• 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. Ciclo del glioxilato. Localización. Importancia. 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.

QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas

METABOLISMO DE METABOLISMO DE CARBOHIDRATOSCARBOHIDRATOS

• • Transporte electrónico y fosforilación oxidativa.•Vía Glicolítica.• Fermentación• Transformación del piruvato en Acetil-CoA.• Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o Ciclo de Krebs.• Degradación de glucógeno o de Almidón.

CATABOLISMO

ANABOLISMO

• Síntesis de glucógeno en animales (o de almidón en plantas). • Síntesis de sacarosa en plantas.• Gluconeogénesis.

Fosforilación de la glucosaFosforilación de la glucosa

- La fosforilación es el paso inicial de todas las vías de utilización de monosacáridos, ya sea en animales como en vegetales.

- Impide la difusión de la Glu hacia el exterior celular y asegura su utilización en alguna de las vías metabólicas celulares según el requerimiento celular.

Hexoquinasas

Isoenzimas I, II, III

Isoenzima IV o Glucoquinasa

- En distintas proporciones según el tejido.- Son inespecíficas.- Km Glu = 0.01-0.1 mM

- En hígado y células beta del páncreas.- Es muy específica, solo D-Glucosa.- Km Glu = >10 mM.

Hexoquinasa

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H H O

OH

H

OHH

OH

CH2OPO32

H

OH

H

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

ATP ADP

Mg2+

glucosa glucosa-6-fosfato

Hexoquinasa

Fosforilación intracelular de la glucosaFosforilación intracelular de la glucosa

GLUCOSA-6-P

Destinos metabólicos de la glucosa Destinos metabólicos de la glucosa en una célula hepáticaen una célula hepática

Glucógeno-génesis

Glucógeno

Vía de las PentosasRibosa-5-P

Piruvato

Vía Glicolítica

Glucosa

Glucosa-6-fosfatasa

GLUCOSA-6-P

Destinos metabólicos de la glucosa Destinos metabólicos de la glucosa en una célula vegetalen una célula vegetal

AlmidónSacarosa

Vía de las PentosasRibosa-5-P

Piruvato

Vía Glicolítica

•FASE I. Fase preparatoria en la que la glucosa es fosforilada, isomerizada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs.

•FASE II. Las dos moléculas anteriormente formadas se convierten en dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH.

Vía GlicolVía Glicolííticatica

Citoso

l cel

ular

Citoso

l cel

ular- Vía Universal. Ejemplo de unidad del mundo biológico.

- Todos los intermediarios se encuentran fosforilados.

- El NAD+ es el agente oxidante.

- No requiere O2

(anaerobiosis).

- Es el mecanismo proveedor de E mas antiguo desde el punto de vista evolutivo.

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE IReacción 1. Fosforilación de la glucosa con consumo del primer ATP.

- Si la glucosa proviene de la degradación de glucógeno en animales o de almidón en vegetales:

GLUCOGENOGLUCOGENO

ALMIDONALMIDON

Glucógeno fosforilasa

Almidón fosforilasa

PiPi

PiPi

Glucosa-6-P

Glucosa-1-PGlucosa-1-P

Fosfoglucomutasa

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE I

Reacción 2. Isomerización. Conversión de Glu-6-P (isómero aldosa) a fructosa-6-fosfato (Fru-6-P, isómero cetosa) catalizada por la Fosfoglucoisomerasa. Primero debe abrirse el anillo para que ocurra la isomerización, con posterior ciclación de la fructosa.

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OPO32

H

OH

H

1

6

5

4

3 2

CH2OPO32

OH

CH2OH

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1

glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato Fosfoglucoisomerasa

Mg2+ o Mn2+

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE I

Reacción 3. Consumo del segundo ATP. La fosfofructoquinasa fosforila la Fru-6-P para formar Fru-1,6-diP.

CH2OPO32

OH

CH2OH

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1 CH2OPO32

OH

CH2OPO32

H

OH H

H HO

O6

5

4 3

2

1

ATP ADP

Mg2+

fructosa-6-fosfato fructosa-1,6-bisfosfato

Fosfofructoquinasa

La Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica y esta reacción es el principal sitio de control de la velocidad de la vía glicolítica.

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE I

Reacción 4. Formación de triosas fosfato. La aldolasa cataliza la ruptura de la Fru-1,6-BP en dos triosas, el gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P) y la dihidroxiacetona fosfato (DHAP).

Dos moléculas de 3 carbonos

6

5

4

3

2

1CH2OPO32

C

C

C

C

CH2OPO32

O

HO H

H OH

H OH

3

2

1

CH2OPO32

C

CH2OH

O

C

C

CH2OPO32

H O

H OH+

1

2

3

fructosa-1,6- bisfosfato

Aldolasa

dihidroxiacetona gliceraldehído-3- fosfato fosfato

Triosafosfato-isomerasa

1

2

3

4

5

6

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE I

Reacción 5. Isomerización. Sólo uno de los productos de la ruptura aldólica, el G-3-P, continúa la vía glicolítica. La interconversión entre éste y la DHAP es catalizada por la triosa fosfato isomerasa.

Termina 1ra fase

- 2 ATP

6

5

4

3

2

1CH2OPO32

C

C

C

C

CH2OPO32

O

HO H

H OH

H OH

3

2

1

CH2OPO32

C

CH2OH

O

C

C

CH2OPO32

H O

H OH+

1

2

3

fructosa-1,6- bisfosfato

Aldolasa

dihidroxiacetona gliceraldehído-3- fosfato fosfato

Triosafosfato-isomerasa

Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa

Fosfogliceratoquinasa

Fosfogliceromutasa

Enolasa

Piruvatoquinasa

Reacción 6. Formación del primer intermediario de "alta energía”. La gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del G-3-P, por el NAD+ (Nicotinamida Adenin Dinucleótido) y fosfato inorgánico (Pi), para producir el 1,3-bifosfoglicerato (BFG).

fosfato inorgánico

C

C

CH2OPO32

H O

H OH

C

C

CH2OPO32

O OPO32

H OH+ Pi

+ H+

NAD+ NADH 1

2

3

2

3

1

gliceraldehído- 1,3-bisfosfo- 3-fosfato glicerato

Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa

2 + 2 2 2

2

Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa

Fosfogliceratoquinasa

Fosfogliceromutasa

Enolasa

Piruvatoquinasa

Reacción 7. Primera producción de ATP. Se forma el primer ATP por fosforilación a nivel de sustrato, rindiendo además 3-fosfoglicerato en una reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa (PGK).

C

C

CH2OPO32

O OPO32

H OH

C

C

CH2OPO32

O O

H OH

ADP ATP

1

22

3 3

1

Mg2+

1,3-bisfosfo- 3-fosfoglicerato glicerato

Fosfoglicerato quinasa

2

2 2

2

Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa

Fosfogliceratoquinasa

Fosfogliceromutasa

Enolasa

Piruvatoquinasa

Reacción 8. La fosfogliceromutasa cataliza la transferencia intramolecular de fosfato y la conversión de 3-PG a 2-fosfoglicerato.

C

C

CH2OH

O O

H OPO32

2

3

1C

C

CH2OPO32

O O

H OH2

3

1

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

Fosfogliceromutasa

2 2Mg2+

Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa

Fosfogliceratoquinasa

Fosfogliceromutasa

Enolasa

Piruvatoquinasa

Reacción 9. Formación del segundo intermediario de "alta energía”. La enolasa cataliza la deshidratación del 2-PG a fosfoenolpiruvato (PEP), formando un complejo activo por la presencia del catión magnesio.

C

C

CH2OH

O O

H OPO32

2

3

1C

C

CH2

O O

OPO32

2

3

1

+ H2O

2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato

Enolasa

2 2Mg2+

~

Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa

Fosfogliceratoquinasa

Fosfogliceromutasa

Enolasa

Piruvatoquinasa

Reacción 10. Producción del segundo ATP. La piruvato quinasa cataliza el acoplamiento de la energía libre de la hidrólisis del PEP a la síntesis de ATP (fosforilación a nivel de sustrato) para formar piruvato.

C

C

CH3

O O

O2

3

1ADP ATPC

C

CH2

O O

OPO32

2

3

1 C

C

CH2

O O

OH2

3

1

fosfoenolpiruvato enolpiruvato piruvato

Piruvato quinasa

2 2 2

2 2Mg2+ o Mn2+

http://www.iubmb-nicholson.org/swf/glycolysis.swf

ADP

ADP Acetil-CoA

Pi (+)

Regulación de la vía glicolítica

HK: HexoquinasaPFK: FosfofructoquinasaPK: Piruvato quinasa

- La velocidad de la glucólisis depende de la disponibilidad de sustrato y el estado de oxidorreducción de la célula. Se requieren GLU, ADP, Pi, y NAD+.

- El proceso general es controlado por los niveles de NADH/NAD+ y piruvato/lactato.

- En particular, existen tres puntos de control en la via glicolitica:

- En todos estos puntos la insulina actúa activando, mientras que el glucagón lo hace inhibiendo, la actividad enzimática.

Aumenta afinidad por F-6-P y disminuye la inhibición por ATP.

¿Cómo regula la glucólisis la Fru-2,6-difosfato?

↑↑ Insulina ↑ Glucagón

Algo más sobre la Piruvato quinasa…

Fosfatasa(+)Quinasa

(+)

Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica. Fructosa

Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica Galactosa

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?

A. Fermentación lácticaA. Fermentación láctica•En el músculo, especialmente durante el ejercicio intenso, cuando la demanda de ATP es elevada y se ha consumido el oxígeno mitocondrial, la lactato deshidrogenasa (LDH) cataliza la reducción del piruvato para dar lactato, utilizando el NADH provisto por la G-3-P deshidrogenasa. •También en eritrocito y en las bacterias lácticas.

C

C

CH3

O

O

O

C

HC

CH3

O

OH

ONADH + H+ NAD+

Lactato deshidrogenasa

piruvato lactato

La reacción global de la degradación anaeróbica de glucosa mediante la fermentación láctica puede esquematizarse como sigue:

Glucosa + 2ADP + 2Pi -------------> 2 lactato + 2ATP

•Los cazadores saben del sabor agrio de la carne de un animal que ha corrido hasta agotarse antes de morir. Esto es debido a la acumulación de ácido láctico en los músculos.

•La mayor parte del lactato, producto final de la glucólisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa a través del Ciclo de Cori.

Ciclo de Cori

O2

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?

B. Fermentación alcohólica •En las levaduras, el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la industria alimenticia: la conversión de piruvato a etanol y CO2.

•La primer reacción es la descarboxilación del piruvato para formar acetaldehído y CO2, catalizada por la piruvato descarboxilasa (ausente en animales) y que contiene pirofosfato de tiamina (PPT) como grupo prostético.

•El acetaldehído formado por descarboxilación del piruvato es reducido luego a etanol por el NADH, en una reacción catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH).

C

C

CH3

O

O

O

C

CH3

OHC

CH3

OH H

H

NADH + H+ NAD+CO2

Piruvato Alcohol descarboxilasa deshidrogenasa

piruvato acetaldehído etanol

PPT

Balance energético de la vía glicolítica

¿Cuánta energía rinde un mol de glucosa en anaerobiosis?

GLUCOSA

2 PIRUVATO

VG

Anaerobiosis

O2

Fermentación Alcohólica

(levaduras, algunosvertebrados marinos)

Fermentación Láctica

(músculo en contracción

vigorosa, eritrocitos,

lactobacilos)

2 Etanol + 2 CO22 Lactato

Gasto de ATP:- Hexoquinasa………...............… -1ATP- Fosfofructoquinasa…………..… -1ATP

Producción de ATP:- Fosfoglicerato quinasa …. + 1ATP (x2)- Piruvato quinasa ………... + 1ATP (x2) +4 ATP

- 2ATP

Balance o rendimiento en ATP: +2 ATPBalance o rendimiento en ATP: +2 ATP

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

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.