Ciclo de Krebs y Bioenergética

1. Ciclo de Krebs y Bioenergética BIOQUÍMICA Año 2013 GLS

2. Las 3 Etapas de la Respiración Oxidación metabólica de sustratos orgánicos1. 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 ATPen la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

3. PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS GLICÉRIDOS 1° Etapa GLICEROL + AG AMINOÁCIDOS GLUCOSA 2° Etapa PIRUVATO MITOCONDRIA ACETIL-CoA CO2 H+ 3° Etapa (NADH, FADH2) ADP + Pi Oxidación Fosforilativa ½O2 ATP H2O

5. - O2 - O2 Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras células y algunos microorganismos Fermentación a Alcohol en levaduras Animales, plantas y muchos microorganismos en condiciones aeróbicas + O2

6. Papel central en el metabolismo. Reacciones individuales. Estequiometríay rendimiento energético. Regulación. CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

7. Transaminaciones, Βeta-oxidación, Ciclo de Krebs, Cad. Respiratoria y Síntesis de ATP Glucólisis, Pentosas-P, Transaminaciones Sínt. Ács Nucleicos y regulación de la expresión Sínt. y secreción de Proteínas Nucleolo Núcleo Ribosoma (sínt. Prots.) Vesícula RER Golgi Citoesqueleto RELiso Mitocondria Vacuola Citoplasma Lisosoma Centríolo Imagen de Magnus Manske Glicosilación Acilación

8. TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMÁTICO FAD+ Glicerol-3P-DH (Citosol) Di-HO-ACETONA-P Gli-3-P-DH (Mitocondrial) FADH2 NADH + H+ Malato OxalacetatoAspartato Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA (+) (-) ADP ATP Translocasas AA, Malato, Succinato, Piruvato NAD+, NADH, FAD HS-CoA NADH+H+ NAD+ Di-HO-ACETONA-P---------------> GLICEROL-3P

9. Es el final de la glucolisis • Esun punto de inicio para la gluconeogénesis. En la fermentación es convertido a lactato , etanol, AGV…. AlgunosAA se degradan a Piruvato, y a estos les da origen: alanina, cisteina, glicina, serina, treonina, y triptofano. Las Enzs que actúan s/ el Piruvato son: Piruvato Quinasa PiruvatoDescarboxilasa Piruvato Deshidrogenasa Lactato Deshidrogenasa PiruvatoCarboxilasa Transaminasas Piruvato

10. DescarboxilaciónOxidativa del Piruvato 1) Descarboxilaciónexergónica y fijación del resto acilo a la TPP-Enz 2) Formación de sulfoester de alta Energía con Lipoato 3) Transtiolaciónisoergónica del acetilo desde el Lipoatoa la HS-CoA TIAMINA • Otras enzimas con igual mecanismo: • Alfa-cetoglutarato DH, • Alfa-cetobutirato DH, • cadena ramificada cetoácido DH

11. Complejo Piruvato deshidrogenasa H

12. Piruvato Deshidrogenasa Fuente de acetil-CoApara 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.

13. Arsenito Arsenical orgánico Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsénico que se unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida) + S S OH HS HS -O As R´ -O As As S S OH HS HS R´-As=O + R R R R

14. La actividad del complejo Pir-DH es coordinada por la proporción de Coenzima A acetilada y libre. E2 (componentetransacetilasa) Esinhibidaporacetil-CoA y activadaporCoA-SH. Regulación En mamíferos, E1del complejopiruvato dehidrogenasa es susceptible de modificación covalente. + Fosforilación de Ser en eucariotas Pir-DH-kinasa (+) y Pir-DH-Fosfatasa (-) E3 (componenteDihidrolipoamida-DH) Esinhibidapor NADH y activadapor NAD+. La actividad del complejo es coordinadapor lasrelaciones [NADH]/[NAD] y [acetil-CoA]/[CoA] ATP es un inhibidoralostérico del complejo.

15. Acetil-CoA El enlace tioester posee una alta energía libre de hidrólisis • Se origina en: Glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. • Es precursor de: ácidos grasos, colesterol, aminoácidos y se oxida en el Ciclo de KREBS Aporta los dos Cque se van a oxidar en el ciclo del ácido cítrico. Acetil~CoA + H2O  acetato + HS-CoA + H+ ∆G°’ = -32,2 kJ/mol

16. Respiración aerobia y anaerobia

17. ORIGEN DEL ACETIL~CoA- Descarboxilación del Piruvato.- Oxidación de Ácidos Grasos.- A partir de Aminoácidos cetogénicos.

18. Piruvato Bicarbonato OTRO DESTINO DEL PIRUVATO PiruvatoCarboxilasa a

19. 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.

20. 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.

22. 1 - CITRATO SINTASA Adición de un grupo acetilo (transportado por HS-CoA) al Oxalacetato = Citrato 2 - ACONITASA Cambio 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-CoASINTETASA: 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.

23. EC 2.3.3.1. EC 4.2.1.3. [[Cis-Aconitato] EC 1.1.1.37. EC 1.1.1.41/42. E1- 1.2.4.2. E1- 2.3.1.12. E1- 1.6.4.3. EC 4.2.1.2. EC 6.2.1.4. EC 1.3.99.1.

24. Moléculas: Simétrica Asimétricas (quiral)

27. 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+ +

28. 180 g (1 mol) Glucosa son oxidados por 192 g (6 moles) de oxígeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2 Glucosa+ Oxígeno => Dióxido de Carbono + Agua + Energíao bien, C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol

29. Formación de ATP en la Glucólisis, descarboxilación oxidativa del Piruvato, Ciclo de Krebs y Sistema acoplado de Cadena Respiratoria-Fosforilación Oxidativa. *Calculando según: 2,5 ATP por NADH y 1,5 ATP por FADH2.

30. La metabolización de la Glc libera E que es capturada en moléculas de ATP 2 ATP 36-38 ATP (ó 30-32)

31. La velocidad de la Glucólisis y la del Ciclo de Krebs (que consume Acetil-CoA) están integrados (bajo condiciones normales) por: • Inhibición por altos niveles de ATP y NADH (componentes comunes de ambas vías); y • Por la concentración de Citrato (producido en Krebs que inhibe la Fosfofructoquinasa de la Glucólisis) • Se metaboliza tanta Glc requiera el Ciclo de Krebs

33. Carácter Anfibólico del Ciclo del Acido Cítrico Algunos intermediarios del ciclo son precursores y/o derivados de otros compuestos

35. 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.

36. Tips del Ciclo de Krebs • biosintético • ahorro de energía • Remoción de intermediarios • puedesaturarse. • Únicavíaenzimáticasaturable • azúcares • ácidosgrasos 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 %.

37. TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICA

38. 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.

39. CÉLULAS Necesitan 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 ANIMAL Energía química para realizar trabajo proviene de la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

40. Metabolismo: suma de las reacciones químicas que ocurren en la célula (organizadas en series de reacciones catalizadas) = “rutas metabólicas” Fase de síntesis Fase de degradación ATP ADP NADPH+H+ NADP+ Anabolismo: moléculas pequeñas reaccionan para convertirse en otras más grandes y complejas. Catabolismo: Las moléculas nutrientes se convierten en otras mas pequeñas y simples.

41. En una transformación química, gralmente 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

42. Beta-Oxidación y Krebs NADH, NADPHyFADH2 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

43. DEFINICIONES • ENERGÍA: Es la “capacidad para producir un trabajo”. • SISTEMA: “ toda porción del universo que se somete a estudio” • MEDIO: “es lo que rodea al sistema” • UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO

44. Keq = [C][D] / [A][B] EQUILIBRIO QUÍMICO • Para cada reacción química, el valor de la Keq es característico a una Tº dada. • Si Keq >1, la reacción se encuentra desplazada hacia • Si Keq <1, la reacción se encuentra desplazada hacia • si Keq =1, la reacción se encuentra en Equilibrio y no hay desplazamiento neto. En seres vivos las reacciones se desplazan del equilibrio.

45. 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.

46. DEFINICIONES • 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.

47. Dirección de una reacción A 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). De acuerdo a la termodinámica, la dirección preferencial para una reacción está determinada por el compromiso entre las tendencias hacia enlaces más fuertes y mayor desorden. Se dice, entonces, que la diferencia entre ∆H y T∆S equivale a una cierta cantidad de energía útil para hacer trabajo, la que se denomina como energía libre y se simboliza con la letra G. Esta propiedad del sistema se conoce comúnmente como la energía libre de Gibbs.

49. 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 • Matemáticamente: DG = DH -TDS

50. CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS 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