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Apuntes bioquimica II para medicina con el profesor Rojas...

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UNIVERSIDAD ALFONSO X EL SABIO

BIOQUÍMICA II Segundo de Medicina Antonio de Pablo Esteban 2012/2013

Índice TEMA 1: BASES GENERALES DEL METABOLISMO (Cáp.13) ........................................................... 2 TEMA 2: GLUCÓLISIS (Cáp.14) ....................................................................................................... 6 TEMA 3: GLUCONEOGÉNESIS (Cáp.14) ....................................................................................... 19 TEMA 4: RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO (Cáp.14) ................................................................. 24 1)

Se necesita tanto ribosa 5-P como NADPH ..................................................................... 28

2)

Se necesita más ribosa 5-P que NADPH .......................................................................... 29

3)

Se necesita más NADPH que ribosa 5-P .......................................................................... 30

4)

Se necesita NADPH y ATP, pero no ribosa 5-P ................................................................ 31

TEMA 5: METABOLISMOS DEL GLUCÓGENO (Cáp.15) ................................................................ 32 TEMA 6: EL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO (Cáp.16) ......................................................................... 40 TEMA 7: CATABOLISMO DE ÁCIDOS GRASOS (Cáp.17) ............................................................... 49 TEMA 8: CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Y PRODUCCIÓN DE UREA (Cáp.18) ........................ 62 El ciclo de la urea..................................................................................................................... 66

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TEMA 1: BASES GENERALES DEL METABOLISMO (Cáp.13) Los organismos precisan básicamente de 2 elementos: componentes moleculares y energía. Si nos fijamos en la construcción química de los seres vivos, existe un elemento químico que marca la diferencia en cuanto a cantidad se refiere: el carbono. Su organización está regida por la química inorgánica. El carbono es tetravalente, con 4 electrones libres en la última capa, pudiendo formar diversos enlaces con diversos elementos y adquirir varias funciones, lo que le hace ser tan abundante. Hay un elemento parecido al carbono que es el silicio, más abundante en la corteza terrestre, pero menos estable estructuralmente, ya que sus electrones están más alejados del núcleo. La energía, por tanto, es necesaria para realizar funciones. Una cuestión clave es cómo se incorpora el carbono a las estructuras. Se han establecido clasificaciones de los seres vivos en función cuál sea su fuente de carbono y energía. Hay organismos capaces de convertir un compuesto orgánico a partir de CO2 y un compuesto inorgánico: los autótrofos. Los heterótrofos convierten compuestos orgánicos en otros compuestos orgánicos. Hay algunos autótrofos que obtienen energía a partir de la luz solar. En heterótrofos puede ser por combustión de compuestos orgánicos. En cualquiera de estos casos, generalmente da como resultado una molécula altamente energética llamada ATP.

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Todos los organismos vivos necesitan también una fuente de nitrógeno, necesaria para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y otros compuestos. Las plantas pueden, generalmente utilizar amoníaco o nitratos como única fuente de nitrógeno, pero tienen que ser fijados al suelo para poder ser aprovechado. Partimos de N2 atmosférico y será convertido en NH3 por medio de bacterias nitrificantes. Una vez fijado al suelo por ellas, las plantas lo toman y a nosotros nos llega a través de las mismas. Recientemente se han encontrado bacterias desnitrificantes, que hacen lo inverso. La reacción anabólica de la fotosíntesis consiste en CO2 + H2O Æ O2 + Azúcares. En animales, el proceso es el inverso, la respiración (catabólica): Azúcares + O2 Æ H2O + CO2. Esta reacción in vivo tiene lugar por partes, controlando el proceso y evitando la disipación del calor. In vitro, toda la energía se libera de golpe en forma de calor. La respiración es una oxidación, en la que se liberan protones y electrones, sin cambiar la carga del producto, de modo que la molécula que más energía puede dar es la que más se puede oxidar, es decir, la más reducida, porque tiene mayor número de hidrógenos (un protón y un electrón). En cada una de las etapas de la oxidación se liberan hidrógenos.

La presencia de organismos fotosintéticos da lugar al O2. Hoy día tenemos organismos aerobios estrictos, los cuales necesitan O2 para sobrevivir; anaerobios estrictos, que tienen que vivir sin O2, y anaerobios facultativos, que según las circunstancias usan O2 o no. Los glóbulos rojos no tienen mitocondrias, por lo que no pueden realizar la respiración celular aerobia. En los anaerobios, el azúcar no se oxida del todo, 1 mol de glucosa da lugar a 2 moles de ATP, mientras que en los organismos aerobios puede llegar a dar 32 moles. Cuando nos alimentamos tenemos 2 objetivos: obtener elementos y energía de lo ingerido, y así poder realizar funciones regulatorias mediante la formación de vitaminas. Éstas pueden actuar como hormonas (hidrofóbicas) o formar coenzimas (hidrosolubles). Las grasas hay que romperlas en ácidos grasos y glicerol, los polisacáridos en azúcares y las proteínas en aminoácidos. Algunos aminoácidos se pueden convertir en glucosa, y la glucosa en ácidos grasos, pero NUNCA se podrán convertir ácidos grasos en glucosa.

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De los 20 aminoácidos existentes, sólo podemos sintetizar 11. Los otros 9 están en nuestra dieta, se llaman aminoácidos esenciales y son: metionina (Met), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile), treonina (Thr), fenilalanina (Phe), triptófano (Trp), lisina (Lys) e histidina (His). Todas las reacciones se rigen por las reglas de la termodinámica, que responde a la pregunta de qué tiene que pasar para que algo ocurra en una dirección determinada. La hidrólisis del ATP, por ejemplo, es un proceso muy espontáneo en presencia de H2O. La degradación de glucosa en fructosa es un proceso endergónico, no es espontáneo. Pero esa espontaneidad se logra usando esa fructosa resultante como reactivo de otra reacción, de modo que no da tiempo a acumularse fructosa y la cantidad de reactivo acaba siendo mucho mayor que la del producto. El proceso mediante el cual la glucosa pasa a glucosa 6-fosfato tampoco es muy espontáneo in vivo, pero sin embargo ocurre. Esto es debido a que se crea una reacción acoplada:

De modo que los procesos químicos, además de ir en la dirección adecuada, tienen que ir a la velocidad adecuada. De ello se encargan los enzimas (catalizadores), que se unen a los 2 reactivos y hacen que se junten más rápidamente en la dirección más adecuada. Un fallo en un enzima causa un fallo en la velocidad de una reacción. A veces, los procesos fallan porque los enzimas actúan cuando no deben. Pero no todos los enzimas son igual de importantes. Los enzimas alostéricos, de estructura cuaternaria, suelen actuar en procesos irreversibles, donde el control tiene que ser máximo. El objetivo del catabolismo es usar la energía liberada en la oxidación de sustancias para formar ATP. El haber escogido el ATP entre otros como el GTP puede ser debido al azar, aunque existen muchos otros procesos que emplean GTP. Cada célula produce su propio ATP porque no se puede exportar, y hay 2 formas de obtenerlo: x x

Mediante fosforilación a nivel de sustrato: Reacción contraria a la hidrólisis acoplada al fosfopiruvato para que sea espontánea. Se obtiene poco ATP. Mediante acoplamiento quimiosmótico, realizado en las mitocondrias. 4

Los ácidos grasos y el piruvato forman acetil-coenzima A. Esta acetil-CoA se oxida gracias a la coenzima NAD+ que al captar H+ forma NADH. Si todo el NADH mitocondrial no vuelve a su estado inicial, el proceso se detiene. Para ello, viaja a la membrana interna y cede los electrones a una cadena de transporte de electrones mediante canales, en los que en cada salto se libera energía que transporta los H+, acumulándolos en el espacio intermembranal, que son acogidos por la ATPsintasa, un canal que al transportar los H+ a favor de gradiente (de fuera hacia adentro) forma ATP a partir de ADP + Pi.

El NADH no se emplea en el anabolismo, ahí actúa el NADPH. Cada uno se diferencia en la presencia de un fosfato en su fórmula molecular. Si todo se queda en la versión reducida, la oxidación no se produce. El NADPH se recicla en procesos de anabolismo y sirve como dador de H+ en la reducción e intenta reparar los daños por superóxidos. No se pueden traspasar moléculas de NADPH de una célula a otra de forma intacta. Un proceso en el que interviene es la síntesis del colesterol. Ambos compuestos provienen de la niacina , y la ausencia de esta vitamina causa pelagra. El metabolismo es un proceso con las vías metabólicas interconectadas. De todos los órganos, el hígado es el principal en el metabolismo. Hay algunas zonas que sólo se alimentan de un sustrato, como es el caso del cerebro (glucosa). En condiciones de ausencia de glucosa, se usan los cuerpos cetónicos. El hígado se alimenta fundamentalmente de grasa. Cuando falla, se produce el hígado graso. El músculo se alimenta de glucosa y grasa. Tiene una reserva de glucosa en forma de glucógeno, la cual no se usa si hay glucosa en sangre. En ocasiones, la glucosa se oxida en lactato, sustancia tóxica que hay que eliminar.

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TEMA 2: GLUCÓLISIS (Cáp.14) La glucosa es uno de los principales alimentos. Es muy fácil de manejar, muy soluble. Se puede usar para obtener energía de ella. Puede almacenarse en forma de glucógeno en el músculo esquelético e hígado. También puede seguir una vía para sintetizar polímeros estructurales (ácidos nucleicos, ribosas…); la vía de las pentosas fosfato; u oxidarse por vía glucólisis. Esta última la realizan todas las células. Desde el punto de vista químico, en la oxidación completa de un azúcar se produce CO2 + H2O. La glucólisis no requiere oxígeno, es una oxidación parcial anaeróbica. El rendimiento como ATP también es parcial. De glucosa a piruvato sólo se producen 2 ATP. La glucólisis es una etapa previa, si se inhibe, el resto también lo hace. Después de ella viene la fase mitocondrial, en la que se oxida completamente. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma. En este proceso, pasamos de una molécula de 6 carbonos a 2 de 3. Son 10 reacciones divididas en 2 bloques. Las 5 primeras son la fase preparatoria, en la que no hay oxidación, pero sí ruptura y se gastan 2 ATP. En la etapa de rendimiento o de beneficios hay una oxidación del aldehído formado a un ácido. Por cada mol de glucosa, en esta fase se ganan 4 ATP. Por tanto, todo el proceso tiene una ganancia neta de 2 ATP. Todo esto se da en condiciones anaeróbicas. La molécula final es el ácido pirúvico, el cual puede convertirse en ácido láctico, en etanol, o seguir oxidándose. En este proceso hay 3 reacciones irreversibles: la 1ª, la 3ª y la 10ª, las cuales están altamente reguladas. Que sean irreversibles quiere decir que necesitan un enzima distinto para realizar la reacción en sentido contrario. El proceso contrario se denomina gluconeogénesis. En la 1ª reacción se fosforila la glucosa gastando 1 ATP. Si la glucosa según entra no es modificada, es sacada por el mismo transportador de entrada. Fosforilándola se evita que regrese al exterior. Además supone la formación de un enlace energético, una unión ortofosfórica. Impedimos que salga y la primamos con un enlace energético. El resultado es la glucosa 6-fosfato. En la 2ª reacción, convertimos la glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato. El siguiente paso es añadir otro fosfato proveniente del ATP y regulado por un enzima más especializado que la 1ª, dando como resultado la fructosa 1,6-bisfosfato (el prefijo bis- indica que la situación de los fosfatos es en carbonos distintos). La cercanía de los fosfatos y sus cargas negativas crean una inestabilidad que favorece la ruptura por el carbono 3 y 4. La parte con los carbonos 1, 2 y 3 forma la dihidroxiacetona fosfato. La parte de los carbonos 4, 5 y 6 forma el gliceraldehído 3-fosfato. Dado que es más fácil oxidar el gliceraldehído, toda la dihidroxiacetona pasa a ser gliceraldehído 3-fosfato. De modo que al final de la fase preparatoria contamos con 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato.

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El retorno energético tiene lugar en la fase de rendimiento. Las 5 reacciones restantes de este bloque tienen como objetivo oxidar el gliceraldehído. La 6ª reacción es una oxidación, en la que se reduce el NAD+, captando H+. Se forma el 1,3-bisfosfoglicerato. Este proceso a su vez está asociado a la unión de un fosfato, que sirve para “invertir” en producir ATP. La oxidación se da antes que la unión del fosfato y no necesita ATP, porque es muy exergónica. Como llevamos 2 gliceraldehídos va todo x2. La molécula oxidada con el fosfato es muy inestable. Una vez se ha formado el NADH, se tiene que volver a oxidar para reciclarse. Esta situación marca distintas opciones en las células. El enlace menos estable formado en la molécula anterior es el del fosfato con el grupo ácido, de modo que el fosfato se suelta y se une a un ADP. Tras esta 7ª reacción obtenemos el 3-fosfoglicerato. Este proceso in vivo no es irreversible. Las siguientes reacciones intentarán acercar el otro fosfato al grupo carboxilo. La 8ª reacción es el movimiento del fosfato y obtenemos el 2-fosfoglicerato. Para que tenga más tendencia a soltar el fosfato, deshidratamos la molécula (se liberan 2H2O) y pasamos a obtener el fosfoenolpiruvato (9ª reacción). El doble enlace formado crea un sumidero de electrones en el oxígeno y se tiende a soltar el fosfato, siendo el proceso muy exergónico (-31 Kj/mol). El fosfato liberado es aprovechado por ADP y obtenemos finalmente el piruvato (10ª reacción). El piruvato se puede destinar a: x

x

Si las mitocondrias funcionan, es decir, en condiciones aeróbicas, el piruvato entra en ellas (proceso lento), se oxida a acetil-coenzima A y será oxidado de manera completa en el ciclo de Krebs. En condiciones anaeróbicas, se convierte en otras posibles moléculas: ácido láctico o etanol, siguiendo las fermentaciones respectivas.

En condiciones aeróbicas (con O2), el NADH va a las mitocondrias y por un proceso indirecto cede electrones a la cadena transportadora de electrones interna, en la que partiendo de un mol, podemos obtener como máximo 2,5 moles de ATP y como mínimo 1,5. Cuando no hay ni mitocondrias ni O 2, puede oxidarse, reduciendo el piruvato y formando ácido láctico o etanol + CO2. La segunda fermentación (alcohólica) NO la podemos realizar nosotros.

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La primera reacción en la glucólisis es el paso de la glucosa a glucosa 6-fosfato. Esto está regulado por el enzima hexoquinasa y es irreversible. Hay 4 tipos de la misma y la IV, que sólo existe en el hígado, recibe el nombre de glucoquinasa . La hexoquinasa IV tiene menor afinidad que la hexoquinasa I, pero cuando hay concentraciones altas de glucosa, la IV comienza a funcionar y no se satura, al contrario que la hexoquinasa I. El hígado evita que en concentraciones altas de glucosa no salga más glucosa al torrente sanguíneo, fosforilándola. Las hexoquinasas I, II y III se inhiben con el producto formado, ya que son de actividad metabólica inmediata. La hexoquinasa IV se encuentra en grandes cantidades y en condiciones de normoglucemia, se une a la proteína reguladora, la cual le arrastra hasta el núcleo, donde la retiene. Este proceso está favorecido por la fructosa 6-fosfato. En situación de hiperglucemia, la glucosa aumenta también en el citoplasma y núcleo de las células y compite por la unión a la hexoquinasa con la proteína reguladora. Al unirse la glucosa a la glucoquinasa, salen las 2 del núcleo. Pero esta fosforilación tiene como objetivo impedir que la glucosa vuelva a la sangre, no iniciar una posible glucólisis.

El objetivo en la segunda reacción de convertir la glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato es acercar el carbono anomérico al carbono 6, ya que posteriormente se fosforilará. Lo realiza la fosfohexosa isomerasa y es una reacción reversible, el mismo enzima puede realizar las 2 reacciones, todo depende de las concentraciones de cada una. El carbono 1 se va a reducir y el carbono 2 se va a oxidar. Una vez que la glucosa entra en el centro activo, al haber menos agua, directamente se abre la molécula y se estabiliza más, ya que en el exterior estaba continuamente ciclándose y abriéndose. Ahí recibe un ataque enzimático, produciéndose una catálisis ácida, en la que un residuo ácido (ácido glutámico) capta el H+ del carbono 2, y el carbono 1 queda como –CHOH (capta 1 H+ al romperse el doble enlace con el oxígeno), unido mediante un doble enlace al carbono 2.

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En toda reacción hay un punto intermedio, en el que existe una molécula que sólo se encuentra dentro del enzima y dura muy poco. Una vez llegado a este punto, el proceso avanza más rápido y puede ir tanto en una dirección como en otra. El H+ restante del carbono 2 sale fuera y queda como un C=O, restableciéndose el enlace simple entre el carbono 1 y el 2, a la vez que el ácido glutámico cede al carbono 1 el H+ tomado anteriormente del carbono 2 y queda como CH2OH. La molécula resultante sale del enzima y se vuelve a ciclar, siendo la fructosa 6-fosfato.

La 3ª reacción es fosforilar la fructosa 6-fosfato. Este proceso lo realiza la fosfofructoquinasa-1, la cual fosforila el carbono 1, estableciendo un enlace éster y formándose la fructosa 1,6-bisfosfato. Este proceso es muy exergónico, e in vivo es irreversible, ese enzima sólo puede realizar la reacción en esa dirección. También sale ADP como producto, ya que se emplea ATP como dador del fosfato. Las reacciones irreversibles están muy reguladas. Los enzimas encargados de ello son alostéricos, formadas por varias proteínas, de estructura cuaternaria, lo que da lugar a más de un centro activo. Esta reacción es específica de la glucólisis y el objetivo es invertir en ATP.

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La fosfofructoquinasa-1, a su vez, controla la realización de la glucólisis. Además del ATP como sustrato de la reacción, en el enzima existe una molécula más de ATP, que si está presente actúa de forma inhibitoria. En el centro activo, la Km es muy baja, y en la zona del ATP regulador, la Km es muy alta, de modo que sólo se unirá al haber mucha cantidad de ATP, ya que no será necesario sintetizar más. Cuando esto ocurre, modifica la conformación del enzima, provocando que la fosforilación en el centro activo tenga lugar con mayor dificultad. Al igual que el ATP es inhibitorio, el AMP y el ADP son activadores, dado que la célula estaría en la situación contraria. A parte del ATP, ADP y AMP, existen otras moléculas con las mismas funciones, como son el citrato y la fructosa 2,6bisfosfato. El citrato es un intermediario clave en la oxidación aeróbica del piruvato (ciclo de Krebs), de los ácidos grasos y de los aminoácidos. Cuando está en exceso, sale de las mitocondrias, lo que quiere decir que el ciclo de Krebs está funcionando, o se está obteniendo energía también por medio de oxidación de ácidos grasos o aminoácidos. Por si el ATP falla, actúa el citrato. La fructosa 2,6-bisfosfato se produce sólo para regular el enzima anterior. Cuando está en poca cantidad, la fosfofructoquinasa-1 apenas funciona, es un elemento regulador activo, no un cofactor. La misma molécula es un inhibidor de la reacción opuesta. Es clave para los procesos glucólisis vs. gluconeogénesis. El compuesto se forma gracias a un enzima llamado fosfofructoquinasa-2 (PFK-2), que fosforila el carbono 2 de la fructosa 6-fosfato. Esta molécula es muy estable y el enzima actúa en el mismo complejo proteico junto a la fructobisfosfatasa-2 (FBPasa-2), la cual regula la reacción contraria (desfosforila el carbono 2) y se da también en el citoplasma. Estos dos procesos son antagónicos y, por tanto, no pueden darse a la vez, tienen que estar regulados. En condiciones de hipoglucemia, el glucagón actúa aumentando la producción de cAMP, el cual favorece la producción de adenilato ciclasa, que complementa a la proteína...