1. LA OXIDACIÓN EN LOS SISTEMAS
BIOLÓGICOS
CADENA RESPIRATORIA
O
TRANSPORTE ELECTRONICO
y
FOSFORILACION OXIDATIVA
DR.MIGUEL WONG SERRANO

2. Desde el punto de vista químico
OXIDACIÓN
REDUCCIÓN
•Ganancia de oxígeno
•Pérdida de oxígeno
•Pérdida de electrones
•Ganancia de electrones
•Pérdida de hidrógeno
•Ganancia de hidrógeno (en
compuestos orgánicos)
Este principio de OXIDO- REDUCCIÓN se aplica a los
sistemas bioquímicos y es un concepto importante para la
comprensión de la naturaleza de las oxidaciones
biológicas.
El uso principal del OXÍGENO es en la RESPIRACIÓN
Y ESTE ES EL PROCESO POR EL CUAL LAS CÉLULAS
OBTIENEN ENERGÍA EN FORMA DE ATP

3. EN LOS SISTEMAS REDOX
LOS CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE
PUEDEN EXPRESARSE EN TÉRMINOS DEL
POTENCIAL DE
OXIDACIÓN – REDUCCIÓN
LAS ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN LOS
PROCESOS REDOX
SE DENOMINAN
OXIDORREDUCTASAS

4. Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de oxido- reducción
Ared + Box
Aox + Bred
A : es el reductor o dador electrónico; en el curso
de la reacción se oxida (pierde electrones)
B : es el oxidante o aceptor electrónico; en el curso
de la reacción se reduce (gana electrones)
En las reacciones redox, siempre tienen que estar
presentes a la vez el aceptor y el dador electrónico

5. Estas reacciones son fuertemente exergónicas,
en las cuales para evitar una liberación brusca de
energía, no aprovechable por la célula,
se libera en forma fraccionada.

6. DISTINTAS FORMAS EN QUE LA CELULA PUEDE
TRANSFERIR ELECTRONES
1.- Transferencia de 1 e-: Fe +++
Fe++
2.- Transferencia de un átomo de hidrógeno:
(H+ + e-): AH2 + B
A + BH2
3.- Transferencia de un ion Hidruro (:H-)
AH2 + NAD+ → A + NADH + H+
4.- Transferencia de e- desde un reductor
orgánico al oxígeno:
R-CH3 + ½ O2
RCH2-OH

7. • Gran parte de los sustratos oxidados en
el organismo sufren deshidrogenación.
• Las reacciones de deshidrogenación son
catalizadas por las ENZIMAS
DESHIDROGENASAS.
• En estas reacciones el hidrógeno es
captado por una coenzima.
• Las coenzimas pueden ser:
- Nicotinamida (NAD o NADP)
- Flavina (FAD).

8. Flujo de electrones en la oxido-reducciones
biológicas

9. Respiración Celular
Es el conjunto de reacciones en las cuales
el ác. pirúvico producido por la glucólisis
se desdobla a CO2 y H2O y se producen
30 ATP.
En las células eucariontes la respiración se
realiza en la mitocondria.

11. LA MITOCONDRIA
FÁBRICA DE ENERGÍA CELULAR
ES EL SITIO DONDE TIENEN LUGAR
EL TRANSPORTE ELECTRÓNICO Y
LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

13. Localización
30ATP
32ATP

14. La cadena transportadora de
electrones
 El
NADH+H y el FADH2, obtenidos en el ciclo de
Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de
electrones o cadena respiratoria, donde pasan los
electrones, de una molécula reducida a otra oxidada,
hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular,
que al reducirse formará agua.

15. CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
•Los componentes de la cadena se encuentran
en la membrana mitocondrial interna.
•Reciben equivalentes de reducción de NADH Y
FADH2 producidos en la matriz.
•Los componentes actúan secuencialmente en
orden creciente según sus potenciales de
reducción.
•La energía que se libera durante la
transferencia electrónica está acoplada a
varios procesos endergónicos entre los que se
destaca la síntesis de ATP.

17. Reacciones de la cadena de transporte
de electrones
Con excepción de la coenzima Q, todos
los miembros de esta cadena son
proteínas.
Pueden funcionar como enzimas como
en el caso de varias deshidrogenasas.
Pueden contener hierro como parte de
su centro hierro-azufre .
Los citocromos a y a3 contienen cobre.

18. Componentes de la cadena respiratoria
Transportadores de electrones
-Coenzimas hidrosolubles :
NAD+
NADP+
coenzimas de las deshidrogenasas
FMN
FAD
se unen covalentemente a flavoproteínas
(grupo prostético), transportan 2 e- y 2 H +
-Quinonas : Coenzima Q – Ubiquinona, transportadores en medio
no acuoso (membrana), transporta 1 e- y libera 2 H + a la matriz
-Citocromos b, c, c 1 , a y a 3 : proteínas con grupo prostético
hemo, transportan 1 e-Proteínas ferro-sulfuradas : proteínas con Fe asociado a
átomos de S, transfieren 1 e- por oxidación o reducción del Fe

19. Reacciones que proveen de NADH
a la cadena respiratoria
• Piruvato deshidrogenasa
• Isocitrato deshidrogenasa
• Malato deshidrogenasa
CICLO DE KREBS
• α-cetoglutarato deshidrogenasa
Sustrato + NAD+
Producto + NADH + H
CR

20. Componentes de la Cadena de transporte
electrónico
Complejo enzimático
Complejo I (NADH deshidrogenasa)
Grupos prostéticos
FMN, FeS
Complejo II ( succinato deshidrogenasa) FAD, FeS
Complejo III (citocromo bc1)
Hemo, FeS
Citocromo c
Hemo
Complejo IV (citocromo oxidasa)
Hemo, Cu
Complejo V (ATP sintasa)

21. La Cadena de Transporte de Electrones comprende
dos procesos :
1.- Los electrones son transportados a lo largo de la
membrana, de un complejo de proteínas
transportadoras a otro.
2. Los protones son translocados a través de la
membrana, desde el interior o matriz hacia el espacio
intermembrana de la mitocondria.
Esto constituye un gradiente de protones
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón,
combinándose con electrones e iones H + para producir
agua.

23. •
La transferencia de electrones desde el NADH a
través de la cadena respiratoria hasta el O 2 es un
proceso altamente exergónico.
•
La mayor parte de esa energía se emplea para
bombear protones fuera de la matriz.
•
Por cada par de electrones transferidos al O 2  los
complejos I y III bombean 4 H + y 2 el complejo IV.
•
El complejo II no transfiere H + ya que no atraviesa la
membrana interna como los demás.
•
Así esta energía electroquímica generada por el
gradiente protónico impulsa la síntesis de ATP.

24. Flujo de electrones y protones a través de los cuatro
complejos que forman la cadena respiratoria
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose
con electrones e iones H+ para producir agua.

25. INHIBICION DEL TRANSPORTE
ELECTRÓNICO
• Inhibidores del transporte electrónico
Inhiben solamente el transporte de e• Inhibidores de la fosforilación
Inhiben la síntesis de ATP, indirectamente el transporte
de e• Desacoplantes
Impiden la síntesis de ATP pero no inhiben el transporte
de electrones. Actúan como ionóforos eliminando el
gradiente de protones.
• Inhibidores de la translocasa
Inhiben la entrada de ADP y la salida de ATP desde la
mitocondria

26. ACCIÓN DE INHIBIDORES

27. La cadena de transporte de electrones y la
fosforilación oxidativa estuvieron separadas
conceptualmente por mucho tiempo.
Las observaciones sobre la formación del ATP
hacían pensar a los investigadores en un
intermediario fosforilado de la reacción.
En 1961 Peter Mitchell propuso la Hipótesis
Quimiosmótica:
“EL INTERMEDIARIO ENERGÉTICO NECESARIO PARA
LA FORMACIÓN DEL ATP (O FOSFORILACIÓN DEL
ADP), ES LA DIFERENCIA EN LA CONCENTRACIÓN DE
PROTONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA”

28. PETER DENNIS MITCHELL (1920 - 1992)
-Interesado inicialmente en la penicilina, a
partir de 1961 trabajó en el estudio sobre el
almacenamiento de la energía en los seres
vivos para ser posteriormente transportada a
los puntos de utilización por medio de las
moléculas de ATP.
-Así la energía liberada por el traslado de
electrones en la cadena respiratoria se
conserva mediante la fosforilación del ADP,
que se convierte nuevamente en ATP,
proceso denominado FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA.
-En 1978 fue galardonado con el Premio
Nobel de Química por sus trabajos sobre el
INTERCAMBIO DE ENERGÍA BIOLÓGICA
MEDIANTE LA TEORÍA DE LA QUÍMICA

29. POSTULADOS DE LA TEORIA QUIMIOSMOTICA
• Pasaje de H + durante la transferencia de electrones
desde la matriz al espacio intermembrana.
• Generación de un gradiente electroquímico : flujo
electrónico acompañado de la transferencia de
protones.
• Los protones acumulados en el espacio
intermembrana crean una fuerza: «protón-motriz»,
por la tendencia de volver a pasar al interior para
igualar el pH a ambos lados de la membrana.
• Esa fuerza es utilizada para el pasaje de los H + a
través de Fo y así activan la ATP sintasa

30. Lugar de translocación de
protones

33. COMPLEJO ATP sintasa
•
F1 : 9 subunidades: α3 β3
γ δ ε y 3 sitios catalíticos
•
Fo: Proteína integral ,
canal transmembrana
para protones con 3
subunidades: a, b2 y c12
•
Esta enzima es la que
transforma la energía
cinética del ATP en
energía química.
•
El Dr. Boyer (1964)
recibió el Premio Nobel al
describir la ATP sintasa.

34. La energía del gradiente de protones se utiliza
también para el transporte

35. • El control de la fosforilación oxidativa permite a la célula producir
solo la cantidad de ATP que se requiere para el mantenimiento de sus
actividades.
• El valor del cociente P/O, representa el número de moles de Pi que
se consumen para que se reduzca cada átomo de O2 a H2O.
• El cociente máximo medido para la oxidación de NADH es 2,5 y para
FADH2 es 1,5, para mayor practicidad se consideran 3 ATP y 2 ATP,
respectivamente.
Control respiratorio por el aceptor:
• Las mitocondrias solo pueden oxidar al NADH y al FADH cuando hay
una concentración suficiente de ADP y Pi.
• Cuando todo el ADP se transformó en ATP, disminuye el consumo de
oxígeno y aumenta cuando se suministra ADP.

37. Inhibidores de la fosforilación
Oligomicina:
•Bloquea el flujo de protones a través de F0, impidiendo la
fosforilación.
•Se inhibe la síntesis de ATP
•Se acumulan protones y se produce una fuerza inversa
deteniéndose el transporte de electrones.
Desacoplantes:
•Compuestos que impiden la síntesis de ATP, pero no bloquean
el flujo de electrones, de esa manera desacoplan la cadena
respiratoria de la fosforilación oxidativa.
•El 2,3-dinitrofenol (DNF) transfiere iones hidrógeno desde el
lado externo hacia la matriz y anula el gradiente de protones
creado por la cadena respiratoria.

39. Sistemas de lanzaderas
Surgen de la necesidad de recuperar el NAD+ citosólico, dado que la
membrana mitocondrial es impermeable a este compuesto

40. Mas activa en hígado y corazón

43. Ciclo del
Acido Cítrico

44. Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o
ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una serie de reacciones
químicas de gran importancia, que forman parte de la
respiración celular en todas las células aerobias, es decir que
utilizan oxígeno.

En organismos aeróbicos el ciclo de Krebs es parte de la vía
catabólica que realiza la oxidación de hidratos de carbono,
ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2 y agua,
liberando energía en forma utilizable (poder reductor y ATP).

El ciclo de Krebs también proporciona precursores para
muchas biomoléculas tales como ciertos aminoácidos. Por
ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y
anabólica al mismo tiempo.

45. Historia del Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs recibe su nombre en honor
a su descubridor Sir Hans Krebs, quien
propuso los elementos clave de esta vía en
1937.

La historia comienza a principios de la
década de los 30´s con el descubrimiento
de que al agregar succinato, fumarato y
malato a músculos machacados
incrementa la velocidad del consumo de
Oxígeno.

El oxaloacetato se incorporó a la lista de
ácidos dicarboxílicos cuando se descubrió
que se podía formar en condiciones
aeróbicas a partir del piruvato.

46. 
En 1935 A. Szent-Györgyi propuso que ciertos pares de ácidos
dicarboxilicos eran interconvertidos por la acción de
deshidrogenasas y que este proceso estaba relacionado con
la respiración.

Carl Martius y Franz Knoop mostraron que el ácido cítrico es
convertido en alfa-cetoglutarato por medio del isocitrato. Se
supo también que el alfa-cetoglutarato puede ser oxidado a
succinato.

La formación del citrato era la pieza faltante para poder
armar completamente el rompecabezas metabólico.

El descubrimiento que resolvió este rompecabezas y unificó el
metabolismo fue hecho en 1937 por Sir Hans Krebs y W.A.
Johnson: ellos mostraron que el citrato es derivado del
piruvato y del oxaloacetato completando lo que se conoce
como el ciclo del ácido cítrico.

47. 
En condiciones anaerobias, las células animales reducen el
piruvato a lactato, en las levaduras a etanol.

En condiciones aerobias, el piruvato ingresa a la matriz
mitocondrial y es convertido a acetil-Coenzima A (AcCoA)
para llevar estos Carbonos a su estado de oxidación total en
el ciclo del ácido cítrico.

El ciclo del ácido cítrico, considerado el embudo del
metabolismo, consiste ocho reacciones enzimáticas, todas
ellas mitocondriales en los eucariontes.

El ciclo del ácido cítrico es la vía central del metabolismo
aerobio: es la vía oxidativa final en el catabolismo de los
carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, además es una
fuente importante de intermediarios de vías biosintéticas.

48. 
En muchas células la acción acoplada del ciclo del ácido
cítrico y la cadena de transporte de electrones son
responsables de la mayoría de la energía producida.

La oxidación del piruvato a Ac-CoA es catalizada por el
complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa
(PDH), el proceso que es muy complicado, se resume en:
Piruvato + NAD+ + CoA ® Ac-CoA + NADH + H+ + CO2
DG°´= - 8.0kcal/mol

Esta reacción irreversible en tejidos animales, no forma parte
del ciclo de Krebs, pero constituye un paso obligatorio para la
incorporación de los glúcidos al ciclo.

49. 
El trabajo acoplado del ciclo del ácido cítrico y la cadena de
transporte de electrones es la mayor fuente de energía metabólica.

El metabolismo aerobio del piruvato por el ciclo del ácido cítrico y la
cadena de transporte de electrones produce mucha mas energía
que la simple conversión aerobia del piruvato a lactato o etanol .

En condiciones aerobicas, el piruvato sufre una descarboxilacion
oxidativa con la formación de AcCoA. El grupo acetilo del AcCoA
es transferido al oxaloacetato para dar citrato

50. 
En reacciones subsecuentes, dos de los átomos de Carbono
del citrato se oxidan a CO2 y el oxaloacetato es regenerado.

La reacción neta de ciclo del ácido cítrico también produce
tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una molécula del
compuesto trifosfato de guanosina (GTP) altamente
energético (en algunos organismos es directamente ATP) por
cada molécula de AcCoA oxidada

Las moléculas de NADH y FADH2 son oxidadas en la cadena
de transporte de electrones con la formación de ATP en la
fosforilación oxidativa.

51. 
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz
mitocondrial en eucariotas y en el
citoplasma de procariotas.
1.
Acetil-CoA + Oxalacetato + H2O
Citrato sintasa (enzima condensante)
Citrato

52. 2.
Citrato
cis-aconitato + H2O
Isocitrato
Aconitasa
3.
Isocitrato + NAD
α-cetoglutarato + CO2 + NADH
primer CO2
Isocitrato deshidrogenasa
Enzima reguladora
Descarboxilación oxidativa
Acoplada a la conversión
De NAD  NADH

53. 4.
α-cetoglutarato + CoASH + NAD
NADH
Succinil-CoA + CO2 +
α-cetoglutarato deshidrogenasa
(segunda reacción de descarboxilaciòn)
5.
Succinil-CoA + GDP + P
Unidireccional
(irreversible)
succinato + CoASH + GTP
Succinato tiocinasa (Succinil-CoA)
6.
Succinato + (FAD)
Succinato deshidrogenasa
Fumarato + (FADH2)

54. 7.
Fumarato + H2O
Fumarasa
8.
Malato
Cataliza la hidratación del succinato
Malato + NAD
Oxalacetato
Oxidado por NAD
Malato deshidrogenasa
Reacción de oxido-reducción simple

57. Principales vías que convergen en el
ciclo de Krebs

Las reacciones que forman intermediarios del ciclo se
conocen como reacciones anapleróticas.

El ciclo de Krebs constituye la segunda etapa del
catabolismo de carbohidratos. La glucólisis rompe la glucosa
(6 carbonos) generando dos moléculas de piruvato (3
carbonos).

En eucariotas el piruvato se desplaza al interior de la
mitocondria (gracias a un transportador específico de
membrana interna). En la matriz mitocondrial produce acetilCoA que entra en el ciclo de Krebs.

58. 
En el catabolismo de proteínas, los enlaces peptídicos de las
proteínas son degradados por acción de enzimas proteasas
en el tracto digestivo liberando sus constituyentes
aminoacídicos. Estos aminoácidos penetran en las células,
donde pueden ser empleados para la síntesis de proteínas o
ser degradados para producir energía en el ciclo de Krebs.

En el catabolismo de grasas, los triglicéridos son hidrolizados
liberando ácidos grasos y glicerol.

En muy diversos tejidos, especialmente en músculo cardiaco,
los ácidos grasos son degradados en la matriz mitocondrial
mediante sucesivos ciclos de beta oxidación que liberan
unidades de acetil-CoA, que pueden incorporarse al ciclo de
Krebs.

59. 
El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación
oxidativa.

Este proceso extrae la energía en forma de electrones de alto
potencial de las moléculas de NADH y FADH2, regenerando
NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs puede
continuar.

Los electrones son transferidos a moléculas de O2, rindiendo
H2O.

Pero esta transferencia se realiza a través de una cadena
transportadora de electrones capaz de aprovechar la
energía potencial de los electrones para bombear protones
al espacio intermembrana de la mitocondria.

De este modo el ciclo de Krebs no utiliza directamente O2,
pero lo requiere al estar acoplado a la fosforilación oxidativa.

Por cada molécula de glucosa la energía obtenida mediante
el metabolismo oxidativo, es decir, glucolisis seguida del ciclo
de Krebs, equivale a unas 36 moléculas de ATP.

60. Ciclo de
Krebs

61. Funciones del CicloMETABOLICO
de Krebs
PRODUCE LA MAYOR PARTE DEL CO2







ES LA PRINCIPAL FUENTE DE COENZIMAS REDUCIDAS
(NADH+H, Y FADH2) QUE POSTERIORMENTE SE OXIDAN
EN LA CADENA RESPIRATORIA PARA PRODUCIR ATP.
ES LA VIA COMÚN PARA LA DEGRADACIÓN METABÓLICA
DE CARBOHIDRATOS, LIPIDOS Y PROTEÍNAS.
PROPORCIONA PRECURSORES PARA LA SINTESIS DE
CARBOHIDRATOS, LIPIDOS Y PROTEINAS.
ES UNA ROTONDA DE TRÁFICO METABÓLICO (CHO A
GRASAS, AMINOACIDOS A CARBOHIDRATOS)
RUTA PROHIBIDA: GRASAS A CARBOHIDRATOS
REPRESENTA LA OXIDACIÓN METABÓLICA DEL
ACETATO: (como Acetil-CoA)

62. La Mitocondria

63. Ciclo del ácido
cítrico:
la vía catabólica
principal para la
Acetil-CoA en los
organismos
aerobios.

64. Energética del Ciclo de Krebs
 Reacción
global:
 CH3COSCoA + 3 NAD + E-FAD + GDP + Pi + 2 H2O
CoASH + 2CO2 + 3NADH + H+ + EFADH2 + GTP
1 mol de Acetil CoA oxidado en el calorímetro
produce. 208 Kcal/mol = 875 Kj/mol
1 mol de Acetil CoA oxidado “in vivo” produce:
12 ATP = 87.6 Kcal/mol = 351 Kj/mol

Eficiencia Termodinámica del Ciclo de Krebs:
87.6/208 x 100 = 42%
351/875 x 100 = 42%

65. FUENTES METABÓLICAS DE Acetil-CoA
 Glucosa
Aminoácidos
 Piruvato
ACETIL CoA
 Acidos
Grasos
Etanol
Cuerpos cetónicos

66. Ciclo de Krebs

67. Descarboxilación Oxidativa del Piruvato mediante el Complejo PDH .

68. Regulación del complejo PDH

69. Reacciones del Ciclo del Ácido Cítrico

70. Estereoquímica del Ciclo de Krebs
Enzimas estereoespecíficas:
Aconitasa
Isocitrato
Fumarasa
Malato Dehidrogenasa
Sustratos estereoespecíficos:
Isocitrato
Cis-Aconitato
Fumarato
Malato
Acetil-CoA
Oxalacetato

71. Regulación del ciclo de Krebs
(-) Fluoro-Acetato
Malato (+)
NADH
(-)
FAD
Succinato
(+)
Fluoro-Citrato
(-)
Aconitasa
Malato
Dehidrogenasa
Fumarasa
(+)
Co Q
Succinico
Ca++
Tioquinasa
FADH2 (-)
OAA
Ca++
(+)
Malonato (-)
Succinico
Tioquinasa
Arsenito-

72. Relación del Ciclo del Ácido Cítrico con la Transaminación y la gluconeogénesis .

73. Metabolismo del Citrato: Función del ciclo de Krebs en la lipogénesis.

74. Papel Anfibólico del Ciclo de Krebs

75. Reacciones Anapleróticas
Reposición de intermediarios del TCA especialmente OAA:
 Piruvato
Carboxilasa
Mitocondrial
ATP
Piruvato
Biotina
 Enzima
Málica
CO2
Piruvato
Mitocondrial y en citosol
Malato
NADP
NADPH+H
OAA
OAA

76. Ciclo del Glioxilato (Plantas, bacterias y otros organismos)

77. Papel del Ciclo del Glioxilato en la Gluconeogénesis.