2. Mitocondria
sitio donde ocurre la fosforilación oxidativa en
células eucariotas (1948)
Albert L. Lehninger
1917-1986

3. Mitocondria
Organelo conformado por:
• dos membranas:
Una interna y otra externa
• El espacio intermembranoso
• La matriz mitocondrial.

4. Membrana Interna
· Alto nivel de especialización, por lo cual desarrolla las crestas
mitocondriales
· Moléculas que contiene:
-Proteínas transportadoras
-Complejos enzimáticos: NADH deshidrogenasa, Citocromo-
Oxidasa,
- Ubiquinona y Citocromo C.
-ATP sintetasa.

5. Membrana Externa
 Permeable a solutos
presentes en citosol (iones y
sacarosa) y al agua.
 Cuando se separa la
membrana interna de la
mitocondria el organelo pasa
a llamarse Mitoplasto.

6. Espacio Intermembranoso
 Compuesto por un líquido
similar al citosol, con parecida
cantidad de solutos.
 Alta concentración de
protones.
 Se localizan diversas
enzimas, que intervienen en
las transferencia del enlace de
alta energía del ATP.

7. Matriz Mitocondrial
 Parte interna que conforma la mitocondria.
 En la Matriz se cumplen ciclos fundamentales para el desarrollo de
la Mitocondria, como el Ciclo de Krebs, la beta oxidativa de los
ácidos grasos, se oxida aminoácidos, entre otros.
 Componentes de la Matriz:
- Ribosomas
- Enzimas
- ADN mitocondrial
- Coenzimas A (CoA) y NAD+
- O2, ADP y fosfato

8.  Las únicas moléculas que cruzan la
membrana interna son aquellas para
las que hay proteínas transportadoras
específicas. La membrana interna
posee transportadores de metabolitos
esenciales (ADP, ATP, ácidos
carboxílicos, Ca2+, aminoácidos, etc.)
 La membrana interna aloja a las
proteínas pertenecientes de los
componentes de la cadena
respiratoria y el complejo enzimático
responsable de la síntesis de ATP
(ATP sintasa)

9.  Transportadores universales de electrones
- Nucleótidos de piridina (NAD y NADP)
- Nucleótidos de flavina (FMN y FAD)
 Otros grupos transportadores de electrones
- Ubiquinona ó Coenzima Q (benzoquinona)
- Citocromos
- Proteínas ferro-sulfuradas
Cadena respiratoria mitocondrial ó
cadena de transporte de electrones
proteínas

10. Sustrato reducido + NAD+  Sustrato oxidado + NADH + H+
Sustrato reducido + NADP+  Sustrato oxidado + NADPH + H+
Los electrones son canalizados hacia
aceptores universales de electrones
 La mayor parte de los e- que entran en la cadena respiratoria
proviene de la acción de deshidrogenasas que capturan e-
provenientes de reacciones catabólicas, canalizándolos en forma
de pares de e- hacia aceptores universales
 Aceptores universales de e-: NAD, NADP, FMN ó FAD
 Las deshidrogenasas ligadas a nucleótidos de piridina, catalizan:
 Las deshidrogenasas ligadas al NAD eliminan dos átomos de
hidrógeno de sus sustratos (:H- y H+)

11.  El NADH y el NADPH son transportadores electrónicos
hidrosolubles, asociados reversiblemente con deshidrogenasas
 El NADH actúa como transportador de difusión, llevando e- que
provienen de reacciones catabólicas a su punto de entrada en la
cadena respiratoria, el complejo NADH deshidrogenasa (Complejo I)
 La flavoproteínas contienen nucleótidos de flavina (FAD o FMN)
fuertemente unido, a veces covalentemente. El nucleótido oxidado
puede aceptar un e- (dando la forma semiquinona) o dos e- dando
FADH2 o FMNH2
NADPH + NAD+  NADP+ + NADH
 El NAD+ puede colectar equivalentes de reducción a partir del NADPH.
Esta reacción es catalizada por las enzimas transhidrogenasas:
Los electrones son canalizados hacia
aceptores universales de electrones

12.  La cadena respiratoria consta de una serie de transportadores
electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con
grupos prostéticos capaces de aceptar y donar 1 ó 2 e-
 Cada componente de la cadena acepta e- del transportador
precedente y se los transfiere al siguiente en una secuencia
específica
 Tipos de transferencia de e- (equivalentes de reducción) en la
cadena respiratoria:
(1) transferencia directa de e- (Fe3+/Fe2+)
(2) transferencia de un H+ (1 e-)
(3) transferencia de un hidruro (:H-) portador de 2 e-
Cadena respiratoria mitocondrial ó
cadena de transporte de electrones

13. Otros grupos transportadores de electrones
Ubiquinona o Coenzima Q
 La reducción completa (UQH2)
requiere 2 e- y 2 H+ y se produce
en 2 pasos sucesivos
 La UQ puede aceptar 1 e-
formándose radical semiquinona
(UQH)
 Capaz de actuar como unión
entre un dador de 2 e- y un
aceptor de 1 e-
 Debido a que es pequeña e
hidrofóbica difunde a través de la
membrana interna, actuando de
lanzadera de equivalentes de
reducción entre otros
transportadores electrónicos de la
membrana, menos móviles

14. Otros grupos transportadores de electrones
Citocromos
 Son proteínas que contienen el
grupo prostético hemo: 4 anillos
penta-atómicos nitrogenados en
una estructura cíclica llamada
porfirina. Los 4 N están
coordinados con un Fe2+ (cit
reducido) o Fe3+ (cit oxidado)
ab
c

15. Otros grupos transportadores de electrones
Proteínas ferro-sulfuradas
 En las proteínas ferro-sulfuradas, el hierro está presente no en forma de hemo,
sino en asociación con átomos de azufre inorgánico o con azufre de residuos
Cys de la proteína, o con los dos simultáneamente
 Centros (Fe-S): estructuras sencillas a complejas
 Participan en reacciones de transferencia de 1 e- en la que se oxida o reduce
uno de los átomos de Fe
 Al menos, 8 proteínas Fe-S intervienen en la cadena e transporte de e-
 Potenciales de reducción: -0.65V a + 0.45 V

16. E’o (mV)
NADH - 320
FMNH - 290
Fe-S (Complejo I) - 270
FADH - 10
Fe-S (Complejo II) 20
Ubiquinol (UQH2) 50
Citocromo bk 77
Citocromo bT 190
Citocromo c (+c1) 230
Citocromo a+a3 380
Oxigeno 816
Potenciales de reducción estándar de los transportadores de la cadena
respiratoria mitocondrial
Los e- fluyen espontáneamente desde los transportadores de E’o
más bajo hacia los transportadores con E’o más elevado. En la tabla,
los de más arriba reducen a los de mas abajo

17.  Una serie de moléculas con grupos prostéticos redox con potenciales
de reducción estándar crecientes desde el NADH (-320 mV) al
O2 (+ 816 mV)
Cadena respiratoria mitocondrial ó
cadena de transporte de electrones
 Transporte de e- mitocondrial: reacción global
NADH  Fp(FMN)  UQ  cit bKbT  cit c,c1  cit aa3  O2

18. Los electrones son canalizados hacia trasportadores
universales de electrones
• La mayor parte de los electrones que entran en la cadena
respiratoria mitocondrial provienen de la acción de deshidrogenasas
que captan electrones de las reacciones oxidativas del complejo de
la piruvato deshidrogenasa, del ciclo de krebs, de la ruta de la b-
oxidación, canalizándolos en forma de pares electrónicos hacia la
cadena respiratoria.
• Utilizan nucleótidos de piridina (NAD o NAPH) o nucleótidos de
flavina (FMN o FAD) como aceptores electrónicos.

20. La CTE mitocondrial consta de una serie de transportadores
electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con
grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos electrones.
Cada componente de la cadena puede aceptar electrones del
trasportador precedente y transferirlos al siguiente en una secuencia
específica.
Algunas de las reacciones de esta secuencia son transferencias de
un electrón mientras que otras son transferencias de pares de
electrones.
Además del NAD y de las flavoproteínas, hay otros tres tipos de
transportadores de electrones que funcionan en la cadena
respiratoria: una benzoquinona hidrofóbica (ubiquinona) y dos tipos
diferentes de proteínas con hierro (citocromos y proteínas ferro-
sulfuradas)

21. COENZIMA Q, O UBIQUINONA
(UQ)
• Larga cadena lateral
isoprenoide.
• Puede aceptar un electrón
transformándose en el radical
semiquinona o dos electrones
formando ubiquinol (UQH2)

22. LOS CITOCROMOS
• Proteínas transportadoras
de electrones que
contienen hierro situadas
en la membrana interna
mitocondial

25. Componentes de la cadena respiratoria mitocondrial
pH = 7.0Espacio intermembranas (Lado P)
pH = 7.8Matriz (Lado N)
Reacciones de transferencia
de e- se realiza a alta
velocidad por estar los
transportadores de e-
incorporados en la
membrana interna
(restringidos en sus
movimientos) y asociados
entre sí (uniones
intermoleculares)

35. Translocación de H+ asociada al flujo de electrones
pH = 7.0Espacio intermembranas (Lado P)
pH = 7.8
Matriz (Lado N)
 Por cada par de e- transferidos al O2, 4 H+ son bombeados por el
Complejo I, 4 H+ por el Complejo III y 2 H+ por el complejo IV; todos
ellos desde la matriz mitocondrial (Lado N), hacia el espacio
intermembranas (Lado P)
NADH + 11 H+
(N) + 1/2 O2  H2O + NAD+ + 10 H+
(P)
En las condiciones celulares, la oxidación mitocondrial del NADH o del succinato libera una
energía superior a la necesaria para la síntesis de ATP

38. • La transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria
libera energía más que suficiente para formar ATP.
• La enzima ATP sintasa, es el equivalente de una bomba de protones
dependiente de ATP, donde el flujo de protones a favor de su
gradiente electroquímico a través de esta bomba impulsa la
condensación de Pi y ADP.
• La fosforilación oxidativa se refiere a la síntesis química de ATP
impulsada por el proceso exergónico de transferencia de electrones
desde el NADH al O2
• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena
respiratoria
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

39.  La membrana mitocondrial interna
separa 2 compartimientos de
diferente pH, generando diferencias
tanto en la concentración de H+
(pH) como en la distribución de
cargas ().
 El efecto neto de esta diferencia es
la fuerza proto-motriz
Fuerza proto-motriz
Gradiente electroquímico de H+

40. Generando gradiente H+
NADH
espacio intermembrana
matriz mitocondrial

41. La teoría quimiosmótica mitocondrial
(P. Mitchell, 1961)
Peter Mitchell
1920-1992
The Nobel Prize in Chemistry 1978
"for his contribution to the understanding
of biological energy transfer through the
formulation of the chemiosmotic theory"
El gradiente electroquímico de protones a través de la
membrana interna mitocondrial (fuerza proto-motriz)
es crucial para los procesos de transducción de energía
y síntesis de ATP

42. Membrana
mitocondrial
interna
Matriz
mitocondrial (N)
Espacio
intermembrana (P)
ADP + Pi ATP
O2
FP b c a a3
H+ H+ H+
pH = 7.0
pH = 7.8
ATPasa
H+
La teoría quimiosmótica mitocondrial
(P. Mitchell, 1961)
La fuerza proto-motriz, lleva a la síntesis de ATP, como
consecuencia del flujo pasivo de H+ hacia la matriz mitocondrial, a
través de un poro de H+ (F0) asociado a la ATP sintasa (Complejo V)
ADP + Pi + nH+
(p)  ATP + H2O + nH+
(N)

43. Produccción ATP:
Modelo Quimiosmótico
ATP
ADP
+
Pi
MATRIZ MITOCONDRIAL

44. Cadena respiratoria y Fosforilación oxidativa

45. Fosforilación oxidativa
Síntesis de ATP acoplada al flujo de electrones
 Cuando se suspenden mitocondrias en una solución
amortiguadora, que contiene un sustrato oxidable, ADP y
Pi, ocurren 3 procesos:
(1) se oxida el sustrato
(2) se consume O2 (hay respiración)
(3) se sintetiza ATP
 Si el dador de e- es el NADH, las mitocondrias sintetizan 3
ATP por cada par de e- pasados al O2
 Si el dador es succinato, se sintetizan 2 ATP
 El consumo de O2 y la síntesis de ATP son dependientes
de la presencia de un sustrato oxidable y de ADP y Pi

46. Postulados de la teoría quimiosmótica mitocondrial
(P. Mitchell, 1961)
 El transporte de e- a través de la cadena respiratoria está asociado al
transporte de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranas
 La membrana interna es impermeable a los H+
 Se conserva la energía de oxidación de los procesos metabólicos en
forma de potencial electroquímico, ya que se genera un gradiente
electroquímico de H+
 La cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP
 El flujo de H+ a favor de su gradiente electroquímico proporciona la
energía libre para la síntesis de ATP. Las concentraciones de H+ en
las 2 fases acuosas (EIM y M) separadas por la membrana interna,
constituyen la fuerza responsable (fuerza proto-motriz) de la formación
de ATP a partir de ADP y de Pi, por acción de la F1-ATPasa de la
membrana mitocondrial

47. TEORÍA DE MITCHELL
•El flujo de electrones producido por la cadena de electrones es
bombeado al espacio intermembrana de la mitocondria
• Esto crea un gradiente electroquímico gracias al cual los protones
tienden a volver al interior del orgánulo.
•Los protones atraviesan la ATP-Sintetasa ingresando a la matríz
mitocondrial.
•Este paso conlleva un desprendimiento de energía que se utiliza para
que un ADP se una a un grupo fosfato, dando lugar al ATP.

48. Síntesis de ATP por ATP sintasa
John Walker
The Nobel Prize in Chemistry 1997
"for their elucidation of the enzymatic
mechanism underlying the synthesis of
adenosine triphosphate (ATP)"
Paul Boyer

49. ATP sintasa, ATPasa o Complejo V
 Gran complejo enzimático, que cataliza la síntesis de ATP a partir de
ADP y Pi, acompañado del flujo de H+ desde el lado P al N
 Está formado por dos componentes:
F1, una proteína periférica de membrana (33)
F0, una proteína integral (poro de H+) (ab2c10-12)
 Sub. c (de F0) forman 2 círculos
concéntricos
 La subunidad  pasa a través del
centro esférico 33
 Sub.  y  (de F1) se unen
firmemente al anillo de sub. c.
F1
F0
Matriz
EIM

50.  Las translocación de H+ a través del poro F0 provoca que el cilindro de
sub. c y la subunidad  adjunta, roten alrededor del eje de g
(perpendicular al plano de la membrana)
ATP sintasa, ATPasa o Complejo V
 El pasaje de H+ a través de F0 llevan a
cambios conformacionales de la
subunidad  de la F1-ATPasa
 El proceso endergónico de rotación de la
sub.  es impulsado por el proceso
exergónico de la translocación de H+ del
lado P al N
F1-ATPasa = Rotor molecular
El acoplamiento no es químico,
sino electroquímico y físico

51.  La fosforilación oxidativa se refiere a la síntesis química
de ATP impulsada por el proceso exergónico de
transferencia de electrones desde el NADH al O2
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
• Ocurre en la mitocondria
• La fosforilación oxidativa comienza con la entrada de e- en la cadena
respiratoria
• Los e- pasan a través de una serie de transportadores incluidos en la membrana
interna mitocondrial
• Los transportadores electrónicos mitocondriales funcionan dentro de complejos
proteicos ordenados en serie
• La cadena de transporte de e- es un proceso exergónico, que libera energía
suficiente para la síntesis de ATP
• Existe una translocación de H+ desde la matriz hacia el EIM (fuerza protomotriz)
• Síntesis de ATP por ATP sintasa

59. ESPACIO INTERMEMBRANA
MATRIZ MITOCONDRIAL
Cadena transportadora Electrones ATP Sintetasa
ATP
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
NADH + H+ NAD+ + 2H+ FAD + 2H+FADH2 2H+ + 1/2 02 H2O ADP + Pi
e-
e- e-
Fosforilización

60. glucosa
glycolysis
e–
CICLO
KREBS
cadena
transportadora
electrones
2 PGAL
2 pyruvate
2 NADH
2 CO2
ATP
ATP
2 FADH2
H+
2 NADH
6 NADH
2 FADH2
2 acetil-CoA
ATP2 Ciclo
Krebs
4 CO2
ATP
ATP
ATP
36
ADP
+ Pi
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Fig. 8-9, p.131
Fosforilización

61. Importancia Oxígeno
• Cadena transportadora electrones requiere
oxígeno
• Oxígeno recoge electrones de la cadena y los
combina con H+ para formar agua

62. Resumen Ganancia de Energía
(por molécula glucos)
• Glucólisis
▫ 2 ATP
• Ciclo Krebs y reacciones preparación
▫ 2 ATP
• Cadena transportadora electrones
▫ 32 ATP

63. • 686 kcal de energía se liberan
• 7.5 kcal se conservan en cada ATP
• Cuando se forman 36 ATP, 270 kcal (36 X 7.5) se
capturan en ATP
• Eficiencia = 270 / 686 X 100 = 39%
• Mayoría energía se pierde en calor
Eficiencia de respiración aeróbica

64. ATPasa

65. VOLVER
Comp.

66. AcCoA
CO2
CO2

67. Fosforilación Oxidativa y Cadena Transportadora de Electrones.