fosforilación oxidativa

Fosforilación Oxidativa


• Transportadores de electrones: Producidos durante la glucólisis, ciclo del ácido cítrico y en la oxidación de los ácidos grasos.

• La fosforilación oxidativa es el proceso por el que se forma ATP cuando, mediante una serie de transportadores de electrones, se transfieren electrones desde el NADH o el FADH2 al O2.


La fosforilación oxidativase lleva a cabo porsistemas respiratorios quese localizan en lamembrana interna de lasmitocondrias.

El ciclo del ácido cítrico y la vía de oxidación de los ácidos grasos, quesuministran la mayor parte del NADH y del FADH2, tienen lugar en la matriz mitocondrial adyacente.

La oxidación del NADH produce 3 ATP, mientras que la oxidación del FADH2 produce 2 ATP. La oxidación y la fosforilación son procesos acoplados.

El sistema o cadena respiratoria contiene numerosos transportadores de electrones, como los citocromos. La transferencia paso a paso desde el NADH o el FADH2 hasta el O2

a través de estos transportadores encauza el bombeo de protones hacia el exterior de la matriz mitocondrial.

Fosforilación OxidativaLa fuerza protón-motriz se genera mediante un gradiente de pH y el potencial eléctrico existente a ambos lados de la membrana.

Cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial, a través de un enzima complejo, se sintetiza ATP. Así, la oxidación y la fosforilación están acopladas por un gradiente de protones a través de la membrana interna mitocondrial.

MitocondriaLas mitocondrias son organelos de forma oval, con una longitud ~ de 2 μm y un diámetro de 0.5 μm.

Las mitocondrias son organelos móviles y plásticos, que cambian constantemente de forma e incluso se fusionan unos con otros y se vuelven a separar; pueden ocupar hasta el 25% del volumen del citoplasma.

Las mitocondrias poseen dos sistemas membranosos: una membrana externa y una membrana interna.

Mitocondria

Mitocondria

Anatomía bioquímica

Procesos y productos mitocondriales


FADH2

NADH

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

NADH

Glucólisis

No puede entrar a la membrana mitocondrial

Los electrones reducen un elemento de bajo peso molecular

a) Lanzadera de malato-aspartato. Entra a la mitocondria reduciendo NAD+ a NADH.

b) Lanzadera de fosfato-glicerol. Transfiere sus electrones a FAD para producir FADH2.

Ambos mecanismos permiten que los electrones del NADH citosólico ingresen a la cadenamitocondrial de transporte de electrones y se utilicen en la formación de ATP.


Lanzadera Aspartato-Malato. Dos proteínas antiportadoras de la membrana mitocondrial interna: un antiportador malato/α-cetoglutarato y un antiportador glutamato/aspartato, que permiten el transporte de sus sustratos hacia adentro y afuera de la matriz son críticas para la lanzadera.


Como el oxalacetato, un componente de la lanzadera, no puede cruzar directamente la membrana interna, es convertido a aminoácido aspartato en la matriz y a malato en el citosol. El efecto neto de las reacciones que constituyen la lanzadera malato-aspartato es la oxidación del NADH citosólico a NAD+ y la reducción del NAD+ matricial a NADH.


Lanzadera Glicerol fosfato. Una molécula de DHAP se reduce a G3P en el citosol al recibir los electrones de NADH. El G3P interactúa con la cadena de protones directamente al regresar a DHAP con la concomitante producción de FADH2.

Bioenergética del proceso

• Durante la respiración, se liberan electrones desde el NADH y el FADH2 y finalmente son transferidos al O2, para formar H2O de acuerdo con las siguientes reacciones generales:

• La conversión de una molécula de glucosa a CO2 a través de la vía glucolítica y el ciclo del ácido cítrico produce 10 moléculas de NADH y 2 de FADH2.

• La oxidación de estas coenzimas reducidas tiene un ΔG0´ total de -613 kcal/mol [10(-52.6)+2(43.3)].


• Por lo tanto, de la energía libre potencial presente en los enlaces químicos de glucosa (-680 kcal/mol), aproximadamente el 90% se conserva en las coenzimas reducidas.

• La energía liberada durante la oxidación de una única molécula de NADH o FADH2 por el O2 es suficiente para conducir la síntesis de varias moléculas de ATP a partir de ADP y Pi, una reacción con una ΔG0´ de +7.3 kcal/mol.

• La mitocondria maximiza la producción de ATP al transferir electrones desde el NADH y el FADH2 a través de una serie de transportadores, de los cuales todos excepto uno son componentes integrales de la membrana interna.


• Como la membrana externa es libremente permeable a los protones, mientras que la membrana interna no lo es, este bombeo provoca que el pH de la matriz mitocondrial sea más alto (esto es, la concentración de H+ es más baja) que el del citosol y el del espacio intermembrana.

• También se produce un potencial eléctrico a través de la membrana interna como resultado del bombeo de H+ cuesta arriba desde la matriz, la cual se torna negativa con respecto al espacio intermembrana.

• Por lo tanto, la energía libre liberada durante la oxidación del NADH o el FADH2 se almacena como un potencial eléctrico y un gradiente de concentración de protones a través de la membrana interna.

El flujo de electrones


• A medida que los electrones se mueven desde el NADH al O2, su potencial declina en 1.14 V, lo cual corresponde a 26.2 kcal/mol de electrones transferidos, o ~53 kcal/mol para un par de electrones.

• Cada uno de los cuatro complejos multiproteicos en la cadena respiratoria atraviesa la membrana mitocondrial interna y contiene varios grupos prostéticos que participan en el movimiento de los electrones.

• Estas moléculas orgánicas pequeñas no peptídicas o iones metálicos están fuerte y específicamente asociadas con los complejo proteicos.


• Hay tres tipos de transferencias electrónicas en la fosforilación oxidativa:

1. Transferencia directa de electrones, tal como sucede en la reducción de Fe3+ a Fe2+;2. transferencia de un átomo de hidrógeno (H+ + e-);3. transferencia de un ión hidruro (:H-) portador de dos electrones.


Los electrones son canalizados hacia transportadores universales de electrones.

La mayor parte de dichos electrones provienen de la acción de deshidrogenasas que captan electrones de vías catabólicas y los canalizan hacia aceptores universales de electrones: nucleótidos de nicotinamida (NAD+ o NADP+) o nucleótidos de flavina (FAD o FMN).

Las deshidrogenasas ligadas a nucleótidos de nicotinamida catalizan reacciones reversibles de los tipos generales siguientes:


La mayoría de las deshidrogenasas que participan en el catabolismo son específicas para el NAD+ como aceptor electrónico. Algunas están localizadas en el citosol y otras en las mitocondrias, existiendo también otras con isozimasmitocondriales y citosólicos.

Las enzimas que participan en el ciclo del ácido cítrico la succinato deshidrogenasa (reacción 6) y el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa (reacción 4) son proteínas integrales de la membrana interna, con sus sitios activos orientados hacia la matriz.


El NADH y el NADPH son transportadores electrónicos hidrosolubles que se asocianreversiblemente con deshidrogenasas. El NADPH generalmente suministra electrones a las reacciones anabólicas. Ninguno puede atravesar la membrana.


Las flavoproteínas: contienen un nucleótido de flavina, FMN o FAD, fuertemente unido, a veces de manera covalente.

El nucleótido de flavina oxidado puede aceptar un electrón (dando la forma semiquinona) o dos (produciendo FADH2 o FMNH2).

El potencial de reducción estándar de un nucleótido de flavina depende de la proteína a la que está asociado.Debido a que las flavoproteínas pueden participar en transferencias de uno o dos electrones, pueden actuar como intermediarios entre reacciones en las que se donan dos electrones (como sucede en las deshidrogenaciones) y en aquellas en las que se acepta un solo electrón (como en la reducción de una quinona a hidroquinona).


La ubiquinona puede aceptar un electrón transformándose en el radical semiquinona (.QH) o dos electrones formando ubiquinol (QH2).

Al igual que flavoproteínas transportadoras es, por tanto, capaz de actuar como puente entre un dador de dos electrones y un aceptor de un electrón.


Debido a que la ubiquinona es al mismo tiempo pequeña e hidrofóbica puede difundir libremente dentro de la bicapa lipídica de la membrana mitocondrial interna y puede hacer de lanzadera de equivalentes de reducción entre otros transportadores electrónicos de la membrana menos móviles.

Además, debido a que transporta tanto electrones como protones, juega un papel central en el acoplamiento del flujo electrónico al movimiento de protones.


Citocromos. El átomo de hierro de un grupo hemo presenta una transmisión reversible entre los estados de oxidación Fe3+ y Fe2+ como resultado de la aceptación y pérdida de un solo electrón.

Hay tres tipos de distintos de citocromo –a, b y c- en la cadena transportadora de electrones que difieren entre sí por las sustituciones dentro del grupo hemo.

Los cofactores hemo de los citocromos a y b están unidos muy fuertemente, aunque no de manera covalente, a sus proteínas asociadas; los grupos hemo de los citocromos de tipo c están unidos de forma covalente a través de los residuos de Cys.

Al igual que en las flavoproteínas, el potencial de reducción estándar del átomo de hierro en el hemo de un citocromo depende de su interacción con las cadenas laterales de la proteína, por lo que es diferente para cada citocromo.

Los citocromos de los tipos a y b así como algunos del tipo c son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna.

Una excepción sorprendente es el citocromo c de las mitocondrias, que es una proteína soluble que se asocia mediante interacciones electrostáticas con la parte externa de la membrana mitocondrial interna.


Proteínas ferrosulfuradas. Los centros ferro-sulfurados (Fe-S) van desde estructuras sencillas con un sólo átomo de Fe coordinado con cuatro residuos de Cys mediante el azufre de sus cadenas laterales hasta centros Fe-S más complejos con dos o cuatro átomos de Fe.

En la reacción global catalizada por la cadena respiratoria mitocondrial se transportan electrones desde el NADH, el succinato u otro dador electrónico primario a través de las flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferrosulfuradas y citocromos hasta el O2.


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