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La Química La Química Orgánica delOrgánica delMetabolismoMetabolismo

2

IntroducciónIntroducción

• Hasta ahora hemos estudiado las reacciones típi-cas de las clases principales de compuestos or-gánicos y la estructura y las reacciones de los hidratos de carbono y lípidos.

• Ahora aplicamos estos conocimientos al estudio de la química orgánica del metabolismo:• -oxidación de ácidos grasos.• Glicólisis.

3

Participan cinco compuestos clavesParticipan cinco compuestos claves

• Cinco compuestos que participan en estas y otras muchas rutas metabólicas son:• ATPATP, ADPADP, y AMPAMP son transportadores universales de

grupos fosfatos.

• NADNAD++/NADH /NADH y FAD/FADHFAD/FADH22 son coenzimas involucra-dos en la oxidación/reducción de intermedios metabó-licos.

• CoenzimaCoenzima: molécula de bajo peso no protéica o un ión que se une reversiblemente a una enzima. Puede actuar como sustrato secundario y es re-generado en el medio de reacción .

4

Trifosfato de AdenosinaTrifosfato de Adenosina• ATP es el compuesto más importante involucra-

do en el transferencia de grupos fosfatos.

HH

H

O

HO OH

N

N

N

N

NH2

-D-ribofuranosa

Adenina

Adenosina

- O- P - O- P- O- P - O- CH2

O

O-

O

O-

O

O-

H

Enlace -N-glico-sídico

Grupos fosfóricos anhidros

Ester fosfórico

5

Trifosfato de AdenosinaTrifosfato de Adenosina• La hidrólisis del fosfato terminal del ATP da ADP

y fosfato• En la glicólisis, el aceptor de fosfato es el grupo -OH

de la glucosa y la fructosa

- O- P - O- P- O- A MP

O

O-O-

O

+ H2 O

- O- P - O- AMP

O

O-

+ H2 P O4-

Adenosina difosfato(ADP)

Adenosina trifosfato(ATP)

Aceptor defosfato

6

NADNAD++/NADH/NADH• Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) es un

agente oxidante biológico

-N-enlace glicosídico HH

H

O

HO OH

N

CNH2

O

+

El signo + en NAD+representa la carga positiva en el nitrógeno Nicotinamida,

derivadode niacina;

- O- P - O- CH2

O

O

AMPH

7

NADNAD++/NADH/NADH• NAD+ es un agente oxidante que toma dos-electrones,

y es reducido a NADH

Ad

N

CNH2

O

++ H+ + 2 e -

Ad

N

CNH2

OH H

NAD +

(forma oxidada)NADH

(forma reducida)

8

NADNAD++/NADH/NADH• NAD+ está involucrado en dos tipos de oxidaciones.

C

OH

H

C

O

+ 2 H+ 2 e -

Alcohol secundario

Cetona

C H

O

+ H2 O C OH

O

2 H+ 2 e -

Aldehído Acido carboxílico

+

+ +

9

Oxidación con NADOxidación con NAD++

N

CNH2

O

Ad

+

NAD +

N

CNH2

O

Ad

Reducción

Oxidación

H H

NADH

Un par de electrones se adiciona al nitrógeno

C

O

H

C

O

H

HE- B

HEB

10

FAD/FADHFAD/FADH22

• Dinucleótido de flavin adenina (FAD).Es también un agente oxi-dante biológico

RiboflavinaO= P- O-A MP

O-

CH2

C

O

C

C

CH2

N

H OH

OH

OHH

H

N

N

NH3 C

H3 C O

HO

Ribitol

Flavina

11

FAD/FADHFAD/FADH22

• Un tipo de oxidación que implica al FAD es la oxidación de la cadena de hidrocarbonada de un ácido graso.

- CH2 - CH2 - - CH= CH- + 2 H+ + 2 e -

FA D + 2 H+ + 2 e - FA DH2

Oxidación del enlace hidrocarbonado :

Reducción de FAD:

12

Oxidación por FADOxidación por FAD

Ad

N

N

N

NH3 C

H3 C O

HO

E B -

EBH

C C

H

H

R1

HR2

H

Cadena hidrocarbonada del ácido graso

FAD

13

Oxidación por FADOxidación por FAD

Ad

N

N

N

NH3 C

H3 C O

HOH

H

FADH 2

E BH

E- B

C CR1H

R2 H

Un doble enlace trans C-C

14

Acidos grasos y EnergíaAcidos grasos y Energía• Los ácidos grasos que forman los triglicéridos son el

principal almacén de energía del organismo.• La producción de energía por gramo de ácido graso

oxidado es mayor que por gramo de hidrato de carbono.

C6 H12 O6 + 6 O2

CH3 (CH 2 ) 14 CO2 H + 23 O2

6 CO2 + 6 H2 O

16 CO2 + 16 H2 O

-3.8

-9.3 Ácido palmítico

Glucosa

Energía (kcal/g)

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Oxidación de los ácidos grasosOxidación de los ácidos grasos• Hay dos etapas principales en la oxidación de los ácidos

grasos• activación de los ácidos grasos de cadena larga presentes

en el citoplasma y su transporte a través de la membrana interior mitocondrial hasta el compartimento principal.

• -oxidación.

• -Oxidación-Oxidación: es una serie de cuatro reacciones catalizadas por enzimas que rompen la molécula desde su extremo carboxilo liberando fragmentos de dos átomos de carbono.

16

Activación de Ac. GrasosActivación de Ac. Grasos• Comienza en el citoplasma con la formación de

un tioéster.• La formación del tioéster se completa con la hidrólisis

del ATP a AMP y pirofosfato

R- C- O-O

+ HS - CoA

A MP + P2 O74 -A TP

R- C- S - Co A

O

OH -

Coenzima AÁcido graso(anión)

+

Un derivado del acil-CoA

17

Activación de Ac. Grasos Activación de Ac. Grasos • La activación implica la reacción con ATP

- O- P - O- P - O-

OO

O-O-

Intermedio con un átomo de fósforo unido a cinco grupos

R- C- O- P - O- Ad

O O

O-

+

PirofosfatoUn acil-AMP(un anhidrido mixto)

Ad- O- P - O- P - O- P - O-

OO

O-O-

O

O-R- C- O-

O

Ácido graso(anión)

+

ATP

18

Activación de los ácidos grasos Activación de los ácidos grasos • Y la reacción con el coenzima A

Co A- S H

R- C- S - Co A

O

Coenzima A

Acil-CoA

R- C- O- P - O- Ad

O O

O-

Acil-AMP

+

- O- P - O- Ad

O

O-

+

AMP

Intermediode adición con carbonilotetraedrico

19

-Oxidación-Oxidación• Reacción 1: oxidación de un enlace sencillo carbono-

carbono a enlace doble

R- CH2 -CH2 - C-S Co A

O

Un acil-CoA

+ FAD

O

H

C CC- SCo A

R H

+ FADH2

trans- enoil-CoA

20

-Oxidación-Oxidación• Reacción 2: hidratación del doble enlace carbono-

carbono; sólo se forma el enantiómero R

O

H

C CC- S Co A

R H

+ H2 O

Un trans-enoil-CoA (R)--Hidroxiacil-CoA

C

OH

CH2 - C- S Co AHR

O

21

-Oxidación-Oxidación• Reacción 3: oxidación del grupo -hidroxilo a grupo

carbonilo

(R)--Hidroxiacil-CoA

C

OH

CH2 - C- S Co AHR

O

+ NAD+

R- C- CH2 - C- S Co A

O

-Cetoacil-CoA

O

+ NADH

22

-Oxidación-Oxidación• Reacción 4: rotura de la cadena carbonada por una

condensación de Claisen inversa

R- C- CH2 - C- S Co A

O

-ceto acyl-CoA

O

+ CoA - S H

Coenzima A

R- C- S Co A

OO

+ CH3 C- S Co A

Acil-CoA Acetil-CoA

23

-Oxidación-Oxidación• Mecanismo de la condensación inversa de Claisen

R- C- CH2 - C- S Co A

OO

CH2 = C- S Co A

Anión enolato delacetil-CoA

- S - Enz

R- C- CH2 - C- S Co A

O

S - Enz

O-

Intermedio de adicióntetraédrico en el carbonilo

R- C- S - Enz

O

+

Un enzimatioester

O-

24

-Oxidación-Oxidación• Se repite esta serie de reacciones en la cadena acilada

de forma continuada hasta que toda la cadena del ácido graso es degradada a acetil-CoA

CH3 ( CH2 )1 4 COH

O

Ácido hexadecanoico(Ácido palmítico)

+8 Co A - S H

7 NA D+

7 FA D

A MP + P2 O74 -AT P

8 CH3 CS Co A +7 NA DH

7 FADH2

O

Acetil coenzima A

25

• GlicolisisGlicolisis: una serie de 10 reacciones catalizadas con enzimas a través de las que la glucosa es oxidada a dos moléculas de piruvato

• Glicolisis es una oxidación con pérdida global de 4 moles de electrones por mol de glucosa, a través de dos semietapas con pérdida de 2 electrones

GlicolisisGlicolisis

C6 H1 2 O6

Glucosa

glicolisis 10 etapascatalizadaspor enzimas

2 CH3 CCO2-

O

Piruvato+ 2 H+

C6 H1 2 O6

Glucosa

Glicolisis2 CH3 CCO2

- + 6 H+ + 4 e -

O

Piruvato

26

Glicolisis Glicolisis • Reacción 1: fosforilación de -D-glucosa

OHOH

HOHO

CH2 OHO

+ - O- P - O- P- O- AMP

O

O-O-

O

-D-Glucosa

hexoquinasaMg 2 +

OHOH

HOHO

CH2 OPO32 -

O

ATP

+ - O- P - O- AMP

O

O-

ADP-D-Glucosa 6-fosfato

27

GlicolisisGlicolisis• Reacción 2: isomerización de glucosa a fructosa

6-fosfato

2

1

HO

CH2 OP O32 -

CH2 OHO

OH ( )

HH

HO

O

OHOH

HOHO

CH2 OP O32 -

-D-Glucosa 6-fosfato

-D-Fructosa 6-fosfato

fosfogluco- isomerasa

6

12

6

H

28

GlicolisisGlicolisis• Para ver mejor la isomerización es preferible trabajar con

la forma de cadena abierta de los monosacáridos.• Se trata de dos tautomerías cetoenólicas consecutivas.

Fructosa 6-fosfato

Glucosa 6-fosfato

(un endiol)

2

1 1

2

CHO

CH2 OP O32 -

OHH

HHO

OHH

OHH

C

CH2 OP O32 -

OH

HHO

OHH

OHH

CH OH

C

CH2 OP O32 -

O

HHO

OHH

OHH

CH2 OH

29

GlicolisisGlicolisis• Reacción 3: fosforilación de fructosa 6-fosfato

Fructosa 6-fosfato

C

CH2 OP O32 -

O

HHO

OHH

OHH

CH2 OH

+ ATP

fosfo-fructoquinasa

Mg 2 +

Fructosa 1,6-bisfosfato

C

CH2 OP O32 -

O

HHO

OHH

OHH

CH2 OP O32 -

30

GlicolisisGlicolisis• Reacción 4: ruptura de fructosa 1,6-bisfosfato en

dos fosfatos triosas

H

C= O

CH2 OPO32 -

HOH

CH2 OPO32 -

OHH

HO aldolasa

C= O

CH2 OPO32 -

CH2 OPO32 -

Fructosa 1,6-bisfosfato

CH2 OH

C

C= O

H OH

H

Gliceraldehído3-fosfato

Dihidroxiacetonafosfato

+

-hidroxilo

Grupocarbonilo

31

GlicolisisGlicolisis• La reacción 4 es una reacción retroaldólica.• El intermedio es una imina formada por el grupo C=O

de la fructosa 1,6-bisfosfato y un grupo -NH2 del enzima que cataliza la reacción.

H

C= O

CH2 OPO32 -

H

O- H

CH2 OPO32 -

OH

H

HO

Fructosa 1,6-bisfosfato

+

B-

H

C= NH

CH2 OPO32 -

O

CH2 OPO32 -

OH

H

HO

H3 N Enz

B-

Enz( - H2 O)

+ +

Imina protonada

H

H

32

GlicolisisGlicolisis• Reacción retroaldólica que proporciona dos

fragmentos de tres-carbonos, uno es una imina

C- NH

CH2 OPO32 -

CH2 OPO32 -

CHOH

C

C= O

H OH

HH

C= NH

CH2 OPO32 -

O

CH2 OPO32 -

OH

H

HO B-

Enz+

Imina protonada

H B

Enz

H

Gliceraldehido 3-fosfato

H

(Reacción retroaldólicaCatalizada Enzimáticamente)

33

GlicolisisGlicolisis• La hidrólisis de la imina da fosfato de dihidroxiacetona

y regenera el grupo -NH2 del enzima

C= NH

CH2 OPO32 -

CH2 OH

Enz+ H2 O

C= O

CH2 OPO32 -

CH2 OH

+

B-

H3 N Enz+

Imina protonada

Dihidroxiacetona fosfato

B-

C- NH

CH2 OPO32 -

CHOH B

Enz

H

34

Glicolisis Glicolisis • Reacción 5: isomerización de fosfatos de triosas

C= O

CH2 OPO32 -

CH2 OH

CH2 OPO32 -

C

CHO

H OH

Gliceraldehido3-fosfato

Fosfato de dihidroxiacetona

C- OH

CHOH

CH2 OPO32 -

Un endiolintermedio

35

GlicolisisGlicolisis• Reacción 6: oxidación del grupo -CHO del 3-

fosfato del gliceraldehido• el grupo - CHO es oxidado a grupo carboxilo que a su

vez es convertido en una mezcla de anhídrido carboxílico fosfórico.

• el agente oxidante, NAD+, es reducido a NADH.

G- C-H

O

+ H2 O G-C-OH

O

2 H+ 2 e -

NAD+ H+ 2 e - NADH

Una oxidación con dos-electrones

Una reducción con dos-electrones

++

++

36

Glicolisis – Reacción 6Glicolisis – Reacción 6

• Se divide esta reacción en tres etapas• Etapa 1: formación de un tiohemiacetal

G- C- H

O

+ HS - Enz G- C- S - En z

OH

HGliceraldehido 3-fosfato Un tiohemiacetal

37

Glicolisis – Reacción 6Glicolisis – Reacción 6• Etapa 2: oxidación del tiohemiacetal por NAD+

G-C- S -Enz

O

H

H

N

CNH2

Ad

O

+

G-C- S- Enz

N

CNH2

Ad

O

O

H H

Enlaceenzima-tioester

38

Glicolisis – Reacción 6 Glicolisis – Reacción 6 • Etapa 3: Conversión del tioéster a anhídrido mixto

G-C-S- Enz

O

+ - O- P-OH

O

O-

G-C- O- P- OH

O-

Enz -S

O

O-

G- C- O- P- O-

O O

O-

+ Enz -S -

1,3-Bisfosfoglicerato (anhidrido mixto)

Intermedio tras laadición al grupo Carbonilo.

39

GlicolisisGlicolisis• Reacción 7: transferencia de un grupo fosfato del

1,3-bisfosfoglicerato a ADP

+

1,3-Bisfosfo-glicerato

C

CH2 OPO32 -

CO2-

OHH

C

CH2 OPO32 -

C- OPO32 -

OHH

O

+

ATP3-Fosfoglicerato

- O- P-O- AMP

O

O-

ADP

O

O-

fosfo-glicerato quinasa

Mg2+

- O- P-O- P-O- AMP

O

O-

40

GlicolisisGlicolisis• Reacción 8: Isomerización de 3-fosfoglicerato a

2-fosfoglicerato

C

CH2 OPO 32-

CO2-

OHH

3-Fosfoglicerato

C

CH2 OH

CO2-

OPO 32-

H

2-Fosfoglicerato

fosfoglicerato mutasa

41

GlicolisisGlicolisis• Reacción 9: deshidratación de 2-fosfoglicerato

C

CH2 OH

CO2-

OPO32-H

2-Fosfoglicerato

C

CH2

CO2-

OPO32-

Fosfoenolpiruvato

+ H2 Oenolasa

Mg2+

42

Glicolisis – Reacción 10Glicolisis – Reacción 10• Reacción 10: transferencia de fosfato a ADP

• etapa 1: transferencia del grupo fosfato

C

CH2

CO2-

OPO32 -

Fosfoenol- piruvato

+

- O- P-O- P-O- AMP

O

O-O-

O

ATP

-O- P-O- AMP

O

O-

ADP

C- OH

CH2

CO2-

+

Enol de piruvato

piruvato kinasa

Mg2+

43

Glicolisis – Reacción 10Glicolisis – Reacción 10• Etapa 2: Enolización a piruvato

C-OH

CH2

CO2-

Enol del piruvato

C=O

CH3

CO2-

Piruvato

44

GlicolisisGlicolisis

• Sumando estas 10 reacciones da como resulta-do la ecuación global de la glicolisis

C6 H1 2 O6 + 2 NA D+ + 2 HPO42 - + 2 ADP

Glucosa

glicolisis

2 CH3 CCO2-

O

Piruvato+ 2 NADH + 2 ATP + 2 H2 O + 2 H+

45

Destino del PiruvatoDestino del Piruvato• El piruvato no se acumula en células.

Dependiendo del tipo de célula y de su estado de oxigenación puede experimentar una de estas tres reacciones catalizadas por enzimas:• reducción a lactato.• reducción a etanol.• oxidación y descarboxilación a acetil-CoA.

• La razón bioquímica de los dos primeros desti-nos marcados es que la glicolisis necesita un suministro continuado de NAD+. • Si no hay oxígeno para oxidar NADH a NAD+,entonces

se debe de encontrar otra manera para conseguirlo.

46

Fermentación a LactatoFermentación a Lactato• En condiciones anaerobias en vertebrados, el

camino más importante para regenerar NAD+ es la reducción de piruvato a lactato

CH3 CCO2- + NA DH + H+

O

Piruvato

CH3 CHCO2- + NA D+

OH

Lactato

lactatodeshidrogenasa

47

Piruvato a LactatoPiruvato a Lactato• Gracias a esta fermentación la glicolisis puede prose-

guir. La concentración de lactato y de H+ en el tejido muscular aumenta

• Cuando la concentración de lactato en sangre alcanza aproximadamente 0.4 mg/100 mL, el tejido muscular está completamente agotado

C6 H1 2 O6

Glucosa

2 CH3 CHCO2- + 2 H+

OH

Lactato

Fermentación láctica

48

Piruvato a EtanolPiruvato a Etanol• Las levaduras y otros organismos regeneran a

NAD+ por este camino en dos pasos• descarboxilación de piruvato a acetaldehido

• reducción de acetaldehido a etanol

CH3 CH + NADH + H+

O

Acetaldehído

alcoholdeshidrogenasa

CH3 CH2 OH + NAD+

Etanol

Piruvato

CH3 CH + CO2

O

Acetaldehído

piruvatodecarboxilasa

CH3 CCO2- + H+

O

49

Piruvato a Acetil-CoAPiruvato a Acetil-CoA• Bajo condiciones aeróbicas el piruvato sufre una

descarboxilación oxidativa.• El grupo carboxilato es convertido a CO2

• Los dos carbonos restantes son convertidos al grupo acetil de Acetil - CoA

Piruvato

CH3 CSCo A + CO2 + NA DH

O

Acetil-CoA

CH3 CCO2- + NAD+ + Co AS H

O Descarboxilación oxidativa

50

Piruvato a Acetil-CoAPiruvato a Acetil-CoA• La descarboxilación oxidativa del piruvato a

acetil - CoA es bastante más compleja de lo que la ecuación anterior sugiere.

• Además de NAD + (de la vitamina niacina) y del coenzima A (el ácido pantotenico de la vitamina), también se requiere:• FAD (de la vitamina riboflavina)• Pirofosfato de tiamina (de tiamina, B1)• ácido lipoico

51

Piruvato a Acetil-CoAPiruvato a Acetil-CoA

S S

CH2 CH2 CH2 CH2 CO2-

ácido lipoico(se muestra como

anión carboxilato)

H

NH2

H3 C pirofosfato de tiamina

N S

H

H3 C CH2 CH2 O- P- O- P- O-

O

O-

O

O-