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S2018_Lecture15_Reading - Biología

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Introducción a la respiración y Transporte de electrones Cadenas

Descripción general y puntos a tener en cuenta

En los siguientes módulos, comenzaremos a aprender sobre el proceso de respiración y las funciones que desempeñan las cadenas de transporte de electrones en este proceso. Una definición de la palabra "respiración" con la que la mayoría de la gente está familiarizada es "el acto de respirar". Cuando nosotros Al respirar, el aire, incluido el oxígeno molecular, llega a nuestros pulmones desde el exterior del cuerpo, el oxígeno se reduce y los productos de desecho, incluido el oxígeno reducido en forma de agua, se exhalan. De manera más genérica, algún reactivo ingresa al organismo y luego se reduce y sale del cuerpo como un producto de desecho.

Esta idea genérica, en pocas palabras, se puede aplicar generalmente a toda la biología. Tenga en cuenta que no siempre es necesario que el oxígeno sea el compuesto que ingresó, redujo y arrojó como desecho. Los compuestos sobre los que se "arrojan" los electrones se conocen más específicamente como "aceptores terminales de electrones. "Las moléculas de las que se originan los electrones varían enormemente a lo largo de la biología (solo hemos analizado una fuente posible: la molécula de glucosa reducida basada en carbono).

Entre la fuente de electrones original y el aceptor de electrones terminal hay una serie de reacciones bioquímicas que involucran al menos una reacción rojo / ox. Estas reacciones rojo / buey recolectan energía para la célula al acoplar la reacción exergónica rojo / buey a una reacción que requiere energía en la célula. En la respiración, un conjunto especial de enzimas lleva a cabo una serie enlazada de reacciones rojo / ox que finalmente transfieren electrones al aceptor de electrones terminal.

Estas "cadenas" de enzimas rojo / buey y portadores de electrones se denominan cadenas de transporte de electrones (ETC). En las células eucariotas que respiran aeróbicamente, el ETC está compuesto por cuatro grandes complejos de múltiples proteínas incrustados en la membrana mitocondrial interna y dos pequeños portadores de electrones difusibles que transportan electrones entre ellos. Los electrones pasan de una enzima a otra a través de una serie de reacciones rojo / buey. Estas reacciones acoplan las reacciones de rojo / buey exergónico al transporte endergónico de iones de hidrógeno a través de la membrana mitocondrial interna. Este proceso contribuye a la creación de un gradiente electroquímico transmembrana. Los electrones que pasan a través del ETC pierden gradualmente energía potencial hasta el punto en que se depositan en el aceptor de electrones terminal, que normalmente se elimina como desecho de la celda. Cuando el oxígeno actúa como aceptor final de electrones, la diferencia de energía libre de este proceso rojo / ox de varios pasos es ~ -60 kcal / mol cuando NADH dona electrones o ~ -45 kcal / mol cuando FADH2 dona.

Nota: El oxígeno no es el único aceptor de electrones terminal en la naturaleza, ni es el más utilizado.

Recuerde que usamos el oxígeno como un ejemplo de solo uno de los numerosos posibles aceptores terminales de electrones que se pueden encontrar en la naturaleza. Las diferencias de energía libre asociadas con la respiración en organismos anaeróbicos serán diferentes.

En módulos anteriores discutimos el concepto general de reacciones rojo / buey en biología e introdujimos la Torre de electrones, una herramienta para ayudarlo a comprender la química rojo / buey y para estimar la dirección y magnitud de las diferencias de energía potencial para varias parejas rojo / buey. En módulos posteriores, se discutieron la fosforilación y fermentación a nivel de sustrato y vimos cómo las reacciones de rojo / buey exergónico pueden ser acopladas directamente por enzimas a la síntesis endergónica de ATP.

Se presume que estos procesos son una de las formas más antiguas de producción de energía utilizadas por las células. En esta sección discutimos el próximo avance evolutivo en el metabolismo energético celular, la fosforilación oxidativa. En primer lugar, recuerde que la fosforilación oxidativa no implican el uso de oxígeno. Más bien, se utiliza el término fosforilación oxidativa porque este proceso de síntesis de ATP se basa en reacciones rojo / ox para generar una reacción electroquímica. potencial transmembrana que luego puede ser utilizado por la célula para realizar el trabajo de síntesis de ATP.


Una descripción general rápida de los principios relevantes para las cadenas de transporte de electrones

Un ETC comienza con la adición de electrones, donados por NADH, FADH2 u otros compuestos reducidos. Estos electrones se mueven a través de una serie de transportadores de electrones, enzimas que están incrustadas en una membrana u otros portadores que experimentan reacciones rojo / ox. La energía libre transferida de estas reacciones exergónicas rojo / buey a menudo se acopla al movimiento endergónico de protones a través de una membrana. Dado que la membrana es una barrera eficaz para las especies cargadas, este bombeo da como resultado una acumulación desigual de protones a ambos lados de la membrana. Esto a su vez "polariza" o "carga" la membrana, con un positivo neto (protones) en un lado de la membrana y una carga negativa en el otro lado de la membrana. La separación de cargas crea una potencial eléctrico. Además, la acumulación de protones también provoca un gradiente de pH conocido como químico potenciala través de la membrana. Juntos, estos dos gradientes (eléctrico y químico) se denominan gradiente electroquímico.

Crítica: The Electron Tower

Dado que la química rojo / buey es tan fundamental para el tema, comenzamos con una revisión rápida de la tabla de potencial de reducción, a veces llamada "torre roja / buey" o "torre de electrones". Es posible que escuche a sus instructores usar estos términos indistintamente. Como discutimos en módulos anteriores, todo tipo de compuestos pueden participar en reacciones biológicas rojo / buey. Entender toda esta información y clasificar los posibles pares rojo / buey puede resultar confuso. Se ha desarrollado una herramienta para clasificar las reacciones medias rojo / buey en función de sus potenciales de reducción o E0' valores. El hecho de que un compuesto en particular pueda actuar como donante de electrones (reductor) o aceptor de electrones (oxidante) depende del otro compuesto con el que interactúe. La torre roja / buey clasifica una variedad de compuestos comunes (sus semirreacciones) de la mayoría de los negativos E0', compuestos que se deshacen fácilmente de los electrones, a la E más positiva0', compuestos con mayor probabilidad de aceptar electrones. La torre organiza estas semirreacciones basándose en la capacidad de los electrones para aceptar electrones. Además, en muchas torres rojo / buey, cada media reacción está escrita por convención con la forma oxidada a la izquierda seguida de la forma reducida a la derecha. Las dos formas pueden estar separadas por una barra, por ejemplo, la semirreacción para la reducción de NAD+ a NADH está escrito: NAD+/ NADH + 2e-o por columnas separadas. A continuación se muestra una torre de electrones.

Figura 1. Una "torre roja / buey" biológica común

Nota

Utilice la torre roja / buey de arriba como guía de referencia para orientarlo en cuanto al potencial de reducción de los diversos compuestos en el ETC. Las reacciones rojo / buey pueden ser exergónicas o endergónicas dependiendo de los potenciales relativos rojo / buey del donante y el aceptor. También recuerde que hay muchas formas diferentes de ver esto conceptualmente; este tipo de torre roja / buey es solo una forma.

Nota: Vuelven a aparecer los atajos de idioma

En la tabla rojo / buey anterior, algunas entradas parecen estar escritas de formas poco convencionales. Por ejemplo, el citocromo cbuey / rojo. Solo parece haber un formulario en la lista. ¿Por qué? Este es otro ejemplo de atajos de idioma (probablemente porque alguien era demasiado vago para escribir dos veces citocromo) que puede resultar confuso, especialmente para los estudiantes. La notación anterior podría reescribirse como citocromo cbuey/ Citocromo crojo para indicar que la proteína del citocromo c puede existir en estado oxidado Citocromo cbuey o citocromo c en estado reducidorojo.

Revisión del video de Red / Ox Tower

Para ver un video corto sobre cómo usar la torre rojo / buey en problemas rojo / buey, haga clic aquí. Este video fue realizado por el Dr. Easlon para estudiantes de Bis2A.

Uso de la torre roja / buey: una herramienta para ayudar a comprender las cadenas de transporte de electrones

Por convención, las semirreacciones de la torre se escriben con la forma oxidada del compuesto a la izquierda y la forma reducida a la derecha. Observe que compuestos como la glucosa y el hidrógeno gaseoso son excelentes donantes de electrones y tienen potenciales de reducción muy bajos.0'. Compuestos, como el oxígeno y el nitrito, cuyas semirreacciones tienen potenciales de reducción positivos relativamente altos (E0') generalmente buenos aceptores de electrones se encuentran en el extremo opuesto de la tabla.

Ejemplo: Menaquinona

Echemos un vistazo a la menaquinonabuey / rojo. Este compuesto se encuentra en el medio de la torre roja / buey con una semirreacción E0' valor de -0,074 eV. Menaquinonabuey puede aceptar espontáneamente (ΔG <0) electrones de formas reducidas de compuestos con semirreacción E más baja0'. Tales transferencias forman menaquinonarojo y la forma oxidada del donante de electrones original. En la tabla anterior, los ejemplos de compuestos que podrían actuar como donantes de electrones a la menaquinona incluyen FADH2, una E0' valor de -0,22, o NADH, con una E0' valor de -0,32 eV. Recuerde que las formas reducidas están en el lado derecho del par rojo / buey.

Una vez que se ha reducido la menaquinona, ahora puede donar electrones espontáneamente (ΔG <0) a cualquier compuesto con una semirreacción E más alta0' valor. Los posibles aceptores de electrones incluyen el citocromo bbuey con una E0' valor de 0,035 eV; o ubiquinonabuey con una E0' de 0,11 eV. Recuerde que las formas oxidadas se encuentran en el lado izquierdo de la semirreacción.

Cadenas de transporte de electrones

Un cadena de transporte de electrones, o ETC, está compuesto por un grupo de complejos de proteínas dentro y alrededor de una membrana que ayudan a acoplar energéticamente una serie de reacciones exergónicas / espontáneas de rojo / buey al bombeo endergónico de protones a través de la membrana para generar un gradiente electroquímico. Este gradiente electroquímico crea un potencial de energía libre que se denomina un fuerza motriz del protón cuyo flujo exergónico energéticamente "cuesta abajo" puede luego acoplarse a una variedad de procesos celulares.

Descripción general de ETC

Paso 1: Los electrones ingresan al ETC de un donante de electrones, como NADH o FADH2, que se generan durante una variedad de reacciones catabólicas, incluidas las asociadas a la oxidación de la glucosa. Dependiendo del número y tipo de portadores de electrones del ETC que utiliza un organismo, los electrones pueden entrar en una variedad de lugares en la cadena de transporte de electrones. La entrada de electrones en un "punto" específico en el ETC depende de los respectivos potenciales de reducción de los donantes y aceptores de electrones.


Paso 2: Después de la primera reacción rojo / buey, el donante de electrones inicial se oxidará y el aceptor de electrones se reducirá. La diferencia en el potencial rojo / buey entre el aceptor y el donante de electrones está relacionada con ΔG por la relación ΔG = -nFΔE, donde n = el número de electrones transferidos y F = constante de Faraday. Cuanto mayor sea un ΔE positivo, más exergónica es la reacción rojo / ox.


Paso 3: Si se transfiere suficiente energía durante un paso rojo / ox exergónico, el portador de electrones puede acoplar este cambio negativo en la energía libre al proceso endergónico de transportar un protón de un lado de la membrana al otro.


Paso 4: Después de transferencias generalmente múltiples de rojo / buey, el electrón se entrega a una molécula conocida como aceptor terminal de electrones. En el caso de los humanos, el aceptor de electrones terminal es el oxígeno. Sin embargo, hay muchos, muchos, muchos otros posibles aceptores de electrones en la naturaleza; vea abajo.

Nota: posible discusión

Los electrones que ingresan al ETC no tienen que provenir de NADH o FADH2. Muchos otros compuestos pueden servir como donantes de electrones; los únicos requisitos son (1) que exista una enzima que pueda oxidar al donante de electrones y luego reducir otro compuesto, y (2) que el ∆E0'es positivo (por ejemplo, ΔG <0). Incluso una pequeña cantidad de transferencias de energía gratuitas puede sumar. Por ejemplo, hay bacterias que usan H2 como donante de electrones. Esto no es demasiado difícil de creer porque la media reacción 2H+ + 2 e-/ H2 tiene un potencial de reducción (E0') de -0,42 V. Si estos electrones finalmente se entregan al oxígeno, entonces el ΔE0'de la reacción es de 1,24 V, que corresponde a un ΔG (-ΔG) negativo grande. Alternativamente, hay algunas bacterias que pueden oxidar el hierro, Fe2+ a pH 7 a Fe3+ con potencial de reducción (E0') de + 0,2 V.Estas bacterias utilizan oxígeno como su aceptor de electrones terminal y, en este caso, el ΔE0'de la reacción es de aproximadamente 0,62 V. Esto todavía produce un -ΔG. La conclusión es que, dependiendo del donante y aceptor de electrones que utilice el organismo, la célula puede transferir y utilizar un poco o mucha energía por cada electrón donado a la cadena de transporte de electrones.

¿Cuáles son los complejos del ETC?

Los ETC se componen de una serie (al menos una) de proteínas rojo / ox asociadas a la membrana o (algunas son integrales) complejos de proteínas (complejo = más de una proteína dispuesta en una estructura cuaternaria) que mueven electrones de una fuente donante, como como NADH, a un aceptor de electrones terminal final, como el oxígeno. Este par particular de donante / aceptor terminal es el principal utilizado en las mitocondrias humanas. Cada transferencia de electrones en el ETC requiere un sustrato reducido como donante de electrones y un sustrato oxidado como aceptor de electrones. En la mayoría de los casos, el aceptor de electrones es un miembro del propio complejo enzimático. Una vez que se reduce el complejo, el complejo puede servir como donante de electrones para la siguiente reacción.

¿Cómo transfieren electrones los complejos ETC?

Como se mencionó anteriormente, el ETC está compuesto por una serie de complejos de proteínas que se someten a una serie de reacciones rojo / buey enlazadas. Estos complejos son, de hecho, complejos enzimáticos de proteínas múltiples denominados oxidorreductasas o simplemente, reductasas. La única excepción a esta convención de nomenclatura es el complejo terminal en la respiración aeróbica que utiliza oxígeno molecular como aceptor de electrones terminal. Ese complejo enzimático se conoce como oxidasa. Las reacciones rojo / buey en estos complejos son típicamente llevadas a cabo por un resto no proteico llamado grupo prostético. Los grupos protésicos están directamente implicados en las reacciones rojo / buey catalizadas por sus oxidorreductasas asociadas. En general, estos grupos protésicos se pueden dividir en dos tipos generales: los que transportan tanto electrones como protones y los que solo transportan electrones.

Nota

Este uso de grupos protésicos por parte de los miembros de ETC es válido para todos los portadores de electrones con la excepción de las quinonas, que son una clase de lípidos que las oxidorreductasas pueden reducir u oxidar directamente. Tanto la Quinona(rojo) y la quinona(buey) Las formas de estos lípidos son solubles dentro de la membrana y pueden pasar de complejos a complejos para trasladar electrones.

Los portadores de electrones y protones

  • Flavoproteínas (Fp), estas proteínas contienen un grupo protésico orgánico llamado flavina, que es el resto real que sufre la reacción de oxidación / reducción. FADH2 es un ejemplo de un Fp.
  • Quinonas son una familia de lípidos, lo que significa que son solubles dentro de la membrana.
  • También debe tenerse en cuenta que NADH y NADPH se consideran electrones (2e-) y protones (2 H+) transportistas.

Portadores de electrones

  • Citocromos son proteínas que contienen un grupo protésico hemo. El hemo es capaz de transportar un solo electrón.
  • Proteínas de hierro y azufre contienen un grupo de hierro-azufre no hemo que puede transportar un electrón. El grupo de prótesis a menudo se abrevia como Fe-S

Respiración aeróbica versus anaeróbica

Los humanos usamos el oxígeno como aceptor de electrones terminal para los ETC en nuestras células. Este también es el caso de muchos de los organismos con los que interactuamos intencional y frecuentemente (por ejemplo, nuestros compañeros de clase, mascotas, animales para comer, etc.). Respiramos oxígeno; nuestras células lo recogen y lo transportan a las mitocondrias, donde se utiliza como aceptor final de electrones de nuestras cadenas de transporte de electrones. Ese proceso, debido a que el oxígeno se usa como aceptor de electrones terminal, se llama respiración aeróbica.

Si bien podemos usar oxígeno como aceptor de electrones terminal para nuestras cadenas respiratorias, este no es el único modo de respiración en el planeta. De hecho, los procesos respiratorios más generales evolucionaron en un momento en que el oxígeno no era un componente importante de la atmósfera. Como consecuencia, muchos organismos pueden usar una variedad de compuestos, incluido el nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), incluso hierro (Fe3+) como aceptores terminales de electrones. Cuando el oxigeno es NO el aceptor de electrones terminal, el proceso se conoce como Respiración anaerobica. Por lo tanto, la respiración o la fosforilación oxidativa no requieren oxígeno en absoluto; simplemente requiere un compuesto con un potencial de reducción suficientemente alto para actuar como un aceptor de electrones terminal, aceptando electrones de uno de los complejos dentro del ETC.

La capacidad de algunos organismos para variar su aceptor terminal de electrones proporciona flexibilidad metabólica y puede asegurar una mejor supervivencia si cualquier aceptor terminal dado tiene un suministro limitado. Piense en esto: en ausencia de oxígeno, morimos; pero otros organismos pueden usar un aceptor de electrones terminal diferente cuando las condiciones cambian para sobrevivir.

Un ejemplo genérico: un ETC simple de dos complejos

La siguiente figura muestra una cadena de transporte de electrones genérica, compuesta por dos complejos de membranas integrales; Complejo I(buey) y Complejo II(buey). Un donante de electrones reducido, designado DH (como NADH o FADH2) reduce el Complejo I(buey), dando lugar a la forma oxidada D (como NAD+ o FAD+). Simultáneamente, un grupo protésico dentro del Complejo I ahora se reduce (acepta los electrones). En este ejemplo, la reacción rojo / buey es exergónica y las enzimas del Complejo I acoplan la diferencia de energía libre a la translocación endergónica de un protón de un lado de la membrana al otro. El resultado neto es que una superficie de la membrana se vuelve más cargada negativamente, debido a un exceso de iones hidroxilo (OH-), y el otro lado se carga positivamente debido a un aumento de protones en el otro lado. Complejo I(rojo) Ahora puede reducir un portador de electrones móvil Q, que luego se moverá a través de la membrana y transferirá los electrones al grupo protésico del Complejo II(rojo). Los electrones pasan del Complejo I al Q y luego del Q al Complejo II a través de reacciones rojo / buey termodinámicamente espontáneas, regenerando el Complejo I(buey), que puede repetir el proceso anterior. Complejo II(rojo) luego reduce A, el aceptor de electrones terminal para regenerar el Complejo II(buey) y crear la forma reducida del aceptor de electrones terminal, AH. En este ejemplo específico, el Complejo II también puede traslocar un protón durante el proceso. Si A es oxígeno molecular, AH representa agua y el proceso se consideraría un modelo de un ETC aeróbico. Por el contrario, si A es nitrato, NO3-, entonces AH representa NO2- (nitrito) y este sería un ejemplo de un ETC anaeróbico.

Figura 1. Cadena de transporte de electrones compleja genérica de 2. En la figura, DH es el donante de electrones (donante reducido) y D es el donante oxidado. A es el aceptor de electrones terminal oxidado y AH es el producto final, la forma reducida del aceptor. A medida que el DH se oxida a D, los protones se traslocan a través de la membrana, dejando un exceso de iones hidroxilo (con carga negativa) en un lado de la membrana y protones (con carga positiva) en el otro lado de la membrana. La misma reacción ocurre en el Complejo II cuando el aceptor de electrones terminal se reduce a AH.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Ejercicio 1

Pregunta de pensamiento

Con base en la figura anterior, use una torre de electrones para calcular la diferencia en el potencial eléctrico si (a) DH es NADH y A es O2, y (b) DH es NADH y A es NO3-. ¿Qué pares de donante de electrones y aceptor de electrones terminal (a) o (b) "extraen" la mayor cantidad de energía libre?

Vista detallada de la respiración aeróbica

La mitocondria eucariota ha desarrollado un ETC muy eficiente. Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetados I a IV que se muestran en la figura siguiente. La agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, también se denomina cadena de transporte de electrones. Este tipo de cadena de transporte de electrones está presente en múltiples copias en la membrana mitocondrial interna de los eucariotas.

Figura 2. La cadena de transporte de electrones es una serie de transportadores de electrones incrustados en la membrana mitocondrial interna que transporta electrones desde NADH y FADH2 al oxígeno molecular. En el proceso, los protones se bombean desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana y el oxígeno se reduce para formar agua.

Complejo I

Para empezar, se transportan dos electrones al primer complejo de proteínas a bordo de NADH. Este complejo, etiquetado como I en la Figura 2, incluye proteínas que contienen mononucleótido de flavina (FMN) y hierro-azufre (Fe-S). FMN, que se deriva de la vitamina B2, también llamada riboflavina, es uno de varios grupos protésicos o cofactores en la cadena de transporte de electrones. Los grupos protésicos son moléculas orgánicas o inorgánicas, no peptídicas, unidas a una proteína que facilitan su función; Los grupos protésicos incluyen coenzimas, que son los grupos protésicos de enzimas. La enzima del Complejo I también se llama NADH deshidrogenasa y es una proteína muy grande que contiene 45 cadenas polipeptídicas individuales. El complejo I puede bombear cuatro iones de hidrógeno a través de la membrana desde la matriz hacia el espacio intermembrana, lo que ayuda a generar y mantener un gradiente de iones de hidrógeno entre los dos compartimentos separados por la membrana mitocondrial interna.

Q y Complejo II

El complejo II recibe directamente FADH2, que no atraviesa el Complejo I. El compuesto que conecta el primer y segundo complejos al tercero es la ubiquinona (Q). La molécula Q es soluble en lípidos y se mueve libremente a través del núcleo hidrófobo de la membrana. Una vez que se reduce, (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q recibe los electrones derivados del NADH del Complejo I y los electrones derivados del FADH2 del Complejo II, succinato deshidrogenasa. Dado que estos electrones se desvían y, por lo tanto, no activan la bomba de protones en el primer complejo, se producen menos moléculas de ATP a partir de la FADH.2 electrones. Como veremos en la siguiente sección, el número de moléculas de ATP que se obtienen finalmente es directamente proporcional al número de protones bombeados a través de la membrana mitocondrial interna.

Complejo III

El tercer complejo está compuesto por el citocromo b, otra proteína Fe-S, el centro de Rieske (centro 2Fe-2S) y las proteínas del citocromo c; este complejo también se llama citocromo oxidorreductasa. Las proteínas del citocromo tienen un grupo protésico de hemo. La molécula de hemo es similar al hemo de la hemoglobina, pero transporta electrones, no oxígeno. Como resultado, el ion de hierro en su núcleo se reduce y oxida a medida que pasa los electrones, fluctuando entre diferentes estados de oxidación: Fe2+ (reducido) y Fe3+ (oxidado). Las moléculas de hemo en los citocromos tienen características ligeramente diferentes debido a los efectos de las diferentes proteínas que las unen, dando características ligeramente diferentes a cada complejo. El complejo III bombea protones a través de la membrana y pasa sus electrones al citocromo c para su transporte al cuarto complejo de proteínas y enzimas (el citocromo c es el aceptor de electrones de Q; sin embargo, mientras que Q transporta pares de electrones, el citocromo c puede aceptar solo uno a la vez).

Complejo IV

El cuarto complejo está compuesto por las proteínas del citocromo c, ay a3. Este complejo contiene dos grupos hemo (uno en cada uno de los dos citocromos, ay a3) y tres iones de cobre (un par de CuA y un CuB en el citocromo a3). Los citocromos mantienen una molécula de oxígeno muy apretada entre los iones de hierro y cobre hasta que el oxígeno se reduce por completo. El oxígeno reducido luego recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para producir agua (H2O). La eliminación de los iones de hidrógeno del sistema contribuye al gradiente de iones utilizado en el proceso de quimiosmosis.

Quimiosmosis

En quimiosmosis, la energía libre de la serie de reacciones rojo / buey que se acaban de describir se utiliza para bombear protones a través de la membrana. La distribución desigual de H+ Los iones a través de la membrana establecen gradientes de concentración y eléctricos (por lo tanto, un gradiente electroquímico), debido a la carga positiva del protón y su agregación en un lado de la membrana.

Si la membrana estuviera abierta a la difusión por protones, los iones tenderían a difundirse de nuevo a través de la matriz, impulsados ​​por su gradiente electroquímico. Sin embargo, los iones no pueden difundirse a través de las regiones apolares de las membranas de fosfolípidos sin la ayuda de los canales iónicos. De manera similar, los protones en el espacio intermembrana solo pueden atravesar la membrana mitocondrial interna a través de una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa (que se muestra a continuación). Esta proteína compleja actúa como un pequeño generador, activado por transferencia de energía mediada por protones que descienden por su gradiente electroquímico. El movimiento de esta máquina molecular (enzima) sirve para disminuir la energía de activación de reacción y acopla la transferencia de energía exergónica asociada con el movimiento de los protones por su gradiente electroquímico a la adición endergónica de un fosfato al ADP, formando ATP.

Figura 3. La ATP sintasa es una máquina molecular compleja que utiliza un protón (H+) gradiente para formar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).

Crédito: modificación del trabajo de Klaus Hoffmeier

Nota: posible discusión

El dinitrofenol (DNP) es una pequeña sustancia química que sirve para desacoplar el flujo de protones a través de la membrana mitocondrial interna a la ATP sintasa y, por lo tanto, a la síntesis de ATP. DNP hace que la membrana pierda protones. Se usó hasta 1938 como medicamento para bajar de peso. ¿Qué efecto esperaría que tuviera el DNP sobre la diferencia de pH en ambos lados de la membrana mitocondrial interna? ¿Por qué cree que este podría ser un fármaco eficaz para bajar de peso? ¿Por qué podría ser peligroso?

En las células sanas, la quimiosmosis (que se muestra a continuación) se usa para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de la glucosa; también es el método utilizado en las reacciones lumínicas de la fotosíntesis para aprovechar la energía de la luz solar en el proceso de fotofosforilación. Recuerde que la producción de ATP mediante el proceso de quimiosmosis en las mitocondrias se llama fosforilación oxidativa y que un proceso similar puede ocurrir en las membranas de las células bacterianas y arqueales. El resultado general de estas reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones extraídos originalmente de una molécula orgánica reducida como la glucosa. En el ejemplo aeróbico, estos electrones finalmente reducen el oxígeno y, por lo tanto, crean agua.

Figura 4. En la fosforilación oxidativa, la ATP sintasa utiliza el gradiente de pH formado por la cadena de transporte de electrones para formar ATP en una bacteria Gram.

Enlace útil: cómo se produce el ATP a partir de la ATP sintasa

Nota: posible discusión

El cianuro inhibe la citocromo c oxidasa, un componente de la cadena de transporte de electrones. Si ocurre una intoxicación por cianuro, ¿esperaría que el pH del espacio intermembrana aumentara o disminuyera? ¿Qué efecto tendría el cianuro sobre la síntesis de ATP?

Una hipótesis sobre cómo pudo haber evolucionado ETC

Un vínculo propuesto entre SLP / fermentación y la evolución de los ETC:

En una discusión previa sobre el metabolismo energético, exploramos las reacciones de fermentación y fosforilación a nivel de sustrato (SLP). Una de las preguntas del puntos de discusión para esa discusión fue: ¿Cuáles son las consecuencias a corto y largo plazo de la SLP para el medio ambiente? Discutimos cómo las células necesitaban coevolucionar mecanismos para eliminar protones del citosol (interior de la célula), lo que llevó a la evolución de la F0F1-ATPasa, una enzima de múltiples subunidades que transloca protones desde el interior de la célula hacia el exterior de la célula hidrolizando ATP, como se muestra a continuación en la primera imagen a continuación. Esta disposición funciona siempre que haya pequeñas moléculas orgánicas reducidas disponibles libremente, lo que hace que la SLP y la fermentación sean ventajosas. Sin embargo, a medida que continúan estos procesos biológicos, las pequeñas moléculas orgánicas reducidas comienzan a agotarse y su concentración disminuye; esto exige que las células sean más eficientes.

Una fuente potencial de "desperdicio de ATP" es la eliminación de protones del citosol de la célula; Los organismos que podrían encontrar otros mecanismos para expulsar los protones acumulados y al mismo tiempo conservar el ATP podrían tener una ventaja selectiva. Se plantea la hipótesis de que esta presión evolutiva selectiva condujo potencialmente a la evolución de las primeras proteínas unidas a la membrana que utilizaron reacciones rojo / buey como fuente de energía (representada en la segunda imagen) para bombear los protones acumulados. Las enzimas y los complejos enzimáticos con estas propiedades existen hoy en día en forma de complejos de transporte de electrones como el Complejo I, la NADH deshidrogenasa.

Figura 1. Evolución propuesta de un translocador de protones dependiente de ATP

Figura 2. A medida que las moléculas orgánicas reducidas pequeñas se vuelven limitadas, los organismos que pueden encontrar mecanismos alternativos para eliminar protones del citosol pueden tener una ventaja. La evolución de un translocador de protones que utiliza reacciones rojo / ox en lugar de la hidrólisis de ATP podría sustituir a la ATPasa.

Continuando con esta línea lógica, si evolucionaran organismos que ahora pudieran usar reacciones rojo / buey para trasladar protones a través de la membrana, crearían un gradiente electroquímico, separando ambas cargas (positiva en el exterior y negativa en el interior; un potencial eléctrico). y pH (pH bajo en el exterior, pH más alto en el interior). Con exceso de protones en el exterior de la membrana celular, y la F0F1-ATPase ya no consume ATP para translocar protones, se plantea la hipótesis de que el gradiente electroquímico podría usarse para alimentar el F0F1-ATPase "al revés" - es decir, para formar o producir ATP utilizando la energía en los gradientes de carga / pH establecidos por las bombas rojo / ox (como se muestra a continuación). Este arreglo se llama cadena de transporte de electrones (ETC).

Figura 3. La evolución de la ETC; la combinación de los translocadores de protones impulsados ​​por rojo / buey acoplados a la producción de ATP por el F0F1-ATPase.

NOTA: lectura ampliada sobre la evolución de las cadenas de transporte de electrones

Si está interesado en la historia de la evolución de las cadenas de transporte de electrones, consulte esta discusión más profunda del tema en NCBI.


Ver el vídeo: Lecture 06, concept 15: Periodic boundary conditions (Noviembre 2022).