QUIMICA BIOLOGICA Lic. en Biol. Molec. e Ing. en Alim.

BOLILLA 3 (Lic. en Biol. Molec.): METABOLISMO. Vías metabólicas. Catabolismo, anabolismo y vías anfibólicas. Recambio metabólico. Regulación del metabolismo. Carbohidratos: Digestión y absorción. Ingreso de glucosa a las células. Familia de transportadores METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS. GLICOLISIS. Vía de Embden-Meyerhof. Fases de la glucólisis. Enzimas y cofactores que participan. Regulación enzimática. Rendimiento energético. Distintos tipos de fermentaciones. Utilización de fructosa y galactosa.

BOLILLA 4 (Ing. en Alim): METABOLISMO: Catabolismo y anabolismo. Vías metabólicas: secuencias lineales y ramificadas. Regulación de las vías metabólicas Catabolismo de los hidratos de carbono. Digestión y absorción. Sistemas de transporte. Importancia de los carbohidratos en la alimentación. GLICOLISIS. Vía de Embden-Meyerhof. Fases de la glucólisis. Regulación. Fermentación alcohólica y láctica. Balance energético.

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

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

GLUCOSA-6-P

Destinos metabólicos de la Glu-6-P Destinos metabólicos de la Glu-6-P

Glucógeno-génesis(principalmente en hígado y músculo)

Glucógeno

Via de las PentosasRibosa-5-P

Piruvato

Via Glicolitica

Glucosa

Glucosa-6-fosfatasa(sólo en hígado)

•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 I

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

•Las reacciones las dos fases de la glucólisis pueden desglosarse en sus 10 reacciones:

Reacción 1. Fosforilación de la glucosa a partir del consumo del primer ATP.

Hexoquinasa

Fosfogluco-isomerasa

Fosfofructo-quinasa

Aldolasa

Triosa fosfato isomerasa

VIA GLICOLITICA- FASE I

Reacción 2. Isomerización. Conversión de G-6-P (isómero aldosa) a fructosa-6-fosfato (F-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 F-6-P para formar fructosa-1,6-bifosfato (FBP).

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

Reaccion 4. Formación de triosas fosfato. La aldolasa cataliza la rotura de la F-1,6-BP en dos triosas, el gliceraldehído-3-fosfato (GAP) 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

CH2OPO32

C

CH2OH

O

C

C

CH2OPO32

H O

H OH+

fructosa-1,6- bisfosfato

Aldolasa

dihidroxiacetona gliceraldehído-3- fosfato fosfato

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 rotura aldólica, el GAP, continúa la vía glucolítica. La interconversión entre éste y la DHAP es catalizada por la Triosa fosfato isomerasa.

Dos moléculas de 3 carbonos

6

5

4

3

2

1CH2OPO32

C

C

C

C

CH2OPO32

O

HO H

H OH

H OH

CH2OPO32

C

CH2OH

O

C

C

CH2OPO32

H O

H OH+

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 gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del Gli-3-P, por el NAD+ 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 3PG 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+.

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

- En todos estos puntos la insulina activa, mientras que el glucagón inhibe, la actividad enzimática, en forma indirecta, controlando la fosforilación-desfosforilación de dichas enzimas reguladoras.

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

¿Cómo la Fructosa-2,6-difosfato regula la glucólisis en hígado?

Algo más sobre la Piruvato quinasa…

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

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

D-Galactosa

Galactoquinasa ATP

ADP

Galactosa-1-P

Gal-1-Puridiltranferasa

UDP-Glu

UDP-Galactosa

UDP-Glucosa

4-Epimerasa

Glucosa-1-P +

Fosforilasa a

Glucógeno

Pi

Fosfoglucomutasa

Glucosa-6-fosfato

D-Glucosa

ATP

ADP

Hexoquinasa

Fructosa-6-fosfato

Fosfomanosaisomerasa

Manosa-6-fosfato

D-Manosa

ATPADP

Hexoquinasa

Fosfofructoquinasa ATP

ADP

Fructosa1,6 difosfato

Gliceraldehído-3-fosfato

D-Fructosa

ATP ADP

Hexoquinasa

Fructoquinasa

Fructosa-1-fosfato

Glceraldehído Fosfato dedihidroxiacetona

+

Fructosa 1-fosfatoaldolasa

ATP ADP

Triosaquinasa

Triosafosfatoisomerasa

O

OH

HH

OH

H

OH

H OH

H

CH2OH

O

OH

HH

H

OH

OH

H OH

H

CH2OH

O

OHOH

HH

OHOH

H H

H

CH2OH

O CH2

OH

H

OH

OH

H

CH2

H

OH OH

ATP

ADP

FosfoglucoIsomerasa

Aldolasa

Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica. Fructosa, Galactosa y Manosa

GLUCOSA

2 PIRUVATO

VG

AerobiosisO2

Anaerobiosis

O2

Fermentación Alcohólica

(levaduras, algunosvertebrados marinos)

Fermentación Láctica

(músculo en contracción

vigorosa, eritrocitos, bacterias lácticas)

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, 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 mayor parte del lactato, producto final de la glucolisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa.

Ciclo de Cori

O2

GLUCOSA

2 PIRUVATO

VG

AerobiosisO2

Anaerobiosis

O2

Fermentación Alcohólica

(levaduras, algunosvertebrados marinos)

Fermentación Láctica

(músculo en contracción

vigorosa, eritrocitos, bacterias lácticas)

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 levadura (Sac. cerevisiae), el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la industria alimenticia: la conversión de piruvato a etanol y dióxido de carbono a través de las siguientes reacciones:

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

Fermentación acéticaFermentación acética(Gluconobacter y Acetobacter)

CH3-CH2-OH Etanol

NAD(P)+ NAD(P)H + H+

Alcohol deshidrogenasa

CH3-CHOAcetaldehído

O2

NAD(P)+ NAD(P)H + H+

CH3-COOHAc. acéticoAcetaldehído

deshidrogenasa

O2

¿Cuánta energía rinde un mol de glucosa en anaerobiosis?Balance energético de la vía glicolítica

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

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). 4- Docentes de Química Biológica, “QUIMICA BIOLOGICA Orientada a Ciencias de los Alimentos”, Nueva Editorial Universitaria de la Universidad Nacional de San Luis.

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.