Tema 5B (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 2º curso
Asignatura Bioquimica Metabolica
Año del apunte 2015
Páginas 7
Fecha de subida 11/03/2016 (Actualizado: 11/03/2016)
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Tema 5B: transporte electrónico y fosforilación oxidativa     Fosforilación oxidativa. Complejo ATP sintasa.
Transportadores mitocondriales. Sistemas lanzadora.
Balance energético y estimulación del metabolismo oxidativo.
Disfunciones mitocondriales.
Balance global de las reacciones de la c.t.e.
El balance global de las reacciones que se acoplan en la c.t.e. es de una diferencia de energía libre de Gibbs negativa, conseguida mediante la transferencia de electrones.
Se vuelve más negativa en condiciones celulares por [NADH] muy elevada en la matriz mitocondrial. Esta variación de energía libre depende de: 1. Cociente de concentraciones del ión ([H+espacio intermembrana]/[H+matriz]) 2. Valor absoluto de la carga eléctrica. (1 para el protón).
3. Diferencia de potencial eléctrico transmembrana Modelo quimiosmótico.
Con la transferencia de electrones se bombean protones creando un gradiente a ambos lados de la membrana (energía potencial que se acumula). La entrada de protones a favor del gradiente a la matriz mitocondrial en la ATP sintasa desencadenará la síntesis de ATP. c.t.e.
acoplada a la síntesis de ATP, si se bloquea una no se dará la otra. Sin embargo, el gradiente de protones que aparece también podría emplearse, en por ejemplo, la rotación de flagelos.
Complejo ATP sintasa. (Insertado en la membrana.) Es el motor molecular más pequeño, continuación de la c.t.e. Su estructura es muy grande, formada por dos partículas (cada una con diferentes subunidades):   Complejo libre a asociado a la membrana (del lado de la matriz) = F1 Complejo de membrana = F0 F1 F0 Complejo F1: Afín por ATP F1 es la subunidad catalítica. Tiene 3 subunidades α y 3 subunidades β, idénticas entre sí.
Afín por ADP Se da una catálisis rotacional, aprovechando la vuelta de H+ a la matriz a favor del gradiente para sintetizar ATP. Se crea un giro que se transfiere al tallo haciéndolo girar 120º y forzando la modificación de la conformación del centro activo, que tiene tres posibles conformaciones:    Mejor vacía Afinidad por ADP.
Afinidad por ATP.
Tendencia a expulsar ATP (más estable vacía).
Complejo F0: Estructura similar a la de un canal de protones, con partes diferenciadas:  Subunidad a.
 Péptidos c (conformados por dos hélices α con ácido aspártico).
 Tallo que une F0 y F1.
 Péptidos b2 que lo enlazan con F1.
Los protones entran por la primera mitad del canal c, a favor del gradiente. Quedan en contacto con el aminoácido aspártico del primero de los péptidos c, muy cercano al punto donde acaba la primera parte del Matriz mitocondrial canal.
El aspártico del primer péptido c se encuentra interaccionando con una arginina de la subunidad a. Al llegar el primer protón, se rompe interacción aspártico-arginina, queda el primero protonado, y ambos se liberan. La arginina, ahora libre, interacciona con el siguiente péptido del anillo, forzando la rotación de éste. Repitiendo el ciclo, van entrando protones a todos los péptidos c, y Espacio intermembrana van saliendo por la otra mitad del canal tras completar una vuelta completa.
El anillo puede estar formado por 8, 10 ó 15 péptidos c según la especie, lo que cambiará el rendimiento del proceso. En el caso de los humanos, está conformado por 10 péptidos c, de modo que 10 protones supondrán una vuelta entera, y a su vez, la síntesis de 3 moléculas de ATP.
La catálisis rotacional altera los estados energéticos de la enzima, debido a los diferentes cambios conformacionales que tienen lugar.
Sistemas de transporte en la membrana mitocondrial interna.
Lanzadoras. (La ATP sintasa se asocia a lanzadoras.) Entrada de ADP y Pi a la matriz mitocondrial Parte del gradiente de protones se emplea en estas lanzadoras. Se da:   Entrada de un protón a favor del gradiente y de un fosfato en contra de éste (simportador).
Entrada de un ADP a favor del gradiente y salida de un ATP en contra de éste (antiportador).
Lanzadores de NADH citosólico (transporte de NADH a la matriz mitocondrial) Lanzadora aspartato-malato Permite la entrada de poder reductor desde el citosol, importándolo a la mitocondria con una molécula reducida (malato), que saldrá después oxidada (aspartato).
El oxaloacetato actúa como intermediario, gracias a la intervención del α-cetoglutarato y el glutamato, cerrando el ciclo y evitando la pérdida de moléculas.
Lanzadora glicerol-3-fosfato Enlaza estos procesos con el metabolismo glucídico, reduciendo la dihidroxiacetonafosfato a glicerol-3-fosfato mediante la oxidación de un NADH.
Posteriormente, se oxida el G3P a DHAP, reduciendo un FAD a FADH2. Este proceso supone una pérdida de poder reductor, pues el FADH2 produce un gradiente de 6 protones, en lugar del gradiente de 4 protones generado por le NADH.
La quinona reducida entrará al complejo III, dando lugar a la transferencia de electrones.
Rendimiento energético de la oxidación completa.
Cada molécula de NADH (gradiente de 10 protones), sirve para sintetizar 2,5 moléculas de ATP. (1,5 si se emplea una lanzadora G3P, equivale a un FADH2.) Cada molécula de FADH2, generará 1,5 moléculas de ATP.
Regulación de las vías productoras de ATP Los niveles de ATP y ADP regulan la c.t.e. Ésta usa NADH, si no es así (por algún fallo en la cadena), se acumula, y se inhiben todos los procesos anteriores, como glucólisis, ciclo de Krebs, etc.
Inhibidores de la c.t.e.
Existen inhibidores que se emplean como antibióticos, anulando bacterias pero no eucariotas, cancelando la transferencia de electrones:   Rotenona, actúa sobre el complejo I, evitando la transferencia de electrones del centro Fe-S a la ubiquinona.
Antimicina, que actúa sobre el complejo III, bloqueando la transferencia de electrones del citocromo b al citocromo c.
Algunos venenos utilizan el mismo mecanismo, inhibiendo la citocromo oxidasa (evitan que se una O2 al complejo IV), como el CN- y el CO.
Agentes desacoplantes Actúan desacoplando la c.t.e. y la desfosforilación oxidativa, que según la hipótesis quimiosmótica actuaban coordinados.
Disipan el gradiente de protones creado, facilitando la vuelta de estos, pero no se emplea la energía potencial acumulada para la síntesis de ATP. Si o se sintetiza AT, no se inhiben los procesos anteriores, se metabolizan más glúcidos, puede producirse un adelgazamiento. Algunos de ellos son:    FCCP y DNP, transportadores de protones hidrofóbicos.
Valinomicina, ionóforo del potasio.
Termogenina, que en la grasa parda, crea canales que conducen protones en la membrana mitocondrial interna.
Se pueden estudiar observando el O2 consumido por la c.t.e. y el ATP sintetizado por la ATP sintasa. Cuando se encuentran acoplados, si se inhibe uno de los dos procesos, el otro también lo hace: La adición de succinato equivale a añadir FADH2.
Sin embargo, al añadir un agente desacoplante como el DNP, sólo se inhibe uno de ambos mecanismos, en este caso, el de la ATP sintasa: Termogenina Es una proteína desacoplante interesante de estudiar. Cuando tiene efecto, crea un poro por el que regresan los protones que se habían liberado durante la c.t.e. Estos protones dejarán de atravesar la ATP sintasa, parando la producción de ATP, pero liberando calor a su paso.
Estudios in vitro Puede comprobarse la teoría quimiosmótica introduciendo las mitocondrias en un tampón con [H+] baja durante un tiempo prolongado, equilibrando así la concentración de estos a un pH alto.
A continuación se llevan a un tampón donde el pH sea menor (más ácido = [H+] más elevada). Aparece así un gradiente de protones artificial. Se añade además valinomicina, que crea poros que permiten salir cationes monovalentes (de potasio). Con ambos procesos, se crea un gradiente electroquímico que favorece la síntesis de ATP in vitro.
Adaptación a condiciones de hipoxia En casos de hipoxia, en los que la concentración de O2 es baja, se da una disminución en el metabolismo aeróbico, dando paso a la fermentación, mediante la inhibición de la PDH.
Esto se debe a que si el O2 es insuficiente y la c.t.e. trabaja a un ritmo elevado, se puede dar una reducción maligna del mismo, creando radicales de oxígeno (ROS) que pueden ser muy dañinos para la célula.
Patologías Diabetes La diabetes puede deberse a una disfunción mitocondrial. La glucosa entra a la célula y se produce la respiración en la mitocondria. Sin embargo, si esta falla, no se sintetizará ATP.
Este ATP hacía las veces de inhibidor de canales de K+, cerrándolos y produciendo una depolarización de la membrana, que a su vez desencadena la apertura de canales de Ca2+, mensajero secundario que provoca la liberación de insulina en sangre. Así, una disfunción mitocondrial termina en un metabolismo incorrecto de los glúcidos.
Mutaciones del genoma mitocondrial Las mitocondrias se dividen al reproducirse la célula. Sin embargo, el ADN mitocondrial muta con mayor frecuencia que el nuclear. Estas mutaciones pueden afectar al correcto funcionamiento de la mitocondrial, dando lugar a enfermedades de herencia materna.
Conforme las células se reproducen, las mitocondrias mutadas se distribuyen en diferente proporción a lo largo de todas ellas, de modo que en el tejido se combinarán células defectuosas y células normales.
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