NADH Y FADH2 COMO FUENTE DE PODER REDUCTOR

La NADH deshidrogenasa, NADH:ubiquinona oxidorreductasa o complejo I es un gran complejo multienzimático que cataliza la transferencia de electrones del NADH al coenzima Q en la cadena respiratoria.

Es el mayor complejo de la cadena respiratoria; en los mamíferos consta de 45 cadenas polipeptídicas, de las cuales, siete están codificadas por elgenoma mitocondrial. Contiene FMN como grupo prostético y 8 cúmulos hierro-azufre.

Su estructura tienen forma de "L" con un gran dominio en la membrana (con alrededor de 60 hélices transmembrana) y un dominio periférico hidrófilo donde se produce la reducción del NADH.

Constituye el punto de entrada a la cadena de transporte electrónico en las bacterias y en la membrana interna de las mitocondrias de las células eucariota. La transferencia electrónica se inicia mediante la oxidación del NADH ya que sus dos electrones son transferidos simultáneamente a un FMN unido no covalentemente a la enzima, y desde allí, a través de una serie de clusters Fe-S (transportadores de electrones capaces de aceptar un electrón por ciclo) al aceptor final, la coenzima Q (ubiquinona, transportador electrónico liposoluble) o a aceptores artificiales como ferrocianuro o rutenio (III) hexaamina.

Simultáneamente al transporte electrónico, el complejo I bombea protones a través de la membrana, contribuyendo así a la generación de un gradiente electroquímico. La estequiometría aceptada para el bombeo de protones es 2H+/e-. Este proceso produce el 40% del gradiente transmembrana generado en la oxidación del NADH por la cadena respiratoria mitocondrial.⁵ Recientemente se demostró que en ciertos procariotas el complejo transloca cationes Na⁺ en lugar de protones y que de este modo se genera una fuerza sodio-motriz en lugar de protón-motriz.

Más de cien genes están involucrados en la biosíntesis del complejo I, participan en: transcripción, traducción, transporte, procesamiento, inserción de cofactores y ensamblado. El proceso de biosíntesis debe estar estrictamente regulado para mantener los niveles de actividad metabólica en células y tejidos, de acuerdo a su demanda energética.

Tradicionalmente se ha denominado como complejo I a la enzima mitocondrial mientras que su contraparte bacteriana se conoce como NADH deshidrogenasa tipo I.

Bioquímicamente es un coenzima que interviene como dador o aceptor de electrones y protones (poder reductor) en reacciones metabólicas redox; su estado oxidado (FAD) se reduce a FADH₂ al aceptar dos átomos de hidrógeno (cada uno formado por un electrón y un protón), según la siguiente reacción:

Por tanto, al reducirse capta dos protones y dos electrones, lo que lo capacita para intervenir como dador de energía y/o poder reductor en el metabolismo . Por ejemplo, el FAD (y también el NAD), se reducen en el ciclo de Krebs y se oxida en la cadena respiratoria (respiración aeróbica).

La función bioquímica general del FAD es oxidar los alcanos a alquenos, mientras que el NAD⁺ (un coenzima con simialr función) oxida los alcoholes a aldehídos o cetonas. Esto es debido a que la oxidación de un alcano (como el succinato) a un alqueno (como el fumarato) es suficiente exergónica como para reducir el FAD a FADH₂, pero no para reducir el NAD⁺ a NADH.

La reoxidación del FADH₂ (es decir, la liberación de los dos electrones y dos protones capturados) tiene lugar en la cadena respiratoria, lo que posibilita la formación de ATP (fosforilación oxidativa).

Muchas oxidorreductasas, denominadas flavoenzimas o flavoproteínas, requieren FAD como coenzima para oxidar los substratos. Pero en el enzima succinato deshidrogenasa, que oxida el succinato a fumarato en el ciclo de Krebs, el FAD es realmente un grupo prostético, ya que está unido fuerte y permanentemente al enzima mediante un enlace covalente.

HIDRÓLISIS DEL ATP ACOPLADA A REACCIONES BIOLÓGICAS

El sistema ATP - ADP en la célula.

Para sintetizar ATP por fosforilación del ADP tenemos acoplando al catabolismo:

ADP + Pi ® ATP + H₂O

Sintetizar ATP requiere mucha energía procedente de reacciones de oxidación. Al usar ATP se descompone en ADP ó AMP. Si sólo existieran estas reacciones pronto se agotaría la energía, por lo que otras reacciones usan ADP y AMP:

AMP + 2 ATP ® 2 ADP ® 2 ADP + Pi ® ATP

Los enzimas que fosforilan pasan Pi a partir del ATP y se llaman quinasas (adenilato quinasa recupera AMP). Para recuperar PPi:

GTP, UTP y CTP sirven igual que el ATP:

GTP + H₂O ® GDP + Pi ® misma energía que para ATP

Para recuperar el GDP se usa siempre ATP:

GDP + ATP ® GTP + ADP

Fuentes de energía. Estrategias para la síntesis de ATP.

Síntesis acoplada a reacciones de degradación por oxidación. En este proceso los cofactores se reducen y se produce energía para sintetizar ATP de ADP + Pi. En la mayor parte de células consta de dos fases:

I.- Fosforilación a nivel de sustrato: fosforilación de ADP. Asociada a la fracción soluble de la célula. No requiere O₂.

II.- Fosforilación oxidativa: se sintetiza mucho más ATP. Síntesis ATP relacionada con la formación de un compuesto fosforilado con potencial de transferencia de grupos fosfato mucho mayor que el ATP para poder cederlo al ADP. Hay mucho compuestos fosforilados pero pocos que puedan cederlo. Estas moléculas se forman como intermediarios de las reacciones metabólicas.

En la reacción de oxidación de aldehído a ácido durante la degradación de la glucosa, con δ G grande, el gliceraldehído-3-fosfato por tanto se transforma en 3-fosfoglicerato. Para acoplar la síntesis de ATP se divide la reacción en dos etapas con la formación de un intermediario, el 2,3-BPG:

Es inestable, tiene tendencia a ceder el P al ADP.

Hay otros dos compuestos con potencial de transferencia mayor que el ATP:

- Fosfoenolpiruvato (PEP): también interviene en la oxidación de la glucosa.

- Fosfocreatina: almacén en el músculo.

INESTABILIDAD DEL ATP

El ATP es inestable porque tiene tres grupos fosfatos, que poseen cargas negativas conectados secuencialmente. Esto promueve la hidrólisis

Razones químicas de la tendencia a la hidrólisis del ATP

Las razones químicas de esa tendencia son tres:

1. Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa.
   Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos
   rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos.
   La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis.
2. Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP (las flechas entre los O de los Pi). Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis.
3. Solvatación: la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.

En la célula existen muchos enlaces de alta energía, la mayoría de los cuales son enlaces fosfato. El ATP ocupa una posición intermedia entre los fosfatos de alta energía.

Una de las más importantes funciones del ATP es dar el paso para que ingresen las sustancias a la celula. esta gran energia puede ser util para fines de recarga a seres artificiales, ya que su hidrolisis libera una cantidad significante de energia.

ATP

El ATP es una molécula formada por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos. La adenosín-trifosfato es llamada también la moneda energética celular. Es la única molécula que al final se puede convertir directamente en energía. Las otras moléculas, glucosas, grasa,.. por medio de varios procesos (glucólisis anaeróbica o ciclo de Krebs), terminan convirtiéndose en ATP.

Esta molécula provee gran cantidad de energía para las funciones biológicas se almacena en los enlaces de alta energía que unen los grupos fosfato y se liberan cuando uno o dos de los fosfatos se separan de las moléculas de ATP. El compuesto resultante de la pérdida de un fosfato se llama difosfato de adenosina, adenosín difosfato o ADP; si se pierden dos se llama monofosfato de adenosina, adenosín monofosfato o AMP, respectivamente.

TRABAJO BIOLÓGICO

TRABAJO BIOLÓGICO: la actividad realizada dentro de un sistema biológico que proporciona la energía necesaria para el correcto funcionamiento y mantenimiento del sistema.

El flujo de enrgía en este ciclo biológico es mucho mayor que la suma total de la energía que intercambian todas las máquinas elaboradas por el hombre.

Las unidades básicas en la organización de los sistemas de transformación de energía celular son las enzimas, proteínas especializadas que catalizan las reacciones químicas con especificidad en la célula; ya que están distribuidas en grupos orientados en diferentes estructuras de la célula para proporcionar dirección a las transformaciones de energía que ellas catalizan.

La energía es transformada de un tipo a otro en 3 pasos:

1-FOTOSÍNTESIS. La absorción de energía solar por la clorofila en los cloroplastos de las plantas verdes y su transformación en energía química, que se usa para construir carbohidratos y otras moléculas de alimentos a partir de bióxido de carbono y agua.

2- RESPIRACIÓN. La energía química que proveen los alimentos se transforma en una clase de energía más útil durante la oxidación en las células de animales.

3-ENEGÍA QUÍMICA. Es recuperada y la utilizan las células para realizar trabajo, ya sea dentro de las células. El trabajo realizado puede mecánico (ej. contracción muscular), eléctrico (ej. osmosis), químico (ej. crecimiento). Conforme se realizan estas funciones se establece un flujo energético que finalmente se direcciona al MEDIO AMBIENTE de una forma disipada.