Tema 6b. Metabolismo
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Tema 6b. El metabolismo
- Ciclo de Krebs
- Transporte electrnico y fosforilacin oxidativa
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Ciclo de Krebs, del cido ctrico o
de los cidos tricarboxlicos
Metabolismo energtico y mitocondrias
Formacin del acetil-CoA: el Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Reacciones del Ciclo de KrebsBalance energtico
Regulacin del Ciclo de Krebs
Naturaleza anfiblica del ciclo: conexiones con rutas biosintticas
y reacciones anaplerticas
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El metabolismo energtico tiene lugar en las mitocondrias
Membrana
interna
mitocondrial
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En el metabolismo, el acetil-CoA es una encrucijada
y la piruvato deshidrogenasa una vlvula metablica
La descarboxilacin oxidativa del piruvato a acetil-CoA es un proceso irreversible.
El acetil-CoA se dirige bien hacia la obtencin de energa por oxidacin en el ciclo deKrebs o bien hacia el metabolismo lipdico, sin vuelta atrs metablica posible.
Por tanto, la Piruvato Deshidrogenasa es una vlvula metablica y un enzima claveen el metabolismo celular.
Enlace tioster de
alta energa
!G0 = - 32,2 kJ/mol
Piruvato
Deshidrogenasa
Protenas
Ciclo de
Krebs
energa
Aminocidos
Glucosa
Piruvato
Acetil-CoA
Lpidos
Acidos grasos
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Complejo Piruvato Deshidrogenasa
El CPdH est en la matriz mitocondrial, a donde el piruvato entra gracias a un
transportador especfico que lo intercambia por OH-.
Est formado por tres enzimas y cinco coenzimas. Es un prototipode otros
dos complejos: "-cetoglutarato deshidrogenasa (del Ciclo de Krebs) y "-cetocidodeshidrogenasa (de la degradacin de aminocidos).
Enzimas
E1: piruvato deshidrogenasa (TPP)
E2: dihidrolipoil transacetilasa (lipoamida, CoA)
E3: dihidrolipoil deshidrogenasa (FAD, NAD+)
Coenzimas
TPP: tiamina pirofosfato
LipoatoCoenzima A
FAD: flavn adenn dinucletido
NAD+: nicotinamida adenn dinucletido
En realidad, la descarboxilacin
oxidativadel piruvato a acetil-CoA est
catalizada no por un enzima, sino por el
Complejo multienzimtico Piruvato
Deshidrogenasa (CPdH).
cido lipoico
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Reacciones del Complejo Piruvato Deshidrogenasa
La piruvato deshidrogenasa es un
ejemplo claro de canalizacin de
sustratos, ya que los intermedios
de la reaccin nunca abandonan la
superficie del complejo enzimtico
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El Ciclo de Krebs, del cido ctrico
o de los cidos tricarboxlicos, es
clave en la produccin de energa
Es la va final comn para la oxidacin de las
molculas orgnicas: aminocidos, cidosgrasos y carbohidratos.
Tras ser metabolizadas, entran al ciclo como
acetil-CoA, que es la unidad bsica decombustible para la oxidacin aerbica.
El ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial,
e incluye una serie de reacciones redox queconducen a la oxidacin de un grupo acetilo
hasta dos molculas de CO2.
La funcin del ciclo es obtener electrones dealta energaa partir del combustible acetil-CoA.
Estos electrones son transportados por loscoenzimas NADH y FADH2, que luego los ceden
a la cadena respiratoria. Ello permite la sntesisde ATP por fosforilacin oxidativa.
El Ciclo de Krebs, junto con la cadena
respiratoria y la fosforilacin oxidativa, aportan lamayor parte de la energautilizada por las
clulas aerobias(en torno al 90-95%).
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Visin y reaccin global del ciclo de Krebs
Acetil-CoA + 3 NAD++ FAD + GDP + Pi + 2 H2O
2 CO2+ 3 NADH + FADH2+ GTP + 2 H++ CoA-SH
Hay una primera condensacinde un grupo acetilo del acetil-CoA
con el oxalacetato para dar citrato.
A nivel energtico, por cada
acetil-CoA oxidado se obtienen4 pares de electrones y un
enlace fosfato de alta energa.
Este es convertido en isocitrato, que sufredos descarboxilaciones oxidativas.
Luego hay una fosforilacin a nivel de
sustratoy dos oxidacionesms.
Adems hay procesos
de hidrataciny
deshidratacin.
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Reacciones del
Ciclo de Krebs
Los dos C que salen
en forma de CO2no
son los que entraron
como acetil-CoA
Membrana
interna
mitocondrial
Similar al CPdH
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El O2no interviene en el ciclo.
Sin embargo, el ciclo solo funciona en condiciones aerbicas,
ya que en la mitocondria slo se puede regenerar el NAD+y elFAD mediante la transferencia de electrones al O2.
Reacciones del ciclo de Krebs
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Regulacin de la Piruvato Deshidrogenasa y el Ciclo de Krebs
En el ciclo de Krebs, la regulacin se hace sobre lacitrato sintasa, isocitrato deshidrogenasay -
cetoglutarato deshidrogenasa.
El efecto regulador sobre ellas de los niveles de los
metabolitos clave hace que el flujo a travs del ciclose ajuste a una velocidad que permita mantenerconcentraciones ptimas de ATP y NADH.
En condiciones normales, las velocidades de laglucolisis y el ciclo de Krebs estnintegradas.
La adaptacin de la velocidad de la glucolisis sehace no slo a travs de ATP y NADH, sino tambindel citrato, que inhibe la PFK-1.
El Complejo Piruvato Deshidrogenasaes reguladode forma integradapor interacciones alostricas y por
modificacin covalente, que a su vez est regulada por
los niveles de metabolitos.
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Naturaleza anfiblica del Ciclo de Krebs: implicacin en
el anabolismo y reacciones anaplerticas o de relleno
Varios internediarios del
ciclo son precursoresanablicos, es decir, que
pueden ser usados pararutas biosintticas.
Por ello debe haber
sistemas para generarloscon rapidez si baja su nivel,
para que el ciclo sigafuncionando normalmente.
As, hay cuatro posibles
reacciones anaplerticasque los reponen a partir de
piruvato o de PEP.
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Metabolismo glucdico. Puntos de conexin y metabolitos clave
1.
Hexoquinasa
2. Fosfoglucomutasa
3. Fosfoglucosa isomerasa
4. Ruta de las Pentosas fosfato
5. Lactato deshidrogenasa
6.
Alanina aminotransferasa
7. Glucolisis
8. Gluconeognesis
9. Piruvato Deshidrogenasa
10. Ciclo de Krebs
11.
Biosntesis de cidos grasos12. Biosntesis de esteroides
Cuerpos
cetnicos
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Cadena de transporte electrnico
Conversin del flujo de electrones en energa qumica
Coenzimas y grupos transportadores de electrones
Cadena de transporte electrnico mitocondrial
Generacin del gradiente de protones
Fuerza protn-motriz y fosforilacin del ADP
Transporte a travs de la membrana interna mitocondrial y
lanzaderas de sustrato
Regulacin de la cadena y la fosforilacin
Balance energtico
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La relacin del potencial de reduccin E con la variacin de energa libre G,
y por tanto con la energa aprovechable metablicamente, viene dada por:
Ecuacin
de Nernst
Mediante el transporte electrnico, las reacciones redox biolgicas
permiten generar enlaces de alta energa en el ATP
Los electrones fluyen desde los pares redox con potencial de reduccin E
ms negativoa aqullos con E ms positivo. El valor del potencial dereduccin viene dado por:
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Potenciales de reduccin estndar Ede algunas
semireacciones de importancia biolgica
Muchos movimientos electrnicos entre
pares redox biolgicos tiene lugar mediante
pares de electrones
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Sistemas transportadores de electrones
Coenzimas principales
Son hidrosolubles, e intervienen en muchas reacciones redox metablicas:
NAD+yNADP+: cofactores mviles, se trasladan de un enzima a otro.
FAD yFMN: son grupos prostticos de flavoprotenas, a las que estnfuertemente unidas.
Otros sistemas
Algunos son protenas de membrana, de los tipos protenas ferrosulfuradas(o protenas Fe-S) y citocromos.
Tambin est la quinona liposoluble Ubiquinona o Coenzima Q, presente entodos los organismos con metabolismo respiratorio. Hay distintas formas, en
funcin del nmero de unidades de isopreno de su cola. La ms abundante en
humanos es la CoQ10, que tiene 10 unidades (E0 = - 0,045 V).
Gracias a su carcter liposoluble, la CoQ est por todas las membranas
celulares, desarrollando distintas funciones gracias a su capacidad redox.
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Coenzimas principales
del transporte de e-en
las reacciones redox
biolgicas
NAD(P)+: nicotinamida adenn
dinucletido (fosfato)
Estn unidos covalentemente
a sus enzimas: son grupos
prostticos
Son solubles y transportan
electrones entre molculas
FMN: flavn mononucletido
FAD: flavn adenn dinucletido
E0 = - 0,22 V (para FAD)
E0 = - 0,3 V (para FMN)
E0 = - 0,32 V (para NAD+y NADP+)
ribitol
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Nucletidos de nicotinamida en el catabolismo y la biosntesis
El NAD+es el cofactor de la mayora de las enzimas que actan en la direccin de oxidacin
de los sustratos (deshidrogenasas), mientras que el NADPHsuele actuar como cofactor para
las reductasas, que son enzimas que catalizan la reduccindel sustrato.El NAD+se regenera principalmente en el proceso de transporte electrnico.
El NADPH se genera a partir del NADP+en la Ruta de las pentosas fosfato, o bien a partir
del NADH mediante la accin de la transhidrogenasa mitocondrial.
El NADP+se sintetiza a partir del NAD+por un reaccin de una quinasa dependiente de ATP.
La [NAD+ + NADH] est en torno a 10-5 M, y la de [NADP+ + NADPH] es 10 veces menor.
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Estructura de los centros Fe-S
Fe Fe2S2 Fe4S4
Ferredoxina Fe2S2deAnabaena
Grupos prostticos de los citocromosProtena
Hemo A Ferro-protoporfirina IX Hemo C
Citocromos A Citocromos B Citocromos C
Tanto los citocromos como las protenas Fe-S intervienen en
la cadena respiratoria, pero tambin en muchos otros procesosy reacciones, en los que los grupos hemo y Fe-S actan como
cofactores redox.
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Componentes de la cadena de
transporte electrnico mitocondrial
La CoQ capta los electrones de los Complejos I y II, y
se los cede al Complejo III.
El Citocromo cno es parte de un complejo enzimtico.
Se mueve por el lado exterior de la membrana entre losComplejos III y IV como una protena libremente soluble.
FADH2
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Transportadores electrnicos de la
cadena respiratoria y sus potenciales
de reduccin estndar
lado de
la matrizlado inter-
membranal
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Energa producida en la cadena de transporte electrnico
Hay tres saltos energticos asociados al paso de los electrones del NADH por
los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria.
Estos saltos energticos se utilizan como fuente energtica para la extrusin de
protones de la matriz mitocondrial en contra de su gradiente de concentracin.
Potencial de
reduccin, E
!O2+ 2 H++ 2 e- H2O 0,816 v
NAD++ H++ 2 e- NADH - 0,320 v
!G = - n F !E
G = - 2 x 96.480 x 1,136 = 219.202 julios/mol = 219,2 kJ/mol de NADH
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El transporte de electrones genera un gradiente de protones
Salida de H+de la matriz mitocondrial debida al flujo por la cadena
respiratoria de 2 e-cedidos por el NADH (10 H+) o el FADH2(6 H+)
El paso de e-porlos Complejos I, III y
IV se acopla a laextrusin de H+de
la matriz al espaciointermembranoso
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El coenzima Q es paso obligado de los electrones
procedentes de varias vas
ETF: flavoprotena
de transferencia de
electrones
Ciclo deKrebs
Lanzadera del
glicerol-3-fosfato
$-oxidacin delos cidos grasos
Deshidrogenasas
NADH
Complejo I
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Fuerza protn-motrizEspacio
intermembranalMatriz
El flujo de electrones a travs de la cadenarespiratoria provoca la formacin de un gradiente
de H+
a travs de la membrana interna, con mayor[H+] en el espacio intramembranal que en la matriz
y un potencial de membrana negativo en el interior.
Ello genera un potencial electroqumicollamado p, que desarrolla una fuerza protn-
motriz que impulsa la vuelta de los H+a la matriz.
La vuelta se realiza
a travs del poro de laFoF1ATP sintasa, queusa la fuerza protn-
motriz para fosforilarADP y obtener ATP.
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La FoF1ATP sintasa es una ATPasa de tipo F
Matriz
Espacio
intermembranoso
371 kDa
8,5 x 10 nm
La FoF1ATP sintasa de la membrana interna mitocondrial est formada por unas
25 subunidades y tiene un tamao de 450 kDa. Tambin se llama Complejo V.
En la subunidad o dominio F1, el ADP y el Pi se unen y el ATP se formafcilmente, quedando unido al enzima: el gasto energtico es para su liberacin.
El flujo de H+provoca el giro de la unidad mvil formada por el anillo c10de Fo
y el tallo %&de F1, y las s.u. $van cambiando entre tres conformaciones a medida
que la s.u. %interacciona con ellas, permitiendo en la tercera la liberacin del ATP.
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La energa del gradiente de protones !pse
usa para distintos objetivos en las clulas
En los sistemas biolgicos, los gradientes de protones constituyen la
principal divisa interconvertible de energa libre. La fuerza protn-motriz esuna forma sencilla y eficaz de almacenar energa libre porque slo requiere
una membrana lipdica cerrada que separe dos fases acuosas. Es la fuerzaclave de la la Teora quimiosmtica descrita por Peter Mitchell en los aos 70.
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Los transportadores de la
membrana interna mitocondrial
permiten el transporte de
metabolitos relacionados con la
obtencin de ATP
H+
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Las lanzaderas de sustrato de la membrana interna transportan
pares de electrones del NADH desde el citosol a un componente
de la cadena respiratoria o al interior de la mitocondria
Lanzadera del glicerol-3-fosfato (cerebro, msculo)
1,5 ATP por cada 2 e-del NADH + H+
Lanzadera del malato-aspartato (hgado, rion, msculo cardaco)
2,5 ATP por cada 2 e-del NADH + H+
KG: "-cetoglutarato
Malatodeshidrogenasa
Malatodeshidrogenasa
Glicerol 3P dH
El NADH obtenido en el citosol (de la
glucolisis y otras rutas) no puede atravesarla membrana interna mitocondrial
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La velocidad de la cadena respiratoria est ntimamente ligada a la fosforilacin
oxidativa, de manera que los electrones no fluyen hasta el O2a menos que elADP sea fosforilado simultneamente a ATP. Es decir, a nivel de regulacin
funcionan como una unidad.
La velocidad de la fosforilacin oxidativa est controlada por la relacinNADH/NAD+, el Pi,la pO2y el H
+, pero sobre todo por el nivel de ADP, que se
denomina control respiratorio o control por aceptor(del Pi). Este sistema decontrol puede llegar a acelerar 10 veces el consumo de O2.
Este control se extiende hasta el ciclo de Krebs, a travs del consumo de
NADH y FADH2, y desde el ciclo a la glucolisis. Los electrones no fluyen desdelos combustibles hasta el O2a menos que se necesite sintetizar ATP.
Regulacin de la fosforilacin oxidativa
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Produccin de ATP mediante la oxidacin
completa de la glucosa a CO2y H2O
En conjunto, se producen 30 32 molculas de ATP por
molcula de glucosa, lo que comparado con la energa de
oxidacin de la glucosa supone una eficiencia termodinmica
en torno al 33%en condiciones estndar.
En la clula la eficiencia aumenta hasta el 65-70%.
Las estequiometras del bombeo de H+, consumo de O2y
sntesis de ATP se hacen en base a estimaciones, por la naturaleza
difusa de la energa quimiosmtica.
Se estima que se sintetizan 2,5 ATP por cada 2 e-transferidos
por el NADH (bombeo de 10 H+), y 1,5 ATP si lo son por el FADH2
(bombeo de 6 H+). Eso supone un aprovechamiento energtico
sobre la !G de reduccin en torno al 35%en condiciones estndar.
