Rutas centrales del metabolismo intermediario: catabolismo, Universidad de Sevilla

Fases del catabolismo aeróbico

FATS POLYSACCHARIDES PROTEINS I Stage I Fatty acids and glycerol Glucose and other sugars Amino acids Stage II Acetyl COA CoA Citric acid cycle 2 CO2 Stage III 8 e- O2 Oxidative phosphorylation K H2O ATP

Fase III del catabolismo

• CAT (Ciclo de Krebs o del ácido cítrico)
• Cadena de transporte electrónico
• Fosforilación oxidativa

crestas mitocondriales MATRIZ membrana externa membrana interna espacio intermembrana

La fase III del catabolismo ocurre en la mitocondria.SÓLO HIDRATOS DE CARBONO, LÍPIDOS Y PROTEÍNAS PRODUCEN ENERGÍA (CALORÍAS, ATP)Reacción global : Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O -> -> 2 CO2 + 3 NADH + 3H+ + FADH, + GTP + CoA-SH

Función principal del CAT

Oxidación del grupo acetilo del Acetil CoA hasta CO2, y la producción concomitante de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) , a partir de las cuales puede generarse ATP. Además se produce la síntesis de un enlace fosfoanhídro a nivel de GTP. GTP + ADP =GDP + ATP

Localización del Ciclo de Krebs

Matriz mitocondrial Membrana externa Espacio intermembrana Matriz: Ciclo de Krebs Membrana interna

Visión general del ciclo

Acetil-CoA 2C 4C 1 6C NADH 8 2 4C 6C 7 3 4C NADH 5C 6 4 CO2 5 FADH2 4C 4C NADH GTP Bioquímica. Conceptos Esenciales Feduchi / Romero / Yáñez / Castiñeyra / Garcia-Hoz. CO2Acetil-CoA 0 = CH,-C-S-CoA 1. Condensación H,O CoA-SH CH, -COO" Oxalacetato o=c-coo" Citrato sintasa 1 HO-C-COO" Citrato CH,-coo- CH,-COO" 8. Deshidrogenación , H,O Aconitasa NAD+ coo" 1 CH,-COO" 1 c -COO" = [Cis-Aconitato] coo" 7. Hidratación Fumarasa Aconitasa 2b. Hidratación H,O coo" 1 CH,-COO" Fumarato FADH2 H-C-COO" Isocitrato coo" HO-C-COO" 1 H Succinato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa NAD+ 6. Deshidrogenación 3. Descarboxilación oxidativa CH, -COO" CH,-COO" CO, FÅD Succinato Succinil-COA sintetasa 1 CH, 1 CH, -COO" c-coo" a-Cetoglutarato 1 CH 1 NAD+ O CoA-SH C-S-CoA CoA-SH GTP (ATP) GDP (ADP) +P 0 CO a-Cetoglutarato deshidrogenasa 4. Descarboxilación oxidativa Succinil-COA c -COO" 1 H L-Malato HO-CH 1 CH, 1 H,O NADH + H+ CH =0- CH2 1 coo" 5. Fosforilación a nivel de sustrato Malato deshidrogenasa 2a. Deshidratación

Reacciones individuales del CAT

1. Condensación del acetil-CoA con oxalacetato

O CH2-C H2O CoA-SH O 0 CH3-C ........... + 0=C-COO- HO-C-COO S-CoA CH2-COO Citrato sintasa CH2-COO Acetil-CoA Oxalacetato Citrato AG' = - 32.2 KJ/mol · Reacción exergónica y alejada del equilibrio. · Generadora de flujo I

2. Isomerización de citrato a isocitrato

CH2-COO- H2O CH2-COO H50 CH2-COO- - HO-C-COO- C-COO- H-C-COO- ǁ H-C-COC Aconitasa C-COO- Aconitasa HO-C-COO 1 H H L H Deshidratación Hidratación Citrato Cis-aconitato Isocitrato AG" = 13.3 KJ/mol Reacción cercana a su equilibrio

3. Descarboxilación oxidativa del isocitrato a a-cetoglutarato

NAD+ NADH + H+ CH2-COO- CH2-COO H-C-COO- CH2 + CO2 HO-C-COO- Isocitrato deshidrogenasa C-COO- H O Isocitrato a-cetoglutarato AG' = - 20.9 KJ/mol Es una de las etapas limitantes de la vía.

4. Descarboxilación oxidativa del a-cetoglutarato a succinil-CoA

CH2-COO- I CH2 I C-COO- CoA-SH NAD+ NADH CH2-COO CH2 + CO2 a-cetoglutarato deshidrogenasa C-S-CoA 0 a-cetoglutarato ! 0 Sucinil-CoA AG" = - 33.5 kJ/mol Es una de las etapas limitantes de la vía.

5. Conversión de succinil-CoA en succinato

CH2-COO- CH2 C-S-CoA I Ö GDP + Pi GTP CoA-SH COO CH2 I CH2 Succinil-CoA sintetasa I COO- Succinil-CoA Succinato AG'º = - 2.9 KJ/mol El succinil-CoA tiene energía libre de hidrólisis del enlace tioéster altamente negativo (DGº' =- 36 KJ/mol). La energía de esta hidrólisis se utiliza para sintetizar una molécula de GTP a partir de GDP. Por tanto se acopla la hidrólisis del succinil CoA a la síntesis de un enlace fosfoanhídro a nivel de GTP. Se produce fosforilación a nivel de sustrato. La reacción global es cercana a su equilibrio.

El succinato debe volver convertirse en oxalacetato

1 a 0 CH3-C-S-CoA H2O Un equivalente acetilo se ha oxidado por completo a 2 CoA-SH CO2 CH2-COO 0=C-COO- HO-C-COO- 8 Dehydrogenation CH2-COO Oxaloacetate CH2-COO Citrate 2a Dehydration H2O aconitase COO HO-CH Malate CH2 C-COO- C-COO- cis-Aconitate COO- H H2O 7 Hydration fumarase NADH aconitase 2b Hydration H2O COO- CH2-COO- CH H-C-COO- Fumarate FADH2 HO-C-COO COO H succinate dehydrogenase isocitrate dehydrogenase 3 Oxidative decarboxylation 6 Dehydrogen con CH2-COO CH2-COO- CO2 CH2 succinyl-CoA Synthetase a-ketoglutarate dehydrogenase complex CH2 COO Succinate CH2-COO Ö CH2 CoA-SH C-S-CoA CoA-SH GTP (ATP) GDP (ADP) Succinyl-CoA + Pi CO2 4 Oxidative decarboxylation 5 Substrate-level phosphorylation Acetyl-CoA Condoncation citrate synthase malate dehydrogenase CH2-CO0 1 Isocitrate HC C-COO a-Ketoglutarate

6. Oxidación del succinato a fumarato

COO COO- I CH2 FAD FADH2 CH I II CH2 HC I COO- Sucinato deshidrogenasa COO- Succinato Fumarato AG'O = 0 KJ/mol - Reacción cercana al equilibrio - Única reacción del ciclo productora de FADH2. - Localización: membrana mitocondrial interna. - Enzima perteneciente a la cadena de transporte electrónico.

7. Hidratación del fumarato y producción de L-malato

COO- I COO- I H2O CH HO-CH = HC Fumarasa HC-H I COO COO- Fumarato L-Malato AG'º = - 3.8 KJ/mol Reacción próxima al equilibrio

8. Oxidación del malato a oxalacetato

COO COO NAD+ NADH + H+ HO-C-H O=C CH2 CH2 1 I COO Malato COO- deshidrogenasa L-Malato Oxalacetato AG'º = 29.7 KJ/mol El grupo hidroxilo del malato se oxida en una reacción dependiente de NAD+

Naturaleza anfibólica del CAT

Glucosa 1 Aminoácidos Piruvato 1 Acetil-CoA Ácidos grasos 1 Ciclo de Krebs CO2 NADH + H+ FADH2 GTP (b) Glucosa 1 Aminoácidos Fosfoenolpiruvato Acetil-CoA Ácidos grasos Ciclo de Krebs Vía ANFIBOLICA: catabólica y anabólica al mismo tiempo duchi / Romero / Yanez / Castinevra / Garcia-Hoz

Reacciones anapleróticas

Glucosa 1 CO2 Piruvato carboxilasa + Acetil-CoA Ácidos grasos colesterol PEP carboxiquinasa Citrato Oxalacetato Transaminación Aminoácidos Malato Isocitrato Piruvato Enzima málica Fumarato a-Cetoglutarato Transaminación Succinato Succinil-COA Tirosina Fenilanina Aminoácidos Isoleucina Metionina Valina Porfirinas Propionato Bioquimica. Conceptos Esenciales Feduchi / Romero / Yáñez / Castiñeyra / García-Hoz. Editorial Médica Panamericana @ 2015 Piruvato Fosfoenolpiruvato

Reacciones anapleróticas detalladas

Glucosa CO2 1 Piruvato carboxilasa + 1 Acetil-CoA Fosfoenolpiruvato Ácidos grasos colesterol PEP carboxiquinasa Citrato Transaminación Aminoácidos Isocitrato Malato (a) Piruvato carboxilasa (PC)-biotina 0 0 11 C Succinato 0 O 11 C 1 C=0 1 CH3 CO2 C O O Oxalacelato (b) Enzima málica = Malato deshidrogenasa dependiente de NADP+ O NADPH + H+ C 0 C NADP+ 1 C=0 1 CH3 CO2 C Piruvato O Malato C=0 I CH2 Propionato Bioquimica. Conceptos Esenciales Feduchi / Romero / Yáñez / Castiñeyra / García-Hoz. Editorial Médica Panamericana @ 2015 Piruvato ATP Succinil-COA Tirosina Fenilanina Aminoácidos ADP + Pi H2O Isoleucina Metionina Valina Porfirinas Piruvato Enzima málica Fumarato a-Cetoglutarato Transaminación H2O 1 CHOH I CH2 Piruvato Oxalacetato

Regulación del CAT

• Fundamentalmente por relación NADH+H+/NAD+ mit. Cuando aumenta en la mitocondria, se inhiben las enzimas reguladoras (regulación alostérica).
• Regulación por disponibilidad de sustrato: Acetil-CoA y Oxalacetato
• Regulación alostérica sobre las enzimas: - Citrato sintasa - Isocitrato deshidrogenasa - Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa

Acetil-CoA Citrato sintasa - NADH, succinil-COA 1 Oxalacetato Citrato NADH Isocitrato Malato NADH 2 C NADH, ATP + ADP Fumarato Isocitrato deshidrogenasa a-Cetoglutarato + Ca2+ (músculo esquelético) FADH2 Succinato NADH, ATP, succinil-COA Succinil-COA GTP Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa Bioquímica. Conceptos Esenciales Feduchi / Romero / Yáñez / Castiñeyra / García-Hoz. Editorial Médica Panamericana @ 2015 3

Regulación coordinada de glucolisis y ciclo de Krebs

Glucosa ATP Piruvato NADH Acetil-CoA NADH y ATP ATP NAD+ FAD Ciclo de Krebs Ruta anfibólica Cadena transportadora de electrones Fosforilación oxidativa CO2 NADH + H+ FADH. 2 GTP