Vamos a estudiar una reacción en la que juntaremos dos pares Redox en un recipiente :
Aoxi + e-
Ared
E0´ = + 250 mV
e-
Boxi + e-
Bred
E0´ = - 415 mV
En el primer par la forma oxidada tiene mucha afinidad por los electrones. En el
segundo par la forma oxidada tiene poca afinidad por los electrones. Por lo tanto, si
juntamos ambos pares en la misma cubeta en condiciones equimoleculares, la
reacción se realizará en la dirección :
Aoxi + Bred
Ared + Boxi
En que el par de menor potencial potencial Redox cede electrones al de mayor potencial
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
La diferencia entre el potencial Redox de ambos pares nos indica la dirección y grado
de espontaneidad de la reacción :
Par A E0´ = + 250 mV
Aoxi + Bred
Ared + Boxi
Par B
E0´ = - 415 mV
DE0´ = + 665 mV
Cuanto mayor ( y positiva ) sea la DE0´ mas hacia la derecha estará
desplazada esta reacción en el equilibrio.
¿ Como podemos expresar la espontaneidad de esta reacción en términos
termodinámicos ?. Esto es, en términos de Variación de Energía libre Estandar
DGº´ = - nF DEº´
Cuanto mayor y más positiva es la diferencia de potencial Redox Estandar, menor y
mas negativa es la Variación de Energía libre Estandar.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
La Ecuación de Nernst nos permite calcular Potencial de Oxidación-reducción de una
reacción redox en condiciones reales conociendo las concentraciones de oxidantes y
reductores :
Aoxi + Bred
Ared + Boxi
[Ared][ Boxi]
__________
RT Ln
DE = DEº´ _ ____
[Aoxi][ Bred]
nF
Se pueden resumir las relaciones entre Variación de Energía libre y Potencial redox :
DGº´ = - nF DEº´
DG = - nF DE
acetato- + 3 H+ + 3 e-
acetaldehido + H2O
- 0,581
1/2 H2
- 0,421
b - hidroxibutirato-
- 0,346
2 cisteina
- 0,340
NADPH
- 0,320
NAD+ + H+ + 2 e-
NADH
- 0,315
I
FMN + 2 H+ + 2 e-
FMNH2 ( complejo I )
- 0,300
I
ácido dihidrolipoico
- 0,290
SH2
- 0,230
FADH2 ( coenzima libre )
- 0,219
etanol
- 0,197
piruvato- + 2 H+ + 2 e-
lactato-
- 0,185
oxalacetato- + 2 H+ + 2 e-
malato-
- 0,166
(Fe-S)red N-2 ( complejo I )
- 0,030
I
succinato-
+ 0,031
II
2 e- + 2 H+
acetoacetato- + 2 H+ + 2 ecistina + 2 H+ + 2 eNADP+ + H+ + 2 e-
ácido lipoico + 2 H+ + 2 eS + 2 e- + 2 H+
FAD + 2 H+ + 2 eacetaldehido + 2 H+ + 2 e-
(Fe-S)oxi N-2 + efumarato- + 2 H+ + 2 e-
FAD + 2 H+ + 2 eubiquinona + 2 H+ + 2 e-
FADH2 ( en D-AA oxidasa ) *
e-
NADH
FADH2
+ 0,045
I,II - III
citocromo b ( Fe++ ) ( mitoc. )
+ 0,077
III
hemo c1 ( Fe++ ) ( complejo III )
+ 0,220
III
citocromo c ( Fe+++ ) + e-
citocromo c ( Fe++ )
+ 0,254
III - IV
citocromo a ( Fe+++ ) + e-
citocromo a ( Fe++ )
+ 0,290
IV
H2 O2
+ 0, 295
hemo a3 ( Fe++ ) (complejo IV )
+ 0,385
hemo c1 ( Fe+++ ) + e-
O2 + 2 e- + 2 H+
hemo a3 ( Fe+++ ) + e-
1/2
NO3- + 2 e- + 2 H+
NO2- + H2 O
SO42- + 2 e- + 2 H+
SO32-
+ 0,480
H2 O
+ 0,815
O2 + 2 e- + 2 H+
Succinato
ETF
0.00
ubiquinol
citocromo b ( Fe+++ ) + e-
b-oxidación
IV
0,420
IV
Las
distancias
no
son
proporcionales a las diferencias
de potencial redox.
* El potencial Redox estandar del FAD / FADH2 cuando está unido al enzima covalentemente varía entre – 465 y +169 mV.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones el donador
inicial de electrones y el aceptor final de electrones :
Complejo
Donador
E0´
Aceptor
E0´
DE0´
I
NADH
- 0,315
Ubiquinol
+ 0,045
+ 0,360
II
Succinato
+ 0,031
Ubiquinol
+ 0,045
+ 0,014
III
Ubiquinol
+ 0,045
Citocromo c
+ 0,254
+ 0,209
IV
Citocromo c
+ 0,254
½ O2
+ 0,815
+ 0,561
Total I - IV
NADH
- 0,315
½ O2
+ 0,815
+ 1,130
Total II - IV
Succinato
+ 0,031
½ O2
+ 0,815
+ 0,784
DG0´
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Tomemos en cada Complejo de la Cadena transportadora de electrones el donador
inicial de electrones y el aceptor final de electrones :
Complejo
Donador
E0´
Aceptor
E0´
DE0´
DG0´
I
NADH
- 0,315
Ubiquinol
+ 0,045
+ 0,360
- 16.57 Kcal mol-1
II
Succinato
+ 0,031
Ubiquinol
+ 0,045
+ 0,014
- 0.65 Kcal mol-1
III
Ubiquinol
+ 0,045
2 Citocromo c
+ 0,254
+ 0,209
- 9.64 Kcal mol-1
IV
2 Citocromo c
+ 0,254
½ O2
+ 0,815
+ 0,561
- 25.87 Kcal mol-1
Total I - IV
NADH
- 0,315
½ O2
+ 0,815
+ 1,130
- 52.12 Kcal mol-1
Total II - IV
Succinato
+ 0,031
½ O2
+ 0,815
+ 0,784
- 36.16 Kcal mol-1
Solo realizamos el cálculo cuando el número de electrones de los pares donador y
aceptor es el mismo para el valor del potencial redox estandar dado en la tabla.
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
La Variación de energía libre estandar en el proceso de transferencia de 2 electrones
desde el NADH hasta el O2 es aproximadamente - 52.12 Kcal mol-1
La Variación de energía libre estandar de la reacción de síntesis de ATP a partir de ADP
y de Pi es de + 7.33 Kcal mol-1
¿ Cuantas moléculas de ATP se podrían sintetizar a partir de ADP y de Pi si se
aprovechase toda la energía de la transferencia de estos 2 electrones ?
52 / 7.33 = 7.11
, la energía es suficiente para para producir 7 moléculas de ATP
En la práctica se producen 3 moléculas de ATP. Por ello se dice frecuentemente que la
eficiencia del proceso es de 3 x 100 / 7 = 43%
¿ Es verdad que el resto se “pierde” en forma de calor ? . Decir esto no sería exacto,
puesto que las estimaciones que acabamos de realizar se han hecho utilizando valores
de Variación de energía libre estandar, y por lo tanto no son las reales de la mitocondria.
Únicamente deben tomarse como una aproximación al problema, y de ahí que
hablemos de estimación mas que de cálculo.
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¿ Como se produce la transferencia de energía desde la Cadena Transportadora de
Electrones ( Complejos I, II, III y IV ) hasta el Complejo V ( F0F1 ATPasa )?.
Como ya hemos señalado anteriormente, la Cadena Transportadora de Electrones se
comporta como un gran sistema de bombeo de protones, de tal forma que tres de los
cuatro complejos ( I, III y IV ) se comportan como Bombas de protones.
cit C
I
Q
III
IV
II
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El
Por
Complejo
cada
electrones
IV
bombea
transportados
protones
el NADH
hasta el O2, se bombean 10 H+
Cuatro
de2ellos
III bombea
son bombeados
22 protones
por eldesde
Complejo
I
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
+
H
H+
+
+
+
H
H
H
+
+
H
H
H+
H+
H+
H+
Q
I
H+
H+
III
cit C
H+
H+
IV
II
H+ H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
Lado N
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¿ Como son bombeados los otros dos protones ?
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+
H+
H+
CICLO Q, sitios Q0 y Qi
H+
H+
H+
H+
H+eQHe+ -
I
H+
Q
H+ e e
QH+
H+
III
II
H+ H+
H+ H +
Lado N
H+
H+
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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo I : Rotenona, Amital
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Q
I
H+
H+
H+
III
cit C
H+
H+
H+
IV
II
eeH+ H+
H+ H+
Lado N
H+
H+
ee-
H+
H+
H+
H+
ROTENONA , AMITAL
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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo II : Carboxina
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+
H+
H+
Q
I
H+
H+
H+
III
cit C
H+
H+
H+
IV
II
eeH+ H+
H+ H+
Lado N
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
CARBOXINA
ee-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo III : Antimicina
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+
H+
H+
H+
Q
I
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
cit C
III
H+
H+
IV
II
H+
eeH+
ee-
H+
H+
ANTIMICINA
H+
H+
Lado N
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Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo IV : CN- , azida, CO
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+ H+
H+
H+
H+
Q
I
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
cit C
H+
H+
H+
III
IV
II
H+
eeH+ HH
++
Lado N
ee-
H+
H+
H+
H+
CN- , AZIDA, CO
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
¿ cuántas moléculas de ATP se forman por cada 2 electrones transportados desde el
NADH hasta el O2 ? La Ratio P / O es la relación de entre el número de moléculas de
ATP formadas ( y translocadas al citosol ) y el número de átomos de O utilizados. Su
valor se fijaba en 3 para el NADH y 2 para el FADH2 ( Succinato ). Sin embargo, los
aparatos utilizados actualmente permiten conocer que es de 2.5 y 1.5 respectivamente.
También hay que considerar que en estos cálculos incluyen la translocación del ATP. Si
no se considerase la translocación sería 10/3 y 6/3 respectivamente
H+
H+
H+
H+ H+ H+ H+
+ +
HH
H+
+
H+
H
H+ H+
H+ H+
e-
e-
+
HH
+ ++
HH
H+
cit C
Q
I
H+
H+
III
II
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ +
H
+
H
H+ +
H+
H
+
H+
H+ H
+
H+ H
H2O
IV
½ O2
e- e
H+
H+
H+ H+
+
H+ H
ATP
ADP + Pi
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Oligomicina y DCCD como inhibidores de la ATP Sintasa
Oligomicina, DCCD
H+
+
+
+
+
H
H
+
+
+
+
H
H
+
H
H
+
+
H
H
+
H
H H
H
H+
+
+
+
H
H+ +
H+ +
H
H
+
+
+
+
+
+
+
H H+ H + H
+ H
H
+H
H H
H+ H
H
H
+
+
H
+
+
H
++
+ H
+
H
+
+
H
H
H
H
H
H
H H+ +
+
+
+
+
H+ +
H
H
H
H
+
+
H
+
H+
+
+H
+H
H H+
+H
+ H
H+
H+
H+
H
H
H
H
+
H
ATP
ADP + Pi
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Agentes desacoplantes del Transporte de electrones y Fosforilación oxidativa . El
Dinitrofenol. Las Proteínas UCP ( ej. Termogenina ).
NO2
HO-
NO2
H+O-
NO2
H+
+
+
NOH
+
H
H
2 +
+
+
+
+
H
+
H
H
+
H
H
+
H
+
H
H
H
+
+
+
+
H
H
H
H+
H
+
+
+
+
+
+
+
+ H
H H+ H + H+
+ H
+ H
H
+H
H
H
H
H
H
H+ H + H+
++
+ H+
H+
+
+
H
H
H
H
H
+
+
+
+
HH+
H
H+
H+
H
H
+
+
+
H+
+
+
+
+
H
H
+
H H
H
H
H+
H+
H+
H+ H
H+ H
H+
NO2
-O-
NO2
-O-
NO2
ATP
ADP + Pi
NO2
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Proteínas UCP ( termogenina )
UCP4
Sinónimos : Proteína 4 Desacoplante ( UCP4 ).
Localización del gen : cromosoma 6 ( 6p11.2-q12 ).
Secuencia del mRNA : NM_004277
Secuencia de la proteína : NP_004268.1
Otras características : Las proteínas desacoplantes ( UCP ) son miembros de la
familia de proteínas transportadoras de aniones ( MACP ). Transportan aniones
desde la matriz al espacio intermembrana mediante un sistema antiporte en que
simultaneamente se transportan protones desde el espacio intermembrana a la
matriz, con la consiguiente pérdida de potencial de membrana.
Formación de superóxido
Durante la transferencia de electrones en el Complejo IV hasta el O2, se producen
cantidades de superóxido y epóxido, que se caracterizan por ser radicales libres, y
responsables del envejecimiento de la mitocondria.
eO2
eO 2-
O22-
El enzima Superóxido Dismutasa ( SOD ) y la catalasa catalizan su neutralización
mediante conversión sucesiva en H2O2 y H2O
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