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Seminario nº 12
Cadena de transporte de electrones, fosforilacion oxidativa y mitocondriopatias.
OXIDACIONES BIOLOGICAS
Las tranferencias de e- en las reacciones redox es una caracteristica central en el
metabolismo. Estas reacciones involucran una especie quimica que pierde un electron (oxidada) y
otra que gana electrones (reducida). Las O' biologicas cumplen 2 fx:
1. la oxidacion de moleculas organicas para generar nuevos compuestos. Ej: AA O' para
producir neurotransmisores
2. generar energia para impulsar procesos biologicos termodinamicamente desfavorables: S' de
proteinas, ac nucleicos o la contraccion muscular.
Respiracion celular: O' total de todos los nutrientes a CO2 y H2O, siendo el O2 aceptor final de los
e-, y la formacion de ATP. En el proceso de O' la energia liberada se conserva en uniones quimicas.
METABOLISMO RESPIRATORIO
El metabolismo energetico es la O' gradual de moleculas organicas acompañado de una
reduccion de una coenzima como NAD+ o FAD.
La glucosa tiene 6 procesos oxidativos: glucolisis, transformacion de piruvato a acetilCoA y
el resto en el CAT.
La O' de AG remueve en forma ciclica unidades de 2C en forma de acetil-CoA, que luego
entra en el CAT.
Los AA tambien se catabolizan por vias que utilizan las mismas coenzimas como aceptores
de e-.
Es necesaria la inmediata reoxidacion de la coenzimas reducidas para asegurar la
disponibilidad de estas, y para esto, es necesario O2 que es el aceptor final de e-. La transferencia
de e- de las coenzimas al O2 es muy exergonica y es cuando se forma la mayor parte del ATP (32 de
los 36 ATP de la O' aerobica de glucosa).
Todo esto forma parte del metabolismo respiratorio, que puede considerarse como dos
procesos:
1. Metabolismo oxidativo: los e- y H+ se transfieren de sustancias organicas a coenzimas
oxidadas.
2. Reoxidacion de las coenzimas reducidas: transferencia de los e- al O2, con la indirecta
formacion de ATP.
La cadena respiratoria es el proceso por el cual se transfieren los e- de las coenzimas al O2. Los
componentes del metabolismo respiratorio son 3:
1. Ciclo de krebs, donde se oxida totalmente el acetil-CoA
2. Cadena de transporte de e- (CTE), para la reoxidacion de las coenzimas
3. Fosforilacion oxidativa (FO) por un gradiente de H+.
Caracteristicas generales de las mitocondrias
Es donde ocurre la etapa final de la O' de los
nutrientes. Contiene la piruvato deshidrogenasa,
enzimas del CAT, de la O' de AG, y enzimas y
proteinas redox que intervienen en el transporte de
e- y la FO.
El numero y tamaño de las mitocondrias
guarda relacion con las necesidades energeticas del
tejido. Los hepatocitos tienen mas de 1000, los
eritrocitos carecen de estas ya que obtienen la
energia a partir de la glucolisis.
Tiene dos membranas: MMI y MME. La MMI esta plegada formando crestas. La MME es
permeable a moleculas pequeñas e iones ya que presenta una proteina de transmembrana llamada
porina que forma canales o poros. Otras proteinas son enzimas que S' lipidos y otras que
transforman sustratos lipidicos en formas metabolizables.
La MMI es impermeable a moleculas polares e ionicas. El H2O, CO2 y O2 son de las pocas
que la atraviesan libremente. Las demas sustancias precisan de proteinas transportadoras, como el
ADP y ATP que usan una proteina: ATP-ADP traslocasa. De manera similar son llevados a la
matriz los AG, piruvato, cetoacidos y AA para su D'.
En la MMI se encuentra la CTE y el complejo enzimatico que forma ATP. La matriz
contiene, ademas de enzimas para O' de piruvato, AG y CAT, ADN mitocondrial circular, desnudo y
sin intrones y las enzimas para su expresion. Este ADN contiene info para la S' de sus propios
ribosomas y algunos de sus ARNt, para la S' de algunas subunidades de enzimas de la MMI. El
resto de las proteinas se S' en el citosol y se transportar a la mitocondria.
Concepto de oxido-reduccion
Oxidacion: Cuando una sustancia se oxida, pierde e-:
Fe2+ -----> Fe3+ + e-
R-CH2-OH -----> R-C-H + 2H+ + 2e-
H2 -----> 2H+ + 2e-
Reduccion: Cuando una sustancia se reduce, gana e-:
Fe3+ + e- -----> Fe2+
½ O2 + 2H+ -----> H2O
Ambas reacciones deben ocurrir en conjunto, son procesos acoplados. La especie que oxida (cede e-
) actua como agente reductor y la que se reduce (acepta e-) como agente oxidante.
Potencial redox: tendencia de las sustancias a ceder o captar electrones.
En los sistemas biologicos hay 4 modalidades de transferencia de e-:
1. Directamente como e- (ej: de Fe2+ a Fe3+)
2. Como hidrogeno (H+ + e-) (reacciones en las que interviene el FAD)
3. Como hidruro (H-)(deshidrogenasas ligadas a NAD)
4. Por combinacion directa de un reductor organico con O2 (hidroxilacion de esteroides)
A igual concentracion de reactantes y productos, los e- tenderan a fluir desde un
transportador con un valor Eº' mas negativo hacia otro Eº' mas positivo. La posicion de los
transportadores en la cadena depende del valor de su Eº'.
Como las concentraciones casi nunca son iguales, el flujo electronico dependera de las
concentraciones de todas las moleculas participantes del transporte y su estado de oxidacion. Los e-
se desplazan hacia un Eº' mas positivo si los reactivos (formas reducidas de los dadores de e- y
oxidades de los aceptores) estan en una concentracion mas alta que los productos. Ademas, los
transportadores tiene que estar lo suficientemente cerca para que esto ocurra.
Caracteristicas generales de la cadena de electrones
Organizacion y componentes de la cadena respiratoria
En la MMI hay complejos
enzimaticos I, II, III y IV que forman la
CTE. El V es el ATP sintetasa que forma
ATP por FO y no es parte de la CTE. Cada
complejo acepta o dona e- a transportadores
mobiles como la coenzima Q y el citocromo
C. Luego terminan combinandose con
oxigeno y protones para formar agua.
A exepcion de la coenzima Q, todos los componentes de la cadena son proteinas que pueden
funcionar como enzimas como es el caso de varias deshidrogenasas.
Coenzimas de oxido reduccion
La FO comienza con la entrada de e- en la cadena respiratoria, provenientes de la accion de
las deshidrogenasas que los canalizan en los nucleotidos de nicotinamida (NAD+, NADP+) y
nucleotidos de flavina (FMN y FAD).
Nicotinamida adenina dinucleotido (NAD+)
Sustrato reducido + NAD+ <---> sustrato oxidado + NADH + H+
Las deshidrogenasas que usan NAD remueven dos atomos de H+, uno se transfiere como hidruro
(H-) al NAD+ y el otro se libera como H+ al medio.
El NADP+ (fosfato de dinucleotido de adenina y nicotinamida): es similar al NAD+,
participa en general en reacciones anabolicas. NAD+ y NADP+ no pueden atravesar la MMI.
El NAD+ tiene un centro reactivo que se reduce incorporando dos electrones en forma de
hidruro (proton con dos e-) y la coenzima que oxidada tenia carga positiva, ahora queda neutra.
Nucleotidos de flavina
Flavina mono nucleotido (FMN) y FAD estan unidos covalentenmente a la enzima. Pueden
captar y ceder uno o dos e- dependiendo de la proteina a la que estan asociados.
El mecanismo de reduccion del anillo de isoaloxacina de los nucleotidos flavinicos
comprende dos dobles enlaces que pueden fijar en forma reversible atomos de H y su e-.
Coenzima Q (CoQ) o ubiquinona
Es hidrofobica, lo que le permite movimiento dentro de la MM. Los grupos carbonilo (C=O)
en la forma oxidada le permiten reducirse aceptadon un electron y un proton transformandose la
funcion cetona en alcohol. La forma reducida se llama ubiquinol.
Proteinas con Fe y S
Participan en el transporte de e- en el complejo NADH DH y entre los citocromos, poseen
Fe y S. El Fe participa en la transferencia de e- pasando de estado ferrico al ferroso y viceversa.
Citocromos
Proteinas que absoren cieta longitud de onda de la luz por que contienen un hemo como
grupo prostetico. Las mitocondrias tienen 3 tipos: a, b y c. El b es del tipo que esta en la HGB y
mioglobina, y el a es diferente a este. Ambos estan unidos fuertemente de manera no covalente a la
proteina. El citocromo c se une de manera covalente a la proteina.
El potencial de reduccion del Fe en el hemo de un citocromo depende del entorno proteico.
El citocromo C es una molecula de bajo PM, movil, que conecta los componentes III y IV de la
cadena respiratoria.
Flujo de e- a traves de los transportadores
Se da desde los componentes de menor potencial de reduccion hacia los de mayor potencial
de reduccion, hasta llegar al O2. Al fluir los e- desde el NADH hasta el O2 se producen descensos
bruscos de energia libre a nivel del complejo NADH-Coenzima Q reductasa, Coenzima Q-citocromo
C reductasa y citocromo oxidasa. Al mismo tiempo que pasan los e-, se bombean H+ desde la
matriz al espacio intermembrana, que genera un gradiente electroquimico.
Complejo I o NADH DH
Ocurren dos procesos acoplados simultaneos:
1) transferencia exergonica un ion hidruro desde el NADH y un proton desde la matris a la CoQ:
NADH + H+ + CoQ _____ NAD+ + CoQH2
2) trasnferencia endergonica de 4 protones desde la matriz al espacio intermembrana cada dos e-
transferidos.
El NADH DH actua como bomba de protones. El NADH + H+ cede el H- y H+ al FMN
formando FMNH2, este los cede al (Fe-S)ox y forman FMNH + (Fe-S)red + H+. Luego el FMNH
cede a otro (Fe-S)ox quedando reducido (FMN) y (Fe-S)red + H+. Asi luego terminan en la CoQ
que acepta 2e- y toma 2H+ para dar la CoQ reducida: CoQH2.
Complejo II o Succinato – CoQ DH
Pertenece al CAT. El aceptor inicial de e- es FAD, que se reduce a FADH2 cuando el
succinato se O' a fumarato. Del FADH2 pasa por 3 centros Fe-S y llega a CoQ formando CoQH2.
Otros sustratos de las DH mitocondriales pasan e- a la cadena respiratoria a nivel de la CoQ,
pero no por el complejo II:
1. En la B-oxidacion, el primer paso reduce un FAD, que cede e- a una proteina transferidora
de e- (ETFP) y esta a una enzima reductasa que es una proteina Fe-S y tiene unido un
nucleotido de flavina y pasa los e- a la cadena respiratoria al reducir al CoQ.
2. El glicerol que viene de la D' de TG, por fosforilacion forma Dihidroxiacetona fosfato
(DHAP) por la glicerol-3 fosfato DH, que reduce a la CoQ (lanzadera del glicerol fosfato).
Complejo III o Ubiquinona-cit c oxido reductasa
Acepta los e- de la CoQH2 formada por el complejo I y II. Los e- son transferidos por los
citocromos b y por el Fe3+. Finalmente el complejo III transfiere e- de QH2 al citocromo c
bombeando 4 protones al espacio intermembrana.
Complejo IV o citocromo oxidasa
Acepta e- del cit c y los transfiere al oxigeno de manera irreversible:
O2 + 4H+ + 4e- ---------> 2H2O
Por cada dos e- que pasan a traves del complejo IV se transfieren 2 H+ hacia el espacio
intermembrana.
La energia de transferencia de electrones es conservada como un gradiente de protones
La reaccion neta de transferencia de e- es altamente exergonica (deltaG < 0).
La CTE se puede inhibir en sitios especificos:
Retonona (insecticida) y el amital (un barbiturato) inhiben a nivel de la NADH DH, por lo
tanto el NAD no es oxidado, pero el FAD si.
Cianuro, azida o monoxido de carbono inhiben el paso terminal catalizado por la citocromo
c oxidasa. Cianuro y azida se convinan con Fe e impiden su reduccion. El CO se une al Fe2+ de
citocromo oxidasa. La inhibicion del transporte de e- resulta en la muerte del organismo.
Fosforilacion oxidativa: S' de ATP
Teoria quimiosmotica postulada por Peter
Mitchell en los '60: La transferencia de e- por la
cadena respiratoria es acompañada por el bombeo de
H+ de la matriz al espacio intermembrana generando
un gradiente de pH. La energia del gradiente se usa
para S' ATP por la F1 cuando los protones vuelven a la
matriz de manera pasiva a traves del poro Fo de la
ATPsintasa. La matriz se alcaliniza y los protones al
tener carga, generan un gradiente electroquimico que
se denomina fuerza proton-motriz y representa la
conservacion parcial de la energia de O' de los
combustibles.
La ATP-sintasa es un complejo enzimatico en
la MMI, con dos componentes F1 y Fo (la O es por
que es sensible a la oligomicina). F1 proyecta a la
matriz y Fo forma un canal a traves de la MMI. F1 tiene 6 subunidades (tres dimeros alfa y beta)
con sitios de union para ADP y ATP, apoyadas sobre un tallo que lo une a Fo.
La actividad catalitica esta en beta, lambda y epsilon giran junto con alfa y beta. Los centros
de fijacion tienen tres estados: O= abierto, L= libre y T= union tensa. Cada dimero presenta un
conformacion, siendo los otros dos diferentes de esta. Cuando uno adopta O, los otros tienen que ser
uno L y otro T. La conformacion T tiene alta afinidad por ATP y menor por ADP+Pi.
La S' de ATP comienza en estado L cuando se une ADP+Pi, luego pasa a estado T cuando se
condensa el ADP+Pi en ATP. El estado O deja libre el ATP y vuelve al estado L. Por cada vuelta,
cada subunidad beta pasa por sus 3 conformaciones y se liberan 3 ATP.
El paso que requiere energia no es la S' de ATP, sino la liberacion de un lugar de union
compacta, que se produce por rotacion de lambda. Esta liberacion se produce con inmediata union
de ADP+Pi.
Inhibidores y desacoplantes de la FO
La oligomicina bloquea el flujo de H+ devuelta a la matriz, haciendo que el bombeo de H+
contra gradiente necesite cada vez mas energia. Llega un punto en que no se bombea mas y se
interrumpe la transferencia de e-.
La valinomicina forma un complejo lipidico con iones K+ que entra en la matriz
mitocondrial y neutraliza la carga negativa, disipando el grandiente electrico (pero no el quimico) y
asi disminuyendo la fuerza proton-motriz y la produccion de ATP.
Transporte activo de la MMI
La MMI es impermeable a especies cargadas, y posee dos sistemas para poder transportar:
1. Translocasa de nucleotidos de adenina: Intercambia ADP3- hacia adentro por ATP4- hacia
afuera. Como el balance es una carga negativa hacia afuera, esta favorecido por el gradiente
electroquimico (que tiene mas cargas negativas adentro que afuera).
2. Translocasa de fosfatos: transporta H2PO4- y H+ hacia la matriz por cotransporte
favorecido por el gradiente de protones.
Regulacion de la FO
Esta limitada por la disponibilidad de ADP como sustrato para la fosforilacion, en su
ausencia, el consumo de O2 es muy bajo. La relacion ATP/ADP es alta, y cuando esta disminuye
aumenta la velocidad de respiracion celular. Esto ocurre casi simultaneamente haciendo que la
variacion de la relacion fluctue muy ligeramente aun frente a variaciones extremas de la demanda
energetica.
Tejido adiposo pardo
En recien nacidos, en este tejido la O' de combustibles se utiliza para generar calor, no ATP,
y matener la temperatura corporal. Se ubica en el cuello y posee gran cantidad de mitocondrias. Este
tejido O' principalmente AG, los e- siguen la cadena respiratoria y se bombean protones como en
otros tejidos pero la MMI posee TERMOGENINA que es una proteina integral de membrana por la
que los H+ vuelven a la matriz evitando el complejo FoF1. La energia no se conserva como ATP,
sino que se disipa en forma de calor y contribuye a mantener la temperatura corporal.
Regulacion de los niveles de ATP en el corazon
Este tejido tiene alta demanda de ATP y concentracion de mitocondrias, las cuales estan
pobladas densamente de enzimas del CAT, cadena respiratoria, etc.
Ademas, tiene alto contenido de creatina-kinasa (CK) que transfiere el ultimo enlace del
ATP a creatina formando creatina-fosfato. Esta es un amortiguador y transportador energetico. La
isoenzima CK esta en la MMI y forma creatina-P rapidamente liberando ADP. La C-P y ATP
difunden hacia la membrana plasmatica donde pueden acceder a la bomba Na/K, a la miosina y
otras enzimas.
Cadena de transporte de e- NO-FOSFORILANTES
Transporta e- desde coenzimas reducidas a O2, con energia liberada que se usa para otros
fines que no son la S' de ATP.
Oxidasas: oxidan sustratos siendo el O2 el aceptor de e-.
Oxigenasas: oxidan un sustrato a expensas del oxigeno, pero a diferencia de las oxidasas, el
oxigeno se incorpora en la molecula oxidada. Las dioxigenasas incorporan los dos atomos de O2 al
sustrato. Las monooxigenasas incorporan solo un atomo de O y el otro se reduce a H2O, para esto
se necesita un sustrato que acepte un oxigeno, y un cosustrato que aporte los atomos de hidrogeno
para formar agua. Los cosustratos pueden ser FADH2, FMH2, NADH y NADPH.
La transferencia de e- no es directa, se hace a traves de transportadores organizados en
forma de cadena. Uno de los transportadores es la hemoproteina citocromo P450, para estas
reacciones se requiere NADPH2 o NADH.
Sistema de monooxigenasas del citocromo p450 microsomal
Se encuentra en RE, usa NADPH o NADH. La funcion es la hidroxilacion de diferentes
sustratos como AA, escualeno, farmacos como FENOBARBITAL, ANFETAMINAS, MORFINA.
Tambien desatura AG. La S' de enzimas del sistema se induce por drogas que metaboliza el sistema.
Las personas que consumen habitualmente barbituricos los metabolizan mas rapidamente y
necesitan mayor dosis para mantener los efectos deseados, ya que se observa proliferacion del REL.
Sistema de monooxigenasas del citocromo p450 mitocondrial
Esta en MMI de tejidos esteroideogenicos: corteza adrenal, testiculo, ovario y placenta, usa
NADPH. Su funcion es la hidroxilacion de esteroides.
Mutaciones del ADN mitocondrial
El ADN mitocondrial tiene 16mil pares de bases, es circular de doble cadena y compacto. En
él estan codificados dos ARNr, 22 ARNt y 13 polipeptidos de la CTE y FO. La parte no codificante
representa los ORI y promotores para la S' de ARN.
Se hereda exclusivamente de la madre, de las mitocondrias del ovulo. La
HETEROPLASMIA es la variabilidad genetica en el ADN mitocondrial, una celula puede tener
moleculas de ADN mutado y otras sin mutar. Cuanto mayor sea la proporcion de moleculas de ADN
mitocondrial mutante, mas grave es la expresion de la enfermedad. Esto puede afectar a los
diferentes tejidos de un individuo como a los distintos hijos de la misma madre.
Las alteraciones del ADN mitocondrial tienen un umbral de expresion
Cada celula tiene un nivel de ATP S' en mitocondrias necesario para funcionar, debajo de
este, la celula degenera y muere. Los tejidos con mas consumo de ATP son los mas afectados, por
ejemplo el SNC, musculo cardiaco y esqueletico, riñones, glandulas endocrinas.
Las enfermedades por mutaciones somaticas de ADN mitocondrial pueden tardar años en
manifestarse ya que la disminucion en la produccion de energia desciende hasta valores no
compatibles con el funcionamiento normal. Existe un umbral de deterioro de ADN mitocondrial por
encima del cual la manifestacion fenotipica de la enfermedad aumenta marcadamente.
El ADN mitocondrial tiene una tasa de mutacion 10 veces mayor que el ADN nuclear ya que
carece de sistemas de reparacion, y tambien debido a la formacion de radicales libres, subproducto
de la CTE por mal funcionamiento, que atacan el ADN mitocondrial. Osea que una mutacion puede
desencadenar una cadena de mutaciones que se acumulan. La teoria mitocondrial del
envejecimiento dice que la acumulacion de mutaciones en el transcurso de la vida produce caida de
la S' de energia, contribuyendo al deterioro del envejecimiento.
Mitocondriopatias
Enfermedades por alteracion estructural, bioquimica o genetica de las mitocondrias por
mutaciones en ADN nuclear o mitocondrial. Las manifestaciones mas comunes son el deterioro de
funciones mentales, alteraciones motoras, intolerancia al ejercicio, ACV, acidosis metabolica,
cardiopatia, falla hepatica y pancreatica, hipoacusia, entre otras.
Encefalomielopatia necrotizante subaguda
Se manifiesta en infantes como una severa acidosis lactica y anormalidades neurologicas.
Presenta lesiones simetricas en ganglio basal, cerebro y medula espinal. La condiciones fatal. Puede
ocurrir sin una historia familiar de una enfermedad similar o ser transmitido como un defecto
autosomico recesivo de un gen nuclear o por herencia materna de una mutacion en un gen
mitocondrial.
Como se diagnostican estas patologias?
Se evalua el acido lactico serico que puede encontrarse elevado (>2.5mM). Biopsia
muscular, que estudia la morfologia de las fibras, cadena respiratoria y busqueda de ADNmt.
TP 18 radiocompetencia proteica.doc
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