Tema 10. Rutas centrales del metabolismo intermediario. PDF

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Tema 10. Rutas centrales del metabolismo intermediario INTRODUCCIÓN Algunas células obtienen energía (ATP) a partir de la fermentación, degradando glucosa en ausencia de oxígeno. Sin embargo, para la mayor parte de células eucarióticas y un gran número de bacterias que viven en condiciones aeróbicas oxidan sus combustibles orgánicos a CO2 y H2O, de modo que la glucólisis es la primera etapa de la oxidación completa de la glucosa. El piruvato formado en la glucólisis, en vez de ser reducido a productos fermentativos, se degrada hasta CO2 y H2O. Esta fase aeróbica del catabolismo se denomina respiración. Los procesos anaerobios son fermentaciones, procesos degradativos que producen energía en ausencia de O2. Una respiración es un proceso degradativo que produce energía, por lo general, en presencia de O2. La respiración puede ser anaeróbica si el aceptor final de los electrones no es el O 2, puede ser, por ejemplo, el nitrógeno o el azufre. La diferencia fundamental entre fermentación y respiración es la cadena de transporte de electrones y el proceso de fosforilación oxidativa. La respiración celular tiene lugar en tres fases principales. En la primera, las moléculas de combustible orgánico, principalmente la glucosa, se oxidan para dar acetil-CoA. En la segunda fase, los grupos acetilo de los acetil-CoA se incorporan al ciclo del ácido cítrico, donde son oxidados enzimáticamente hasta CO2. La energía liberada en esta oxidación se conserva en los coenzimas reducidos NADH y FADH2. En la tercera fase de la respiración, estos coenzimas reducidos son a su vez oxidados, liberando protones y electrones. Estos últimos son transferidos a una cadena transportadora de electrones cuyo aceptor final casi siempre es el O2. Durante este Etapas de la respiración celular proceso de transferencia electrónica se libera una gran cantidad de energía, que se conserva en forma de ATP gracias al proceso de la fosforilación oxidativa. Así, en este caso por cada molécula de glucosa se obtienen 32 moléculas de ATP. Es por esto que la mayoría de organismos degradamos nuestros sustratos en presencia de O2. Casi todos los seres vivos, desde que comenzó a haber O 2 en la atmósfera, somos capaces de tener un metabolismo anaeróbico parcial y un metabolismo aerobio. La glucólisis anaerobia la usamos, por ejemplo, cuando hacemos un gran esfuerzo muscular, ya que obtenemos la energía de convertir glucosa en lactato. Después, el lactato se acumula en grandes cantidades, cristaliza y produce las agujetas.

CICLO DE KREBS, DEL ÁCIDO CÍTRICO O DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOSe El ciclo de Krebs es una ruta antigua, pues ya existía en organismos de hace mucho tiempo. s una ruta central del metabolismo. Tiene mucha importancia en los organismos aeróbicos. En los organismos aeróbicos, la glucosa se oxidan finalmente a CO 2 y H2O a través del ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria. El piruvato, procedente de la glucosa a través de la glucólisis, se oxida para dar lugar a acetil-CoA y CO2 mediante una descarboxilación oxidativa gracias a la acción del complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDH), que consta de tres enzimas y cinco coenzimas. Una vez formado el acetil-CoA, este cede su grupo acetilo al oxalacetato, un compuesto de cuatro átomos de carbono, gracias a la enzima citrato sintasa, formando una molécula de citrato de seis carbonos,. El citrato se transforma en isocitrato (6 C), que al deshidrogenarse da α-cetoglutarato (5 C) también llamado oxoglutarato. Este último sufre la pérdida de una molécula de CO2 produciendo succinato (4 C). El succinato, mediante una serie de tres reacciones enzimáticas se convierte en el oxalacetato (4 C), que queda listo para reaccionar con otra molécula de acetil-CoA. Por cada acetil-CoA oxidado por el ciclo del ácido cítrico, la ganancia energética consiste en 3 moléculas de NADH, 1 de FADH2 y 1 de ATP o GTP según el organismo. El ciclo del ácido cítrico es anfibólico, ya que Productos de una vuelta del ciclo del ácido cítrico sirve tanto para el catabolismo como para el anabolismo; se pueden extraer intermediarios del ciclo y utilizarlos como material de partida para un buen número de productos biosintéticos. Si el ácido oxalacético se saca del ciclo y se dedica a otra ruta, el ciclo puede colapsar. Debido a esto, el ciclo tiene también un conjunto de rutas que le suministran intermediarios denominadas rutas anapleróticas. Estas rutas suministran intermedios que se encuentran en déficit al ciclo. Estas reacciones son catalizadas por la piruvato carboxilasa, que es una de las principales enzimas responsables de mantener que el ciclo de Krebs siga funcionando. El ciclo es tan versátil que puede funcionar en el sentido contrario. Hay seres vivos que cogen el oxalacetato y dan el malato, el fumarato y el succinato. El ciclo también puede funcionar por partes, aunque en el metabolismo aerobio las etapas se suelen suceder una a la otra en el sentido degradativo, ya que la función principal del ciclo es producir energía. El complejo de la piruvato deshidrogenasa es inhibido alostéricamente cuando las relaciones [ATP]/ [ADP], [NADH]/[NAD+] son altas, indicando un estado metabólico energéticamente suficiente. Cuando estas relaciones disminuyen se produce una activación alostérica de la oxidación del piruvato. La velocidad de flujo a través del ciclo del ácido cítrico puede ser limitada por la disponibilidad del oxalacetato y del acetilCoA, o de NAD+, que desaparece por su conversión en NADH, con lo que se reduce la velocidad de los tres pasos de oxidación dependientes de NAD. Los puntos más controlados del ciclo son las reacciones de oxidación catalizadas por las deshidrogenasas. Una alta concentración de ácidos grasos también indica un alto contenido en energía. En las reacciones enzimáticas, las enzimas son estimuladas cuando hay una alta concentración de sustratos e inhibidas cuando hay una alta concentración de productos. En el tejido muscular, el ion Ca2+ es un indicador de la contracción y estimula el metabolismo productor de energía para reemplazar el ATP consumido en la contracción. El ciclo de Krebs nunca está a ritmo cero, pero puede estar bajo mínimos. El paso del ciclo que se regula es un paso previo al ciclo: la formación del Acetil-CoA por parte del complejo piruvatodeshidrogenasa.

CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES En el ciclo de Krebs, además de una molécula de ATP se producen NADH y FADH 2. Estos coenzimas reducidos, mediante la cadena transportadora de electrones proporcionan la mayor parte del ATP. Los electrones fluyen desde los transportadores con potencial de reducción más negativo (-) hacia los de potencial más positivo (+), hasta que finalmente reducen un aceptor final de electrones como el O2. El par NADH/NAD+ tiene un potencial de Eº=-0’32 V, mientras que el par O 2/H2O tiene un potencial de Eº=+0’82 V. Por tanto, el NADH transfiere un electrón que lleva asociado un protón a la cadena y se oxida: NADH+ H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O. Esa energía libre en condiciones estándar (AGº) se calcula de esta forma: ΔGº= -n·F·ΔEº n= número de electrones transferidos F= constante de Faraday ΔGº = -220 kJ/mol Por cada mol de NADH oxidado en presencia de O2 se desprende mucha energía. La energía de este proceso provoca que algunos protones se liberen al medio, causando una ligera acidificación de la cara externa de la membrana. La expulsión de H+ al medio causa que los OH- se acumulen en el interior de la membrana. Como presentan carga, no pueden atravesar libremente la membrana, por lo que no se puede restaurar espontáneamente el equilibrio. Se genera un gradiente de pH y un potencial electroquímico a través de la membrana. La superficie interna citoplásmica será eléctricamente negativa y alcalina y la superficie externa de la membrana estará cargada negativamente y será ácida. Este gradiente de pH y potencial electroquímico es la fuerza motriz de protones, que origina que la membrana posea un cierto estado energético, como una batería. Parte de esta energía puede ser conservada formando ATP. El complejo que logra la conversión de la fuerza motriz de protones en ATP se llama ATP sintasa o, abreviadamente, ATPasa. Los transportadores electrónicos son complejos proteicos enterrados en la membrana mitocondrial interna y son cuatro complejos: I, II, III y IV. Los complejos mayores son el I y el III y los más pequeños son el II y el IV. Por cada par de electrones que se transfiere, se bombean 10 protones al espacio intermembrana. En los complejos hay citocromos, que tienen asociados un grupo hemo. Los grupos hemo tienen átomos de hierro que son capaces de pasarlo de Fe 3+ a Fe2+. Tienen proteínas ferrosulfuradas, proteínas con átomos de hierro unidos a átomos de azufre inorgánico o a átomos del azufre del aminoácido cisteína. Los nombres de los citocromos van en función de la longitud de onda a la que tienen su máxima absorbancia. El citocromo a tiene su máxima absorbancia en 600 nm; el b, en 560 nm; el c, en 550 nm. El complejo I tiene más de 50 subunidades formando parte de él y tiene hasta 6 proteínas ferrosulfuradas, pero no tiene citocromos. Las proteínas ferrosulfuradas pueden tener 2, 3, 4… átomos de hierro. Con esta enorme variedad de proteínas con átomos de Fe se consigue que los átomos de Fe tengan diferentes potenciales estándar. Los átomos de hierro desprenden diferentes energías dependiendo del entorno al que están unidos. Estas diferencias de potencial son sutiles. El complejo I se denomina NADH deshidrogenasa o NADH-ubiquinona oxidorreductasa. NADH + H+ + Q (ubiquinona) ↔ NAD+ + QH2 Un electrón se puede transferir de distintas maneras: • Se transfiere sólo un electrón: Fe3+ ↔ Fe2+ •

Se transfiere un electrón asociado a un protón. Este es el método de la NADH-deshidrogenasa.

•

Se transfiere un electrón asociado a un ion hidruro.

La ubiquinona (Q) es una de las dos proteínas móviles de la cadena. Para transferir protones y electrones hay dos compuestos que se desplazan. La ubiquinona quiere decir “quinona ubicua”. Cuando la ubiquinona se reduce, donde estaba la cetona queda un hidroxilo (semiquinona), y si se reducen las dos cetonas, pasa a ser ubiquinol. El complejo I le cede a la ubiquinona 2 electrones con 2 H+ Estructura de la ubiquinona asociados, la NADH se oxida a NAD+ y la Q pasa a ubiquinol.

El segundo transportador es el complejo II, también denominado succinato deshidrogenasa. El complejo II recibe dos electrones y dos H + del FADH2 y se los transfiere a la ubiquinona. El complejo II tiene un citocromo b, pero la función de este no tiene que ver con el transporte de electrones. FADH2 + Q ↔ FAD+ + QH2 El complejo III se denomina citocromo bc1 o ubiquinol-citocromo-c-oxidorreductasa. A partir de este complejo empiezan los citocromos relacionados con la cadena transportadora de electrones. El citocromo recoge los electrones transferidos por el ubiquinol tanto del complejo I como del complejo II. Esos citocromos actúan por pares: QH2 + 2cyt c (oxidado) ↔ 2cyt c (reducido) + Q + 2H+ Los citocromos transportan electrones, no protones. El complejo III transfiere los electrones y los H + al citocromo. El citocromo c es la otra molécula móvil del sistema de la cadena transportadora. El citocromo c no forma parte del complejo III, se puede unir a él o separarse. Los que forman parte del complejo III son el citocromo b y el citocromo c1. El complejo IV, también denominado citocromo c oxidasa, está formado por el citocromo a y el citocromo a3. El citocromo c transporta los dos electrones procedentes de la ubiquinona y se los cede al citocromo a, que se reduce y cede finalmente los electrones al O 2 para reducirlo a H2O. 2cyt c (reducido) + 2cyt a (oxidado) ↔ 2cyt c (oxidado) + 2cyt a (reducido) 2cyt a (reducido) + ½ O2 + 2H+ ↔ 2cyt a (oxidado) + H2O La energía que se produce en cada complejo es suficiente para bombear H + sólo en dos de los complejos. Por cada par de electrones que se transfieren se bombean 10 H +: 4 por el complejo I, 4 por el complejo III y 2 por el complejo IV. Los electrones que provienen del FADH 2 generan un menor rendimiento porque no pasan por el complejo I, por lo que sólo producen el bombeo de 6 H + al espacio intermembrana. En todos los seres vivos, la cadena transportadora no siempre funciona exactamente bien, por lo que a veces el O2 se reduce, pero no lo suficiente para formar H2O y se forman radicales que pueden ser tóxicos. Para estos radicales existen mecanismos como enzimas asociadas que los eliminan.

Resumen del flujo de electrones y protones a través de la cadena respiratoria

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y SISTEMAS DE LANZADERA La energía propia del paso de dos electrones a través de la cadena transportadora se almacena en forma de un gradiente de protones. Los protones son transportados en un único sentido al espacio intermembrana. Cuando el transporte se realiza desde el complejo I hasta el O 2 para dar H2O, por cada par de electrones se translocan desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana 10 H +: 4 por el complejo I, 4 por el complejo III y 2 por el complejo IV. El complejo II no tiene energía para bombear H +. Si los electrones entran a través del complejo II, que es el caso del FADH 2, por cada par de electrones se bombean 6 H+, porque no pasan por el complejo I. Por eso, el rendimiento energético de este coenzima reducido es distinto. Este gradiente se denomina gradiente protónico, gradiente electroquímico o fuerza protón-motriz. Peter Mitchell enunció en la década de 1960 una teoría que decía que este gradiente era el responsable principal de la síntesis de ATP. A este teoría se le denominó teoría quimiosmótica de producción de ATP.

Junto con la estructura del DNA, esta teoría se considera uno de los descubrimientos de bioquímica más importantes del siglo XX. Es un gradiente electroquímico porque se genera una diferencia eléctrica y una diferencia química entre la matriz y el espacio intermembrana. Es un gradiente eléctrico porque la matriz se hace cada vez más negativa y el espacio intermembrana más positivo, y es un gradiente químico porque el espacio intermembrana se hace más ácido y la matriz más alcalina. La membrana mitocondrial interna es impermeable a cualquier componente cargado, por lo que una vez que los H+ llegan al espacio intermembrana no pueden volver a la matriz a no ser a través de una molécula denominada ATP-sintetasa. El gradiente de protones se disipa cuando los H + fluyen libremente a favor de gradiente desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial a través de la ATP-sintetasa. Al irse acumulando los H+ en el espacio intermembrana acaban fluyendo a favor de gradiente por esa molécula hacia la matriz. La ATP-sintetasa, descubierta en 1961 por E. Racker, es una molécula que tiene dos partes. Una denominada F 0 y otra denominada F1. La F0 está enterrada en la membrana mitocondrial interna y la F1 está en la matriz. La parte F1 tiene 9 subunidades: 3 subunidades α, 3 subunidades β, 1 γ, 1δ y 1 ε. La cabeza está compuesta por 3 subunidades alfa y 3 beta dispuestas alternativamente. La parte F0 está compuesta por una subunidad a, una subunidad b y 10 o 12 subunidades c. El flujo de protones pasa del espacio a la matriz a través del complejo F0 formando un chorro ininterrumpido de H+. Cuando este chorro pasa, el pivote central gira sobre las 3 subunidades alfa y las 3 beta. Sólo gira la parte central (la Estructura de la ATP-sintetasa subunidad gamma) y al ir girando se pone en contacto con las subunidades beta, que tienen el centro activo para la producción de ATP. Una subunidad beta reconoce el ATP, otra el ADP + Pi y otra está vacía. Al ir girando el pivote por la energía del chorro de protones la conformación de las subunidades beta va cambiando. β: ADP + Pi → β: ATP → β: vacía → β: ADP + Pi → β: ATP… etc. Cuando se produce un giro de 360 º se han producido tres molécula de ATP. Esto se denomina catálisis rotacional y fue propuesta por P. Boyer. Por lo tanto, la ATP-sintetasa es la responsable de la síntesis de ATP a base de la energía del chorro de protones. Si no hay flujo de H +, no hay fuerza para producir ATP. Si artificialmente se hace girar a la ATP-sintetasa, en vez de sintetizar ATP, lo degrada. A uno y otro lado de las ATP-sintetasas hay sistemas de transporte. El cotransportador es la translocasa de nucleótidos de adenina, que transporta el ATP de la matriz al exterior. A la vez que una molécula de ATP va al exterior, se introduce una molécula de ADP. El Pi tiene otro transportador que lo transporta junto con un protón a la matriz. Cada vez que se introduce un Pi se introduce un H + que no pasa por la ATPasa, por lo que no ayuda a formar ATP y por tanto, tiene un coste energético. Al conjunto de la ATPasa con un transportador a cada lado se le denomina sintasoma, que puede ser aislado mediante una digestión. Sistemas de lanzadera Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a cualquier molécula cargada, también lo es a los coenzimas reducidos. Estas moléculas, que se generan mayoritariamente en el citoplasma, no pueden atravesar la membrana y, por tanto, no pueden llegar a la matriz.

Lanzadera del malato-aspartato Esta lanzadera se utiliza para transportar equivalentes de reducción desde el NADH citosólico a la matriz mitocondrial. Se siguen los siguientes pasos: 1. El NADH del citosol (espacio intermembrana) pasa dos equivalentes de reducción al oxalacetato produciendo malato. 2. El malato atraviesa la membrana interna por un transportador específico (el malato-α-cetoglutarato). 3. En la matriz, el malato pasa dos equivalentes de reducción al NAD+ y el NADH resultante es oxidado por la cadena respiratoria al ceder sus electrones al complejo I. El oxalacetato formado a partir del malato no puede pasar directamente al citosol. 4. Se transamina primero a aspartato. 5. El aspartato puede salir a través de otro transportador (el de glutamato-aspartato). 6. En el citosol se regenera el oxalacetato, con lo que se completa el ciclo. Lanzadera del glicerol-fosfato En el espacio intermembrana la dihidroxiacetona fosfato acepta dos equivalentes de reducción del NADH en una reacción catalizada por la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa citosólica, cuyo coenzima es el FAD. El FADH2 entra a la matriz. La glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial, localizada en la cara externa de la membrana interna, cede directamente sus equivalentes a la ubiquinona.

Sabemos que si los electrones entran por la NADH-deshidrogenasa se bombean 10 H +, mientras que si entran por el complejo II, por cada par de electrones se generan 6 H +. Para saber qué cantidad de energía corresponde a esto, hay que saber cuántos protones son necesarios para que la ATPasa genere una molécula de ATP. Esto se denomina razón P:O. La respuesta es que se necesitan 4 protones para sintetizar una molécula de ATP. La molécula que ceda 2 electrones al complejo I y genere 10 H + formará 2’5 moléculas de ATP y la que los pase al complejo II y forme 6 H+ producirá 1’5 moléculas de ATP. El proceso de la fosforilación oxidativa es una fosforilación de ATP. Los tejidos termogénicos nos proporcionan calor. Si en la membrana mitocondrial interna hay un poro que permite el paso de protones sin que actúe la ATPasa no se genera ATP, por lo que la energía se convierte en calor. La termogenina es una proteína que hace este proceso. Este mecanismo lo tienen los mamíferos hibernantes....