QUÍMICA BIOLÓGICA Lic. Cs. BIOLÓGICAS Lic. Cs. BIOLÓGICAS Prof. en BIOLOGÍA Prof. en BIOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA 2016.

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1 QUÍMICA BIOLÓGICA Lic. Cs. BIOLÓGICAS Lic. Cs. BIOLÓGICAS Prof. en BIOLOGÍA Prof. en BIOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA Lic. BIOTECNOLOGÍA 2016

2 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 Integración del metabolismo en la célula vegetal : Intermediarios comunes entre vías metabólicas. Respiración celular en células vegetales. Relación entre ciclo del glioxilato y la gluconeogénesis Flujo de metabolitos durante el día y la noche. Bolilla 10 Bolilla 10 INTERRELACIONES METABÓLICAS LIC. Y PROF. CS BIOL – LIC. BIOTECNOLOGÍA QCA. BIOLÓGICA

3 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 -Obtención de Energía:  Glicólisis  Ciclo de Krebs  Fosforilación Oxidativa -Oxidación de hexosas para dar NADPH y pentosas  Vía de las Pentosas-P -Conversión de compuestos de 4C en hexosas:  Gluconeogénesis -Almacenamiento de glúcidos y degradación de los mismos para generar hexosas (almidón)  Síntesis y degradación de polímeros de Glucosa (almidón)

4 Sin embargo: Existen procesos metabólicos específicos para la célula VEGETAL - Síntesis fotoinducida de NADPH y ATP Fotosíntesis: Reacciones luminosas - Fijación del CO 2 en compuestos orgánicos: Fotosíntesis, reacción de la RubisCO - Utilización del C fijado: Ciclo de Calvin - Producción de triosas, pentosas, hexosas - Conversión de Acetil-CoA de la degradación de Ac. Grasos en compuestos de 4C: Ciclo del Glioxilato -Síntesis de aminoácidos y proteínas: Fijación del N 2 atmosférico - Generación de energía calórica y protección antioxidante: Transporte electrónico mitocondrial alternativo Estos procesos específicos de la célula VEGETAL ocurren en Compartimientos propios de las plantas: Estos procesos específicos de la célula VEGETAL ocurren en Compartimientos propios de las plantas:Cloroplastos - Amiloplastos Glioxisomas - Vacuolas

5 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

6 Cit.b /Centro Fe-S/ Cit c 1 Coenzima Q Fe/Cu O2O2 IV FAD Fe-S II Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C – COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Cit.a Cit a 3 Cit.c Fe Fe-S Fe III Fumarato Succinato Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA NADH FMN Fe-S I NAD + e-e- Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C – COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C – COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Complejo II SUCCINATO DESHIDROGENASA Complejo IV CITOCROMO OXIDASA Complejo I NAD UBIQUINONA REDUCTASA Complejo III CITOCROMO C – COENZIMA Q OXIDO REDUCTASA Repasemos …. Componentes de la Cadena de Transporte Electrónico RESPIRACIÓN CELULAR EN VEGETALES

7 Ordenamiento de los componentes de la Cadena Respiratoria Mitocondrial ComplejosRepasemos….

8 Repasemos….

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

10 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

11 ATP-SINTASA

12 Transporte de electrones impulsado por la luz (tilacoides/cloroplastos) Esquema en “Z Esquema en “Z” Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 19 Repasemos…..

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

14 SOL REACCIONES LUMINOSAS Y FOTOFOSFORILACIÓN REACCIONES DE FIJACIÓN DEL CARBONO NADPHATP NADP + ADP + Pi CO 2 Glúcidos REACCIONES DE LA FOTOSÍNTESIS Repasemos…..

15 Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 20 Biosíntesis de glúcidos en plantas Repasemos….. Interconexión de compartimentos celulares implicados en la Fotosíntesis

16 Fase 2 del Ciclo de Calvin: Reducción de 1,3-bisfosfoglicerato Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007– Cap 20 Biosíntesis de glúcidos en plantas Repasemos …..

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

18 ¿Cómo ocurre la Síntesis de Almidón? (cloroplastos) Precursor:  ADP- Glucosa Fructosa 6-P Glucosa 6-P Glucosa 6-P Glucosa 1-P ADP-Glucosa Glucosa 1-P + ATP ADP-Glucosa + PPi 2 Pi (Irreversible) isomerasa mutasa ADP –glucosa pirofosforilasa PPi hidrolasa (sólo en plastidios) Enzimas: -Almidón sintasa -Enzima ramificante Síntesis de Almidón

19 Glucosa Utilización del Almidón en los Vegetales CO 2 + H 2 O ATP Sacarosa ALMIDON Extraida de www.semilla.cyta.com.ar/ RaízTallo Sacarosa Glucosa + Fructosa CO 2 + H 2 O ATP Síntesis de sustancias Semilla de Gramínea, ej. maíz o trigo

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

21 Adaptado de Lehninger A. L., 4ª Edic. 2007 Cap 20 - Biosíntesis de glúcidos en plantas Sacarosa6-Psintasa Sacarosa6-Pfosfatasa ¿Cómo y dónde ocurre la Síntesis de Sacarosa? (citosol célula fotosintética) Precursores:  UDP-Glucosa  Fructosa 6-P Enzimas:  Sacarosa 6-P sintasa  Sacarosa 6-P fosfatasa Regulación alostérica: Glucosa 6-P Pi Síntesis de Sacarosa Sacarosa

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

23 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

24 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…..

25 Ciclo del Glioxilato Isocitrato liasa Malato sintasa  -oxidación de AG

26 CICLO DEL GLIOXILATO Isocitrato liasa Malato sintasa Repasemos…..

27 CICLO DEL GLIOXILATO 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. Repasemos…..

28 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

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

30 Las mitocondrias de las células vegetales no poseen sistemas de lanzadera (Glicero-P, Mal-Asp) 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 Repasemos…..

31 Fosfoenolpiruvato + HCO 3 - oxalacetato + P i PIRUVATO CARBOXILASA (ACTIVADA POR ACETIL-CoA, presente principalmente en Hígado y Riñón) REACCIONES ANAPLEROTICAS O DE RELLENO del CICLO de KREBS Fosfoenolpiruvato + CO 2 + GDP oxalacetato + GTP Piruvato + HCO 3 - + ATP oxalacetato + ADP + P i Piruvato + HCO 3 - + NADPH + H + L-malato + NADP + + H 2 O PEP CARBOXIQUINASA (Músculo esquelético y cardíaco). ENZIMA MALICA PEP CARBOXILASA (Plantas y algunas bacterias) Repasemos…..

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

33 En plantas Conexión de Vía de las Pentosas-P con otras vías metabólicas  El NADPH producido en Vía de las Pentosas ingresa a las mitocondrias vegetales y lleva a la producción de ATP.  Además NADPH es agente reductor en las síntesis de ácidos grasos e isoprenoides.  La eritrosa-4-P, junto con el fosfoenolpiruvato (de la vía glicolítica), son precursores de la síntesis de los aminoácidos: fenilalanina, tirosina y triptofano, los que luego son precursores de derivados fenólicos como las fitoalexinas, lignina y flavonoides como las antocianinas. Repasemos…..

34 Enzima limitante de la velocidad o enzima reguladora de la Vía de las Pentosas Inhibida alostéricamente por el NADPH Activada por NADP + Inhibida por la luz en cloroplastos Regulación de la Vía de las Pentosas Fosfato Repasemos…..

35 Flujo de metabolitos durante el día y la noche LUZFotosintética(“anabólica”)OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) REACCIONESLUMINOSAS SÍ NADPH NADP+ ATP Tiorredoxina-SH y Ferredoxina-SH reducidas NO NADPH ATP 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 Síntesis de Hexosas

36 Flujo de metabolitos durante el día y la noche LUZFotosintética(“anabólica”)OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) GLICÓLISIS Degradación de Hexosas Fosfo-fructoquinasa Degradación de Hexosas Degradación de Almidón Obtención de ATP CICLO DE KREBS Enzimas Reguladoras Luz Actividad enzimas Ciclo de Krebs CO2 RESPIRACIÓNMITOCONDRIAL respiración mitocondrial Transporte de electrones Consumo de Nutrientes H 2 O O 2

37 Flujo de metabolitos durante el día y la noche LUZFotosintética(“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 Fru-2,6 bisP Pi PFK-2 GLICÓLISIS FOTOSÍNTESIS GLUCONEOGÉNESIS

38 Flujo de metabolitos durante el día y la noche LUZFotosintética(“anabólica”)OSCURIDAD Obtención de Energía (“catabólica”) SÍNTESIS DE SACAROSA SÍNTESIS DE SACAROSA GLICÓLISIS SÍNTESIS DE SACAROSA SÍNTESIS DE ALMIDÓN SÍNTESIS Y ALMACENAMIENTO DE ALMIDÓN GLICÓLISIS DEGRADACIÓN DE ALMIDÓN ALMACENAMIENTO DE ALMIDÓN

39 N2N2 N2N2 N2N2 NH 4 + AAs NO 3 - Absorción del nitrógeno por las plantas N2N2 N2N2 N2N2 N2N2 NH 4 + NO 3 - AAs NH 4 + AAs Repasemos…..

40 Oxidación de CH (Ej. Glu y Fru) NADH NADPH Ferredoxina reducida Ferredoxina oxidada Fe-Proteina oxidada Fe-Proteina reducida Fe-Mo-Proteina reducida Fe-Mo-Proteina oxidada 16 ATP 16ADP + 16Pi N 2 +10H + 2 NH 4 + + H 2 COMPLEJO NITROGENASA AMINOACIDOS PROTEINAS Fijación del Nitrógeno en las plantas Flavodoxina red. e-e- e-e- e-e- Repasemos…..

41 NH 4 + Fijación del Nitrógeno en las plantas Nitrogenasa N2N2 NH 4 + NADH NADPH Repasemos…..

42 Plantas que no pueden fijar N2 (mayoría de los cultivos excepto leguminosas) Fuentes importantes de nitrógeno: NO 3 - y NH 4 + NO 3 - NO 2 - + H 2 O NAD(P)H + H + NAD(P) + Nitrato reductasa NO 2 - + 3H 2 O + 2H + Nitrito reductasa LUZ Ferredoxina NH 4 + + 2H 2 O + 1.5 O 2 AMINOACIDOS PROTEINAS Citosol Cloroplastos o Protoplastidios Repasemos…..

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

44 Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Ciclo fotorrespiratorio del Nitrógeno. Interacción del metabolismo de CH y de AAs en una hoja Xilema Fosfatasa Glicolato oxidasa Catalasa Cloroplasto Peroxisoma Mitocondria 5- Glu-Gliox. Aminotransferasa 6- Ser-Gliox. Aminotransferasa 7- Gli descarboxilasa 8- Ser HO-metiltransferasa 9- HOpiruvato reductasa MDH GQ NH 4 + Repasemos…..

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

46 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)