TERMODINAMICA Y BIOENERGTICA

Ciclo de Krebs y BioenergticaBIOQUMICAAo 2013GLSLas 3 Etapas de la Respiracin

Oxidacin metablica de sustratos orgnicos

1. Generacin de grupo acetilo del ACETIL~CoA, desde PIRUVATO, CIDOS GRASOS (mitocondria), o AMINOCIDOS (citoplasma/mitocondria).

2. Oxidacin de los carbonos del acetilo en el CICLO DE KREBS(mitocondria).

3. Pasaje de electrones de la oxidacin en un segundo paso a travs del sistema de TRANSPORTE DE ELECTRONES para obtener ATP en la FOSFORILACIN OXIDATIVA.PROTENASPOLISACRIDOSGLICRIDOSAMINOCIDOSGLICEROL + AGGLUCOSAPIRUVATOACETIL-CoAOxidacin FosforilativaADP + PiATPH2OO2MITOCONDRIAH+CO2(NADH, FADH2)1 Etapa2 Etapa3 EtapaGrupo alimenticio

Unidad metabolizada

Transformacin convergenteCarbohidratosGlucosaENERGA en ATPGrasas (Lpidos)Acidos grasosProtenasAminocidos

Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aerbicasFermentacin a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras clulas y algunos microorganismos Fermentacin a Alcohol en levaduras - O2- O2+ O25CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

Papel central en el metabolismo. Reacciones individuales. Estequiometra y rendimiento energtico. Regulacin.

Nucleolo Ncleo Ribosoma (snt. Prots.)Vescula RER Golgi Citoesqueleto RELisoMitocondria Vacuola Citoplasma Lisosoma Centrolo Imagen de Magnus Manske Transaminaciones, eta-oxidacin, Ciclo de Krebs, Cad. Respiratoria y Sntesis de ATP Snt. y secrecin de ProtenasGlicosilacinAcilacin Snt. cs Nucleicos y regulacin de la expresinGluclisis, Pentosas-P, TransaminacionesTRENES DE H+ para NADH CITOPLASMTICONADH+H+NAD+ Di-HO-ACETONA-P---------------> GLICEROL-3PGli-3-P-DH (Mitocondrial) Glicerol-3P-DH (Citosol)

Di-HO-ACETONA-PAA, Malato, Succinato, PiruvatoNAD+, NADH, FAD HS-CoATranslocasasADPATP Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA(+)(-)FAD+FADH2 Malato Oxalacetato AspartatoNADH + H+

Algunos AA se degradan a Piruvato, y a estos les da origen: alanina, cisteina, glicina, serina, treonina, y triptofano.

En la fermentacin es convertido a lactato , etanol, AGV.Es el final de la glucolisis Las Enzs que actan s/ el Piruvato son:Piruvato QuinasaPiruvato DescarboxilasaPiruvato DeshidrogenasaLactato DeshidrogenasaPiruvato CarboxilasaTransaminasasEs un punto de inicio para la gluconeognesis. PiruvatoDescarboxilacin Oxidativa del Piruvato1) Descarboxilacin exergnica y fijacin del resto acilo a la TPP-Enz2) Formacin de sulfoester de alta Energa con Lipoato3) Transtiolacin isoergnica del acetilo desde el Lipoato a la HS-CoAEnzimaCosustrato prostticoSustrato solublePiruvato deshidrogenasa Pir. descarboxilasaE1TPP = Tiamina pirofosfatoDihidrolipoil transacetilasaE2LipoamidaCoenzima ADihidrolipoil deshidrogenasaE3FADNAD+Otras enzimas con igual mecanismo:Alfa-cetoglutarato DH, Alfa-cetobutirato DH, cadena ramificada cetocido DH

TIAMINAComplejo Piruvato deshidrogenasa

HPiruvato Deshidrogenasa Fuente de acetil-CoA para el ciclo del cido ctrico Cataliza la descarboxilacin oxidativa del piruvato.Se usan 4 Vitaminas diferentes como coenzimasPiruvato + NAD+ + CoA-SH Acetyl~CoA + NADH + CO2

Energticamente muy favorable ( G = -33.5 kJ/mol) y esencialmente irreversible in vivo.

Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsnico que se unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida)RHSHSAsOHOH-O+RHSHS+R-As=OR S SAs RR S SAs-OArsenitoArsenicalorgnico

E3 (componente Dihidrolipoamida-DH)Es inhibida por NADH y activada por NAD+.

La actividad del complejo es coordinada por las relaciones La actividad del complejo Pir-DH es coordinada por la proporcin de Coenzima A acetilada y libre.

E2 (componente transacetilasa)Es inhibida por acetil-CoA y activada por CoA-SH. En mamferos, E1 del complejo piruvato dehidrogenasa es susceptible de modificacin covalente.[NADH]/[NAD] y [acetil-CoA]/[CoA]+ Fosforilacin de Ser en eucariotas Pir-DH-kinasa (+) y Pir-DH-Fosfatasa (-)RegulacinATP es un inhibidor alostrico del complejo.

El enlace tioester posee unaalta energa libre de hidrlisisAporta los dos C que se van a oxidar en el ciclo del cido ctrico.

Acetil-CoA

Se origina en: Glucosa, cidos grasos y aminocidos.

Es precursor de: cidos grasos, colesterol, aminocidos y se oxida en el Ciclo de KREBSAcetil~CoA + H2O acetato + HS-CoA + H+G = -32,2 kJ/mol

Respiracin aerobia y anaerobiaORIGEN DEL ACETIL~CoA- Descarboxilacin del Piruvato.- Oxidacin de cidos Grasos.- A partir de Aminocidos cetognicos.

BicarbonatoPiruvatoaPiruvato CarboxilasaOTRO DESTINO DEL PIRUVATO18

Estrategia General y objetivos del Ciclo del Acido Ctrico (C. de Krebs)En cada vuelta se introducen 2 carbonos (Acetil-CoA), y su equivalente ser totalmente oxidado. Se liberan 2 molculas de CO2.La energa libre de la oxidacin se conserva en forma de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) y GTP.Los intermediarios se reciclan y pueden dar AA, AG, Colesterol, Glc, Porfirinas, oxidar esqueletos de AA. 19Ciclo de Krebs de los cidos tricarboxlicos En el ciclo entra una molcula de acetato (dos tomos de C) salen dos molculas de CO2 y cuatro pares de hidrgenos.

1 molcula de glucosa -> 2 de acetato (4 C), que se degrada en un proceso cclico.

Una serie de sustancias del ciclo ceden H por pares (2H) a otra (NAD, FAD) reducindola (a NADH, FADH2). En cierta forma, el proceso equivale a tener tomos de H que se pueden unir con el O durante la respiracin para formar agua.

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1 - CITRATO SINTASAAdicin de un grupo acetilo (transportado por HS-CoA) al Oxalacetato = Citrato2 - ACONITASACambio de un grupo -OH del Citrato de la posicin 3 a la 2, dando Isocitrato3 - ICDH + NAD+: Deshidrogenacin y descarboxilacin. Oxidacin del -OH del Isocitrato de la posicin 2, debilitacin y prdida del -COO- central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)4 - -CETOGLUTARATO DH + NAD+: Deshidrogenacin , descarboxilacin y sntesis (Similar a reaccin de Piruvato-DH)Por la oxidacin se debilita y pierde el COO- . Ingresa 1 HS-CoA que transporta el Succinato, central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)5 - SUCCINIL-CoA SINTETASA: Hidrlisis del Succinil-CoA, c/liberacin de suficiente E p/sntesis de GTP6 - SUCCINATO DH + FAD+:Oxidacin con insaturacin del Succinato7 - FUMARASA + H2O: Hidratacin del Fumarato8 - Malato DH + NAD+: Oxidacin del Malato en su grupo alcohol (a carbonilo) reconstituyendo Oxalacetato.

EC 2.3.3.1.EC 4.2.1.3.EC 1.1.1.41/42.E1- 1.2.4.2.E1- 2.3.1.12.E1- 1.6.4.3.EC 6.2.1.4.EC 1.3.99.1.EC 4.2.1.2.EC 1.1.1.37.[[Cis-Aconitato]

Molculas:

Simtrica

Asimtricas (quiral)

Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2Pi + 2NAD+2 cido pirvico + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2 H2OBalance2 Piruvatos + 2 HS-CoA + 2 NAD + 2 cetil~S-CoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ + Glucosa + Oxgeno => Dixido de Carbono + Agua + Energa o bien, C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol 180 g (1 mol) Glucosa son oxidados por 192 g (6 moles) de oxgeno y se forman 264 g (6 moles) de CO228SustratosProductos*ATPGlucosaGlc-6-P-1ATP-1Fructosa-6-PFru-1,6-diP-1ATP-12 Gliceraldehidos-1,3-diP2 1,3-diP-Gliceratos2NADH3,52 1,3-diP-Gliceratos2 3-P-Gliceratos2 ATP22 PEP2 Piruvatos2 ATP22 Piruvatos2 Acetil-CoA2 NADH52 Isocitratos2 -Cetoglutaratos2 NADH52 -Cetoglutaratos2 Succinil-CoA2 NADH52 Succinil-CoA2 Succinatos2 ATP (2 GTP)22 Succinatos2 Fumaratos2 FADH232 Malatos2 Oxaloacetatos2 NADH5TOTAL30-32Formacin de ATP en la Gluclisis, descarboxilacin oxidativa del Piruvato, Ciclo de Krebs y Sistema acoplado de Cadena Respiratoria-Fosforilacin Oxidativa.*Calculando segn: 2,5 ATP por NADH y 1,5 ATP por FADH2.

La metabolizacin de la Glc libera E que es capturada en molculas de ATP2 ATP36-38 ATP( 30-32)30La velocidad de la Gluclisis y la del Ciclo de Krebs (que consume Acetil-CoA) estn integrados (bajo condiciones normales) por:

Inhibicin por altos niveles de ATP y NADH (componentes comunes de ambas vas); yPor la concentracin de Citrato (producido en Krebs que inhibe la Fosfofructoquinasa de la Gluclisis)

Se metaboliza tanta Glc requiera el Ciclo de Krebs

Carcter Anfiblico del Ciclo del Acido CtricoAlgunos intermediarios del ciclo son precursores y/o derivados de otros compuestos

Retiro de intermediarios hacia vas anablicasReposicin anaplertica de intermediarios agotados.Las reacciones de transaminacin y desaminacin de AA son reversibles, por lo que su direccin vara en funcin de la demanda metablica.Tips del Ciclo de Krebs biosinttico ahorro de energa

Remocin de intermediarios puede saturarse. nica va enzimtica saturable azcares cidos grasosEn la respiracin aerbica se conserva aprox. el 42 % de la energa de la glucosa en forma de ATP.

288 Kcal * mol-1 (1205 KJ* mol-1 )

Es una reaccin fuertemente exergnica, con una energa libre ( G) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/ 686 x 100= 42 %. 36TERMODINAMICA Y BIOENERGTICA Bioenergtica: leyes de la termodinmica-Estudia las transformaciones de energa que tienen lugar en la clula. -Naturaleza y funcin de los procesos qumicos en los que se transforma la energa en seres vivos.

CLULASNecesitan de energa p/sus actividades (desarrollo, crecimiento, renovacin de estructuras, sntesis de molculas, etc).Segn la fuente de carbonos:Auttrofos: Pueden utilizar el CO2 como fuente de C (bacterias, vegetales).Hetertrofos: obtienen C de molculas orgnicas complejas (animales, microorganismos).

CLULA ANIMALEnerga qumica para realizar trabajo proviene de la oxidacin de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

Metabolismo: suma de las reacciones qumicas que ocurren en la clula (organizadas en series de reacciones catalizadas) = rutas metablicasCatabolismo: Las molculas nutrientes se convierten en otras mas pequeas y simples.Anabolismo: molculas pequeas reaccionan para convertirse en otras ms grandes y complejas.Fase dedegradacinFase desntesisATPADPNADPH+H+NADP+En una transformacin qumica, gralmente se rompen enlaces y el contenido de energa (E) de las molculas aumenta o disminuye (DG aumenta o disminuye).

Moneda de intercambio de Energa en los procesos biolgicos = ATP

Beta-Oxidacin y Krebs

NADH, NADPH y FADH2 son los principales transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservacin de la Energa Libre que se produce en la oxidacin de los sustratos

Ana l og as

Na t u r a l es42DEFINICIONESENERGA: Es la capacidad para producir un trabajo.

SISTEMA: toda porcin del universo que se somete a estudio

MEDIO: es lo que rodea al sistema

UNIVERSO = SISTEMA + MEDIOKeq = [C][D] / [A][B]Para cada reaccin qumica, el valor de la Keq es caracterstico a una T dada.Si Keq >1, la reaccin se encuentra desplazada hacia Si Keq 0 (NO FACTIBLE y ENDERGNICO)

REACCIONES CON:-G = son exergnicas y espontneas a derecha

+G = endergnicas e inviables a derecha pero pueden ser viables por acoplamiento energtico con las exergnicas

COMPUESTOS DE ALTA ENERGA Compuestos c/Patos G de hidrlisis, en kJ/molFosfoenolpiruvato (-61.9)1,3-bifosfoglicerato (-49.3)Fosfocreatina (-43.0) ATP (-30.5)ADP(-30.5)Glucosa-1-fosfto(-20.9)Glucosa-6-fosfto(-13.8)ATPEs el compuesto de alta energa de mayor importancia en la clula.El ATP a pH fisiolgico se encuentra como ATP4-. Las 4 cargas negativas se encuentran prximas y originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi o AMP+PPi.Adems los productos de la hidrlisis se solvatan mejor y se estabilizan por resonancia contribuyendo a disminuir DG y desplazando la reaccin hacia

Transferencia de energa en el metabolismo celularP (grupos fosfato) = conservacin y transferencia de E

1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP

Creatn-P y Arginn-P = reservas de E p/cederla al ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales como el msculo)

Fosforilacin oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E liberada por oxidacin de coenzimas reducidas) Desde el punto de vista energtico, una reaccin con un DG positivo no podra ocurrir a no ser que exista un aporte de energa que la haga posible.

Dicho aporte, lo proveen compuestos de alto contenido energtico, que se caracterizan por tener enlaces que al romperse liberan una alta cantidad de energa. Este proceso se llama acoplamiento.

MOLECULAS DE ALTA ENERGIA : ATP, Acetil-CoA, Creatina Fosfato, Fosfoenol Piruvato, por ejemplo.

56Reacciones acopladasLas Enzimas pueden combinar reacciones exergnicas con endergnicas para resultar en una reaccin acoplada que en conjunto es exergnica (reaccin espontnea).REACCIONES ENERGTICAMENTE ACOPLADASnombreDG(kcal/mol)ATP ADP + P-7,3ADP AMP + P-7,7AMP adenosina + P-3,4Una reaccin altamente exergnica puede hacer que otra endergnica ocurra si ambas se acoplan.Los valores de DG de reacciones secuenciales son aditivos

Este principio explica por que una reaccin termodinmicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reaccin que sea exergnica, a travs de un intermediario comn

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP

G = -7,3 + 3,3 = -4,0 Kcal/mol ACTIVACIONEs la unin de molculas biolgicas de modo tal que, la ruptura de ese enlace qumico formado, tiene un DG