Bioquímica del Metabolismo

La fosforilación oxidativa: quimiosmótica Acoplamiento

Contenido de esta página:estructura mitocondrial 
H ⁺ eyección de la matriz mitocondrial relacionado con la respiración
    Complejo I ,  Complejo III (ciclo Q) ,  Complejo IV 
teoría quimiosmótica de fosforilación oxidativa 
Transporte de ADP / ATP & P _i - papel de D pH y DY
Respiratorio el control y desacoplamiento

Una visión convencional de la estructura mitocondrial se representa a la derecha. La cadena respiratoria está incrustado en crestas de la membrana interna . Espontánea de transferencia de electrones a través de complejos de la cadena respiratoria I, III, y IV se acopla a H + eyección de la matriz al espacio intermembrana. Debido a que la membrana externa contiene grandes canales , protones en el espacio intermembrana pueden equilibrar con el citosol. La respiración de bombeo ligado de protones de la matriz mitocondrial conserva algo de la energía libre de las transferencias de electrones espontáneos como energía potencial de un electroquímica H + gradiente .

Reconstrucciones 3-D basado en micrografías electrónicas tomadas con gran profundidad de campo en diferentes ángulos de inclinación han indicado que losrepliegues de la membrana mitocondrial interna son variable en forma y están conectados a la periferia y entre sí por regiones tubulares estrechas.  A la derecha es una micrografía electrónica, proporcionada por el Dr. Carmen Mannella del Centro Wadsworth, de una mitocondria Neurospora en una muestra congelada en ausencia de fijadores o manchas que podrían alterar la apariencia de las estructuras internas. Tubular crestas conectarse a través de la membrana interna na pasadizos rrow que pueden limitar la tasa de H + equilibración entre el lumen de crestas y elespacio intermembrana . (Ver Fig 22-4 en Voet y Voet, Bioquímica, 3ª Edición, p. 799, y un Centro Wadsworth página web .) Hay evidencia también que los protones bombeados fuera de la propagación de la matriz a lo largo de la superficie de la membrana aniónica y equilibran lentamente con la fase de mayor circundante, la maximización de la eficacia H + gradiente .

Un total de 10 protones se expulsan de la matriz mitocondrial por 2 electrones transferidos desde NADH al oxígeno a través de la cadena respiratoria. El H+ / e - ratio para cada complejo de la cadena respiratoria se tratará por separado. (Véase también el artículo de P. Hinkle) .

Complejo I (NADH deshidrogenasa) transporta 4 H + fuera de la matriz mitocondrial por 2e - transferido de NADH a la coenzima Q.La falta de alta resolución de la información estructural del dominio de membrana del complejo I ha impedido la elucidación del mecanismo de la H + transporte a través de este complejo. El acoplamiento directo del flujo de protones transmembrana y la transferencia de electrones es poco probable , debido a que el electrón de transferencia de grupos prostético, FMN y centros hierro-azufre, están ubicados en el dominio periférico del complejo I (véanse las notas sobre la cadena de transferencia de electrones ). Por lo tanto se supone que la proteína de cambios conformacionales están involucrados en H + transporte , como con una bomba de iones .

Complejo III (bc 1 complejo): H + transporte en el complejo III implica coenzima Q (CoQ). El " ciclo Q "depende de la movilidad de la CoQ dentro de la bicapa lipídica. Hay evidencia de un electrón transferencias, con un compuesto intermedio radical semiquinonaestado.Ciclo Q:

Los electrones entran complejo III a través de la coenzima QH 2 , que se une a un sitio en el lado positivo de la membrana mitocondrial interna, adyacente al espacio intermembrana. QH 2 cede un electrón a la Rieske centro hierro-azufre (Fe-S). Fe-S se vuelve a oxidar por transferencia del electrón a citocromo c 1 , que pasa hacia fuera del complejo de citocromo c .  La pérdida de un electrón de QH 2 generaría un radical semiquinona , que se muestra aquí como Q - , aunque la semiquinona podría retener inicialmente un protón como QH. Un segundo electrón es transferido desde el semiquinona para citocromo b L (heme b L ) , que pasa a través de la membrana a través del citocromo b H(heme b H ) a otro de CoQ unido en un sitio en el lado de la matriz de la membrana. La totalmente oxida la CoQ , genera como el segundo electrón se pasa a los citocromos B, entonces puede disociarse de su sitio de unión adyacente al espacio intermembrana. Acompañando a la oxidación de dos electrones de QH cota 2 , 2H + son liberados al espacio intermembrana.

Ciclo Q (una versión)

En una alternativa mecanismo que se ha propuesto, los dos electrones transferencias de QH ₂ a Fe-S y cyt b _L pueden ser esencialmente simultánea , eliminando la semiquinona intermedio. (Vea la lista delos últimos comentarios para discusiones más detalladas de los mecanismos propuestos.)

Se tarda 2 ciclos para la CoQ, ligados en el sitio cerca del lado de la matriz de la membrana, que ser reducido a QH 2 , ya que acepta electrones de la 2 b hemes y 2 H + se extraen de la matriz compartimento. En 2 ciclos, 2 QH 2 escriba la vía, y uno se regenera. En general, la reacción catalizada por el complejo III, incluyendo entradas y salidas del ciclo Q netos :  QH 2 + 2H + (lado de la matriz) + 2 cyt c (Fe 3+ ) Q + 4H + (fuera) + 2 cyt c (Fe 2 + ) Por 2e - transferido a través del complejo de citocromo c, 4H + son liberados al espacio intermembrana. Mientras 4H + aparece fuera por 2e neta - transferida en 2 ciclos, sólo el 2 H + se toman en el lado de la matriz. En respiratoria cadena complejo IV (véase más adelante), hay una absorción de manera similar no compensada de protones desde el lado de la matriz (4H + O por 2 o 2 por 2e - ). Así, hay 2H + 2e por - que se transportan eficazmente por una combinación de los complejos III y IV. Se enumeran con el complejo III en diagramas (por ejemplo, véase más arriba ) representa H + / e - estequiometría.

de correo - y H +transferencia en el Complejo III

La mitad de la homo-dimeric complejo III se representa a la derecha. Se indica la ubicación aproximada de la bicapa de la membrana. No se muestra son los sitios cerca de hemo b vinculante de CoQ H cerca de hemo b L .Los b hemes están en condiciones de proporcionar una vía para la transferencia de electrones a través de la membrana. El dominio de la proteína con adjunto Rieske centro hierro-azufre (con la etiqueta Fe-S) tiene un enlace flexible para el resto del complejo. A la derecha, la proteína de núcleo de hierro-azufre es de color verde . El centro hierro-azufre cambia de posición durante la transferencia de electrones. Después de Fe-S extrae un e - de QH2 , se mueve más cerca de heme c 1 (citocromo c 1 ) a la que se transfiere el e - . Ver una animación de este movimiento de dominio por el laboratorio Crofts. Después de la primera transferencia de electrones desde QH 2 a Fe-S, el semiquinona la CoQ se postula a cambiar de posición dentro del sitio de unión Q-, moviéndose más cerca de su receptor de electrones, hemo b L . Esto ayudaría a evitar la transferencia del segundo electrón del semiquinona a Fe-S .

Complejo III es un homo-dímero obligado . El centro de hierro-azufre en una media del dímero puede interactuar con CoQ atado y heme c 1 en la otra mitad del dímero.A la derecha, las flechas indican las posiciones de: Fe-S en el medio del complejo cuyas proteínas son de color blanco / gris hemo c 1 en el medio del complejo cuyas proteínas son de color en tonos de azul o verde. Crystal estructuras en que se basan estos diagramas, (AP 1BE3 y 1BGY) se resolvieron por S. Iwata et al, en 1998.

Complejo IV (citocromo oxidasa): Como se discutió en la sección sobre la cadena respiratoria , los electrones son donados a IV complejo, uno a la vez, por el citocromo c, que se une desde el espacio intermembrana. Cada electrón pasa a través de Cu _A y heme una al centro binuclear , enterrado en el complejo, que cataliza la reducción del oxígeno:
    4e ^- + 4H ⁺ + O ₂ → 2H ₂ O. P rotons utilizados en esta reacción son tomados de la matriz compartimento . 
H ⁺ de bombeo por el complejo IV :
Además de los protones utilizados en la reducción de O ₂ , hay una transferencia de electrones ligados a transporte de 2H ⁺ 2e por ^- (4H ⁺ por 4e ^- ) de la matriz al espacio intermembrana.
Estudios estructurales y mutaciones indican que los protones pasan a través de complejo IV a través de cadenas de grupos sujetos a la protonación / desprotonación, llamados " cables de protones ". Estos consisten principalmente de cadenas de enterrados moléculas de agua , junto con aminoácidos cadenas laterales, y propionato de cadenas laterales de los hemes.
Separa H ⁺ -conducting vías enlazan cada lado de la membrana a la enterrado binuclear centro donde O ₂ reducción tiene lugar. Estos incluyen dos vías de protones ", designado D "y" K "(el nombre de constituyentes residuos Asp y Lys) que se extiende desde la matriz mitocondrial a cerca del centro binuclear profundo de complejo IV.
Ver diagrama p. 826, y las imágenes de:
   una página web mantenida por el Instituto de Procesamiento de Información Biológica en Alemania,
   una página web mantenida por A. Crofts.
Un interruptor se propone mecanismo controlado por el ciclo de reacción para efectuar la transferencia de un protón de un medio hilos (medio-canal) a la otra. Allí no puede haber una vía abierta para H⁺ por completo a través de la membrana, o fosforilación oxidativa habría desacoplado . (Protones bombeados se fuga hacia atrás; véase más adelante). El proceso de conmutación puede implicar cambios conformacionales, y / cambios de reducción de ligado de oxidación en p K _una de los grupos asociados con los centros metálicos catalíticos. Se han propuesto mecanismos detallados (ver artículos sobre oxidasa).

Un simplificada animación de la cadena respiratoria entera, a la derecha, incluye una representación simplificada del ciclo Q. Un total de 20 H + se muestra ser transportado fuera de la matriz, por 4 e - transferido de NADH a 2 O 2 (10 H + por O 2 ).  No se muestra son OH - iones que se acumulan en la matriz, como protones, generados por la disociación del agua (H 2 O H + + OH - ), se bombean a cabo. Además, no representado es el efecto sobre el gradiente de pH de almacenamiento en búfer.

de la cadena respiratoria

La ATP sintasa , que está incrustado en crestas de la membrana mitocondrial interna, incluye las siguientes subunidades principales: F 1 - la subunidad catalítica, hecha de 5 polipéptidos con estequiometría un 3 b 3 gde . F o - un complejo de proteínas integrales de membrana que media el transporte de protones.  La F 1 F o compleja síntesis de ATP para parejas H + transporte en la matriz mitocondrial. Transporte de al menos 3H + por ATP sintetizado se requiere , como se estima a partir de una comparación de los siguientes (calculada en el Tutorial):

• el cambio de energía libre ( D G ) asociado a la síntesis de ATP en condiciones celulares (la energía libre es necesario)
• el cambio de energía libre ( D G ) asociado con el transporte de cada H ⁺ en la matriz mitocondrial, basado en el electroquímica H ⁺ gradiente (la energía libre disponible por H ⁺ ).

Sintasa ATP estructura y el mecanismo se discuten en más detalle en otra parte.

La Teoría quimiosmótica de la fosforilación oxidativa, para el que Peter Mitchell recibió el premio Nobel se resume en el diagrama de la derecha. La Teoría quimiosmótica establece que el acoplamiento de la transferencia de electrones para la síntesis de ATP es indirecta , a través de un H + gradiente electroquímico:

1. Respiración: transferencia de electrones espontánea a través de los complejos I, III, y IV se acopla a H no espontánea ⁺ eyección de la matriz mitocondrial. H ⁺ eyección crea un potencial de membrana ( DY , negativo en la matriz) y un gradiente de pH ( D pH, alcalina en la matriz).
2. F ₁ F _o ATP sintasa: la síntesis de ATP no espontánea se acopla a H espontánea ⁺ transporte en el compartimento de la matriz. Los gradientes de pH y eléctricos creados por la respiración son juntos la fuerza motriz para H ⁺ captación.
   Retorno de protones a la matriz a través F _o "utiliza" el pH y los gradientes eléctricos.

ATP producido en la mitocondria debe salir al citosol para ser utilizado por las bombas de transporte, quinasas, etc. ADP y P i , derivados de la hidrólisis de ATP en el citosol, debe volver a entrar en la mitocondria para ser convertidos nuevamente en ATP.  Dos proteínas transportadoras se requieren en la membrana mitocondrial interna para este ciclo metabólico. La membrana externa se considera que es no una barrera de permeabilidad. Los grandes canales VDAC en la membrana externa se asumen para permitir el paso de los nucleótidos de adenina y P i.

1. La adenina nucleótido translocasa (ADP portador / ATP) es un antiporter que cataliza el intercambio de ADP para ATP través de la membrana mitocondrial interna (p. 496). A pH celular, ATP tiene cuatro cargas negativas, mientras que ADP tiene 3 cargas negativas. ADP ^3 - / ATP ^4 - cambio es impulsado por, y consume, el potencial de membrana generada por la respiración (un cargo por ATP).
2. Fosfato vuelve a entrar en la matriz mitocondrial con H ⁺ , por un electroneutral symport mecanismo. P _i entrada es accionado por y utiliza el gradiente de pH (equivalente a un mol de H ⁺ por mol de ATP).

Por lo tanto el equivalente de un mol de H + entra en la matriz con ADP / ATP intercambio y P i captación. Suponiendo transporte de 3 mol H + por F 1 F o , un total de 4H +entraría en la matriz mitocondrial por ATP sintetizado. A la derecha es una animación que representa el funcionamiento de la translocasa de nucleótidos de adenina y fosfato symport, junto con el ATP sintasa.

de ADP / ATP & P iTranslocación

El fenómeno de control respiratorio es el objeto de la actual ejercicio estudio . Un electrodo de oxígeno puede ser utilizado para registrar [O ₂ ] en un recipiente cerrado (diagrama p. 804). La transferencia de electrones, por ejemplo, de NADH a O ₂ , se controla mediante el registro de la velocidad de desaparición de O ₂ .

A la derecha es una representación idealizada de una grabación electrodo de oxígeno, mientras que las mitocondrias respiran en presencia de P i , junto con un donador de electrones (por ejemplo, succinato, o un sustrato de una reacción que va a generar NADH). La dependencia de la tasa de respiración en la disponibilidad de ADP, el sustrato para la sintasa de ATP, se denomina control respiratorio . La relación del control respiratorio es la proporción de las pendientes después y antes de la adición de ADP ( b / a ). La relación P / O es los moles de ADP añadidos, dividido por los moles de O consumida (basado en c ), mientras que la fosforilación de la ADP añadido. Estudio ejercicio que implica el cálculo de la relación P / S y la relación de control respiratorio.

Explicación quimiosmótica de control respiratorio: 

Transferencia de electrones es obligatoriamente acoplada a H ⁺ eyección de la matriz. Si esta reacción acoplada es espontánea depende del pH y los gradientes eléctricos.

Reacción	Cambio de energía libre
e - la transferencia (por ejemplo, NADH a O 2 )	un valor negativo *
H + eyección de la matriz	un valor positivo que varía con el H + gradiente **
e - la transferencia junto a H + eyección	suma algebraica de las anteriores

* D G ^o '= - nF D E ^o '= - 218 kJ / mol, para la transferencia de 2 e ^- desde el NADH a O ₂ .

** Para la expulsión de un H ⁺ de la matriz: D G = RT ln ([H ⁺ ] _citosol / [H ⁺ ] _matriz ) + F DY = 2.3 RT (pH _matriz - pH _citosol ) + F DY

En la ausencia de ADP , H ⁺ no puede fluir de vuelta a la matriz a través de F _o . Los gradientes de pH y eléctricos ( D pH y DY ) son máximas. Como la respiración hacia el exterior con H ⁺ de bombeo de producto, el cambio de energía libre para H ⁺ eyección (positivo D G) aumenta y se aproxima a la magnitud de que para la transferencia de electrones (negativo D G). Cuando la reacción de acoplamiento se convierte en no-espontánea, la respiración se detiene . Esto se conoce como una cabeza estática . De hecho, hay por lo general una baja tasa de respiración en ausencia de ADP, atribuido a H ⁺ fugas. 

Cuando se añade ADP , H ⁺ entra a través de la matriz F _o , como se sintetiza ATP. Esto reduce el pH y los gradientes eléctricos. D G de H ⁺ eyección disminuye . La reacción acoplada de transferencia de electrones con H ⁺ eyección se convierte espontánea. La respiración se reanuda o se estimula.

Reactivos de desacoplamiento (desacopladores) son ácidos débiles liposolubles. Por ejemplo, H + (mostrado en rojo) puede disociar del grupo hidroxilo del desacoplador dinitrofenol. Diagrama p. 834. Desacopladores se disuelven en la membrana, y la función como portadores para H + Desacopladores bloquean la fosforilación oxidativa por disipar el H + gradiente electroquímico .

Los protones bombeados se llevan a cabo por el desacoplador de nuevo en la matriz mitocondrial, la prevención del desarrollo de un pH o gradiente eléctrico.

. Con un desacoplador presente no hay pH o gradiente eléctrico D G para H + eyección es cero, y D G para e - transferencia acoplado a H + eyección es máxima (espontánea). Respiración procede de la presencia de un desacoplador, incluso ADP está presente.Desde D G para H + flujo es cero en ausencia de un H + gradiente, y la hidrólisis de ATP es espontánea, la ATP sintasa reacción corre hacia atrás en la presencia de un desacoplador .

Una disociación de proteínas (también llamado thermogenin) se produce en el tejido adiposo marrón de los mamíferos recién nacidos y los mamíferos que hibernan (véase p. 834-835). Esta proteína de las funciones de membrana mitocondrial interna como H ⁺ portador . El desacoplamiento desarrollo bloques de proteínas de un H ⁺ gradiente electroquímico, estimulando así la respiración. El cambio de energía libre asociada con la respiración se disipa como calor. Este "termogénesis sin temblor" es costoso en términos de energía respiratoria disponible para la síntesis de ATP, pero proporciona el calentamiento valiosa del organismo.