QUIMICA BIOLOGICA Lic. en Biol. Molec. e Ing. en Alim. BOLILLA 3 (Lic. en Biol. Molec.): METABOLISMO. Vías metabólicas. Catabolismo, anabolismo y vías anfibólicas. Recambio metabólico. Regulación del metabolismo. Carbohidratos: Digestión y absorción. Ingreso de glucosa a las células. Familia de transportadores METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS. GLICOLISIS. Vía de Embden-Meyerhof. Fases de la glucólisis. Enzimas y cofactores que participan. Regulación enzimática. Rendimiento energético. Distintos tipos de fermentaciones. Utilización de fructosa y galactosa. BOLILLA 4 (Ing. en Alim): METABOLISMO: Catabolismo y anabolismo. Vías metabólicas: secuencias lineales y ramificadas. Regulación de las vías metabólicas Catabolismo de los hidratos de carbono. Digestión y absorción. Sistemas de transporte. Importancia de los carbohidratos en la alimentación. GLICOLISIS. Vía de Embden-Meyerhof. Fases de la glucólisis. Regulación. Fermentación alcohólica y láctica. Balance energético.

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 Gluconeogénesis. Síntesis de glucógeno en animales (o de almidón en plantas). Síntesis de sacarosa en plantas.

Destinos metabólicos de la Glu-6-P Glucógeno-génesis (principalmente en hígado y músculo) Glucógeno Glucosa Glucosa-6-fosfatasa (sólo en hígado) Via de las Pentosas Ribosa-5-P GLUCOSA-6-P Piruvato Via Glicolitica

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

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

Las reacciones las dos fases de la glucólisis pueden desglosarse en sus 10 reacciones: Reacción 1. Fosforilación de la glucosa a partir del consumo del primer ATP.

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

Reacción 2. Isomerización Reacción 2. Isomerización. Conversión de G-6-P (isómero aldosa) a fructosa-6-fosfato (F-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+

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

Reacción 3. Consumo del segundo ATP Reacción 3. Consumo del segundo ATP. La fosfofructoquinasa fosforila la F-6-P para formar fructosa-1,6-bifosfato (FBP). La Fosfofructoquinasa es una enzima alostérica y esta reacción es el principal sitio de control de la velocidad de la vía glicolítica.

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

Dos moléculas de 3 carbonos Reaccion 4. Formación de triosas fosfato. La aldolasa cataliza la rotura de la F-1,6-BP en dos triosas, el gliceraldehído-3-fosfato (GAP) y la dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Dos moléculas de 3 carbonos 6 5 4 3 2 1 C H O P - + fructosa 1,6 bisfosfato Aldolasa dihidroxiacetona gliceraldehído fosfato fosfato 1 2 3 4 5 6

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

Dos moléculas de 3 carbonos Reacción 5. Isomerización. Sólo uno de los productos de la rotura aldólica, el GAP, continúa la vía glucolítica. La interconversión entre éste y la DHAP es catalizada por la Triosa fosfato isomerasa. Dos moléculas de 3 carbonos 6 5 4 3 2 1 C H O P - + fructosa 1,6 bisfosfato Aldolasa dihidroxiacetona gliceraldehído fosfato fosfato Triosafosfato - isomerasa

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

Reacción 6. Formación del primer intermediario de "alta energía” Reacción 6. Formación del primer intermediario de "alta energía”. La gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del Gli-3-P, por el NAD+ y fosfato inorgánico (Pi), para producir el 1,3-bifosfoglicerato (BFG). 2 + 2 fosfato inorgánico

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

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

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

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

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

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 ~

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

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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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+. - En particular, existen tres puntos de control en la via glicolitica: HK: Hexoquinasa PFK: Fosfofructoquinasa PK: Piruvato quinasa - En todos estos puntos la insulina activa, mientras que el glucagón inhibe, la actividad enzimática, en forma indirecta, controlando la fosforilación-desfosforilación de dichas enzimas reguladoras.

¿Cómo la Fructosa-2,6-difosfato regula la glucólisis en hígado? Aumenta afinidad por F-6-P y disminuye la inhibición por ATP

Algo más sobre la Piruvato quinasa…

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

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

Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica Degradación de otros azúcares a través de la vía glicolítica. Fructosa, Galactosa y Manosa

(músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, bacterias lácticas) ¿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, bacterias lácticas) Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Células animales (excepción eritrocitos), vegetales y muchos microorganismos.

A. Fermentación láctica En el músculo, especialmente durante el ejercicio intenso, cuando la demanda de ATP es elevada y se ha consumido el oxígeno, 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 mayor parte del lactato, producto final de la glucolisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa. 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

(músculo en contracción vigorosa, eritrocitos, bacterias lácticas) ¿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, bacterias lácticas) Fermentación Alcohólica (levaduras, algunos vertebrados marinos) Células animales (excepción eritrocitos), vegetales y muchos microorganismos.

B. Fermentación alcohólica En levadura (Sac. cerevisiae), el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la industria alimenticia: la conversión de piruvato a etanol y dióxido de carbono a través de las siguientes reacciones: PPT

(Gluconobacter y Acetobacter) Fermentación acética (Gluconobacter y Acetobacter) NAD(P)+ NAD(P)H + H+ Alcohol deshidrogenasa CH3-CHO Acetaldehído O2 NAD(P)+ NAD(P)H + H+ CH3-COOH Ac. acético Acetaldehído deshidrogenasa O2 CH3-CH2-OH Etanol

¿Cuánta energía rinde un mol de glucosa en anaerobiosis? Balance energético de la vía glicolítica 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 ………... + 1ATP (x2) - 2ATP +4 ATP Balance o rendimiento en ATP…. +2 ATP

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). 4- Docentes de Química Biológica, “QUIMICA BIOLOGICA Orientada a Ciencias de los Alimentos”, Nueva Editorial Universitaria de la Universidad Nacional de San Luis. 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.