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Ciclo del Acido Cítrico

Ciclo de “Krebs”

Principales reacciones constituyentesPuntos de regulaciónEl ciclo de Krebs (CK) como vía común a varias

vías metabólicas

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Bibliografía

McKee, J. y J. McKee. 2003. Cap. 9.

Voet, D., J. Voet y Pratt, C. 2006. Cap 16.

Champe et al, 2005. Cap 9. Tricarboxylic Acid Cyle

Harper, 2004. Cap. 16. Ciclo del ácido cítrico y catabolismo de Ac-CoA

Ligas de interés recomendadas a lo largo de la presentación

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Glucólisis y CAC

Al centro de los procesosmetabólicos celulares.

En estas rutas se completanprocesos catabólicos querepresentan:

- la fuente de energía paraprocesos anabólicos

- La fuente de compuestos de carbono para otros procesos de biosíntesis

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Ciclo de Krebs

Hans Adolf Krebs. Premio Nóbel de Fisiología y Medicina en 1953. Sheffield Univ. UK. Por

haber descrito el ciclo del ácido cítrico. Nació en Alemania en 1900 y se nacionalizó en UK

Fritz Albert Lipmann. Premio Nóbel de Fisiología y Medicina en 1953. Harvard Medical School. Por haber descubierto la Co-A y su importancia en el metabolismo intermediario. Nació en 1896 en Alemania y se nacionalizó en EUA

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Ligas de interés

OJO….!!! Revisarlo previo a clase http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/citric_acid_cycle/index.html

Dr. Mallery. Revisión generalhttp://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255atp/255makeatp.htm

Revisión general del ciclo y producción de energíahttp://media.pearsoncmg.com/bc/bc_campbell_biology_7/media/interactivemedia/activities/load.html?9&D

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¿Dónde estamos en las rutas?

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¿Dónde estamos en la célula?

En la matriz mitocondrial

http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/255/255atp/gk5x5.gif

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IntroducciónCombustibles metabólicos. Glucosa, pero no esel único combustible

Ruta de glucosa a lactato o etanol: un procesoanaeróbico (moléculas relativamentereducidas) y abandonan la célula

Si el producto de la glucólisis continúa suoxidación completa (aeróbico), la célula puederecuperar más energía

El Ciclo del ácido cítrico (CAC) representa unavía central para la recuperación de energía a partir de los combustibles metabólicos: carbohidratos, acidos grasos y aminoácidosque se degradan a Acetil-CoA por oxidación

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Introducción

La glucólisis extrae una fracción muy pequeña de ATP de la glucosa.

El procesamiento aeróbicola oxidación completa hasta a CO2 y agua. se genera la mayor cantidad de ATP.

El ciclo del ácido cítrico (CAC) es la ruta final de oxidación común para aminoácidos, ácidos grasos y carbohidratos.

La mayoría de las moléculas entran al ciclo como acetil coenzima A (Ac-CoA).

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Destinos del piruvato

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Origen del acetil-CoA

El acetil-CoA: combustible CAC.

Se forma a partir del desdoblamiento del glucógeno (forma de almacenamiento de la glucosa en animales), las grasas, y la mayoría de los amino ácidos

El piruvato, al entrar a la mitocondria, pierde un C (CO2) y se asocia con la Co-A

Acetil-CoA

De 3C a 2 C

Pir + CoA Acetil-CoA

http://www.citruscollege.edu/pic/46/c07_06.jpghttp://www.library.csi.cuny.edu/~davis/Biochem_3521/lect15/acetylCoAProd.GIF

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Función del ciclo

Fuente de precursores (o intermediarios metabólicos) que funcionan como:

Almacenes de energíaBloques de construcción de otras moléculas como: aminoácidos, bases de nucleótidos, colesterol y porfirina (el componente orgánico del grupo. hemo)

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Función del CicloGeneración de energía:

Las moléculas carbonadas se oxidan (pierden electrones)

Los electrones se transfieren a moléculas transportadoras de electrones (NAD+ y FAD).

La energía de los electrones es utilizada posteriormente para la síntesis de ATP en la siguiente fase donde termina la oxidación (fosforilación oxidativa).

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Destino de e-: Respiración celular en mito.

•En CAC electrones del acetyl CoA se transfieren y se utilizan para sintetizar NADH y FADH2.

•Cadena de transpsorte de e- Los e- fluyen dentro de complejos enzimáticos de la mb interna, que generan un gradiente de H+ entre la mb interna y la matriz mitocondrial

•Los H+ retornan a la matriz, a través de la ATP sintasa que genera ATP a partir de ADP y Pi

Fosforilación oxidativa

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Respiración celular

CAC

Cadena de transporte de e-

Síntesis de ATP

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Oxígeno: aceptor final de electrones

El oxígeno es el aceptor de electrones al final electrones:

½ O2 + 2e- + 2H+ H2O

El oxígeno es

El CAC y la fosforilación oxidativa proveen la mayor parte de la energía utilizada en células aeróbicas (en los humanos >95%)

Un 1/3 (aprox.) se consume en la bomba Na+-K+

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De glucólisis al ciclo del ácido cítrico

Dentro de la matriz mitocondrial

Inicia con piruvato que proviene de la glucólisis

Matriz mitocondrial: Piruvato → acetil-CoA por el complejo multienzimático: piruvato deshidrogenasa

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Eventos en la mitocondria

Estructura:Mb externa, mb interna y matriz mitocondrial

Ci-is-ke su-su fu-ma-ohttp://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/zoology/AnimalPhysiology/Anatomy/AnimalCellStructure/Mitochondria/Mitochondria.htm

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Ciclo completo

Lo que cambia está en azul

Nombre de la enzimaen amarillo

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle.html

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Ciclo de Krebs

http://www.sp.uconn.edu/~terry/images/anim/ATPmito.html

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Pasos del ciclo a continuación

IntermediarioCis-aconitato

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Complejo Piruvato deshidrogenasa (PDH)

Estructura multienzimática: Con tres actividades enzimáticas: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoiltransacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3).

La reacción del complejo piruvatodeshidrogenasa requiere la participación de 5 coenzimas.

Su regulación no se conoce a fondo, se sabeque Mg2+ y Ca2+ activan la enzima.

Aaron Klug. (Premio Nóbel Química 1982-cristalografía del nucleosoma) desarrolló las técnicas para describir la estructura de la PDH

http://sandwalk.blogspot.com/2007/08/theme-pyruvate-dehydrogenase.html

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Complejo PDH

Complejo de TRES enzimas con numerosas subunidades

E1 = Piruvato deshidrogenasaE2 = Dihidrolipoil transacetilasaE3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa

E1-amarillo

E3-rojo

E2-verde

http://sandwalk.blogspot.com/2007/04/structure-of-pyruvate-dehydrogenase.html

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Rxn’s de la Piruvato deshidrogenasa

TRES transformaciones químicas principales: 1. Decarboxilación (pierde CP2)2. Oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo3. Activación al enlazarla a Co-A con un enlace tioéster

Utiliza cinco Co-enzimas:

1. Tiamina pirofosfato (TPP) Gpo. Prostético de E12. Lipoamida – Grupo prostético de E23. Coenzima A (Co-A)4. FAD – Grupo prostético de E35. NAD+

VER ANIMACION de la PDH:http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animation

s/pdc/pdc.htm

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Coenzimas del complejo piruvato deshidrogenasa

Coenzima/enlace Funciones

Tiamina pirofosfato (TPP)-unido a E1

Descarboxilación y transferencia de grupos

aldehídoAcido lipoico-unido a Lys en E2

(lipoamida)Transportador de grupos

hidrógeno y acetilo

NADH-sustrato para E3 Transportador electrónico

FAD-unido a E3 Transportador electrónico

Coenzima A (CoA-SH)-sustrato para E2

Transportador de grupos acetilo

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Complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli

Actividadenzimática

Función Coenzimas

Piruvatodeshidrogenasa (E1)

Descarboxila al piruvato TPP

Dihidrolipoiltransacetilasa (E2)

Cataliza la transferencia del grupo acetilo a la CoASH

Ácido lipoicoCoASH

Dihidrolipoildeshidrogenasa (E3)

Oxida de nuevo a la dihidrolipoamida NAD+, FAD

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De piruvato en acetil CoA (PDH)

Descarboxilación del piruvato. Se forma un nucleófilo. Un residuo básico de la enzima extrae un protón del anillo de tiazol de la tiamina-pirofosfato (TPP). Se forma el intermediario, hidoxietil-TPP (HETPP), tras el ataque del anillo nucleófilo de tiazol al grupo carbonilo del piruvato con la pérdida de CO2.

En los siguientes pasos, el grupo hidoxietilo del HETPP se convierte en acetil-CoA por la dihidrolipoil transacetilasa.

El ácido lipoico está unido a la enzima a través de un enlace amida. Reacciona con el HETPP para formar un ácido lipoico acetilado y TPP libre.

El grupo acetilo se transfiere a continuación al grupo sulfhidrilo de la coenzima A.

Posteriormente, el ácido lipoico reducido se vuelve a oxidar por la dihidrolipoildeshidrogenasa. El FADH2 se oxida por el NAD+ y forma el FAD que se requiere para la oxidación del siguiente residuo de ácido lipoico reducido.

FIGURA 9-8 del McKee2

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De piruvato a acetil CoA (PDH)

Figura 16.6, Voet.

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Regulación de PDH

El complejo enzimático se activa alostéricamente por: NAD+

CoA-SH y AMP

Se inhibe por: concentraciones elevadas de ATPlos productos de la reacción: acetil-CoANADH

La inhibición es por producto por NADH y Acetil-CoAModificación covalente por la fosforilación de la subunidad E1 (sólo en eucariontes)

En tejido adiposo, la insulina incrementa la actividad de la piruvatodeshidrogenasaactivate mientras que en el músculo cardiaco suactividad es incrementada por catecolaminas

(Derivados de Phe y Tyr: Ej. norepinefrina, epinefrina y dopamina)

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Ciclo del ácido cítrico

… ya dentro de la mitocondria…

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Revisar esta liga

Ciclo del ácido cítrico

Reguladores del ciclo

http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/tca/tca.htm

Let´s play…!!

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Ciclo del ácido cítrico

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NOTAR LOS TIPOS DE RXN EN CADA PASODeshidratación, oxidación, etc…

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Ciclo del ácido cítrico

Reacciones individuales

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Paso 1: Acetil CoA a Citrato

La enzima saca un protón del grupo CH3 de Ac-CoA ( CH2)– (negativo)

(CH2)- forma un enlace con el carbonilo del oxaloacetato (intermediario)

Hidrólisis del enlace de la CoA. Es una rxn muy favorable

Enzima: Citrato sintasa

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle.html

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Citrato: acetil CoA a + oxalacetato

Rxn de condensación aldólica seguida por una hidrólisisCatalizada por citrato sintasa.El oxalacetato se condensa con acetil CoA citril CoA que luego es hidrolizado citrato y CoA.

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Paso 2: Citrato a Isocitrato

Isomerización. Primero sale un H2O y se agrega posteriormente

Mueve un grupo OH de un carbono a otro

Enzima: Aconitasa contiene un conjunto hierro-azufre (4Fe-4S)

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Isocitrato por isomerización

Se forma un alcohol secundario que puede oxidarse fácilmente

Rxn de deshidratación seguida por una hidratación: intercambio de un hidrógeno y un grupo hidroxilo

Enzima: aconitasa por ser cis-aconitato un intermediario

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Paso 3: Isocitrato a α-cetoglutarato

Primera de cuatro pasos de oxidación del ciclo

El carbono con el grupo OH grupo carbonilo con un intermediarioinestable

Pérdida subsecuente de CO2 (aún enlazado a la enzima)

Enzima: Isocitrato deshidrogenasa

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle_part2.html

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α-cetoglutarato: de isocitrato (se oxida y se descarboxila)

1a. Rxn redox del ácido cítrico

Enzima de descarboxilación: isocitrato deshidrogenasa.Intermediario: oxalosuccinato, que pierde CO2 para formar α-cetoglutarato

La tasa de formación del α-cetoglutarato define la tasa del ciclo del ácido cítrico

La oxidación genera NADH. Primer enlace con la cadena de transporte de electrones (CTE)

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Paso 4: α-ketoglutarato a succinil CoA

La enzima cataliza la oxidación que produce NADH, CO2 y un enlace tioester a una molécula de CoA

Enzima: COMPLEJO a-ketoglutarato desidrogenasa (similar a la queconvierte el piruvato a acetil-CoA –piruvato deshidrogenasa)

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Succinil-CoA: a partir de α-cetoglutarato (se oxida y se descarboxila)

Enzimas del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: α-cetoglutaratodeshidrogenasa, dihidrolipoil transsuccinilasa y dihidolipoil deshidrogenasa

Rxn de descarboxilación oxidativa (análoga a la conversión del piruvato en acetil-CoA, por la piruvato deshidrogenasa. Forma NADH y CO2

Productos (ambas) moléculas de tioéster con energía abundante, esto es, acetil-CoAy succinil-CoA

Requieren los mismos cofactores (TPP, CoASH, ácido lipoico, NAD+ y FAD)

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Paso 5: Succinil CoA a Succinato

Un grupo Pi desplaza a la CoA.

Se forma un enlace fosfato de alta energía al succinato

El grupo fosfato es transferido a GDP para formar GTP (en plantas y bacterias se forma ATP a partir de ADP y Pi)

Enzima: Succinil CoA sintetasa ó succinato tiocinasa

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Succinato: a partir de succinil-CoA (acoplada a una fosforilación a nivel de sustrato)

Rxn: ruptura del enlace tioéster de alta energía de la succinil-CoA

Enzima: succinato tiocinasa está acoplada en los mamíferos a la fosforilación a nivel sustrato de GDP

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Paso 6: Succinato a Fumarato

Tercer paso de oxidación.

El FAD acepta dos átomos de H del succinato

Enzima: Succinato deshidrogenasa

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle_part2.html

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Paso 7: Fumarato a Malato

Adición de agua al fumarato ubica un grupo OH enseguida del grupocarbonilo

Enzima: Fumarasa

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Síntesis de ATPNucleósido Difosfato cinasa

GTP + ADP GDP + ATP

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Paso 8: Malato a Oxaloacetato

La última de las cuatro oxidaciones del ciclo

El C que lleva el grupo OH es convertido a un grupo carbonilo (=) lo queregenera el oxaloacetato

Enzima: Malato deshidrogenasa

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Oxalacetato: regeneración

Enzimas: Succinato deshidrogenasa: oxidación del succinatofumarato. Utiliza FAD

Fumarasa: convierte en malato por hidratación

Malato deshidrogenasa: regenera oxaloacetato (OAA) oxidación dependiente de NAD+. Se forma un tercer NADH

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Resumen

El compuesto de 4 carbonos OAA se condensa con una molécula de dos carbones de un grupo acetilo y forma una molécula de 6 carbonos (6C): citrato

El citrato se descarboxila oxidativamente: forma α-cetoglutarato (5C)

El α-cetoglutarato se descarboxilaoxidativamente: forma succinato (4C)

El oxalacetato se regenera a partir del succinato.

(contnúa →

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Resumen

Una unidad de 2 carbonos entra al ciclo (grupo acetilo). Se liberan dos átomos de carbono (CO2)

3 iones Hidruros (6 electrones) se transfieren a 3 moléculas de NAD+

Un par de átomos de hidrógeno (2 electrones) se transfieren a una molécula de FAD

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Control del ciclo del ácido cítrico

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Control

La disponibilidad de sustratos

La necesidad de intermediarios del CAA como precursores biosintéticos

La demanda de ATP

Influyen en la operación del CAA

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Piruvato dehidrogenasa: regulada alostéricamente y fosforilación reversible

PASO IRREVERSIBLE:En animales, la formación de acetil CoA a partir de piruvato

La decarboxilación oxidativa del piruvato a acetil CoA conduce los átomos de carbón de la glucosa a dos destinos principales:

Oxidación a CO2 por el ácido cítrico (genera energía) o

Síntesis de lípidos

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Pir-deshidrogenasa: punto de control

Cuando ↑ los niveles de acetil CoA, NADH y ATP, se promueve la fosforilación y por tanto se inhibela actividad de la enzima

(la actividad de piruvatodehidrogenasa se inhibe cuando la carga de energía es alta y los intermediarios biosintéticos son abundantes)

De modo contrario, la presencia de piruvato y ADP (signo de baja energía) activan la dehidrogenasa al inhibir la acción de la cinasa.

El los iones de calcio, también regulan la actividad

http://www.uaf.edu/chem/451f00D/ExamIIa_key.htm

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Control hormonal de la PDH

Incremento en el Ca2+ citosólico

Incremento en el Ca2+ mitocondrial

Se activa la fosfatasa(se inhibe la fosforilación de la enzima)

Se activa el complejo de la piruvatodeshidrogenasa

Incremento en vasopresina

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Control hormonal de la PDH

Incremento en insulina

Se estimula la defosforilación del complejo

Se incrementa la conversión de piruvato a acetil CoA

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Control: reacciones irreversibles

ENZIMA CLASIFICACION ES IREVERSIBLE?

Citrato sintasa Transferasa SI

Aconitasa Hidatasa NO

Isocitratodeshidrogenasa

Ox-reductasa SI

Complejo α-Cetoglutaratodeshidrogenasa

Ox-reductasa SI

Succinil CoA sintasa Ligasa NO

Succinatodeshidrogenasa

Ox-reductasa NO

Fumarasa Hidratasa NO

Malato deshidrogenasa Ox-reductasa NO

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Regulación del ciclo

Puntos de inhibición

Intermediarios inhibidores

Activadores_ ADP y Ca2+

1. Piruvato deshidrogenasa: NADH y Ac-CoA

2. Citrato sintasa: NADH , citrato y succinil-Co-A

3. Isocitrato deshidrogensa: NADH y ATP

4. α-cetoglutarato deshidrogenasa: NADH y succinil-Co-A

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El ciclo del ácido cítrico se controla en diferentes puntos

La tasa del ciclo depende de: disponibilidad de sustratosnecesidad de intermediarios y la demanda de ATP

Los puntos principales de control lo constituyen las enzimas alostéricas:

isocitrato deshidrogenasa yα-cetoglutarato deshidrogenasa

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Isocitrato deshidrogenasa

La actividad de la enzima se estimula por:incrementos de ADP y NAD+

La actividad de la enzima se inhibe por:incrementos en la concentración de ATP y NADH.

(Es importante notar que varios pasos del ciclo requieren NAD+ o FAD, los cuales son abundantes solo cuando la carga de energía es baja).

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α-cetoglutarato deshidrogenasa

α-cetoglutarato deshidrogenasa se inhibe por:

succinil CoA y NADH (los productos de la reacción que cataliza)

y ATP.

En resumen la tasa del ciclo se reduce porun nivel alto de ATP.

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El ciclo del ácido cítrico como fuente de precursores

biosínteticos

http://www.bmb.leeds.ac.uk/teaching/icu3/lecture/14/index.htm

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Fuente de precursores biosintéticos

Además de ser una ruta degradativa para la síntesis de ATP, también es fuente de intermediarios para biosíntesis

Ej.: la mayoría de los átomos de carbón en porfirinas se derivan de succinilCo-A

Muchos aminoácidos se derivan del α-cetoglutarato y del oxalacetato asícomo bases púricas y pirimídicas.

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El ciclo debe de mantenerse

Si los intermediarios se desvían a otras rutas, deben de ser re-incorporados para que el ciclo siga funcionando

Por ejemplo, si se desvía el OAA hacia aa para la síntesis de proteínas:

se incrementa la necesidad de energía celular, la tasa del ciclo del ácido cítrico se reduce debido a

que acetil CoA no puede entrar al ciclo sin condensarse con el oxalacetato

Para que el ciclo siga funcionando se debe de mantener un nivel mínimo de oxalacetato.

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Cómo es re-incorporado el oxalacetato?

Los intermediarios del ciclo que se usan para biosíntesis son recuperados por medio de la formación de oxalacetato a partir de piruvato

El oxalacetato se forma por medio de la carboxilacióndel piruvato en una reacción catalizada por la enzima piruvato carboxilasa (que depende de biotina)

Esta enzima se activa solo en presencia de Acetil Co-A.

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Destinos del oxalacetato en base a requerimientos energéticos de la célula

Si la carga de energía es alta, el oxalacetato se desvía hacia la formación de glucosa.

Si la demanda de energía es baja el oxalacetato se reincorpora al ciclo del ácido cítrico.

Clase: porqué..??

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Ubicación donde se requiere…

www.sirinet.net/~jgjohnso/ reproduction.html

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Producción de ATP en procariontes

Durante la respiración aeróbica, a partir de una molécula de glucosa

http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio225/chap05/lecture4.htm

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Producción de energíaOxidación de azúcares y grasas

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Animaciones:

MUY DIDACTICO…!!!!!!!!http://www.johnkyrk.com/krebs.html

Otra versión light…http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/krebs.html

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Para recordar…

Compuesto Porqué necesito saberlo? Características

Glucosa Principal fuente de energía (como almidón)

Se almacena en cantidades limitadas

Triglicéridos Principal almacén de energía Su hidrólisis libera ácidos grasos y glicerol

Lactato Producto glucolítico del músculo blanco

Recicla hacia glucosa en el hígado

Alanina Principal aa liverado durante periodos de hambruna

Estructuralmente relacionado a lactato y piruvato

Glutamina Principal aa en sangre Estructuralmente relacionado a glutamatoy oxoglutarato

Aceto-acetato Peligro de muerte si está en exceso en cuadro de diabetes aguda

Importante fuente de energía durante periodos de hambruna