Bloque II: Metabolismo, Ciclo de Krebs y Acetil-CoA de USC

Bioquímica de la Universidad de Santiago de Compostela

USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Metabolismo: Ciclo de Krebs

BLOQUE II: METABOLISMO Tema 6. Ciclo de Krebs Juan Jose Nieto Fontarigo

Contenidos del Ciclo de Krebs

USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

Producción de Acetil-CoA

1. Origen de Acetil-CoA
2. Oxidación del piruvato

Ciclo de Krebs

1. Reacciones del ciclo de Krebs
2. Regulación del ciclo de Krebs
3. Ruta anfibólica

Juan Jose Nieto Fontarigo

Producción de Acetil-CoA

USC UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Bioquímica Grado en Enfermería. Facultad de Enfermería Departamento de Bioquímica y Biología Molecular Tema 6.1. Producción de Acetil-CoA

Origen del Acetil-CoA

Fases de la respiración:

1. Generación de Acetil-coenzima A

   Glucógeno Triacilgliceroles Proteínas Glucogenólisis Lipólisis Proteólisis > Glucosa Ácidos grasos libres Aminoácidos Glucolisis Piruvato ß-Oxidación Oxidación Desaminación y oxidación Acetil CoA

2. Oxidación del grupo acetilo en el Ciclo del Ácido Cítrico
3. Cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa.

Amino Fatty acids acids Glucose Stage 1 Acetyl-CoA production Glycolysis Pyruvate e pyruvate dehydrogenase complex ℮ Acetyl-CoA Stage 2 Acetyl-CoA oxidation Citra e Oxaloacetate Citric acid cycle e CO2 CO2 NADH, FADH2 (reduced e- carriers) e' Stage 3 Electron transfer and oxidative phosphorylation 2H+ + 102 Respiratory (electron-transfer) chain H2O ADP + Pi ATP Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquímica.@ Ed Omega, 2008

Oxidación del Piruvato

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Encrucijada del Metabolismo

· El piruvato está en una encrucijada del metabolismo:

• Producto de la glucolisis
• Convertido desde/hacia lactato (Lactato DH)
• Convertido desde/hacia alanina (ALT)
• Transformado en acetil-CoA (Piruvato DH)
• Transformado en oxalacetato (Piruvato carboxilasa)

⚫ Para su transformación debe transportarse del citoplasma a la matriz mitocondrial, mediante proteínas transportadoras (MPC), donde será metabolizado.

CH3 CH3 1 H2N -CH HO-C-H 1 - COOH COOH Alanina Lactato NADH NAD+ Lactato Alanina transaminasa 0 deshidrogenasa CH3 - C - COOH Piruvato CoA ATP NAD+ E ADP Piruvato carboxilasa CO2 0 = CH3 - C-SCOA Acetil-CoA Citrato sintasa COOH 1 CH2 -COOH C= 0 HO-C-COOH CH2 CH2 - COOH COOH Oxalacetato Citrato Figura 10.3. Baynes & Dominiczak: BIOQUÍMICA MÉDICA. 5ª Ed. @ Elsevier, 2019. Piruvato deshidrogenasa NADH CO2

Oxidación del Piruvato y Ciclo de Ácido Cítrico

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Esqueletos Carbonados

· Antes de entrar en el ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos), los esqueletos carbonados de biomoléculas son oxidados hasta el grupo acetilo (2C) del Acetil-CoA Piruvato CO2 + Acetil-CoA . Aunque parece sencilla, la reacción incluye la generación de un transportador electrónico reducido (NADH), la descarboxilación del piruvato y la activación metabólica de los dos carbonos restantes del piruvato. · La reacción es altamente exergónica y es básicamente irreversible en condiciones intracelulares.

1 O O 1 C C=0 CH3 Pyruvate CO2 CoA-SH + NAD+ TPP, lipoate, FAD NADH O S-CoA C pyruvate dehydrogenase complex (E1 + E2 + E3) CH3 Acetyl-CoA AG'º = - 33.4 KJ/mol Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquímica. @ Ed Omega, 2019

Enzimas y Cofactores en la Oxidación del Piruvato

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Complejo de la Piruvato Deshidrogenasa

. Intervienen 3 enzimas y 5 cofactores. Las enzimas implicadas pertenecen al Complejo de la Piruvato Deshidrogenasa (E1+ E2 + E3), que catalizan una descarboxilación oxidativa (NADH).

⚫ Sus cofactores son:

• Tiamina pirofosfato (TPP, vit. B1)
• Ácido lipoico (unido a E2), Coenzima A-SH (vit. B5)
• NAD+ (vit B3), FAD (vit. B2)

Reacción Irreversible (AG'º = - 33,4 kJ/mol)

O o- C NAD+ TPP, lipoate, FAD NADH O S-CoA C C=0 pyruvate dehydrogenase complex (E1 + E2 + E3) CH3 CH3 Pyruvate Acetyl-CoA Number of lipoyl domains varies by species. E. coli (3) - Mammals (2) Yeast (1) Flexible polypeptide linker N- -C Binding domain (involved in E2-E1 and E2-E3 binding) Lipoyl domain Acyltransferase domain (inner core) Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquímica. @ Ed Omega, 2019 CO2 CoA-SH + Los tres dominios de E2, Dihidrolipoil Transacetilasa AG'º = - 33.4 KJ/mol

Mecanismo de la Oxidación del Piruvato

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Funciones de las Enzimas E1, E2 y E3

· E1 (piruvato deshidrogenasa): Cataliza la descarboxilación del piruvato y la transferencia del grupo hidroxietil al TPP(1). Hidroxietil-TPP se oxida a acetato y une por esterificación al ácido lipoico (unido covalentemente a E2(2)). · E2 (dihidrolipoil transacetilasa): Transesterificación del acetilo a CoA-SH(3) · E3 (dihidrolipoil deshidrogenasa): Oxida de nuevo el ácido lipoico mediante FAD(4). FADH2 transfiere e a NAD+(5) para generar NADH + H+.

Grupo lipoilo E1 Eg E2 10 nm Imagen tridimensional del complejo de la PDH O O O O= C=0 CH3-C-S-CoA Acetyl-CoA CH3-C-C 'o' 3 Pyruvate TPP 1 2 Acyl lipoyllysine / SH TPP S Lys CO2 CHOH S - FAD I 4 5 Hydroxyethyl TPP >FADH2 Oxidized lipoyllysine NAD+ Pyruvate dehydrogenase, E1 Dihydrolipoil transacetylase, E2 Dihydrolipoil dehydrogenase, E3 Nelson & Cox: Lehninger Principios de Bioquímica. C Ed Omega, 2008 SH S Reduced lipoyllysine SH I NADH + H+ CH3 CH3 CoA-SH

Resultados de la Oxidación del Piruvato

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Complejo PDH y Coenzima A

Resultado de complejo PDH:

⚫ El grupo acetilo, derivado del piruvato de la glucolisis, queda unido al grupo sulfidrilo del coenzima A: enlace tioester de alta energía de hidrólisis. · Generación de CO2 y NADH

Reactive thiol group NH2 N H H CH3 N Adenine 5' HS-CH2-CH2-N-C-CH2-CH2-N-C-C-C-CH2-0-P-O-P-O-CH2 N II 0 O 4' 1' H H J H 3' 2' OH Ribose 3' -phosphate I O=P-O- 1 o- Acetyl-CoA Coenzyme A S I-2 N O B-Mercapto- ethylamine O 0 OH CH3 Pantothenic acid H O CH3-C Ò S-CoA 3'-Phosphoadenosine diphosphate La Coenzima A es un transportador de grupos acilo activado a través de un enlace tioéster o-

Ciclo de Krebs: Reacciones y Ruta Anfibólica

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Reacciones del Ciclo de Krebs

. Se conoce también como Ciclo del Ácido Cítrico o Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos · Reacciones enzimáticas que forman una ruta común para la oxidación final de muchas biomoléculas que son catabolizadas a Acetil-CoA otros intermediarios de la ruta:

u · 1ª fase: Oxidar dos carbonos a CO2 (1-4) · 2ª fase: Regenerar el oxalacetato (5-8)

Acetyl-CoA 1 o= Condensation CH3-C-S-CoA H2O CoA-SH citrate synthase CH2-COO- 0=C-coo- 8 I CH2-COO" CH2-COO- Dehydration Oxaloacetate Citrate malate dehydrogenase Citric acid cycle aconitase coo HO-CH CH 2-COO" Malate CH2 cis-Aconitate COO" 7 H - H2O Hydration fumarase NADH aconitase H2O Hydration coo" CH 2-COO Fumarate CH II FADH2 HC HO-C-H COO isocitrate COO" dehydrogenase 3 Oxidative decarboxylation Dehydrogenation CH2-COO- CO2 CH 2 succinyl-CoA synthetase - CH2-COO- ¿oo- - C=0 a-Ketoglutarate Succinate CH2 Coo- CoA-SH C-S-CoA GTP (ATP) CO2 4 5 Oxidative decarboxylation Nelson & Cox: Lehninger Principos de Bioquímica. @ Ed Omega, 2019 GDP O (ADP) + Pi Succinyl-CoA Substrate-level phosphorylation HO-C-COO" 2a Dehydrogenation H20 C-coo- C-coo" 2b H-C-coo- Isocitrate succinate dehydrogenase a-ketoglutarate CH2-COO" dehydrogenase complex CH 2

Ruta Cíclica y Ecuación Global del Ciclo de Krebs

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Características del Ciclo de Krebs

· Ruta cíclica:

• En cada vuelta entra un grupo acetilo (2C) procedente de la acetil-CoA y salen dos moléculas de CO2
• Se utiliza una molécula de oxalacetato (4C) para generar Citrato (6C): grupo acetilo (2C) + oxalacetato (4C)

⚫ Se acaba regenerando la molecula de oxalacetato (4C) · Ecuación global: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH, + GTP + 2H+ + CoA AGº'= - 57.3 KJ/mol

⚫ Cuatro de las ocho reacciones son oxidaciones en las que la energía de oxidación se conserva en forma de poder reductor (NADH y FADH2). . Toda la ruta se produce en la MATRIZ MITOCONDRIAL, a excepción de la Succinato DH, que está en la membrana mitocondrial interna.

Formación de Citrato en el Ciclo de Krebs

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Reacciones del Ciclo de Krebs: Primera Etapa

1. Formación de citrato:

⚫ Condensación del acetilo (2C) del acetil-CoA con oxalacetato (4C) para dar citrato (6C) · Enzima: Citrato sintasa (Liasa; condensación sin aporte de energía por hidrólisis de nucleótidos) · Hidrólisis del enlace tioéster de elevada energía

> Reacción altamente exergónica. Reacción irreversible (Punto de regulación)

H2O CoA-SH CH3-C + 0=C-COO- S-CoA CH2-COO" citrate synthase Acetyl-CoA Oxaloacetate O CH2-C O HO-C-COO CH2-COO7 Citrate AG'º = - 32.2 KJ/mol

Formación de Isocitrato en el Ciclo de Krebs

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Isomerización del Citrato

2. Formación de isocitrato:

⚫ Isomerización del citrato para formar isocitrato vía cis-aconitato · Enzima: Aconitasa

⚫ Deshidratación e hidratación sucesivas, formándose un intermediario, el cis-aconitato, entre ambos procesos. · El consumo de isocitrato es muy rápido lo que permite que la reacción transcurra hacia la derecha.

CH2-COO- H2O CH2-COO- H2O C-COO- = aconitase C-COO- I H cis-Aconitate CH2-COO- H-C-COO- HO-C-H COO- AG'º = 13.3 KJ/mol Isocitrate Reacción reversible HO-C-COO- - aconitase H-C-COO- I H Citrate