QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas

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1 QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas
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.

2 METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS
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 METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Síntesis de glucógeno en animales (o de almidón en plantas). Síntesis de sacarosa en plantas. Gluconeogénesis.

3 Fosforilación 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. Hexoquinasa En distintas proporciones según el tejido. Son inespecíficas. Km Glu = mM Hexoquinasas Isoenzimas I, II, III Isoenzima IV o Glucoquinasa En hígado y células beta del páncreas. Es muy específica, solo D-Glucosa. Km Glu = >10 mM.

4 Fosforilación intracelular de la glucosa

5 Destinos metabólicos de la glucosa
en una célula hepática Glucógeno-génesis Glucógeno Glucosa Glucosa-6-fosfatasa Vía de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Piruvato Vía Glicolítica

6 Destinos metabólicos de la glucosa
en una célula vegetal Almidón Sacarosa Vía de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Piruvato Vía Glicolítica

7 Citosol celular Vía Glicolítica
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. 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. Citosol celular FASE II. Las dos moléculas anteriormente formadas se convierten en dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH. Consiste en una secuencia de 10 reacciones enzimáticas que catalizan la transformación de una molécula de glucosa a dos de piruvato, con la producción de dos moles de ATP y dos de NADH por mol de glucosa

8 VIA GLICOLITICA- FASE I
Hexoquinasa Fosfogluco- isomerasa Fosfofructo- quinasa Aldolasa Triosa fosfato isomerasa VIA GLICOLITICA- FASE I Reacción 1. Fosforilación de la glucosa con consumo del primer ATP.

9 - Si la glucosa proviene de la degradación de glucógeno en animales o de almidón en vegetales:
GLUCOGENO Glucógeno fosforilasa Almidón fosforilasa Pi Glucosa-1-P ALMIDON Fosfoglucomutasa Glucosa-6-P

10 VIA GLICOLITICA- FASE I
Hexoquinasa Fosfogluco- isomerasa Fosfofructo- quinasa Aldolasa Triosa fosfato isomerasa VIA GLICOLITICA- FASE I

11 Reacción 2. Isomerización
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. Mg2+ o Mn2+

12 VIA GLICOLITICA- FASE I
Hexoquinasa Fosfogluco- isomerasa Fosfofructo- quinasa Aldolasa Triosa fosfato isomerasa VIA GLICOLITICA- FASE I

13 Reacción 3. Consumo del segundo ATP
Reacción 3. Consumo del segundo ATP. La fosfofructoquinasa fosforila la Fru-6-P para formar Fru-1,6-diP. La Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica y esta reacción es el principal sitio de control de la velocidad de la vía glicolítica.

14 VIA GLICOLITICA- FASE I
Hexoquinasa Fosfogluco- isomerasa Fosfofructo- quinasa Aldolasa Triosa fosfato isomerasa VIA GLICOLITICA- FASE I

15 Dos moléculas de 3 carbonos
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 1 2 3 4 5 6

16 VIA GLICOLITICA- FASE I
Hexoquinasa Fosfogluco- isomerasa Fosfofructo- quinasa Aldolasa Triosa fosfato isomerasa VIA GLICOLITICA- FASE I

17 Reacción 5. Isomerización
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

18 Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato
Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato

19 Reacción 6. Formación del primer intermediario de "alta energía”
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). 2 + 2 fosfato inorgánico

20 Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato
Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato

21 Reacción 7. Primera producción de ATP
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). 2 2 2 2

22 Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato
Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato

23 Reacción 8. La fosfogliceromutasa cataliza la transferencia intramolecular de fosfato y la conversión de 3-PG a 2-fosfoglicerato. 2 2 Mg2+

24 Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato
Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato

25 Reacción 9. Formación del segundo intermediario de "alta energía”
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. Mg2+ 2 2 ~

26 Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato
Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa Fosfoglicerato quinasa Fosfoglicero mutasa Enolasa Piruvato

27 Reacción 10. Producción del segundo ATP
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. 2 2 2 2 2 Mg2+ o Mn2+

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29 Regulación de la vía glicolítica
ADP Acetil-CoA Pi (+) Regulación de la vía glicolítica 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: HK: Hexoquinasa PFK: Fosfofructoquinasa PK: Piruvato quinasa - En todos estos puntos la insulina actúa activando, mientras que el glucagón lo hace inhibiendo, la actividad enzimática.

30 ¿Cómo regula la glucólisis la Fru-2,6-difosfato?
Aumenta afinidad por F-6-P y disminuye la inhibición por ATP.

31 Algo más sobre la Piruvato quinasa…
↑↑ Insulina ↑ Glucagón Fosfatasa (+) Quinasa (+)

32 Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica. Fructosa

33 Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica Galactosa

34 (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos)
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares? GLUCOSA 2 PIRUVATO VG 2 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2 4 CO2+ 4 H2O CK Anaerobiosis O2 2 Etanol + 2 CO2 Aerobiosis O2 Fermentación Láctica (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos) Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Células animales (excepción eritrocitos), vegetales y muchos microorganismos.

35 Glucosa + 2ADP + 2Pi -------------> 2 lactato + 2ATP
A. 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. 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.

36 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 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. O2

37 (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos)
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares? GLUCOSA 2 PIRUVATO VG 2 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2 4 CO2+ 4 H2O CK Anaerobiosis O2 2 Etanol + 2 CO2 Aerobiosis O2 Fermentación Láctica (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos) Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Células animales (excepción eritrocitos), vegetales y muchos microorganismos.

38 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. PPT 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).

39 Balance energético de la vía glicolítica
¿Cuánta energía rinde un mol de glucosa en anaerobiosis? GLUCOSA 2 PIRUVATO VG Anaerobiosis O2 Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Láctica (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos) 2 Etanol + 2 CO2 2 Lactato Gasto de ATP: - Hexoquinasa……… … -1ATP Fosfofructoquinasa…………..… -1ATP Producción de ATP: Fosfoglicerato quinasa …. + 1ATP (x2) Piruvato quinasa ……… ATP (x2) - 2ATP +4 ATP Balance o rendimiento en ATP: ATP

40 (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos)
¿Cuál es el destino del Piruvato según las condiciones celulares? GLUCOSA 2 PIRUVATO VG 2 Lactato 2 Acetil-CoA + 2 CO2 4 CO2+ 4 H2O CK Anaerobiosis O2 2 Etanol + 2 CO2 Aerobiosis O2 PDH Fermentación Láctica (músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, lactobacilos) Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Células animales (excepción eritrocitos), vegetales y muchos microorganismos.

41 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). Mitocondria 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

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43 Regulación del complejo PDH
La PDH está regulada por tres mecanismos superpuestos: 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).

44 Regulación del complejo PDH
ATP Glucagón Regulación del complejo PDH

45 Bibliografía Bibliografía Complementaria
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. ( 3- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994). 4- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España.