Bioquimica Basica Unidad V
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PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA BIOQUÍMICA BÁSICA 2012 Dagmar Stojanovic de Malpica Ph D Escuela de Biología, Facultad de Ciencias, U.C.V. PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV UNIDAD V. PANORÁMICA DEL METABOLISMO CENTRAL D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV CONCEPTOS BÁSICOS D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Metabolismo § Los seres vivos son máquinas químicas § Obtienen sus componentes y energía mediante reacciones químicas § Al conjunto de reacciones químicas en un ser vivo se denomina metabolismo § La inmensa mayoría de las reacciones químicas se producen en el interior de la célula § Por ello es imprescindible conocer el metabolismo celular para comprender el metabolismo general de un individuo D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Mapa metabólico en una célula La célula tiene un intricado mapa de reacciones químicas, no obstante existen rutas comunes con un mismo destino D. Stojanovic de Malpica, Ph D e interconectadas con otros destinos PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Catabolismo § § § Reacciones químicas conducentes a la degradación de nutrientes orgánicos (carbohidratos, aminoácidos y grasas, ricos en energía libre) en productos sencillos (CO2, H20 y NH3) Son exergónicas Parte de la energía liberada se utiliza para: Sintetizar ATP, NADH + H+, NADPH + H+ , y FADH2 Mantener la direccionalidad de las reacciones D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Anabolismo § § § Reacciones químicas conducentes a la síntesis de macromoléculas (polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos) a partir de moléculas precursoras sencillas (monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos ) Son endergónicas Requieren del suministro de energía como ATP y NADPH + H+ D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El ATP vincula el catabolismo con el anabolismo Nutrientes que contienen energía libre: Carbohidratos Grasas Proteínas Productos finales carentes de Energía: CO2 H 2O NH3 Catabolismo Energía química Proteínas Polisacáridos Ácidos Nucleicos Lípidos Moléculas Precursoras: Anabolismo Aminoácidos Azúcares Bases Nitrogenadas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Rutas metabólicas y metabolitos Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3 Enzima 4 Enzima 5 § Serie de reacciones químicas consecutivas que transforman unas moléculas en otras conducentes a un producto final § Cada reacción consecutiva es catalizada por una enzima diferente § El producto de la acción de una enzima es el sustrato para la acción de la siguiente enzima § Las rutas metabólicas pueden ser catabólicas o anabólicas § Intermediarios metabólicos (metabolitos): los productos B, C, D y E son metabolitos D. Stojanovic de Malpica, Ph D Las rutas catabólicas son convergentes Las rutas anabólicas son divergentes Catabolismo convergente: Intermediario común Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) Ruta cíclica PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Anabolismo divergente: D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Metabolito anfibólico § § § Pueden ser utilizados tanto para la síntesis (anabolismo) como para la degradación (catabolismo) Por ejemplo, el acetato es consumido en la ruta cíclica del ácido cítrico, y sirve como precursor en la síntesis de lípidos Varios de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico (Ciclo de Krebs) también cumplen una función dual, participan tanto en reacciones catabólicas como en reacciones anabólicas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Homeostasis y la regulación del metabolismo § § § Los organismos vivos no se encuentran en equilibrio con el ambiente No obstante, se encuentran en estado estacionario, dinámico porque mantienen una concentración constante de sus componentes, a expensas del intercambio de nutrientes y energía con el ambiente, y eliminación de productos de desecho Cuando el estado estacionario se perturba por algún cambio circunstancial interno o en el ambiente, el flujo de metabolitos a través de las rutas metabólicas se altera (cambio de velocidad) y dispara mecanismos regulatorios, intrínsecos a cada ruta, con el efecto neto de regresar el organismo a su estado estacionario (homeostasis) D. Stojanovic de Malpica, Ph D Regulación del flujo de una ruta metabólica La regulación del flujo de una ruta metabólica se establece en los pasos en el cuales las reacciones están limitadas por la actividad de la enzima (enzimas regulatorias o alostéricas P.e. la reacciones B →C; E →F, H →I, la concentración del sustrato no está en equilibrio con el producto porque la reacción es demasiado lenta (limitada por la actividad de la enzima), por lo que el sustrato se acumula (B, E, H); son mayoritariamente exergónicas e irreversibles; la única manera de aumentar la velocidad de flujo es aumentando la actividad de la enzima (regulación alostérica) que puede ser intrínseca a la ruta o estar bajo el control por hormonas Reacción limitada por la actividad de la enzima Reacción limitada por el sustrato Las reacciones restantes (A→B, C→D y D→E, F→G→H) están limitadas por el sustrato; son catalizadas por enzimas no regulatorias muy activas (flechas azules) tan pronto reciben el sustrato lo convierten en producto; la concentración del sustrato y del producto son próximas a las que existen en el equilibrio (reversibles) Toda ruta metabólica posee por lo menos una reacción limitante de flujo que determina el flujo de la vía y que, de a cuerdo a él, se adecúan las velocidades de las otras reacciones de la ruta PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV CATABOLISMO D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV RESPIRACIÓN CELULAR D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La respiración celular § Se refiere a ocurren dentro energía química otra forma de ATP los procesos catabólicos que de la célula, que convierten la de los nutrientes orgánicos en energía química, conocida como § El ATP es la moneda energética requerida por la célula para realizar trabajo celular § Puede ocurrir en presencia de oxígeno (respiración aeróbica) o en ausencia (respiración anaeróbica) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Respiración aeróbica § La mayoría de las células procariotas, y eucariotas realizan la respiración aeróbica § Es una forma de respiración celular que requiere oxigeno molecular (O2) § Es un proceso redox exergónico en el que los nutrientes orgánicos se oxidan en presencia de O2, a CO2 y H20 y la energía liberada se utiliza para la síntesis de ATP § La mayoría de las células emplea la respiración celular aeróbica para obtener energía a partir de la glucosa § L a g l u c o s a e n t r a a l a c é l u l a a t r a v é s d e transportadores específicos localizados en la membrana plasmática D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Reacción global de la respiración aeróbica Oxidación Glucosa (C6H1206) + 6 O2 →6 CO2 +6H20 +Energía (38 ATP) Reducción ΔG´o = -2840 kJ/mol = el 40% de la energía es aprovechada por las células para sintetizar 38 ATP § El CO2 se produce por la eliminación de átomos de hidrógeno de la glucosa § El agua se forma cuando el oxigeno acepta los átomos de hidrógeno § Dado que la transferencia de átomos de hidrógeno es equivalente a la transferencia de electrones, se trata de una reacción redox donde la glucosa se oxida y el oxígeno se reduce D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV En las células la oxidación de la glucosa no es una combustión simple § Esta reacción en la células no ocurre en un solo paso porque de ser así la energía se liberaría solo como calor, el cual no puede ser aprovechado por la célula § La respiración aeróbica se efectúa a través de una serie de reacciones redox consecutivas en las cuales los átomos de hidrógeno de la glucosa son transferidos al oxígeno (vía coenzimas reducidas, NADH + H+ y FADH2 ) en una serie de pasos § Durante estos pasos la energía se libera en pequeñas fracciones que es utilizada para la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi; este proceso está bajo el control de enzimas específicas D. Stojanovic de Malpica, Ph D D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El catabolismo de la glucosa Cadena respiratoria Fosforilación oxidativa PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV ¿En cuál (es) lugar (es) de la célula ocurre la respiración aeróbica § § Procariotas: en el citoplasma y la membrana plasmática Eucariotas: en el citoplasma y la mitocondria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Distintos estructuras de la mitocondria participan en la respiración aeróbica ADN Cresta Matriz mitocondrial Ribosomas Membrana interna mitocondrial Espacio intermembrana Membrana externa D. Stojanovic de Malpica, Ph D D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El catabolismo de la glucosa Cadena respiratoria Fosforilación oxidativa PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Las cuatro fases consecutivas de la respiración aeróbica Fase Ubicación Condición I. Glucosa → Piruvato (Glicolisis) Citoplasma Anaeróbica II. Piruvato→ AcetilCoA Matriz Mitocondrial Anaeróbica III. Oxidación del AcetilCoA por las enzimas del Ciclo del ácido cítrico Matriz Mitocondrial Anaeróbica IV. Transporte de electrones (NADH + H+ y FADH2) al oxígeno por la cadena respiratoria acoplado a la síntesis de ATP, a partir de ADP + Pi por la ATP sintasa (fosforilación oxidativa) Membrana interna mitocondrial Aeróbica D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV FASE 1: LA GLICOLÍSIS D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La glicólisis es una ruta catabólica que consiste de diez reacciones consecutivas Estas reacciones se pueden dividir en dos fases: § Fase I: preparatoria o de inversión de energía (las reacciones desde la 1 al 5) § Fase II: ganancia de energía (las reacciones desde la 6 a la 10) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fase 1: inversión de ATP para la escisión de la glucosa en dos aldotriosa-fosfato (3C) 2 ATP Glucosa (6C) (3C) 2 Gliceraldehído 3-P (G3P) + 2 ADP D. Stojanovic de Malpica, Ph D Reacciones de la Fase I de la glicólisis: inversión de ATP y clivaje de la glucosa 6C 1: Fosforilación 2: Isomerización 3: Fosforilación 4: Clivaje aldol 3C PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV 5: Isomerización 3C D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fase II. Ganancia de energía Conversión del G3P en piruvato 4 ADP +4Pi 2 NAD+ 2 G3P 2 Piruvato 4 ATP 2 NADH + 2H+ D. Stojanovic de Malpica, Ph D D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Reacciones de la Fase II de la glicólisis Reacción 6: oxidacióndeshidrogenación del G3P 6 Reacción 7: fosforilación a nivel de l sustrato 7 Reacción 8: isomerización 8 Reacción 9:deshidratación Reacción 10: fosforilación a nivel del sustrato 9 10 2 X PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Reacción 6: oxidación-deshidrogenación del G3P El grupo aldehído es deshidrogenado a un grupo carboxilo que contiene en enlace anhidrido a un grupo fosfato (acil-fosfato) El 1,3 bifosfoglicerato, es un compuesto fosfato de alta energía (∆G´o hidrólisis del grupo acil fosfato = - 49 kJoules/mol) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D Fosforilación a nivel sustrato (reacción 7) (1,3 BPG) § § § La formación de ATP por transferencia de un grupo fosforil al ADP a partir de un sustrato, el 1,3 bifosfoglicerato se conoce como fosforilación a nivel del sustrato Fosforilación es sinónimo de síntesis de ATP a partir de ADP +Pi; es endergónica ( ∆G´o = +30 kJoules/mol) Las fosforilaciones a nivel del sustrato requieren de enzimas solubles y de intermediarios químicos (metabolitos) (En este caso el 1,3BPG) PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fosforilación a nivel sustrato (reacción 10) § En este paso ocurre la segunda reacción de fosforilación a nivel del sustrato § La energía para sintetizar el ATP proviene de la hidrólisis del grupo fosfato unido al C2 del fosfoenolpiruvato (∆G´o = - 62 kJoules/mol), un compuesto fosfato de alta energía D. Stojanovic de Malpica, Ph D D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Sumatoria de las reacciones de la glicólisis Paso de la reacción ΔG´o kJ/mol Fase I: 1. Glucosa + ATP → Glucosa-6-fosfato +ADP -16.7 2. Glucosa-6-fosfato ↔ Fructosa-6-fosfato 3. Fructosa-6-fosfato + ATP → Fructosa-1,6- bifosfato + ADP 4. Fructosa-1,6- bifosfato ↔ dihidroxiacetona-fosfato + gliceraldehído-3- fosfato 1,7 -14,2 23,8 5. Dihidroxiacetona-fosfato ↔ gliceraldehído-3-fosfato 7,5 (I) Glc + 2 ATP → 2 gliceraldehído-fosfato + 2 ADP + 2,1 Fase II: 6. (2) Gliceraldehído-3-fosfato + (2) NAD++ (2) Pi ↔ (2 ) 1,3-bifosfoglicerato + ( 2) NADH + (2) H+ 12,6 7. 8. 9. (2) 1,3-bifosfoglicerato + (2) ADP ↔ (2) 3-bifosfoglicerato + (2)ATP (2) 3-bifosfoglicerato -37,6 ↔ (2) 2-fosfoglicerato 8,8 ( 2) 2-fosfoglicerato ↔ (2) fosfoenolpiruvato + (2) H20 10. (2) Fosfoenolpiruvato + (2) ADP 15 → (2) piruvato + (2)ATP -62,8 ( II) 2 gliceraldehído-fosfato + 4 ADP + 2Pi + 2 NAD+ → 2 piruvato + 4 ATP + 2NADH + 2H+ Reacción global (III): (I )+ (II) -64 ∑ΔG´o = -62 Glc + 2 NAD++ 2 ADP + 2Pi → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H20 PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La reacción global de la glicólisis Fase I. Inversión de energía o fase preparatoria C6H1206 + 2 ATP → 2 G3P + 2 ADP Fase II. Rendimiento energético: 2 G3P + 4 ADP + 2 Pi + 2NAD+ → 2 Piruvato + 4 ATP + + 2 NADH + 2H+ + 2H20 Reacción global ( I + II): C6H1206 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + + 2 NADH + 2 H+ + 2 H20 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El piruvato (C3H3O3) § En la glicolisis se producen dos moléculas de piruvato: Glucosa (C6H12O6) § D. Stojanovic de Malpica, Ph D 2 piruvato (C6H6O6) La conversión de glucosa a piruvato libera ~5% de la energía química potencial de la molécula de glucosa; parte de la energía de la oxidación se conserva como 2ATP y 2 NADH+2H+; el resto de la energía original está presente en los 2 piruvatos PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV DESTINO DEL PIRUVATO D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV DEPENDE DE LA RUTA UTILIZADA PARA REOXIDAR EL NADH D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV ¿Por qué se debe reoxidar el NADH a NAD+? § § § § § § Para que la glicolisis se pueda repetir es necesario reoxidar el NADH citosólico a NAD+ El citoplasma tienen cantidades limitadas de NAD+ Existen dos formas de reoxidar el NADH citosólico: Respiración anaeróbica Respiración aeróbica La respiración aeróbica requiere de una membrana plasmatica (bacterias) o de una mitocondria (eucariotas) y de la presencia de oxígeno La membrana interna mitocondrial es impermeable al NADH citosólico, por lo que es reoxidado a nivel de la membrana interna mitocondrial (sistema de lanzaderas) La matriz mitocondrial también tiene una cantidad limitada de NAD+ D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Reutilización del NAD+ Respiración anaeróbica Glucosa NAD+ 2 Piruvato + 2 NADH + H+ Respiración aeróbica 2 NAD+ + 2 Etanol + CO2 Fermentación alcohólica Levadura Glicólisis 2 ATP 2 Acetil-CoA 6 O2 Reutilización del NAD+ Respiración anaeróbica 2 Lactato + 2 NAD+ Fermentación láctica Contracción muscular vigorosa; glóbulos rojos; otras células; algunos microorganismos NAD+ ←NADH FAD ←FADH2 6C02 +6H20 + 36 o 38 ATP En muchas bacterias, plantas y animales D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV FASE II. OXIDACIÓN DEL PRIUVATO A ACETIL-COA D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV OXIDACIÓN DEL PIRUVATO D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El piruvato es transportado hacia la mitocondria, y liberado dentro de la matriz mitocondrial D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Oxidación del piruvato Descarboxilación oxidativa 3C Reacción global: 2 Piruvato + 2NAD++2CoASH 2 Piruvato (C6H6O6) 2C →2Acetil-CoA + 2NADH + 2 H+ + 2 CO2 2 Acetil-CoA (C2H3O x 2 = C4H6O2) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV FASE III. OXIDACIÓN DEL ACETIL-COA POR LAS ENZIMAS EL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Resumen del ciclo de Krebs § Se efectúa la oxidación de los dos acetil-CoA § En cada vuelta del ciclo se oxida un acetil-CoA y se liberan 2 CO2 § En dos vueltas se oxidan los dos Acetil-CoA, por lo se liberan 4 C02, en este punto se ha oxidado totalmente la glucosa § La energía de la oxidación se conserva como: Por Acetil-CoA: 2 Acetil-CoA: 3 NADH+ 3H+ x 2 = 6 NADH + 6 H+ 1 FADH2 x 2 = 2 FADH2 1 ATP x 2 = 2ATP § Se regenera el oxalacetato, el iniciador del ciclo D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Resumen del ciclo del ácido cítrico Oxalacetato D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El ciclo del ácido cítrico § § § § § También se conoce como ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) Ocurre en ausencia de oxígeno Consta de ocho reacciones consecutivas Cada reacción es catalizada por una enzima específica Todas las enzimas -excepto una- se encuentran en la matriz mitocondrial: La succinato deshidrogenasa es una proteína parcialmente embebida en la membrana interna mitocondrial, su sitio activo (lado catalítico) se encuentra expuesto hacia la matriz mitocondrial D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D Reacciones del ciclo del ácido cítrico PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La primera reacción del ciclo del ácido cítrico 2C 4C 6C D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Conservación de la energía en la respiración aeróbica Fases de la respiración aeróbica Productos I. Glicólisis 2 Piruvato 2 NADH + 2 H+ 2 ATP citosol II. Oxidación del piruvato (dos por glucosa) 2 Acetil-CoA 2 NADH + 2H+ 2 CO2 matriz mitocondrial III. Oxidación del Acetil-CoA en el ciclo del ácido cítrico (dos por glucosa) 4CO2 6 NADH + 6 H+ 2 FADH2 2 ATP matriz mitocondrial Las coenzimas (10 NADH + H+ y 2 FADH2) contienen la mayor parte de la energía libre que tenía la molécula de glucosa D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV ¿CUÁL ES EL DESTINO DE LAS COENZIMAS NADH Y FADH2 ? D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los NADH Y FADH2, deben ser oxidados de nuevo Para ello, tienen que ceder sus electrones a otras moléculas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El catabolismo de la glucosa Cadena respiratoria Fosforilación oxidativa D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fase IV. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa § § Las coenzimas reducidas donan sus electrones a la cadena respiratoria en la membrana interna mitocondrial, la cual transporta los electrones hasta el oxígeno que se reduce a agua La transferencia de electrones esta acoplada a la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La cadena respiratoria § También se conoce como cadena transportadora de electrones (CTE) § Consiste de un conjunto transportadores de electrones situados en la membrana interna de la mitocondria en células eucariotas; en bacterias aeróbicas se localiza en la membrana plasmática § Una unidad de respiración mitocondrial consiste de una CTE y una ATP sintasa, la enzima responsable de la síntesis del ATP § La función de la unidad de respiración es sintetizar ATP a expensas de la transferencia de energía aportada por las coenzimas reducidas § La CTE está formada por cuatro complejos enzimáticos (I, II, III y IV), el citocromo c y la ubiquinona o coenzima Q D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Complejos enzimáticas I, II, III y IV § § § § Las proteínas de los complejos I, III, y IV son proteínas integrales de la MIM Las proteínas del complejo II están parcialmente embebidas del lado interno de la membrana MIM Subunidades proteínicas específicas de los complejos enzimáticos contienen los grupos prostéticos (uno o más) responsables de las reacciones redox en los complejos enzimáticos, tales como: FAD, centros de Fe-S, el FMN, el ión cobre En caso de varios grupos prostéticos en un mismo complejo enzimático la transferencia de electrones se efectúa secuencialmente; posteriormente son transferidos al próximo componente de la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria en la membrana interna mitocondrial Espacio intermembrana NADH+H+ NAD+ FADH2+H+ FAD 2H+ + 2e+1/2O2 →H20 Matriz mitocondrial Q y Cit c son los componentes móviles de la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Transferencia de electrones mediante reacciones redox en los grupos prostéticos de los componentes de la cadena respiratoria Espacio intermembrana Cu2A aa Cit b→ FeS → cit c1 FMN → Fe-S Fe-S NADH+H+ NAD+ FADH2+H+ FAD Cu2+B aa3 2H+ + 2e+1/2O2 →H20 Matriz mitocondrial Q y Cit c son los componentes móviles de la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Reacciones redox en el complejo I D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La ubiquinona o coenzima Q § Es una benzoquinona § Es un lípido soluble con una larga cadena isoprenoide § Cataliza reacciones redox del tipo: AH2 + Q → A + QH2 § Es una molécula pequeña que se mueve con relativa facilidad en la MIM de un componente a otro D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Secuencia de la transferencia de electrones en la cadena respiratoria Complejo I Complejo II Complejo III Complejo IV NADH deshidrogenasa: acepta un par de protones y dos electrones del NADH + H+ y los transfiere a la coenzima Q Succinato deshidrogenasa (ciclo del ácido cítrico): acepta un par de protones y dos electrones del FADH2 y los transfiere a la Coenzima Q Oxidoreductasa (citocromo b-C1): cataliza el paso secuencial de electrones procedentes de QH2 (ubiquinol) al citocromo b, citocromo c1 y luego al citrocromo C Citocromo oxidasa: formado por los citocromos a y a3; recogen un par de electrones del citocromo C y los ceden a un átomo de oxígeno que junto con dos H+ de la Matriz forma agua D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Transporte de electrones en la CTE Espacio intermembrana Cu2A aa Cit b→ FeS → cit c1 FMN → Fe-S Fe-S NADH+H+ NAD+ FADH2+H+ FAD Cu2+B aa3 2H+ + 2e+1/2O2 →H20 Matriz mitocondrial D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los citocromos § § § § § § La mayoría son proteínas integrales de la membrana interna mitocondrial Contienen un grupo hemo que consiste de un anillo de porfirina que contiene un átomo de Fe2+ central coordinado a cuatro átomos de nitrógeno El átomo de hierro participa en reacciones de oxido reducción del tipo F2+ → Fe3+ Existen varios tipos de citocromos según la clase de grupo hemo que presenten (b, c, c1, , a , a3) Los grupos hemos varían en estructura y tipo de grupos químicos unidos al anillo de porfirina, están unidos fuertemente a la proteína (grupos prostéticos) El citocromo c es una proteína globular que se encuentra en el lado externo de la membrana interna mitocondrial; contiene el grupo hemo c unido covalentemente a la proteína; es la única proteína móvil de la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura del grupo hemo de los citocromos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Flujo de electrones en la cadena respiratoria § § § La transferencia de electrones en la cadena respiratoria requiere que todos componentes de la cadena transportadora de electrones se encuentren en estado oxidado Las coenzimas transportadoras de electrones NAD+ y FAD deben estar en estado reducido, como: NADH + H+ y FADH2, respectivamente El orden de transferencia de electrones esta determinado por el potencial de oxido de reducción (Eo) de todos los componentes de la cadena respiratoria que participan en la reacción redox D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Flujo de electrones en la CTE D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV ¿Porqué el NADH y el FADH2, no ceden "directamente" sus electrones al oxígeno y utilizan tantos "intermediarios" ? § Porque la reducción directa del oxígeno a agua puede ser explosiva § La CTE permite que la energía aportada por el NADH se libere gradualmente, de forma controlada, que se aprovecha para sintetizar ATP D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Inhibidores de la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (QUIMIÓSMOSIS) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La Fosforilación oxidativa (FO) se refiere a la síntesis de ATP acoplada al transporte de electrones en la CTE D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La hipotésis quimiosmótica de Mitchell § § § § Peter Denis Mitchell (1920-1992), Bioquímico Inglés fue galardonado con el Premio Nobel de Química en el año 1978 Peter Mitchell propuso la "hipótesis quimiosmótica" en 1961 La teoría sugiere que la mayor parte de la energía necesaria para sintetizar ATP en la respiración celular, proviene de un gradiente electroquímico existente entre la membrana interna y el espacio intermembrana de la mitocondria El gradiente electroquímico se forma por la transferencia de los electrones desde el NADH y el (FADH2) al oxígeno molecular en la cadena respiratoria D. Stojanovic de Malpica, Ph D Modelo quimiosmótico de Mitchel: mecanismo de la FO + 4H 4 H+ 2H+ ATPsintasa PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La ATP sintasa: D. Stojanovic de Malpica, Ph D Matriz Mitocondrial Membrana interna mitocondrial Espacio intermembrana PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Número de moléculas de ATP sintetizadas a partir del NADH + H+ y el FADH2 por la ATP sintasa El retorno de cuatro (4) H + desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial, a través de Fo de la ATP sintasa permite la síntesis de un ATP: 4H+ + ADP + Pi → ATP NADH + H+ = 3 ATP (10 H+ bombeados por la CTE) FADH 2 = 2 ATP (6 H+ bombeados por la CTE) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Rendimiento energético de la respiración celular Etapa respiración celular Productos Cantidad total de ATP producidos Glicólisis 2 NADH + H+ 2 ATP citosol Oxidación del piruvato (dos por glucosa) 2 NADH + 2H+ matriz mitocondrial 6 Ciclo del ácido cítrico (dos Acetil-CoA por glucosa) 6 NADH + 6 H+ 2 FADH2 2 ATP matriz mitocondrial 18 4 2 Rendimiento total por molécula de glucosa oxidada 4 ó 6* 2 36-38 ATP *Depende del tipo de lanzadera del NADH citosólico a la MIM Eficiencia: el 40% de la energía libre de la oxidación de la glucosa se conserva en los 36-38 ATP sintetizados D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Resumen de la respiración aeróbica D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La cadena respiratoria Animación: http://dl.dropbox.com/u/46910322/ METABOLISMO/CADENA_transp.swf D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV METABOLISMO CENTRAL D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Catabolismo de Combustibles orgánicos Lípidos Polisacáridos Digestión Proteínas Aminoácidos Glucosa Glicerol Ácidos Grasos Piruvato Productos comunes de degradación Acetil CoA Ciclo de Krebs O2 NH3 CO2 H 2O ∑NADH +2H+ ∑FADH2 Productos finales del catabolismo Síntesis de ATP ATP Moneda Energética D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Rendimiento de la oxidación de combustibles orgánicos ricos en energía libre Tipo de nutriente orgánico ∆G´o ATP Glucosa + 6 O2 → 6CO2 + 6 H20 -2840 36-38 Palmítico + 23 O2 → 16CO2 + 16 H20 -9770 110 (Alanina): Piruvato + 3 O2 → 3 CO2 + 3H20 -1400? 15 D. Stojanovic de Malpica, Ph D
