• BOLILLA 3: -.Metabolismo. Principales nutrientes de autótrofos y heterótrofos. Catabolismo. Anabolismo. Metabolismo de Carbohidratos en los distintos organismos: Animales y Vegetales. Digestión y absorción. Sistema digestivo en individuos heterótrofos. Digestión en rumiantes. Estructuras especializadas. Distribución de glucosa en una célula animal y una célula vegetal. Degradación de glucosa: glicólisis. Localización celular. Etapas. Producción de energía. Regulación. Balance energético en condiciones de anaerobiosis. Destino del piruvato. Fermentaciones. Degradación de otras hexosas.
• BOLILLA 4: Destino del piruvato en condiciones aeróbicas. Complejo de la piruvato deshidrogenasa. Ciclo de Krebs. Localización celular. Balance energético del ciclo. Regulación. Reacciones anapleróticas según el tipo de célula o tejido. Naturaleza anfibólica del ciclo. Sistemas de lanzaderas: Lanzadera del glicerofosfato y lanzadera del malato-aspartato. Balance energético de la degradación de glucosa en condiciones de aerobiosis. Efecto Pasteur. Ciclo del glioxilato. Localización. Importancia. Vía de las pentosas. Localización. Importancia metabólica.
• BOLILLA 5: Biosíntesis de carbohidratos. Gluconeogénesis. Etapas. Regulación. Costo energético. Ciclos fútiles. Biosíntesis del glucógeno. Regulación coordinada entre la degradación y la síntesis del glucógeno. Costo energético. Biosíntesis de almidón. Síntesis fotosintética de glúcidos. Reacciones de fijación y reducción fotosintética del carbono, ciclo de Calvin. Regulación. Fotorrespiración y ruta C4. Biosíntesis de almidón, sacarosa y celulosa en vegetales.
QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas
METABOLISMO DE METABOLISMO DE CARBOHIDRATOSCARBOHIDRATOS
• • Transporte electrónico y fosforilación oxidativa.•Vía Glicolítica.• Fermentación• Transformación del piruvato en Acetil-CoA.• Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o Ciclo de Krebs.• Degradación de glucógeno o de Almidón.
CATABOLISMO
ANABOLISMO
• Síntesis de glucógeno en animales (o de almidón en plantas). • Síntesis de sacarosa en plantas.• Gluconeogénesis.
Fosforilación de la glucosaFosforilación de la glucosa
- La fosforilación es el paso inicial de todas las vías de utilización de monosacáridos, ya sea en animales como en vegetales.
- Impide la difusión de la Glu hacia el exterior celular y asegura su utilización en alguna de las vías metabólicas celulares según el requerimiento celular.
Hexoquinasas
Isoenzimas I, II, III
Isoenzima IV o Glucoquinasa
- En distintas proporciones según el tejido.- Son inespecíficas.- Km Glu = 0.01-0.1 mM
- En hígado y células beta del páncreas.- Es muy específica, solo D-Glucosa.- Km Glu = >10 mM.
Hexoquinasa
H O
OH
H
OHH
OH
CH2OH
H
OH
H H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO32
H
OH
H
23
4
5
6
1 1
6
5
4
3 2
ATP ADP
Mg2+
glucosa glucosa-6-fosfato
Hexoquinasa
Fosforilación intracelular de la glucosaFosforilación intracelular de la glucosa
GLUCOSA-6-P
Destinos metabólicos de la glucosa Destinos metabólicos de la glucosa en una célula hepáticaen una célula hepática
Glucógeno-génesis
Glucógeno
Vía de las PentosasRibosa-5-P
Piruvato
Vía Glicolítica
Glucosa
Glucosa-6-fosfatasa
GLUCOSA-6-P
Destinos metabólicos de la glucosa Destinos metabólicos de la glucosa en una célula vegetalen una célula vegetal
AlmidónSacarosa
Vía de las PentosasRibosa-5-P
Piruvato
Vía Glicolítica
•FASE I. Fase preparatoria en la que la glucosa es fosforilada, isomerizada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs.
•FASE II. Las dos moléculas anteriormente formadas se convierten en dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH.
Vía GlicolVía Glicolííticatica
Citoso
l cel
ular
Citoso
l cel
ular- Vía Universal. Ejemplo de unidad del mundo biológico.
- Todos los intermediarios se encuentran fosforilados.
- El NAD+ es el agente oxidante.
- No requiere O2
(anaerobiosis).
- Es el mecanismo proveedor de E mas antiguo desde el punto de vista evolutivo.
Hexoquinasa
Fosfogluco-isomerasa
Fosfofructo-quinasa
Aldolasa
Triosa fosfato isomerasa
VIA GLICOLITICA- FASE IReacción 1. Fosforilación de la glucosa con consumo del primer ATP.
- Si la glucosa proviene de la degradación de glucógeno en animales o de almidón en vegetales:
GLUCOGENOGLUCOGENO
ALMIDONALMIDON
Glucógeno fosforilasa
Almidón fosforilasa
PiPi
PiPi
Glucosa-6-P
Glucosa-1-PGlucosa-1-P
Fosfoglucomutasa
Hexoquinasa
Fosfogluco-isomerasa
Fosfofructo-quinasa
Aldolasa
Triosa fosfato isomerasa
VIA GLICOLITICA- FASE I
Reacción 2. Isomerización. Conversión de Glu-6-P (isómero aldosa) a fructosa-6-fosfato (Fru-6-P, isómero cetosa) catalizada por la Fosfoglucoisomerasa. Primero debe abrirse el anillo para que ocurra la isomerización, con posterior ciclación de la fructosa.
H O
OH
H
OHH
OH
CH2OPO32
H
OH
H
1
6
5
4
3 2
CH2OPO32
OH
CH2OH
H
OH H
H HO
O6
5
4 3
2
1
glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato Fosfoglucoisomerasa
Mg2+ o Mn2+
Hexoquinasa
Fosfogluco-isomerasa
Fosfofructo-quinasa
Aldolasa
Triosa fosfato isomerasa
VIA GLICOLITICA- FASE I
Reacción 3. Consumo del segundo ATP. La fosfofructoquinasa fosforila la Fru-6-P para formar Fru-1,6-diP.
CH2OPO32
OH
CH2OH
H
OH H
H HO
O6
5
4 3
2
1 CH2OPO32
OH
CH2OPO32
H
OH H
H HO
O6
5
4 3
2
1
ATP ADP
Mg2+
fructosa-6-fosfato fructosa-1,6-bisfosfato
Fosfofructoquinasa
La Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica y esta reacción es el principal sitio de control de la velocidad de la vía glicolítica.
Hexoquinasa
Fosfogluco-isomerasa
Fosfofructo-quinasa
Aldolasa
Triosa fosfato isomerasa
VIA GLICOLITICA- FASE I
Reacción 4. Formación de triosas fosfato. La aldolasa cataliza la ruptura de la Fru-1,6-BP en dos triosas, el gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P) y la dihidroxiacetona fosfato (DHAP).
Dos moléculas de 3 carbonos
6
5
4
3
2
1CH2OPO32
C
C
C
C
CH2OPO32
O
HO H
H OH
H OH
3
2
1
CH2OPO32
C
CH2OH
O
C
C
CH2OPO32
H O
H OH+
1
2
3
fructosa-1,6- bisfosfato
Aldolasa
dihidroxiacetona gliceraldehído-3- fosfato fosfato
Triosafosfato-isomerasa
1
2
3
4
5
6
Hexoquinasa
Fosfogluco-isomerasa
Fosfofructo-quinasa
Aldolasa
Triosa fosfato isomerasa
VIA GLICOLITICA- FASE I
Reacción 5. Isomerización. Sólo uno de los productos de la ruptura aldólica, el G-3-P, continúa la vía glicolítica. La interconversión entre éste y la DHAP es catalizada por la triosa fosfato isomerasa.
Termina 1ra fase
- 2 ATP
6
5
4
3
2
1CH2OPO32
C
C
C
C
CH2OPO32
O
HO H
H OH
H OH
3
2
1
CH2OPO32
C
CH2OH
O
C
C
CH2OPO32
H O
H OH+
1
2
3
fructosa-1,6- bisfosfato
Aldolasa
dihidroxiacetona gliceraldehído-3- fosfato fosfato
Triosafosfato-isomerasa
Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa
Fosfogliceratoquinasa
Fosfogliceromutasa
Enolasa
Piruvatoquinasa
Reacción 6. Formación del primer intermediario de "alta energía”. La gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del G-3-P, por el NAD+ (Nicotinamida Adenin Dinucleótido) y fosfato inorgánico (Pi), para producir el 1,3-bifosfoglicerato (BFG).
fosfato inorgánico
C
C
CH2OPO32
H O
H OH
C
C
CH2OPO32
O OPO32
H OH+ Pi
+ H+
NAD+ NADH 1
2
3
2
3
1
gliceraldehído- 1,3-bisfosfo- 3-fosfato glicerato
Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa
2 + 2 2 2
2
Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa
Fosfogliceratoquinasa
Fosfogliceromutasa
Enolasa
Piruvatoquinasa
Reacción 7. Primera producción de ATP. Se forma el primer ATP por fosforilación a nivel de sustrato, rindiendo además 3-fosfoglicerato en una reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa (PGK).
C
C
CH2OPO32
O OPO32
H OH
C
C
CH2OPO32
O O
H OH
ADP ATP
1
22
3 3
1
Mg2+
1,3-bisfosfo- 3-fosfoglicerato glicerato
Fosfoglicerato quinasa
2
2 2
2
Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa
Fosfogliceratoquinasa
Fosfogliceromutasa
Enolasa
Piruvatoquinasa
Reacción 8. La fosfogliceromutasa cataliza la transferencia intramolecular de fosfato y la conversión de 3-PG a 2-fosfoglicerato.
C
C
CH2OH
O O
H OPO32
2
3
1C
C
CH2OPO32
O O
H OH2
3
1
3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato
Fosfogliceromutasa
2 2Mg2+
Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa
Fosfogliceratoquinasa
Fosfogliceromutasa
Enolasa
Piruvatoquinasa
Reacción 9. Formación del segundo intermediario de "alta energía”. La enolasa cataliza la deshidratación del 2-PG a fosfoenolpiruvato (PEP), formando un complejo activo por la presencia del catión magnesio.
C
C
CH2OH
O O
H OPO32
2
3
1C
C
CH2
O O
OPO32
2
3
1
+ H2O
2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato
Enolasa
2 2Mg2+
~
Gliceraldehído-3-Pdeshidrogenasa
Fosfogliceratoquinasa
Fosfogliceromutasa
Enolasa
Piruvatoquinasa
Reacción 10. Producción del segundo ATP. La piruvato quinasa cataliza el acoplamiento de la energía libre de la hidrólisis del PEP a la síntesis de ATP (fosforilación a nivel de sustrato) para formar piruvato.
C
C
CH3
O O
O2
3
1ADP ATPC
C
CH2
O O
OPO32
2
3
1 C
C
CH2
O O
OH2
3
1
fosfoenolpiruvato enolpiruvato piruvato
Piruvato quinasa
2 2 2
2 2Mg2+ o Mn2+
http://www.iubmb-nicholson.org/swf/glycolysis.swf
ADP
ADP Acetil-CoA
Pi (+)
Regulación de la vía glicolítica
HK: HexoquinasaPFK: FosfofructoquinasaPK: Piruvato quinasa
- La velocidad de la glucólisis depende de la disponibilidad de sustrato y el estado de oxidorreducción de la célula. Se requieren GLU, ADP, Pi, y NAD+.
- El proceso general es controlado por los niveles de NADH/NAD+ y piruvato/lactato.
- En particular, existen tres puntos de control en la via glicolitica:
- En todos estos puntos la insulina actúa activando, mientras que el glucagón lo hace inhibiendo, la actividad enzimática.
Aumenta afinidad por F-6-P y disminuye la inhibición por ATP.
¿Cómo regula la glucólisis la Fru-2,6-difosfato?
↑↑ Insulina ↑ Glucagón
Algo más sobre la Piruvato quinasa…
Fosfatasa(+)Quinasa
(+)
Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica. Fructosa
Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica Galactosa
GLUCOSA
2 PIRUVATO
VG
AerobiosisO2
Anaerobiosis
O2
Fermentación Alcohólica
(levaduras, algunosvertebrados marinos)
Fermentación Láctica
(músculo en contracción
vigorosa, eritrocitos,
lactobacilos)
2 Etanol + 2 CO22 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2
4 CO2+ 4 H2O
CK
Células animales (excepción eritrocitos),
vegetales y muchos microorganismos.
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares?
A. Fermentación lácticaA. Fermentación láctica•En el músculo, especialmente durante el ejercicio intenso, cuando la demanda de ATP es elevada y se ha consumido el oxígeno mitocondrial, la lactato deshidrogenasa (LDH) cataliza la reducción del piruvato para dar lactato, utilizando el NADH provisto por la G-3-P deshidrogenasa. •También en eritrocito y en las bacterias lácticas.
C
C
CH3
O
O
O
C
HC
CH3
O
OH
ONADH + H+ NAD+
Lactato deshidrogenasa
piruvato lactato
La reacción global de la degradación anaeróbica de glucosa mediante la fermentación láctica puede esquematizarse como sigue:
Glucosa + 2ADP + 2Pi -------------> 2 lactato + 2ATP
•Los cazadores saben del sabor agrio de la carne de un animal que ha corrido hasta agotarse antes de morir. Esto es debido a la acumulación de ácido láctico en los músculos.
•La mayor parte del lactato, producto final de la glucólisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa a través del Ciclo de Cori.
Ciclo de Cori
O2
GLUCOSA
2 PIRUVATO
VG
AerobiosisO2
Anaerobiosis
O2
Fermentación Alcohólica
(levaduras, algunosvertebrados marinos)
Fermentación Láctica
(músculo en contracción
vigorosa, eritrocitos,
lactobacilos)
2 Etanol + 2 CO22 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2
4 CO2+ 4 H2O
CK
Células animales (excepción eritrocitos),
vegetales y muchos microorganismos.
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares?
B. Fermentación alcohólica •En las levaduras, el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la industria alimenticia: la conversión de piruvato a etanol y CO2.
•La primer reacción es la descarboxilación del piruvato para formar acetaldehído y CO2, catalizada por la piruvato descarboxilasa (ausente en animales) y que contiene pirofosfato de tiamina (PPT) como grupo prostético.
•El acetaldehído formado por descarboxilación del piruvato es reducido luego a etanol por el NADH, en una reacción catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH).
C
C
CH3
O
O
O
C
CH3
OHC
CH3
OH H
H
NADH + H+ NAD+CO2
Piruvato Alcohol descarboxilasa deshidrogenasa
piruvato acetaldehído etanol
PPT
Balance energético de la vía glicolítica
¿Cuánta energía rinde un mol de glucosa en anaerobiosis?
GLUCOSA
2 PIRUVATO
VG
Anaerobiosis
O2
Fermentación Alcohólica
(levaduras, algunosvertebrados marinos)
Fermentación Láctica
(músculo en contracción
vigorosa, eritrocitos,
lactobacilos)
2 Etanol + 2 CO22 Lactato
Gasto de ATP:- Hexoquinasa………...............… -1ATP- Fosfofructoquinasa…………..… -1ATP
Producción de ATP:- Fosfoglicerato quinasa …. + 1ATP (x2)- Piruvato quinasa ………... + 1ATP (x2) +4 ATP
- 2ATP
Balance o rendimiento en ATP: +2 ATPBalance o rendimiento en ATP: +2 ATP
GLUCOSA
2 PIRUVATO
VG
AerobiosisO2
Anaerobiosis
O2
Fermentación Alcohólica
(levaduras, algunosvertebrados marinos)
Fermentación Láctica
(músculo en contracción
vigorosa, eritrocitos,
lactobacilos)
2 Etanol + 2 CO22 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2
4 CO2+ 4 H2O
CK
Células animales (excepción eritrocitos),
vegetales y muchos microorganismos.
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares?
PDH
C. Transformación del piruvato en Acetil-CoA
El acetil-CoA se forma por descarboxilación oxidativa del piruvato, por la acción del complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa (PDH).
H3C C C O
O O
C S
O
H3C CoA
HSCoA
NAD+ NADH
+ CO2
Piruvato deshidrogenasa
piruvato acetil-CoA
La PDH es un complejo, constituido por tres enzimas (E1: Piruvato descarboxilasa, E2: Dihidrolipoil transacetilasa y E3: Lipoil deshidrogenasa) y 5 coenzimas (TPP, ac. Lipoico, Coenzima A, FAD+ y NAD+).
Mitocondria
Mitocondria
http://www.iubmb-nicholson.org/pdh.html
http://www.iubmb-nicholson.org/swf/e1_v7.swf
• La PDH está regulada por tres mecanismos superpuestos:
1) Por regulación alostérica. Es inhibido por sus productos: NADH y Acetil-CoA, y por ATP.
2) Por modificación covalente (fosforilación-desfosforilación).
3) Por control hormonal (Insulina/ Glucagón).
Regulación del complejo PDHRegulación del complejo PDH
ATP
Glucagón
Regulación del complejo PDHRegulación del complejo PDH
Bibliografía
1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007).2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008).3- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010).
Bibliografía Complementaria
1- CAMPBELL Y FARREL, “Bioquimica”, Thomson Eds., 4ta. Ed., (2005).2- DONALD NICHOLSON, International Union of Biochemistry & Molecular Biology (IUBMB), IUBMB-Nicholson Metabolic Maps, Minimaps & Animaps. Department of Biochemistry and Microbiology, The University, Leeds, England. (http://www.iubmb-nicholson.org).3- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994).4- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España.