UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS FASE I,

Unidad Didáctica: BIOQUÍMICA MÉDICA 2º AÑO, 2013

CADENA RESPIRATORIA. Dr. Mynor A. Leiva Enríquez

CICLO DE KREBS,

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Proteínas

Aminoácidos

Glucosa

Piruvato

T A G

Glicerol

Ác. Grasos

Acetil-CoA

Cetogénesis

C. Respiratoria

ATP+CO2+H2O

Citrato Acetil-CoA

Colesterol

Esteroides

Ác. grasos

T A G

Ciclo de

Krebs

PROCEDENCIA Y DESTINO DE ACETIL-CoA

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Ciclo del ácido Cítrico (KREBS)

10 reacciones enzimáticas

2 reacciones irreversible

Genera 3 NADH+H, 1 FADH2

y 1 ATP a nivel del sustrato

Dr. M. Leiva

Mitocondria

Dr. M. Leiva

Esquema general

del ciclo de Krebs

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL.

2ª. Edición. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

ENZIMA SUSTRATO

1- CITRATO SINTASA 12 CITRATO

2- ACONITASA 23 ISOCITRATO

3- ISOCITRATO DESHIDROGENASA

34 ALFA CETO-GLUTARATO

4- ALFA-CETO-GLUTARATO DESHIDROGENASA

45 SUCCINIL-CoA

5- SUCCINATO TIO-CINASA 56 SUCCINATO

6- SUCCINATO DESHIDROGENASA

67 FUMARATO

7- FUMARASA 78 MALATO

8- MALATO DESHIDROGENASA

81 OXALACETATO

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El citroil-CoA es un intermediario transitorio de reacción

• La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la reacción sea exergónica

1. Formación del Citrato

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La aconitasa contiene un centro hierro-azufre que

actúa como centro de fijación de sustratos y centro catalítico.

2. Formación de isocitrato

vía cis-aconitato

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

3. Oxidación del isocitrato

a α-cetoglutarato y CO2

Existen dos formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa:

• NAD dependiente (matriz mitocondrial)

• NADP dependiente (matriz mitocondrial y citosol)

Dr. M. Leiva

4. Oxidación del α-cetoglutarato a

succinil-CoA y CO2

El complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa es muy

parecido al

complejo piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en

función, requiere difosfato de tiamina, lipoato, NAD, FAD y CoA Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

Dr. M. Leiva

a Cetoglutarato deshidrogenasa

• Localizado en la mitocondria

• Complejo multienzimatico que actúa de la misma

forma que el Complejo Piruvato-deshidrogenasa.

• Sustrato: alfa-ceto-glutarato.

• Producto: Succinil-CoA

– 3 enzimas

• Alfa cetoglutarato deshidrogenasa (E1)

• Dihidrolipoil transsucciniilasa(E2)

• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)

– 5 coenzimas

• Pirofosfato de tiamina

• Acido lipoico

• CoA

• FAD

• NAD

Dr. M. Leiva

El complejo a cetoglutarato deshidrogenasa utiliza 5 coenzimas diferentes

Difosfato de tiamina Lipoamida

NAD (niacina) FAD (Riboflavina) CoA (A. Pantotenico)

Dr. M. Leiva

5. Conversión del succinil-CoA en succinato

La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas de la energía liberada por la decarboxilación oxidativa del α-ceto-glutarato es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato.

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

6. Oxidación del succinato a fumarato

En eucariotas, la succinato deshidrogenasa

se encuentra unida a la membrana mitocondrial

interna, contiene tres centros hierro-azufre

diferentes y una molécula de FAD unida

covalentemente.

El malonato es un

fuerte inhibidor

competitivo de

esta enzima

Dr. M. Leiva

7. Hidratación del fumarato y producción de malato

La enzima FUMARASA es específica para el fumarato y el L-malato

Dr. M. Leiva

8. Oxidación del malato a oxalacetato

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Balance energético

Dr. M. Leiva

Vías Anapleróticas

• Ana: arriba,

• Plerotikos: llenar

• Son reacciones que reponen intermediarios del ciclo

• Piruvato carboxilasa: produce oxalacetato

Dr. M. Leiva

Reacciones Anapleróticas

• Son reacciones que proveen la cantidad necesaria de un metabolito intermediario importante.

• La reacción de la enzima piruvato carboxilasa es un ejemplo, al ser necesario Oxalacetato.

• Piruvato + CO2 + ATP + H2O

Oxalacetato + ADP + Pi + 2H+

malato para gluconeogénesis…

Dr. M. Leiva

Principales vías biosintéticas y anapleróticas

Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana. Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Los Carbonos de los aminoácidos (luego de la transaminación) entran al ciclo de Krebs en diferentes puntos

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

Principales vías biosintéticas y anapleróticas

Dr. M. Leiva

Regulación del ciclo de Krebs

• Disponibilidad de sustratos

• Necesidad de intermediarios como precursores biosintéticos

• Demanda de ATP • El factor regulador más importante es la

relación intramitocondrial de [NAD+] / [NADH]

Dr. M. Leiva

Regulación del ciclo de Krebs • 1. Disponibilidad de sustratos • 2. Inhibición por acumulación de

productos • 3. Regulación de las siguientes enzimas:

– Citrato sintasa • Inhibidores: NADH, succinil-

CoA, citrato, ATP • Activadores: ADP

– Isocitrato deshidrogenasa • Inhibidores: NADH • Activadores: Ca++, ADP

– α-cetoglutarato deshidrogenasa • Inhibidores: succinil-CoA,

NADH • Activadores: Ca++

Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana. Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

• El Ciclo de KREBS es un punto de convergencia en el metabolismo intracelular.

• Carbohidratos, grasas y proteínas son

fuentes de Acetil-CoA

• Desde aquí, la obtención de ATP sigue la misma ruta.

• El requisito para su acción es la presencia de oxígeno.

Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

Dr. M. Leiva

C. Krebs: proceso

anfibólico

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.

Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.

Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva

Proceso

ANFIBÓLICO

GLUCONEOGÉNESIS

LIPOGÉNESIS

SÍNTESIS PROTÉICA

HEM y Ácidos Nucleicos

Fuente: Bioquímica de Mathews 3ª Edición. Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

A nivel del sustrato 4 ATP

Lanzadera de Malato 6 ATP

Descarboxilación del piruvato 6 ATP

Ciclo de Krebs 24 ATP

total 40 ATP

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LANZADERAS DE GLICEROFOSFATO Y MALATO

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Reacción Mecanismo moles ATP/mol

Glucosa

Hexocinasa Fosforilación -1

Fosfofructocinasa Fosforilación -1

Glicerol-3-P Deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del NADH +6 (+4)*

Fosfoglicerato cinasa Fosforilación a nivel

del Sustrato 2

Piruvato cinasa Fosforilación a nivel

del Sustrato 2

Piruvato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del NADH 6

Isocitrato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del NADH 6

α-cetoglutarato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del NADH 6

Succinil-CoA sintetasa Fosforilación a nivel

del sustrato (GTP) 2

Succinato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del FADH2 4

Malato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa

del NADH 6

TOTAL 38 (36) Dr. M. Leiva

• CADENA RESPIRATORIA

MITOCONDRIAL

• FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Dr. M. Leiva

La mitocondria posee dos sistemas de membrana, que rodean a la matriz. Matriz • Ciclo del ácido cítrico y oxidación de los ácidos grasos

Membrana interna • Es impermeable a casi todos los iones Se pliega en crestas. Contiene los componentes de la cadena de transpote de e- • Y la ATP sintasa

Membrana externa • Es bastante permeable a iones y moléculas pequeñas

La fosforilación oxidativa se produce en la membrana interna de la mitocondria

Mitocondria Dr. M. Leiva

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

• Cadena Respiratoria: Transporte en secuencia ordenada de los equivalentes reducidos desde los sustratos donadores (reduciendo al NAD o al FAD) hasta la formación final de AGUA.

• Fosforilación Oxidativa: Sistema de conversión o captura de la energía liberada en la cadena respiratoria (68%), para unir ADP + Pi y formar ATP.

Dr. M. Leiva

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

• Las enzimas de la cadena respiratoria

están en la cara interna de la membrana

interna, agrupadas en complejos que

producen potenciales electroquímicos

transmembrana.

• Varias ATP-sintasa utilizan la energía del

gradiente de protones para sintetizar ATP,

perdiéndose una parte como calor. Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Conservación de la energía por

acoplamiento con el ATP • Casi la mitad de la energía obtenida en la

oxidación de los combustibles metabólicos es

canalizada hacia la síntesis de ATP

• La membrana mitocondrial interna es

impermeable a ATP, coenzimas, fosfato,

protones, varios iones y moléculas pequeñas.

• Se acepta que 1 mol de NADH tiene un

rendimiento aproximado de 2.5 moles de ATP

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición, Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Sustratos que transfieren electrones a

NAD por enzimas deshidrogenasas

• Puede haber acoplamiento

directo al NAD de la Cadena

Respiratoria.

• Piruvato y

alfa-cetoglutarato usan

complejos dishidrogenasa

+ FAD + Lipoato NAD.

• Producen 3 ATP

• Producen 2.5ATP

Dr. M. Leiva

Sustratos que transfieren electrones por

enzimas dependientes de Flavoproteína.

• FeS: Sulfoproteína

férrica (Fe++Fe+++)

• TFE: Flavoproteína

transferidora de

electrones.

• Fp: Flavoproteína

• FAD Producen 2 ATP

• FAD Producen 1.5ATP Dr. M. Leiva

Sustratos que transfieren electrones por

enzimas dependientes de Flavoproteína.

• La enzima succinato

deshidrogenasa se ubica

en la superficie interna de

la membrana interna

mitocondrial.

• El potencial redox de estos

sustratos es más positivo.

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Enzimas ligadas a NAD+

Alfa- cetoglutarato DH Malato DH

Piruvato DH Gliceraldehido- 3 -fosfato DH

Lactato DH Beta- hidroxiacil- CoA DH

Ligadas a NAD+ o NADP+

Glutamato DH

Ligadas a FAD

Acil CoA DH (F) Succinato DH (II)

Glicerol3 P DH (G)

Ligadas a FMN NADH DH

Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición, Dr. M. Leiva

Complejo I. Función de NADH

Deshidrogenasa (FeS y FMN)

• La energía proveniente

de la oxidación

NADH+H, traslada

protones al exterior de

la membrana interna

(bomba de protones)

• Transfiere electrones a

la uniquinona.

Dr. M. Leiva

El complejo II define la función

ubicuinona-oxidorreductasa

•La coenzima Q recibe equivalentes

reductores de componentes más

positivos.

•Lipofílica, parecida a la vit. K

•La coenzima Q une a las

flavoproteínas con el Citocromo b (el

de menor potencial redox)

•Componente móvil que colecta

equivalentes de Complejos I y II y los

lleva al Complejo III. Dr. M. Leiva

El coenzima Q es paso obligatorio de los electrones procedentes de varias vías

Espacio intermembrana

Matriz Flavoproteína de transferencia de

electrones

Succinato

Dr. M. Leiva

Complejo III: ubicuinona:ferrocitocromo c oxidorreductasa.

•El ciclo de la Coenzima Q

incluye la captación de 2

H+ de la matriz

mitocondrial y su bombeo

hacia el espacio

intermembrana,

•Traslada electrones del

cit. b al c1 y finalmente al

cit. c.

Dr. M. Leiva

Oxidación de la primera QH2

Oxidación de la segunda QH2

El citocromo c transporta electrones del completo III al IV.

Si llega al citosol, puede inducir apoptosis. Dr. M. Leiva

Complejo IV: Ferrocitocromo c oxidorreductasa

• Cit.c es soluble, conecta complejos fijos III y IV.

• C-aa3 “citocromo oxidasa”: combinación irreversible de equivalentes reductores conducidos hacia el oxígeno: da dirección.

• Tercera bomba de protones que impulsa a la ATP sintasa. Genera AGUA.

• Inhibida por Monóxido de Carbono y Cianuro.

Espacio Intermembrana

Matriz (del sustrato) (bombeados)

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

Matriz

Espacio Intermembrana

Succinato Fumarato

La oxidación se acopla estrechamente a la fosforilación

para satisfacer las necesidades de energía de la célula.

Dr. M. Leiva

Si el recorrido de los equivalentes reductores empieza en el complejo I, se cumplirán

3 “bombeos” de protones. Si empieza en el complejo II, se cumplirán 2 “bombeos”.

A mayor bombeo, mayor gradiente de protones y mayor actividad de la ATP-sintetasa.

Dr. M. Leiva

Dr. M. Leiva

Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Teoría Quimiosmótica de la Fosforilación Oxidativa

La membrana interna es impermeable a los protones. Cuando son bombeados fuera de la matriz, acidifican y positivizan el espacio intermembrana. La fuerza protón motriz (Δp) es la energía almacenada en el gradiente de concentración de protones que al regresar por la ATP-sintasa, generan la energía para producir ATP.

Dr. M. Leiva

El hidrógeno y los electrones fluyen a

lo largo de la cadena en etapas, a

partir de los componentes de mayor potencial redox negativo

hacia los componentes de mayor potencial redox positivo, a

través de un intervalo de 1.1 V

que abarca desde el NAD+/NADH hasta

el O2 / 2 H2O. Dr. M. Leiva

• Fo es el motor y poro de protones.

• El F1 componente rotatorio.

Complejo V: ATP -

Sintasa

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

ATP sintasa: • Los protones que

pasan por las subunidades C y g

causan su rotación.

• Las subunidades b

captan ATP+Pi y

liberan ATP.

• Se forman 3

moléculas de ATP por

cada giro completo del complejo

Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición, Dr. M. Leiva

•Segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana interna

mitocondrial

•Contiene conducto de H + del complejo

•Formado por

-10-14 subunidades c

-1 subunidad a en la periferia del anillo

F0: bomba de H+

Matriz M.

Espacio

Intemembrana

Dr. M. Leiva

formada por: -5tipos de cadenas polipeptídicas: -3 cadenas α -3 cadenas β -1 cadenas γ δ ε -α y β alternadas en anillo hexámerico -miembros de la familia de NTPasas -ambas unen nucleótidos, solo β participa en la catálisis• -γ y ε forman el tallo central de la estructura.•

F 1 : Unidad catalítica:

Dr. M. Leiva

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Fuente: Bioquímica

de Harvey 5ª. Ed.

Inhibición del Complejo I

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

Inhibición del Complejo III

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

Inhibición del Complejo IV

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

barbitúricos Antimicina A y

Dimercaprol H2S, CO

y CN

malonato

atractilósido

ADP

ATP

2,4-di-nitrofenol,

termogenina,

oligomicina

Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,

Inhibidores de cadena respiratoria, Inhibidores de fosforilación oxidativa y desacopladores

Dr. M. Leiva

Proteínas

Desacopladoras

Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

• GRACIAS Dr. M. Leiva