Date post: | 31-Dec-2015 |
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Cadena respiratoria. Ubicación celular. Componentes de la cadena respiratoria. Función.
Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP. Acción de Inhibidores: Desacoplantes, inhibidores de la fosforilación, inhibición del transporte electrónico. Control respiratorio.
Sistema microsómico: Metabolismo de xenobióticos
BOLILLA 3
OXIDACIONES BIOLÓGICASOXIDACIONES BIOLÓGICAS•Hace 2000 millones de años, los procariotas Hace 2000 millones de años, los procariotas (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera (cianobacterias), comenzaron a crear una atmósfera oxigenada. oxigenada.
•El oxígeno que producían como producto de deshecho de El oxígeno que producían como producto de deshecho de la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en la fotosíntesis desencadenó una verdadera revolución en el mundo vivo. el mundo vivo.
•Los organismos aerobios modernos transforman la energía del enlace químico de las moléculas de alimentos, en energía del enlace del ATP empleando oxígeno como aceptor final de los electrones procedentes de los alimentos.
•La utilización de oxígeno por parte de los organismos aerobios proporciona enormes ventajas si los comparamos con formas de vida anaerobias, debido a que la oxidación aerobia de nutrientes tales como glucosa y ácidos grasos, proporciona una cantidad de energía sustancialmente mayor que la fermentación.
• La enorme diferencia de capacidad generadora de energía entre los organismos aerobios y anaerobios está directamente relacionada con las propiedades físicas y químicas del oxígeno.
• La primera de ellas es que el oxígeno se encuentra en toda la superficie de la tierra.
• La segunda es que el oxígeno difunde fácilmente a través de las membranas celulares, cosa que no ocurre con otros aceptores de electrones.
• Por último, la molécula de oxígeno es muy reactiva de modo que acepta fácilmente los electrones.
• Esto también se relaciona con otra propiedad del oxígeno que es su tendencia a formar metabolitos tóxicos.
SOL
AUTOTROFOS FOTOSINTETICOS
HETEROTROFOS
O2
CO2
Lípidos
ACIDOS GRASOS
Hidratos de carbono
GLUCOSA
Proteínas
AMINOACIDOS
OXIDACION
Compuestos con uniones
ricas en energía
NADH
FADH2
ATP
O2
Desde el punto de vista químico
OXIDACIÓN
•Ganancia de oxígeno
•Pérdida de electrones
•Pérdida de hidrógeno
REDUCCIÓN
•Pérdida de oxígeno
•Ganancia de electrones
•Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos)
El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN
Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP
Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la
comprensión de la naturaleza de las oxidaciones biológicas.
OXIDACION-REDUCCION
OXIDACION
REDUCCION
+
-
O2
H
+
- O2
H
- e-
e-+
EN LOS SISTEMAS REDOX
LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE
PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL
POTENCIAL DE
OXIDACIÓN – REDUCCIÓN
LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS
PROCESOS REDOX
SE DENOMINAN
OXIDORREDUCTASASOXIDORREDUCTASAS
OxidorreductasasOxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxido- reducción
Ared + Box Aox + Bred
A : es el reductor o dador electrónico; en el cursode la reacción se oxida (pierde electrones)
B : es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso
de la reacción se reduce (gana electrones)
En las reacciones redox, siempre tienen que estarpresentes a la vez el aceptor y el dador electrónico
DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES EN LA CELULA
2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno
(H+ + e-): AH2 + B A + BH2
3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-)
AH2 + NAD+ → A + NADH + H+
4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O2 RCH2-OH
1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++ Fe++
POTENCIAL DE REDUCCION
• POTENCIAL DE REDUCCION DE UN ELEMENTO, ION O COMPUESTO ES SU TENDENCIA A GANAR O PERDER ELECTRONES FRENTE A OTRO ELEMENTO, ION O COMPUESTO
2 Na + Cl2 2 NaCl
2 Na 2 Na+ + 2 e-
Cl2 + 2 e- 2 Cl-
Oxidación
Reducción
CUPLA REDOX
• La forma oxidada y reducida en cada hemirreacción constituyen un par o cupla redox
Na+/Na , Cl/Cl- (Sentido de la reducción)
E´o : Potencial de reducción Estándar Se
determina en comparación con el potencial de hidrógeno = 0
Signo positivo (+) : par redox con mayor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción
Signo negativo (-): par redox con menor tendencia que el hidrógeno a sufrir reducción
Potenciales de reducción estándar
2 H+ + 2 e- → H2 -0.42 V NAD+ + H+ + 2 e- → NADH -0.32 V S + 2 H+ + 2 e- → H2S -0.23 V FAD + 2 H+ + 2 e- → FADH2 -0.22 V Acetaldehído + 2 H+ + 2 e- → etanol -0.20 V Piruvato + 2 H+ + 2 e- → lactato -0.19 V Cu+ → Cu2+ + e- -0.16 V Citocromo b (Fe3+) + e- → citocromo b (Fe2+) + 0.075 V Citocromo c1 (Fe3+) + e- → citocromo c1 (Fe2+) + 0.22 V Citocromo c (Fe3+) + e- → citocromo c (Fe2+) + 0.235 V Citocromo a (Fe3+) + e- → citocromo a (Fe2+) + 0.29 V Fe3+ + e- → Fe2+ + 0.77 V ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O + 0.82 V
Representación esquemática de una oxidación biológica
Sustrato H2
Sox
A(OX)
AH2
(RED)
C(OX)
B(OX)
BH2
(RED)
CH2
(RED)½ O2
H2O
Escala de Potencial de reducciónSS OO22
E E E E
Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas
TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
•En la mayoría de las reacciones de oxidación celular, los electrones son transportados por moléculas que se reducen en los procesos catabólicos
•Permitiendo así la conservación de la energía liberada por la oxidación de los
sustratos.
• Gran parte de los sustratos oxidados en el organismo sufren deshidrogenación.
• Las reacciones de deshidrogenación son catalizadas por las
ENZIMAS DESHIDROGENASAS
• En estas reacciones el hidrógeno es captado por una coenzima.
• Las coenzimas pueden ser:
- Nicotinamida (NAD o NADP) - Flavina (FAD o FMN).
OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS)
• Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas
• Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas
AH2 + NAD+ A + NADH + H+
AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 (FMNH2)e- + H+
H-
LA MITOCONDRIA
FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR
ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR
EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
En los organismos, los nutrientes son degradados para liberar la energía contenida en sus estructuras.
Esta energía es capturada y transformada en un tipo de energía química que pueda ser utilizada por las células para la realización de trabajo.
El modo de obtener energía de los organismos aerobios es fundamentalmente por medio de reacciones de oxidación en la que los nutrientes son degradados a CO2 y agua.
CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
•Los componentes de la cadena se encuentran en la membrana mitocondrial interna.
•Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2 producidos en la matriz.
•Los componentes actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción.
•La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.
La cadena transportadora de electrones
• El NADH+H y el FADH2, obtenidos en el ciclo de Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria, donde pasan los electrones, de una molécula reducida a otra oxidada, hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular, que al reducirse formará agua.
La Cadena de Transporte de Electrones comprende dos procesos:
1.- Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportadoras a otro.
2. Los protones son translocados a través de la membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana de la mitocondria.
Esto constituye un gradiente de protones
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e
iones H+ para producir agua.
COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
• FLAVOPROTEINAS: FMN o FAD: Transportan 2 e- y 2 H+
• PROTEINAS FERROSULFURADAS: transportan e- (Fe+
++ Fe++)
• COENZIMA Q o UBIQUINONA: Quinona isoprenoide no proteica. Transporta 1 e- y libera 2 H+.
• CITOCROMOS b, c, c1, a, a3: Proteínas que contienen un grupo hemo. Transportan 1 e-
Componentes de la Cadena de transporte electrónico
Complejo enzimático Grupos prostéticos
Complejo I (NADH deshidrogenasa) FMN, FeS
Complejo II(succinato deshidrogenasa) FAD,FeS
Complejo III (citocromo bc1) Hemo, FeS
Citocromo c Hemo
Complejo IV (citocromo oxidasa) Hemo, Cu
Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1
Coenzima Q
Fe/Cu
Fe/Cu
O2
IV
FAD
Fe-SII
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Cit.a
Cit a3
Cit.cFeFe-SFe Fe Fe
III
Fumarato
Succinato
Complejo II
SUCCINATO DESHIDROGENASA
NADH
FMN
Fe-SI
NAD+
e-
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA
Complejo II
SUCCINATO DESHIDROGENASA
Complejo IV
CITOCROMO OXIDASA
Complejo I
NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III
CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA
Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoria
• Piruvato deshidrogenasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• Malato deshidrogenasa
• -cetoglutarato deshidrogenasa
Sustrato + NAD+ Producto + NADH + H CR
CICLO DE KREBS
REACCIONES DEL COMPLEJO I
NADH + H+ NAD+ + 2 e- + H+ (Eo= - 0,32 V)
FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH2 (Eo= - 0,22 V)
NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+
Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I
COMPLEJO II
• Succinato-coenzima Q oxidorreductasa• Coenzima: FAD• Proteínas ferrosulfuradas• Transfiere equivalentes de reducción desde
succinato a la coenzima Q
Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2
E-FADH2 + Prot-Fe+++ E-FAD + Prot-Fe++
Prot-Fe++ + CoQ Prot-Fe+++ + CoQH2
Ordenamiento de los Componentes de la Cadena Respiratoria
CoQ
NADH-UBQ reductasa
FMN
(Fe-S)
I Cit c
Cit b
(Fe-S)
Cit c1III
Cit a
Cit a3
2 CuIV O2
3-P-Glicerol
FAD
FAD
II
3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol3-P-Glicerol
-cetoglutarato
Glutamato
3-OH-AcilCoa
-OH-Butirato
SUCCINATO
Acil-CoA
Piruvato
Malato
Isocitrato
3-P-
CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2
CoQH2
CoQ
Cit.b566
Fe+++ Fe++Fe++ Fe+++ Fe+++
Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++
Fe++½ O2 + H+
H2O
Cit.b562
Fe-SCit.c1
Cit.c
Cit.a.a3
Complejo IVComplejo III
MECANISMOS DE SINTESIS DE ATP
• FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO
• FOSFORILACION OXIDATIVA
CADENA RESPIRATORIA
HIDRÓLISIS DE UNA UNION DE ALTA ENERGIA
O2
Adenosina Trifosfato (ATP)
Moléculas de alta energía: ATP, GTP, 1,3
difosfoglicerato, Fosfoenolpiruvato, Acetil-
CoA, Creatina fosfato.
La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas
conceptualmente por mucho tiempo.
Las observaciones sobre la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en un intermediario fosforilado de la reacción.
En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis Quimiosmótica:
“EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA LA FORMACIÓN DEL ATP (O
FOSFORILACIÓN DEL ADP), ES LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE PROTONES A TRAVÉS DE
LA MEMBRANA”
PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)
-Interesado inicialmente en la penicilina, a partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el almacenamiento de la energía en los seres vivos para ser posteriormente transportada a los puntos de utilización por medio de las moléculas de ATP.
-Así la energía liberada por el traslado de electrones en la cadena respiratoria se conserva mediante la fosforilación del ADP, que se convierte nuevamente en ATP, proceso denominado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.
-En 1978 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA OSMÓTICA.
SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICA
MATRIZ
ESPACIO INTERMEMBRANA
Lugar de translocación de protones
POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA
• Pasaje de H+ durante la transferencia de electrones desde la matriz al espacio intermembrana.
• Generación de un gradiente electroquímico : flujo electrónico acompañado de la transferencia de protones.
• Los protones acumulados en el espacio intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz», por la tendencia de volver a pasar al interior para igualar el pH a ambos lados de la membrana.
• Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H+ a través de Fo y así activan la ATP sintasa
TRANSLOCACION DE PROTONES Y SINTESIS DE ATP
COMPLEJO ATP sintasa
• F1 : 9 subunidades: 3 3
ysitios catalíticos
• Fo: Proteína integral , canal transmembrana para protones con 3 subunidades: a, b2 y c12
• Esta enzima es la que transforma la energía cinética del ATP en energía química.
• El Dr. Boyer (1964) recibió el Premio Nobel al describir la ATP sintasa.
Esquema translocasa ADP-ATP y transportador de Pi.
Mitocondria
Citosol
Membrana mitocondrial
interna
ADP ATP Pi
ADP ATP Pi
• El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus actividades.
• El valor del cociente P/O, representa el número de moles de Pi que se consumen para que se reduzca cada átomo de O2 a H2O.
• El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP, respectivamente.
Control respiratorio por el aceptor:
• Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay una concentración suficiente de ADP y Pi.
• Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.
INHIBIDORES
• Inhibidores del transporte electrónico Inhiben solamente el transporte de e-
• Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente eel
transporte de e-
• Desacoplantes Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el
transporte de electrones• Inhibidores de la translocasa Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP
desde la mitocondria
ACCIÓN DE INHIBIDORES
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
El uso de inhibidores no solo ha ayudado a deducir la secuencia de la cadena respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos fármacos y venenos.
Inhibidores de la fosforilación
Oligomicina:
•Bloquea el flujo de protones a través de F0, impidiendo la fosforilación.•Se inhibe la síntesis de ATP•Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.
Desacoplantes: •Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa.•El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones creado por la cadena respiratoria.
OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE DE OTROS SISTEMAS DE TRANSPORTE DE ELECTRONESELECTRONES
Existen sistemas de transporte distintos de la CR.
Que no participan en la síntesis de ATP
Participan en reacciones de hidroxilaciones y deshidrogenaciones hidroxilaciones y deshidrogenaciones del sustratodel sustrato.
Estos sistemas se encuentran en la fracciónfracción microsomal del retículo microsomal del retículo endoplásmicoendoplásmico.
Un 90% del O2 consumido por las células se emplea en la fosforilación oxidativa.
OXIDASAS Y OXIGENASAS
• Localización: Microsomas y peroxisomas
• No asociados a la producción de ATP
• Usan O2 como sustrato
OXIDASAS
OXIGENASAS
No incorporan O2
Oxid.
MONOXIGENASAS
DIOXIGENASAS
Incorporan un átomo del O2
Incorporan los 2 átomos del O2
OXIDASAS
• Oxidación peroxisómica de ácidos grasos
• Citocromo oxidasa
Flavoproteína: FADH2 FAD y O2 H2O2
Hemoproteína: Fe++ Fe+++ y O2 H2O
MONOOXIGENASAS u OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA ó HIDROXILASAS
• AH + BH2 + O=O A-OH + B + H2O
1 O se incorpora al sustrato y el otro O forma agua
Sustrato principal Co-Sustrato NADH, NADPH, FMNH2,
FADH2, BH4
CITOCROMO P-450
Hidroxilación de esteroides
Hidroxilación de fármacos
Hidroxilación de xenobióticos
CITOCROMO b5 Desaturación de ácidos grasos
Esquema de reacción donde interviene un Citocromo P450
NADPH
NADP+
CytP450 (oxid)CytP450 (red)
Sustrato Sustrato hidroxilado
O2 H2O
Citocromo P-450Reductasa
(Fe-S)
Citocromo P-450reducido
RH
ROH
O2
H2O
Oxidado
Reducido
Reducido
Oxidado
La hidroxilación de sustancias extrañas, aumenta su La hidroxilación de sustancias extrañas, aumenta su polaridad y solubilidad en agua polaridad y solubilidad en agua facilita su eliminación facilita su eliminación
anula su toxicidad anula su toxicidad aumenta su metabolismo aumenta su metabolismo son son excretadas.excretadas.
Los sistemas de Cit Los sistemas de Cit p450 participan en p450 participan en reacciones de reacciones de oxigenación, oxigenación, desulfuración, desulfuración, desaminación desaminación activas en hígado.activas en hígado.
Son enzimas Son enzimas inducibles, entre los inducibles, entre los inductores inductores fármacos, alimentos fármacos, alimentos asados al carbón.asados al carbón.
Pueden ser Pueden ser inhibidas: consumo inhibidas: consumo simultáneo de jugos simultáneo de jugos cítricos con cítricos con medicamentos.medicamentos. Alcohol: Por cortos períodos inhibe el metabolismo Alcohol: Por cortos períodos inhibe el metabolismo
de medicamentos de medicamentos mas toxicidad. mas toxicidad. Por períodos largos: aumenta la metabolización Por períodos largos: aumenta la metabolización reduce el efecto terapéutico. reduce el efecto terapéutico.
METABOLISMO DE XENOBIÓTICOSMETABOLISMO DE XENOBIÓTICOS
EXPOSICIÓN A SUSTANCIAS QUÍMICAS EXTRAÑAS MEDICAMENTOS
ADITIVOS EN ALIMENTOS CONTAMINANTES AMBIENTALES
IMPORTANCIA BIOMÉDICAIMPORTANCIA BIOMÉDICA
COMPRENSIÓN RACIONAL DE LA FARMACOLOGÍA. TOXICOLOGÍA
INVESTIGACIÓN DEL CÁNCER
EL HÍGADO ES EL PRINCIPAL ÓRGANO DONDE SE LLEVA A CABO LA METABOLIZACIÓN
(DESTOXIFICACIÓN) DE LOS XENOBIÓTICOS
METABOLISMO DE XENOBIOTICOS
FASE I
FASE II
Reacciones de Hidroxilación
•Reacciones de Conjugación
•Metilaciones
Citocromo P-450
AUMENTO DE SOLUBILIDAD > EXCRECION
Hígado: Membrana del retículo endoplásmico Hígado: Membrana del retículo endoplásmico (Microsomas)(Microsomas)