Bioqui Tanscripcion Cadena Respiratoria

Martes 20 de marzo del 2007 Dra. Silvia Quesada Mora

Transcripción: Cadena Respiratoria Cuando se habla del ∆G (energía libre de Gibbs, es la que puede dar un trabajo útil) de una reacción se especifica si ésta es exergónica o endergónica., en sentido izquierda a derecha, es decir, hacia la formación de los productos. En el organismo humano se habla de reacciones de estos dos tipos. Cuando la reacción es exergónica se libera energía, la cual es capaz de producir un trabajo útil. Por el contrario, si es endergónica, se va a necesitar energía para que la reacción se de. En los sistemas celulares, no se dan reacciones simples, sino que se presentan vías metabólicas. Hay que tomar en cuenta que los ∆G de cada reacción individual se suman para dar un todo al final. Por ejemplo, no sólo se da la formación de B a partir de A. A→ B →C→ D→ E →F Puede ser que tenga una reacción endergónica y que la siguiente sea exergónica. La reacción se va a dar siempre y cuando el ∆G total sea negativo. De esta manera, algunas reacciones necesitan energía, otras la liberan y se acoplan las reacciones, las que necesitan energía se acoplan a las que liberan y de esta forma se forma el producto de dicha reacción. Ejemplo: glucosa + P = glucosa-6P ATP→ ADP + P ∆G: +13.8 Kj/mol ya no se usan kcal ∆G: -30.5 Kj/mol La hidrólisis del ATP es importante sabérselo porque el rompimiento de esta molécula genera un P libre que puede ser utilizado por la glucosa para formar glucosa-6P y formar ADP (-16.7 Kj/mol, es una reacción termodinámicamente posible) Obviamente, siempre sobra algo de energía, no se puede usar el 100% de toda la energía liberada en la reacción. Los ∆G =0 se dan cuando la reacción está en equilibrio y nosotros no estamos en equilibrio, si lo estuviéramos no metabolizaríamos. Fosforilación a nivel de sustrato: involucra un compuesto de alta energía, no necesariamente el ATP, se da un rompimiento de enlaces, este proceso es el que brinda la energía y produce un producto mucho más estable que el compuesto original, estabilizándose la molécula. ¿Por qué el ATP es una molécula rica en energía? (adenina, ribosa y tres P) Por sus dos enlaces fosfodiéster o anhidro. El enlace entre el primer fosfato y la ribosa no es tan rico energéticamente porque no hubo un gasto energético. En cambio, el enlace con el fosfato con carga negativa requirió de una gran cantidad de energía para pegarse al fosfato que sigue. (∆G:-30.5kJ/mol). Cuando el ATP se hidroliza se descompone en ADP y P, ese P es el que se estabiliza por resonancia. Eso estabiliza la molécula y libera la energía. El rompimiento del ATP se da por una hidrolasa. Cuando el ATP pasa AMP queda un grupo pirofosfato libre, liberándose la misma cantidad de energía libre de Gibbs. Otros compuestos ricos en energía y que tienen grupos fosfato son (liberan más de -30.5 kJ/mol): 1,3-difosfoglicerato (-40 kJ/mol), el fosfoenolpiruvato (-60kJ/mol), la fosfocreatina(-40kJ/mol), etc. Estos compuestos producen ATP a partir de su hidrólisis.

Por esta razón es que la gente toma creatina, para así aumentar las reservas de fosfocreatina y así facilitar su hidrólisis, formar ATP y favorecer la acumulación de fibras musculares. El ATP no es el compuesto más energético que existe en nuestro organismo, sino que existen otros que a partir de su hidrólisis forman ATP que puede ser usado por la célula para sus funciones metabólicas y para la fosforilación de moléculas por ejemplo. Pares redox: ¿qué pasa con los electrones que le quitamos a los alimentos? Uno le da los electrones al otro. Fe2+ + Cu+2 →Fe 3+ + Cu+1 Quién dona y quién recibe electrones tiene que ver con la afinidad por los electrones. El que se oxida es el que tiene menos fuerza para retener a los electrones. Cuando se habla de afinidad se habla de potencial estándar de reducción. (en Voltios, el H 2 tiene afinidad de 0, todos los átomos con afinidades menor que la del hidrógeno tienen potenciales negativos y todos los que tienen afinidades mayores que las del H 2 tiene potenciales de reducción positivos.) Por medio de tablas y puentes salinos se determina cuál de los participantes se reducen y se oxidan. Tiene que quedar claro que el hidrógeno en su orbital más externo tiene dos protones y dos electrones. Por otro lado, el O 2 es el elemento que tiene el potencial estándar de reducción más alto (0.816) y el más bajo lo tiene la ferredoxina. Ejemplo: Fumarato que se convierte en succinato porque recibe dos electrones y dos protones y viceversa si los pierde. NAD acepta un protón y dos electrones y se convierte en NADH + H+ Cada vez que los electrones pasan de un compuesto a otro se libera energía. ∆G= n( # de electrones que suelen ser 1 o 2) γ (constante de Faraday=96.5 Kj/Vmol) ∆E (potencial estándar del aceptor –potencial estándar del donador) El ∆G siempre va a dar negativo y se da en V, por lo que queda en Kj /mol. El ∆G es directamente proporcional al cambio en el potencial estándar de reducción, lo que quiere decir que entre mayor sea la diferencia entre los potenciales estándar de los dos compuestos mayor es el ∆G y por ende la energía liberada. Fosforilación oxidativa: se lleva a cabo en la mitocondria de la célula, la cual tiene una coloración rojiza. Tiene una membrana interna con crestas y cuya superficie es sumamente selectiva, cuenta con una gran cantidad de proteínas(75-80%, las crestas aumentan la superficie) y otra membrana externa parecida a la membrana celular. En la membrana interna es donde se va a llevar a cabo el transporte de electrones, específicamente la oxidación (excepto glicólisis que se da en el citoplasma). NADH y FADH2 dejan los electrones para formar el ATP. Membrana interna: cuenta con una serie de complejos protéicos. Tienen grupos prostéticos que se encargan de aceptar o donar electrones. Está el complejo I, el II, el grupo ubiquinona libre (UB), complejo III, citocromo C, complejo IV. Los electrones que vienen del NADH y del FADH2 ingresan por cada uno de los complejos y al final el que los acepta es el oxígeno, por lo que se convierte en agua metabólica (1/2 O2 + 2H+ + 2e=H20). Existen otros citocromos como el A, el C1, el B, etc. A su vez el oxígeno se acopla por medio de la respiración; respiramos para tener oxígeno, éste va en la hemoglobina y entra a las mitocondrias de los tejidos. Por ejemplo, los camellos tienen jorobas de agua porque forman mucha agua metabólica al poseer la capacidad de oxidar muchos ácidos

grasos. La respiración celular o cadena respiratoria es el paso de los electrones por todos los complejos. ¿Pq es importante que los compuestos e- vayan de un compuesto a otro? Vamos de mayor afinidad por los electrones a menor afinidad. Asimismo, el paso de los e- de un compuesto a otro resulta en la liberación de energía, que depende de los potenciales estándar de reducción de los donadores y aceptores. Hay que recordar que el FAD (flavín adenín dinucleótido o si uno sólo es FMN: flavín mononucleótido, tienen un anillo que es el que acepta los e-) es capaz de aceptar dos protones y dos e- para convertirse en FADH2. También a veces se habla de NADP por la presencia de un grupo fosfato, sin embargo es más importante el NAD (nicotin amida dinucleótido) que acepta un protón y dos electrones, el otro protón queda en solución. Por ejemplo, en el complejo I vamos a tener al FMN y a proteínas sulfoferrosas que van a aceptar o donar los electrones. En el complejo II, hay un par covalente, que está unido al FAD. Aquí está la enzima succinato deshidrogenasa así como otras enzimas las cuales pueden convertir al FAD en FADH2. Luego está la Ubiquinona o Coenzima Q (hay algunas cremas con ubiquinona) que acepta dos electrones y dos protones, por lo que se convierte en QH2. Posteriormente siguen los citocromos en el complejo III, similares a la hemoglobina porque comparten un grupo hem. (los del complejo III son el C1 y el B y tienen Fe 2+ que le da su coloración roja a la hemoglobina y a las mitocondrias) y va aceptando los electrones de uno en uno. Los citocromos sólo transportan electrones, no protones. También hay un citocromo A y otro A3 que puede tener cobre que recibe los e- y está presente en el complejo IV (complejo de la citocromo oxidasa), es de aquí de donde salen los electrones para formar agua y unirse al oxígeno. Recapitulando: en la membrana interna dando hacia la matriz mitocondrial (en la matriz es donde se da el ciclo de Krebs u oxidación de ácidos grasos y carbohidratos) NADH entrega los e- en el complejo I, los recibe el FMN que se los pasa a las proteínas sulfoferrosas (tienen grupos cisteína que interaccionan con el hierro) para después pasar a la ubiquinona. En el complejo II, la succinato deshidrogenasa (enzima del ciclo de Krebs que convierte FAD en FADH2), del complejo II o del complejo I pasan los e- a la ubiquinona. El FADH2 no es el único que puede donar e- a nivel del complejo II. Entonces decimos que hay dos entradas a la Ubiquinona, que pasa los e- al complejo III respectivamente al citocromo B y luego al C1, después al C, por último al complejo IV pasando por el citocromo A y A3 (complejo citocromo oxidasa, el cual tiene átomos de cobre). El complejo IV entrega los e- al O2 para formar agua. La cadena respiratoria es entonces el paso de e- del NADH o del FADH2 hasta llegar al oxígeno. La energía que se libera no siempre es mucha pero hay tres puntos en los cuales la energía liberada es suficiente para liberar H+ de la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. En la transferencia de e- del NADH al complejo I libera cuatro protones al espacio intermmebranal, así como entre el citocromo B y el C1 (se liberan 4 protones), o cuando los es e- pasan del complejo IV al oxígeno para formar agua (se liberan 2 protones). Si es el FADH2 se transportan 6 protones. Tener en cuenta que los protones son los que son liberados al espacio intermembranal y los que van caminando hacia el O2 son los e-. Ejemplo: Compuesto A con un potencial estándar de reducción X y compuesto B con otro potencial (los dos son negativos). Recordar que el que tiene mayor número es el aceptor. Si da positivo está malo.

Algo muy importante es que el paso de e- (electrones) me va a dar suficiente energía para transportar protones al espacio intermembranal. Aquí una estudiante le pregunta a la profe si el FMN forma parte del complejo II pero es del complejo I. La liberación de protones de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana ocasiona un cambio de pH y ocasiona que se vuelva ácido. A su vez, crea una diferencia de cargas. Las cargas positivas van al espacio intermembranal y esto causa que adentro en la membrana interna esté cada vez más negativo. Por su parte, el pH ácido en el espacio intermembrana genera una fuerza protón motriz originada por la diferencia en pH y carga (adentro está más alcalino). Los protones van a querer entrar a la matriz porque son atraídos por la carga negativa de los electrones y eso es la fuerza en sí misma. Es preciso tener en cuenta que la membrana interna de la mitocondria es selectiva por la abundancia de proteínas, sin embargo hay dos sitios donde esos protones pueden reingresar para igualar cargas y estabilizar el pH y son el sitio F0 y F1. Son proteínas integrales de membrana. La primera es la que forma el canal y atraviesa la membrana interna de lado a lado mientras que el segundo complejo protéico tiene actividad enzimática; es una ATPasa y tiene actividad de ATP sintasa. Los protones sólo pueden ingresar por esos sitios, cada vez que los protones entran se activa la ATPasa para fosforilar un ADP y así formar el ATP. Eso es lo que se conoce in situ como fosforilación oxidativa. Si no hay cadena respiratoria no hay fosforilación oxidativa (una está acoplada a la otra) porque si no hay paso de e- hacia el oxígeno no van a haber protones queriendo salir y entrar del espacio intermembranal hacia la membrana interna. Es importante tomar en consideración que cada 4 protones que pasen por el complejo F0-F1 se produce un ATP. De esta manera se producen 2,5 ATP por cada NADH que entra al transporte de electrones, mientras que por cada FADH2 que entra en la cadena respiratoria se producen 1,5 ATP. ¿Pq no usar una bomba para pasar esos protones? Porque estaría gastando ATP para pasar esos protones en vez de estarla produciendo. Hay agentes desacoplantes entre cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. (Acoplamiento significa que una cosa no se puede dar sin la otra.) Regulación del transporte de e- y de la síntesis de ATP en la célula La misma concentración de ATP y ADP y la velocidad de transporte de e- hacia el oxígeno es un mecanismo clave en la regulación de la síntesis de ATP. Asimismo el transporte de protones para que se de la fuerza protón motriz y así estos ingresen hacia la formación de ATP depende la concentración de ATP y ADP. Si hay mucho ATP se hace más lento o disminuye el paso de e- por la cadena respiratoria. Se puede medir el consumo de oxígeno, la formación de agua o la síntesis de ATP para saber cuál es la velocidad de transporte de e-. Es entonces esa relación de ATP –ADP la que regula la velocidad con la que se da el transporte de e- y la cantidad de fuerza protón motriz para la síntesis de ATP. Si hay poco ATP y mucho ADP (porque el ATP se degrada) se internaliza una señal y aumenta la velocidad de transporte de e-, y se puede medir esto con los indicadores que ya mostramos. Nunca se va a tener un exceso de ATP o de nucléotidos en grandes cantidades porque siempre se está nivelando y disminuyendo cuando se necesita. La parte F1 de la ATPasa tiene 3 cadenas diferentes de proteínas; 3 beta y 3 alfa y una gamma. El hecho de que lo protones ingresen por ahí hacen que la molécula rote. En la

parte F1 se unen el ADP y el P en el sitio catalítico, pero no se da la unión hasta que no se da un cambio conformacional permitido por el paso de los H+ que hace que se active la ATP sintasa. Todo está listo para armarse pero es el paso de los protones lo que genera el cambio conformacional. Inhibidores de la cadena respiratoria Son sustancias que bloquean el paso de los e-. El paso del citocromo B al C1 va a pertenecer al complejo III mientras que el citocromo A y el A3 es del complejo IV. La rotenona es un compuesto producido por plantas tóxico que inhibe el paso de los e- del complejo I al complejo Q. Si se mide consumo de oxígeno en presencia y en ausencia de rotenona se ve que no se inhibe del todo porque todavía entraba FADH2 al complejo II. La formación de agua disminuye y la síntesis de ATP dismninuye al igual que la del oxígeno. La antimicina A es otro compuesto producido por ciertos hongos e inhibe el complejo III (entre el citocromo B y el C1), lo cual bloquea el consumo de oxígeno, se bloquea el paso de e-; la síntesis de ATP se detiene. No hay paso de protones tampoco. Cianuro de monóxido de carbono y acida de sodio: actúan entre el complejo IV y la entrega de los e- al oxígeno. No se forma agua directamente. Todo se bloquea porque los complejos se quedan con los e-. Son muy tóxicos, no sólo afecta la respiración celular sino que desplaza el oxígeno en la hemoglobina y se une al grupo hem. No hay síntesis de ATP, consumo de O2 ni producción de agua. 2,4 dinitrofenol: es un desacoplante de la cadena repiratoria. Si no hay fuerza protón motriz no hay síntesis de ATP porque los e- no van a querer entrar. Se dice que este compuesto adelgasa porque transporta protones del espacio intermembranal hacia la matriz mitocondrial. Ese gradiente se disipa, ya no hay cambio de pH ni diferencia de cargas. Si no hay gradiente y lo protones no entran por F0 y F1 se diminuye la concentración de ATP, aumenta la cadena respiratoria, los e- vienen del metabolismo de carbohidratos y de los ácidos grasos y las personas se enflaquecen. Empezaron a morir ciertas personas porque había aumentos drásticos de temperatura. Esto comprobó que la fosforilación oxidativa está acoplada a la cadena respiratoria. A través de la membrana interna de la mitocondria se debe dar el paso de otras sustancias a través de proteínas translocasas que son muy importantes para el mantenimiento de la materia prima. Si el ADP se une al P para formar ATP necesito ambos componentes; de nada me sirve sintetizar ATP si ese ATP se queda ahí y no va al citoplasma. Mecanismo que saca el ATP y mete el ADP es un mecanismo antiporte. También necesitamos grupos fosfato que van a favor del gradiente de protones y es un mecanismo simporte. En la matriz mitocondrial es donde se dan la mayoría de oxidación de los compuestos. F0 : la oligomicina es un componente que bloquea el ingreso de protones y la síntesis de ATP, la cadena de paso de e- podría aumentar pero llega un momento en el que se bloquea porque no pueden pasar los e- al oxígeno. Proteínas desacoplantes: son las UCP y se encuentran en diferentes tejidos. En los bebés recién nacidos y en los animales que hibernan existe el tejido adiposo pardo con gran cantidad de mitocondrias con UCP -1 en su membrana. Ellas transportan protones como el 2,4 dinitrofenol. Ayudan a la termogénesis cuando estos animales bajan su metabolismo basal y su temperatura. Con el frío se libera en sus organismo la noradrenalina que tiene un receptor en las células del tejido adiposo, produce AMPc, que activa la PKA, la cual fosforila la triglicerol lipasa. Cuando las lipasas se activan actúan

sobre triglicéridos que están sobre las células adiposas y liberan ácidos grasos. Esta liberación estimula a las UCP-1 y ellas empiezan a transportar protones y desacoplan la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. Esta vía se inactiva en el momento en el que no hay más ácidos grasos libres. Nota: Cada NADH que entrega electrones al oxígeno produce indirectamente -219 kJ /mol. Podemos sintetizar 2.5 ATP con esos -219 Kj/mol, teóricamente son 7. Si fuera como en la teoría se gastaría demasiada energía para producir realmente muy poco. En la realidad, la energía se libera poco a poco.