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QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas
• BOLILLA 3: -.Metabolismo. Principales nutrientes de autótrofos y heterótrofos. Catabolismo. Anabolismo. Metabolismo de Carbohidratos en los distintos organismos: Animales y Vegetales. Digestión y absorción. Sistema digestivo en individuos heterótrofos. Digestión en rumiantes. Estructuras especializadas. Distribución de glucosa en una célula animal y una célula vegetal. Degradación de glucosa: glicólisis. Localización celular. Etapas. Producción de energía. Regulación. Balance energético en condiciones de anaerobiosis. Destino del piruvato. Fermentaciones. Degradación de otras hexosas.
• BOLILLA 4: Destino del piruvato en condiciones aeróbicas. Complejo de la piruvato deshidrogenasa. Ciclo de Krebs. Localización celular. Balance energético del ciclo. Regulación. Reacciones anapleróticas según el tipo de célula o tejido. Naturaleza anfibólica del ciclo. Sistemas de lanzaderas: Lanzadera del glicerofosfato y lanzadera del malato-aspartato. Balance energético de la degradación de glucosa en condiciones de aerobiosis. Efecto Pasteur. Vía de las pentosas. Localización. Importancia metabólica.
• BOLILLA 5: Biosíntesis de carbohidratos. Gluconeogénesis. Etapas. Regulación. Costo energético. Ciclos fútiles. Biosíntesis del glucógeno. Regulación coordinada entre la degradación y la síntesis del glucógeno. Costo energético. Biosíntesis de almidón. Síntesis fotosintética de glúcidos. Reacciones de fijación y reducción fotosintética del carbono, ciclo de Calvin. Regulación. Fotorrespiración y ruta C4. Biosíntesis de almidón, sacarosa y celulosa en vegetales.
GLUCOSA
2 PIRUVATO
VG
AerobiosisO2
Anaerobiosis
O2
Fermentación Alcohólica
(levaduras, algunosvertebrados marinos)
Fermentación Láctica
(músculo en contracción
vigorosa, eritrocitos,
lactobacilos)
2 Etanol + 2 CO22 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2
4 CO2+ 4 H2O
CK
Células animales (excepción eritrocitos),
vegetales y muchos microorganismos.
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares?
PDH
C. Transformación del piruvato en Acetil-CoA
El acetil-CoA se forma por descarboxilación oxidativa del piruvato, por la acción del complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa (PDH).
H3C C C O
O O
C S
O
H3C CoA
HSCoA
NAD+ NADH
+ CO2
Piruvato deshidrogenasa
piruvato acetil-CoA
La PDH es un complejo, constituido por tres enzimas (E1: Piruvato descarboxilasa, E2: Dihidrolipoil transacetilasa y E3: Lipoil deshidrogenasa) y 5 coenzimas (TPP, ac. Lipoico, Coenzima A, FAD+ y NAD+).
Mitocondria
Mitocondria
http://www.iubmb-nicholson.org/pdh.html
http://www.iubmb-nicholson.org/swf/e1_v7.swf
• La PDH está regulada por tres mecanismos superpuestos:
1) Por regulación alostérica. Es inhibido por sus productos: NADH y Acetil-CoA, y por ATP.
2) Por modificación covalente (fosforilación-desfosforilación).
3) Por control hormonal (Insulina/ Glucagón).
Regulación del complejo PDHRegulación del complejo PDH
ATP
Glucagón
Regulación del complejo PDHRegulación del complejo PDH
GLUCOSA (6C)
2 PIRUVATO (3C)
VG
O2
2 PIRUVATO
4 CO2+ 4 H2O
Ciclo de
Krebs
2 Acetil-CoA
PDH2 NAD+
2 NADH+H+
2 CoA-SH
2 CO2
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
• Hans Krebs,1937.Hans Krebs,1937.
Reacción 1. La citrato sintasa cataliza la condensación entre acetil-CoA y oxalacetato para rendir citrato, que da nombre al ciclo.
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Aconitasa
Aconitasa
Reacción 2. Las dos etapas siguientes conllevan la transformación del citrato en un isómero más fácilmente oxidable. Para ello, la enzima aconitasa convierte el citrato en isocitrato mediante una deshidratación, que produce cis-aconitato unido al enzima, seguida de una hidratación que da lugar a la formación de isocitrato.
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Isocitratodeshidrogenasa
Isocitratodeshidrogenasa
Reacción 3. La isocitrato deshidrogenasa oxida el isocitrato a oxalosuccinato, con la reducción acoplada de NAD+ a NADH. Posteriormente, el oxalosuccinato es descarboxilado, rindiendo -cetoglutarato. Esta es la primera etapa en la que la oxidación se acopla a la producción de NADH, y también la primera en la que se genera dióxido de carbono.
O=C
Isocitratodeshidrogenasa
Cadena de transporte electrónico
3 ATP
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
α-cetoglutaratodeshidrogenasa
Reacción 4. El complejo enzimático -cetoglutarato deshidrogenasa descarboxila oxidativamente el -cetoglutarato a succinil-CoA.
CoA-SH
Cadena de transporte electrónico
3 ATP
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Reacción 5. La succinil-CoA sintetasa o succinato tioquinasa convierte el succinil-CoA en succinato. La energía libre de la reacción se conserva aquí por la formación de GTP, a partir de GDP y Pi.
GTP + ADP GDP + ATP
Nucleósido difosfato quinasa
En las células vegetales en la reacción de la Succinato tioquinasa se fosforila ADP para dar ATP.
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Reacción 6. Las reacciones restantes suponen la preparación de otra vuelta del ciclo, y para ello completan la oxidación de succinato a oxalacetato. La succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de succinato a un doble enlace trans, dando lugar a fumarato con la reducción simultánea de FAD+ a FADH2.
Succinatodeshidrogenasa
Cadena de transporte electrónico
2 ATP
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Reacción 7. La fumarasa o fumarato hidratasa cataliza después la hidratación del doble enlace del fumarato para rendir malato
Fumaratohidratasa
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
1
2
2
Malato deshidrogenasa
H
Reacción 8. Finalmente, la enzima malato deshidrogenasa regenera el oxalacetato, oxidando el grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona, con la reducción de una tercera molécula de NAD+ a NADH.
Cadena de transporte electrónico
3 ATP
O=C
Hemos dado hasta ahora una vuela completa al ciclo de Krebs en el cual:
2 átomos de carbono entraron al ciclo en forma de Acetil-CoA y se combinaron con el oxalacetato del ciclo anterior.
2 átomos de carbono salieron del ciclo en forma de CO2 en los procesos de oxidación del isocitrato y el alfa-cetoglutarato.
La energía de las oxidaciones se conservó con eficiencia en forma de 3 NADH, 1 FADH2 y 1GTP.
Finalmente se regeneró la molécula de oxalacetato para dar inicio a otra vuelta del ciclo.
Regulación del Ciclo de Krebs
¿Cuánta energía está contenida en un mol de piruvato que es degradado hasta CO2 y H2O en la mitocondria en condiciones de aerobiosis?
NAD+
NADH+H+
Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico
3 ATP
3 ATP
2 ATP
3 ATP3 ATP
PDH------- 1 NADH ----- 3 ATPIDH-------- 1 NADH ----- 3 ATPα-CGDH-- 1 NADH ---- 3 ATPSDH------- 1 FADH2 ---- 2 ATPMDH------- 1 NADH ---- 3 ATPSTQ-------- 1 GTP ------ 1 ATP
TOTAL -------------------15 ATP
¿Cuánta energía está contenida en un mol de glucosa que es degradada hasta CO2 y H2O en condiciones de aerobiosis?
Citosol
Mitocondria
Cad
ena d
e transp
orte electró
nico
Sistemas lanzadera
Sistemas lanzadera
Lanzadera del glicerofosfato
Lanzadera del malato-aspartato
-Músculo esquelético
-Cerebro
-Hígado
- Corazón
- Riñón
Lanzadera del glicerofosfato
2 ATP
1 GLUCOSA
2 PIRUVATO
VGG3PDHG3PDH
DHAPGA3P
2 ATP
O2
Lanzadera del malato-aspartato
1 GLUCOSA
2 PIRUVATO
VGG3PDHG3PDH
DHAPGA3P3ATP
Las mitocondrias de las células vegetales no poseen estos sistemas de lanzadera sino que son capaces de oxidar el NADH (vía glicolítica) o el NADPH (vía de las pentosas) directamente a través de NADH o NADPH deshidrogenasas localizadas en la cara externa de la membrana interna de las mitocondrias.
¿Cuánta energía está contenida en un mol de glucosa que es degradada hasta CO2 y H2O en condiciones de aerobiosis?
2 NADH 6 ATP
2 FADH2 4 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP2 ATP
óó ó
36 ó 38 ATP
Efecto Pasteur
Louis Pasteur (1822-1895), químico francés cuyos descubrimientos tuvieron enorme importancia en diversos campos de las ciencias naturales.
Medio de cultivo(Glucosa)
24 hs30ºC
Glucosa Glucosa
AerobiosisAnaerobiosis
Vaselina
FUNCION ANFIBOLICA DEL CICLO DE KREBS
• Producción de energía metabólica en forma de ATP.
• Producción de la mayor parte del CO2 de la célula.
• Producción de citrato a partir del cual se obtienen el precursor (acetil-CoA) para la síntesis de ácidos grasos, colesterol, hormonas esteroideas, prostaglandinas, etc.
• Provisión de precursores para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y porfirinas.
Funciones catabólicas
Funciones anabólicas
Glucosa Acs. Grasos
Glucosa Acs. Grasos
Ciclo anfibólico
REACCIONES ANAPLEROTICASREACCIONES ANAPLEROTICAS
Son aquellas que permiten Son aquellas que permiten reponer intermediarios reponer intermediarios
que han sido sustraídos por otras rutas biosintéticas.que han sido sustraídos por otras rutas biosintéticas.
ANAPLEROTICO (DEL GRIEGO= RELLENAR) ANAPLEROTICO (DEL GRIEGO= RELLENAR)
Mantienen en equilibrio las concentraciones Mantienen en equilibrio las concentraciones
intramitocondriales de los intermediarios del ciclointramitocondriales de los intermediarios del ciclo..
Piruvatocarboxilasa
Enzima málica
PEP carboxilasa
PEP: fosfoenolpiruvato
PEPcarboxi-quinasa
Fosfoenolpiruvato + HCO3- oxalacetato + Pi
• PIRUVATO CARBOXILASA (ACTIVADA POR ACETIL-CoA, presente principalmente en Hígado y Riñón)
REACCIONES ANAPLEROTICAS O DE RELLENO
Fosfoenolpiruvato + CO2 + GDP oxalacetato + GTP
Piruvato + HCO3- + ATP oxalacetato + ADP + Pi
Piruvato + HCO3- + NADPH + H+ L-malato + NADP+ + H2O
• PEP CARBOXIQUINASA (Músculo esquelético y cardíaco).
• ENZIMA MALICA
• PEP CARBOXILASA (Plantas y algunas bacterias)
Bibliografía
1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007).2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008).3- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010).
Bibliografía Complementaria
1- CAMPBELL Y FARREL, “Bioquimica”, Thomson Eds., 4ta. Ed., (2005).2- DONALD NICHOLSON, International Union of Biochemistry & Molecular Biology (IUBMB), IUBMB-Nicholson Metabolic Maps, Minimaps & Animaps. Department of Biochemistry and Microbiology, The University, Leeds, England. (http://www.iubmb-nicholson.org).3- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994).4- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España.
