Ciclo de Krebs y Bioenergética

BIOQUÍMICA

Año 2014

GLS

Las 3 Etapas de la Respiración

Oxidación metabólica de sustratos orgánicos

1. Generación de grupo acetilo del ACETIL~CoA, desde PIRUVATO, ÁCIDOS GRASOS (mitocondria), o AMINOÁCIDOS

(citoplasma/mitocondria).

2. Oxidación de los carbonos del acetilo en el CICLO DE KREBS (mitocondria).

3. Pasaje de electrones de la oxidación en un segundo paso a través del sistema de TRANSPORTE DE ELECTRONES para

obtener ATP en la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS GLICÉRIDOS

AMINOÁCIDOS GLICEROL + AGGLUCOSA

PIRUVATO

ACETIL-CoA

Fosforilación Oxidativa

ADP + Pi

ATPH2O

½O2

MITOCONDRIA

H+

CO2

(NADH, FADH2)

1° Etapa

2° Etapa

3° Etapa

Grupo alimenticio

Unidad metabolizada

Transformación convergente

Carbohidratos GlucosaENERGÍA en ATP

Grasas (Lípidos) Ácidos grasos

Proteínas Aminoácidos

ACETIL-CoA

VIDEO 1http://www.youtube.com/watch?v=NS9uHH-oZNw

Animales, plantas y muchos microorganismos

en condiciones aeróbicas

Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares,

eritrocitos, otras células y algunos microorganismos

Fermentación a Alcohol en levaduras

- O2- O2

+ O2

Transaminaciones, Βeta-oxidación, Ciclo de Krebs, Cad. Respiratoria y Síntesis de ATP

Glucólisis, Pentosas-P,

Transaminaciones

CÓMO SE MANTIENE LA

RELACIÓN NADH /NAD+ ?

TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMÁTICO - REOXIDACIÓN

NADH+H+ NAD+

Di-HO-ACETONA-P---------------> GLICEROL-3P

Gli-3-P-DH (Mitocondrial)

Glicerol-3P-DH (Citosol)

Di-HO-ACETONA-P

AA, Malato, Succinato,

PiruvatoNAD+, NADH, FAD HS-CoA

Translocasas

ADPATP

Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA(+)

(-)

FAD+

FADH2

Malato Oxalacetato Aspartato

NADH + H+

CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

Papel central en el metabolismo.

Reacciones individuales.

Estequiometría y rendimiento energético.

Regulación.

Algunos AA se degradan a Piruvato; y éste da origen a: alanina, cisteína, glicina, serina, treonina, y triptofano.

Fermentación = a lactato , etanol, AGV….

Final de la glucolisis

Las Enzs que actúan s/ el Piruvato son:

Piruvato Quinasa

Piruvato Descarboxilasa

Piruvato Deshidrogenasa

Lactato Deshidrogenasa

Piruvato Carboxilasa

Transaminasas

Inicio de la gluconeogénesis.

Piruvato

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato1) Descarboxilación exergónica y fijación del resto acilo a la TPP-Enz2) Formación de sulfoester de alta Energía con Lipoato3) Transtiolación isoergónica del acetilo desde el Lipoato a la HS-CoA

Enzima Cosustrato prostético

Sustrato soluble

Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa

E1 TPP = Tiamina pirofosfato

Dihidrolipoil transacetilasa E2 Lipoamida Coenzima ADihidrolipoil deshidrogenasa E3 FAD NAD+

Otras enzimas con igual mecanismo:a)Alfa-cetoglutarato DH, b)Alfa-cetobutirato DH, c)cadena ramificada cetoácido DH

Piruvato Deshidrogenasa

Fuente de acetil-CoA para el ciclo del ácido cítrico

Cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato.

Se usan 4 Vitaminas diferentes como coenzimas

Piruvato + NAD+ + CoA-SH <-> Acetyl~CoA + NADH + CO2

Energéticamente muy favorable ( ΔG = -33.5 kJ/mol) y

esencialmente irreversible in vivo.

Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsénico que se unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida) – Napoleón y Darwin -

El enlace tioester posee unaalta energía libre de hidrólisis

Aporta los dos C que se

van a oxidar en el ciclo del ácido cítrico.

Acetil-CoA

Se origina en: Glucosa, ácidos grasos y aminoácidos.

Es precursor de: ácidos grasos, colesterol, aminoácidos y se oxida en el Ciclo de KREBS

Acetil~CoA + H2O acetato + HS-CoA + H+∆G°’ = -32,2 kJ/mol

ORIGEN DEL ACETIL~CoA

- Descarboxilación del

Piruvato.

- Oxidación de Ácidos Grasos.

- A partir de Aminoácidos

cetogénicos.

Respiración aerobia y anaerobia

Bicarbonato Piruvato

aPiruvato

Carboxilasa

OTRO DESTINO DEL PIRUVATO

Estrategia General y objetivos del Ciclo del Acido Cítrico (C. de Krebs)

En cada vuelta se introducen 2 carbonos (Acetil-CoA), y su equivalente será totalmente oxidado. Se liberan 2 moléculas de CO2.

La energía libre de la oxidación se conserva en forma de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) y GTP.

Los intermediarios se reciclan y pueden dar AA, AG, Colesterol, Glc, Porfirinas, oxidar esqueletos de AA.

Ciclo de Krebs ó de los ácidos tricarboxílicos

En el ciclo entra una molécula de acetato (dos átomos de C) salen dos moléculas de CO2 y cuatro pares de hidrógenos.

1 molécula de glucosa -> 2 de acetato (4 C), que se degrada en un proceso cíclico.

Una serie de sustancias del ciclo ceden H por pares (2H) a otra (NAD, FAD) reduciéndola (a NADH, FADH2). En cierta forma, el proceso equivale a tener átomos de H que se pueden unir con el O durante la respiración para formar agua.

1 - CITRATO SINTASAAdición de un grupo acetilo (transportado por HS-CoA) al Oxalacetato = Citrato

2 - ACONITASACambio de un grupo -OH del Citrato de la posición 3 a la 2, dando Isocitrato

3 - ICDH + NAD+: Deshidrogenación y descarboxilación. Oxidación del -OH del Isocitrato de la posición 2, debilitación y pérdida del -COO- central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)

4 - α-CETOGLUTARATO DH + NAD+: Deshidrogenación , descarboxilación y síntesis (Similar a reacción de Piruvato-DH)Por la oxidación se debilita y pierde el –COO- . Ingresa 1 HS-CoA que transporta el Succinato, central, dando Oxalosuccinato (alfa-cetoglutarato)

5 - SUCCINIL-CoA SINTETASA: Hidrólisis del Succinil-CoA, c/liberación de suficiente E p/síntesis de GTP

6 - SUCCINATO DH + FAD+:Oxidación con insaturación del Succinato

7 - FUMARASA + H2O: Hidratación del Fumarato

8 - MALATO DH + NAD+: Oxidación del Malato en su grupo alcohol (a carbonilo) reconstituyendo Oxalacetato.

PIZARRÓN

EC 2.3.3.1.

EC 4.2.1.3.

EC 1.1.1.41/42.

E1- 1.2.4.2.E1- 2.3.1.12.E1- 1.6.4.3.

EC 6.2.1.4.

EC 1.3.99.1.

EC 4.2.1.2.

EC 1.1.1.37.

[[Cis-Aconitato]

Moléculas:

Simétrica

Asimétricas (quiral)

Glucosa + 2ATP + 4ADP +

2Pi + 2NAD+

2 Ácido pirúvico + 2ADP + 4ATP +

2NADH + 2H+ + 2 H2O

Balance

2 Piruvatos + 2 HS-CoA +

2 NAD +

2 Ácetil~S-CoA + 2CO2 +

2NADH + 2H+ +

C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol

180 g (1 mol) Glucosa son oxidados por 192 g (6 moles) de oxígeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2

La metabolización de la Glc libera E que es capturada en moléculas de ATP

2 ATP

36-38 ATP

(ó 30-32)

La velocidad de la Glucólisis y la del Ciclo de Krebs (que consume Acetil-CoA) están integrados (bajo condiciones normales) por:

a) Inhibición por altos niveles de ATP y NADH (componentes comunes de ambas vías); y

b) Por la concentración de Citrato (producido en Krebs que inhibe la Fosfofructoquinasa 1 de la Glucólisis)

Se metaboliza tanta Glc requiera el Ciclo de Krebs

Retiro de intermediarios hacia vías anabólicas

Reposición anaplerótica de intermediarios agotados.

Las reacciones de transaminación y desaminación de AA son reversibles, por lo que su dirección varía en función de la demanda metabólica.

Tips del Ciclo de Krebs

– biosintético

– ahorro de energía

• Remoción de intermediarios

– puede saturarse.

• Única vía enzimática saturable

– azúcares

– ácidos grasos

En la respiración aeróbica se conserva aprox. el 42 % de la energía de la glucosa en forma de ATP.

288 Kcal * mol-1

(1205 KJ* mol-1 )

Es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre ( G°) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/ 686 x 100= 42 %.

TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICA

Termodinámica:Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos.

Sistemas macroscópicos: Conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.

Bioenergética: leyes de la termodinámica

-Estudia las transformaciones de energía que

tienen lugar en la célula.

-Naturaleza y función de los procesos químicos

en los que se transforma la energía en seres

vivos.

CÉLULASNecesitan de energía p/sus actividades

(desarrollo, crecimiento, renovación de estructuras, síntesis de moléculas, etc).

Según la fuente de carbonos: Autótrofos: Pueden utilizar el CO2 como fuente de C (bacterias, vegetales).

Heterótrofos: obtienen C de moléculas orgánicas complejas (animales,

microorganismos).

CÉLULA ANIMALEnergía química para realizar trabajo proviene de

la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

Metabolismo: suma de las reacciones químicas que ocurren en la célula

(organizadas en series de reacciones catalizadas) =

“rutas metabólicas”

Catabolismo: Las moléculas

nutrientes se convierten en otras mas pequeñas

y simples.

Anabolismo: moléculas pequeñas

reaccionan para convertirse en otras más grandes y

complejas.

Fase dedegradación

Fase desíntesis

ATPADP

NADPH+H+NADP+

En una transformación química, generalmente se rompen enlaces y el

contenido de energía (E) de las moléculas aumenta o disminuye (DG

aumenta o disminuye).

“Moneda” de intercambio de Energía en los procesos biológicos = ATP

Beta-Oxidación y Krebs

NADH, NADPH y FADH2

son los principales transportadores de

electrones, ya que sufren oxidaciones y/o

reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservación de la Energía Libre que se produce en la oxidación

de los sustratos

Ana l og í as

Na t u r a l es

DEFINICIONES ENERGÍA: Es la “capacidad para producir un

trabajo”.

SISTEMA: “ toda porción del universo que se somete a estudio”

Tipos de sistemas: Según el intercambio que se permita entre el sistema y el universo, éste puede ser:

Abiertos: intercambio de materia y energía.

Cerrados: intercambio de energía, no de materia.

Aislados: impide intercambio de energía y materia.

MEDIO: “es lo que rodea al sistema”

UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO

DEFINICIONES

Estado de un sistema:

Se puede describir mediante propiedades

medibles que se conocen como variables de estado.

Algunos ejemplos de variables son:

TemperaturaPresiónVolumen

Entropía (S)Entalpía (H)

ENTALPÍA ( )DH : es la energía en forma de calor, liberada o consumida en un sistema a ,T y P constantes.

ENTROPÍA (DS): energía no degradada, no utilizada para realizar trabajo.

ENERGÍA LIBRE (DG): Representa la energía intercambiada en una reacción química. Es la energía disponible para realizar trabajo.

DEFINICIONES

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

PRIMER PRINCIPIO:“ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO

PERMANECE CONSTANTE”Equivale a decir: la energía del universo no se

crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.

SEGUNDO PRINCIPIO:“ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO

AUMENTA”Equivale a decir que el grado de desorden en el

universo aumenta.

Cambio de entalpía (ΔH) = calor de reacción

Calor desprendido o consumido en el curso de una reacción.

Si se rompen los enlaces más débiles y se forman enlaces más fuertes se desprende calor, y la reacción es exotérmica (valor negativo de ΔH°).

Si se rompen enlaces fuertes y se forman enlaces más débiles, entonces se consume energía en la reacción, y ésta es endotérmica (valor positivo de ΔH°).

Segundo principio:El desorden o entropía de un sistema aislado nunca puede decrecer.

Entropía (S)

Dirección de una reacciónA una temperatura dada la espontaneidad de una reacción dependerá del balance entre dos tendencias, pudiendo determinarse relacionando las propiedades termodinámicas de entalpia (∆H) y entropía (∆S).

∆H = está en relación a la energía requerida para romper enlaces químicos (tendencia a formar los enlaces más fuertes posible).

∆S = está relacionado con el grado de dispersión de la materia y la energía (tendencia a dispersarse, al mayor desorden).

Dirección de una reacción

De acuerdo a la termodinámica, la dirección preferencial para una reacción está determinada por el compromiso entre las tendencias hacia enlaces más fuertes (∆H) y mayor desorden (∆S).

Se dice, entonces, que la diferencia entre ∆H y T∆S equivale a una cierta cantidad de energía útil para hacer trabajo, propiedad del sistema que se conoce comúnmente como energía libre de Gibbs (G).

Una reacción química solo ocurrirá si ∆G°´ es negativo, es decir, si la energía libre del sistema disminuye (Reacciones exergónicas, que son espontáneas en la dirección escrita). G°´ disminuye (-∆G°´ )

Las reacciones con ∆G°´ es positivo, donde la energía libre del sistema aumenta (Reacciones endergónicas o endotérmicas, no son espontáneas en la dirección en que se escriben)

G°´ aumenta (+∆G°´ )Endergónica ó endotérmicaNo espontáneaReversible

G°´ disminuye (-∆G°´ )Exergónica ó exotérmicaEspontáneaReversible

La ecuación que relaciona ∆G y Keq es:

∆G°´ = -RT lnKeq

R = 1.99 x 10-3 kcal/kelvin-molT = temperatura absoluta en kelvins

El valor de RT a 25°C es 0,593 kcal/mol

Keq = [C][D] / [A][B]

Keq de c/reacción química es característico a una Tº dada.

Si Keq >1, la reacción está desplazada hacia (1)

Si Keq <1, la reacción está desplazada hacia (2)

Si Keq =1, la reacción está en Equilibrio (no hay desplazamiento neto).

En seres vivos las reacciones se desplazan del equilibrio.

EQUILIBRIO QUÍMICO

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Fundamentalmente sólo hay dos razones por la que ocurre una reacción química:

(1) la tendencia a lograr el mínimo de energía (2) la tendencia a lograr el máximo desorden

Medir el contenido de energía de un sistema es muy difícil, generalmente se mide el cambio de energía entre dos estados.

La variación de energía (DG) para ir de A hacia B es:

DGBA = GB - GA

Para ir de B hacia A:

DGAB = GA – GB = - DGBA

A B1

2

DGº es la variación de Energía Libre en condiciones estándar (Tº= 298ºK,[1M],P = 1atm)

DGº’ es la variación de energía libre estándar a un pH próximo al fisiológico (pH = 7)

R = 1,987 cal/mol grado

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Matemáticamente:DG = DH -TDS

PROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que transcurre con liberación de calor al medio.

PROCESO ENDOTÉRMICO: el que transcurre tomando calor del medio.

PROCESO EXERGÓNICO: libera energía. (ESPONTANEO)

PROCESO ENDERGÓNICO: absorbe energía. (NO ESPONTANEO)

E libre ó E de Gibbs (G) Función más importante en BioquímicaProceso real o factible = cambio de E libre de Gibbs negativo (-G)

G = Gfinal – Ginicial

G < 0 (FACTIBLE y EXERGÓNICO)

G = 0 (ISOERGÓNICO-en equilibrio)

G > 0 (NO FACTIBLE y ENDERGÓNICO)

REACCIONES CON:

-G = son exergónicas y espontáneas a derecha

+G = endergónicas e inviables a derecha – pero pueden ser viables por acoplamiento energético con las exergónicas

VIDEO 2http://www.youtube.com/watch?v=KcsNFNjjD5c

COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA

Compuestos c/Patos ∆G° de hidrólisis, en kJ/mol

Fosfoenolpiruvato (-61.9)

1,3-bifosfoglicerato (-49.3)

Fosfocreatina (-43.0)

ATP (-30.5)

ADP (-30.5)

Glucosa-1-fosfáto (-20.9)

Glucosa-6-fosfáto (-13.8)

-61,9 kJ/mol (-14,8 cal/mol) -51,4 kJ/mol (-12,3 cal/mol)

-43,1 kJ/mol (-10,3 cal/mol)

-30,5 kJ/mol (-7,3 cal/mol)

-13,8 kJ/mol (-3,3 cal/mol)

-9,2 kJ/mol (-2,2 cal/mol)

Mg++

Mg++

ENZIMAS PRESENTES EN CASI TODAS LAS

CÉLULAS

ATP a pH fisiológico está como ATP4-.

4 cargas (-) próximas originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi o AMP+PPi.

Transferencia de energía en el metabolismo celular

• P (grupos fosfato) = conservación y transferencia de E

• 1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP

• Creatín-P y Arginín-P = reservas de E p/cederla al ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales como el músculo)

• Fosforilación oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E liberada por oxidación de coenzimas reducidas)

Reacciones acopladas

Las Enzimas pueden combinar reacciones exergónicas con

endergónicas para resultar en una reacción acoplada que en conjunto es

exergónica (reacción espontánea).

REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADAS

nombre DGº’(kcal/mol)

ATP ADP + P -7,3

ADP AMP + P -7,7

AMP adenosina + P -3,4

Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan.

“Los valores de DGº de reacciones secuenciales son aditivos”

Este principio explica por que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea exergónica, a través

de un intermediario común

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP

∆G°’ = -7,3 + 3,3 = -4,0 Kcal/mol

ACTIVACION Es la unión de moléculas biológicas de modo tal

que, la ruptura de ese enlace químico formado, tiene un DG <0

Ejs:1) A + COENZIMA A-COENZIMAA-COENZIMA + B AB + COENZIMA DG<0

2)FOSFORILACION

Estructura química de la Acetil CoA. El grupo acetilo aparece a la izquierda de la figura, unido al azufre (S)

ADENOSINAÁCIDO PANTOTÉNICOCISTEÍNA

La Coenzima A es un transportador de grupos acilo.

Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los grupos acilo mediante un enlace tioester.

La hidrólisis de un tioester es muy favorable termodinámicamente, lo que hace que esta molécula tenga un alto potencial de transferencia de grupos acilo.

La CoA es un “transportador de acilos activado” igual que el ATP es “un transportador de P activado”.