Apuntes de Bioquímica: Metabolismo, Carbohidratos y Ciclo de Krebs

Metabolismo

Andrés Queupumil Rodríguez Segundo Departamental Bioquímica Metabolismo

• Conjunto de todas las reacciones químicas (transformaciones), catalizadas enzimáticamente, en un organismo; constituyendo rutas metabólicas (comprende todas las reacciones involucradas con el almacenamiento y generación de energía)
• Conjunto de procesos "catabólicos" (oxidación) y "anabólicos" (reducción)

Catabolismo y Anabolismo

R. Conversión de sustancias complejas en simples (inorgánicas) Conversión de sustancias simples a complejas (macromoléculas: biomoléculas) Genera/Libera energía (ATP) Consume energía (ADP) Convergente Divergente Vía Biodegradativa Vía Biosintética Oxidativa (pierde ē) Reductora (gana ē) Dependiente de NaD+ y FAD+ Dependiente de NADPH Variedad de productos iniciales, pero productos finales bien definidos (varios productos, 1 precursor) Materiales iniciales bien definidos y variedad en los productos (varios precursores, 1 Exergónico

Funciones del Metabolismo

• Obtener energía química degradando nutrientes
• Convertir moléculas nutrientes en moléculas de la célula
• Polimerizar precursores en biomoléculas
• Síntesis y degradación de biomoléculas requeridas (funciones celulares)

Metabolito: intermediario químico en las reacciones del metabolismo, catalizadas por enzimas Anfibólico: tanto catabólico, como anabólico

Conceptos Básicos

Nombre Definición Ejemplos

Carbono asimétrico (centro quiral) Carbono enlazado con 4 sustituyentes diferentes Esteroisomeros

Enantiómeros Esteroisómeros ópticos (imágenes especulares) D y L Gliceraldehido

Epímero Esteroisómeros de otro compuesto que difiere en 1 C D Glucosa, D Manosa, D Galactosa

Anómero Esterosiómeros que han desarrollado una unión cíclica (hemiacetal) y difieren alrdedor de ese C a-D Ribo piranosa y ß-D Ribopiranosa

Carbohidratos (Glúcidos/Hidratos de Carbono/Sacaridos)

Polihidroxialdehidos/cetonas (grupos funcionales: aldosas y cetosas)

Funciones de los Carbohidratos

• Almacén de nergía
• Intermediarios metabólicos
• Parte de la estructura de los ácidos nucleicos
• Conforman las paredes celulares de bacterias, plantas y el exoesqueleto de insectos
• Forman moléculas de reconocimiento celular

IR.

Maltosa Glucosa-Glucosa Enlace a (1-4)

Lactosa Galactosa-Glucosa Enlace ß (1-4)

Sacarosa Glucosa-Fructosa Enlace a (1-2) / B (2-1)

Celobiosa Glucosa-Glucosa Enlace ß (1-4)

Isomaltosa Enlace a (1-6)

Carbohidratos y Lípidos

Carbohidrato/ Lípido Función Producto hidrolisis Enlace Enzima que degrada Tipo

Sacarosa Reserva de energía en plantas Glucosa + Fructosa α (1-2) Sacarasa Disacárido

Glucógeno Rserva de energía en vertebrados Oligosacáridos α (1-4) y a (1- 6) Amilasa pancreática Polisacárido homoglucano

Celulosa Estructura de plantas No se digiere ₿ (1-4) Celulasa Polisacárido homoglucano

TAG Reserva energética MAG + Acidos grasos Éster Lipasa pancreática Lípido compuesto

Fosfogliceridos Agente emulsificante Ac graso + Lisofosfolip Fosfoéster Fosfolipasa Lípido mixto

Glucólisis (aerobia)

Es la vía (catabólica) mas importante del metabolismo de la Glucosa (de la Fructosa, Galactosa y otros carbohidratos de la dieta). Sus reacciones tienen lugar en el citoplasma. Puede producir ATP en ausencia de oxígeno (vía anaerobia). (=>: Irreversible >>:Reversible)

1era fase: Inversión energética/Preparatoria/De activación

Pasos Sustratos Enzima Productos Regulación enz

1 ⇒ Fosforilación (en C-6) (para activar y rtener) Glucosa (6C) + ATP Hexocinasa (HK) (o Glucinasa) (Mg2 +) (REG) Glucosa 6P + ADP y Pi (-) Glucosa 6P (+) Insulina

2 ⇔ Conversión (de ald-pirano a cet- furano) Glucosa 6P (met de encruz) Fosfohexosa (glucosa) isomerasa Fructosa 6P

3 ⇒ Fosforilación (paso comprometido) Fructosa 6P + ATP FosfoFructo Cinasa-1 (PFK1) (REG) (Mg2 +) Fructosa 1, 6 BP + ADP y Pi (-) Citrato, ATP (+) AMP, F 2, 6BP

4 ⇔ Rotura (aldosa y cetosa) F 1, 6 BP Aldolasa (liasa) G3P (sigue) DHCP (no sigue)

5 ⇔ Interconversión DHCP TriosaFosfato Isomerasa (2) G3P

2nda fase: Recuperación energética/De beneficios/ Oxidativa

6 ⇔ Oxidación (y Fosforilación no x ATP) (reac conserv d energ) G3P (2) + 2Pi G3P Deshidrogenasa 1, 3 BPGlicerato (2) + (2) NADH + H+

7 ⇔ Transferencia (pierde enlace tioester) 1, 3 BPGlicerato (2) (met de alta energía) + ADP 3- FosfoGlicerato (2) + (2) ATP

8 ⇔ Conversión (en la misma mol) 3- FosfoGlicerato (2) Fosfoglicerato mutasa (Mg2 +) 2- FosfoGlicerato (2)

9 ⇔ Deshidratación (hidrólisis) Fosfo 2- FosfoGlicerato (2) Enolasa (deshidratasa) Fosfoenol piruvato (2) (PEP) + (2) H2O

10 ⇒ Transferencia (Fosforilación) PEP (2) (met de alta energía) Piruvatocinasa (PK) (REG) (Mg2 +) Piruvato (2) + (2) ATP (-) Alanina, Fosf d AMPc (+) F1, 6 BP

*La Km de la Hexocinasa es más baja que la de la Glucinasa (sólo en hígado; muy activa después de comer). El citrato es el modularo alostérico más potente de la glucólisis *F2, 6BP (mecanismo regulador en hígado): Después de 1 comida se forma F2, 6BP (a partir de F6P, por acción de PFK2; no es sustrato de la glucólisis) activa (+) a la PFK1 y estimula la glucólisis:

Ayuno (Glucagón) PFK2 (activa) (DP) PKA (Protein cinasa a) (+: x AMPc) >P PFK2 (inactiva) (P) No hay producción de F2, 6BP PFK1 menos activa

Posprandial (Insulina) PFK2 (inactiva) (P) Fosfatasas >DP PFK2 (activa) (DP) Producción de F2, 6BP PFK1 más activa

Las enzimas de la vía son estero-específicas para "formas D". EI ATP puede hacer irreversibles (o inhibir) las reacciones La vía tiene 2 Fosforilaciones a nivel de sustrato (paso 7 y 10) y 1 deshidrogenación (oxidación a nivel de sustrato (paso 6). Además de presentar 2 metabolitos de alta energía (productos de reacciones 6 y 9) que se produjeron por 1 Deshidrogenación y 1 Deshidratación respectivamente (Regla: después de 1 met de alta energía: Fosforilación a nivel de sustrato) Se producen 2 ATP, 2 NADH + H+, 2 H2O y 2 Piruvatos (3 reacciones irreversibles, correspondientes con las enzimas reguladoras: HK, PFK1 y PK). Balance total: (Sabiendo que cada NADH + H+ son 3 ATP) 8 ATP son el balance total *Los eritrocitos no poseen mitocondrias, son dependientes de la glucolisis para su energía (La def de PK hace def la prod de ATP, lo que produce "anemia hemolítica" en los eritrocitos)

Glucolisis anaerobia

Reacción Sustrato Enzima Producto

Reducción Piruvato Lactato

El lactato es liberado por los tejidos (eritrocitos o músculo en ejercicio) y pude ser utilizado por el hígado para la gluconeogénesis (reversible) (se gastan los NADH de la Glucolisis). Produce 2 ATP

Gluts

Glut Tejidos Afinidad a

Glut 1 Todos Alta por Glucosa

Glut 2 Hígado, riñón y c ß del páncreas Baja por Glucosa

Glut 3 Cerebro Alta

Glut 4 Tejido adiposo y músculo Sensible a Insulina

Glut 5 Espermatozoides Fructosa

*Glut 2 y Glucocinasa tienen un Km más alto para el transporte y la fosforilación de la Glucosa, si fllan se libera Glucagón pero no Insulina (páncreas)

Descarboxilación oxidativa del piruvato

Oxidación del piruvato para dar Acetil CoA y CO2, se hace sobre el llamado "complejo piruvato deshidrogenasa" (similar al complejo a Ceto-glutarato deshidrogenasa del ciclo de Krebs)

Complejo Piruvato Deshidrogenasa

• Piruvato deshidrogenasa (E1) (da nombre a todo el complejo)
• Dihidrolipoil transacetilasa (E2)
• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)

Enzima Función Coenzimas

E1 Descarboxila al piruvato TPP (Pirofosfato de tiamina)

E2 Cataliza la transferencia del grupo acetilo a la CoASH (Transcetilación) Ácido lipoico, CoASH

E3 Oxida nuevamente a la dihidrolipoamida (Deshidrogenación) NAD+, FAD+

Regulación de la Descarboxilación Oxidativa

• (+): Acetil CoA, NADH + H+
• (-): ADP, NAD+, CoASH, Piruvato

R

Coenzimas y su Función

Coenzimas Función Derivado de

TPP -Coenzima de todas las descarboxilaciones de los acetoacidos -Coenzima de la piruvato descarboxilasa -Coenzima de la E1 Vitamina B1 (tiamina)

Lipoato -En la oxidación del piruvato es el siguiente aceptor de aldehído generado por el TPP -Tiene 2 grupos tiol que experimentan reacciones de oxido- reducción, y actúa como 1 transportador de hidrógeno (transportador electrónico) y de un grupo acilo -Coenzima de la E2 Ácido lipoico

FAD -Transportador de electrones -Coenzima de la E3 Vitamina B2 (Riboflavina)

NAD -Transportador de electrones Nicotinamida

Coenzima A (CoA o CoASH) -Contiene un grupo tiol reactivo que se une covalentemente al grupo acilo y lo transporta a otras reacciones metabólicas Pantotenato

Pasos del Ciclo de Krebs

Pasos Sustratos Enzima Productos Regulación enz

1 ⇒ Condesación de (Escisión de enlace tioéster) AcetilCoA + Oxalacetato (OAA) Citrato sintasa (ligasa) REGULA Citrato (6C) (-) Citrato, NADH + H+, ATP, Succinil CoA y ac gras (+) Acetil CoA

2a ⇔ Deshidratación (salida de H2O) Citrato (alimentador de Sint de Ac G) Cis-Aconitato (intermediario) (-)

Cloroacetato y flouroacetato

2b ⇔ Hidratación (entrada de H2O) Cis-Aconitato (intermediario) Aconitasa (isomerasa) Isocitrato + H2O

3a ⇒ Oxidación (Lib de NADH + H+) Isocitrato + NAD+ Oxalo-succinato

3b ⇒ Dscarboxilación (Lib de CO2) Oxalo-succinato (intermediario) Isocitrato dshidrogenasa REGULA VEL + NADH + H+ (+) ADP, Ca2+ (-) NADH + H+, ATP a Ceto-glutarato [Glutamato] + CO2

4a ⇒ Oxidación (Lib de NADH + H+) 4b ⇒ Dscarboxilación (Lib de CO2) a Ceto-glutarato (5C) + CoASH + NAD+ * Complejo a Ceto-glutarato dshidrogenasa Succinil CoA + NADH + H+

4c ⇒ Transcetilación (entrada d CoASH)

5 ⇔ Conversión (Lib de GTP y salida de CoASH) (Escisión de enlace tioéster) Succinil CoA (metabolito de alta energía) Succinil CoA sintetasa (tiocinasa) +

6 ⇔ Oxidación (Lib de FADH2) Succinato (4C) Succinato dshidrogenasa (no libre) Fumarato y FADH2 (-) Malonato

7 ⇔ Hidratación (entrada de H2O: doble enlc) Fumarato Fumarasa (hidratasa) Malato (parte de 1 lanzadera) + H2O

8 ⇔ Oxidación (Lib de NADH + H+) Malato Malato Dshidrogenasa OAA [Aspartato] (encruzijada met) + NADH + H+ (-) NADH + H+

SE *Complejo: usa 5 cofactores: TPP, ácido lipoico, CoASH, FAD y NAD *En corchetes: los aminoácidos intermediarios del ciclo; y las flechas si la reacción es reversible o Existen 3 Deshidrogenaciones (salida de Hidrogenos) a nivel de sustrato/Oxidaciones en el ciclo: 3 NADH + H+ y 1 FADH2 (donan electronea a la cadena de transporte de electrones) El paso de estos electrones a O2 (fosfoliración oxidativa) genera por cada NADH + H+ aprox 3 ATP y por cada FADH2 aprox 2 ATP Existe 1 Fosfoliración a nivel de sustrato (posterior a la creación de 1 metabolito de alta energía) (Escisión de succinil COA produce GTP) La energía total generada por 1 vuelta del ciclo, empezando por 1 acetilCoA, es aprox: 12 ATP (11 ATP y 1 GTP) (-) Succinil CoA, Arsénico