Rutas que cosechan energía

Podemos extraer energía directamente de la glucosa Podemos extraer energía directamente de la glucosa. A partir de proteínas y lípidos también se puede extraer energía estos se deben convertir en glucosa o en compuestos intermediarios que puedan entar en alguna de las rutas del metabolismo de la glucosa. http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/622overview.html

Una reacción – una enzima Las rutas son similares entre organismos 9.1 Glucosa y liberación de energía Rutas: Una reacción – una enzima Las rutas son similares entre organismos En eucariontes las rutas están compartimentalizadas en organelos Cada ruta está regulada por enzimas claves

Quema o metabolismo de la glucosa: 9.1 Glucosa y liberación de energía Quema o metabolismo de la glucosa: ΔG = –686 kcal/mol El metabolismo de la glucosa atrapa la energía libre en ATP Metabolismo de la glucosa ΔG = –686 kcal/mol Altamente exergónica http://www.sciencephoto.com/images/download_lo_res.html?id=670010724

Energía para la vida Los organismos autotrofos son capaces de sintetizar fglucosa, moléculas ricas en energía, a partir de luz, CO2 y agua. Tres rutas están involucradas en la cosecha de energía: Glucólisis—de glucosa pasamos a piruvato Respiración celular—aeróbica y convierte piruvato a H2O, CO2, y ATP Fermentación—anaeróbica y convierte piruvato a ácido láctico o etanol, CO2, y ATP

Figura 9.4 Rutas que cosechan la energía Si O2 está presente (aerobiosis) glucólis es seguida por tres rutas de respiración celular: Oxidación del piruvato Ciclo del ácido cítrico Cadena de transporte de electrones Si O2 no está presente, el piruvato de la glucólisis es metabolizado por fermentación. En algunos procariotas puede existir la respiración anaerobia en donde el aceptor terminal de electrones no es el oxígeno sino otra molécula inorgánica. En este tipo de respiración también participa una cadena transportadora de electrones.

Oxidación: Pérdida de uno o más electrones (átomos de hidrógeno) 9.1 RECORDEMOS Oxido-reducción Reacciones Redox : Una sustancia transfiere electrones a otra sustancia Reducción: Ganancia de uno o más electrones por un átomo, ion o molécula Oxidación: Pérdida de uno o más electrones (átomos de hidrógeno) También se puede pensar como la perdida o ganancia de átomos de hidrógeno (H = H+ + e-) Cuando una molécula pierde hidrógenos, se oxida. Oxidación y reducción siempre ocurren juntas

O2 Glucosa Oxidación y reducción están acopladas Aceptor de Electrones En el metabolismo de la glucosa, la glucosa es el agente que reduce y el O2 es el agente que oxida Energía es transferida en una reacción redox. Energía del agente que reduce (glucosa) es transferida al producto reducido

Reacciones redox transfieren electrones y energía Metano (CH4) Metanol (CH3OH) Formaldehído (CH2O) Ácido Fórmico (HCOOH) Dióxido de Carbono (CO2) Estado mas reducido Mayor energía libre Estado mas oxidado Menor energía libre

Nicotinamida Adenina Dinucleótido Coenzima NAD+ es un transportador de electrones en las reacciones redox Dos formas: dinucleótido de nicotinamida y adenina más conocido como nicotinamida adenina dinucleótido NAD+ (oxidado) NADH (reducido) La reacción de reducción que aparece en la diapósitiva es de hecho la tranferencia de un protón (el ión de hidrogeno H+) y dos electrones, que son liberados por la reacción de oxidación acompañante. Oxidado Reducido

Coenzima NAD+ es un transportador de electrones en las reacciones Redox Glucosa El aceptor último de electrones puede ser: Oxigeno (en respiración celular) Ácido pirúvico o piruvato (en fermanción acido láctica o alcohólica)

Oxígeno acepta electrones del NADH: Oxígeno molecular como aceptor final de electrones en la respiración celular y como paquete energético Oxígeno acepta electrones del NADH: exergónica ΔG = –52.4 kcal/mol No es el único transportador de electrones, FAD (Flavin dionucleótido)

Figura 9.4 Rutas que cosechan la energía

Ubicación celular de las rutas metabólicas Table 9.1 Ubicación celular de las rutas metabólicas

9.2 Rutas del metabolismo del glucosa Glucólisis ocurre en el citoplasma : Glucosa a piruvato Produce una pequeña cantidad de energía No se oxida completamente la glucosa, no se produce CO2

9.2 Rutas del metabolismo de la glucosa Glucólisis: 10 reacciones catalizadas 1-5 requieren ATP. 6-10 producen NADH y ATP. Resulta en: 2 moléculas de piruvato 2 moléculas de ATP 2 moléculas de NADH

Figura 9.5 glucólisis Isomeros son compuestos con la misma formula química pero diferentes estructura

NADH oxida este compuesto

Figura 9.4 Rutas que cosechan la energía Si O2 está presente (aerobiosis) glucólis es seguida por tres rutas de respiración celular: Oxidación del piruvato Ciclo del ácido cítrico Cadena de transporte de electrones Si O2 no está presente, el piruvato de la glucólisis es metabolizado por fermentación. En algunos procariotas puede existir la respiración anaerobia en donde el aceptor terminal de electrones no es el oxígeno sino otra molécula inorgánica. En este tipo de respiración también participa una cadena transportadora de electrones.

Figura 9.4 Rutas que cosechan la energía Si O2 está presente (aerobiosis) glucólis es seguida por tres rutas de respiración celular: Oxidación del piruvato Ciclo del ácido cítrico Cadena de transporte de electrones Si O2 no está presente, el piruvato de la glucólisis es metabolizado por fermentación. En algunos procariotas puede existir la respiración anaerobia en donde el aceptor terminal de electrones no es el oxígeno sino otra molécula inorgánica. En este tipo de respiración también participa una cadena transportadora de electrones.

La planta de poder de la célula La mitocondria http://www.xvivo.net/powering-the-cell-mitochondria/

9.2 Metabolismo de la glucosa Luego se oxida el piruvato: Une la glucólisis con el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico Piruvato es oxidado a acetato y se libera CO2 Descarboxilación del piruvato Enzima: Complejo de la piruvato deshidrogenasa NAD+ es reducido a NADH, Alguna energía se guarda combinando acetato y Coenzima A (CoA) para formar acetil CoA Coenzima A, importante para iniciar el ciclo de Kreb. También es un producto del metabolismo de ácidos grasos.

Figura 9.6 Cambios en energía libre en la glucólisis y la respiración

9.2 los pasos aeróbicos de la oxidación de la glucosa Acetil CoA es el punto de inicio de 8 reacciones del ciclo del ácido cítrico Entradas: acetil CoA, agua y cargadores de electrones NAD+, FAD, y GDP Energía liberada es capturada por ADP y NAD+, FAD, and GDP Salidas: CO2, cargadores de electrones reducidos, y GTP, que convierte ADP a ATP

Figure 9.7 Oxidación del piruvato La reacción es catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa, que esta en la matriz de la mitocondria. El piruvato (cargado negativamente) no puede atravezas la membranan mitrocondria y se requere transporte activo par aimportarlo. Una vez en la matriz de la mitocondria el piuruvato es oxidado a acetos, liberando CO2, parte de la energía se cpatura reduciendo NAD+ a NADH. Parte de la energía restante se alamcena temporalmente combinando el grupo acetilo con CoA, formado Acetil-CoA

Figura 9.7 CAC CoA La energía almacenada en acetilCoA se usa para formar acitrato apartir del oxalacetato, se libera CoA y puede ser reutilizada. Rearreglo del citrato en isocitrato, aconitasa. Se remueven una molécula de CO2, un protón y dos electrone, convirtiendo al citrato en alfa-cetoglutarato, se libera una gran cantidad de energía libre, poarte de la cual se almacena en NADH El alfa-cetoglutarato se oxida en succinil-CoA, similar a la oxidación del piruvato, produce CO2 y NADH Parte la energía en la succinil-CoA se cosecha en forma de GTP, a partir de GDP y Fosofato inorgánico. Un ejemplo de fosforiloción a nivel de sustrato, luego el GTP se empleará para sintetizar ATP a partir del ADP y fosfato inorgánico. El succinato liberado se oxida a fumarato. En el proceso se libera energía libre y se transfieren dos hidrogenos al transportador de electrones FAD, formando FADH2, reacción catalizada por la succinato deshidrogensa que también hace parte de la cadena d etransporte de electrones y es una proteina integral de membrana interna de la mitocondria. Es un re-arreglo molecular en el que se agrega H2O al fumarato para formar malato Se produce oxalacetato a partir de malato junto con la reducci´øn de NAD+. El oxalacetato queda listo para combianarse con otra molécula de acetil-CoA y reiniciar el ciclo. El CAC opera dos veces por cada molécula de glucosa que entra a la glicólisis Succinato deshidrogenasa

Figura 9.6 Cambios en energía libre en la glucólisis y la respiración

Transporte de electrones Quimiosmosis 9.3 Fosforilación oxidativa: Síntesis de ATP por re-oxidación de NADH y FADH2 Fosforilación oxidativa: ATP es sintetizado por la re-oxidación de los cargadores de electrones en la presencia de O2. Dos fases: Transporte de electrones Quimiosmosis

9.3 Fosforilación oxidativa y ATP Transporte de electrones: Electrones de NADH y FADH2 pasan a través de la cadena de respiración (transportadores de membrana) El flujo de electrones resulta en un gradiente de concentración de protones en la mitocondria Durante el transporte de electrones, los protones también se mueven, se acumulan en el espacio entre membranas SE CREA POTENCIAL DE CONCENTRACION Y DE CARGA: energía portencial Potencial de concentración y carga: energía potencial

Figure 9.8 La Oxidación de NADH y FADH2 en la cadena de respiración Complejo NADH-Quinona Reductasa Succinato deshidrogenasa 4 complejos Complejo de la Citocromo c reductasa Complejo de la Citocromo c oxidasa La ubiquinona es lipido, apolar, pequeño que se mueve libremente entre el interior hidrofóbico de la bicapa fosfolipidica de la membrana interna de la mitocondria. Membrana interna

9.3 Fosforilación oxidativa y ATP ¿por qué tantos pasos? Porqué no En un solo paso? Too much free energy would be released all at once—it could not be harvested by the cell. In a series of reactions, each releases a small amount of energy that can be captured by an endergonic reaction.

Figure 9.8 La Oxidación de NADH y FADH2 en la cadena de respiración Por cada NADH que entra la cadena se producen 2.5 moléculas de ATP, y por cada FADH2 se producen 1.5 moléculas de ATP Membrana interna

+ - electro-químico Gradiente de Protones: SUBUNIDADES Figura 9.9 Transporte activo de protones hacia afuera de la matriz de la mitocondria. + electro-químico Gradiente de Protones: El gradiente de concentración y carga (protones( es una fuente de energía potencial, está energía potencial recibe el nombre de fuerza protón-motriz. Fuerza protón-motriz - SUBUNIDADES

9.3 Fosforilación oxidativa Quimiosmosis: Protones difunden de regreso a la mitocondria a través ATP sintetasa, una proteína carrier. Difusión está acoplada a la síntesis de ATP. Difusión de los protones a favor de su gradiente electroquímico + síntesis de ATP = Quimiosmosis

Figura 9.9 Cadena respiratoria y quimiosmosis

SUBUNIDADES Figura 9.9 Sintetasa de ATP: F0 subunidad —transmembranal F1 subunidad —hacia la matriz de la mitocondria, rota para exponer los sitios activos para la síntesis de ATP SUBUNIDADES

Figura 9.4 Rutas que cosechan la energía Si O2 está presente (aerobiosis) glucólis es seguida por tres rutas de respiración celular: Oxidación del piruvato Ciclo del ácido cítrico Cadena de transporte de electrones Si O2 no está presente, el piruvato de la glucólisis es metabolizado por fermentación. En algunos procariotas puede existir la respiración anaerobia en donde el aceptor terminal de electrones no es el oxígeno sino otra molécula inorgánica. En este tipo de respiración también participa una cadena transportadora de electrones.

Sin O2, ATP puede ser producido por glucólisis y fermentación. 9.4 Sin oxígeno Sin O2, ATP puede ser producido por glucólisis y fermentación. Fermentación occurre en el citoplasma, para regenerar NAD+. Piruvato de la glucólisis es reducido por NADH + H+.

Tipos de fermentación Fermentación de ácidos mixtos (lactato, acetato, formato, , también etanol) Fermentación acetona – butanol Fermentación láctica Fermentación alcohólica

Fermentación láctica: 9.4 Sin oxígeno Fermentación láctica: Ocurre en microorganismos y algunas células musculares Piruvato es el aceptor de electrones Lactato es el producto

Figura 9.11 Fermentación láctica Enzimas que pariticipan en esta en la fermentación láctica. Fermentación homoláctica: Lactato deshidrogenasa. Fermentación heteroláctica: Lactato deshidrogenasa y piruvato descarboxilasa. http://www.ehow.com/facts_5872820_definition-lactic-acid-fermentation.html

Fermentación alcohólica: Levaduras y alguna células vegetales 9.4 Sin oxígeno Fermentación alcohólica: Levaduras y alguna células vegetales Requiere dos enzimas para metabolizar piruvato a etanol Acetaldehido es reducido por NADH + H+, produciendo NAD+ y la glucólisis continúa

Figura 9.12 Fermentación alcohólica

Fermentación vs Respiración celular aeróbica La respiración celular produce más energía que la fermentación por molécula de glucosa Glucólisis más fermentación = 2 ATP Glucólisis más respiración = 32 ATP

Figura 9.13 Respiración celular y fermentación

9.5 Interconexión y regulación de rutas Un intercambio de moléculas ocurre entre rutas metabólicas Rutas están interrelacionadas por sustancias compartidas Rutas se regulan por inhibidores de enzimas

Interconversiones catabólicas: 9.5 Interconexión y regulación de rutas Interconversiones catabólicas: Polisacáridos → hidrolizados a glucosa, entra a glucólisis y respiración celular Lípidos → rotos a: glicerol → DAP Acidos grasos → acetil CoA Proteinas → hidrolizadas a amino ácidos—llegan a la glucólisis or al ciclo del ácido cítrico DAP: Dihidroxiacetona fosfato es un intrermediario en la glucólisis.

Interconversiones anabólicas: 9.5 Interconexión y regulación de rutas Interconversiones anabólicas: Mayoría de las reacciones catabólicas son reversibles Gluconeogénesis: Glucosa se forma del ciclo de ácido cítrico y los intermedios de la glucólisis

Catabolismo y anabolismo están integrados: 9.5 Interconexión y regulación de rutas Catabolismo y anabolismo están integrados: Por retro-alimetnación negativa y positiva Concentraciones de moléculas bioquímicas permanecen constantes (e.g., concentración de glucosa en la sangre)

Figura 9.15 Regulación por feedback negativo y positivo

9.5 Interconexión y regulación de rutas Glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria están sometidos a regulación alostérica de enzimas claves

Figura 9.16 Regulación alostérica En condiciones anaeróbicas, i.e., poco ATP fosfofructokinase apera a una alta velocidad. En condiciones aeróbias, cuando la concentración de ATP es 16X mayor, el ATP inhibe alostéricamente a la fosfofructokinasa

Figura 9.16 Regulación alostérica En el ciclo del ácido citrico el punto clave de control es la isocitrato deshidrogenasa, que se activa cuando hay alta concentraci´øn de ADP i NAD+ y se inactiva cuando hay alta concentraci´øn de aTP o NADH. La inactivación haría uqe se acumule citrato e iso citrato, y esto a su vez inactivaría la glicólisis como se vio antes. La acumulación de citrato activa la sintetasa de acidos grasos, dirigiendo la Acetil-CoA en esa dirección para la sintesis de ácidos grasos que son una molécua de alamacenamiento.