1 QUÍMICA BIOLÓGICA Lic. Cs. BIOLÓGICAS Prof. en BIOLOGÍALic. BIOTECNOLOGÍA QUÍMICA BIOLÓGICA 2015

2 Blog para el intercambio de información Área de Química Biológica - Universidad Nacional de San Luis Licenciatura en Bioquímica Farmacia Biología Molecular Ingeniería en Alimentos Analista Biológico Optativo en plantas Licenciatura en Nutrición Licenciatura en Química Licenciatura en Ciencias Biológicas - Prof. en Biología y Lic. en Biotecnología

3 PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMENLIC. CS. BIOLÓGICAS – PROF. BIOLOGÍA – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN BOLILLA 2: Transporte electrónico mitocondrial. Fosforilación oxidativa. Mitocondrias. Cadena respiratoria. Localización. Balance energético. Desacoplantes: proteínas desacopladoras. Inhibidores. Síntesis de ATP. Hipótesis quimiosmótica. Translocasas. Regulación de la fosforilación oxidativa. Oxidasa alternativa en vegetales. Luciferina-luciferasa. Transporte electrónico cloroplástico. Fotofosforilación y fotosíntesis. Proceso en plantas superiores. Reacciones luminosas. Captación de la energía luminosa. Cloroplastos y pigmentos. Transporte electrónico cíclico y no cíclico. Síntesis de ATP por fotofosforilación. Similitudes entre fosforilación oxidativa y fotofosforilación. Concepto unificador de la teoría quimiosmótica. Otros organismos fotosintetizadores. Sistema microsomal de transporte electrónico. Formación de compuestos oxígeno-reactivo. Radicales libres. Sistemas de protección.

4 Antes de profundizar…………….HAGAMOS UN DIAGNÓSTICO DE NUESTROS CONOCIMIENTOS PREVIOS….. ¿ QUÉ RECORDAMOS DE CURSOS ANTERIORES SOBRE CADENA RESPIRATORIA ?

5 HERRAMIENTAS PARA SU COMPRENSIÓNAntes de estudiar …… CADENA RESPIRATORIA Veremos …. HERRAMIENTAS PARA SU COMPRENSIÓN Concepto de Oxidación y Reducción: Oxidaciones biológicas Mitocondrias: estructura, función ATP: contenido energético

6 Oxidación y Reducción: Oxidaciones BiológicasConcepto de Oxidación y Reducción: Oxidaciones Biológicas

7 AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS O2 , GLÚCIDOS HETERÓTROFOSSOL FLUJO DEL MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIÓSFERA AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS CO2, H2O O2 , GLÚCIDOS HETERÓTROFOS

8 GLÚCIDOS LÍPIDOS PROTEÍNASDEGRADACIÓN POR OXIDACIÓN (Vía Glicolítica, Ciclo de Krebs) TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS REDUCIDOS COENZIMAS (NADH, FADH2) TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ADP O2 ATP H2O TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS OXIDADOS COENZIMAS (NAD+, FAD)

9 Desde el punto de vista químicoOXIDACIÓN Ganancia de oxígeno Pérdida de electrones Pérdida de hidrógeno REDUCCIÓN Pérdida de oxígeno Ganancia de electrones Ganancia de hidrógeno (en compuestos orgánicos) 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. Químicamente la oxidación se define como la pérdida de electrones y la reducción como la ganancia de ellos. En consecuencia la oxidación está siempre acompañada por la reducción de un aceptor de electrones. 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. La vida de los animales superiores depende en forma absoluta del suministro de oxígeno. 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

10 OXIDACIÓN-REDUCCIÓN O2 + e- OXIDACIÓN - - H O2 - REDUCCIÓN e- + H +

11 LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DELEN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN

12 POTENCIAL DE REDUCCIÓNPOTENCIAL DE REDUCCIÓN (E) DE UN ELEMENTO, ION O COMPUESTO ES SU TENDENCIA A GANAR ELECTRONES FRENTE A OTRO ELEMENTO, ION O COMPUESTO REACCIÓN REDOX 2 Na + Cl2 2 NaCl HEMIRREACCIONES Oxidación 2 Na Na e- Cl e Cl- Reducción

13 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 A 25°C , concentración 1M, pH 7 en sistemas biológicos. E´o con: 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

14 Potenciales de reducción estándar2 H e- → H V NAD+ + H+ + 2 e- → NADH V S H e- → H2S V FAD + 2 H+ + 2 e- → FADH V Acetaldehído + 2 H+ + 2 e- → etanol V Piruvato + 2 H+ + 2 e- → lactato V Cu+ → Cu2+ + e V Citocromo b (Fe3+) + e- → citocromo b (Fe2+) V Citocromo c1 (Fe3+) + e- → citocromo c1 (Fe2+) V Citocromo c (Fe3+) + e- → citocromo c (Fe2+) V Citocromo a (Fe3+) + e- → citocromo a (Fe2+) V Fe3+ + e- → Fe V ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O V

15 EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOSPROCESOS REDOX SE DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS

16 Catalizan reacciones de óxido- reducción Ared + Box Aox + Bred OXIDORREDUCTASAS Catalizan reacciones de óxido- reducción Ared + Box Aox + Bred A : es el reductor o dador electrónico; en el curso de 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 estar presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

17 DISTINTAS FORMAS EN QUE SE TRANSFIEREN ELECTRONES EN LA CELULA1.- Transferencia de 1 e-: Fe Fe++ 2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno (H+ + e-): AH2 + B A + BH2 3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-) porta 2 e- AH2 + NAD+ → A + NADH + H+ 4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O RCH2-OH

18 Representación esquemática de una oxidación biológicaBH2 (RED) Sustrato H2 C (OX) H2O AH2 (RED) B (OX) CH2 (RED) Sox ½ O2 Energía E E E O2 S Escala de Potencial de Reducción E´o (-) E´o (+)

19 Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

20 OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS)Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas (en la matriz mitocondrial) Deshidrogenasas ligadas a FAD ó flavínicas H- AH2 + NAD A + NADH + H+ AH2 + FAD (FMN) A + FADH2 (FMNH2) e- + H+

21 FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGARLA MITOCONDRIA FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

22 MITOCONDRIA ¿En qué sitio celular ocurre la Cadena Respiratoria?Microfotografía electrónica Esquema

23 Anatomía bioquímica de la MitocondriaLehninger A. L., 4ª Edic

24 CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICOCadena Respiratoria o Cadena de Transporte Electrónico: Grupos de moléculas aceptores de hidrógeno y/o e- (H y e- : “Equivalentes de Reducción”) dispuestos en la membrana mitocondrial interna. Los componentes actúan secuencialmente en orden creciente según sus potenciales de reducción. Reciben equivalentes de reducción de NADH Y FADH2 producidos en la matriz. La energía que se libera durante la transferencia electrónica está acoplada a varios procesos endergónicos entre los que se destaca la síntesis de ATP.

25 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 determina la formación de un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

26 COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICOFLAVOPROTEINAS: 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-

27 Componentes de la Cadena de transporte electrónicoComplejo 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

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29 Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1Fumarato Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA FAD Fe-S II NADH FMN Fe-S I NAD+ e- Succinato Fe-S Fe III Coenzima Q Fe Cit.c Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 Fe/Cu O2 IV Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Cit.a Cit a3 Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA

30 Reacciones que proveen de NADH a la cadena respiratoriaPiruvato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa Malato deshidrogenasa a-cetoglutarato deshidrogenasa CICLO DE KREBS Cadena Respiratoria Sustrato + NAD Producto + NADH + H

31 REACCIONES DEL COMPLEJO INADH + H NAD e- + H+ (Eo= - 0,32 V) FMN e H FMNH (Eo= - 0,22 V) NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+

32 NIACINA O VITAMINA B3 RIBOFLAVINA O VITAMINA B2│ │H Nicotinamida + NAD (NADP) FAD (FMN) Intervienen como cofactor enzimático en el metabolismo energético de macronutrientes

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36 Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

37 COMPLEJO II Succinato-coenzima Q oxidorreductasa Coenzima: FADProteínas 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

38 CAMINO DE LOS ELECTRONES desde el COMPLEJO III al O2½ O2 + H+ CoQH2 Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Cit. b566 Cit. b562 Cit. c1 Cit. c Cit. a.a3 Fe-S CoQ H2O Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Fe++ Fe+++ Complejo III Complejo IV

39 Cadena de Transporte de Electrones. Feduchi, Blasco, Romero, YañezCadena de Transporte de Electrones. Feduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición

40 BIBLIOGRAFIA “Química Biológica”- Autor: Antonio blanco- Editorial El Ateneo-Reimpresión 8° edic.-2007 “Química Biológica”-Lehninger A. L., 4ª Edic. (2007) “Lo Esencial en metabolismo y Nutrición”-Cursos Crash de Mosby- Autor: Sarah Benyon-Ed. Harcourt Brace- 1°Ed. 1998