Tema 4. Catabolisme dels carbohidrats III. Transport d'electrons i fosforilació oxidativa (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2015
Páginas 5
Fecha de subida 03/02/2015
Descargas 13
Subido por

Vista previa del texto

Tema 4. Catabolisme dels carbohidrats III. Transport d’electrons i fosforilació oxidativa Fins ara s’ha estudiat com a partir d’un carbohidrat i aigua obtenim diòxid de carboni, protons i electrons.
El tema actual es centrarà en estudiar com a partir d’aquest electrons podem obtenir energia mitjançant la reacció següent.
El procés d’obtenció d’energia a partir d’electrons es dóna al mitocondri i és aplicable al metabolisme dels carbohidrats però també al metabolisme de lípids i proteïnes després del seu pas pel cicle de Krebs.
1. REACCIONS D’OXIDO-REDUCCIÓ L’oxidació és un procés electroquímic en què un ió o àtom perd un o diversos electrons mentre que la reducció és el procés invers en què es guanyen electrons. Les reaccions d’oxidoreducció, per tant, es basen en la transferència d’electrons entre dos elements. Un agent reductor subministra electrons essent ell oxidat, mentre que un agent reductor capta aquests electrons essent ell reduït. Les principals parelles de compostos que realitzen aquestes reaccions són el NAD+/NADH, FMN/FMNH2 i FADH/FADH2.
En funció de la seva tendència a captar o alliberar electrons podem classificar els compostos des de reductors forts (molta tendència a perdre electrons) a oxidants forts (molta tendència a captar-los).
L’increment d’energia lliure d’una reacció ve donat per la variació del potencial de reducció de la mateixa segons la relació següent: On n és el nombre d’electrons, F és la constant de Faraday (23,062 cal/volum·mol) i ΔEo és la diferència de potencial de reducció estàndard entre l’element donador i l’acceptor.
ΔG0 i la producció d’ATP en la cadena de transport d’electrònic La reacció de formació d’aigua a partir d’oxigen i hidrogen que es dóna en la cadena de transport electrònic és: ½ O2 + NADH + H+  H2O + NAD+ 1) ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O Eo’ = 0,82 volts 2) NAD+ + 2e-  NADH + H+ Eo’ = -0,32 volts ΔEo = 1,14 volts  ΔG0 = -52,6 kcal/mol S’alliberen 52,6 kcal per cada mol d’aigua format.
Aquest procés permet l’obtenció d’ATP a partir de compostos reduïts (NADH i FADH 2). La síntesi d’ATP requereix 7,3 kcal per mol i se’n sintetitzen 3 mols per mol de NADH i 2 per mol de FADH2.
ADP + Pi  ATP ΔG0 = 7,3 kcal/mol 1 NADH  3 ATP // 1 FADH2  2 ATP Així doncs, de les 52,6 calories per mol obtingudes en la cadena de transport electrònic, 21,9 (3x7,3) s’utilitzen per sintetitzar ATP i la resta s’alliberen en forma de calor.
21,9 síntesi ATP 52,6 kcal/mol transport electrònic 30,5 en forma de calor 2. LA CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC La cadena transportadora d’electrons està formada per un conjunt de proteïnes i compostos amb la capacitat de rebre i alliberar electrons. El potencial de reducció d’aquestes proteïnes va convertint-se de més negatiu a més positiu, de manera que a mida que els electrons es transfereixen d’una proteïna a la següent es va alliberant energia de manera gradual. Cada una de les reaccions que es produeixen en la cadena tenen una ΔG negativa, però aquesta no és tant gran com la que implicaria el transport directe del substrat a l’oxigen.
La cadena de transport electrònic es dóna a la membrana mitocondrial interna juntament amb el procés de fosforilació oxidativa. La membrana mitocondrial interna es caracteritza per ser impermeable i estar composada en un 70% per proteïnes transportadores.
A la matriu dels mitocondris trobem el complex de la piruvat deshidrogenasa, el cicle de Krebs i la glutamat deshidrogenasa entre d’altres, de manera que la majoria de reaccions que formen NADH es duen a terme en aquesta matriu. A la membrana externa, que és més permeable, es produeixen reaccions sobre àcids grassos com elongació, dessaturació i síntesi de fosfolípids.
Estructura de la cadena de transport electrònic La cadena de transport electrònic està formada pels 5 complexes que es mostren a la figura.
NADH alimenta el primer complex i FADH 2 alimenta el segon, explicant-se així perquè aquests compostos permeten l’obtenció d’un nombre diferent d’ATP.
Els complexos 1 i 2, també anomenats NADH deshidrogenasa i succinat deshidrogenasa, presenten com a coenzims NAD+, FAD+, FMN, àtoms de ferro, el coenzim Q i citocrom.
El citocrom té un grup hemo que conté un àtom de ferro capaç de captar i cedir un electró.
Diferents citocroms s’associen formant els complexos 3 i 4, on els electrons van passant d’un citocrom a un altre.
El flux d’electrons en la cadena de transport electrònic s’inicia per l’oxidació d’un substrat que passa un electró a una molècula de NAD+ que es redueix (NADH). Aquest cedeix els seus electrons a FMN que es redueix formant FMNH2 i aquest es torna a oxidar traspassant els seus electrons al coenzim Q. Simultàniament el complex 2 catalitza l’oxidació del succinat, formant fumarat, i es redueix FAD obtenint FADH2. Igual que succeïa amb FMNH2, FADH2 s’oxida i transfereix els seus electrons al coenzim Q, obtenint-se CoQH2.
El coenzim reduït CoQH2 es la via d’entrada d’electrons al tercer complex, on el citocrom b transfereix els electrons al ferro. El pas del complex 3 al 4 es dóna a través del citocrom c i finalment el citocrom A fixa els electrons a l’oxigen.
Amb aquest procés s’aconsegueix passar d’uns elements amb un potencial d’oxidació-reducció molt negatiu a uns elements amb un potencial positiu i cada cop que es passa pels complexos 1, 3 o 4 s’obté una molècula d’ATP.
Inhibició de la cadena de transport electrònic La inhibició de la cadena de transport electrònic fa que la cèl·lula sigui inviable, doncs no es pot obtenir ATP i es bloqueja el cicle de Krebs. El cianur és un exemple de tòxic que afecta aquesta cadena. Per contrarestar els seus efectes es poden subministrar nitrits i tiosulfats que permeten que el cianur sigui captat per l’hemoglobina i es formi tiocianat. El principal problema és que l’hemoglobina no podrà captar oxigen.
Transport de protons Els complexos I, III i IV de la cadena transportadora d’electrons tenen també un porus que permet bombejar protons de la matriu mitocondrial a l’espai intermembrana. Es tracta d’un transport en contra de gradient, per tant serà necessari aportar una certa quantitat d’energia, concretament 5,1 kcal per mol de H+.
Aquest transport de protons provoca un augment de la seva concentració a l’espai intermembrana produint una disminució del pH i formant un gradient elèctric que dificultarà cada vegada més el transport.
L’ATP sintasa mitocondrial, formada per diferents subunitats, permet retornar aquests protons a la matriu mitocondrial i obté 5,1 kcal per mol de H + en el procés que s’utilitzaran per sintetitzar ATP. El fragment transmembrana del complex s’anomena F 0 i permet la transferència de protons. Consta també d’una tija i una part anomenada F1 que fixa ADP i Pi per formar ATP.
El bloqueig de l’ATP sintasa mitocondrial impedeix la síntesi d’ATP i provoca l’acumulació de protons a l’espai intermembrana. El gradient elèctric s’anirà fent cada vegada més gran de manera que arribarà un moment en què deixarà de poder actuar la cadena de transport electrònic. Per evitar arribar a aquest punt els protons s’introdueixen a la matriu mitjançant un altre complex que no permet la síntesi d’ATP sinó que l’energia s’allibera en forma de calor.
Un exemple d’inhibidor d’aquest enzim és l’oligomicina. Per altra banda el dinitrofenol (salicilat) actua com a proteïna desacobladora captant protons i creuant la membrana mitocondrial interna. Desfà així el gradient elèctric i provoca l’alliberació dels 5,1 kcal/mol que s’haurien d’utilitzar per sintetitzar ATP en forma d’energia.
PREGUNTA En la creació d’una nova empresa biotecnològica, podríem desenvolupar un producte basat en: a) L’oligomicina. El fet de bloquejar la síntesi d’ATP aprimaria a la gent b) El dinitrofenol podria curar l’obesitat ja que desacobla la cadena de transport i evita la fosforilació oxidativa c) Regular proteïnes desacobladores podria servir per controlar l’obesitat Bloquejar la síntesi d’ATP amb oligomicina no seria un bon producte, ja que deixar sense ATP al pacient implicaria la seva mort. Per altra banda, tot i que la idea del dinitrofenol no seria dolenta, una dosis massa elevada augmentaria massa la temperatura de l’individu. Per això la resposta correcta és la última: interessaria poder regular les proteïnes desacobladores.
Aquestes proteïnes desacobladores existeixen al nostre organisme i les trobem al teixit adipós marró, especialment important en nadons.
Les següents gràfiques són el resultat obtingut en un estudi de la proteïna UCP3, molt abundant en algunes cèl·lules del cervell i molt lligada amb l’increment de la temperatura causat per drogues com l’èxtasi, que desacoblen la cadena de transport electrònic i la fosforilació oxidativa. La primera gràfica mostra la variació de la temperatura amb el subministrament de diferents quantitats de drogues en rates no mutades (blau fosc) i rates mutades (blau clar) a les que s’ha eliminat el gen que codifica per UPC3. La gràfica de la dreta representa la seva viabilitat (vermell = no mutades, verd = mutades).
S’observa que els ratolins mutants tenen una menor variació de temperatura i una supervivència del 100%, mentre que els no mutants augmenten la seva temperatura i disminueix la seva viabilitat.
...