixen directament, llavors es produeix només 1,5 ATP. Tenint en compte que els electrons arriben del FADH a Q directament.
 1 NADH  2.5 ATP  1 FADH  1.5 ATP  En cada etapa es genera energia, però no tota aquesta es queda a la cèl·lula.
 Per cada parell d’electrons AG = -220 Kj/mol-1 i el rendiment és d’un 34,66 %  76,25 Kj/mol  Si ve de la glucosa aconseguim igual un rendiment de 34,37 %  976 Kj/mol  També generen calor, que serveix per a escalfar i mantenir la temperatura de l’organisme.
DESACOBLAMENT DE LA CTE I LA FOSFORILACIÓOXIDATIVA: TERMOGENINA  La termogenina és una proteïna, de les proteïnes desacoblants  Acobla un canal de protrons que permet passar el protó per diferents proteïnes de la membrana mitocondrial generant així energia.
 Estan unides a la membrana mitocondrial y difonen aquesta energia en forma de calor.
 S’expressa en teixit adipós marró (cru), que es el que està determinat per al manteniment de la temperatura corporal.
 Aquest es un procés molt important en nadons i en animals que fan hibernació.
 Aquestes proteïnes acoblades també a les plantes.
...