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Bioqumica Tema 2: Fase Comn del Metabolismo Oxidativo
1. Introduccin La fase final del metabolismo es comn para
glcidos, protenas y grasas. Se realiza completamente en
la mitocondria. Tambin es comn su funcin, que no es otra que la
obtencin de energa. La Fase
comn est formada por el Ciclo de Krebs y la Fosforilacin
oxidativa.
En el Ciclo de Krebs se utiliza Acetil-CoA. Este Acetil-CoA
puede tener 3 orgenes:
- Proteico: Obtenido a partir de aminocidos.
- Piruvato: Obtenido a partir de protenas o bien
carbohidratos.
- Lipdico: Obtenido a partir de la -Oxidacin de los cidos
grasos.
Dicho Acetil-CoA puede tener 3 destinos:
- Ciclo de Krebs: Pasando a formar parte del Metabolismo
Oxidativo.
- Sntesis de cidos grasos y esteroides.
- Sntesis de cuerpos cetnicos: cuya funcin es energtica para el
organismo en caso de ayuno.
2. Compartimentacin Celular
La mitocondria cuenta con una doble membrana cuya naturaleza
impide el paso a algunas molculas.
El Piruvato es una de las molculas que s puede atravesar la
membrana a travs de un transportador
especfico. El Piruvato debe atravesar la membrana para oxidarse
y convertirse en Acetil-CoA que es la
materia prima que iniciar el Ciclo de Krebs, que se realiza en
la matriz mitocondrial.
El motivo por el cual la oxidacin de Piruvato a Acetil-CoA se da
dentro de la matriz mitocondrial es que
Acetil-CoA no puede atravesar la membrana. Tampoco pueden
hacerlo NADH, CoA, y NAD+. Decimos que
son elementos compartimentados.
Las enzimas y metabolitos necesarios para llevar a cabo una va
metablica suelen estar
compartimentado all donde se de esta ruta:
- En citosol encontramos las enzimas para llevar a cabo la
gluclisis, parte de gluconeognesis,
sntesis de cidos grasos y nucletidos
- En la mitocondria: Enzimas para Ciclo de Krebs, Fosforilacin
oxidativa, oxidacin de cidos
grasos, catabolismo de aminocidos
- Ncleo: Enzimas para replicacin de DNA, sntesis de mRNA y
tRNA.
- Nuclolo: Enzimas para sntesis de rRNA.
- RE: Enzimas para sntesis de lpidos y transporte
intracelular
- Ribosomas: Enzimas para sntesis de protenas.
- AG: Enzimas para maduracin de glicoprotenas y otros
componentes de las membranas.
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3.Piruvato deshidrogenasa
1. Introduccin
El prituvato es una molcula de 3 carbonos (metil, carbonil y
carboxil) que se origina en el citosol a partir
de, por ejemplo, la gluclisis. Posteriormente debe atravesar la
doble membrana mitocondrial para
llegar a la matriz mitocondrial. En la membrana interna
mitocondrial hay un transportador de piruvato
que facilita su paso a travs de sta.
2. Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Cuando el piruvato entra en la matriz mitocondrial, sufre una
descarboxilacin oxidativa. Esta reaccin
est catalizada por el complejo piruvato peshidrogenasa (complejo
PDH) junto con sus 3 cofactores.
El grupo carboxil del piruvato parte en forma de CO2 liberando
electrones que son recogidos por NAD+ y
utilizados para pasar a NADH. Esta reaccin requiere un CoA-SH
libre que acabar esterificado.
Las enzimas que conforman el complejo son:
- E1 Piruvato deshidrogenasa
- E2 Dihidrolipoil transacetilasa
- E3 Dihidrolipoil deshidrogenasa
Hay que saberse
la frmula del
Piruvato
Acetil-CoA:
Grupo acetil
Enlace tioster
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2.1.1. Coenzimas del complejo PDH:
Pirofosfato de Tiamina (TPP) unida a E1
Es importante porque tiene un anillo de Tiazol que atrae
electrones. Esto es til para E1 porque facilita
la descarboxilacin del piruvato. Deriva de vitamina B1
(Tiamina).
Lipoamida o cido Lipoico unido a E2
Lo importante de la Lipoamida adems de tener un brazo basculante
que permite transportar de una
punta de la enzima al otro extremo: hace de transportador del
intermediario entre subunidades. Tiene
un brazo disulfuro que, al reducirse, permitir la unin del
enlace tioester con la CoA necesario para
continuar el proceso.
Flavin Adenina Dinucletido (FAD) unido a E3
Hace de intermediario del poder reductor, captndolo de la
molcula anterior y entregndolo a NADH+.
Deriva de la vitamina B2 (Riboflavina).
2.1.2. Coenzimas libres del complejo PDH
Coenzima A (CoA-SH)
Esta molcula tiene un enlace tioester cuya hidrlisis libera
mucha energa. Desde el punto de vista
biolgico es interesante porque tiene muchos grupos funcionales.
Deriva de la vitamina B5 (Pantotenato).
Nicotinamida Adenina Dinucletido (NAD)
Aprovecha el poder reductor captado de FADH2. Deriva de vitamina
B3 (Niacina).
Complejos con actividad reguladora asociada:
Son los complejos PDH quinasa y PDH fosfatasa.
2.2. Etapas de la reaccin:
1. Enzima E1 (Piruvato deshidrogenasa o PDH): Dos
reacciones:
a) Actuacin de E1-TPP: El piruvato se descarboxila(carboxilo se
va en forma de CO2) y el
fragmento de dos carbonos se une al TPP convirtindose en
Hidroxietilo-TPP.
b) Transferencia del Hidroxietilo de E1-TPP a E2-Lipoamida: La
E2 tiene unida la
Lipoamida. El Hidroxi-etilo es oxidado a acetilo y el puente
disulfuro de la lipoamida se
reduce a dihidro-lipoamida, que tiene dos grupos tiol. El
acetilo se une a uno de los grupos
tiol de la dihidrolipoamida y se forma
acetil-hidro-lipoamida.
2. Enzima E2 ( Dihidrolipoil transacetilasa) :
a) Transferencia del acetilo desde E2-hidro-Lipoamida a
CoA-SH
El grupo acetilo de la acetil-hidro-lipoamida se transfiere a la
CoA-SH. Se forma Acetil-S-
CoA (Acetil-CoA). La Lipoamida queda reducida como
dihidro-lipoamida.
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3. Enzima E3 (Dihidrolipoil deshidrogenasa) : Dos
reacciones:
a) Oxidacin Dihidro-lipoamida y reduccin de FAD: La
dihidro-lipoamida es oxidada a
lipoamida a fin de poderse reutilizar. FAD aprovecha la oxidacin
para reducirse a FADH2.
b) Oxidacin de FADH2 y reduccin de NAD+: El FADH2 que acabamos
de obtener se oxida
a FAD y NAD+ se reduce a NADH + H+.
2.3.Energa libre de la reaccin catalizada por el complejo
piruvato deshidrogenasa
Es una reaccin irreversible en condiciones celulares. Ningn
proceso celular puede impulsar la reaccin
a la inversa. Esta reaccin genera Acetil-CoA, cuya energa libre
de hidrlisis es muy elevada debido a su
enlace tioster. Esta energa se utilizar en el ciclo de
Krebs.
Los electrones del enlace entre el carboxilo y el acetilo se
transfieren al NAD+ pasando por 3 cofactores.
El proceso utiliza parte de la energa para formar un enlace
tioster con el conezima A.
2.4. Regulacin del complejo piruvato deshidrogenasa
Inhibicin por producto (en E2 y E3): NADH y Acetil-CoA
interaccionan con el complejo impidiendo su
actividad. Si son muy elevadas, el proceso se detiene debido a
que se satura el complejo porque stas
molculas se unen a l. NADH hace que no se pueda unir NAD+ y
Acetil-CoA impide la unin de CoA-SH.
Modulacin covalente por fosforilacin (en E1)
En funcin de las seales externas que reciba la clula, se activar
la va de Piruvato deshidrogenasa
fosfatasa (cuando se requiera energa) o la va de Piruvato
deshidrogenasa quinasa (en casos de hipoxia,
por ejemplo, o en estados de excedencia energtica).
En general, disminuyen la actividad de PDH una alta carga
energtica y un alto poder reductor en la
clula, o un exceso de combustible (acetil-CoA y cidos
grasos).
La obtencin de cidos grasos a partir de lpidos produce
acetil-CoA y NADH que inhiben la actividad
piruvato deshidrogenasa, dificultando el uso del piruvato de la
gluclisis.
Durante el ayuno, la obtencin de energa partir de lpidos implica
un ahorro importante de carbohidratos.
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4.Ciclo de Krebbs (Ciclo cidos Tricarboxlicos)
1.Introduccin
El Ciclo de Krebs ocurre en la mitocondria. Su objetivo es
obtener la energa libre de oxidacin del acetil.
Ms del 95% de la energa que consume el organismo puede obtener
por el Ciclo de Krebs y la fosforilacin
oxidativa.
El ciclo de Krebs comienza con la incorporacin del Acetil-CoA (
2 carbonos), que se combina con
oxalacetato (4C) para formar citrato (6C). No se utiliza un
oxalacetato distinto por cada ciclo, sino que
el mismo se va reutilizando. El ciclo de Krebs tiene una G
global = -57 kJ/mol. Es exergnico, aunque
tiene etapas que no lo son.
1.2.Reaccin Global del Ciclo de Krebs
2.Etapas reguladoras del Ciclo de Krebs
Son tres etapas concretas del ciclo que se caracterizan por ser
irreversibles en condiciones fisiolgicas y
que ayudan a que el Ciclo se de en una sola direccin.
- ETAPA1: Citrato sintasa: acetil-CoA + oxalacetato citrato
- ETAPA 3: Isocitrato deshidrogenasa: isocitrato -cetoglutarato
+ CO2
- ETAPA 4: -cetoglutarato deshidrogenasa: -cetoglutarato
succinil-CoA + CO2
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + 3
H+ + FADH2 + GTP + CoA-SH
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3.Etapas del Ciclo de Krebs
1. PRIMERA ETAPA*: La citrato sintasa cataliza la condensacin de
acetil-CoA y oxalacetato
formando citrato de forma altamente exergnica (G = -32,2
kJ/mol). La reaccin es impulsada
por la rotura del enlace tioster del Acetil-CoA. El CoA-SH
liberado estimula la descarboxilacin
del piruvato por el complejo piruvato deshidrogenasa.
2. SEGUNDA ETAPA: Una vez tenemos el citrato, la aconitasa
cataliza su isomerizacin
(deshidratndolo y rehidratndolo) convirtindolo en isocitrato, un
ismero del citrato con el
grupo hidroxil cambiado de sitio.sta es una reaccin endergnica
(G = 13,3 kJ/mol) que utiliza
energa de la reaccin anterior para que el proceso pueda
darse.
3. TERCERA ETAPA*: La isocitrato deshidrogenasa descarboxila y
oxida el isocitrato (6C)
obteniendo alfa-cetoglutarato (5C). Tambin se reduce NAD+ a NADH
+ H+. Reaccin exergnica
(G = -20,9 kJ/mol).
Existen dos isoformas de isocitrato deshidrogenasa:
-Dependiente de NAD+: Se halla en la matriz mitocondrial y
participa en el ciclo de Krebs.
El NADH producido se utiliza en la cadena de transporte
mitocondrial.
-Dependiente de NADP: Se halla en el citosol y en la
mitocondria. Da lugar a NADPH
utilizado en el anabolismo.
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4. CUARTA ETAPA*: El complejo alfa-cetoglutarato deshidrogenasa
cataliza la descarboxilacin
oxidativa del -cetoglutarato para obtener succinil-CoA. Lo hace
de manera similar a piruvato
deshidrogenasa (son parientes evolutivos) ya que necesita NAD+ y
CoA-SH y proporciona NADH,
que se usar en la cadena de electrones. Es una reaccin exergnica
(G = -33,5 kJ/mol).
El complejo est formado por 3 enzimas (E1, E2 y E3) que utilizan
los mismos cofactores que el
complejo piruvato deshidrogenasa, aunque como parte de sustrato
diferente, genera producto
diferente. Los coenzimas son 5: TPP, lipoamida, CoA-SH, NAD+ y
FAD.
5. QUINTA ETAPA: La succinil-CoA sintetasa utiliza la energa
libre del enlace tioster para formar
succinato y GTP en un proceso de fosforilacin a nivel de
sustrato:
1. La energa libre del enlace tioester se utiliza para formar
succinilfosfato unido al enzima
2. El fosfato queda unido al enzima y se libera succinato.
3. El enzima transfiere el fosfato al GDP. Obtenemos el GTP.
Esta reaccin es exergnica, pero muy poco (G = -2,9 kJ/mol). Por
lo que podr darse la
reaccin en ambos sentidos.
El GTP obtenido se puede transformar en ATP gracias a la
Nuclesido difosfato quinasa (Se
requiere H2O en el proceso):
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6. SEXTA ETAPA: La succinato deshidrogenasa oxida el succinato
reduciendo FAD. Obtenemos
fumarato, que estar oxidado y tendr un doble enlace. Reaccin con
G = 0 kJ/mol aprox,
podr darse en ambos sentidos.
La succinato deshidrogenasa est en la membrana interna
mitocondrial formando parte del
complejo II de la cadena de transporte de electrones.
El FADH2 producido se utiliza en la cadena de transporte
electronico mitocondrial. Con cada
FADH2 obtendremos 1,5 moleculas de ATP. (1 ATP menos que con
NADH+ H+)
7. SEPTIMA ETAPA: La fumarasa cataliza la hidratacin del
fumarato. Obtenemos L-malato. Es una
raccin exergnica (G = -3,8 kJ/mol), pero reversible.
La fumarasa es una enzima esteroespecfico que slo puede hidratar
el doble enlace en
configuracin trans del fumarato (cuando los dos grupos
carboxilos estn en plano diferente).
*si los dos carboilos estuviesen en el mismo plano se llamara
maleato (que no forma parte de
CK). El producto de la transformacin del maleato, el D-malato,
es un inhibidor del ciclo de
Krebbs.
8. OCTAVA ETAPA: La malato deshidrogenasa oxida el L-malato a
oxalacetato transfiriendo electrones
al NAD+, reducindolo. La reaccin es endergnica (G = 29,7
kJ/mol). Lo que provoca que la
reaccin ocurra es la alta concentracin de L-malato y la baja
concentracin de oxalacetato.
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4.Regulacin del Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebbs est regulado:
-En sus etapas limitantes :
1.Citrato sintasa (regulacin por substrato y por productos).
2.Isocitrato deshidrogenasa (regulacin alostrica)
3. -cetoglutarato deshidrogenasa (regulacin alostrica).
-En general:
1.En funcin de la concetracin de NADH: Alta inhibe, baja
activa.
2.En funcin de la carga energtica: Alta inhibe, baja activa.
3.SI la concentracin de Ca2+ es alta, el ciclo de Krebs se
activa en tejido muscular.
4.1.Regulacin por disponibilidad de sustratos:
El ciclo de Krebs se iniciar en funcin de si se dispone de
oxalacetato y de Acetil-CoA o no. La
concentracin de oxalacetato es normalmente baja (hace de
limitante). El Acetil-Coa puede obtenerse
de la sntesis de Acetil-CoA a partir de piruvato, catalizada por
el complejo PDH, o tambin podr ser
aportado por los cidos grasos.
4.2.Regulacin de las etapas limitantes:
4.2.1.Citrato sintasa:
Esta enzima se activa en segn la disponibilidad del sustrato,
Acetil-CoA.
Es inhibida por productos del ciclo de Krebs (citrato y
succinil-CoA, concretamente). Si stos se hallan
en concentracin elevada, la enzima se inhibe.
Por ltimo, es inhibida alostricamente por alta concentracin de
NADH y por alta carga energtica.
4.2.2.Isocitrato deshidrogenasa
Es inhibida si hay alta concentracin de NADH (dificultar la unin
de NAD+), adems de que una elevada
relacin NADH/NAD+ provocar un balance desfavorable para la
reaccin.
Si la relacin ATP/ADP es elevada, tambin es inhibida.
4.2.3. -cetoglutarato deshidrogenasa
Es inhibida si hay alta concentracin de NADH (dificultar la unin
de NAD+), adems de que una elevada
relacin NADH/NAD+ provocar un balance desfavorable para la
reaccin.
Tambin es inhibida por producto (succinil-CoA). Si ste se halla
en concentracin elevada, inhibe a la
enzima.
Si la relacin ATP/ADP es elevada, tambin es inhibida.
En tejido muscular, una elevada concentracin de Ca2+ provoca su
activacin
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5.Participacin de los intermediarios del Ciclo de Krebs en el
Anabolismo
Los intermediarios del CK participan en
el anabolismo. Por lo que podemos
afirmar que el Ciclo de Krebs es una va
anfiblica (catablica y anablica). Se
considera anablica porque sus
intermediarios representan el inicio de
diversas vas anablicas.
Por ejemplo, el oxalacetato es un
intermediario que puede participar en el
proceso de obtencin de glucosa
convirtindose en PEP a travs de la PEP
carboxiquinasa. PEP tambin sirve para
formar aminocidos.
Estas son reacciones Anaplerticas. Slo
se pueden dar cuando el CK est inhibido
y estas molculas no sean requeridas
para el mismo.
5.1.Reacciones Anaplerticas
Permiten que las concentraciones de los metabolitos
intermediadios del CK permanezcan constantes.
Son procesos que requieren ATP y poder reductor, pero como se
dan en condiciones en la que ambos
elementos estn en abundancia, esto no es problema.
Otros ejemplos de reacciones anaplerticas son catalizadas por
transaminasas (catalizan transferencia
de grupos amino entre Aa y cetocidos) como ALT (Alanina
aminotransferasa) y AST (Aspartato
aminotransferasa). Por ejemplo, podr convertir el oxalacetato en
aspartato (Aa) y cetoglutarato en
glutamato (Aa).
Adems, del Ciclo de Krebs tambin se extraen metabolitos para la
sntesis de lpidos y para grupos
prostticos (como grupo hemo), que son esenciales para protenas,
como la hemoglobina, y estn
presentes en los citocromos.
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5.1.1 Reaccin de la Piruvato Carboxilasa
Permite pasar de Piruvato a Oxalacetato gastando ATP. Es una
reaccin Anaplertica activada de forma
alostrica por el Acetil-CoA. Si falta oxalacetato, se obtiene
mediante esta reaccin. Podemos decir que
el oxalacetato favorece el Ciclo de Krebs.
5.2.Papel del Ciclo de Krebs en el Anabolismo: Acetil-CoA como
modulador doble
Acetil-CoA tiene funcin doble:
1.- Inhibidor de piruvato deshidrogenasa: En caso de que a la
mitocondria llegue gran cantidad de Acetil-
CoA, ste inhibir al complejo PDH.
2.- Activador alostrico de piruvato carboxilasa: La
acumulacin de Acetil-CoA estimular la sntesis de
oxalacetato. Esto nos puede llevar a dos situaciones:
-La carga energtica de la clula es alta: El ciclo de
Krebs estar inhibido y se sintetizar oxalacetato que ser
utilizado para la gluconeognesis.
-La carga energtica de la clula es baja: Se acumular
Acetil-CoA y el piruvato dar lugar a oxalacetato (mediante
piruvato carboxilasa), facilitando el inicio del Ciclo de
Krebs.
Esto es importante en el caso de un hgado en ayuno, que obtiene
grandes cantidades de acetil-CoA y
NADH de la oxidacin de cidos grasos y podr utilizar stos
intermediarios para generar glucosa y obtener
energa.
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5.Transoprte de electrones y sntesis de ATP
1. Fosforilacin oxidativa
El destino principal del NADH mitocondrial es ser oxidado en la
Fosforilacin oxidativa, que consiste en
la transferencia de electrones al O2 y la formacin de ATP.
La membrana interna mitocondrial tiene complejos de transporte
de electrones. Es aqu donde ocurre la
cadena respiratoria y la sntesis de ATP. La mayor parte del
oxgeno que respiramos acabar en la
Fosforilacin oxidativa.
2. Transferencias de electrones en las clulas
Las oxido-reductasas forman parte de las enzimas que catalizan
la transferencia de electrones en las
clulas. Lo pueden hacer de diversas maneras.
Oxidasas/Reductasas -> Directamente electrones: Fe+2 + Cu+2
Fe+3 + Cu+
Deshidrogenasas -> En forma de hidrgeno: AH2 + B A + BH2
Deshidrogenasas -> En forma de ion hidruro: AH2 + NAD+ A +
NADH + H+
Oxigenasas/Hidroxilasas -> En combinacin con el oxgeno: R-CH3
+ O2 R-CH2-OH
3. Energa libre de las reacciones Redox
El potencial redox (E) es la tendencia de un par redox de ganar
electrones. Cuantifica la afinidad por
los electrones y se mide en Voltios (V). Los electrones fluirn
espontneamente de un potencial redox
menor a uno mayor.
El valor de E depende de su valor estndar y de las
concentraciones del componente oxidante y reductor.
El potencial redox de los componentes de la cadena permite el
transporte electrnico espontneo que
se utiliza para generar un gradiente de protones.
Existe una relacin de espontaneidad y G. Si E es muy elevada, G
ser muy baja.
La diferencia de potencial redox de una reaccin se define
como:
E = E del par aceptor E del par donador (en condiciones estndar
l usar E y E)
G=-E n F
n= n de electrones; F= constante de Faraday (96,480 KJ/Vmol)
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4. Utilidad de las Reacciones Redox
El potencial redox de los componentes de la cadena de electrones
permite el transporte de electrones
espontaneo que se utiliza para generar un gradiente de
protones.
La energa obtenida en la transferencia de electronesse aprovecha
para ir bombardeando protones hacia
la seccin intermembranosa de la mitocondria.
Hay complejos proteicos fijos en la membrana mitocondrial. Estn
codificados por ADN mitocondrial y
tienen gran tamao.
El citocromo C y la coenzima Q son protenas mviles que favorecen
el paso de electrones al espacio
intermemebranoso.
4.1. Potencial Redox NADH a O2
El NADH se encuentra en el extremo inicial de la cadena de
transporte de electrones. El oxgeno se halla
en el otro extremo. El NADH es de las molculas biolgicas con
peor afinidad por los electrones y por
tanto es un buen donador. Oxgeno todo lo contrario.
Del NADH al oxgeno encontramos una secuencia de molculas con un
potencial redox creciente, cosa
que provoca un flujo de electrones. Con la reaccin total del
paso de electrones de NADH a O2 se obtiene
mucha energa libre, que se podr utilizar para generar el
gradiente de protones y para llevar los
electrones al propio oxgeno.
Otro donador de electrones puede ser succinato. (Gracias a la
succinato deshidrogenasa, de succinato
podemos obtener FADH2).
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5. Va de Transporte de electrones.
Complejo I: Recibe los electrones de NADH.
Complejo II: Va de entrada paralela al complejo I. Recibe
succinato directamente del
ciclo de Krebs
Coenzima Q: Recibe electrones de los
complejos I y II y los entrega al complejo III.
Complejo III: Proceso complejo en el cual los
electrones pasan al citocromo C.
Citocromo C: Recibe electrones del complejo III
y los pasa al complejo IV.
Complejo IV: Los tomos de cobre y el
citocromo A dan los electrones al ltimo
aceptor: el oxgeno
6. Componentes de los complejos de la cadena
6.1 Coenzima Q (Ubiquinona): Es un transportador lipoflico
que transporta electrones en cadenas de transporte
asociadas a la membrana. Tiene una cadena lateral de 50C
hidrofbica, cosa que le permite difundir por la membrana
mitocondrial interna fcilmente.
Puede encontrarse en tres estados diferentes:
Ubiquinona (oxidada): (Q)
Semiubiquinona (semi-reducida): (QH) Ubiquinona
tras aceptar un electrn
Ubiquinol (reducido): (QH2) Ubiquinona tras aceptar
dos electrones.
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6.2. Grupos hemo de los citocromos:
Los citocromos son protenas con una intensa absorcin de luz
porque tienen un grupo prosttico en el
que estn coordinados tomos de hierro. Hay tres tipos de
citocromos:
Citocromo A: Grupo prosttico hemo A
Citocromo B: Grupo prosttico hierro-protoporfirina
Citocromo C: Grupo prosttico C
El citocromo C slo puede transportar un solo electrn. Por tanto,
puede presentar dos formas: Oxidada
y Reducida. Es una protena cuyo grupo hemo recuerda al grupo
hemo tipo A de la hemoglobina.
6.3. Centros hierrosulfurados
En los complejos encontramos centros hierrosulfurados. Consisten
en tomos de hierro coordinados con
tomos de azufre inorgnicos o tomos de azufre de residuos de
cistena. Estos tomos de hierro son los
que participan en la cadena de transporte de electrones gracias
a su capacidad de unir molculas,
permitiendo el paso de electrones.
A
B C
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7. Transferencia de electrones a la coenzima Q (Complejos I y
II)
7.1. Complejo I
Los 2 electrones dados por el NADH pueden pasar a travs del FMN
(flavin mononucletido) hasta la
coenzima Q, que se reduce a QH2. Gracias a este mecanismo, 4
protones son bombardeados al espacio
intermembranal. Podemos decir que este complejo es una bomba de
protones impulsada por la energa
de la transferencia electrnica.
En resumen, gracias a la transferencia de 2 electrones, son
bombardeados 4 protones.
El complejo I cataliza 2 procesos de manera simultnea:
Transferencia exergnica hacia la ubiquinona de un hidruro del
NADH y un protn de
la matriz.
Transferencia endergnica de 4 protones de la matriz al espacio
intermembranal. La
acumulacin de protones en el espacio intermembranal genera un
potencial de
membrana.
Reaccin Global:
NADH + 5H+N* + Q NAD+ + QH2 + 4H+P*
*P: intermembrana
*N: matriz
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7.2. Complejo II
Tambin llamado complejo succinato
deshidrogenasa (es una de las enzimas del Ciclo de
Krebs).Tiene 4 subunidades A, B, C y D. C y D le
permiten estar integrada en la membrana debido a
su naturaleza hidrofbica. El FADH2 que se forma en
el ciclo de Krebs tiene como destino dar electrones
a la coenzima Q.
La subunidad A es una flavoprotena hidroflica que
utiliza como cofactor una molcula FAD y tiene un
dominio de unin a succinato. La subunidad B,
tambin hidroflica, tiene tres clsters de Fe-S.
En resumen: contiene un grupo hemo B, un dominio
de unin a la ubiquinona (Q), tres centros de Fe-S,
FAD y un dominio de unin al succinato. La ruta de
transferencia es desde el dominio de unin del
succinato (que se convertir en fumarato) a travs
de los d centros de Fe-S hasta el dominio de unin a
la coenzima Q.
Una de las principales diferencias con el Complejo I
es que este complejo no bombea protones, slo
permite el paso de electrones hacia la coenzima Q.
*Imagen: De la oxidacin de los cidos grasos, que tiene lugar en
la matriz mitocondrial, se obtienen
Acil-CoA grasos. La enzima Acil-CoA grasos deshidrogenasa puede
dar electrones hacia la membrana
interna mitocondrial.
La gluclisis, que se realiza en el citosol, proporciona NADH. De
ste se obtienen tambin electrones que
se aprovechan en la transferencia de electrones a la coenzima
Q.
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8. Resto de complejos
8.1. Complejo III
Conocido como ubiquinol citocromo C reductasa. Acopla la
transferencia de electrones desde el
ubiquinol. (QH2) al citocromo C, aprovechando la energa para el
bombeo de protones de la matriz al
espacio intermembrana.
Tiene dos dominios de unin a la coenzima Q:
- En uno de los dominios se une el ubiquinol, que se oxidar
transfiriendo un electrn al
citocromo C. El otro electrn har un camino alternativo que lo
llevar a una coenzima Q
oxidada situada cerca de la membrana.
- En el otro dominio se unir la forma oxidada de la coenzima Q,
ubiquinona, y quedar en
forma semireducida (QH).
Cuando la coenzima Q se reduce, gana protones de la matriz.
Cuando se oxida, en cambio, deja protones
en el espacio intermembranal. Por cada 2 electrones
transferidos, se bombean 4 protones de la matriz
al espacio intermembranoso.
La coenzima Q puede transportar 1 o 2 electrones, mientras que
citocromo C slo puede transportarlos
de uno en uno. Por este motivo, en ocasiones encontraremos
coenzimas Q semireducidas, que debern
ser reducidas del todo antes de poder oxidarse completamente y
liberar protones en el espacio
intermembranal.
QH2 + 2 Cit C (oxidat) + 2H+N Q + 2 Cit C(reduit) + 4 H+P
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8.2. Complejo IV (en caso de intoxicacin con cianuro, se
inhibe).
Tambien llamado citocromo oxidasa. Es el ltimo paso de la cadena
respiratoria. Transporta electrones
desde el citocromo C hasta el oxgeno molecular, reducindolo a
H2O.
La transferencia de electrones a travs de este complejo va desde
el citocromo C al centro CuA, despus
al centro hemo A, despus al centro hemo A3-CuB y finalmente al
O2.
Se necesitan dos citocromos C (dos electrones) para poder
reducir dos tomos de oxgeno. Los citocromos
C pasan secuencialmente. El oxgeno se une al cobre recibiendo
electrones a la vez que capta H+ de la
matriz, de manera que se forma la molcula de agua.
Por cada 2 electrones, un tomo de oxgeno es reducido captando
dos protones de la matriz. Adems se
bombardean dos protones al espacio intermembrana.
El mecanismo de bombeo de protones no se conoce. Se barajan
diversas hiptesis:
- Protonaciones de residuos del complejo al lado de la
matriz.
- Cambios conformacionales del complejo.
- Desprotonaciones al lado de la membrana.
8.3. Gradiente de H+ (VIP)
1 NADH que se oxida son 10 protones bombardeados al espacio
intermembranal. Esta acumulacin de
protones sirve para impulsar la ATP sintasa para formar ATP
(aprovechando la energa de los H+ que
entran a favor de gradiente).
La acumulacin de H+ depende de dos caractersticas:
-gradiente qumico (La acumulacin de protones provocan una bajada
del pH)
-gradiente elctrico (Las cargas positivas).
Por tanto, el motor que impulsa la ATP sintasa es un gradiente
electroqumico.
2 Cit c(reduit) + 4H+N + O2 2 Cit c(oxidat) + 2H+P + H2O
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Esta imagen explica cmo se lleva acabo el gradiente. Primero hay
una acumulacin de H+ en la
intermembrana y una acumulacin de iones en la matriz, cosa que
genera un potencial elctrico en la
membrana (positivo fuera, negativo en la matriz).
Una vez generado el potencial elctrico, los protones vuelven a
la matriz ayudados por la ATP sintasa y
por el potencial electroqumico generado. El trabajo necesario
para crear el gradiente de protones
depende del gradiente preexistente.
La acumulacin de protones y la repulsin de cargas (los H+ se
repelen entre ellos) son las dos fuerzas
que impulsan la ATP sintasa.
Si el gradiente de protones fuese muy alto, podra llegar un
momento en que el gradiente fuese
demasiado elevado como para que NADH pudiese oxidarse y
entregase los electrones al oxgeno. As pues,
la transferencia de electrones tambin depende de las
concentraciones de los compuestos.
Si la ATP sintasa no se abriera y no pudiesen retornar los
protones, el gradiente se acumulara. Este
fenmeno provocara que NADH no pudiese oxidarse y, por tanto,
quedase acumulado en forma reducida,
cosa que frenara el ciclo de Krebs.
Si el gradiente disminuyera, y tambin el potencial elctrico,
tendramos menos energa libre
almacenada para sintetizar ATP. Por otro lado, la oxidacin de
NADH sera ms fcil. Si no se produjese
ATP, se favorecera el bombeo de protones a la intermembrana y
estos no retornaran a la matriz. Cosa
que volvera a provocar una acumulacin de gradiente que volvera a
dificultar la oxidacin de NADH.
Por otro lado, si la sntesis de ATP es alta, la oxidacin de NADH
estara facilitada.
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8.4. Complejo V
ATP sintetasa:
La Atp sintetasa es una protena de membrana formada por
diferentes subunidades:
-Porcin superior: Tiene un canal de protones transmembrana (F0),
que permite que los
protones puedan atravesarla a favor de gradiente.
-Porcin medial e inferior: La sintetizadora de ATP (F1).
La sntesis de ATP est impulsada por la entrada de protones en la
matriz. Con su entrada, provocan un
cambio conformacional de la subunidad central de F0, la
subunidad . Este cambio conformacional
provoca la rotacin de F0 y activa las subunidades de F1, las
cuales tienen un dominio de unin para
ATP/ADP y llevan a cabo la sntesis de ATP. Las subunidades se
hallan dentro de la matriz mitocondrial.
Si F1 estuviese aislada del canal de protones, sta tendra
actividad ATPasa, pero acta como ATP sintasa
gracias al gradiente que generan los protones. Este gradiente
aporta la energa libre necesaria para la
actividad de ATP sintasa.
En resumen, lo que provoca la rotacin de la subunidad es la
entrada de protones hacia la matriz. La
rotacin de active la subunidad , que sintetiza ATP en el
interior de la matriz.
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En esta imagen vemos la misma seccin de la ATP sintasa en
diferentes momentos. Podemos observar
cada una de las 3 subunidades en una etapa distinta.
Etapa 1: Unin ADP+Pi a la subunidad
Etapa 2: Formacin del ATP
Etapa 3: Liberacin del ATP. Est impulsada por la entrada de 3
protones a la matriz.
La flecha verde de la imagen representa a la subunidad de F0. Al
girar esta, cada subunidad realiza
los 3 pasos.
8.4.1. Sntesis de ATP
Para la sntesis de ATP, adems de protones necesitamos ADP y
Pi.
Siempre que haya gradiente de protones suficiente, el principal
regulador de la sntesis de ATP ser la
disponibilidad de ADP en la matriz mitocondrial.
El gradiente de protones favorece la entrada de Pi y la salida
de ATP en la matriz.
En periodo de hipoxia no se pueden acumular los protones
necesarios para crear gradiente. Hay una
protena, la IF1, que en situaciones de hipoxia deja entrar
protones a la matriz, pero impide su salida
hacia el espacio intermembranal. Por lo tanto, IF1 bloquea la
salida de protones de la matriz en casos
en los que los protones deberan salir por falta de gradiente. Es
un mecanismo de proteccin del sistema,
ya que si los protones salieran de la matriz, la actividad de la
ATP sintasa sera hidrolasa, y gastara ATP.
Hp = Lado positivo de la membrana
(ms H+) Intermembrana
Hn = Lado negativo de la membrana
(menos H+) Matriz
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Por cada ATP formado, entran 4 protones a la matriz.
3 de estos protones son utilizados por la ATP sintasa y 1
por la translocasa Pi, que es una protena que permite
la entrada de Pi en la matriz.
Cada vez que entra un ADP en la matriz sale un ATP
acabado de sintetizar, de manera que el gradiente entre
la matriz y el espacio intermemebranal se mantiene
estable.
Cabe recordar que ni el NADH ni el Acetil-CoA pueden
entrar ni salir del mitocondria, slo pueden hacerlo los
protones y durante la sntesis de ATP.
8.4.2. Relacin P/O
Es la proporcin entre ATP formado y el oxgeno consumido. Resume
el nmero de enlaces de Pi de alta
energa que se forman por cada oxgeno reducido.
Por 2 electrones del NADH, salen 10 H+, se reduce un tomo de O2
y se forman 2,5 ATP aprox.
Por 2 electrones del succinato o FADH2, salen 6 H+, se reduce un
tomo de O2 y se forma 1,5 ATP
aprox.
(n ATP generado = n H+ que salen / 4 H+ necesarios para hacer
ATP).
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8.5. Las vas de produccin de ATP estn coordinadas
Una actividad celular que gaste ATP puede dar lugar a un aumento
de [ADP] y [AMP]. Niveles altos de
AMP activan la enzima AMPK, que activar las vas catablicas
(-oxidacin) e inhibir las anablicas,
generando ms NADH. ste aumento de [NADH] provocar la inhibicin
del ciclo de Krebs. Como
consecuencia, tambin habr ms oxidacin del NADH y FADH2 en la
cadena de transporte electrnico,
que desinhibir las enzimas que participan en el Ciclo de Krebs y
las propias de la Piruvato deshidrogenasa.
Todo esto facilitar la gluclisis (Piruvato quinasa,
fosfofructoquinasa I).
Por otro lado habr un aumento de la actividad ATP sintasa que
formar ATP. Se facilitar el bombeo de
H+ contra gradiente por la cadena de transporte electrnico y por
tanto tambin se consumir ms
oxgeno en el complejo IV.
En resumen, si una clula gasta mucho ATP se facilita el
ciclo
de Krebs, la cadena de transporte electrnico y la oxidacin
de cidos grasos.
8.5.1. Control Respiratorio
La sntesis de ATP favorece el gasto de oxgeno mediante el
retorno de protones a la matriz a travs de la ATP sintasa.
Al
disminuir el gradiente de protones aumenta el transporte de
electrones.
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8.6. Regulacin de la sntesis de ATP
Un aumento en la [ADP] (baja carga energtica) activa la ATP
sintasa. La actividad de sta limitada por
la presencia de ADP.
Un exceso en la [ATP] (alta carga energtica) disminuye la
actividad de la ATP sintasa y el consumo de
oxgeno porque:
-Hay poco ADP disponible para la ATP sintasa (es su factor
limitante).
-La ATP sintasa casi no utiliza el gradiente de protones, que se
mantiene elevado y dificulta el
transporte de electrones
- Una pequea parte del ATP se utiliza para generar AMPc
mitocondrial, que estimula una kinasa
mitocondrial cuya funcin es inhibir el complejo IV
fosforndolo.
Por tanto, se forma ATP al mismo tiempo que se consume ATP y
O2.
8.7. Protenas desacoplantes
En algunos tejidos, la expresin de protenas desacoplantes del
gradiente de protones permite el retorno
de estos a la matriz sin pasar por la ATP sintasa. Esto
disminuye la sntesis de ATP y simultneamente
facilita la oxidacin del NADH y activa el metabolismo
energtico.
La termogenina (UCP1) se expresa en el tejido adiposo pardo,
cuya funcin principal es producir calor.
Lo que ocurre es que se desperdician protones de manera que la
clula no obtenga beneficio energtico
alguno.
En otros tejidos se expresan protenas anlogas (UCP2, UCP3) de
forma regulada por hormonas tiroideas,
que controlan el gasto metablico basal.
8.8. Transporte electrnico y Fosforilacin oxidativa son procesos
ligados:
Un aumento en la concentracin de ADP en la mitocondria dar lugar
a un consumo de O2 y a la oxidacin
de NADH.
La adicin de sustratos de la ATP sintasa y un donador de
electrones activan el transporte electrnico y
la sntesis de ATP.
La inhibicin de la citocromo oxidasa inhibe el transporte
electrnico y la sntesis de ATP.
La Fosforilacin oxidativa requiere la membrana mitocondrial
interna intacta.
La creacin artificial de un gradiente de protones en la
mitocondria da lugar a la sntesis de ATP en
ausencia de NADH u otras sustancias oxidables.
Sustancias que disipan el gradiente electroqumico tienen son
desacoplantes.
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6. Formacin y eliminacin de radicales libres
Un 1% del O2 se reduce de forma incompleta generando radicales
libres y otras especies muy reactivas
como el ion superxido, el perxido de hidrgeno y el radical
hidroxilo.
Los radicales libres y otras especies reactivas son peligrosos
porque se unen a cualquier elemento libre
que encuentren. Son muy peligrosos para la clula porque pueden
provocar, por ejemplo, la inhibicin
de vas unindose a reguladores.
Un ejemplo de radical libre es el ion superxido, que es generado
por el complejo IV cuando en vez de
obtener 2 electrones, obtiene slo 1. Las clulas tienen
mecanismos para neutralizar stos radicales
libres:
1. La enzima superxido dismutasa elimina el ion superxido
generando perxido de hidrgeno.
Este perxido de hidrgeno es eliminado por una peroxidasa, como
la glutatin peroxidasa, muy
importante. Sobre todo en eritrocitos.
2. Existen tambin molculas antioxidantes. A nivel sanguneo
encontramos, por ejemplo, la
bilirrubina. Otro ejemplo es el cido ascrbico.
Cuando las mitocondrias tienen un exceso de protones, el ciclo
de transporte de electrones puede verse
afectado. En este caso, la coenzima Q cedera los electrones
directamente al oxgeno generando
superxido. Este superxido puede generar la expresin de protenas
desacoplantes UCP, que se
encargaran de disipar el gradiente de protones excesivo.
En resumen, la presencia de superxido, generado por culpa del
exceso de protones en la mitocondria,
provoca la expresin de protenas que tienen como funcin acabar
con ese exceso de protones para
prevenir la generacin de ms superxido.
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2. Control de niveles de Superxido
El citocromo C puede es un activador de la apoptosis celular
cuando abandona la mitocondria para ir al
citosol. Este fenmeno se debe a la actividad de la proteasa
caspasa 9.
3. Produccin de radicales libres durante los tratamientos de
radioterapia
Un haz enfocado de radiacin produce un flujo de radicales
hidroxilo (de H2O) y radicales orgnicos en
el sitio del tumor, oxidando y destruyendo el ADN de la clula
tumoral y adyacentes.
