Tema 1. Introduccin al metabolismo. Conceptos fundamentales y panormica general.

Tema 1: Introduccin al metabolismo. Conceptos fundamentales y panormica general.

> Qu es el metabolismo? Conjunto de reacciones qumicas que ocurren en las clulas de los seres vivos (en las clulas, en los tejidos, en los rganos). Este conjunto de reacciones lleva a cabo procesos que nos permiten responder a dos preguntas:

- Cmo obtienen las clulas la energa y el poder reductor a partir de su entorno para sus procesos vitales?

- Cmo sintetizan las clulas los compuestos fundamentales de sus macromolculas y cmo se sintetizan posteriormente las propias macromollulas?

El metabolismo es universal, todos los seres vivos comparten muchas de las principales rutas metablicas, al igual que el cdigo gentico lo cual es una prueba irrefutable de que poseemos un antecesor comn. Hasta los organismos ms sencillos como Escherichia coli posee ms de un millar de reacciones qumicas. > Los seres vivos requieren energa. Todos los seres vivos requieren para su metabolismo una fuente de energa y una fuente de Carbono. Los sv necesitan un suministro continuo de energa libre para tres fines principales:

1) Realizacin de trabajo mecnico en la contraccin muscular y otros movimientos celulares.

2) Transporte activo de iones y molculas.

3) Sntesis de macromolculas y otras biomolculas a partir de precursores sencillos.

La E libre que se utiliza y que mantiene a un organismo lejos del estado de equilibrio se extrae del entorno.

La primera ley de la termodinmica establece que la energa ni se crea ni se destruye por lo que la cantidad de energa en el universo permanece constante. No obstante, los distintos tipos de energa se pueden transformar los unos en los otros.

Los organismos vivos se pueden dividir en dos grandes grupos segn la forma qumica a travs de la que obtienen carbono del medio:

AUTTROFOS. Fabrican la materia orgnica a partir de molculas inorgnicas. Utilizan dixido de carbono (CO2) de la atmosfera como nica fuente de carbono a partir de la cual construyen todas sus molculas carbonadas. Plantas superiores, algas verdes y algunas bacterias. Las cianobacterias pueden utilizar el N2 atmosfrico para generar sus compuestos nitrogenados. Segn la forma en que obtienen energa diferenciamos:

- Quimioauttrofos. - Fotoauttrofos.

HETERTROFOS. Producen molculas inorgnicas a partir de materia orgnica. Animales, hongos y varios grupos de bacterias.

- Quimiohetertrofos - Fotohetertrofos

> Anabolismo & Catabolismo El metabolismo se puede definir tambin como la suma del catabolismo y del anabolismo. El anabolismo consiste en la biosntesis de molculas, requiere energa, consta

CATABOLISMO ANABOLISMO

-Proceso degradativo -Exergnico (libera energa) -Oxidacin de molculas -Rutas convergentes

ATP Energa qumica

NADPH

-Proceso de sntesis -Endergnico (requiere energa) -Reduccin de molculas -Rutas divergentes -Requiere poder reductor

> Bioenergtica Es la parte de la biologa muy relacionada con la fsica, que se encarga del estudio de los procesos de absorcin, transformacin y entrega de energa en los sistemas biolgicos.

Los cambios en la energa libre de Gibbs G nos dan una cuantificacin de la factibilidad energtica de una reaccin qumica y pueden proveer de una prediccin de si la reaccin podr suceder o no. Como una caracterstica general de La Bioenergtica, esta solo se interesa por los estados energticos inicial y final de los componentes de una reaccin qumica, los tiempos necesarios para que el cambio qumico se lleve a cabo en general se desprecian. Un objetivo general de la Bioenergtica, es predecir si ciertos procesos son posibles o no; en general, la cintica cuantifica qu tan rpido ocurre la reaccin qumica.

Los seres vivos son sistemas termodinmicamente abiertos y cumplen las leyes de la termodinmica.

En conclusin, los seres vivos no pueden encontrarse en equilibrio, son sistemas abiertos y han de desarrollar trabajo. Energa libre (G): energa que puede realizar un trabajo

Variacin de Energa libre (G):

Reacciones qumicas:

Reacciones exergnicas: espontneas, G < 0, liberan energa. Catabolismo.

Reacciones endergnicas: no espontneas, absorben G. Anabolismo.

G: situacin del sistema aislado.

G = 0 Equilibrio. No lo encontramos en los seres vivos.

G prximo a 0 Reaccin reversible, prxima al equilibrio

G alejado de 0 Reaccin irreversible, alejada del elquilibrio

Reacciones acopladas: reacciones que no son espontneas y necesitaran aporte de Energa pero que ocurren porque se acoplan a una reaccin que es espontnea, es decir, termodinmicamente favorable. Ej: reaccin de la glucosa.

> ATP Es la moneda energtica de las clulas (trabajo mecnico, transporte activo, reacciones bioqumicas). Existen tres formas de generar ATP:

- Fotosntesis o fosforilacin ligada al flujo de electrones.

- Cadena respiratoria mitocondrial o fosforilacin oxidativa ligada al transporte electrnico (aadir P proveniente de las reacciones de oxidacin biolgica)

- Fosforilacin a nivel de sustrato: M~P + ADP ATP + M (aadir P inorgnico)

El ATP cuando se hidroliza tiene una G < 0 por lo que esta molcula tiene tendencia a hidrolizarse:

ATP ADP + Pi + E

El potencial de transferencia de grupos fosfato se define como -G y mide la tendencia a transferir un grupo fosfato a otra molcula. El ATP ocupa una posicin intermedia.

> Tipos de rutas metablicas. ANABLICAS.- divergen del ciclo de Krebs. CATABLICAS.- convergen al ciclo de Krebs. ANFIBLICAS.- participan en anabolismo y catabolismo. Ej: ciclo de Krebbs

Las reacciones metablicas estn catalizadas por enzimas o por complejos multienzimticos. Se organizan en rutas metablicas (RM) con un sustrato/s inicial y producto/s final y entre ambos estn los metabolitos intermediarios. Las RM se organizan en mapas metablicos.

> Reacciones y Rutas Metablicas. 1.La mayora estn prximas al equilibrio, es decir, son reversibles. 2.Las reacciones prximas al equilibrio comparten las reacciones rutas anablicas y catablicas. 3.Hay al menos una reaccin de no-equilibrio que marca la direccionabilidad de la ruta. 4.Las enzimas que catalizan las reacciones de no-equilibrio son los puntos de control. 5.Las RM estn reguladas a diferentes niveles: interno, extracelular e intracelular. 6.En las clulas eucariotas hay rutas metablicas que estn compartimentalizadas.

Recordemos que la capacidad de un compuesto a ceder el P se llama POTENCIAL DE

TRANSFERENCIA DE GRUPOS P. Cuantitativamente es el valor de -G.

> Tipos de reacciones qumicas. Slo hay 6 tipos para miles de reacciones metablicas:

1) Oxidacin-reduccin. Transferencia de e-. Obtencin de la mayor parte de la Energa de la clula ya que la mayor parte de E de los procesos biolgicos procede de la oxidacin de sustancias orgnicas reducidas. Formas de transferencia de e-:

- Directamente como e-: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

- En forma de tomos de H: FAD + AH2 FADH2 + A - En forma de in hidruro [:H- ]:

NAD(P)+ + H+ + 2e- NAD(P)H

AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P^)H + H+

- Combinacin directa con el Osgeno: R-CH3 + O2 R-CH2-OH

Oxidacin Reduccin Prdida e-

Ganancia O Prdida H

Liberacin E Exergnica

Ganacia e- Prdida O Ganancia H Captacin E Endergnica

2) De ligacin que requieren ATP. Reaccin de la Piruvato carboxilasa. 3) Isomerizacin. Reorganizacin intramolecular de los tomos. 4) Transferencia de grupo. Transfieren un grupo (fosforilo, acilo, ) de una molcula a otra.

Ej: Fosforilacin de la glucosa. 5) Hidrlisis. Roturas de enlaces mediante la adiccin de H2O. 6) Formacin o rotura C-C. Reaccin de la aldolasa (glucolisis).

> Transportadores activados en el metabolismo.

Carrier Grupo transportado

ATP Fosfato

NAD, NADPH, FADH2, FMNH2

Electrones

CoA, Lipoamida Acilo

Pirofosfato de tiamida Aldehido

Biotina CO2

Tetrahidrofosfato 1Carbono

SAM Metilo

> Regulacin del metabolismo. El metabolismo se regula modelando la actividad de las enzimas y la accesibilidad de los sustratos. Niveles de regulacin del metabolismo:

Cantidad de enzima, balance entre: - Nivel de transcripcin (velocidad de sntesis)

- Nivel de degradacin (velocidad de degradacin) vida enzima Actividad de enzima

- Concentracin de S/P - Regulacin alostrica (enzima reguladora) - Conversin covalente reversible (enzima reguladora). Casi siempre es la fosforilacin, a veces

activa o inhibe el enzima) Control de seales extracelulares

- Hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento, citoquinas - Coordinacin a nivel fisiolgico - Integracin de procesos metablicos

Accesibilidad de S - Compartimentacin intracelular. Separadas pero no aisladas.

nota: Las enzimas que fosforilan son QUINASAS.

Las enzimas que defosforilan son FOSFORILASAS.

Tema 2. Metabolismo de carbohidratos. Panormica general y su digestin.

Tema2: Metabolismo de carbohidratos. Panormica general y su digestin. > Panormica general. La gluconeognesis y la glucolisis son las rutas de la glucosa. La ruta de las pentosas fosfato produce ribosas y NADPH. La gluconeognesis fabrica glucosa a partir de compuestos no carbonados. La fermentacin desintegra el piruvato en lactato o etanol. Otros azcares tambin se integran en la ruta glucoltica.

GLUCOSA

Gluclisis (va metablica encargada de oxidar la glucosa en dos molculas de piruvato en el citosol) Gluconeognesis (ruta metablica anablica que permite la biosntesis de glucosa a partir de precursores no glucdicos)

Degradacin de disacridos Ruta de las pentosas Fotosntesis (Ciclo de Calvin)

> Digestin de carbohidratos. Muchos alimentos que tomamos diariamente (leche, azcar, frutas, verduras, miel, pasta) son muy ricos en carbohidratos. Como consecuencia de una dieta rica en carbohidratos se producen muchos AcetilCoA que deben ser derivados a otras rutas metablicas, fundamentalmente a la de cidos grasos y por eso engordamos.

La digestin convierte estos carbohidratos en compuestos utilizables por el metabolismo. El aparato digestivo lleva a cabo la digestin que comienza en la boca y en la digestin intervienen una serie de glndulas (salivares, hgado, pncreas) que segregan enzimas (amilasa salivar,amilasa pancretica, dextrinasa, disacaridsidas).

La digestin de los carbohidratos comienza en la boca con la accin de la amilasa salivar que rompe los

enlaces (14).

La siguiente fase consiste en formar monosacridos mediante la amilasa pancretica que trabaja junto con -dextrinasa, glucosidasa y disacaridasa en el intestino delgado.

La absorcin intestinal de la glucosa y galactosa tiene lugar por transporte activo mientras que el de la fructosa por difusin facilitada.

La entrada de GLUCOSA se considera transporte activo porque para mantener el gradiente de Na+ est ligado a una bomba Na+/K+ que consume ATP ya que se absorbe por transporte simporte ligado a Na+. La glucosa entra a favor de gradiente pero para compensar la concentracin de Na+, ste sale por la bomba Na+/K+. As, de manera indirecta, el transporte de glucosa gasta ATP. La glucosa se cotransporta con Na+ a travs de la membrana plasmtica apical al interior del enterocito. Se desplaza a travs de la clula a la membrana basal, donde pasa a la sangre va GLUT2, un transportador pasivo simple de la glucosa. La Na+/K+ ATPasa contina bombeando Na+ hacia el exterior para mantener el gradiente de Na+ que impulsa la captacin de glucosa.

La energa de este proceso proviene de dos fuentes:

La mayor concentracin de Na+ fuera (potencial qumico).

El potencial transmembrana que es negativo en el interior y facilita la entrada de Na+ (potencial elctrico). Los enterocitos (clulas epiteliales que revisten el intestino), necesitan traer la glucosa aprovechable de la digestin dentro del cuerpo y deben prevenir el flujo inverso de la glucosa del cuerpo al intestino.

Se necesita un mecanismo que asegure que la glucosa tambin fluya dentro de las clulas intestinales y obtener el transporte dentro de la corriente sangunea, no importa cul sea la concentracin de glucosa en el intestino. Si esto no sucediera y las clulas intestinales usaran los portadores de difusin facilitada para la glucosa, inmediatamente despus de comer dulces u otro alimento rico en azcar, la concentracin de glucosa en los intestinos sera muy alta, y la glucosa fluira cuesta abajo del intestino al resto del cuerpo. Pero una hora despus, cuando los intestinos se vaciaran y la concentracin de glucosa fuera ms baja que la de la sangre y los tejidos, los portadores de difusin facilitada permitiran a la glucosa en la sangre y tejidos fluir cuesta abajo dentro del intestino. Esto rpidamente agotara en poco tiempo las reservas de energa.

Debido a que esta situacin sera biolgicamente un despilfarro y probablemente letal, es que vale la pena el costo de energa adicional del transporte activo, para asegurar el transporte de la glucosa en un proceso de un solo sentido.

Por contraste, los eritrocitos (glbulos rojos) y la mayora de los tejidos del cuerpo humano mueven la glucosa por portadores de difusin y no por transporte activo. La difusin facilitada tiene sentid en este contexto, debido a que el medio es diferente para los glbulos rojos y el intestino.

Mientras que los intestinos experimentan una constante fluctuacin de la concentracin de glucosa, la cual puede ser alta o baja que la concentracin de glucosa dentro de las clulas intestinales; la concentracin en la sangre es cuidadosamente regulada, por lo que es normalmente alta en las

concentraciones intercelulares. La glucosa es transportada a travs de la membrana de los eritrocitos por un uniportador, un tipo de protena de difusin facilitada. Tan pronto como la glucosa ingresa en la clula, se convierte en otras sustancias necesarias para la produccin de energa de la clula o biosntesis, por lo que la concentracin intracelular de glucosa permanece ms bajo que el nivel de glucosa de 5mM que mantiene la sangre. En esta situacin, la difusin sola asegura el constante flujo de glucosa dentro del eritrocito, por lo que sera un desperdicio e innecesario para los eritrocitos, el uso de trasporte activo para la glucosa.

> GLUT La glucosa pasa a la sangre y llega a los tejidos dnde se capta a travs de GLUT. Dentro de esa familia de prots hay 5clases:

- GLUT 1 y GLUT 3: captacin basal de la glucosa. - GLUT 2 est presente en el hgado y en las clulas pancreticas. Es muy importante porque la

glucosa es almacenada en el hgado en forma de glucgeno. En el pncreas su importancia est relacionada con la insulina.

- GLUT 4 se encuentra en los msculos y clulas adiposas. El musculo capta la glucosa en grasa. Actividad incrementada por la insulina.

- GLUT 5 est en el intestino delgado, implicada en el transporte de fructosa. Podra GLUT expulsar la glucosa de la clula? S porque depende de la concentracin. En general esto no ocurre porque las clulas fosforilan la glucosa para que no pueda salir.

Cintica: La cintica de transporte de glucosa a los eritrocitos es de Michaelis-Menten.

En el genoma humano existen 12 genes que codifican GLUT. Se diferencian en su localizacin y su funcin. El GLUT1 es ubiquo (presente en casi todos los tejidos) pero el GLUT2 est en el hgado y saca el exceso de glucosa de la sangre. Todos hacen lo mismo pero no son iguales. > Relacin entre GLUT, insulina y diabetes.

En condiciones normales los transportadores de glucosa de un adipocito o un miocito estn en vesculas. La entrada de glucosa en el organismo segrega insulina y provoca que las vesculas vayan a la membrana plasmtica y se incremente la captacin de glucosa.

Tema 3. Gluclisis y su regulacin. Fermentaciones. Incorporacin de otros monosacridos a la ruta glucoltica.

Metabolismo del etanol.

Tema 3: Gluclisis y su regulacin. Fermentaciones.

Incorporacin de otros monosacridos a la ruta glucoltica. Metabolismo del etanol. > Gluclisis. La gluclisis es la conversin de glucosa en piruvato en el citosol que incluye dicho conjunto de reacciones. Su nombre significa romper el dulce. Las caractersticas de esta ruta son: - Tiene lugar en el citosol. - Es universal (animales, plantas y microorganismos). - Tiene un papel central en el metabolismo energtico, est interconectada y es la ruta metablica mejor conocida. - Sirve principalmente para producir energa en forma de ATP (es la ruta principal).

Los virus no la realizan porque no son clulas (curiosidad: n mnimo de genes de un virus = 3).

> Destinos metablicos de la glucosa en la clula.

> Breve historia de la glucolisis.

Hans e Ednerr Buchner (1897) conservaron estratos de levaduras libres en clulas con sacarosa. La sacarosa ferment a etanol. Se obtiene la conclusin de que no son necesarias clulas vivas para llevar a cabo la fermentacin acabando as con el dogma vitalista. Adems tambin supone el reconocimiento de la ciencia bioqumica. Hacia 1940 ya estaba aclarada toda la va glucoltica.

> Fases de la glucolisis.

La gluclisis se puede dividir en dos fases: Fase I: Inversin energtica o preparatoria. Gasta ATP. Desde la glucosa hasta las 2 triosas fosfato. Fase II: Rentabilidad energtica. Se obtiene ATP y NADH. Desde gliceroaldehido 3P hasta piruvato.

Fase I: Inversin energtica o preparatoria.

Reaccin de la hexoquinasa (Transferencia de fosforilos):

Glucosa + ATP Glusosa-6P + ADP [Enzima: hexoquinasa]

En el primer paso de la gluclisis, la glucosa se activa para reacciones posteriores mediante la fosforilacin en el C-6; el ATP es el dador de electrones. Las funciones de la fosforilacin es impedir que la glucosa salga de la clula y que se active para las siguientes reacciones.

Esta reaccin que es irreversible en condiciones intracelulares est catalizada por la hexoquinasa[1] (HK). Reaccin de no-equilibrio as que es un punto de control.

Existen 4 isozimas (dos o ms enzimas que catalizan la misma reaccin pero que estn codificados por genes distintos) de la hexoquinasa. Uno de los isozimas presente en los hepatocitos es la isoquinasa 4 o glucoquinasa (GK).

La elevada KM de la GK permite su regulacin directa por el nivel de glucosa sangunea porque cuando la [glucosa] aumenta en la sangre despus de una comida, el exceso es transportado a los hepatocitos en donde la GK la convierte en glucosa-6P. Esto es as porque la cintica de la GK es sigmoidea por lo que tarda en saturase, es decir, contina su actividad a medida que la [glucosa] aumenta. En cambio cuando la [glucosa] en sangre es baja, la GK no la fosforila porque abandona la clula antes (gluconeognesis).

Destacar adems que la GK es especfica de la glucosa encontrndose slo en las clulas del hgado y en las clulas -pancreticas mientras que la HK tambin cataliza otras hexosas.

Reaccin de la fosfoglucosa isomerasa:

Glucosa-6P Fructosa-6P [Enzima: fosfoglucosa isomerasa]

Conversin de la glucosa-6P que es una aldosa en fructosa-6P que es una cetosa. Es una isomerizacin reversible, transcurre fcilmente en cualquiera de las dos direcciones.

Reaccin de la fosfofructoquinasa-1 (PFK o PFK-1):

Fructosa-6P + ATP Fructosa-1,6P + ADP [Enzima: PFK]

Es la segunda de las dos reacciones activadoras de la gluclisis, se transfiere un grupo fosforilo desde el ATP a la fructosa-6P para dar la fructosa 1,6-bifosfato. La reaccin de la PFK-1 es prcticamente irreversible en condiciones celulares y es el principal punto de control de la glucolisis. Es una reaccin de no-equilibrio.

La PFK-1 est sujeta a una compleja regulacin alostrica; su actividad aumenta siempre que se agota el suministro de ATP en las clulas o cuando existe un exceso de productos de rotura del ATP (ADP o AMP). El enzima es inhibido siempre que la clula tenga mucho ATP y disponga de un buen suministro de otros combustibles como cidos grasos.

Reacciones de la Aldolasa & Triosa fosfato isomerasa:

Ambas reacciones estn prximas al equilibrio por lo que funcionan en base a las concentraciones de sustratos/productos.

La aldolasa cataliza una condensacin aldlica reversible: la Fructosa-1,6P se rompe dando lugar a dos triosas fosfato diferentes, el Gliceroaldehido-3P (aldosa), la Dihidroxiacetona fosfato (cetosa).

La triosa fosfato isomerasa cataliza la conversin rpida y reversible de la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) en gliceroaldehido-3P ya que es el nico que puede ser degradado por los siguientes pasos de la glucolisis.

Fase II: Rentabilidad energtica (x2)

Reaccin de la Gliceroaldehido-3P (G3PDH o GAPDH):

G3PDH + Pi + NAD+ 1,3-Bifosfoglicerato + NADH + H+

Es una reaccin de xido-reduccin en la que se transfieren e- en forma de in hidruro. Es la primera de las dos reacciones conservadoras de energa de la gluclisis que conduce en ltimo trmino a la formacin de ATP. Ocurre en dos etapas. Es una reaccin prxima al equilibrio(reversible).

La cantidad de NAD+ en una clula es muy inferior a la cantidad de glucosa metabolizada. La gluclisis se detendra si el NADH formado en este paso no se reoxidara y reciclara continuamente.

Reaccin de la fosfoglicerato quinasa:

1,3-Bifosfoglicerato + ADP 3-Fosfoglicerato + ATP

Reaccin de transferencia del grupo fosforilo de alta energa desde el grupo carboxilo del 1,3-bifosfoglicerato al ADP.

El resultado final de la reaccin anterior y esta acopladas, ambas reversibles en condiciones celulares, es decir, prximas al equilibrio, es que la energa liberada en la oxidacin se conserva mediante la formacin acoplada de ATP.

La formacin de ATP por transferencia del grupo fosforilo a partir de un sustrato tal como el 1,3-bifosfoglicerato se conoce como fosforilacin a nivel de sustrato para distinguir el mecanismo de la fosforilacin ligada a la respiracin. Implica enzimas solubles e intermediarios qumicos con alto potencial de transferencia de grupos P mientras que la de la respiracin implica enzimas de membrana y un gradiente transmembrana de protones.

Reacciones de la fosfoglicerato mutasa (PGM) y de la enolasa:

La PGM cataliza un desplazamiento reversible del grupo fosforilo entre el C-2 y el C-3 del glicerato mientras que la enolasa promueve la eliminacin reversible de una molcula de agua (deshidratacin)

dando fosfoenolpiruvato (PEP). Al igual que en la reaccin el PEP es uncompuesto con potencial elevado de transferencia del grupo fosforilo.

Reaccin de la Piruvato quinasa (PK):

El ltimo paso de la glucolisis consiste en la transferencia del grupo fosforilo desde el fosfoenolpiruvato al ADP catalizada por la PK. Es una reaccin alejada del equilibrio por lo que es otro punto de control.

En la gluclisis hay 3 puntos de control: HK, FGK-1 y PK.

> Bioenergtica de la glucolisis. (G y G)

G es negativa en todas las reacciones y las reacciones de no-equilibrio (puntos de control) son las ms negativas.

G global = -73.3 kJ/mol (condiciones estndar: pH, T,)

Gglobal = -96.2 kJ/mol = -23 kcal/mol (tiene en cuenta la [ ] de P y S en la clula, es el valor real, importante desde pto de vista bq)

> Balance global de la glucosisis: ganancia neta de ATP. Balance total

1Glucosa + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi 2Piruvato + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O

Balance neto

1Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

> Resumen.

> Integracin de otros monosacridos a la gluclisis: galactosa, manosa y fructosa.

La MANOSA se fosforila a manosa-6P (M6P) por la HK y despus la fosfomanosa isomerasa la transforma en fructosa-6P (F6P) que es un intermediario de la gluclisis. A continuacin puede seguir dos caminos para integrarse en la gluclisis:

- Fosforilndose a fructosa-6P (F6P) gracias a la HK y consumiendo ATP Gluclisis! - Transformndose en fructosa-1P (F1P) gracias a la fructoquinasa y consumiendo ATP. sta se rompe

en dos triosas gracias a lafructosa-1-fosfoaldolasa que son una dihidroxiacetonafosfato (DHAP) y un gliceroaldehido que gracias a la trioquinasa se transforma en gliceroaldehido-3P (G3P) Gluclisis!

La principal fuente de GALACTASA es la lactosa:

Lactosa D-glucosa + D-galactosa (Enzima: lactasa)

En el intestino la lactosa se convierte en galactosa y glucosa. Tiene un metabolismo un poco complicado. Primero la galactosa se fosforila a galactosa-1P que reacciona con la UDP-glucosa para dar UDP-galactosa que se convierte en UDP-glucosa gracias a la UDP-glucoepimerasa; y glucosa-1P (G1P) que se convierte en G6P gracias a la fosfoglucomutasa (PGM) Gluclisis!

Existen varias patologas asociadas al metabolismo de la lactosa:

Intolerancia a la lactosa debido a la deficiencia de lactasa.

Galactosemias debidas a la deficiencia en enzimas que metabolizan la galactosa. Son mucho ms graves que la anterior y la ms comn es la deficiencia en galactosa-1P uridiltransferasa.

> Destino del piruvato.

El piruvato puede seguir 2 caminos, fermentacin o oxidacin completa o respiracin, dependiendo de la presencia de O2, es decir, dependiendo de las condiciones aerbicas o anaerbicas.

> Fermentacin. La fermentacin es una degradacin anaerbica productora de energa de una molcula orgnica (generalmente glucosa) sin oxidacin neta de la misma, es decir, degradacin anaerbica de la glucosa. Tiene dos finalidades: obtener energa y reoxidar el NADH citoslico para evitar que se detenga la gluclisis. Puede ser de dos tipos:

Fermentacin lctica.

Productora de cido lctico o lactato mediante una reaccin prxima al equilibrio catalizada por la lactato deshidrogenasa (LDH). Adems se regenera el NAD+. Ocurre en las clulas animales y en las bacterias del cido lctico. El lactato no se acumula en las clulas por mucho tiempo as que debe reciclarse, desaparece transformndose por un lado en piruvato y en otro precursor gluconeognico(sntesis de glucosa a partir de molculas no carbohidratadas).

Fermentacin alcohlica.

Conversin de la glucosa en etanol, en dos pasos:

- descarboxilacin mediante piruvato descarboxilasa

- deshidrogenacin por la alcohol deshidrogenasa.

Tambin se regenera el NAD+ para que la gluclisis no pare. Ocurre en levaduras y otros microorganismos.

El destino del etanol es el ciclo de Krebbs (CO2 + H2O + ATP). El exceso de etanol causa problemas muy serios.

> Efecto Pasteur (1857). Es la inhibicin de la gluclisis por la respiracin (presencia O2) o la inhibicin aerbica de la gluclisis. Las levaduras consumen mucha ms glucosa creciendo en condiciones anaerbicas ya que en condiciones aerbicas se consigue una mayor productividad gastando menos glucosa. Louis Pasteur la descubri al estudiar la fermentacin en las levaduras. El principal responsable de este efecto es la inhibicin de la fosfofructoquinasa por el citrato y el ATP.

1 GLUCOSA Condiciones aerobias 34, 36 o 38ATP

Condiciones anaerbicas 2ATP

> Reaccin de la G3PDH. Si no se repone el NAD+ se detiene la reaccin de la Gliceroaldehido-3P deshidrogenasa (G3PDH) y se

para la gluclisis. En condiciones aerobiasreoxidamos el NADH citoslico (NADH NAD+) mediante un complejo sistema de lanzaderas. Existen porque el NADH no puede atravesar la membrana mitocondrial y entregar los e- directamente al osgeno (aceptor final de electrones). Hay dos tipos de lanzaderas:

a)Lanzadera Maltato-Aspartato.

En corazn e hgado los electrones del NADH citoslico entran en las mitocondrias por medio de esta lanzadera en la que intervienen 2 transportadores de membrana y 4 enzimas. Los e- se transfieren desde el NADH del citosol al oxalacetato que se convierte en malato, el cual atraviesa la membrana mitocondrial interna para posteriormente reoxidarse por el NAD+ de la matriz para generar NADH en una reaccin catalizada por la malato deshidrogenasa(enzima del ciclo del cido ctrico). El oxalacetato resultante no puede atravesar directamente la membrana mitocondrial interna, de modo que se necesita de una reaccin de transaminacin para formar aspartato que s puede ser transportado hacia el lado citoslico. El glutamato mitocondrial aporta el grupo amino y se forma aspartato y -cetoglutarato. En el citoplasma el aspartato pierde el grupo amino y origina oxalacetato. b) Lanzadera Glicerol-3P.

Los electrones del NADH pueden introducirse en la cadena transportadora de electrones mitocondrial una vez que han sido utilizados para reducir la dihidroxiacetona-P a glicerol-3P (G3P) que se reoxida al transferir sus electrones al grupo prosttico FAD (flavn adenn dinucletido, redox) ligado covalentemente al enzima glicerol-3P deshidrogenasa unida a la membrana. Posteriormente, la transferencia de los electrones a Q para formar QH2 permite que estos electrones se introduzcan en la cadena transportadora de electrones.

Desde el punto de vista energtico es mejor la lanzadera malato-aspartato porque:

- Por cada NADH formamos 3ATP

- Por cada FADH2 formamos 2ATP

La lanzadera malato-aspartato es fcilmente reversible. En consecuencia, el NADH puede introducirse en las mitocondrias por la lanzadera de malato-aspartato nicamente cuando el cociente NADH/NAD+ es mayor en el citosol que en la matriz mitocondrial

> Metabolismo del etanol en el Homo sapiens.

La absorcin del etanol ocurre en la mucosa gastrointestinal (aprox. intestino delgado 80% y estmago 20%) mientras que slo se produce laexcrecin del 5-10% a travs de los pulmones y riones, es decir, entre el 90-95% del alcohol ingerido no es excretado y debe ser metabolizado.

El control de alcoholemia mide el control en sangre (BAC=blood alcohol contento r blood alcohol concentration) y depende de factores ambientales y genticos.

Metabolismo del Etanol:

Etanol Acetaldehido Acetato Acetil-CoA CICLO DE KREBS

Hay 3 formas de metabolizar el etanol, es decir, hay 3 reacciones oxidativas del metabolismo del etanol en el hgado (tambin puede metabolizarse en otros tejidos como el cerebro):

1. Catalizada por la alcohol deshidrogenasa en el hgado. (ADH)

CH3CH2OH (etanol) + NAD+ CH3CHO (acetaldehdo) + NADH + H+

2. El sistema MEOS. (CYP2E1)

CH3CH2OH (etanol) + NADPH + O2 CH3CHO (acetaldehdo) + NADP+ + 2H2O2

3. Catalizada por la catalasa.

CH3CH2OH (etanol) + H2O2 CH3CHO (acetaldehdo) + 2H2O

CH3CH2OH (etanol) + NAD+ + H2O CH3COO- (acetato) + NADH + 2H+ (Enzima: ALDH2)

(sale del hgado, va a la sangre que lo lleva al cerebro y msculos)

CH3COO- (acetato) + CoA~SH + ATP CH3CO-S-CoA (acetil CoA) + AMP + PPi (Acteil-CoA sintetasa)

Las 4 enzimas implicadas son las siguientes:

ADH (alcohol deshidrogenasa): citoslica, principal implicada en la eliminacin del etanol en condiciones normales.

CYP2E1 (citocromo P450): est en los microsomas[1] (MEOS=sistema microsimal oxidante) activada a concentraciones de etanol elevadas y durante el consumo crnico.

Catalasa: peroxixomas.

ALDH2 (aldehdo deshidrogenasa): mitocondrias.

Isozimas & Alozimas de ADH. En el genoma humano hay 7 genes (por lo tanto, 7 isozimas) localizados en un cromosoma que estn muy prximos. 4:7 isozimas

ADH es un dmero que puede ser un hommero o un heterodmero. Los alozimas son las variantes allicas de un mismo gen. Se diferencian en la KM (unas muy bajas y otras muy altas) y en la distribucin en los tejidos.

> Destino del acetato generado del etanol.

KB (cuerpos cetnicos)

FFA (cidos grasos libres)

algunos aa colesterol

Acetil-CoA El Acetil-CoA no se puede almacenar y si

hay mucho se satura el ciclo de Krebs.

Ciclo de Krebs El que sobra se recicla en KB, FFA,

aa

CO2 + H2O + Energa

> Efectos del etanol.

Directos: producidos por interaccin.

Indirectos:

- Hipoxia en el hgado

- Generacin de compuestos peligrosos para las clulas: acetaldehdo, aductos y especies reactivas de O2 (ROS). Se producen daos en lpidos, DNA y prots.

- Cambios/aleteracin en la ratio NADH/NAD+ en el citosol que afectan a muchas reacciones:

Ratio NADH/NAD+ normal 1000

oxidacin etanol

Ratio NADH/NAD+ alterada 100

NAD+ + reactante reducido NADH + reactante oxidado + H+

La accin de la ADH y CYP2-1 contribuye a un incremento de la cantidad de acetaldehdo que provoca la formacin de aductos con DNA y prots. El metabolismo del etanol dependiente de CYP2E1 conduce a un aumento del estrs oxidativo heptico debido a la generacin de ROS. Ataque hgado, cncer heptico

Como consecuencia de todo esto se produce un dao en los tejidos, enfermedades y problemas de ndole social y familiar.

Efectos patolgicos del consumo de alcohol:

Disfuncin neuronal

Alteracin del comportamiento

Disfuncin gonadal (por sntesis de testosterona). Impotencia, atrofia testicular, ginecomastia, esterilidad y cambios en la distribucin del pelo por la modificacin hormonal de los esteroides. Reduccin de la secrecin de testosterona debido a una alteracin en la ratio NADH/NAD+.

[Efectos sobre el hgado] Hgado graso (acumulacin de triglicridos, descenso de la cantidad de RER, parn mitocondrial que produce daos celulares e incluso la muerte celular), hepatitis (respuesta inmune, infiltracin y activacin de linfocitos y macrfagos) y cirrosis heptica(formacin de tejido fibroso, reduccin del hgado funcional, ralentizacin del ciclo de la urea y de la eliminacin del amonio y retencin de nitrgeno. Coma heptico).

Hipoglucemia (porque inhibe la gluconeognesis)

Tolerancia y dependencia.

Dao fetal.

Riesgo cancergeno (estmago, boca, hgado). Interferencia en el metabolismo de medicamentos.

Adems afecta a la termorregulacin corporal y crea sensacin de calor. El mito del perro de San Bernardo por el cual se le da whiskey a alguien en la nieve es un grave error. Debe drsele una bebida caliente y azcar.

> Gluclisis & Cncer.

La clula cancerosa consume ms glucosa que una clula normal ya que al vivir en condiciones hipxicas (no llega la red de capilares provocando un suministro limitado de O2) predomina la gluclisis anaerbica que produce 2ATP en vez de la respiracin que produce 30ATP, es decir, por varios motivos est favorecida la fermentacin en las clulas tumorales.

Cuando las clulas tumorales tienen hipoxia responden produciendo el factor HIF-1 (Hypoxia-inducible factor) que es un factor de transcripcin inducible por la hipoxia que activa la transcripcin de genes que codifican: - enzimas glucolticos - GLUT 1 y 3 - protenas implicadas en la angiognesis (formacin de vasos) - protenas implicadas en la metstasis HIF-1 es una protena con 2 subunidades ( y ). En normoxia la subunidad es degradada por el proteosoma (complejo multiprotico que degrada otras protenas) y queda la subunidad inactiva mientras que en hipoxia no se degrada y HIF-1 es activo activando, as, ciertos genes.

FACTOR DE TRANSCRIPCIN.

Son protenas que intervienen en la regulacin de la transcripcin (activndola o reprimindola). Se unen a secuencias de DNA especficas o a la RNA polimerasa.

Efectos del HIF-1 sobre el metabolismo de la glucosa:

Mutacin de p53 defectos en el transporte electrnico mitocondrial.

Inhibidores de las enzimas glucolticas y de la ruta de las pentosas como agentes para emplear en quimioterapia.

En los tumores hay una sobreproduccin de los transportadores de glucosa y de la mayora de enzimas glucolticos. Los compuestos que inhiben la hexoquinasa, la G6PDH o la transcetolasa bloquean la produccin de ATP por la gluclisis, privando as de Energa a la clula cancerosa y matndola. Una clula cancerosa proliferando tambin podra producir HIF-1. El balance en que la quimioterapia mata clulas enfermas y sanas es importante. Adems es importante bloquear la ruta de las pentosas para impedir el crecimiento de la clula tumoral. > Tomografa de emisin de positrones (PET). La deteccin de tejido canceroso se puede hacer mediante tomografa de emisin de positrones (PET) que se basa en la alta velocidad de la gluclisis en las clulas cancerosas. El tratamiento consiste en que se des da un anlogo radioactivo de la glucosa que es sustrato de la isoquinasa y se acumula por lo que hay ms radioactividad en ese punto. La desintegracin del 18F emite positrones que detecta el aparato.

Escn CT antes de ingerir el anlogo.

Escn PET despus de ingerir 18F (FdG).

Seal fuerte en el cerebro porque es el mayor consumidor de glucosa y en la vejiga porque se elimina. Sabiendo esto se superponen el CT y el PET y si aparece una seal elevada en una zona es un indicativo para estudiar el cncer en dicha zona.

Gluclisis y cncer: EL EFECTO WARBURG (proliferacin celular)

En principio es una paradoja. Los organismos unicelulares o microorganismos con abundante glucosa la fermentan convirtindola en biomasa y etanol mientras proliferan. Los organismos multicelulares cuando proliferan convierten la glucosa en lactato y biomasa, es decir, al igual que los microorganismos no oxidan, fermentan la glucosa. En cambio, una clula diferenciada que no crece (quiescencia) oxida a ATP, CO2 y H2O.

En oncologa, la denominacin de efecto Warburg hace referencia al hecho de que la mayor parte de las clulas cancerosas producen energa principalmente en el citosol, por un proceso de gliclisis anaerbica, es decir, gracias altas tasas de gliclisis seguidas por un proceso de fermentacin lctica; en vez de producir energa por la va de oxidacin aerbica del piruvato en las mitocondrias como es lo habitual en la mayor parte de las clulas normales. Este ltimo proceso hace uso del oxgeno como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria. Las clulas malignas tienen, tpicamente, unas tasas de consumo de glucosa unas 200 veces mayores que las de las clulas normales que les dieron origen; y esto ocurre an con un aporte pleno de oxgeno.

Efecto Warburg. A pesar de que la respiracin es mucho ms ventajosa para producir ATP, las clulas proliferantes normales y cancerosas no oxidan la glucosa. Las clulas cancerosas convierten la glucosa disponible a lactato con independencia de la disponibilidad de O2, es decir, prefieren la fermentacin a la respiracin.

Cuando una clula prolifera necesitan fabricar los componentes necesarios para vivir (nucletidos para replicar el DNA) precisa que no se consuman los intermediarios. La ruta de las pentosas fosfato (PPP) fabrica: NADPH y ribose-5P (necesaria en la sntesis de lpidos y cidos nucleicos). No est completamente explicado todava.

> Regulacin de la gluclisis.

La gluclisis se regula en base a:

necesidades energticas de la clula (demanda ATP).

aporte de precursores para otras rutas metablicas. Se realiza a varios niveles: 1) [S] & [P] en reacciones de casi-equilibrio. 2) Modulacin alostrica: permite un control inmediato del flujo a travs de la va. 3) Unin a protenas moduladas

4) Conversin molecular covalente reversible que es un control ms lento y est desencadenado por hormonas que provocan que las enzimas se fosforilen/defosforilen. 5) A nivel transcripcional.

La velocidad se regula a nivel de 3 reacciones alejadas del equilibrio (puntos de control): a. Control de la HK.

G + ATP G6P + ADP La HK se puede regular tanto en su cantidad como en su actividad: Control de la cantidad a largo plazo: hormonal Control de la actividad a corto plazo: alosterismo, modificacin covalente El control de la HK se realiza en forma de isoenzimas: 4 importantes HK I, II y III: en todo el organismo

Elevada afinidad por la glucosa, baja Km (0.1mM).

No son especficas para la glucosa, sino que pueden fosforilar a otros monosacridos (galactosa, fructosa, manosa)

Son alostricas y tienen como inhibidor importante su propio producto: glucosa-6-fosfato (G6P)

HQ IV o glucoquinasa: especfica del hgado

Baja afinidad por la glucosa. Su KM es elevada (10mM) por lo que responde a cambios de [G] en sangre.

Totalmente especfica para la glucosa por eso se la denomina tambin glucoquinasa

No alostrica, sin embargo aumenta su cantidad en presencia de insulina (despus de comer, especialmente si la dieta es rica en hidratos de carbono porque lleva la glucosa al hgado). Control de su cantidad por hormonas inducibles por insulina. La protena reguladora arrastra a la HK-IV al ncleo cuando la [F6P] y la libera al citosol cuando [G]. La HK-IV est secuestrada en el ncleo por una protena reguladora. Adems de regulacin alostrica por la Fructosa-6P, la HK-IV tambin es regulada a nivel de la transcripcin: mucha [G] en sangre o poco [ATP] activan la transcripcin del gen que codifica para la HK-IV (por ejemplo, HIF-1) b. Control de la PFK-1.

Principal punto de control de la gluclisis. Control coordinado con la gluconeognesis. Es la enzima reguladora de la glucolisis ms importante por ser la primera especfica para la glucosa. Es alostrica.

- Inhibidores alostricos (-):

Desde el punto de vista energtico: ATP; si hay mucho ATP no hay glucolisis, la enzima se inhibe.

Desde el punto de vista metablico (glucolisis = metabolismo para otras vas), sus sustratos oxidables son:

Citrato (Ciclo de Krebs)

cidos grasos (especialmente de cadena larga, 16-18 tomos de carbono); indicadores de que el organismo se encuentra abastecido de energa y de que por tanto no requiere la glucolisis.

- Activadores (+):

ADP, AMP; lgicamente ya que al producirse a partir de ATP sern opuestos

Fructosa-2,6-bisfosfato; activador ms potente

Control de PFK-1 por los niveles de ATP/AMP.

Si hay mucho [ATP] tenemos una cintica sigmoidal mientras que si hay poco [ATP] pasa a ser casi hiperblica. Inhibir no quiere decir que no funcione, sino que va mas lento. Por lo tanto, la actividad de la PFK-1 aumenta cuando la relacin ATP/AMP disminuye ([ATP] o[AMP]).

En perodos de demanda intensa de ATP, la clula disminuye [ADP], al mismo tiempo que adquiere ATP, mediante la reaccin de la adenilato quinasa:

2 ADP ATP + AMP G = 0

Cuando algn proceso (ej: contraccin muscular) consume ATP, el AMP se producen con la hidrlisis del ATP de la reaccin de la adenilato quinasa. Simultneamente se consume ATP y se aumenta el AMP lo que activa la PFK-1.

Control de PFK-1 por niveles de citrato.

Niveles elevados de citrato son indicativos de que se van a producir grandes cantidades de ATP porque el ciclo de Krebs est alimentado.

Si hay muchos citratos no necesitamos activar la gluclisis porque hay mucho ATP y la abundancia de ATP inhibe las enzimas que degradan el cido ctrico (para que el que se necesita piruvato), por lo que su concentracin aumenta y se inhibe la gluclisis.

Control de PFK-1 por la fructosa-2,6-bifosfato.

La Fructosa-2,6BP, a pequeas cantidades, activa fuertemente a la PFK-1. Es un mecanismo en el que se encuentra implicada unaregulacin hormonal a travs de segundos mensajeros, y tambin implica una modulacin covalente.

La F6P en la gluclisis se transforma en F1,6BP; pero para que esto ocurra de manera ms favorable, una pequea parte de la F6P se transforma en F2,6BP, que activa fuertemente a la transformacin anterior, es decir, activa a la PFK-1. Concretamente, la F2,6BP incrementa la afinidad de la PFK-1 por la F6P cambiando la cintica de una sigmoidal a una hiperblica:

La reaccin de F6P a F2,6BP est catalizada por la PFK-2, la cual puede estar activa o inactiva. Este enzima presenta en su forma activa un centro activo con un grupo OH de una Serina, el cual se puede fosforilar obteniendo PFK-2P, que no es ms que la forma inactiva. Esto quiere decir que la fosforilacin de la PFK-2 inactiva la gluclisis.

La fosforilacin de este enzima est catalizada por la proten Kinasa A (PKA), la cual est activada por segundos mensajeros, por el c-AMP, y por tanto por hormonas.

El c-AMP activa a la Kinasa A que fosforila a la PFK-2, la cual no lleva a cabo la transformacin hacia FBP, y por tanto inhibe la gluclisis.

Por otro lado, la PFK-2 es un enzima bifuncional. En su estructura encontramos claramente dos dominios (regin con actividad det):

- un dominio Kinasa (PFK-2) aade P - un dominio Fosfatasa (FBPasa-2) elimina P

El mismo enzima fabrica y degrada a la F2,6BP.

Presenta actividad PFK-2, y tambin actividad contraria, una actividad fosfatasa, una actividad fructosa-2,6-bisfosfato fosfatasa. Ambos dominios nunca estn activadas a la vez, sino que estn alternados, uno si y el otro no. Cuando el dominio kinasa presenta un grupo OH de una Serina libre, este dominio kinasa est activado y el dominio fosfatasa inactivado.

La fosforilacin de ese grupo OH llevada a cabo por la proten kinasa A, da lugar a la prdida de la actividad kinasa y a la adquisicin de la actividad del dominio fosfatasa, es decir, no solamente se inactiva la kinasa, sino que se activa la fosfatasa que cataliza la degradacin de la F2,6BP que haba a F6P, inactivando, podramos decir, an ms la gluclisis.

El enzima es regulado por conversin molecular covalente reversible: fosforilacin/defosforilacin controlado por dos hormonas:

El glucagn es un factor hiperglucemiante pancretico producido cuando hay poca [G] en sangre.

poca[glucosa]sangre produce [glucagn] activacin segundos mensajeros (c-AMP) activacin PKA

fosforilacin de PFK-2 (inhibida) actividad fosfatasa disminuye

la [F2,6BP] actividad PFK-1

Resultados:

Inactivacin de la gluclisis.

Activacin de la gluconeognesis.

La insulina se produce cuando hay mucha [G] en sangre.

mucha [glucosa]sangre aumenta [insulina] defosforilacin de PFK-2 (activa) actividad

quinasa [F2,6BP] aumenta la actividad PFK-1

La insulina se une a los receptores de las membranas celulares, lo que hace que la glucosa entre en las clulas, activndose as la sntesis de glucgeno y la ruta de sntesis de cidos grasos. Por lo general es una hormona anabolizante (favorece el anabolismo).

Resultados:

Inactivacin de la gluconeognesis.

Activacin de la gluclisis.

La F2,6BP permite el control simultneo de dos enzimas claves, la PFK-1 y la FBPasa para el control concertado de la gluclisis y la gluconeognesis.

c. Control de la PK

Fosfoenolpiruvato (PEP) + ADP Piruvato + ATP

Fosforilacin a nivel de sustrato porque PEP tiene gran potencial de transferencia de P. Se regula de dos formas:

A nivel alostrico mediante Fructosa-1,6BP

Conversin molecular covalente por fosforilacin/defosforilacin (la PK desfosforilada es ms activa que la fosforilada).

La PK tiene 2 isozimas[3]:

L (hgado = liver), regulada alostricamente y por conversin molecular covalente reversible (fosforilacin/desfosforilacin) a travs del glucagn.

M (cerebro y msculo), regulada slo alostricamente, en caso de hipoglucemia se favorece el consumo de glucosa por esta enzima.

Si hay poca [Glucosa], el cuerpo produce glucagn y se activa la PKA que fosforila la PK. Esto detiene la gluclisis y libera glucgeno del hgado a la sangre.

Ente los inhibidores de la PK encontramos:

[ATP]

Acetil-CoA

cidos grasos de cadena larga (si tengo mucho sustrato de cidos grasos ahorramos glucosa para no malgastarla). Adems, un aumento de Acetil-CoA, provoca tambin una mayor actividad del ciclo de krebs, y por tanto un aumento de concentracin del citrato, que inhibe la gluclisis a nivel de la PFK-1. Tambin se encuentra inhibida por Alanina, ya que su estructura est relacionada con el propio pirvico, que por transaminacin con glutamato da lugar a la alanina. La alanina inhibe a la PK porque si tengo

mucha alanina se convierte en piruvato ciclo de Krebs por lo que no necesito gastar ATP. La nica activacin la produce un aumento de concentracin de FBP, ya que entre el segundo punto de control y el tercero, todas las reacciones intermedias son reversibles, por lo que cuando llegan a PEP pueden volver a FBP, el cual activa a la piruvato kinasa para evitar un estancamiento y poder consumir el PEP.

> Sealizacin celular.

Principios de la transduccin de seales. Inicialmente se recibe una seal del entorno, tal como una hormona, que interacciona con un componente celular, normalmente un receptor de la superficie celular.

La informacin que porta la seal recibida se transforma en otros compuestos qumicos, se transduce. Con frecuencia la seal se amplifica antes de provocar una respuesta. La retroalimentacin de las vas regula por completo el proceso de sealizacin.

Cuatro caractersticas de los sistemas de transduccin de seal. a) Especificidad. b) Amplificacin. Partiendo de pocas hormonas dentro de la clula se amplifica la seal:

Hormona 2 Enzimas 4 Enzimas c) Desensibilizacin/adaptacin. La respuesta debe ser corta. Se activa un sistema que a la vez que se produce la respuesta se inhibe la seal. d) Integracin. Respuesta armnica.

6 Tipos generales de transductores de seal.

Receptor acoplado a protena G. La protena G es heteromrica. GTPasa tiene capacidad para hidrolizar el ATP.

Receptor tirosn quinasa. Protenas que fosforilan residuos de tirosina. Para fosforilar una protena esa prot debe tener OH.

Receptor guanilil ciclasa. Receptor de adhesin (integrina). Canales inicos. Como es movimiento de e- tiene que ver con el potencial de membrana (ej: liberacin

de insulina).

Hay otros ligandos que entran en la clula y all se unen a su receptor. Slo pueden atravesar la membrana las hormonas lipdicas. Las que son proteicas no pueden, ejemplos: Adrenalina = Epinefrina Glucagn & Insulina Noradrenalina

Sistemas de sealizacin de la adenilato ciclasa (sntesis de cAMP).

La adrenalina y el glucagn son seales para la degradacin del glucgeno.

La actividad muscular o preparacin inmediata llevan a una liberacin de adrenalina (epinefrina) que estimula la ruptura de glucgeno en el msculo y en el hgado. El hgado es ms sensible al glucagn secretado por el pncreas.

Las molculas seal (glucagn & adrenalina) se unen a receptores especficos de la membrana plasmtica y esto activa a la subunidad de la protena G mediante un cambio estructural.

La forma unida GTP de la subunidad activa a la adenilato ciclasa (protena transmembranal) que cataliza la formacin del segundo mensajero AMPc.

El AMPc activa a la PKA (protena quinasa A) que activa a la fosforilasa quinasa que, a su vez, activa a la glucgeno fosforilasa.

Es una seal breve ya que es hormonal. La fosfoadenilasa elimina el estmulo (AMPc).

AMPLIFICACIN. La insulina no est mediada por AMPc pero el glucagn s.

> Insulina & Glucagn.

Son dos hormonas proteicas que no entran en la clula (slo entran las hormonas esteroideas) cuya secrecin pancretica depende de la [Glucosa] en sangre.

mucha [Glucosa] en sangre secrecin insulina

poca [Glucosa] en sangre secrecin glucagn

La insulina se produce en las clulas del pcreas (islotes de Langerhans) y afecta a muchos tejidos (hgado, tej adiposo, SNC, msculo, corazn y vasos sanguneos).

Dianas y acciones de la insulina. Tiene acciones contrapuestas:

Sntesis de la

insulina.

Se sintetiza en forma de pre-pro-insulina (polipptido). Tiene un pptido terminal que es una seal que sirve para introducir la protena en el RER. Una proteasa elimina el pptido seal.

Dentro del RER sufre la oxidacin (formacin de 3 puentes disulfuro[5], 2 intercatenarios y 1 intracatenario).

Despus pasa al AG y se elimina el pptido C y se libera. La molcula queda como insulina madura con dos cadenas a y b. Est codificada por un gen.

Acta a travs de unos receptores especiales, los tirosinaquinasas (Tyr-K), y a travs de ellos tiene mltiples efectos. Su efecto en el metabolismo del glucgeno que se produce en hgado es el siguiente:

Activa a la PP1, con lo que asegura que todas las enzimas estn defosforiladas y por tanto las degradadoras de glucgeno estarn inactivas, mientras que la sintetizadora de glucgeno, la glucogenosintasa, estar activa en su forma defosfo. As la degradacin de glucgeno o glucogenlisis estar inactiva y la sntesis de glucgeno o glucogenognesis activa.

Activa la FOSFODIESTERASA, que degrada el AMPc. Aunque los receptores no estn r/c el AMPc y la PKA, al disminuir los niveles de AMPc, hace un efecto contrario al del glucagn y adrenalina: inactiva a la PKA con lo que aseguramos que las enzimas degradantes permanezcan defosforiladas y por tanto inactivas.

INSULIN STOP GO

Protelisis Liplisis

Gluconeognesis Ketognesis[4]

Gluclisis Lipognesis + glucosa uptake in muscle Sntesis de glucgeno Sntesis de protenas Captacin de determinados iones

Adems, la insulina a travs de un mecanismo complejo asegura que la glucgeno-sintasa-quinasa est inactiva para que no acte, ya que activa su fosforilacin. En conclusin, al contrario que el glucagn o la adrenalina, la insulina va a asegurar que todas las enzimas estn defosforiladas y por tanto las enzimas catalizadoras de la degradacin del glucgeno que son activas en su forma fosfo (glucgeno-fosforilasa y glucgeno-fosforilasa-quinasa), estarn inactivas; y la enzima catalizadora de la sntesis de glucgeno que es activa en su forma defosfo (glucgeno-sintasa), estar activa efecto final: se potencia la glucogenognesis o sntesis de glucgeno, por lo que disminuye el nivel de glucosa en sangre.

> Diabetes.

La diabetes mellitus tipo 1 o tambin conocida como diabetes juvenil o diabetes mellitus insulino dependiente, es una enfermedad metablicaautoinmune caracterizada por una destruccin selectiva de las clulas beta del pncreas causando una deficiencia absoluta de insulina. La deficiencia de insulina provoca un incremento de la glucosa en sangre y orina.

Los sntomas clsicos son la poliuria, polidipsia (sed), polifagia y prdida de peso. Otros sntomas son el cansancio, la prdida repentina de peso, la mala cicatrizacin de las heridas, problemas sexuales, visin nublosa e infecciones vaginales.

Gluclisis y diabetes tipo I. Efecto sobre el metabolismo de azcares y grasas en el adipocito.

La cetognesis se produce en el hgado y la cetoacidosis en la sangre.

Como no capta glucosa el adipocito moviliza los triacilglicridos degradndolos con la triacilglicerollipasa a glicerol y cidos grasos. El cerebro no puede usar cidos grasos, emplea los cuerpos cetnicos que no los fabrica el.

cidos grasos Hgado Acetil-CoA cuerpos cetnicos

Los cuerpos cetnicos son combustible para el cerebro (positivo) pero tambin bajan el pH de la sangre que si no se contrarresta rpido con los sistemas tampn se puede llegar a producir la muerte porque altera procesos de transferencia que hay en la sangre (negativo). Los cuerpos cetnicos son:

Acetoacetato (puede ser metabolizado).

Dihidroxihidrato (puede ser metabolizado).

Acetona (se expulsa por los pulmones, por eso el aliento de los diabticos huele a acetona).

[1] Quinasa: enzima que cataliza la transferencia del grupo fosforilo terminal del ATP a

algn nuclefilo aceptor, en el caso de la hexoquinasa el aceptor es una hexosa. Tipo

transferasa.

[1] Microsoma: porciones de orgnulos como las membranas mitocondriales, las del

aparato de Golgi y del citoplasma entre otros. Contienen las enzimas del citocromo

(CYP) P450 de la clula implicadas en el metabolismo oxidativo.

[2] Protoncogen: genes cuyos productos promueven el crecimiento y la divisin de la

clula. Codifican factores de transcripcin que estimulan la expresin de otros genes,

molculas de transduccin de seales que estimulan la divisin celular y reguladores

del ciclo celular que hacen que la clula progrese a travs de este ciclo.

Oncogen: gen anormal o activado que procede de la mutacin de un alelo de un gen

normal llamado protooncogn.

[3] Isozima: enzimas diferentes que regulan la misma reaccin.

Alozima: variantes allicas de un gen que codifican para enzimas.

[4] Ketognesis: sntesis de cuerpos cetnicos

[5] Puente disulfuro: enlace entre dos grupos tioles de los aa sulfurados de la protena

(slo son aa sulfurados la Cistena y la Met)

[6] Mitgeno: factores que actan en el ciclo celular estimulando la divisin celular

[7] Autoinmune: Producimos Ac contra nosotros mismos, es decir, no reconocemos

nuestro propio cuerpo. Lupus, reumatitis

Tema 4. Orgenes metablicos del Acetil-CoA. Regulacin del complejo de la Piruvato deshidrogenasa.

Tema 4: Orgenes metablicos del Acetil-CoA. Regulacin del complejo de la Piruvato deshidrogenasa.

> Etapas en la respiracin celular.

El piruvato procedente de la glucosa y otros azcares a travs de la va glucoltica se oxida para dar lugar a acetil-CoA y CO2 a consecuencia de la accin sobre l de una agrupacin de 3 enzimas del complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDH).

La reaccin global catalizada por la PDH es una descarboxilacin oxidativa, un proceso de oxidacin irreversible en el que el piruvato pierde un grupo carboxilo en forma de molcula de CO2 y los dos carbonos restantes se transforman en el grupo acetilo del acetil-CoA. El NADH formado en esta reaccin libera un in hidruro (:H-) a la cadena respiratoria, que transporta los dos e- hasta el oxgeno o, en los microorganismos anaerobios, hasta un aceptor de e- alternativo (nitrato o sulfato). Genera en ltima instancia 2.5 molculas de ATP por cada par de e-.

> Acetil-CoA.

Es una forma de acetato activado. Transportador de grupos acetilo.

CoA: ADP modificado, vitamina B5 (cido pantotnico), -mercaptoetilamina (-SH) + Grupo acetilo

> Destinos metablicos del Acetil-CoA.

Movilizamos los cidos grasos llegan al hgado -oxidacin Acetil-CoA

El Acetil-CoA tiene su origen en los azcares, protenas cuando se degradan a aa, y en los triglicridos. Tiene varias salidas posibles: ciclo de Krebs, sntesis de grasas, sntesis colesterol, fosfolpidos, eicosanoides, cuerpos cetnicos Pero el Acetil-CoA no se puede almacenar.

> Descarboxilacin oxidativa del piruvato.

Tiene lugar en la mitocondria. El complejo PDH cataliza la descarboxilacin oxidativa del piruvato.

G es negativa IRREVERSIBLE

Por eso no podemos fabricar azcares a partir de grasas.

> Complejo PDH.

Est formado por 3 enzimas:

ENZIMA ABREVIATURA

GRUPO

PROSTTICO REACCIN CATALIZADA

Componente piruvato

deshidrogenasa

E1 TPP Descarboxilacin oxidativa del

piruvato

Dihidrolipoilo transacetilasa E2 Lipoamida Transferencia del grupo acetilo al

CoA

Dihidrolipoilo deshidrogenasa E3 FAD Regeneracin de la forma oxidada

de la lipoamida

Es tan grande que se puede visualizar por ME como una partcula grande dentro de las mitocondrias.

Reacciones del complejo PDH.

1 reaccin que cataliza el complejo PDH: Piruvato CO2 (descarboxilacin del piruvato para formar hidroxietil-TPP).

2 reaccin: transferencia del grupo al cido lipoico (catalizada por PDH) La rama dihidrolipoilo se sita en el centro activo de E1.

3 reaccin: transferencia del grupo de 2C al grupo dihidrolipolio para formar el complejo acetil-dihidrolipoilo. Nos queda el enzima (c lipoico) en formar reducida. Catalizado por E1

4 reaccin: catalizada por E2 la transferencia del residuo acetilo al CoA para formar acetil-CoA. La rama disulfhidril-lipoilo se desplaza al centro activo de la E3.

5 reaccin: oxidacin del cido dihidrolipoico y transferencia de los hidrgenos al FAD.

6 reaccin: transferencia de protones y e- al NAD+ para generar NADH+H+.

Regulacin del complejo PDH.

1) Inhibicin por producto ([ATP]/[ADP], [NADH]/[NAD+] y [acetil-CoA]/[CoA])

2) Modificacin covalente reversible (fosforilacin/desfosforilacin) de la enzima E1, catalizada por la PDK y por la FDP.

Piruvato + CoA + NAD+ Acetil-CoA + NADH + CO2

3 enzimas

E1 = Piruvato deshidrogenasa

E2 = Dihidrolipoil transacetilasa

E3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa

+

5 coenzimas

3 CoE grupo prosttico

TPP

Lipoamida

FAD

+

2 CoE no grupo

prosttico (cofactores solubles)

CoA~SH

NAD+

La inactivacin es llevada a cabo por una Proteina-Kinasa (PDH-Kinasa o PDK) Mg+2-ATP dependiente, unida al complejo PDH. Esta Kinasa acta fosforilando tres restos de Serina de las subunidades "alfa" del Enzima 1 del complejo PDH.

La activacin del complejo PDH es llevada a cabo por una Fosfoprotena-fosfatasa (PDH-Fosfatasa o PDP) que induce desfosforilacin de los restos de serina fosforilados de las subunidades "alfa" del complejo PDH, conduciendo a la forma activa del complejo PDH. La kinasa y la fosfatasa estn a su vez reguladas a diferentes sniveles (alostrico, hormonal).

Por qu no podemos los seres humanos convertir el acetil-CoA en azcares? Los vertebrados no pueden convertir acetil-CoA en azcares pero las plantas y microorganismos s (ciclo glioxilato). Un azcar lo podemos convertir en una grasa pero una grasa en azcar no porque la PDH es irreversible.

Tema 5. El ciclo de Krebs y su regulacin. Naturaleza anfiblica del ciclo del cido ctrico.

Tema 5: El CICLO de KREBS y su regulacin. Naturaleza anfiblica del ciclo de Krebs.

> Ciclo de Krebs.

El ciclo del cido ctrico o ciclo de Krebs o ciclo de los cidos tricarboxlicos (TCA) es el ltimo paso del catabolismo oxidativo de la glucosa (las 2 molculas de Acetil-CoA resultantes de la descarboxilacin oxidativa de la gluclisis aerobia ingresan en l) y en general de todos los principios inmediatos. Es una va final comn para la oxidacin de las molculas energticas.

- Es una ruta cclica.

- A diferencia de la gluclisis transcurre con intermediarios libres no fosforilados (en la gluclisis sus intermediarios no se podan mover porque estaban fosforilados).

- Es intramitocondrial (todas las enzimas estn en el interior de la mitocondria, a diferencia de la gluclisis anaerobia, que se suceda en el citosol).

- Totalmente dependiente de oxgeno.

- Muchas de sus reacciones necesitan tambin magnesio (presente en todo el metabolismo).

Consiste en resumen en la conversin del Acetil-CoA (oxidacin) hasta 2 molculas de CO2.

Su finalidad principal es producir energa (va catablica), pero tambin, aporta metabolitos para otras rutas metablicas de una manera mucho ms llamativa que otra va catablica, por tanto tambin es una va anablica. De aqu que se le conozca como una va anfiblica (va que posee principalmente una funcin catablica pero tambin anablica, aunque sea en un segundo plano).

Se oxidan unidades de 2C y se generan 4CO2, 3NADH (6e-), 1FADH2 y 1GTP.

> Reacciones.

Consta de 8 reacciones.

Formacin de citrato:

Oxalacetato + Acetil-CoA citrato [Enzima: citrato sintasa]

Partimos de oxalacetato que reacciona con Acetil-CoA de forma irreversible, formando citrato (que da nombre al ciclo) y liberando el CoA 1 reaccin irreversible del ciclo.

La enzima que cataliza la reaccin: citrato sintasa (no gasta ATP) 1 enzima irreversible. Es un punto de control.

El CoA liberado en esta reaccin se recicla para participar en la descarboxilacin oxidativa de otra molcula de piruvato a cargo del complejo PDH.

Formacin de isocitrato va cis-aconitato:

Citrato Cis-aconitato Isocitrato [Enzima: aconitato hidratasa]

Las siguientes 2 reacciones se producen en su conjunto la isomerizacin del citrato a isocitrato y estarn catalizadas por la misma enzima, producindose ambas de manera sucesiva: El citrato pierde 1 molcula de H2O dando lugar a un cido intermediario de poca importancia, el cisaconitato. El cis-aconitato reincorpora la molcula de H2O en una posicin distinta a la original, dando lugar al isocitrato.

La enzima que cataliza ambas reacciones (de isomerizacin): aconitasa hidratasa.

Oxidacin del isocitrato a -cetoglutarato y CO2:

Isocitrato -cetoglutarato [Enzima: isocitrato deshidrogranasa]

Las siguientes 2 reacciones estn destinadas a la oxidacin y descarboxilacin del isocitrato para obtener -cetoglutarato y estarn catalizadas por la misma enzima, aunque no se producen a la vez: El isocitrato se oxida a oxal-succinato (intermediario poco importante), empleando como CoE al NAD+, que se reduce a NADH + H+. El oxal-succinato se descarboxila, perdiendo la 1 molcula de CO2 y dando lugar al -cetoglutarato 2 reaccin irreversible (punto de control). La enzima que cataliza ambas reacciones: isocitrato deshidrogenasa (DH) 2 enzima irreversible

Oxidacin del -cetoglutarato a succinil-CoA y CO2:

El -cetoglutarato se descarboxila a succinil CoA (similar a la descarboxilacin oxidativa del piruvato), reducindose una molcula de NAD+ y liberndose la 2 molcula de CO2 3 reaccin irreversible (punto de control).

La enzima que cataliza la reaccin:

complejo multienzimtico -cetoglutarato-deshidrogenasa 3 enzima irreversible

A partir de aqu el resto de reacciones van a cerrar el ciclo porque ya hemos perdido las 2 molculas de CO2, es decir, ya hemos descarboxilado.

Conversin de succinil-CoA en succinato:

El succinil CoA es un compuesto rico energticamente, por lo que se rompe el enlace que une el succinato con la CoA, liberndose CoA-SH y formndose GTP y dando lugar a succinato. Cuando hacemos el clculo del balance este GTP se contabiliza como si fuera un ATP porque lanuclesido difsforo quinasa lo transforma en ATP (fosforilacin a nivel de sustrato).

La enzima que cataliza la reaccin: succinil CoA sintetasa.

Antes de este paso podamos distinguir los carbonos procedentes del Acetil-CoA hasta el succinil CoA incluido pero a partir de ste paso ya no nos es posible hacerlo.

Oxidacin del succinato a fumarato:

El succinato da lugar al fumarato por deshidrogenacin, empleando como CoE al FAD que se reduce a FADH2.

La enzima que cataliza la reaccin: succinato deshidrogenasa. nica enzima no soluble, ligada a la membrana. Forma parte de la cadena respiratoria.

Es una reaccin prxima al equilibrio.

Hidratacin del fumarato a malato:

El fumarato da lugar al malato mediante la incorporacin de 1 molcula de H2O. La enzima que cataliza la

reaccin: fumarasa.

Oxidacin del malato a oxalacetato:

La ltima reaccin: el malato da lugar al compuesto inicial del ciclo, el oxalacetato, por oxidacin y empleando la CoE NAD+ que se reduce a NADH + H+.

La enzima que cataliza la reaccin: malato deshidrogenasa

> Tipos de reacciones.

Tipo de reaccin Enzima

1 Condensacin Citrato sintasa

2 Deshidratacin e hidratacin Aconitasa

3 Descarboxilacin oxidativa Isocitrato deshidrogenasa

4 Descarboxilacin oxidativa Complejo -cetoglutarato DH

5 Fosforilacin a nivel de substrato Succinil-CoA sintetasa

6 Oxidacin Succinato deshidrogenasa

7 Hidratacin Fumarasa

8 Oxidacin Malato deshidrogenasa > Funciones. Principal funcin del Ciclo: producir energa (GTP = ATP) combinado con la cadena respiratoria Funcin secundaria: producir metabolitos secundarios para otras vas > Balance.

Material: 1Acetil-CoA 2CO2 (Todo lo dems se recicla)

Energtico:

Por fosforilacin a nivel de sustrato: 1GTP/ATP

Por fosforilacin oxidativa: 3NADH + 3H+ y 1FADH2

REACCIN GLOBAL:

Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH+H+ + FADH2 + GTP + CoA

> Variacin G y G.

La G de la reaccin de malato a oxalacetato es muy positiva (+29.7) por lo que tiene tendencia a ir hacia la formacin de malato. Esto no es as porque la clula est consumiendo el oxalacetato, obteniendo una concentracin lo suficientemente baja como para vencer a la tendencia de una G tan positiva.

Las G de las reacciones punto de control son muy negativas y las del resto 0 (equilibrio).

Es lo mismo una sintetasa que una sintasa?

Ej: citrato sintasa y succinil-CoA sintetasa. La diferencia es sencilla: la sintetasa usa un nuclesido trifosfato de alta energa como el ATP o el GTP mientras que la sintasa no lo usa.

> Regulacin de la velocidad del flujo del ciclo de Krebs.

El Ciclo de Krebs estar regulado en base a sus 2 funciones (produccin de energa y de metabolitos para otras vas), es decir, cuando haga falta energa o metabolitos se producir.

Hay que tener en cuenta que el Ciclo es totalmente dependiente del O2 (totalmente aerobio). Aunque no veamos al O2 en el Ciclo, ste depende totalmente de l, porque si no tenemos un nivel adecuado de NAD y FAD, y por tanto un buen funcionamiento de la cadena respiratoria, el Ciclo no se podr producir.

Por qu el O2 es importante para el Ciclo de Krebs? Porque el oxgeno permite la regeneracin de las CoE de poder reductor mediante fosforilacin oxidativa.

Por tanto, tendr 3 puntos de control: CS, IDH, -CDH

Factores de regulacin:

- Disponibilidad de sustratos (oxalacetato acetil-CoA)

- La inhibicin de los productos acumulados porque la mayora son reacciones prximas al equilibrio

- La retroinhibicin alostrica de las enzimas reguladoras (CS, IDH, -CDH: puntos de regulacin alostrica)

El NADH inhibe el ciclo de Krebs. Entre los activadores tenemos el Ca2+ y el ATP.

El Ca2+ tambin es un regulador en vertebrados porque es una seal para la contraccin muscular, la cual requiere un gasto de energa. Esta energa proviene del ATP por el que si hay contraccin muscular, la clula activa el ciclo de Krebs.

Cmo afectara a la velocidad de flujo del ciclo de Krebs una ratio NADH/NAD+ alta? Inhibe las 3 enzimas y adems afectara al equilibrio de oxalacetato-malato tirando hacia el malato por lo que el ciclo de Krebs no tendra oxalacetato. Se reducira la velocidad.

Es una ruta anfiblica: anablica y catablica. Por ejemplo, el oxalacetato se origina a partir de algunos aa y se puede usar para otras sntesis. Es tambin un precursor gluconeognico. El fumarato se obtiene de algunos aa. El succinil-CoA es el precursor de la sntesis de porfirinas y se obtiene del isoleucina, metionina y valina, adems de cidos grasos de cadena impar. El -cetoglutarato y el fumarato son tambin precursores de aa. Citrato es importante en la sntesis de cidos grasos y colesterol.

> Reacciones anaplerticas.

Reponen los intermediarios del ciclo de Krebs y sobre todo reponen el Oxaa (oxalacetato) que es ms importante por ser el primero y el ltimo.

Piruvato carboxilasa, fosfoenol piruvato carboxilasa, fosfoenol piruvato carboxikinasa, enzima mlico

> El ciclo del GLIOXILATO.

Variante del ciclo de Krebs que excluye las descarboxilaciones y permite la sntesis de succinato a partir de acetato (acetil-CoA).

Ocurre en plantas, ciertos invertebrados, hongos y determinados microorganismos (levaduras, bacterias).

Balance:

2Acetil-CoA (2C+2C) + NAD+ + 2H2O

Succinato (4C) + 2CoA + NADH+H+

2 enzimas nuevas: Isocitrato liasa & malato sintasa

No hay descarboxilaciones.

> Regulacin coordinada de los ciclos de Krebs y del glioxilato.

El isocitrato es el metabolito clave en la regulacin coordinada de ambos ciclos:

La inhibicin de la IDH desva el isocitrato hacia el ciclo del glioxilato y la biosntesis de glucosa.

[1] Reaccin anaplertica: reacciones que reponen los intermediarios del ciclo de

Krebs.

Tema 6. Transporte electrnico en mitocondrias y bacterias

Tema 6: Transporte electrnico en mitocondrias (TEM) y bacterias Las mitocondrias son las factoras de energa de la clula. Fuel + O2 combustin ATP + calor El destino final de los e- es el oxgeno para dar H2O.

> Transporte electrnico mitocondrial vs transporte electrnico cloroplasmtico.

Transporte electrnico mitocondrial transporte electrnico cloroplasmtico

Mitocondria

Dador de e-: NADH & FADH2

Se forma H2O y ATP

Tiene lugar tanto en luz como en oscuridad

Cloroplasto

Aceptor e-: NADP+

Se forma NADPH, ATP y O2

Tiene lugar en presencia de luz

> Las reacciones de transferencia de e- son reacciones redox.

Reductor (cede e-) + oxidante (acepta e-) oxidante (acepta e-) + reductor (cede e-)

Son la principal fuente de energa metablica en los seres vivos. Las reacciones redox se descomponen en dos semirreacciones.

Ej: Fe2+ + Cu 2+ Fe3+ + Cu+ En esta reaccin redox (direccionada hacia la derecha) el Fe2+ acta como reductor porque cede e- al Cu2+ que es el oxidante porque capta e- y se reduce.

> Potencial redox. (E)

Mide la afinidad de los e- por una sustancia o potencial de transferencia electrnico. Se toma como referencia el H:

H+ + e- H2 E = 0V

Cuanto ms negativo sea E menor afinidad por los e- y por ello ms reductor (cede e-). Cuanto ms positivo sea E mayor afinidad por los e- y por ello ms oxidante (acepta e-).

Los electrones fluyen desde el reductor hasta el oxidante.

El E (potencial de reduccin real) viene dado por la ecuacin de Nerst que tiene en cuenta las concentraciones a diferencia del E.

> Transporte electrnico mitocondrial (TEM).

Los electrones fluyen desde el reductor (NADH / FADH2 < E) hasta el oxidante (O2 > E)

G del TEM: NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O Semirreacciones: O2 + 2e- + 2H+ H2O E = +0.82V NAD+ + 2e- + H+ NADH E= -0.32V E = 1.14V > Complejos de la cadena respiratoria (TEM) y fuente de energa.

El NADH tiene 3 orgenes:

- Ciclo de Krebs (3NADH) al complejo I.

- Gluclisis en condiciones aerobias con las lanzaderas: Malato aspartato al complejo I GlicerolP al complejo II

- Enzima nucletido nicotinamida transhidrogenasa

Los electrones de alta energa en forma de NADH y FADH2 se generan en el ciclo del cido ctrico. Estos electrones fluyen a travs de la cadena respiratoria, que potencia el bombeo de protones y produce la reduccin de O2.

COMPLEJO I NADH-Q oxidorreductasa NADH deshidrogenasa

COMPLEJO II succinato-Q oxidorreductasa succinato deshidrogenasa

COMPLEJO III Q-citocromo C oxidorreductasa Ubiquinona

COMPLEJO IV citocromo C oxidasa

Slo los complejos I, III y IV bombean protones, el II no contribuye. Hay 2 elementos mviles que se mueven en el espacio intermembrana: elcoenzima Q y el citocromo c (CytC).

COMPLEJO I NADH-Q oxidorreductasa NADH deshidrogenasa

Es una reaccin de transferencia acoplada electrn-protn a travs de la NADH-Q oxirreductasa. Los electrones fluyen en el complejo I desde el NADH a travs del FMN y una serie de complejos hierro-

azufre hasta la ubiquinona. El flujo electrnico produce el bombeo de cuatro protones y la toma de dos protones de la matriz mitocondrial.

FMN & Centros FeS

FMN: Flavn mononucletido (es un grupo prosttico). CoE deriva de la rivoflavina (vitamina B2 que tiene funcin de coenzima).

Centros Ferrosulfurados: complejos de Fe y S que son grupos prostticos. El Fe se une a Cys que aportan S. Tipos de complejos Fe-S: Fe-S 2Fe-2S 4Fe-4S

Balance: NADH + Q (ubiquinona) + 5H+matriz mitocondrial NAD+ + QH2 (ubiquinol) + 4H+espacio intermembrana

E = 0.36V G = -0.69 KJ/mol Se genera energa libre suficiente para la sntesis de ATP.

COMPLEJO II succinato-Q oxidorreductasa succinato deshidrogenasa

Es el nico enzima del ciclo de Krebs ligado a membrana. Aunque ms pequeo y ms sencillo que el complejo I, tiene 5 grupos prostticos de dos tipos y cuatro subunidades proteicas diferentes. Contiene un grupo hemo y un sitio de unin para la ubiquinona que es el aceptor final de e- en la reaccin catalizada por el complejo II.

El grupo hemo b del complejo II no se encuentra, aparentemente en la ruta directa de transferencia electrnica, en su lugar podra servir para reducir la frecuencia con la que los electrones se pierden fuera del sistema, desplazndose del succinato al oxgeno molecular para producir especies reactivas de oxgeno (ROS), perxido de hidrgeno y el radical superxido.

FADH2 + Q FAD + QH2

E= 0.031V & G = -2.7KJ/mol Energa libre suficiente para la sntesis de ATP

Otras deshidrogenasas que ceden sus e- al coQ sin pasar por el complejo II:

Acil-CoA DH (-oxidacin) Glicerol 3P DH (lanzadera G3P & hidrlisis de los TAG = triacilglicridos)

El coenzima Q (CoQ o Q)

El CoQ acepta los e- procedentes de los complejos I y II y se reduce a QH2.

COMPLEJO III Q-citocromo C oxidorreductasa Ubiquinona

Transfiere los electrones desde el QH2 hasta el cyt c.

QH2 + 2Cit coxidados + 2H+matriz mitocondrial Q + 2Cit creducidos + 4H+espacio intermembrana

E= 0.190V & G = -36.7KJ/mol Energa libre suficiente para la sntesis de ATP

Trasnportadores de electrones: Citocromo b con sus 2 hemos bH y bL[1] Protena Fe-S con 2 centros de Rieske[2] tipo 2Fe-2S (ISP) Citocromo c1 El complejo III es un dmero Qp y QN son lugares de unin para la ubiquinona. La interfase entre los monmeros forma 2 cavernas por donde se mueve el CoQ e intermediarios

Qu es un citocromo? Protena que transporta electrones y tiene como grupo prosttico un grupo hemo.

Cmo pasan los e- desde el QH2 hasta el Cit c? El ciclo Q es el mecanismo que explica el paso de H+ y e- a travs del CIII.

Balance del ciclo Q:

Balance ciclo 1: QH2 + cit c1 (ox) Q- + cit c1 (red) + 2H+ (espacio intermembrana)

Balance ciclo 2: QH2 + Q- + cit c1 (ox) + 2H+ (matriz) QH2 + Q + cit c1 (red) + 2H+ (espacio intermembrana)

Ecuacin neta del ciclo Q: QH2 + 2cit c1 (ox) + 2H+N (matriz) Q + 2cit c1 (red) + 4H+P (espacio intermembrana)

COMPLEJO IV citocromo C oxidasa

Transfiere los electrones desde el cit c hasta el O2. Cataliza la reduccin de O2 a H2O.

4cit cred + 8H+matriz mitocondrial + O2 4cit cox + 2H2O + 4H+espacio intermembrana

La necesidad de O2 para esta reaccin es lo que nos hace dependientes de oxgeno a los organismos aerbicos.

El citocromo C oxidasa tiene 13 subunidades y 4 centros redox: Citocromo a (hemo a) Citocromo a3 (hemo a3) 2 centros de Cu:

Con 2 iones Cu (CuA / CuA ) Con 1 ion Cu (CuB)

CuB y hemo a3 forman un centro Fe-Cu

E= 0.58V & G = -112KJ/mol Energa libre suficiente para la sntesis de ATP > Inhibitor of Electronic Transport & Reactive Oxygen Species. Los inhibidores son sustancias que bloquean la cadena respiratoria porque se unen a components a diferentes niveles (a diferentes complejos).

El bloqueo de la cadena respiratoria tiene un efecto letal! Por qu es tan peligroso el bloqueo de la cadena respiratoria?

No hay reoxidacin de los coenzimas: se detiene el metabolismo. No hay gradiente protnico: no hay sntesis suficiente de ATP y se detienen procesos anablicos y de

transporte activo.

Cul de los 3 inhibidores sersa menos letal?

La menos letal sera la de protenona (primera) porque el bloqueo ah permite que llegue electrons de FAD, solo bloquean el NADH.

La intoxicacin por cianuro es uno de los venenos ms potentes que existen y adems es de efecto rpido. Puede entrar por diversas vas (contacto con piel, tragndolo, inhalando en forma de vapor por incendios, accidentes industrials, operaciones militares). La antimicina se emplea en las cromatografas de columna para evitar que crezcan bacterias.

La rotenona es un compuesto inodoro, incoloro. Se encuentra en las semillas de muchas races de la familia de las fabceas. Se usa como herbicida, pesticida (escarabajos, gusanos) y piscidida de amplio espectro y para el control de plagas y sarna en humanos. Los indios amaznicos la usaban para pescar peces porque se absorve mal a travs del epitelio intestinal.

> Ruta respiratoria alternativa en plantas.

Existe, adems de la convencional, una va respiratoria alternativa que no genera gradiente protnico y la energa del transporte se disipa en forma de calor.

Generacin de olores en las plantas: el calor producido en la cadena respiratoria alternativa (termognesis) ayuda a derretir el hielo o a la evaporacin de sustancias olorosas para atraer insectos polinizadores.

> ROS.

La reduccin del O2 no est exento de riesgos! La reduccin parcial del O2 genera radicales reactivos!

Los ROS son derivados txicos del O molecular. Se forman por la reduccin parcial del O. Son muy peligrosos.

En general son cuatro: Anin superxido O Perxido O2- Perxido de hidrgeno H2O2 Radical Hidroxilo OH-

Se producen por: fallos en la cadena respiratoria luz UV radioactividad contaminacin atmosfrica o fumar proceso inflamatorio Dismutacin: una reaccin en la que un nico reactivo O2- se convierte en 2 productos distintos Dianas sobre las que inciden los ROS:

Centros Fe-S DNA Grupos SH Protenas Lpidos

ROS effects: apoptosis, necrosis, muerte

[1] Respiracin: proceso generador de ATP en el que un compuesto inorgnico (como el oxgeno molecular) acta como aceptor final de electrones. El dador electrnico puede ser o bien un compuesto orgnico o uno inorgnico.

Tema 7. Fosforilacin oxidativa. Especies reactivas del oxgeno y sistemas antioxidantes.

Tema 7: Fosforilacin oxidativa. Especies reactivas del oxgeno y sistemas

antioxidantes. > Definicin.

La fosforilacin oxidativa es la sntesis de ATP acoplada a un gradiente de protones generado en el transporte electrnico y, por lo tanto, el acoplamiento de un proceso exergnico (respiracin) a un proceso endergnico (sntesis ATP).

El complejo V o ATP sintasa o F1F0 ATPasa o ATPasa mitocondrial es la enzima que fabrica ATP. Adems tambin realiza el proceso contrario, la hidrlisis de ATP, cuando no hay suficiente ADP + Pi.

> Cmo se acopla? Se postularon varias hiptesis.

La primera hiptesis sobre la sntesis de ATP fue que el transporte electrnico generara un compuesto con alto potencial de transferencia del grupo fosfato como en la gluclisis.

La segunda hiptesis deca que se introduca un cambio conformacional en una protena con capacidad para sintetizar ATP.

No se encontraron estos compuestos.

La tercera hiptesis fue que la sntesis de ATP y el transporte electrnico se acoplan mediante la formacin de un gradiente protnico a travs de la membrana mitocondrial interna. Es la hiptesis quimiosmtica.

> Hiptesis quimiosmtica.

La Hiptesis Quimiosmtica de Mitchell (1961) explica la sntesis de ATP acoplada al gradiente protnico generado por el TEM.

Evidencias & Observaciones. 1) Fosforilacin oxidativa requiere de una mmi intacta. 2) La mmi es impermeable a iones como H+, OH-, K+, Cl-. 3) El TEM promueve el transporte de H+ al espacio intermembrana o fuera de las mitocondrias intactas,

creando un gradiente electrnico medible a travs de la mmi. 4) Los compuestos que aumentan la permeabilidad de la mmi a los H+ disipan el gradiente electroqumico

inhibiendo la sntesis de ATP: se desacopla el TEM de la fosforilacin oxidativa.

Demostracin Hiptesis Quimiosmtica.

La bacteriorodopsina es una bomba dependiente de la luz que se encuentra en las halobacterias. En un lado de esta vescula pusieron una ATP sintasa mitocondrial purificada del hgado de buey. Cuando se iluminaba, la bacteriorodopsina bombeaba protones y pasado un tiempo sintetizaba ATP. Conclusin: en la fuerza protn-motriz est contenida la energa necesaria para fabricar ATP.

> Fuerza protn-motriz.

El gradiente protnico genera la fuerza responsable de la sntesis de ATP. El movimiento de H+ genera un doble gradiente: de pH y de carga elctrica. Cul es la energa libre inherente al gradiente de pH (qumico) y al de carga (elctrico)?

Fuerza protn-motriz (p) = gradiente qumico (pH) + gradiente elctrico ()

> La ATP sintasa o ATPASA-F1F0.

La ATP sintasa es una macromolcula que est situada en la mmi y tiene dos partes con diferentes funciones: F0: canal protnico F1: actividad cataltica.

Puede catalizar la reaccin en ambas direcciones: ADP + Pi + n(H+)espacio intermembrana ATP + H2O + n(H+)matriz mitocondrial

F0 y F1 estn conectados mediante un tallo central y una columna externa. La unidad mvil o rotor est formada por el anillo c ms el tallo y la estacionaria por el resto.

F1: formada por 5 tipos de cadenas polipeptdicas 3 une NT (nucletidos) 3 une NT & sintetiza ATP parte del tallo central (rota) parte del tallo central (rota) parte de la columna externa

F0: Anillo c: conducto protnico que toma parte del rotor junto con & Subunidad a & 2 subunidades b: forman parte de la columna externa

> Mecanismos de sntesis de ATP por la ATP sintasa.

Inicialmente se crey que el gradiente de H+ sera necesario para la sntesis de ATP por la ATP sintasa pero el complejo enzima-ATP se forma sin necesidad de la fuerza protn-motriz, es decir, en la superficie de la enzima la reaccin:

Enz-ATP Enz (ADP + Pi) La G es muy prxima a 0.

El gradiente de protones es necesario para que el ATP abandone el centro cataltico.

Mecanismo cataltico de la F1. La subunidad F1 es capaz de sintetizar ATP en ausencia de gradiente protnico.

Mecanismo de sntesis de ATP.

El gradiente protnico no es necesario para sintetizar ATP sino para que el ATP abandone el entro cataltico de la ATP sintasa.

La subunidad puede unir ADP y Pi para formar y liberar ATP y en cada paso va variando su conformacin. La subunidad puede tener las siguientes conformaciones:

L (loose): une ADP + Pi

T (tight): une ADP + Pi y forma ATP

O (open): permite liberar al nucletido

El cambio de una conformacin a otra est mediado por la rotacin de (LTOLT), es decir, la interconversin de las 3 formas se realiza gracias a la rotacin de la subunidad que es asimtrica.

Catlisis rotacional: modelo de cambio de la unin de la ATP sintasa

Los cambios conformacionales estn impulsados por el paso de protones a travs de la F1. Las alteraciones progresivas de las formas de los centros activos (subunidades ) estn promovidas por el movimiento de la subunidad impulsado por el flujo protnico.

La ATP sintasa es el motor molecular ms pequeo del mundo.

La demostracin de la rotacin se llev a cabo mediante la adicin y posterior hidrlisis del ATP que promueve la rotacin