bq respiracion mitocondrial (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 9
Fecha de subida 06/11/2014
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1 Tema XIII: transducciones de energía, fosforilación oxidativa y fotosíntesis.
Lavoassier a principios del siglo XX muestra que los seres vivos producen CO2 y consumen O2. De hecho las oxidaciones biológicas transfieren electrones y son todas catalizadas por encimas intracelulares que permiten generar poder reductor para generar energía en forma de ATP. Los electrones que se obtienen en la reacciones oxidativas no pasan directamente al oxigeno sino que se recogen por transportadores de electrones, que se irán a la cadena de transporte de electrones. Esto tiene lugar en la mitocondria. Este paso de poder reductor a través de la cadena es lo que se conoce como respiración aeróbica o celular.
La energía libre que se libera de la oxidación de la glucosa hasta CO2 se mantiene en forma de NADH y FADH. Durante la cadena de transporte electrónico se transfieren los electrones de NADH y FADH al O2 formándose H2O. La energía de la transferencia electrónica es conservar como gradiente de H+ y de voltaje a través de la membrana interna mitocondrial. El movimiento de protones a favor de gradiente electroquímico permite la síntesis de ATP.
Tiene lugar en la mitocondria, de hecho son las “centrales energéticas” de las células. Su membrana es totalmente impermeable a protones e iones, es importante a la hora de mantener el gradiente para luego poder obtener ATP. En la membrana interna encontramos unas enzimas. En la matriz tiene lugar la mayoría de reacciones catabólicas excepto la glucolisis que se hace en el citosol. El poder reductor que se obtiene en estas vías catabólicas ya se encuentra en la matriz por eso será fácil transportarlo a la membrana interna de la mitocondria.
Transportadores de electrones Tanto el NAD como el FAD son transportadores de protones hidrosolubles, se pueden encontrar en una solución acuosa. Son el nexo entre reacciones oxidativas y la cadena de transporte de electrones. Hay otros transportadores, uno es la ubiquinona (también llamada quinona de manera general). Es una molécula pequeña con una cola isoprenoide larga que es hidrofóbica, por eso a diferencia de los otros (NAD y FAD) que son solubles, esta se encuentra dentro de la membrana lipídica y puede difundir libremente por ella. Es un transportador móvil porque puede ir de un complejo a otro transportando los electrones. Cuando capta un electrón y un protón tiene la forma de semiquinona, mientras que cuando está completamente reducida se llamara ubiquinona. Acepta los electrones los protones en dos etapas.
2 Los citocromos son otros transportadores. El grupo hemo tiene un anillo de protoporfirina y numerosos residuos unidos son lo que los definen como citocromos, que pueden ser a, b o c. El citocromo c es móvil pero no dentro de la bicapa lipídica sino en la parte interna de la membrana mitocondrial, es decir, que están incrustados en solo la mitad de la bicapa lipídica. Tienen muchos dobles enlaces por lo que son capaces de captar rayos UV y hacer estudios para saber si están oxidados o reducidos. Solo pueden captar un electrón. Solo pueden unir un electrón.
Las proteínas hierro-azufre tienen átomos de hierro asociados a azufre, que pueden estar unidos a aminoácidos como la cisteína o de manera inorgánica. Cada átomo de hierro puede unir un electrón, por lo que cuantos más haya más electrones podrán unir. Los citocromos solo podían unir un citocromo en el hierro.
Esquema general de la cadena de electrones La cadena de transportes está situada en la membrana interna de la mitocondria. El Succinato solo está en la parte interna (solo media capa). Veremos que en la parte de la matriz se llama lugar N y a la parte intermembrana P. En la tabla se pueden ver las características principales de los complejos de la cadena. El primero es el más grande de todos, contiene proteínas Hierro-azufre y proteínas derivadas de flavoproteínas que son las que transportan los electrones. Los electrones serán siempre transportados en dirección de las flechas azules. La energía que se libera permite translocar protones de manera transversal, van desde la matriz al espacio intermembrana, a medida que pasan la matriz tendrá cada vez más carga negativa (por eso se llama N) y el espacio intermembrana positivo (P).
3 Complejo I: ubiquinona oxidoreductasa Los electrones van desde el NAD hasta la ubiquinona pero en el medio pasan por diferentes partes de la proteína. El NAD reducido aporta los electrones a este complejo I en forma de L. Primero pasan a las flavoproteínas, después a proteínas Hierro-azufre y finalmente a la ubiquinona. La ubquinona que estaba oxidada pasa a estar reducida completamente, porque NAD transporta los electrones de dos en dos y son captados por la ubiquinona (que ahora será ubiquinol porque está totalmente reducida). La energía que se desprende permite la translocación de 4 protones a través de la membrana. Se necesita energía porque estamos pasando iones en contra de gradiente, ya que el espacio intermembrana es positivo.
4 Complejo II: Succionato deshidrogenasa Es la enzima que participa en el ciclo de Krebs. Tiene FAD como grupo prostético (de origen no proteico), porque es el que capta los electrones, lo pasa a las proteínas de hierro azufre y después a otra ubiquinona. La ubiquinona también recibe electrones de otras reacciones, como de la glicolisis a través del FAD o de la beta oxidación. La ubiquinona puede recibir electrones de cuatro orígenes diferentes. Es la única que no transporta ningún proton porque no atraviesa la membrana al completo, solo parte de ella (esta solo en una de las capas).
Complejo III: ubiquinona citocromo c oxidoreductasa Hay un paso de electrones desde la ubiquinona hasta el citocromo c. Ambos, el citocromo c y la ubiquinona son móviles. Es un dímero formado por diferentes subunidades. Cada dímero contiene una proteína hierro-azufre, un citocromo c1, otros grupos hemo, un citocromo b y un lugar de unión al citocromo c. Todo unido en este complejo permite transferir los electrones desde la quinona reducida hasta el citocromo c, otro transportador de electrones móvil que transferirá los electrones al complejo IV.
Pero el citocromo c solo puede aceptar un electron, por lo tanto los electrones de la quinona tendrán que pasar de uno en uno. La quinona reducida que contiene dos electrones cede un electrón a la proteína hierro-azufre, esta al citocromo c1 y posteriormente al citocromo c. El otro electrón lo cede a través del citocromo b a una quinona oxidada, de manera que se reduce parcialmente. Después otra quinona reducida hará lo mismo que la primera, cediendo su segundo electrón a la quinona que teníamos semireducida para que se reduzca completamente. Así, en este proceso participan tres quinonas. Los dos protones de la quinona reducida que se oxida pasan al espacio intermembrana, por lo que al haber dos quinonas reducidas pasarán cuatro protones. Pero la quinona oxidada necesita otros dos protones para oxidarse, por lo que el balance global será el paso de dos protones.
5 El balance global de la reacción es el paso de una quinona reducida a una oxidada, el paso de dos citocromos oxidados a dos citocromos reducidos y el paso de dos protones al espacio intermembrana. A partir de una quinona reducida y dos citocromos c se obtiene una quinona completamente oxidada y dos citocromo c completamente reducidos. Como hemos usado dos quinonas reducidas, en el balance neto global en realidad parece que solo hemos usado una porque como hemos generado otra (2 quinonas reducidas usadas - 1 quinona reducida generada =1 quinona consumida).
Complejo IV: citocromo oxidasa Tiene hasta 13 subunidades diferentes, pero solo la 1 2 y 3 son críticas para el funcionamiento, las otras no se conocen mucho. La subunidad 1 contiene dos grupos hemo y un átomo de cobre. No hay proteínas hierro-azufre, participa el cobre en su lugar, también lo podemos encontrar en la subunidad 2, y es el encargado de transmitir electrones. También hay grupos hemo que tienen hierro y por eso son proteínas hierrocobre, transmiten electrones de uno en uno.
El oxígeno acepta electrones a través de sub 2 de este complejo. Por cada molécula de O2 participan 4 electrones que la reducen, por lo que tienen que entrar cuatro citocromos c transportadores de un único electrón cada uno. Por lo tanto tendríamos el siguiente balance global (imagen).
6 Los radicales libres pueden ser neutralizados por la superoxido dismutasa y la catalasa o bien por el sistema glutatión, es importante que esto pase porque si no se acumulan y pueden llegar a generar enfermedades neurodegenerativas ya que las neuronas son muy sensibles a estos radicales.
Balance global El paso de protones permite sintetizar ATP. Solo tenemos en cuenta el complejo I, III y IV porque la Succionato deshidrogenasa no transporta protones.
En la primera por cada dos electrones se transportan 4 protones. El III permite el paso de 4 protones por cada 2 electrones y el IV permite el paso de 8 protones (dos NADH porque cada uno transporta 2 electrones y necesitamos cuatro para reducir una molécula de oxigeno). Un NADH solo puede reducir media molécula de oxígeno. En total 10 protones atraviesan la membrana en contra de gradiente.
Por cada FADH solo se transportan 6 porque entran por el complejo 2 y este no puede transportar protones. En la parte derecha de la formula se va un H del NADH y uno de los 11 H+ para formar H2O a la derecha.
Si ponemos un trozo de membrana podemos medir el consumo de oxígeno en ese trozo para ver cuánto se transforma en agua y medir la actividad de la cadena. Los electrones se pueden dar añadiendo Succinato porque está dentro del Ciclo de Krebs y recordemos que pasa de Succinato a fumarato a través de la Succionato deshidrogenasa, generando poder reductor. Si no hay ADP ni P aunque haya poder reductor no hay consumo de oxígeno. En el momento en el que tenemos esto sí que hay consumo de oxígeno, y este consumo es paralelo a la síntesis de ATP, aumentan a la par. Por lo tanto hay una cierta relación entre el consumo de O2 y la síntesis de ATP. Hay fármacos que bloquean la cadena a diferentes niveles, como se puede ver en la imagen. Si añadimos un inhibidor de estos se para el consumo de oxígeno y la síntesis de ATP.
7 Hace falta energía para pasar los protones en contra de gradiente, lo que genera una diferencia de potencial a lo largo de la membrana para que cuando los protones vuelvan a la matriz mitocondrial a través de la ATPasa se genere ATP. En otro experimento, miramos el consumo de O2 y la síntesis de ATP. La venturicidina o la oligomycina inhiben la ATPasa por lo que se reduce la síntesis de ATP y la cadena de transporte de electrones. En cambio cuando añadimos el dinitrofenol que es un desacoplante de la cadena y la ATPasa que lo que hace son poros a través de la membrana. El DNP permite que continúe la cadena la cadena de electrones porque los protones pueden volver a favor de gradiente por estos poritos, sin embargo la ATPasa no funciona porque no se genera la diferencia de potencial.
Esto está relacionado con proteínas del tejido adiposo marrón, que contiene proteínas desacoplantes, como la Termogenina que actúa como canal de protones en la membrana interna de mitocondrias. Permite que una parte de los protones vuelvan a la matriz sin pasar por la ATPasa y la energía que se había acumulado por la diferencia de potencial se libere en forma de calor. Es importante en el caso de los animales que hibernan, les permite mantener la temperatura corporal.
El paso de protones a través de estos complejos genera una diferencia de cargas en la membrana de la mitocondria. También hay diferencia de concentración, el espacio intermembrana tiene un pH muy alto (muchos protones) y la matriz un pH alto (medio básico). Estas diferencias de carga y concentración generan la fuerza electromotriz para el funcionamiento de la ATPasa, lo cual explica el acoplamiento entre la cadena de electrones y la síntesis de ATP (modelo quimiosmótico).
8 Estructura y funcionamiento de la ATP sintasa Es una estructura proteica localizada en la matriz mitocondrial. Está formada por dos dominios diferentes: F1 que está dentro de la matriz mitocondrial y F0 situado en la membrana mitocondrial. F1 está formado por tres alfas y tres betas (globulares) y una gamma en medio (alargada) que conecta con el dominio F0. A cada una de las subunidades alfa y beta se puede unir ADP y ATP. Hace falta mucha energía (electromotriz) para desenganchar el ATP del dominio F1, en realidad formarlo es fácil.
En un experimento aislaban la ATPasa, fijaban el dominio F1 con un soporte y unían en F0 un filamento de actina marcada con una sonda fluorescente. Cuando añadían protones vieron que el filamento de actina iba girando cada vez 120 grados de manera muy rápida. Este mecanismo se llama catálisis rotacional y permite sintetizar ATP a través del paso de protones.
En un tallo transversal del dominio F1 vemos la siguiente estructura. Cada pareja alfa beta tiene una conformación diferente, la conformación de las proteínas varían si tienen unido ATP, ADP o nada. De hecho cada pareja en el mismo momento tendrá una conformación diferente. La flecha es la subunidad gamma. Al girar permite que el ATP salga en una pareja, en otra que entre ADP y otra que se forme ATP. Lo que permite que gire es el paso de protones (tres H+ por cada ATP). En la membrana interna de la mitocondria hay canales que permiten la entrada de ADP y P y por otro lado la salida del ATP que se ha sintetizado. El ADP se genera en las reacciones anabólicas y tiene que entrar para poder producir ATP porque se necesita en el citosol para llevar a cabo de nuevo estas reacciones anabólicas.
Balance global del metabolismo oxidativo de la glucolisis 9 Regulación Lo que estimula o favorece la actividad de la ATP sintasa son concentraciones elevadas de ADP. Si hay mucho ATP habrá poco ADP y ya no se hace falta sintetizar más. Si nos fijamos en el consumo de oxígeno a lo largo del tiempo, al añadir ADP el consumo aumenta, pero si no aportamos más se parara el consumo de oxígeno, porque está acoplado a la síntesis de ATP y esto nos indica que no necesitamos sintetizar más ATP (si hay poco ADP se supone que ya tenemos mucho ATP, la célula lo sabe).
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