CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
En un proceso
de combustión de glucosa (materia orgánica):
Es una
combustión controlada que permite sacar energía de forma muy óptima en cada
paso.
La cantidad de
energía importante se obtiene en la oxidación de NADH y FADH2
a expensas de reducir el O2.
Esta reacción
red-ox es la forma en la que los organismos aeróbicos obtienen energía. Hay
excepciones: hay bacterias que, en vez de reducir O2, usan S y los
reduce a sulfídrico(SH2).
Se transforma
energía eléctrica en química. Ese transformador es la cadena de transporte de
electrones de la membrana interna de la mitocondria. Requiere ser estanco. Son
proteínas.
La cadena de
transporte de electrones es un mecanismo para pasar electrones de 1 molécula a
otra. Algunos saltos generan suficiente energía para bombear H+ del
interior de la membrana interna al exterior de la mitocondria.
La cadena de
transporte de electrones se transforma en un gradiente de H+. Los
gradientes tienden a homogeneizarse y sólo pueden volver a través del tubo que
hay (donde se aprovecha la energía liberada por el gradiente de H+
para fabricar ATP a partir de ADP). Se conoce como teoría quimiosmótica de
Michel.
Una molécula
tiene un potencial red-ox negativo cuando tiene tendencia a ceder electrones a
otra molécula. Se le da a un par de H+/H2.
La tendencia a
obtener electrones de H+/H2 es el potencia red-ox
positivo.
Cuando hay una
oxidación y reducción en una reacción red-ox, hay un cambio. La diferencia de
potencial red-ox evalúa los cambios que se producen. Se calcula:
Pyr + NADH --->
Lactato + NAD+
La diferencia
de potencial red-ox se puede calcular fijándose que hay 2 reacciones
diferentes:
2 H+
+ 2 e- + Pyr --> Lactato
NAD+ + 2 e-
+ H+ --> NADH
Por definición,
las semirreacciones electroquímicas son oxidante + e- ->
reductor.
El potencial
redox del piruvato se obtiene mediante tablas
Los dos son
reductores porque tienen un valor negativo.
DE0´ es la suma de cada componente. DE0´=
-0.19 + 0.32 = 0.13 V. Se relaciona con la energía de Gibbs.
DG0´ = - nF DE0´
DG0´= 2 x 23´06 x 0´13 = - 6 Kcal/mol
Estas
reacciones producen calor y depende de las concentraciones de la célula para
ser espontáneas.
Esto se puede
aplicar a la reacción de oxidación de NADH
con el O2.
Estructura de la cadena de transporte de
electrones.
La estructura
está formada por 3 partes: macromolécula, molécula pequeña (citocrom C) y un coenzima Q (Ubiquinona). Son un conjunto de reacciones red-ox.
La NADH-Q reductasa es enorme y tiene 106
D. Tiene 2 tipos de grupos prostéticos que son los responsables de regular NADH (FMN y complejos ferro-sulfurados (manera de contener moléculas de
Fe sin estar en la molécula de Hemo (Hierro no hémico)). Manejan los
electrones que se reciben.
El NADH se oxida a NAD+ (transferencia de 2 electrones). Implica que el FMN se reduzca a FMNH2.
La FMN más 1 e- forman la semiquinona, que si se le suma un
segundo e-, se transfiere al segundo enlace y da FMNH2. Estos dos electrones
son transferidos a un complejo Fe-S, que pasa de una forma oxidada (FE+3)
a una forma reducida (FE+2). El Fe+3 se regenera
transfiriéndoselo al co-enzima Q,
que cuando recibe 2 e-, se transforma en la QH2.
La ubiquinona es una molécula con un potencial red-ox muy
bueno. La parte derecha es una estructura que se repite de isopreno. El
isopreno es muy importante en biología porque forma diferentes sustancias. La cola
confiere a la molécula hidrofílica un elemento completamente hidrofóbico que
permite que la ubiquinona se inserte en la membrana mitocondrial interna.
La ubiquinona, cuando capta 1 electrón, se
transforma en una semiquinona. Con
el segundo electrón, se transforma en reducida (ubiquinol).
La ubiquinona es el punto de entrada para
los electrones del FADH2
(tiene un potencial red-ox menos negativo que NADH).
La ubiquinona se regenera cediendo los
electrones a la citocromo reductasa.
Es un multímero de 10 subunidades de 25.000 D de masa molecular. Tiene varios
grupos prostéticos. Tiene citocromos (tienen un grupo hemo y un Fe asociado).
Tiene 2 citocromos B (definido por
el tipo de sustituyente del anillo tetrapirrólico), 1 citocromo C1 y Fe-S.
El electrón se
transfiere al complejo Fe-S. Implica que se transfiere de 1 en 1. El potencial
red-ox de la semiquinona es
insuficiente para transferir el segundo electrón. A través de los 2 citocromos B de la reductasa, se
cataliza una reacción: una segunda molécula de semiquinona interacciona para formar una quinona totalmente reducida (vuelve a transferir el electrón) y
otra totalmente oxidada (forma regenerada de ubiquinona). Es una reacción de dismutación.
El entorno de
la proteína define las características eléctricas del Fe. El Fe+2, a
través de la citocromo oxidasa va a
transferir electrones al O2.
La citocromo oxidasa contiene grupos hemo
(Fe2+/3+) y contiene grupos Cu+1/+2+. El DNA mitocondrial
es suficiente para codificar citocromo C
oxidasa. La reacción de reducción del O2 se debe dar completamente
porque si son incompletas, da lugar a un anión superóxido.
O2 +
e- --> O2- anión superóxido (químicamente
muy reactivo).
Fosforilación oxidativa
La
fosforilación oxidativa es el proceso por el cual el gradiente de H+
al transferir electrones en la cadena de transporte de electrones, se aprovecha
para producir ATP.
La teoría
quimiosmótica de Michel ocurre gracias a la ATPasa mitocondrial. Son 2 procesos independientes que se hacen
juntos. El espacio intermembranal es un punto más ácido de PH (con 10 e-
más) que el interior.
En ausencia de
la cadena de transporte de electrones, la ATPasa,
con un gradiente de electrones diferente, la ATPasa sintetiza ATP. El modelo de Michel exige que el
compartimento sea estanco para que los H+ que se bombean fuera, deban
volver a pasar por la ATPasa.
El bombeo de H+
alimenta la síntesis de ATP porque son reacciones acopladas.
El bombeo de H+
ocurre por la variación de potencial redox en la cadena de transporte de
electrones es suficientemente grande para transformar energía que puede dar
ATP. No se puede fabricar ATP si el salto energético inicial no es
suficientemente grande. En la cadena de transporte de electrones se producen
saltos de electrones con suficiente nivel energético.
Hay relación
entre la cantidad de Fosfato que se consume y el consumo de cierto O2.
La producción
de ATP es diferente según si se intoxica la cadena con un producto o otro. Si
se bloquea al final de la cadena, se produce más ATP porque hay más saltos
electrónicos. Si se bloquea arriba del
todo, no se produce nada de ATP porque no hay saltos electrónicos.
Los H+
que se forman en la cadena de transporte de electrones no son suficientes
porque cada salto necesita 10-12 H+. El resto de H+ son
de algunas proteínas involucradas (residuos de imidazol). P.ejemplo: algún
componente de la reductasa, citocromo y citocromo oxidasa.
La ATPasa mitocondrial está dividida en 2
funciones (F1 (actividad catalítica) y F0 (enganchada a
la membrana)). Cuando está fuera de la mitocondria, hidroliza ATP.
La F1
está compuesta por diversas proteínas (3a, 3b, 1s, 1d, 1e). Las b son las responsables de síntesis o hidrólisis de ATP.
La F0
está insertada en la bicapa lipídica. Tiene 4 tipos diferentes de subunidades.
Hay unidades de 8 KD (en grupos de 6), que atraviesan físicamente la membrana
en forma de tubo. Por ese agujero se mueven los H+ del espacio
intermembrana a la mitocondria.
Además, existen
proteínas de tipo regulador.
La ATPasa
funciona:
1. Las 3 unidades
b (que son proteínas idénticamente iguales
químicamente, no funcionan igual porque están interaccionadas con diferentes
unidades). La forma T está unida a ATP. Cuando hay ADP + Pi, la zona C tiene
afinidad por ADP+Pi. El flujo de protones cambia la conformación de las 3
unidades b. La forma L se transforma en T y la T en forma de
O. La forma O se transforma en L. El ATP deja de estar unida a b, que tiene
afinidad a otra que no le tiene afinidad y lo libera.
2. El ADP+Pi se
coloca en una zona que cataliza la síntesis de ATP. Esta estructura es la misma
que al principio. El flujo de protones se emplea en expulsar el ATP que había y
cataliza una nueva molécula de ATP. Para que pase todo esto, se necesita que
haya NADH o FADH2.
Todo pasa en la
membrana interna mitocondrial.
Los NADH que se forman en la glucólisis son
citosólicos. Estos NADH citosólicos
no entran en la matriz mitocondrial. La célula aprovecha los electrones del NADH sin entrar el NADH mediante la lanzadera
del glicerolfosfato.
La dihidroxiacetonafosfato está en el
citosol en abundancia. Esta molécula puede ser reducida a glicerolfosfato.
El glicerolfosfato puede entrar por
canales de alcohol.
La lanzadera
transforma NADH en NAD+ en el citosol y FAD+
en FADH2. Los electrones
del FADH2 no son tan
buenos como los del NADH. La
concentración de NADH
mitocondrial es mayor dentro de la
mitocondria que fuera.
La glicerolfosfatodeshidrogenasa es
diferente en los 2 procesos.
El enzima
interior de la mitocondria no fabricaría NADH,
sino que lo hidrolizaría porque hay más dentro que fuera. Por eso, los enzimas
son diferentes para que se pueda asegurar que parte del potencial red-ox de los
electrones del NADH citosólico son
introducidos en la mitocondria.
En algunas
circunstancias (músculo cardíaco o hígado), el nivel de NADH en la mitocondria no es tan elevado. Existe una lanzadera malatoaspartato para meter:
Los electrones
del NADH están enteros. Sólo ocurre
cuando la concentración de NADH
mitocondrial es muy baja.
Los procesos
mitocondriales son catabólicos (fabrica ATP) y se gasta en el citosol. La
célula transporta mediante la translocasa
(proteína responsable de introducir ADP a la mitocondria y sacar ATP).
Cuando se
importa un ADP, se exporta un ATP. Es una proteína que mediante gasto
energético, cambia su conformación.
La
direccionalidad del proceso es:
-Porque ADP y
ATP son parecidas pero difieren en la carga eléctrica.
-Las 2 caras de
la membrana mitocondrial no son iguales (la cara de la matriz es más negativa
(2V) que la citosólica). Cuando la translocasa lleva ATP, más negativo que ADP,
vuelca el ATP a la zona más positiva. Prácticamente una cuarta parte de la
fosforilación oxidativa se consume en este mecanismo.
Es un proceso
imprescindible para la mitocondria. Los procesos que implican movimiento
consumen mucha energía. Ej:
Glucosa + 30
ADP + 30 Pi + 30 H+ + 6 O2 --> 6 CO2 + 30
ATP + 42 H2O
Si se asume que
desde el punto de vista neto:
1. NADH rinde netamente 2´5 ATP (NADH
entrado gracias a la lanzadera
glicerolfosfato.
2. FADH2 rinde netamente 1´5
ATP.
Cada ATP da
aproximadamente 7´3 Kcal/mol.
DG0´= 7´3 Kcal/mol x 30 ATP = 219 Kcal/mol.
La oxidación
aeróbica de glucosa rinde 219 Kcal/mol. Si se produce la combustión química se
produce:
Glucosa + 6 O2
--> 6 CO2 + 6 H2O
DG0´= -686 Kcal /mol
La célula
funciona con una eficiencia del 33%. La célula tiene mecanismos para evitar
meter FADH2 y NADH en la cadena de transporte. Sólo
se mete. Se basa en la disponibilidad de ATP.
La translocasa sólo mete ADP cuando hay
ADP en el exterior. Cuando el ADP no se utiliza para formar ATP, se usa para
producir calor, desacoplando la cadena de transporte de electrones y la
fosforilación oxidativa.
La termogenina es una proteína abundante
(10-15% de la proteína total de la membrana interna mitocondrial) que se
encuentra en el tejido adiposo marrón (porque tiene muchas mitocondrias).Actúa
como coladero de H+. Pasa a través de la membrana mitocondrial. No
pasa por la cadena de transporte de electrones. Esa energía se transforma en
calor.
Se produce el
anión superóxido (O2-):
Estas
reacciones son deseables. El agua oxigenada es un paso intermedio para
librarnos de los radicales.
La célula
dispone de mecanismos para eliminar agua oxigenada:
H2O2
+ H2O2 --catalasa--> 2 H2O + O2
La catalasa es la responsable de las
burbujas de O2 tisular cuando hay H2O2. El O2
funciona como antiséptico. La célula diseña mecanismos para eliminar sustancias
potencialmente peligrosas y agresivas que se puedan generar por procesos
químicamente sencillos.