QUÍMICA BIOLÓGICA Lic. Cs. BIOLÓGICAS Prof. en BIOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA QUÍMICA BIOLÓGICA 2015

PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN LIC. Y PROF. CS BIOL – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA Bolilla 10 INTERRELACIONES METABÓLICAS PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN Relaciones entre las principales vías metabólicas. Utilización de NADPH como agente reductor. Encrucijadas metabólicas. Regulación coordinada. Respiración celular en células animales. Metabolismo en hígado, corazón, cerebro y tejido adiposo. Adaptaciones metabólicas: postprandial y ayuno, en hibernación y en diferentes condiciones ambientales (anaerobiosis, temperaturas extremas). Integración del metabolismo en la célula vegetal: Intermediarios comunes entre vías metabólicas. Respiración celular en células vegetales. Flujo de metabolitos durante el día y la noche. Relación entre ciclo del glioxilato y la gluconeogénesis

Integración del metabolismo en la célula vegetal El Metabolismo en la célula eucariota VEGETAL se asemeja en la mayoría de sus vías al Metabolismo de la célula ANIMAL Obtención de Energía: Glicólisis Ciclo de Krebs Fosforilación Oxidativa Oxidación de hexosas para dar NADPH y pentosas Vía de las Pentosas-P Convertir los compuestos de 4C en hexosas: Gluconeogénesis Síntesis de polímeros de Glucosa como almacenamiento de glúcidos y degradación de los mismos para generar hexosas

Existen procesos metabólicos específicos Sin embargo: Existen procesos metabólicos específicos para la célula VEGETAL Síntesis fotoinducida de NADPH y ATP Fotosíntesis: Reacciones luminosas Fijación del CO2 en compuestos orgánicos: Fotosíntesis, reacción de RubisCO Utilización del C fijado: Ciclo de Calvin - Producción de triosas, pentosas, hexosas Convertir Acetil-CoA de la degradación de Ac. Grasos en compuestos de 4C: Ciclo del Glioxilato Síntesis de aminoácidos y proteínas Fijación del N2 atmosférico Generación de energía calórica Transporte electrónico mitocondrial alternativo Estos procesos específicos de la célula VEGETAL ocurren en Compartimientos propios de las plantas: Cloroplastos - Amiloplastos Glioxisomas - Vacuolas

Ejemplo: Localización subcelular del metabolismo lipídico Comparación entre las células de animales vertebrados, levaduras y células vegetales La síntesis de ácidos grasos ocurre en el compartimento donde la relación [NADPH] / [NADP+] es alta. Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 21

RESPIRACIÓN CELULAR EN VEGETALES Repasemos…. Fumarato Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA FAD Fe-S II NADH FMN Fe-S I NAD+ e- Succinato Fe-S Fe III Coenzima Q Fe Cit.c Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c1 Fe/Cu O2 IV Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C –COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Cit.a Cit a3 Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico

RESPIRACIÓN CELULAR EN VEGETALES Oxidaciones mitocondriales alternativas Extraído de Lehninger, A.L., Nelson, D., Cox M. “Principios de Bioquímica”, 2006

Cadena de transporte electrónica alternativa en plantas - Papel fisiológico Producción de calor en algunas especies vegetales como por ej. Araceae species en un etapa anterior a la polinización para producción de compuestos aromáticos que atraen a los polinizadores. Es activa durante períodos de altas velocidades de oxidación de sustratos para evitar la producción de radicales libres (Esqueletos carbonados C.Krebs) Es activa en situaciones de estrés (sequia, temperaturas extremas, tóxicos presentes en el suelo, falta de Pi, patógenos)( en estas situaciones disminuye la velocidad de la cadena respiratoria normal)

Repasemos….. ¿Cómo es el transporte de electrones impulsado por la luz? Esquema en “Z” Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 19

Reacciones Luminosas en el tilacoide Fotofosforilación Repasemos….. Fotón Estroma Fotón Cit b6f PS I (P 680) PS II (P 700) Lumen del tilacoide Membrana tilacoide Estroma Reacciones Luminosas en el tilacoide Fotofosforilación Mathews Ch, Van Holde K, Ahern K, 3ª. Edic. 2002, Cap. 17

REACCIONES LUMINOSAS Y REACCIONES DE FIJACIÓN SOL REACCIONES DE LA FOTOSÍNTESIS Repasemos….. REACCIONES LUMINOSAS Y FOTOFOSFORILACIÓN NADP+ ADP + Pi NADPH ATP REACCIONES DE FIJACIÓN DEL CARBONO CO2 Glúcidos

Regulación de la Fotosíntesis Repasemos….. Regulación de la Fotosíntesis Activación de las Reacciones Oscuras – Dependencia de la Luz Electrones (e-) desde “reacciones luminosas” Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa Fructosa- 1,6-bisfosfatasa Ribulosa-5P-quinasa Gliceraldehido-3P-deshidrogenasa Ferredoxina oxidada Ferredoxina reducida Tiorredoxina oxidada Tiorredoxina reducida Enzima reducida (activa) Enzima oxidada (inactiva)

Repasemos….. Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 20 Biosíntesis de glúcidos en plantas

Regulación de la síntesis de Sacarosa Repasemos….. Regulación de la síntesis de Sacarosa -2,6-bisfosfato como regulador -Influencia de la luz/fotosíntesis activa Referencias: PP-PFK-1: fosfofructoquinasa-1, dependiente de PPi FBPasa-1: fructosa-bisfosfatasa-1 PFK-2: fosfofructoquinasa-2 FBPasa-2: fructosa-bisfosfatasa-2 Adaptado de Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007-Cap 20

Regulación de la Síntesis de Almidón Repasemos….. Regulación de la Síntesis de Almidón ADP-glucosa pirofosforilasa ADP-glucosa Pirofosforilasa SÍNTESIS DE ALMIDÓN Intensidad Fotosíntesis [3-fosfoglicerato] / [Pi]

Fotorrespiración Repasemos….. Ruta del fosfo-glicolato Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 20 Biosíntesis de glúcidos en plantas

Integración del Metabolismo Glucídico en célula vegetal Equilibrio entre las reservas de Pentosas-fosfato, Triosas-fosfatos y Hexosas-fosfato Las rutas del metabolismo glucídico en plantas comparten reservas de intermediarios comunes Transportadores de membrana facilitan el paso de azúcares-P entre compartimientos La dirección del flujo de metabolitos cambia del día a la noche

Plantas, invertebrados y algunos microorganismos. Repasemos….. CICLO DEL GLIOXILATO Plantas, invertebrados y algunos microorganismos. En los vegetales, el ciclo tiene lugar en los Glioxisomas, organelas especializadas en las cuales se lleva a cabo la degradación de los ácidos grasos (β-oxidación) para producir Acetil-CoA que será utilizada en el ciclo. El Ciclo del Glioxilato comparte algunas enzimas del Ciclo de Krebs, pero incluye dos enzimas específicas localizadas en los glioxisomas. En cada vuelta del ciclo se utilizan 2 moléculas de Acetil-CoA para generar una de oxalacetato.

Repasemos….. CICLO DEL GLIOXILATO Malato sintasa Isocitrato liasa

Se evitan las 2 reacciones de descarboxilación del Ciclo de Krebs. CICLO DEL GLIOXILATO Repasemos….. Se evitan las 2 reacciones de descarboxilación del Ciclo de Krebs. El succinato formado en la reacción de la isocitrato liasa se transporta desde el glioxisoma a la mitocondria. Allí se convierte en oxalacetato por las reacciones del Ciclo de Krebs. De esa forma se puede utilizar para la síntesis de hidratos de carbono a través de la gluconeogénesis. En el caso de las plantas, cuando las semillas germinan, los triglicéridos se degradan a glicerol (precursor de gluconeogenesis) y ácidos grasos que se degradan a Acetil-CoA (precursor del ciclo del glioxilato) y se convierten en azúcares, que aportan Energía para el crecimiento del vegetal.

Ciclo del Glioxilato y del Ácido Cítrico Relaciones El ciclo del Glioxilato ocurre en simultáneo con el ciclo del Ácido Cítrico Los productos del ciclo del Glioxilato se exportan a mitocondria Desde mitocondria Malato pasa a citosol donde permite la síntesis de glúcidos por Gluconeogénesis La síntesis de glúcidos desde reservas lipídicas permite la germinación de semillas de oleaginosas cuando aún no funciona la fotosíntesis

Semillas en germinación Conversión del Glicerol de los Triacilglicéridos en Sacarosa Lipasa Glicerol quinasa Glicerol-3P deshidrogenasa GLUCONEOGÉNESIS SACAROSA Adaptado de Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007-Cap 20

N2 NH4+ Fijación del Nitrógeno en las plantas Repasemos….. NADH NADPH Nitrogenasa

Fijación del Nitrógeno en las plantas Repasemos….. Oxidación de CH (Ej. Glu y Fru) Fijación del Nitrógeno en las plantas NADH NADPH Flavodoxina red. COMPLEJO NITROGENASA 16ADP + 16Pi Fe-Mo-Proteina reducida N2 +10H+ Ferredoxina reducida Fe-Proteina oxidada e- e- e- Fe-Proteina reducida Ferredoxina oxidada Fe-Mo-Proteina oxidada 2 NH4+ + H2 16 ATP AMINOACIDOS PROTEINAS

Absorción del nitrógeno por las plantas Repasemos….. N2 N2 NH4+ NO3- AAs N2 NO3- NH4+ AAs

Plantas que no pueden fijar N2 Repasemos….. Plantas que no pueden fijar N2 (mayoría de los cultivos excepto leguminosas) Fuentes importantes de nitrógeno: NO3- y NH4+ Citosol NAD(P)H + H+ NAD(P)+ Nitrato reductasa NO3- NO2- + H2O Nitrito reductasa LUZ Ferredoxina NO2- + 3H2O + 2H+ NH4+ + 2H2O + 1.5 O2 AMINOACIDOS PROTEINAS Cloroplastos o Protoplastidios

Repasemos….. Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS PEP carboxilasa Aspartato aminotransferasa (PLP) Asparagina sintetasa Proteínas Clorofila Acs. Nucleicos Glutamina sintetasa Glutamato sintasa Ferredoxina red. (cloroplastos) NADH o NADPH (protoplastos) Glutamina y Asparagina son las amidas vegetales importantes para acumular nitrógeno, principalmente en órganos de almacenamiento.

Ciclo fotorrespiratorio del Nitrógeno. Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Repasemos….. Ciclo fotorrespiratorio del Nitrógeno. Interacción del metabolismo de CH y de AAs en una hoja Peroxisoma Cloroplasto MDH Mitocondria GQ Catalasa Fosfatasa NH4+ Glicolato oxidasa 5- Glu-Gliox. Aminotransferasa 6- Ser-Gliox. Aminotransferasa 7- Gli descarboxilasa 8- Ser HO-metiltransferasa 9- HOpiruvato reductasa Xilema

EN LAS PLANTAS AMINOÁCIDOS PRECURSORES DE AMINAS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA EN LAS PLANTAS Triptofano Tirosina Fenilalanina Lignina Taninos Morfina Esencias aromáticas (vainilla, clavo de olor, pimienta, nuez moscada) Hormona de crecimiento: Auxina (IAA)

LUZ Fotosintética (“anabólica”) OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) REACCIONES LUMINOSAS SÍ NADPH NADP+ ATP Tiorredoxina-SH y Ferredoxina-SH reducidas NO NADPH REACCIONES DE ASIMILACIÓN DEL C Actividad de Enzimas Reguladoras del Ciclo de Calvin Síntesis de Hexosas Sólo en primer momento funciona el Ciclo de Calvin Luego: Ciclo de Calvin

Degradación de Hexosas Degradación de Almidón respiración mitocondrial LUZ Fotosintética (“anabólica”) OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) GLICÓLISIS Degradación de Hexosas Fosfo-fructoquinasa Degradación de Almidón Obtención de ATP CICLO DE KREBS Enzimas Reguladoras Luz Actividad enzimas Ciclo de Krebs CO2 RESPIRACIÓN MITOCONDRIAL respiración mitocondrial Transporte de electrones Consumo de Nutrientes H2O O2

LUZ Fotosintética (“anabólica”) OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) VÍA DE LAS PENTOSAS-P NADPH / NAP+ Tiorredoxina-red Glucosa-6P- deshidrogenasa Vía de las Pentosas NADPH citosólico FRUCTOSA 2,6-bisP Regulador alostérico (pro-catabólico) Fru-2,6 bisP PFK-2 GLICÓLISIS FOTOSÍNTESIS GLUCONEOGÉNESIS Pi

LUZ Fotosintética (“anabólica”) OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) SÍNTESIS DE SACAROSA SÍNTESIS DE SACAROSA GLICÓLISIS SÍNTESIS DE ALMIDÓN SÍNTESIS Y ALMACENAMIENTO DE ALMIDÓN DEGRADACIÓN DE ALMIDÓN ALMACENAMIENTO DE ALMIDÓN

BIBLIOGRAFÍA “Química Biológica”-Lehninger A. L., Cap. 19 y 20 4ª Edic. (2007) “Bioquímica” - Mathews Ch., Van Holde K.E., Ahern K. Cap 17: 665 – 699, 3ra Edic., Pearson Educ. S.A. (2002) “Fisiología Vegetal” – Taiz L., Zeiger E., Vol I , Cap 7, 3ra Edic., (2006)