Teoría 08. procesos bioenergéticos

1. Sesión 08:
Procesos bioenergéticos a nivel
mitocondrial.
© Jorge Plasencia Alvarez

2. ¿Qué tipo de proteínas forman los complejos de la cadena
respiratoria?
Preguntas de Trabajo
Cadena Transportadora de electrones
Producción de energía: Fosforilación
Contenido Temático – Semana 5: AGUA, MINERALES Y VIT.
¿Porqué se le llama cadena respiratoria?
¿Qué moléculas inhiben al complejo I de la cadena
respiratoria?
¿Cuál de los complejos de la cadena se considera más
importante?
¿Cuáles son las puertas de entrada en la cadena
respiratoria para el ingreso de electrones de NADH y FADH?
¿Cuántos tipos de producción de energía hay en nuestras
células?
¿Qué es la fosforilación a nivel de sustrato?
¿Cuáles son los complejos de la cadena respiratoria
asociados con la producción de energía?
¿Qué enzima interviene en la producción de energía en la
mitocondria asociada a la cadena mitocondrial?
¿Qué moléculas pueden desacoplar la fosforilación
oxidativa?

3. Conjunto de complejos proteicos localizados en
la membrana mitocondrial interna
CADENA RESPIRATORIA - Características
Definición
por los que pasan electrones.
Importancia

4. CADENA RESPIRATORIA - Características
Ordenamiento Componentes
Ordenamiento secuencial de electrones o H+, desde los
componentes de mayor potencial REDOX negativo hacia los
componentes de mayor potencial REDOX positivo, conformado por
un conjunto de enzimas y sustratos.
Los componentes de la cadena incluyen
proteínas ferrosulfuradas o centros
ferrosulfurados, coenzima Q y una serie
de citocromos: b, c, c1, a, a3 .
La respiración es un proceso mediante el cual las células obtienen energía
en forma de ATP, de la reacción controlada de H+ con el O2, para formar
agua.

5. CADENA RESPIRATORIA - Complejos
Clasificación
Complejo I= NADH deshidrogenasa
Complejo II= succinato deshidrogenasa
Complejo III= ubiquinona: citocromo c oxidorreductasa
Citocromo c
Complejo IV= citocromo oxidasa
Complejo I
Dos tipos de proteínas REDOX:
❑ Flavinmononucleótido (FMN), reducido por NADH.
❑ Proteínas hierro sulfuro (FeS), reducidas por NADH.
❑ Cataliza la oxidación de NADH por CoQ.
❑ Área de bombeo de protones.

6. CADENA RESPIRATORIA - Complejos
Complejo II
▪ Enzima del ciclo del
ATC succinato
deshidrogenasa.
▪ FAD
▪ Proteínas FeS.
▪ Cataliza la oxidación de
FADH2 por CoQ

7. CADENA RESPIRATORIA - Complejos
Complejo III
▪ Citocromos b, citocromo c1
▪ Proteínas FeS.
▪ Cataliza la oxidación de CoQ por el citocromo C.
▪ Área de bombeo de protones.
Complejo IV
▪ Citocromo a y a3.
▪ Dos átomos de cobre
▪ Cataliza la reducción de 4
electrones de oxígeno a agua.
▪ Área de bombeo de protones.

8. CADENA RESPIRATORIA - Complejos
Sustratos que transfieren electrones

9. CADENA RESPIRATORIA - Complejos
Sustratos que transfieren electrones

10. CADENA RESPIRATORIA - Inhibidores
Definición
Sustancias que se unen a un componente
de la cadena y bloquean la transferencia de
electrones en lugares específicos.
BLOQUEO
Transportadores
Reducidos
Transportadores
Oxidados
O2 no es consumido y no se genera ATP
Clasificación
Inhibidores de la propia cadena
Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa
Desacopladores

11. CADENA RESPIRATORIA - Inhibidores
Complejo I
Inhibidores de la Propia Cadena
Son agentes que actúan en los componentes de la
cadena transportadora de electrones Evitan la oxidación de los sustratos que se
comunican con la cadena respiratoria e
impiden la transferencia de FeS a la
coenzima Q.
❑Barbitúricos: Amobarbital, Tiopental,
fenobarbital.
❑Piericidina A: antibiótico.
❑Rotenona: producto vegetal, que se utiliza como
insecticida y veneno para peces.

12. CADENA RESPIRATORIA - Inhibidores
Complejo III
Bloquean el pasaje de electrones a través
del complejo citocromo b y c.
❑Actimicina A: antibiótico.
❑Dimercaprol: utilizado en caso de intoxicaciones con
metales (arsénico, mercurio, oro, plomo) que forman
mercáptidos.
Complejo IV
Se combinan con la citocromo-oxidasa y
bloquean la transferencia de electrones al
oxígeno
Detienen por completo la respiración.
C N
Sulfuro de Hidrógeno
Monóxido de
Carbono
Cianuro
❑ Bloquean la
transferencia de
equivalentes
reducidos de la
succinato
deshidrogenasa a la
coenzima Q.
Carboxina
❑ Inhibe
competitivamente a
la succinato
deshidrogenasa.
Malonato

13. CADENA RESPIRATORIA – Importancia Clínica
Síndrome MELAS
Miopatía mitocondrial mortal infantil, con disfunción renal:
- Encefalomiopatía mitocondrial.
- Acidosis láctica.
- Infarto cerebral.

14. sintetiza a partir de ADP
Fosforilación a nivel
de sustrato
Fosforilación
Oxidativa
2 procesos
SINTESIS DE ATP - Fosforilación
Características Tipos Fosf. a Nivel Sustrato
mediante la
Ocurre
en
reacciones
No requiere oxígeno, por lo que es importante
para generar ATP en tejidos con poco aporte de
oxígeno.
Formación de ATP
fosforilación directa del ADP
que tienen suficiente energía libre como para
producir ATP directamente de la vía metabólica.

15. Reacción química en la que una molécula fosforilada, transfiere su
grupo fosforil al ADP, produciendo de esa forma ATP. Esta energía será
aprovechada en los diversos procesos metabólicos.
Enzimas solubles
Intermediarios
químicos
(metabolitos)
1
2
La síntesis de ATP se acopla a la hidrólisis de un compuesto con
energía libre de hidrólisis mayor que la del propio ATP
Cinasas
SINTESIS DE ATP - Fosforilación
Fosf. a Nivel Sustrato

16. Proceso que forma ATP al transferir electrones del NADH y FADH2 al
oxígeno molecular, a través de una serie de transportadores de
electrones.
Piruvato por Glucólisis.
Ac. Grasos por B-oxidación.
Algunos aa (transaminación)
Acetil CoA
proporciona
Ciclo ATC
oxidado
CO2 H2O
estos
procesos
donan
electrones
desde productos
intermedios
metabólicos
coenzimas NAD+ y
FAD
Formas reducidas, NADH y FADH2
a
para producir
SINTESIS DE ATP - Fosforilación
Fosforilación Oxidativa

17. NADH se forma en glicólisis, Ciclo ATC y B-oxidación
FADH2 se forma
en Ciclo ATC y B-
oxidación
donan
Al transmitirse por la cadena, cada e-
pierde su energía libre
Parte de esta energía es capturada y utilizada para ATP
SINTESIS DE ATP – Fosforilación Oxidativa
Origen de los Productos Intermedios Reducidos

18. 1
Transporte de e- esta acoplado a transporte de
protones a través de MMI hasta el espacio MI.
2
Se crea un gradiente electroquímico a través de la
MM, por el “bombeo de protones” en 3 lugares.
3
Protones sólo pueden retornar a la matriz
mitocondrial a través de ATP sintasa en la MMI.
4
El movimiento de protones activa la ATP sintasa
para catalizar la síntesis de ATP.
5
Cualquier energía no atrapada como ATP se libera
en forma de calor.
SINTESIS DE ATP – Fosforilación Oxidativa
Mecanismo

19. Los complejos I, III y IV actúan
como bombas de protones creando
un gradiente transmembrana que
deja negativo el lado de la matriz.
El retorno de los protones a través de las
enzimas ATPasas permite la actividad de
fosforilación de ADP + Pi
La energía derivada de la transferencia de electrones a través de la cadena transportadora de electrones es utilizada
para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna, desde la matriz mitocondrial hacia el lado
citosólico. Se genera así un gradiente electroquímico que consiste en un gradiente de protones y un potencial de
membrana.
FOSFORILACION OXIDATIVA – Teoría Quimiosmótica
Flujo de e- no produce
directamente la síntesis
de ATP

20. NADH
NAD+
4H+
Succinato Fumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
El ATP es generado como resultado de la energía producida cuando los electrones de NADH
y FADH2 son trasladados al O2 molecular por una serie de transportadores de electrones,
conocidos la CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES.
FOSFORILACION OXIDATIVA – Teoría Quimiosmótica

21. Subcomplejo F0:
Proteína Integral,
Canal
transmembrana
para protones con 3
subunidades: a, b2 y
C12
Subcomplejo F1:
▪ 9 subunidades α3, β3,
γ, δ, ε.
▪ 3 sitios catalíticos.
▪ subunidad γ fija en
forma de un “eje
doblado”.
Los protones que pasan por
el disco de unidades “c”
hacen rotar el disco y la
subunidad γ fija.
La subunidad γ se adapta
dentro del subcomplejo F1
que no rotan
Las subunidades β captan
de manera secuencial ADP
y Pi para formar ATP
Se forman 3 moléculas de ATP por cada giro completo del complejo
FOSFORILACION OXIDATIVA – Estructura de ATP sintasa

22. LIMITA el
TRANSPORTE
MEMBRANA
EXTERNA
MEMBRANA
INTERNA
MATRIZ
MEMBRANA
INTERNA
SUSTRATOS
INTERMEDIARIOS
NUCLEOTIDOS
SISTEMAS DE
TRANSPORTE
FOSF. OXIDATIVA – Sistema de Transporte Mitocondrial

23. Facilitan el movimiento selectivo de
varios sustratos e intermediarios a un
lado y otro de la membrana y de
sustratos contra gradiente de
concentración.
FOSF. OXIDATIVA – Sistema de Transporte Mitocondrial
Definición Translocador de Nucleotidos: Adenina
La animación ilustra este proceso, en este caso
introduciendo ADP a la matriz mitocondrial y
sacando ATP. Ésta es la dirección de transporte
habitual, pues la ATP sintasa genera un exceso de
ATP en la matriz mediante la fosforilación
oxidativa, impulsada por el gradiente de protones
generado por el transporte electrónico mitocondrial.
Ese ATP puede utilizarse en el citosol para los
procesos de biosíntesis.
FOSFATO TRANSLOCASA

24. Mecanismos de LANZADERAS DE SUSTRATO
Los nucleótidos implicados en las reacciones de
oxidación-reducción celulares (NAD+, NADH, NADPH,
FAD y FADH2) y la coenzima A y derivados no son
permeables a la MMI
se utilizan
LANZADERA DEL GLICEROL
FOSFATO
LANZADERA DE MALATO
ASPARTATO
MUSCULO ESQUELETICO
CEREBRO
HIGADO
CORAZÓN
RIÑON
FOSF. OXIDATIVA – Sistema de Transporte Mitocondrial
LANZADERA DEL GLICEROL
FOSFATO
LANZADERA DE MALATO
ASPARTATO
Transportador de ácidos di

25. La oxidación de NAD+ genera aproximadamente 3 ATP.
La oxidación de FADH2 genera aproximadamente 2 ATP.
El ATP es transportado desde la matriz mitocondrial al citosol en un intercambio con ADP (sistema antitransporte ATP-ADP)
FOSF. OXIDATIVA – Sistema de Transporte Mitocondrial
Lanzadera de ATP
Balance Final

26. El proceso total es conocido como FOSFORILACIÓN OXIDATIVA, debido a que la energía generada por la
transferencia de electrones, a través de la cadena respiratoria, al O2 es utilizada en la síntesis de ATP.
El transporte de electrones y la síntesis de ATP ocurren simultáneamente y están estrechamente acoplados
NADH y FADH2 son oxidados solamente si el ADP está disponible para su conversión en ATP; es decir, cuando el
ATP está siendo utilizado y convertido en ADP
El ATP está constantemente consumiéndose y regenerándose.
Se consume en procesos como la contracción muscular, el transporte activo y las reacciones biosintéticas.
Es regenerado por la oxidación de los alimentos.
La energía liberada cuando el ATP es hidrolizado es utilizada para conducir reacciones que requieren energía.
El ATP transfiere energía de los procesos que la producen a los procesos que la utilizan.
FOSFORILACION OXIDATIVA – Conclusiones
1
2
3
4
5
6
7
8

27. FOSFORILACION OXIDATIVA - Inhibidores
Inhib. de Fosforilación
Clasificación
Inhibidores de la propia cadena
Inhibidores de la Fosforilación Oxidativa
Desacopladores
Inhibidores de la síntesis de ATP.
Síntesis de ATP y el transporte de electrones es
acoplado
No hay síntesis ATP
O2 no es consumido
Transportadores acumulan
estado reducido
Oligomicina:
antibiótico, se une al complejo ATP
sintasa (segmento Fo) e impide la
conversión de ADP en ATP.
glucósido vegetal, inhibe al transportador
de ADP a la mitocondria, con la salida
simultánea de ATP (translocador
ATP/ADP)
Atractilósido:
El uso de inhibidores no sólo ha ayudado a deducir la secuencia de la cadena
respiratoria, sino que ha permitido conocer mejor el mecanismo de acción de algunos
fármacos y venenos

28. Son TÓXICOS que disocian la oxidación de la
fosforilación en la cadena respiratoria
La respiración se
torne incontrolada
Provoca que
Los desacoplantes suelen ser
compuestos hidrófobos
bases o ácidos débiles
ACTÚAN
LOS MAS
UTILIZADOS
SON
Crean un “escape de protones", es decir, disipa el
gradiente de protones permitiendo que los iones H+ se
desplacen desde el espacio intermembrana hacia la matriz
mitocondrial sin la participación de la ATP-SINTASA
• NATURAL: termogenina
(proteína desacopladora)
• SINTÉTICO: 2,4-dinitrofenol
FOSFORILACION OXIDATIVA - Inhibidores
Desacopladores DESACOPLADOR NATURAL: TERMOGENINA (PROTEÍNA
DESACOPLADORA - UCP)
Son desacoplantes endógenos
(proteínas transportadoras) localizados
en la membrana mitocondrial interna del
tejido adiposo pardo
La energía se libera como calor y el
proceso se llama termogénesis sin
escalofríos.
El frio activa la lipasa sensible a la
acción de la noradrenalina
La lipolisis favorece la producción de
grandes cantidades de ácidos grasos
libres en los tejido adiposos
Se activa el transporte de H+ mediante
la segregación de UCP-1

29. D. SINTÉTICO: 2,4-DINITROFENOL (DNP)
La acidez del espacio intermembrana permite la
protonación del 2,4-dinitrofenol
A causa de su carácter hidrófobo, puede difundir
libremente a través de la membrana mitocondrial
interna.
Cuando llega a la matriz mitocondrial, encuentra
un pH mas básico y se libera el protón
Es un desacoplante exógeno que aumentan la
permeabilidad de la membrana mitocondrial interna
a los protones
Difunde libremente a través de la membrana
mitocondrial interna (pH básico)
(pH ácido)
FOSFORILACION OXIDATIVA - Inhibidores
Desacopladores

30. 2,4 dinitrofenol,
Dinitrocresol,
Pentaclorofenol.
CCCP (clorocarbonilcianurofenilhirazona)
Se comportan como ionóforos
A: ionóforos tipo “canal”, de existencia transitoria;
B: ionóforos tipo “barqueta”, dotados de elevada
movilidad en la bicapa lipídica
Permiten la reentrada de protones
desde el citosol a la matriz, sin
pasar por el canal del complejo
ATP sintasa, desacoplando así el
transporte de electrones y la
producción de ATP, por lo que
disocian la oxidación de la
fosforilación
FOSFORILACION OXIDATIVA - Inhibidores
Agentes Desacoplantes
antibióticos de naturaleza peptídica, son
ionóforos de K+ y Ca++
Valinomicina
Se incrementa el consumo de O2 y el transporte de electrones, se estimula la
actividad del ciclo de Krebs y la producción de O2. No se produce ATP porque el
gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna está disipado
La energía generada por el incremento de la respiración (transporte de electrones y
consumo de O2) se pierde en forma de calor

32. ENZIMAS
Bibliografía Empleada
Blanco A. “Química Biológica”9° edición. El Ateneo, Argentina-2014
Lectura Obligatoria
Rodwell V. “Bioquímica Ilustrada Harper”31° edición. Lange, México-2019
Baynes J. “Bioquímica Médica”4° edición. Elsevier, España-2014