Fosforolación oxidativa I n°8

Roberto Rustom y Matías San Martín Bioquímica General N°08 13/05/02
Odontología II año U. de Chile
‣ Contenidos:
♦ La anatomía mitocondrial
♦ Secuencia de transporte electrónico
‣ Introducción:
En una primera parte de la clase vamos a ver los componentes que participan en la fosforilación oxidativa y cómo
actúan para la entrega de electrones al O 2 y la formación de ATP. Los elecctrones van a ser entregados por
compuestos reducidos como NADH y FADH 2 .
♦ Fosforilación Oxidativa:
La fosforilación oxidativa es la culminación del metabolismo productor de energía en los organismos aeróbicos.
Todos los pasos enzimáticos de la degradación oxidativa de glúcidos, grasas y aminoácidos en las células aeróbicas
convergen en esta etapa final de la respiración celular, en la que los electrones fluyen desde intermedios
catabólicos al 0 2 produciendo energía para la generación de ATP a partir del ADP y el P i . Así, las moléculas
formadas en éstos procesos se van a reoxidar, generando energía para la síntesis de ATP.
Éste es el proceso de transfusión de energía más importante, junto con la fotofosforilación, ya que son los
procesos que sintetizan la mayor cantidad de ATP en los organismos aeróbicos.
‣ Morfología mitocondrial:
La formación de piruvato ocurre en el citosol, y éstos
procesos, tanto el ciclo del ác. cítrico, y la β-oxidación ocurren
en el interior de la mitocondria.
Las mitocondrias son orgánulos de las células eucarióticas, que
se cree que han aparecido durante la evolución cuando bacterias
aeróbicas capaces de realizar la fosforilación oxidativa adoptaron
una residencia simbiótica dentro de una célula huésped eucariótica
primitiva y anaeróbica.
Las mitocondrias, al igual que las bacterias gram-negativas, tienen
dos membranas.
Unidad VII: Fosforilación Oxidativa.
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La membrana mitocondrial externa es fácilmente permeable a pequeñas moléculas e iones; canales
transmembrana compuestos por la proteína porina permiten que pasen fácilmente la mayoría de moléculas con una
masa molecular de menos de 5 Kd. Existen algunas enzimas asociadas a la membrana externa que participan en
procesos como la desaturación de ác. grasos, síntesis de fosfolípidos, y posee tb. algunas monoaminooxidasas que
participan en el metabolismo de los diacilgliceroles.
La membrana interna tiene muchas proteínas, que representan el 80% de la M. Interna, por lo que es
probablemente la membrana biológica más rica en proteínas. ahora un 60% son transportadores de e - ordenados en
cinco complejos multiproteicos, llamados complejo I, II, III, IV y V.
Por esta característica es bastante permeable, sin embargo, posee una permeabilidad selectiva a la mayoría de
moléculas pequeñas e iones, incluido el protón (H + ); las únicas especies que cruzan la membrana interna son
aquéllas para las que existen proteínas transportadoras específicas. Esta membrana aloja los componentes de la
cadena respiratoria y el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP.
Debido a que la membrana interna tiene una permeabilidad selectiva, separa los intermedios y enzimas de las
rutas metabólica citosólicas de los de los procesos metabólicos que se producen en la matriz. El piruvato, ácidos
grasos y aminoácidos o sus derivados a cetoácidos son llevados por transportadores específicos a la matriz para
poder acceder a la maquinaria del ciclo del ácido cítrico. De modo semejante, ADP y P, son transportados
específicamente a la matriz al mismo tiempo que el ATP recién sintetizado es transportado al exterior.
Recuérdese que la matriz mitocondrial, espacio acotado por la membrana interna, contiene:
el complejo de la piruvato deshidrogenasa
Las enzimas del ciclo del ácido cítrico-
Las enzimas de la ruta de la β-oxidación de los ácidos grasos.
Las enzimas de las rutas de oxidación de los aminoácidos
Es decir, todas las rutas de oxidación de combustibles excepto la glucólisis que tiene lugar en el citosol.
‣ Transportadores electrónicos de la cadena respiratoria:
La cadena respiratoria mitocondrial consta de una serie de transportadores electrónicos, la mayoría proteínas
integrales de membrana, con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos electrones. Cada componente
de la cadena puede aceptar electrones del transportador precedente y transferirlos al siguiente en una secuencia
específica.
♦
Existen cuatro tipos de transferencias electrónicas en los sistemas biológicos:
1-. transferencia directa de electrones, tal como sucede en la reducción de Fe 3+ a Fe +2
2-. Transferencia de un átomo de hidrógeno (H + + e - ).
3-. Transferencia de un ion hidruro (: H - ) portador de dos electrones.
4-. Combinación directa de un reductor orgánico con el oxígeno
Los tres primeros tipos tienen lugar en la cadena respiratoria. Algunas de las reacciones de esta secuencia son
transferencias de un electrón mientras que otras son transferencias de pares de electrones.
Cualquiera que sea la forma, se utiliza el término equivalente de reducción para designar el equivalente de un
electrón sencillo que se transfiere en una reacción de oxidación-reducción.
Además del NAD y de las flavoproteínas antes descritas, hay otros tres tipos de grupos transportadores de
electrones que funcionan en la cadena respiratoria.
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♦ Complejo I ó NADH deshidrogenasa
Está formado por aprox. 25 unidades proteicas. Su masa es de
aprox. 850 kd (kilodaltons).
Posee como grupos prostéticos:
Flavina mononucleótido (FMN)
Fierro-azufre. Las proteínas
que poseen como grupo
prostético fierro-azufre se
denominan
proteínas
ferrosulfuradas.
Posee específicamente, al menos siete proteínas que poseen
centros fierrosulfurados.
Éste complejo se encuentra completamente embebido en la mb.
interna de la mitocondria, y está orientado de tal manera que el
sitio de fijación de NADH está mirando hacia la matriz
mitocondrial para así poder interaccionar con cualquier NADH
producido por cualquiera de las deshidrogenasa producidas en la
matriz.
Este complejo cuando oxida al NADH transfiere su par de equivalentes de reducción al FMN, luego a las proteínas
ferrosulfuradas que se los transferirá finalmente a la ubiquinona 1 . Es importante acotar que este flujo de
electrones desde el Complejo I al III va acompañado también de un movimiento de protones desde la matriz
mitocondrial hacia el espacio intermembrana.
♦ Complejo II ó succinato deshidrogenasa,
Su masa es de aprox. 140 kilodaltons. Es mucho más pequeño que el complejo I.
Posee a lo menos cuatro proteínas diferentes y 2 grupos prostéticos:
Flavina adenina dinucleótido (FAD + )
Fierro-azufre (Fe-S).
Se piensa que el FAD + es quien va a recibir los electrones directamente del succinato, donde luego son transferidos
a los centros Fe-S, quien se los traspasa, finalmente, a la ubiquinona.
♦ Complejo III ó citocromo C ó coenzima Q reductasa:
Su masa es de aprox. 250 Kd. Está compuesto por:
Los citocromos b 562 y b 566.
Citocromo c 1 y c.
Una proteína ferro-sulfurada.
Al menos otras seis subunidades proteicas.
Posee como grupos prostéticos:
Fierro-azufre
El grupo Hem.
Las proteínas están dispuestas de manera asimétrica: Cit. b entre la
membrana mientras que la proteína Fe-S y el cit. c están por la cara
externa. El flujo electrónico desde la UQ a los citocromos se denomina
ciclo Q. Por último queda que gracias a la disposición asimétrica del
complejo cuando la UQ se oxida y por ende reduce a 2 citocromos, (son
2 porque cada uno puede aceptar sólo 1 e - ) se produce un flujo de
protones hacia el espacio intermembrana.
1 Existen fármacos como el amital, el antibiótico peiricidina A que inhiben el flujo electrónico desde estos centros Fe-S a la ubiquinona.
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♦ Complejo IV ó citocromo oxidasa
Su masa es de aprox. 160 Kd. Contiene los citocromos a 1 y a 3 .
Éstos están formados por dos grupos Hem unidos a diferentes
regiones de la misma proteína (tiene entre 6 y 13 subunidades
proteicas), y son, por lo tanto, espectral y funcionalmente distintos.
Este complejo también contiene dos iones cobre, Cu A y Cu B, de
gran importancia para la transferencia de electrones al O 2 , sin
general radicales libres, es decir, intermedios incompletamente
reducidos.
Sus grupos prostéticos son:
el ión Cu (en forma A y B)
El grupo Hem. ⇒ Cit a 1 y a 3 .
Además nuevamente encontramos que debido al flujo de elctrones
se produce ttambién una salida de protones hacia el espacio
intermembrana es, como los complejos I y III, una bomba de
protones que contribuyen a la fuerza “protón-motriz”.
♦ Complejo V ó complejo F 0- F 1 ó ATP sintetasa
Es el responsable directo de la síntesis de ATP a partir de ATP + P i .
Las subunidades proteicas que lo componen varían de acuerdo a la
especie, pero el rango en mamíferos va desde 12 a 18 subunidades.
La subunidad F 0 está completamente embebida dentro de la
membrana interna mitocondrial, a modo de una proteína integral de
membrana, además ella fija a F 1 , pues ésta es perisférica. La
subunidad F 0 funciona como un canal protónico.
La subunidad F 1 se encuentra orientada hacia la matriz
mitocondrial. El F 1 aislado no puede sintetizar ATP a partir de ADP
y P i y debido a que puede catalizar la reacción inversa, hidrólisis del
ATP, a la enzima se le denominó originariamente F 1 ATPasa.
La unidad F 1 para ser funcional necesita como mínimo:
tres unidades de α y β,
dos subunidades γ, δ y ε.
En un comienzo fueron llamados “partículas elementales”, que se
podían ver fácilmente en el microscopio electrónico al observar un
corte de la mb. interna de la mitocondria.
Como aclaración agregamos que este complejo también se le
denomina ATP asa , pues también tiene la capacidad de hidrolizar ATP, pero su función biológica es, sin duda, la
condensación de ATP
♦ Ubiquinona ó coenzima Q, ó sencillamente UQ:
Otro componente presente en la cadena de electrones y que participa activamente en ella es la ubiquinona o
coenzima Q. No pertenece a ningún complejo en particular.
Es una benzoquinona liposoluble, que contiene una larga cadena lateral isoprenoide y se mueve con bastante libertad
en la mb. interna mitocondrial.
Es capaz de captar los electrones de los complejos I y II, y los cede al complejo III.
La ubiquinona puede aceptar:
Un electrón transformándose en el radical semiquinona (UQH + ).
O dos electrones formando ubiquinol (UQH 2 ).
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Al igual que las flavoproteínas transportadoras es, por tanto, capaz de actuar como unión entre un dador de dos
electrones y un aceptor de un electrón. Debido a que la ubiquinona es al mismo tiempo pequeña e hidrofóbica puede
difundir libremente a través de la membrana mitocondrial interna y puede hacer de lanzadera de equivalentes
de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana menos móviles.
‣ Representación gráfica de los compuestos de acuerdo a su potencial de reducción:
En la reacción global catalizada por la cadena respiratoria mitocondrial se transportan electrones desde el
NADH, el succinato u otro dador electrónico primario a través de las flavoproteínas, ubiquinona, proteínas
ferrosulfuradas y citocromos (casi todos los cuales están incrustados en la membrana interna) y finalmente al 0 2 . La
secuencia en la que actúan los transportadores se ha deducido de diversas formas.
Una forma sería con la utilización de diversos inhibidores que bloquean en diferentes puntos la cadena
transportadora de electrones.
Teóricamente podríamos orientar los potenciales de reducción de cada una de éstos complejos, y veríamos
de qué forma se encuentran secuencialmente orientados en la mb. interna mitocondrial para movilizar los electrones
hacia el oxígeno.
Un transportador de electrones va a ceder sus electrones desde un menor potencial de reducción hacia
uno mayor
Uno puede esperar que los transportadores funcionen en orden de potenciales de reducción crecientes, porque los
electrones tienden a fluir espontáneamente desde los transportadores de E’ 0 más bajo hacia los transportadores
con E’ 0 más elevado.
Cuando se estudió la composición de la mitocondria y de los complejos que participarían en la cadena
transportadora de electrones, se determinaron los potenciales de reducción mostrados en la tabla.
♦ Según la tabla la secuencia sería:
El complejo I, completamente embebido en la mb. interna mitocondrial, va a ceder los electrones del NADH con
un potencial de reducción de –0.4, luego el complejo II, con un potencial de reducción cercano a –0.2, quien recibe
los electrones del succinato , ambos complejos a su vez se los ceden a la coenzima Q, con un potencial cercano a 0, y
así para llegar al complejo III, el cual a través del citocromo c se los cede al complejo IV, el que va a reducir al
oxígeno para transformarlo en agua, donde éste tiene un potencial mucho mayor.
Los complejos I, III y IV van a liberar protones hacia el espacio intermembrana.
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‣ Características de los componentes de los complejos:
♦ Características de las proteínas ferrosulfuradas:
En las proteínas ferro-sulfuradas, el hierro está presente no en forma de hemo (como en los citocromos) sino en
asociación con átomos de azufre inorgánico o con átomos de azufre de residuos de Cys de la proteína, o con
los dos al mismo tiempo.
Estos centros ferro-sulfurados (Fe-S) van desde estructuras sencillas con un solo átomo de Fe coordinado a cuatro
residuos de Cys mediante el azufre de sus cadenas laterales a centros Fe-S más complejos con dos o cuatro átomos
de Fe.
Todas estas proteínas participan en transferencias de un sólo electrón en las que se oxida o reduce uno de
los átomos de Fe. Con alguna excepción, las proteínas ferro-sulfuradas tienen potenciales de reducción estándar
bajos, es decir, son buenos dadores de electrones.
La dificultad de detectar e identificar proteínas ferro-sulfuradas a temperatura ambiente ha complicado mucho
los estudios sobre su función en la transferencia de electrones, si bien está claro que diversas proteínas ferrosulfuradas
juegan papeles cruciales.
♦ Citocromos ⇒ Grupo Hem
También poseen fierro en su composición, pero formando un grupo Hem razón de sus fuertes colores
característicos de los citocromos.
Existen tres clases de citocromos que se distinguen por diferencias en su espectro de absorción de la luz 2 y que
se designan a, b y c. Se puede medir el espectro de luz que posee la proteína y así determinar si es una proteína con
un grupo Hem de tipo a, b o c.
Los grupos prostéticos Hem de los citocromos tienen 4 anillos pentaatómicos nitrogenados en una
estructura cíclica llamada “PORFIRINA” 3 , que están coordinados al ión fierro en estado 3 + ó 2 + (reducido),
nótese que éstas 2 posibilidades que puede presentar el hierro en éstos anillos, explican el porqué los
citocromos sólo pueden transportar sólo 1 e - .
2 El sistema de dobles enlaces conjugados (en rojo) del anillo de la porfirina explica la absorción de la luz visible por estos hemos.
3 Recodar que éste anillo deriva del precursor Succinil-CoA, intermediario de una de las reacciones del ciclo de Krebs
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Hem a:
Se encuentra en los citocromos a (del
complejo IV ó citocromo oxidasa) y presentan
además una larga cadena hidrocarbonada (cola
isoprenoide) unida al hem a
Hem b:
Se encuentra presente en los citocromos b (del Complejo III).
Este grupo Hem b se llama también Ferro-protoporfina IX, y también se
encuentra en la hemoglbina (para poder transportar el oxígeno) y la
mioglobina .
Los grupos hemo de los citocromos a y b están unidos muy fuertemente,
aunque no de manera covalente, a sus proteínas respectivas.
Hem c
Los grupos hemo de los citocromos del tipo c están unidos de
forma covalente (a través de residuos de Cys) a la proteína del citocromo
c.
Éstos citocromos también van a aceptar y ceder un electrón a la vez.
‣ En resumen:
en la mb. interna mitocondrial, van a fluir, por una parte, los electrones desde succinato o o NDAH
deshidrogenasa, por la ubiquinona hasta el O 2 para producir H 2 O; y por otra parte fluirán protones hacia el
espacio intermembrana.
En el citosol tenemos la producción de NADH y en la matriz mitocondrial la producción de NADH y
FADH 2 en el ciclo de Krebs. El NADH y FADH 2 , van a ceder sus electrones a la cadena transportadora.
El NADH va a ceder sus e. a la FMN que está en el complejo I, la que cederá sus e - uno a uno a los
centros ferro-azufre. Secuencialmente, los centros ferro-azufre van a transferir 2 e - a la ubiquinona (UQ),
formando ubiquinol, (UQH 2 ) quedando totalmente reducida.
El FADH 2 “se libera” de sus protones en el complejo II, que está formado por la succinato
deshidrogenasa (flavoproteína), única enzima del ciclo de Krebs que está unida a la mb. interna mitocodrial, y es
aquí donde éstos electrones también van a pasar a los centros ferro-azufre del Com. II, los cuales cederán
uno a uno los e. a la ubiquinona ( hay varias moléculas de ubiquinona en la mb.).
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