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. 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.

(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.

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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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).

Regulación del complejo PDH ATP Glucagón Regulación del complejo PDH

O2 PDH Ciclo de Krebs GLUCOSA (6C) VG 2 PIRUVATO (3C) 2 PIRUVATO 2 Acetil-CoA PDH 2 NAD+ 2 NADH+H+ 2 CoA-SH 2 CO2 4 CO2+ 4 H2O Ciclo de Krebs

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico 1 2 2 Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico Hans Krebs,1937.

Reacción 1. La citrato sintasa cataliza la condensación entre acetil-CoA y oxalacetato para rendir citrato, que da nombre al ciclo.

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico 1 2 2 Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico

Reacción 2. Las dos etapas siguientes conllevan la transformación del citrato en un isómero más fácilmente oxidable. Para ello, la enzima aconitasa convierte el citrato en isocitrato mediante una deshidratación, que produce cis-aconitato unido al enzima, seguida de una hidratación que da lugar a la formación de isocitrato. Aconitasa

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Reacción 3. La isocitrato deshidrogenasa oxida el isocitrato a oxalosuccinato, con la reducción acoplada de NAD+ a NADH. Posteriormente, el oxalosuccinato es descarboxilado, rindiendo a-cetoglutarato. Esta es la primera etapa en la que la oxidación se acopla a la producción de NADH, y también la primera en la que se genera dióxido de carbono. Isocitrato deshidrogenasa O=C Isocitrato deshidrogenasa

Cadena de transporte electrónico Isocitrato deshidrogenasa Cadena de transporte electrónico 3 ATP

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Cadena de transporte electrónico Reacción 4. El complejo enzimático a-cetoglutarato deshidrogenasa descarboxila oxidativamente el a-cetoglutarato a succinil-CoA. α-cetoglutarato deshidrogenasa Cadena de transporte electrónico Esta reacción conlleva la reducción de una segunda molécula de NAD+ a NADH y la generación de una segunda molécula de dióxido de carbono. Hasta aquí ya se han producido dos moléculas de dióxido de carbono, por lo que se ha completado la oxidación neta del grupo acetilo. Hay que resaltar que no son los átomos del grupo acetilo entrante los que han sido oxidados CoA-SH 3 ATP

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Reacción 5. La succinil-CoA sintetasa o succinato tioquinasa convierte el succinil-CoA en succinato. La energía libre de la reacción se conserva aquí por la formación de GTP, a partir de GDP y Pi. GTP + ADP GDP + ATP Nucleósido difosfato quinasa En las células vegetales en la reacción de la Succinato tioquinasa se fosforila ADP para dar ATP.

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Cadena de transporte electrónico Reacción 6. Las reacciones restantes suponen la preparación de otra vuelta del ciclo, y para ello completan la oxidación de succinato a oxalacetato. La succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de succinato a un doble enlace trans, dando lugar a fumarato con la reducción simultánea de FAD+ a FADH2. Succinato deshidrogenasa Cadena de transporte electrónico 2 ATP

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Reacción 7. La fumarasa o fumarato hidratasa cataliza después la hidratación del doble enlace del fumarato para rendir malato Fumarato hidratasa

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Cadena de transporte electrónico Reacción 8. Finalmente, la enzima malato deshidrogenasa regenera el oxalacetato, oxidando el grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona, con la reducción de una tercera molécula de NAD+ a NADH. O=C Malato deshidrogenasa H Cadena de transporte electrónico 3 ATP

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Hemos dado hasta ahora una vuela completa al ciclo de Krebs en el cual: 2 átomos de carbono entraron al ciclo en forma de Acetil-CoA y se combinaron con el oxalacetato del ciclo anterior. 2 átomos de carbono salieron del ciclo en forma de CO2 en los procesos de oxidación del isocitrato y el alfa-cetoglutarato. La energía de las oxidaciones se conservó con eficiencia en forma de 3 NADH, 1 FADH2 y 1GTP. Finalmente se regeneró la molécula de oxalacetato para dar inicio a otra vuelta del ciclo.

Regulación del Ciclo de Krebs

¿Cuánta energía está contenida en un mol de piruvato que es degradado hasta CO2 y H2O en la mitocondria en condiciones de aerobiosis?

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico NAD+ NADH+H+ PDH------- 1 NADH ----- 3 ATP IDH-------- 1 NADH ----- 3 ATP α-CGDH-- 1 NADH ---- 3 ATP SDH------- 1 FADH2 ---- 2 ATP MDH------- 1 NADH ---- 3 ATP STQ-------- 1 GTP ------ 1 ATP TOTAL -------------------15 ATP 3 ATP 3 ATP Ciclo de Krebs, Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, Ciclo del ácido cítrico 2 ATP 3 ATP 3 ATP

¿Cuánta energía está contenida en un mol de glucosa que es degradada hasta CO2 y H2O en condiciones de aerobiosis?

Citosol Sistemas lanzadera Mitocondria Cadena de transporte electrónico

Lanzadera del glicerofosfato Lanzadera del malato-aspartato Músculo esquelético Cerebro Sistemas lanzadera Lanzadera del glicerofosfato Lanzadera del malato-aspartato Hígado Corazón Riñón

Lanzadera del glicerofosfato 1 GLUCOSA 2 PIRUVATO VG G3PDH DHAP GA3P Lanzadera del glicerofosfato 2 ATP O2 2 ATP

Lanzadera del malato-aspartato 1 GLUCOSA 2 PIRUVATO VG G3PDH DHAP GA3P 3 A T P

Las mitocondrias de las células vegetales no poseen estos sistemas de lanzadera sino que son capaces de oxidar el NADH (vía glicolítica) o el NADPH (vía de las pentosas) directamente a través de NADH o NADPH deshidrogenasas localizadas en la cara externa de la membrana interna de las mitocondrias.

¿Cuánta energía está contenida en un mol de glucosa que es degradada hasta CO2 y H2O en condiciones de aerobiosis? 2 NADH 6 ATP ó ó ó 2 FADH2 4 ATP 6 ATP 18 ATP 4 ATP 2 ATP 2 ATP 36 ó 38 ATP

Efecto Pasteur Vaselina Anaerobiosis Aerobiosis Medio de cultivo (Glucosa) Aerobiosis Anaerobiosis Vaselina 24 hs 30ºC Louis Pasteur (1822-1895), químico francés cuyos descubrimientos tuvieron enorme importancia en diversos campos de las ciencias naturales. Glucosa Glucosa Efecto Pasteur

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FUNCION ANFIBOLICA DEL CICLO DE KREBS Producción de energía metabólica en forma de ATP. Producción de la mayor parte del CO2 de la célula. Producción de citrato a partir del cual se obtienen el precursor (acetil-CoA) para la síntesis de ácidos grasos, colesterol, hormonas esteroideas, prostaglandinas, etc. Provisión de precursores para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y porfirinas. Funciones catabólicas Funciones anabólicas

Glucosa Acs. Grasos Es la vía de oxidación de la mayor parte de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos y genera numerosos metabolitos intermediarios de otras rutas metabólicas Es, por lo tanto, un ciclo anfibólico, es decir, opera catabólica y anabólicamente

Ciclo anfibólico Glucosa Acs. Grasos Es la vía de oxidación de la mayor parte de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos y genera numerosos metabolitos intermediarios de otras rutas metabólicas Es, por lo tanto, un ciclo anfibólico, es decir, opera catabólica y anabólicamente

REACCIONES ANAPLEROTICAS ANAPLEROTICO (DEL GRIEGO= RELLENAR) Son aquellas que permiten reponer intermediarios que han sido sustraídos por otras rutas biosintéticas. ANAPLEROTICO (DEL GRIEGO= RELLENAR) Mantienen en equilibrio las concentraciones intramitocondriales de los intermediarios del ciclo.

PEP: fosfoenolpiruvato carboxilasa PEPcarboxi- quinasa Piruvato carboxilasa Enzima málica PEP: fosfoenolpiruvato

REACCIONES ANAPLEROTICAS O DE RELLENO PIRUVATO CARBOXILASA (ACTIVADA POR ACETIL-CoA, presente principalmente en Hígado y Riñón) Piruvato + HCO3- + ATP oxalacetato + ADP + Pi PEP CARBOXIQUINASA (Músculo esquelético y cardíaco). Fosfoenolpiruvato + CO2 + GDP oxalacetato + GTP ENZIMA MALICA Piruvato + HCO3- + NADPH + H+ L-malato + NADP+ + H2O PEP CARBOXILASA (Plantas y algunas bacterias) Fosfoenolpiruvato + HCO3- oxalacetato + Pi 29

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. (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.