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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS FASE I,
Unidad Didáctica: BIOQUÍMICA MÉDICA 2º AÑO, 2013
CADENA RESPIRATORIA. Dr. Mynor A. Leiva Enríquez
CICLO DE KREBS,
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Proteínas
Aminoácidos
Glucosa
Piruvato
T A G
Glicerol
Ác. Grasos
Acetil-CoA
Cetogénesis
C. Respiratoria
ATP+CO2+H2O
Citrato Acetil-CoA
Colesterol
Esteroides
Ác. grasos
T A G
Ciclo de
Krebs
PROCEDENCIA Y DESTINO DE ACETIL-CoA
Dr. M. Leiva
Ciclo del ácido Cítrico (KREBS)
10 reacciones enzimáticas
2 reacciones irreversible
Genera 3 NADH+H, 1 FADH2
y 1 ATP a nivel del sustrato
Dr. M. Leiva
Mitocondria
Dr. M. Leiva
Esquema general
del ciclo de Krebs
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL.
2ª. Edición. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
ENZIMA SUSTRATO
1- CITRATO SINTASA 12 CITRATO
2- ACONITASA 23 ISOCITRATO
3- ISOCITRATO DESHIDROGENASA
34 ALFA CETO-GLUTARATO
4- ALFA-CETO-GLUTARATO DESHIDROGENASA
45 SUCCINIL-CoA
5- SUCCINATO TIO-CINASA 56 SUCCINATO
6- SUCCINATO DESHIDROGENASA
67 FUMARATO
7- FUMARASA 78 MALATO
8- MALATO DESHIDROGENASA
81 OXALACETATO
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El citroil-CoA es un intermediario transitorio de reacción
• La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la reacción sea exergónica
1. Formación del Citrato
Dr. M. Leiva
La aconitasa contiene un centro hierro-azufre que
actúa como centro de fijación de sustratos y centro catalítico.
2. Formación de isocitrato
vía cis-aconitato
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
3. Oxidación del isocitrato
a α-cetoglutarato y CO2
Existen dos formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa:
• NAD dependiente (matriz mitocondrial)
• NADP dependiente (matriz mitocondrial y citosol)
Dr. M. Leiva
4. Oxidación del α-cetoglutarato a
succinil-CoA y CO2
El complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa es muy
parecido al
complejo piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en
función, requiere difosfato de tiamina, lipoato, NAD, FAD y CoA Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
Dr. M. Leiva
a Cetoglutarato deshidrogenasa
• Localizado en la mitocondria
• Complejo multienzimatico que actúa de la misma
forma que el Complejo Piruvato-deshidrogenasa.
• Sustrato: alfa-ceto-glutarato.
• Producto: Succinil-CoA
– 3 enzimas
• Alfa cetoglutarato deshidrogenasa (E1)
• Dihidrolipoil transsucciniilasa(E2)
• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)
– 5 coenzimas
• Pirofosfato de tiamina
• Acido lipoico
• CoA
• FAD
• NAD
Dr. M. Leiva
El complejo a cetoglutarato deshidrogenasa utiliza 5 coenzimas diferentes
Difosfato de tiamina Lipoamida
NAD (niacina) FAD (Riboflavina) CoA (A. Pantotenico)
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5. Conversión del succinil-CoA en succinato
La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas de la energía liberada por la decarboxilación oxidativa del α-ceto-glutarato es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
6. Oxidación del succinato a fumarato
En eucariotas, la succinato deshidrogenasa
se encuentra unida a la membrana mitocondrial
interna, contiene tres centros hierro-azufre
diferentes y una molécula de FAD unida
covalentemente.
El malonato es un
fuerte inhibidor
competitivo de
esta enzima
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7. Hidratación del fumarato y producción de malato
La enzima FUMARASA es específica para el fumarato y el L-malato
Dr. M. Leiva
8. Oxidación del malato a oxalacetato
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Balance energético
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Vías Anapleróticas
• Ana: arriba,
• Plerotikos: llenar
• Son reacciones que reponen intermediarios del ciclo
• Piruvato carboxilasa: produce oxalacetato
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Reacciones Anapleróticas
• Son reacciones que proveen la cantidad necesaria de un metabolito intermediario importante.
• La reacción de la enzima piruvato carboxilasa es un ejemplo, al ser necesario Oxalacetato.
• Piruvato + CO2 + ATP + H2O
Oxalacetato + ADP + Pi + 2H+
malato para gluconeogénesis…
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Principales vías biosintéticas y anapleróticas
Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana. Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Los Carbonos de los aminoácidos (luego de la transaminación) entran al ciclo de Krebs en diferentes puntos
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
Principales vías biosintéticas y anapleróticas
Dr. M. Leiva
Regulación del ciclo de Krebs
• Disponibilidad de sustratos
• Necesidad de intermediarios como precursores biosintéticos
• Demanda de ATP • El factor regulador más importante es la
relación intramitocondrial de [NAD+] / [NADH]
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Regulación del ciclo de Krebs • 1. Disponibilidad de sustratos • 2. Inhibición por acumulación de
productos • 3. Regulación de las siguientes enzimas:
– Citrato sintasa • Inhibidores: NADH, succinil-
CoA, citrato, ATP • Activadores: ADP
– Isocitrato deshidrogenasa • Inhibidores: NADH • Activadores: Ca++, ADP
– α-cetoglutarato deshidrogenasa • Inhibidores: succinil-CoA,
NADH • Activadores: Ca++
Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana. Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
• El Ciclo de KREBS es un punto de convergencia en el metabolismo intracelular.
• Carbohidratos, grasas y proteínas son
fuentes de Acetil-CoA
• Desde aquí, la obtención de ATP sigue la misma ruta.
• El requisito para su acción es la presencia de oxígeno.
Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
Dr. M. Leiva
C. Krebs: proceso
anfibólico
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.
Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.
Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier. Dr. M. Leiva
Proceso
ANFIBÓLICO
GLUCONEOGÉNESIS
LIPOGÉNESIS
SÍNTESIS PROTÉICA
HEM y Ácidos Nucleicos
Fuente: Bioquímica de Mathews 3ª Edición. Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
A nivel del sustrato 4 ATP
Lanzadera de Malato 6 ATP
Descarboxilación del piruvato 6 ATP
Ciclo de Krebs 24 ATP
total 40 ATP
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LANZADERAS DE GLICEROFOSFATO Y MALATO
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Reacción Mecanismo moles ATP/mol
Glucosa
Hexocinasa Fosforilación -1
Fosfofructocinasa Fosforilación -1
Glicerol-3-P Deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del NADH +6 (+4)*
Fosfoglicerato cinasa Fosforilación a nivel
del Sustrato 2
Piruvato cinasa Fosforilación a nivel
del Sustrato 2
Piruvato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del NADH 6
Isocitrato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del NADH 6
α-cetoglutarato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del NADH 6
Succinil-CoA sintetasa Fosforilación a nivel
del sustrato (GTP) 2
Succinato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del FADH2 4
Malato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa
del NADH 6
TOTAL 38 (36) Dr. M. Leiva
• CADENA RESPIRATORIA
MITOCONDRIAL
• FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Dr. M. Leiva
La mitocondria posee dos sistemas de membrana, que rodean a la matriz. Matriz • Ciclo del ácido cítrico y oxidación de los ácidos grasos
Membrana interna • Es impermeable a casi todos los iones Se pliega en crestas. Contiene los componentes de la cadena de transpote de e- • Y la ATP sintasa
Membrana externa • Es bastante permeable a iones y moléculas pequeñas
La fosforilación oxidativa se produce en la membrana interna de la mitocondria
Mitocondria Dr. M. Leiva
Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
• Cadena Respiratoria: Transporte en secuencia ordenada de los equivalentes reducidos desde los sustratos donadores (reduciendo al NAD o al FAD) hasta la formación final de AGUA.
• Fosforilación Oxidativa: Sistema de conversión o captura de la energía liberada en la cadena respiratoria (68%), para unir ADP + Pi y formar ATP.
Dr. M. Leiva
Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
• Las enzimas de la cadena respiratoria
están en la cara interna de la membrana
interna, agrupadas en complejos que
producen potenciales electroquímicos
transmembrana.
• Varias ATP-sintasa utilizan la energía del
gradiente de protones para sintetizar ATP,
perdiéndose una parte como calor. Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Conservación de la energía por
acoplamiento con el ATP • Casi la mitad de la energía obtenida en la
oxidación de los combustibles metabólicos es
canalizada hacia la síntesis de ATP
• La membrana mitocondrial interna es
impermeable a ATP, coenzimas, fosfato,
protones, varios iones y moléculas pequeñas.
• Se acepta que 1 mol de NADH tiene un
rendimiento aproximado de 2.5 moles de ATP
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición, Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Sustratos que transfieren electrones a
NAD por enzimas deshidrogenasas
• Puede haber acoplamiento
directo al NAD de la Cadena
Respiratoria.
• Piruvato y
alfa-cetoglutarato usan
complejos dishidrogenasa
+ FAD + Lipoato NAD.
• Producen 3 ATP
• Producen 2.5ATP
Dr. M. Leiva
Sustratos que transfieren electrones por
enzimas dependientes de Flavoproteína.
• FeS: Sulfoproteína
férrica (Fe++Fe+++)
• TFE: Flavoproteína
transferidora de
electrones.
• Fp: Flavoproteína
• FAD Producen 2 ATP
• FAD Producen 1.5ATP Dr. M. Leiva
Sustratos que transfieren electrones por
enzimas dependientes de Flavoproteína.
• La enzima succinato
deshidrogenasa se ubica
en la superficie interna de
la membrana interna
mitocondrial.
• El potencial redox de estos
sustratos es más positivo.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Enzimas ligadas a NAD+
Alfa- cetoglutarato DH Malato DH
Piruvato DH Gliceraldehido- 3 -fosfato DH
Lactato DH Beta- hidroxiacil- CoA DH
Ligadas a NAD+ o NADP+
Glutamato DH
Ligadas a FAD
Acil CoA DH (F) Succinato DH (II)
Glicerol3 P DH (G)
Ligadas a FMN NADH DH
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición, Dr. M. Leiva
Complejo I. Función de NADH
Deshidrogenasa (FeS y FMN)
• La energía proveniente
de la oxidación
NADH+H, traslada
protones al exterior de
la membrana interna
(bomba de protones)
• Transfiere electrones a
la uniquinona.
Dr. M. Leiva
El complejo II define la función
ubicuinona-oxidorreductasa
•La coenzima Q recibe equivalentes
reductores de componentes más
positivos.
•Lipofílica, parecida a la vit. K
•La coenzima Q une a las
flavoproteínas con el Citocromo b (el
de menor potencial redox)
•Componente móvil que colecta
equivalentes de Complejos I y II y los
lleva al Complejo III. Dr. M. Leiva
El coenzima Q es paso obligatorio de los electrones procedentes de varias vías
Espacio intermembrana
Matriz Flavoproteína de transferencia de
electrones
Succinato
Dr. M. Leiva
Complejo III: ubicuinona:ferrocitocromo c oxidorreductasa.
•El ciclo de la Coenzima Q
incluye la captación de 2
H+ de la matriz
mitocondrial y su bombeo
hacia el espacio
intermembrana,
•Traslada electrones del
cit. b al c1 y finalmente al
cit. c.
Dr. M. Leiva
Oxidación de la primera QH2
Oxidación de la segunda QH2
El citocromo c transporta electrones del completo III al IV.
Si llega al citosol, puede inducir apoptosis. Dr. M. Leiva
Complejo IV: Ferrocitocromo c oxidorreductasa
• Cit.c es soluble, conecta complejos fijos III y IV.
• C-aa3 “citocromo oxidasa”: combinación irreversible de equivalentes reductores conducidos hacia el oxígeno: da dirección.
• Tercera bomba de protones que impulsa a la ATP sintasa. Genera AGUA.
• Inhibida por Monóxido de Carbono y Cianuro.
Espacio Intermembrana
Matriz (del sustrato) (bombeados)
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Matriz
Espacio Intermembrana
Succinato Fumarato
La oxidación se acopla estrechamente a la fosforilación
para satisfacer las necesidades de energía de la célula.
Dr. M. Leiva
Si el recorrido de los equivalentes reductores empieza en el complejo I, se cumplirán
3 “bombeos” de protones. Si empieza en el complejo II, se cumplirán 2 “bombeos”.
A mayor bombeo, mayor gradiente de protones y mayor actividad de la ATP-sintetasa.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Teoría Quimiosmótica de la Fosforilación Oxidativa
La membrana interna es impermeable a los protones. Cuando son bombeados fuera de la matriz, acidifican y positivizan el espacio intermembrana. La fuerza protón motriz (Δp) es la energía almacenada en el gradiente de concentración de protones que al regresar por la ATP-sintasa, generan la energía para producir ATP.
Dr. M. Leiva
El hidrógeno y los electrones fluyen a
lo largo de la cadena en etapas, a
partir de los componentes de mayor potencial redox negativo
hacia los componentes de mayor potencial redox positivo, a
través de un intervalo de 1.1 V
que abarca desde el NAD+/NADH hasta
el O2 / 2 H2O. Dr. M. Leiva
• Fo es el motor y poro de protones.
• El F1 componente rotatorio.
Complejo V: ATP -
Sintasa
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
ATP sintasa: • Los protones que
pasan por las subunidades C y g
causan su rotación.
• Las subunidades b
captan ATP+Pi y
liberan ATP.
• Se forman 3
moléculas de ATP por
cada giro completo del complejo
Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición, Dr. M. Leiva
•Segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana interna
mitocondrial
•Contiene conducto de H + del complejo
•Formado por
-10-14 subunidades c
-1 subunidad a en la periferia del anillo
F0: bomba de H+
Matriz M.
Espacio
Intemembrana
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formada por: -5tipos de cadenas polipeptídicas: -3 cadenas α -3 cadenas β -1 cadenas γ δ ε -α y β alternadas en anillo hexámerico -miembros de la familia de NTPasas -ambas unen nucleótidos, solo β participa en la catálisis• -γ y ε forman el tallo central de la estructura.•
F 1 : Unidad catalítica:
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Inhibición del Complejo I
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Inhibición del Complejo III
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Inhibición del Complejo IV
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
barbitúricos Antimicina A y
Dimercaprol H2S, CO
y CN
malonato
atractilósido
ADP
ATP
2,4-di-nitrofenol,
termogenina,
oligomicina
Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,
Inhibidores de cadena respiratoria, Inhibidores de fosforilación oxidativa y desacopladores
Dr. M. Leiva
Proteínas
Desacopladoras
Dr. M. Leiva Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
• GRACIAS Dr. M. Leiva