La fosforilacin oxidativa es la culminacin del metabolismo productor

de energa en organismos aerbicos.

Todas las etapas oxidativas en la degradacin de los hidratos de

carbono, grasas y aminocidos convergen en esta etapa final de la

respiracin celular, en el que la energa de la oxidacin impulsa la

sntesis de ATP

Nuestra comprensin actual de la sntesis de ATP en la mitocondria y los

cloroplastos se basa en la hiptesis, introducida por Peter Mitchell en 1961, la cual

expresa que las diferencias en la concentracin de protones transmembrana son

el reservorio de la energa extrada de las reacciones de oxidacin biolgica.

Esta teora quimiosmtica ha sido aceptado como uno de los grandes principios

unificadores de la biologa del siglo XX.

Peter Mitchell

Modelo quimiosmtico

La fosforilacin oxidativa y fotofosforilacin son mecnicamente similar

en tres aspectos.

(1) Ambos procesos implican el flujo de electrones a travs de una

cadena de transportadores unidos a la membrana.

(2) La energa libre disponible por el flujo de electrones "cuesta abajo

(exergnico) est acoplado al transporte "cuesta arriba" de protones

a travs de una membrana impermeable al paso de los protones, la

conservando la energa libre de oxidacin del combustible como un

potencial electroqumico transmembrana.

(3) El flujo transmembrana de protones hacia abajo de su gradiente de

concentracin a travs de los canales de protenas especficos

proporciona la energa libre para la sntesis de ATP, catalizada por un

complejo de protenas de membrana (ATP sintasa) que acopla el

flujo de protones flujo a la fosforilacin del ADP.

Albert L. Lehninger 19171986

Las nicas especies que cruzan

esta membrana lo hacen a travs

de transportadores especficos

La membrana interna lleva los

componentes de la cadena

respiratoria y la ATP sintasa.

La fosforilacin oxidativa

implica la reduccin de O a

HO con electrones donados

por NADH y FADH

La fosforilacin oxidativa comienza con la entrada de electrones en la cadena

respiratoria. La mayor parte de estos electrones se derivan de la accin de

deshidrogenasas que recogen los electrones de las vas catablicas y la

energa permanece dentro de aceptores universales de electrones, la

nicotinamida (NAD nucletidos o NADP) o los nucletidos de flavina (FMN o

FAD).

Adems de NAD y flavoproteinas,

otros tres tipos de molculas que

transportan electrones funcionan

en la cadena respiratoria: una

quinona hidrfobica (ubiquinona) y

dos tipos diferentes de protenas

que contienen hierro (citocromos y

protenas hierro-azufre). La

ubiquinona (coenzima Q tambin

llamado, o simplemente Q) es una

benzoquinona liposoluble con una

cadena lateral larga deisoprenoide

Ubiquinone, coenzyme Q, o Q

Los citocromos son protenas

con una caracterstica, fuerte

absorcin de la luz visible,

debido a sus grupos

prostticos hemo que

contienen hierro. El citocromo

c de las mitocondrias, una

protena soluble que se asocia

a travs de interacciones

electrostticas con la

superficie exterior de la

membrana interna.

Citocromos

En las protenas hierro-azufre, el

hierro no est presente como grupo

hemo, sino en asociacin con tomos

de azufre inorgnicos o con los

tomos de azufre de los residuos Cys

en la protena, o ambos. Estos

centros de hierro-azufre (Fe-S) van

desde estructuras simples con un

solo tomo de Fe coordinados a

cuatro Grupos Cys-SH con ms de

un complejo con dos o cuatro tomos

de Fe.

En la reaccin catalizada por la

cadena respiratoria mitocondrial, los

electrones se mueven desde el

NADH, succinato, o algn otro

donante de electrones primario, a

travs de flavoproteins, ubiquinona,

protenas hierro-azufre, y los

citocromos, y finalmente hasta el O

protenas hierro-azufre

La cadena respiratoria mitocondrial consta de

una serie de transportadores de electrones que

actan secuencialmente, la mayora de las

cuales son protenas integrales con grupos

prostticos capaces de aceptar y donar ya sea

uno o dos electrones.

Complejos I y II catalizan la transferencia de electrones a la ubiquinona a

partir de dos diferentes donadores de electrones: NADH (Complejo I) y

succinato (complejo II). Complejo III lleva electrones de la reduccin de

ubiquinona al citocromo c, y Complejo IV completa la secuencia mediante la

transferencia de electrones desde el citocromo c a O

Complejo I: NADH ubiquinona.

Complejo I, tambin llamado NADH:

reductasa NADH deshidrogenasa o

ubiquinoneoxido, es una gran enzima

compuesta por 42 cadenas de

polipptidos diferentes, incluyendo una

flavoproteina que contiene FMN y al

menos seis centros de hierro-azufre.

Microscopa de electrones de alta

resolucin muestra que el Complejo I

tiene forma de L, con un brazo de la L

en la membrana y la otra se extiende en

la matriz.

Complejo I cataliza dos procesos obligatoriamente acoplados y simultneas

(1) la transferencia exergnica a la ubiquinona de un ion hidruro desde un

NADH y un protn desde la matriz, expresada por

y (2) la transferencia endergnica de cuatro protones desde la matriz al

espacio intermembrana. Por lo tanto, el complejo I es una bomba de

protones impulsada por la energa de transferencia de electrones, y la

reaccin que la cataliza es vectorial: se mueve protones desde una

direccin especfica desde, la matriz, que se carga negativamente con la

salida de protones, a otro, que es la espacio intermembrana, que se

carga positivamente.

Complejo II: succinato de ubiquinona la

succinato deshidrogenasa, la nica

enzima unida a la membrana en el ciclo

del cido ctrico . Aunque es ms

pequeo y ms simple que el Complejo

I, contiene cinco grupos prostticos de

dos tipos y cuatro sub unidades

protecas diferentes.

Ubiquinol (QH), la forma completamente reducida se difunde en

la membrana mitocondrial interna desde

el Complejo I al Complejo III, donde se

oxida a Q en un proceso que tambin

implica el movimiento hacia afuera de

H+.

Complejo III: ubiquinona al citocromo C.

El complejo respiratorio, Complejo III, tambin llamado complejo citocromo

bc1 o ubiquinona: citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia de

electrones desde el ubiquinol (QH2) al citocromo C con el transporte

vectorial de protones desde la matriz al espacio intermembrana.

Modelo quimiosmtico

For each pair of electrons transferred to O four protons are pumped out by Complex I, four by Complex III, and two by Complex IV

Liberan ~ 220 kJ

Sntesis de ATP requiere 50 kJ Reacciones

Redox enlazadas

The electrochemical energy inherent in this difference in proton concentration and separation of charge represents a temporary conservation of much of the energy of electron transfer. The energy stored in such a gradient, termed the proton-motive force, has two components: (1) the chemical potential energy due to the difference in concentration of a chemical species (H) in the two regions separated by the membrane, and (2) the electrical potential energy that results from the separation of charge when a proton moves across the membrane without a counterion

FUERZA MOTRIZ DEL PROTN

Alrededor de 200 kJ (de los 220 kJ liberados por oxidacin de 1

mol de NADH) se conserva en el gradiente de protones.

Para pH (0,75 unidades) y (0.15 V) en esta ecuacin da G 19 kJ / mol (de protones). Debido a que la

transferencia de dos electrones de

NADH a O se acompaa por el bombeo hacia fuera de 10 protones.

Las especies reactivas de oxgeno pueden causar estragos al reaccionar con enzimas, lpidos de membrana, y cidos nucleicos En mitocondrias que respiran activamente, del 0,1% al 4% del O utilizado en la respiracin, es ms que suficiente para tener efectos letales, a menos que el radical libre sea eliminado rpidamente.

Superxido

Para prevenir el dao oxidativo por ,

las clulas tienen varias formas de la

enzima superxido dismutasa que

cataliza la reaccin

El perxido de hidrgeno (HO) as generado se vuelve inofensivos por la accin de la glutationa peroxidasa. La glutatin reductasa recicla el glutatin oxidado a su forma reducida, utilizando electrones de la NADPH generado por el nucletido nicotinamida transhidrogenasa (en la mitocondria)

El glutatin reducido tambin sirve para mantener a los grupos sulfhidrilo de

protenas en su estado reducido, previniendo de algunos de los efectos nocivos del

estrs oxidativo

RESPIRASOMA

Cada vez hay ms evidencia experimental de que en la mitocondria intacta, los complejos respiratorios fuertemente asociados entre s en la membrana interna en forma de respirasomes que son combinaciones funcionales de dos o ms complejos de transferencia de electrones. La evidencia apoya la cintica de transferencia de electrones a travs de un estado slido, y por lo tanto el modelo respirasome.

La transferencia de electrones, y la fuerza conservas protn-

motriz conservan mas que suficiente energa libre (alrededor

de 200 kJ) por mol " de pares de electrones para impulsar la formacin de un mol de ATP, que requiere

aproximadamente 50 kJ. Por lo tanto, la fosforilacin

oxidativa mitocondrial no plantea ningn problema

termodinmico.

cul es el mecanismo qumico que acopla el flujo de

protones con la fosforilacin?

.

SINTESIS DEL ATP

La energa electroqumica inherente a la diferencia en la concentracin de

protones y la separacin de la carga a travs de las membranas

mitocondriales- la fuerza motriz de protones- maneja la sntesis de ATP, a

medida que los protones flujen pasivamente a la matriz a travs de un

poro de protones asociada con la ATP sintasa

Acoplamiento de la transferencia de e- a la

sntesis de ATP

Inhibidores de la ATP sintasa (Fo)

Dinitrofenol (DNP) agente

desacoplante

Inhibe la transferencia de e a la

citocromo oxidasa

Agentes

Desacoplantes

Ciertos compuestos qumicos causan desacoplamiento sin interrumpir la estructura mitocondrial. Los desacopladores qumicos incluyen 2,4-dinitrofenol (DNP) y carbonylcyanide-p trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP), cidos dbiles con propiedades hidrfobas que les permiten difundir fcilmente travs de las membranas mitocondriales Despus de entrar en la matriz en la forma protonada, pueden liberar un

protn, disipando as el gradiente de protones.

Ionophores such as valinomycin

ATP sintasa o

Complejo V

Poro de protones

ATP sntesis

ATP sintasa, tambin llamado

Complejo V, tiene dos

componentes distintos: F 1, una

protena perifrica a la membrana,

y Fo (o denota oligomicina-

sensible), que es parte integral de

la membrana

oligomicina

Las mediciones de las

constantes de unin muestran

que F o F 1 se une ATP con

muy alta afinidad (K d> 10 -12

M) y ADP con mucho menor

afinidad (K d 10- 5 M). La diferencia en la Kd corresponde

a una diferencia de

aproximadamente 40 kJ / mol en

energa de enlace, y esta

energa de unin desplaza el

equilibrio hacia la formacin del

ATP.

Reversibilidad de la reaccin

ADP Pi ATP + H2O

ATP es estabilizado

Gradiente de

H+

Go ~ 0

FoF1 Kd ATP 10 -12 M

ADP 10 -5 M

Mitochondrial F1 has nine subunits of five different types, with the composition Each of the three beta subunits has one catalytic site for ATP synthesis.

-ADP

-vaco

-ATP

-ATP

-vaco

-ADP

ADP ATP

Subunidad-

1 2

3

9 subunidades de 5 tipos diferentes

Cada subunidad asume conformaciones diferentes

Fo posee 10 subunidades c

Subunidades a,b y c

Complejo FoF1

8000 Da

Catlisis rotacional

Subunidad- rotacin

This produces a cooperative

conformational

change in which the

-ATP site is converted to the -empty

conformation, and

ATP dissociates; the -ADP site is converted to the -ATP

conformation,which

promotes

condensation of

bound ADP + P to

form ATP;and the -empty site becomes

a -ADP site, which loosely binds ADP+

P entering from the

solvent.

biotina

Yoshida y Kinosita

Los valores de consenso para el nmero de protones

bombeados por par de electrones son 10 para NADH y 6 para

succinato. El valor experimental ms ampliamente aceptada

para el nmero de protones necesarios para impulsar la sntesis

de una molcula de ATP es 4, de las cuales 1 se utiliza en el

transporte de P 1, ATP y ADP travs de la membrana

mitocondrial

Fuerza originada por protones energiza

transporte activo

atractilosida

Sistemas de transporte indirectamente llevan el NADH

citoslico dentro de las mitocondrias por Oxidacin

NADH dehydrogenase Liver, kidney, and heart mitochondria

About 2.5 molecules of ATP are generated as this pair of electrons passes to O .

El msculo esqueltico y el cerebro utilizan un sistema de transporte

NADH diferente, el sistema de transporte 3-fosfato glicerol

Se diferencia del transporte

malato-aspartato en que

entrega los equivalentes

reductores desde NADH a

ubiquinona y por lo tanto en

Complejo III, no Complejo I,

proporcionando slo

suficiente energa para

sintetizar 1,5 molculas de

ATP por par de electrones.

The mass-action ratio of the ATP-ADP system, [ATP]([ADP][P]). Normally this ratio is very high, so the ATP-ADP system is almost fully phosphorylated. When the rate of some energy-requiring process (protein synthesis, for example) increases, the rate of breakdown of ATP to ADP and Pi increases, lowering the mass-action ratio. With more ADP available for oxidative phosphorylation, the rate of respiration increases, causing regeneration of ATP. This continues until the massa ction ratio returns to its normal high level, at which point respiration slows again i

Fosforilacin Oxidativa es

regulada por las necesidades

energticas de la clula

[ ATP] ([ ADP] [ Pi])

Gasto de ATP

+ ADP disponible

respiracin

ATP

/

La mayora de los mamferos recin nacidos,

incluidos los humanos, tienen un tipo de tejido

adiposo llamado tejido adiposo marrn, no sirve

para producir ATP, pero para generar calor para

mantener caliente el recin nacido

Hibernating animals also depend on the activity of uncoupled BAT mitochondria to generate heat during their Long dormancy

And the rotary motion of

bacterial agella is provided by proton turbines,molecular rotary motors driven not by ATP

but directly by the

transmembrane electrochemical

potential generated by

respiration-linked proton

pumping . It seems likely that the

chemiosmotic mechanism

evolved early, before the

emergence of eukaryotes.

Mutaciones en genes mitocondriales causa

enfermedades

Encefalomiopatas mitocondriales: encefalopata y lesiones

musculares

Neuropatia optica: Mutacin puntual (Arg aHis) en el

Complejo I

The human mitochondrial chromosome contains 37 genes (16,569 bp), including 13 that encode subunits of proteins of the respiratory chain; the remaining genes code for rRNA and tRNA molecules essential to the protein-synthesizing machinery of mitochondria. The great majority of mitochondrial proteinsabout 900 different typesare encoded by nuclear genes, synthesized on cytoplasmic ribosomes, then imported into and assembled in the mitochondria