1 QUÍMICA BIOLÓGICA- LIC. EN NUTRICIÓNTEMA 2 Cadena respiratoria. Ubicación celular. Componentes de la cadena respiratoria. Función. Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP. Acción de Inhibidores: inhibidores de la fosforilación, inhibición del transporte electrónico. Desacoplantes. Control respiratorio. Otros sistemas de transporte electrónico: metabolismo de xenobióticos (Citocromo P450). Importancia de las vitaminas en el funcionamiento de estas vías.

2 Cómo utiliza la célula la energía almacenada en los compuestos?OXIDACIONES BIOLÓGICAS

3 Compuestos con uniones ricas en energíaHidratos de carbono GLUCOSA Compuestos con uniones ricas en energía OXIDACION Lípidos ACIDOS GRASOS NADH FADH2 ATP O2 Proteínas AMINOACIDOS

4 OXIDACIONES BIOLÓGICASLos 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.

5 MECANISMOS DE SINTESIS DE ATPFOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO FOSFORILACION OXIDATIVA HIDRÓLISIS DE UNA UNION DE ALTA ENERGIA CADENA RESPIRATORIA O2

6 ES EL PRINCIPAL INTERMEDIARIO DE ALTO CONTENIDO ENERGÉTICO

7 Compuestos con uniones ricas en energía

8 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

9 OXIDORREDUCTASAS EN LOS SISTEMAS REDOX LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBREPUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL POTENCIAL DE OXIDACIÓN – REDUCCIÓN LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS REDOX SE DENOMINAN OXIDORREDUCTASAS

10 Catalizan reacciones de oxido- reducción Ared + Box Aox + BredOxidorreductasas Catalizan reacciones de oxido- 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

11 Estas reacciones son fuertemente exergónicas, en las cuales para evitar una liberación brusca de energía, no aprovechable por la célula, se libera en forma fraccionada.

12 DISTINTAS FORMAS EN QUE LA CELULA PUEDE TRANSFERIR ELECTRONES1.- 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-) AH2 + NAD+ → A + NADH + H+ 4.- Transferencia de e- desde un reductor orgánico al oxígeno: R-CH3 + ½ O RCH2-OH

13 TRANSPORTADORES DE ELECTRONESEn 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.

14 ENZIMAS DESHIDROGENASASGran 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).

15 OXIDORREDUCTASAS (DESHIDROGENASAS)Deshidrogenasas ligadas a NAD ó nicotinamídicas AH2 + NAD A + NADH + H+

16 REACCION DE REDUCCION DE NAD+.. H H + H+ │ R R │ │H + :H- (ion hidruro) Anillo de nicotinamida NAD OXIDADO NAD REDUCIDO

17 Deshidrogenasas ligadas a FAD ó a FMNAH2 + FAD (FMN) A + FADH2 +(FMNH2) El FAD tiene además un nucleótido de adenina unido al fosfato P-Ribosa-Adenina

18 FLAVINA R . H + - Anillo isoaloxacina R e- + H+ e- + H+ R H

19 Flujo de electrones en las oxido-reducciones biológicas

20 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

21 Estructura mitocondrial

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23 Destino de los equivalentes de reducciónC. de Krebs Memb.interna Espacio intermemb. Memb.externa Crestas mitoc. Matriz

24 CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICOLos 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 se encuentran ordenados en orden creciente de sus potenciales de reducción. El aceptor final de electrones es el oxígeno. 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 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

26 COMPONENTES DE LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICOFLAVOPROTEINAS: FMN ó FAD: Transportan 2 e- y 2 H+ PROTEINAS FERROSULFURADAS: transportan e- (Fe Fe++) COENZIMA Q ó UBIQUINONA: Quinona isoprenoide no proteica.Transporta 1 e- y libera 2 H+ a la matriz. CITOCROMOS b, c, c1, a, a3: Proteínas que contienen un grupo hemo. Transportan 1 e-

27 REACCION DE LA UBIQUINONARadical semiquinona R H R Ubiquinona (UQ) e- + H+ e- + H+ R H Ubiquinol (UQH2)

28 Estructura de los citocromosHemo A (Citocromo a y a3) Estructura general de citocromo c y c1

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30 Complejos de la Cadena de transporte electrónico-Citocromo cComplejo 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

31 H2O Fumarato FAD e- Succinato NADH e- II Fe-S e- NAD+ FMN I III Cit.cComplejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA FAD Fe-S II e- NADH FMN Fe-S I NAD+ e- Succinato e- Fe-S Fe III Coenzima Q Fe Cit.c Complejo I NADH UBIQUINONA REDUCTASA Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 Fe/Cu O2 IV Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Cit.a Cit a3 Complejo IV CITOCROMO OXIDASA H2O

32 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+

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

34 Camino de los equivalentes de reducción en el Complejo I

35 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

36 Deshidrogenasas que entregan electrones a la UbiquinonaAcil-CoA deshidrogenasa Glicerol-3-fosfato deshidrogenasa FADH2 ETFP CoQ ETFP-ubiquinona oxidorreductasa FADH2 CoQ

37 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

38 Esto constituye un gradiente de protonesLa 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.

39 La transferencia de electrones desde el NADH a través de la cadena respiratoria hasta el O2 es un proceso altamente exergónico. La mayor parte de esa energía se emplea para bombear protones fuera de la matriz. Por cada par de electrones transferidos al O2  los complejos I y III bombean 4 H+ y 2 el complejo IV. El complejo II no transfiere H+ ya que no atraviesa la membrana interna como los demás. Así esta energía electroquímica generada por el gradiente protónico impulsa la síntesis de ATP.

40 Ordenamiento de los componentes de la cadena respiratoria

41 SINTESIS DE ATP TEORIA QUIMIOSMOTICAH+ MATRIZ ESPACIO INTERMEMBRANA H+ H+ e- e- e- e- H+ H+ H+ H+ H+ H+ 3 ATP

42 H+ H+ H+ e- e- e- 2 ATP H+ H+ H+

43 TRANSLOCACION DE PROTONES Y SINTESIS DE ATP31

44 POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICAMembrana mitocondrial impermeable a protones Expulsion de H+ durante el transporte de electrones Formación de un gradiente electroquímico (H+ y cargas positivas) El pasaje de los H+ a través de Fo activan la ATP sintasa

45 INHIBIDORES Inhibidores del transporte electrónicoInhiben solamente el transporte de e- Inhibidores de la fosforilación Inhiben la síntesis de ATP , indirectamente el 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

46 Sitios de bloqueo por inhibidores

47 ACCION DE INHIBIDORES CN- CO Inhiben la citocromo oxidasa Antimicina A (antibiótico) bloquean citb/citc1 Rotenona (insecticida) Amital (barbitúrico) Inhiben Fe-S/CoQ NADH FMN Fe-S CoQ cit b Fe-S cit c1 citc cit a cit a3 O2 (-0.32) (+0.82) Tetrametil p-fenilendiamina Aceptores artificales de electrones Azul de metileno 2,6 diclorofenol indofenol Ferricanuro

48 INHIBIDORES DE LA FOSFORILACIÓNOligomicina: Bloquea el flujo de protones a través de Fo. Se inhibe la síntesis de ATP Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa deteniéndose el transporte de electrones.

49 DESACOPLANTES Actúan como ionóforos eliminando el gradiente de protones. O- 2,4 Dinitrofenol (DNP) + H+ Forma protonada que atraviesa la membrana

50 Relacion P/O en presencia de Inhibidoresc/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I c/Inh. del COMPLEJO I P/O = 0 e- e- e- (Q al O2) Sustrato: NADH e- e- e- P/O = 3/1 Sin Inhibidor Sin Inhibidor c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II e- e- e- P/O = 3/1 C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES P/O = 0/1 e- e- e- e- e- e- e- e- e- (Q al O2)

51 Sustrato: FADH2 P/O = 2 P/O = 0 P/O = 2 P/O = 0 c/Inh. del COMPLEJO Ie- e- e- (Q al O2) e- e- e- Sin Inhibidor Sin Inhibidor P/O = 0 c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II c/Inh. del COMPLEJO II e- e- e- (Q al O2) P/O = 2 C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES C/ DESACOPLANTES P/O = 0 e- e- e- e- e- e- e- e- e- (Q al O2)

52 CONTROL RESPIRATORIO 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.

53 Otros sistemas de transporte electrónicoMetabolismo de xenobióticos

54 Localización: Microsomas y peroxisomas OXIDASAS Y OXIGENASAS Localización: Microsomas y peroxisomas No asociados a la producción de ATP Usan O2 como sustrato No incorporan O2 Oxid. OXIDASAS OXIGENASAS Incorporan un átomo del O2 MONOXIGENASAS DIOXIGENASAS Incorporan los 2 átomos del O2

55 MONOOXIGENASAS u OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA ó HIDROXILASASAH + BH2 + O=O A-OH + B + H2O Sustrato principal NADH, NADPH, FMNH2, FADH2, BH4 Co-Sustrato 1 O se incorpora al sustrato y el otro O forma agua CITOCROMO P-450 Hidroxilación de esteroides Hidroxilación de fármacos Hidroxilación de xenobióticos CITOCROMO b5 Desaturación de ácidos grasos

56 ESQUEMA DE REACCION Y UBICACIÓN CELULAR DEL CITOCROMO 450RH O2 NADPH NADP+ R-OH H-OH CY P450 CITOPLASMA MEMBRANA RETICULO ENDOPLASMICO

57 Esquema de reacción donde interviene un Citocromo P450H2O Sustrato Sustrato hidroxilado CytP450 (red) CytP450 (oxid) RH NADPH Reducido Oxidado Citocromo P-450 Reductasa (Fe-S) Citocromo P-450 reducido O2 NADP+ H2O Reducido ROH Oxidado