Fosforilación oxidativa
Funciones Mitocondriales y Oxidaciones Biológicas
La gran cantidad de NADH resultante de la glucólisis, oxidación de ácidos grasos, y el ciclo del TCA utiliza para suministrar la energía para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa. La oxidación del NADH con la fosforilación del ADP para formar ATP son procesos que se hacen con el apoyo del transporte de electrones de la mitocondria y por la sintasa de ATP, que son complejos proteicos que se encuentran en la membrana mitocondrial interna. La cadena de transporte de electrones esta compuesta por una serie de complejos proteicos que catalizan reacciones secuenciales de oxidación y reducción; algunas de estas reacciones son termodinámicamente competentes para permitir la producción de ATP por la vía de la ATP sintasa proveyendo que un mecanismo de acoplamiento este disponible, como por ejemplo un intermediario común. La translocación de protones y el desarrollo de un gradiente de protones transmembrana proveen el mecanismo de acoplamiento.
Principios de las Reacciones de Reducción/Oxidación (Redox)
Las reacciones Redox involucran la transferencia de electrones desde una especie química a otra. La forma oxidada mas la forma reducida de cada especie química se llama mitad de célula electroquímica. Dos mitades de célula que tienen al menos un intermediario común comprenden una reacción redox acoplada completa. Si una mitad de la célula esta lejos de un equilibrio electroquímico, su tendencia a conseguir equilibrio (i.e. ganar o perder electrones) puede utilizarse para alterar la posición de equilibrio de la mitad de la célula acoplada. Un ejemplo de una reacción redox acoplada es la oxidación del NADH por la cadena de transporte de electrones.
NADH + ½O2 + H+ ——> NAD+ + H2O
El potencial termodinámico de una reacción química se calcula a partir de las constantes de equilibrio y las concentraciones de los reactantes y productos. Debido a que no es practico medir directamente las concentraciones de los electrones, el potencial energético de electrones de un sistema redox se determina a partir del potencial eléctrico o voltaje de la mitad de las células individuales, en relación a una mitad de célula estándar. Cuando los reactantes y productos de una mitad de célula están en su estado estándar y el voltaje se determina en relación al estándar de una mitad de célula de hidrogeno (cuyo voltaje por convención es cero), el potencial que se observa se define como el potencial electrodo estándar, Eo. Si el pH de una célula estándar esta en el rango fisiológico, pH7, su potencial se define como el potencial electrodo biológico estándar y se designa E0'. Por convención los potenciales electrodo estándar se escriben como potenciales para reacciones de reducción de mitad de células. La energía libre de una reacción típica se calcula directamente a partir de su Eo′ por la ecuación de Nermst como se indica luego, en donde n es el número de electrones involucrados en la reacción y F es la constante de Faraday (23.06kcal/mol o 94.4kJ/volt/mol):
ΔGo′ = –nFΔEo′
Para la oxidación del NADH, el potencial de reducción biológica estándar es –52.6 kcal/mol. Con un cambio de energía libre de –52.6 kcal/mol, esta claro que la oxidación del NADH tiene el potencial para dirigir la síntesis de un número de ATPs ya que la energía libre estándar para la reacción que sigue es +7.3 kcal/mol:
ADP + Pi ——> ATP
Clásicamente, la descripción de la síntesis de ATP por oxidación de transportadores de electrones reducidos indicaban que 3 moles de ATP podrían generarse por cada mole de NADH y dos moles por cada mol de FADH2. Sin embargo, análisis químicos directos han indicado que por cada dos electrones que se transfieren desde el NADH al oxigeno, se sintetizan 2.5 equivalentes de ATP y 1.5 por FADH2.
Complejos de la Cadena de Transporte de Electrones
El NADH se oxida por una serie de transportadores catalíticos redox que son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna. El cambio de energía libre en varios de estos pasos es muy exergónico. Acoplados a estos pasos de oxidación y reducción es un proceso de transporte en el que protones (H+) de la matriz mitocondrial son transportados al espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa. La redistribución de protones lleva a la formación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial. El tamaño del gradiente es proporcional al cambio de energía libre de las reacciones de transferencia de electrones. En presencia de ADP, los protones fluyen hacia bajo de su gradiente termodinámico desde el espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa de regreso a la matriz mitocondrial. Este proceso se facilita por un transportador de protones en la membrana mitocondrial interna conocido con el nombre de ATP sintasa. Como su nombre implica, el transportador esta acoplado con la síntesis de ATP.
El flujo de electrones a través de la cadena de transporte de electrones mitocondrial se lleva a cabo por medio de varios complejos enzimáticos. Los electrones entran en la cadena de transporte primariamente a partir del NADH citosólico a NADH mitocondrial pero también pueden ser proveídos por el succinato (al FADH2mitocondrial) o por el transportador glicerol fosfato a través de FADH2 mitocondrial.
El glicerol fosfato transportador es un mecanismo de secundaria para el transporte de electrones de mitocondrial NADH citosólico a los transportistas de la fosforilación oxidativa itinerario. El principal electrones NADH citoplásmico lanzadera es la transportador malato-aspartato (ver más abajo). Dos son enzimas que participan en este servicio. Una de ellas es la versión de la citosólico enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (siglas en Inglés: GPD1) que tiene como un sustrato, NADH. La segunda es la forma de la mitocondria la enzima (siglas en Inglés: GPD2) que tiene como uno de sus sustratos, FAD+. La neto resultado es que hay una conversión continua de la glicolíticas intermedios, DHAP y glicerol-3-fosfato, con la consiguiente transferencia de los electrones de la reducción de NADH citosólico a la mitocondria oxida FAD+. Dado que los electrones mitocondrial de las FADH2 pienso en la vía de fosforilación oxidativa en la coenzima Q (a diferencia de NADH-ubiquinona oxidorreductasa [compleja I]) sólo 2 moles de ATP se generarán a partir de la glicólisis. GAPDH es gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.
Diagrama del flujo de electrones a partir del NADH o del succinato al oxigeno (O2) en la cadena de transporte de electrones de la fosforilación oxidativa. El complejo I contiene FMN y entre 22–24 proteínas hierro-azufre (Fe-S) en 5–7 agregados. El complejo II contiene FAD y 7–8 proteínas Fe-S en 3 agregados y el citocromo b560. El complejo III contiene citocromo b, citocromo c1 y una proteína Fe-S. El citocromo c esta asociado con el complejo III por interacción electrostática, el aceptor final de electrones es el complejo III. El complejo IV contiene citocromo a, citocromo a3 y dos iones de cobre. Mientras dos electrones pasan a través de las proteínas del complejo I, cuatro protones (H+) son transportados al espacio ínter membrana de la mitocondria. Igualmente, cuatro protones son transportados al espacio ínter membrana mientras cada par de electrones fluye a través de los complejos III y mientras cuatro electrones se utilizan para reducir al O2 a H2O en el complejo IV. La energía libre que se libera mientras los electrones fluyen a través del complejo II es insuficiente para acoplarse al transporte de protones. Estos protones son regresados a la matriz de la mitocondria, siguiendo su gradiente de concentración, pasando a través de la ATP sintasa acoplando el flujo de electrones y el transporte de protones a la síntesis de ATP.
Con excepción del NADH, succinado, y CoQ todos los componentes de la vía son proteínas integrales de la membrana mitocondrial interna cuyos cofactores sufren reacciones redox. El NADH y el succinato son solubles en la matriz mitocondrial, mientras que la CoQ es un pequeño transportador que transfiere electrones entre las deshidrogenasas primarias y el citocromo b. La CoQ esta también restringida a la fase de membrana debido a su carácter hidrofóbico.
Como se ha indicado anteriormente y se muestra en el diagrama, las proteínas mitocondriales de transporte de electrones son agrupados en complejos multiproteicos conocidos como complejos I, II, III, y IV. Complejo I, también conocida como NADH: CoQ oxidoreductasa (también NADH-ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa), se compone del NADH con FMN como cofactor, más no hemo de hierro proteínas que tienen por lo menos un centro de hierro azufre. Hay un total de 45 subunidades proteicas en complejo I. Complejo I es responsable de transferir electrones de NADH a CoQ. La ΔEo′ para la transferencia último es 0.42V, correspondiente a un ΔG′ de –19 kcal / mol de electrones transferidos. Con su energía libre muy exergónica cambiar, el flujo de electrones a través del complejo I es más que adecuado para conducir síntesis de ATP.
Complejo II también es conocido como succinato: CoQ oxidoreductasa (también succinato: ubiquinona oxidorreductasa o succinato deshidrogenasa). Complejo II es compuesto de 4 subunidades de proteínas. La ΔEo′ para el flujo de electrones a través de complejo II es de aproximadamente 0,05 V, lo que corresponde a un ΔG′ de –2,3 kcal / mol de electrones transferida, que es insuficiente para la síntesis de ATP. La diferencia en los energía libre, de flujo de electrones a través de los complejos I y II, explica el hecho de que un par de electrones que se originan a partir de NADH y pasando a los soportes de oxígeno producción de 2,5 (más comúnmente reportados como 3) equivalentes de ATP, mientras que 2 electrones de apoyo succinato la producción de sólo 1,5 (más comúnmente reportados como 2) equivalentes de ATP.
Reducción de CoQ (CoQH2) se difunde en la fase lipídica de la membrana y dona sus electrones a el complejo III, cuyos componentes principales son las proteínas hemo conocido como citocromos b y c1 y un no-heme-hierro proteína, conocido como la proteína de azufre Rieske de hierro. Complejo III se conoce como ubiquinol-citocromo c oxidorreductasa (también CoQ-citocromo reductasa) y está compuesto de 11 subunidades de proteínas. en contraste al grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina, el hierro hemo de los citocromos participa en las reacciones redox cíclicas de transporte de electrones, alternando entre el oxidada (Fe3+) y la reducción de las formas (Fe2+). la portador de electrones de complejo III de complejo IV es el más pequeño de los citocromos, el citocromo c (peso molecular 12.000).
Complejo IV, también conocida como citocromo c oxidasa, contiene las hemoproteínas conocido como citocromo a y citocromo a3, así como proteínas que contienen cobre en la que el cobre sufre una transición de Cu+ para Cu2+ durante la la transferencia de electrones a través del complejo con el oxígeno molecular. Complejo IV está compuesto por un total de 13 subunidades de proteínas. El oxígeno es el último aceptor de electrones, siendo el agua el producto final de oxígeno reducción.
Dentro del complejo I de los 7 subunidades proteicas que componen el NADH deshidrogenasa actividad están todos codificados por el genoma mitocondrial. Las subunidades restantes están codificados en el genoma nuclear. Todas las subunidades de los complejos II se codifican por el genoma nuclear. El cytochome b del complejo III es el único genoma mitocondrial codificada subunidad de este complejo. Dentro de complejo IV de la tres subunidades que comprenden citocromo c oxidasa son, cada uno codificado por el genoma mitocondrial con las subunidades restantes codificados dentro de la nuclear genoma. Todos menos dos de las subunidades de la ATP sintasa son codificadas por el nuclear genoma, mientras que los ATP sintasa 6 y 8 subunidades de la ATP sintasa son codificadas por el genoma mitocondrial. Además de las subunidades de proteína del núcleo central de cada uno de los complejos de la fosforilación oxidativa, hay numerosos factores de ensamblaje requerido para asegurar la formación correcta de cada complejo. La importancia de la factores de montaje en la formación funcional de estos complejos puede ser demostrada por los encefalomiopatías mitocondriales que resultan debido a mutaciones en varios genes. Por ejemplo, el síndrome de GRACILE (en Inglés: Growth Retardation,Amino aciduria, Cholestasis, Iron overload, Lactic acidosis, and Early death) es causada por mutaciones en el gen BCS1L que se requiere para el montaje apropiado de complejo III. El BCS1L (BCS1-como) gen es llamado así porque es el ser humano homólogo del gen BSC1 levadura.
La oxidación de NADH o normal succinato es siempre una reacción de 2 electrones, con la transferencia de iones de hidruro 2 a una flavina. Un ion hidruro se compone de 1 protón y el electrón 1. A diferencia de NADH y succinato, flavinas pueden participar en cualquiera de los dos 1-electrón o 2-electrones reacciones; por lo tanto, la flavina que está completamente reducido por las reacciones de deshidrogenasa posteriormente se puede oxidar por 2 secuenciales 1-hidruro reacciones. El edificio está totalmente forma reducida de una flavina se conoce como la forma quinol y completamente la forma oxidada es conocida como la forma quinona; el intermedio contiene un solo electrón se conoce como la semiquinona o semiquinol formulario.
Como las flavinas, la CoQ (también llamada ubiquinona) puede sufrir reacciones de 1 o 2-electrones llevando a la formación del quinol reducido, el quinon oxidado, y el intermediario semiquinon. La habilidad de las flavinas y de la CoQ para formar intermediarios de semiquinon es una característica clave de los sistemas de transporte de electrones mitocondriales, ya que estos cofactores unen las reacciones obligatorias de 2-electrones del NADH y succinato con las reacciones obligatorias de 1-electrón de los citocromos.
Los citocromos son las proteínas heme. De manera similar a la hemoglobina y mioglobina, los citocromos generalmente contienen un grupo heme por polipéptido, excepto por el citocromo b que contiene 2 residuos de heme en una cadena polipeptídica. Existen 3 formas de heme que se encuentran en las proteínas heme, cada una de las cuales se deriva de Fe-protoporfirina IX también llamado heme b.
Los citocromos varían en la estructura del heme y en sus uniones a la apoproteina. Los citocromos del tipo ccontienen una protoporfirina de hierro IX modificada conocida como heme c. En el heme c las dos cadenas laterales vinil (–C=C–) están unidas de forma covalente a residuos sulfidrilos de la cisteina de la apoproteina. Solamente los citocromos del tipo c contienen heme covalentemente unido. El citocromo a es también una protoporfirina de hierro IX modificada. El heme a se encuentra en citocromos del tipo a y en la clorofila de las plantas verdes.
Fosforilación Oxidativa
La energía libre disponible como consecuencia de la transferencia de 2 electrones desde el NADH y el succinato al oxigeno molecular es de –57 a –36 kcal/mol, respectivamente. La fosforilación oxidativa atrapa la energía en la forma de ATP de alta energía. Para que la fosforilación oxidativa continúe, se deben reunir dos condiciones principales. Primero, la membrana mitocondrial interna debe estar físicamente intacta de tal manera que los protones solamente puedan re-ingresar a la mitocondria por el proceso que esta acoplado a la síntesis de ATP. En segundo lugar, un gradiente de protones debe ser desarrollado a través de la membrana mitocondrial interna.
La energía del gradiente de protones se conoce con el nombre de potencial quimioosmotico, o fuerza motil de protones (PMF). Este potencial es la suma de las diferencias de concentración de protones a través de la membrana y de la diferencia en la carga eléctrica a través de la membrana. Los dos electrones del NADH generan un gradiente de 6 protones. Así, la oxidación de un mol de NADH lleva a una disponibilidad de PMF con una energía libre de aproximadamente –31,2 kcal (6 x –5,2 kcal). La energía del gradiente se utiliza para la síntesis de ATP cuando los protones se transportan siguiendo su gradiente termodinámico dentro de la mitocondria.
Los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la proteína de membrana denominada ATP sintasa (o complejo V). La sintasa de ATP es complejo proteico compuesto de múltiples subunidades que se une al ADP y al fosfato inorgánico en su sitio catalítico, y que requiere un gradiente de protones para su actividad. La ATP sintasa esta compuesta de 3 fragmentos: F0, que se localiza en la membrana; F1, que protruye desde la membrana mitocondrial interna hacia la matriz mitocondrial; y la proteína que le confiere sensibilidad a la oligomicina (OCSP), que conecta los fragmentos F0 y F1. Cuando la membrana mitocondrial esta dañada, es permeable a los protones, la reacción de la ATP sintasa es activa pero en la dirección reversa y actúa como una hidrolasa de ATP o ATPasa.
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