Copia - CADENA RESPIRATORIA - FOSFORILACION OXIDATIVA ANAHUAC NORTE

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa (El mundo de la mitocondria)

Panorama general del metabolismo

• La vida no es un proceso espontáneo: requiere, como lo demanda la Segunda Ley de la Termodinámica, de un continuo aporte energético.
• Para resolver este compromiso, los seres vivos consumen compuestos con un alto contenido energético (energía libre G elevada) o bien se benefician del aporte de radiación electromagnética (luz) con un contenido energético significativo.
• Los humanos consumen alimentos y en ellos se encuentran los nutrientes, que son precisamente los compuestos que cuentan con estas carácterísticas energéticas: los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, principalmente
• También como nutrientes se incluyen las vitaminas (micronutrentes), iones (minerales) e incluso el agua. Sin ellos, no se desarrollan las reacciones que sostienen la vida

Panorama general del metabolismo

• No todos los compuestos existentes en los alimentos pueden ser asimilados: sólo una parte de ellos se integran al organismo.
• Esto quiere decir que una parte de lo que entra se excreta en forma de desechos fisiológicos, los cuales poseen un menor contenido en G.
• En algunos casos, estos desechos se aprovechan por ejemplo como abonos al no haber perdido por completo su capacidad para aportar energía.

Panorama general del metabolismo

• Para que los compuestos de alto contenido en G puedan ser asimilados por el organismo será fundamental que puedan ser transformados en moléculas más pequeñas.
• En este proceso, las reacciones de hidrólisis juegan un papel fundamental: los polisacáridos presentes en los alimentos son transformados en el estómago en azúcares más simples como los monosacáridos (glucosa), las proteínas en α-aminoácidos y los triacilglicéridos en ácidos carboxílicos y glicerol.
• A este proceso de degradación se le conoce como digestión.

Panorama general del metabolismo

Una vez que estas moléculas han sido absorbidas y han pasado a torrente sanguíneo, están listas para cumplir con su papel fundamental del sostenimiento la vida.

Si más adelante durante la jornada hace falta una nueva carga de estas moléculas, se activa la sensación de hambre para que las consumamos nuevamente.

Panorama general del metabolismo

• En contraste, las secuencias de conversiones químicas o rutas metabólicas en las que las moléculas se degradan en otras más simples son catabólicas. A la par, las moléculas de los nutrientes entregan su energía química sintetizando un compuesto de alto contenido en G: el adenosintrifosfato o ATP. A la par de su degradación, las moléculas se oxidan también, lo que hace indispensable contar con una vía de escape del organismo para estos electrones que han sido expulsados de estas moléculas.

Primeras etapas de la glucólisis

½ GLUCOSA

Glicerladehido-3-fosfato

1,3-difosfoglicerato

Panorama general del metabolismo

• Ejemplo de una ruta catabólica: en el esquema de abajo la glucosa (C6) se degrada en las primeras etapas de la glucólisis a gliceraldehido-3-fosfato (C3), el cual es oxidado transformándose en 1,3-difosfoglicerato. El agente oxidante, esto es, el receptor de los electrones (dos en esta etapa) es la coenzima NAD+, la cual se transforma en su forma reducida: NADH. A partir del 1,3-difosfoglicerato, la glucólisis sigue adelante culminando finalmente con la producción de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa metabolizada.

Primeras etapas de la glucólisis

½ GLUCOSA

Glicerladehido-3-fosfato

1,3-difosfoglicerato

Panorama general del metabolismo

• Una vez que los electrones se han incorporado al NAD+, ¿qué ocurre con ellos? ¿Cómo abandonan al organismo? ¿Dónde tienen lugar todos estos eventos?

Organización de la producción de energía en la mitocondria

• El escenario donde tienen lugar todos estos procesos y muchos otros relacionados es la mitocondria, un organelo u orgánulo de la célula que es capaz de cumplir con todas estas funciones.

Estructura de la mitocondria

• En la mitocondria tienen lugar procesos como el de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa, que es el que está involucrado en la expulsión de electrones del organismo.

Enzimas de la membrana interna:

• Complejos I-IV (acarreadores de electrones)
• ATP sintasa
• Transportadores de membrana

Estructura de la mitocondria

• Es también el medio en el que tienen lugar algunas otras rutas catabólicas de primera importancia, como la β-oxidación, la descarboxilación oxidativa...

Enzimas de la membrana externa:

• Acil CoA sintetasa
• Glicerofosfato acil transferasa

Estructura de la mitocondria

• …el ciclo de Krebs, la fase anaeróbica de la glucolisis, etc.

Enzimas de la matriz mitocondrial:

• Enzimas del ciclo de Krebs
• Piruvato deshidrogenasa
• Enzimas de la β-oxidación

Cadena Respiratoria/ Fosforilación Oxidativa

• La estrategia del organismo para expulsar a los electrones de desecho consiste en transferirlos a moléculas que se conocen como acarreadores o transportadores de electrones. El NAD+ es sólo la primera de ellas, y su misión es la de descargarlos en otra molécula, y esta en otra, y así sucesivamente hasta que los electrones sean entregados en definitiva a una molécula de O2, la cual se transforma por este hecho en dos de H2O. Esto es precisamente lo que define a los seres humanos como organismos aerobios.
• A esta secuencia de transferencias de electrones es a lo que se le conoce como cadena respiratoria.

Cadena Respiratoria/ Fosforilación Oxidativa

• Las enzimas involucradas en estas reacciones redox se encuentran en la membrana interna de la mitocondria y las reacciones de transferencia electrónica proceden del lado de la matriz mitocondrial.
• Cada una de las etapas de transferencia electrónica expulsa hacia el espacio intermembrana (que separa las membranas interna y externa) protones, por lo que conforme progresa la transferencia electrónica se va generando una mayor concentración de H+ en dicho espacio generando un un gradiente de concentraciones que favorece al espacio intermembrana frente a la matriz.
• Como se transportan cationes H+ hacia un medio donde la concentración es mayor, se habla de un transporte activo de cationes H+.

Eliminación de los electrones: inicio de la cadena respiratoria

• Mientras esto acontece con los cationes H+, Los electrones se incorporaron a la posición 4 del anillo de piridinio del NAD+ arribando en forma de anión hidruro, H:- y transformándolo en NADH.
• El anillo heterocíclico cuenta con características electrofílicas que favorecen el ingreso del anión hidruro a la estructura del NAD+: una carga formalpositiva sobre el átomo de N y la apreciable electronegatividad de este átomo.
• Ya como NADH, en la primera de las etapas de la cadena respiratoria este acarreador cede los electrones al segundo de ellos, la coenzima Q, en la primera etapa de la cadena respiratoria.

Primera etapa de la cadena respiratoria

Estructuras de la ubiquinona y de su forma reducida

• La coenzima Q o ubiquinona, una benzoquinona (ciclohexa-2,5-dien-1,4-diona) incorpora al anión hidruro a su estructura generando un producto de reducción: una hidroquinona (QH2, ubiquinona reducida) pasando 4 H+ al espacio intermembrana.

Proceso de transferencia de hidruro a la coenzima Q

• La trasferencia de hidruro desde el NADH a la coenzima Q puede entenderse como se aprecia en la figura. Completa la reacción la unión con un protón, el único de esta etapa que no finaliza en el espacio intermembrana, que contribuye a la formación de QH2. El NAD+ vuelto así a generar puede queda listo para recibir más electrones provenientes de una nueva oxidación de otra molécula de gliceraldehido-3-fosfato.

Segunda etapa de la cadena respiratoria

El citocromo C: hierro(III) como aceptor de electrones.

• QH2 a continuación cede el par de electrones por separado dos cationes Fe(III) ubicados en el centro de la esfera de coordinación del tercer acarreador de elctrones: el citocromo c oxidado. Aquí todos los hidrógeno, incluidos los que libera el QH2 se incorporan al espacio intermembrana.

Tercera etapa de la cadena respiratoria

Transferencia de electrones al oxígeno atmosférico.

• Finalmente, las moléculas de citocromo c reducido, ahora con Fe(II) en el centro de la esfera de coordinación tras haber aceptado un electrón, transfiere éstos a una molécula de O2. El oxígenon se transforma de esta manera en agua.
• El número de electrones de capa de valencia de una molécula de O2 es de 12 (el oxígeno pertenece a la familia VI). Los electrones de valencia presentes en dos moléculas de agua, que es en lo que se transforma el O2, es de 16 (de dos octetos).
• Todo lo anterior quiere decir que por cada molécula de O2 pueden recibirse cuatro electrones, los correspondientes a los que abandonan dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato, o bien a una de glucosa considerando la glucólisis desde el inicio.

Reacciones de que consta la cadena respiratoria

• Esta etapa también pertenece al proceso de cadena respiratoria, pero el primer acarreador de electrones no es el NAD+ sino el FAD (dinucleótido de flavina y adenina), que los “transporta” en forma de FADH2. Los electrones proceden de un metabolito proveniente del ciclo de Krebs que también se oxida: el succinato.

Transporte activo de H+: proceso no espontáneos que demanda energía

• Como se mencionó, las enzimas de la cadena respiratoria son transmembranales, es decir, se encuentran ubicadas dentro de la membrana interna de la mitocondria y cuentan con canales por donde los cationes H+ pueden atravesar desde la matriz hacia el espacio intermembrana.
• El paso de cationes H+ por sí solo no representa un problema, pero sí el hecho de que éste se hace en el sentido inverso a la espontaneidad, esto es, migran hacia una zona de mayor concentración.
• Este fenómeno demanda que se le suministre energía. Por ello, acoplado a la cadena respiratoria se encuentra el de la fosforilación oxidativa, que produce ATP.

ATP sintasa: Fosforilación Oxidativa

• La producción de energía para sostener la expulsión de los electrones a través de la cadena respiratoria tiene lugar en un complejo enzimático llamado tp ATP sintasa, también inmerso en la membrana mitocondrial interna.

Membrana interna

ATP sintasa: Fosforilación Oxidativa

• La estrategia consiste en aprovechar el regreso espontáneo de los protones hacia la matriz mitocondrial mediante transporte pasivo (la migración es ahora hacia la región de menor concentración) obligándolos a transitar por el sistema de canales de la ATP sintasa.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• El “camino” de regreso se inicia cuando los protones en el espacio intermembrana se introducen en el canal de la subunidad a; allí son transportados e ingresan a una de las subunidades c, adonde se fijan en una cavidad. Cada subunidad C es capaz de alojar un catión H+.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• Las diferentes subunidades C, que semejan gajos unidos unos a otros, en conjunto constituyen una estructura a manera de un cinturón que se denomina subcomplejo proteínico F0 el cual es capaz de ir dando vueltas, como si se tratase de un carrusel.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• Al rotar el subcomplejo proteínico F0, los protones que llegan provenientes del espacio intermembrana encuentran siempre una subunidad C vacía porque, en una etapa previa, la subunidad C desaloja al protón al que estaba unido enviándolo hacia la matriz mitocondrial a través de un segundo canal.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• El sistema se halla así en constante rotación para que los protones vayan ocupando el sitio que cada una de estas subunidades les tienen “reservados”.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• Al girar F0 también lo hace la subunidad γ, y cuando ello ocurre induce cambios de conformación en el sistema de proteínas α y β, en el que se interna. El sistema α y β no puede liberarse de esto, ya que mantiene su posición relativamente fija gracias a su unión con la subunidad β2, fija a su vez a la membrana interna mitocondrial.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• Al cambiar de conformación la subunidad β, inmersa en la matriz mitocondrial, podrá alternativamente unirse a ADP y a Pi para formar ATP; cuando posteriormente adopte el arreglo con el que mantiene poca afinidad con esta molécula, estará en condiciones de liberar el ATP.

Membrana interna

ATP sintasa: funcionamiento

• En suma: el regreso de los protones hacia la matriz mitocondrial a través de este complejo enzimático induce la formación del ATP, necesario para que el proceso de la cadena respiratoria tenga lugar y para cualquier otro que precise de ATP.

Membrana interna