CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS

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1 CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS
Papel central del ciclo del ácido cítrico. Reacciones individuales. Estequiometría y rendimiento energético. Regulación.

2 Bioquímica Citología Ultraestructural (ultracentrifugación y microscopía electrónica) Biología Celular 1934 aislam. mitocondrias, pocos años después se ubicó allí la formación de ATP y la realización del ciclo de Krebs. En 1949 De Duve y colaboradores descubrieron los lisosomas por fraccionamiento celular. En 1945 Palade describió el retículo endoplásmico, pero, en general, los aportes de la ultramicrosocopía se realizarón a partir de En pocas décadas estaba consolidada la Biología Celular. En 1974 Claude, De Duve y Palade recibieron el Premio Nobel por sus descubrimientos sobre la organización morfológica y funcional de la célula.

3 Glucólisis, Pentosas-P
Sínt. Ács Nucleicos y regulación de la expresión Respiración - Sínt. ATP - Βeta-oxidación - Krebs Sínt. y secreción de Proteínas Glicosilación Acilación Nucleolo Golgi Citoplasma Núcleo Citoesqueleto Lisosoma Ribosoma (sínt. Prots.) RELiso Centríolo Vesícula Mitocondria Imagen de Magnus Manske RER Vacuola

4 Las 3 Etapas de la Respiración
Son las 3 etapas de la oxidación metabólica de sustratos orgánicos 1. Generación de grupo acetilo del acetil-CoA , desde piruvato , acidos grasos (mitocondria), o aminoácidos (citoplasma/mitocondria). 2. Oxidación de los carbonos del acetilo en el ciclo de Krebs (mitocondria). 3. Pasaje de electrones de la oxidación en un segundo paso a través del sistema de transporte de electrones para obtener ATP en la fosforilación oxidativa.

5 Grupo alimenticio Unidad metabolizada Transformación convergente Carbohidratos Glucosa ENERGÍA en ATP Grasas (Lípidos) Acidos grasos Proteínas Aminoácidos

6 Oxidación Fosforilativa
PROTEÍNAS POLISACÁRIDOS GLICÉRIDOS 1° Etapa AMINOÁCIDOS GLUCOSA GLICEROL + AG 2° Etapa PIRUVATO MITOCONDRIA ACETIL-CoA CO2 H+ 3° Etapa (NADH, FADH2) ADP + Pi Oxidación Fosforilativa ½O2 ATP H2O

7 La metabolización de la Glc libera E que es capturada en moléculas de ATP
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8 TRENES DE H+ para NADH CITOPLASMÁTICO
NADH+H+ NAD+ Di-HO-ACETONA-P > GLICEROL-3-P FAD+ Glicerol-3P-DH (Citosol) Di-HO-ACETONA-P Gli-3-P-DH (Mitocondrial) FADH2 NADH + H+ Malato Oxalacetato  Aspartato Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA (+) (-) ADP ATP AA, Malato, Succinato, Piruvato Translocasas NAD+, NADH, FAD HS-CoA

9 Animales, plantas y muchos microorganismos
en condiciones aeróbicas Fermentación a Lactato en esfuerzos musculares, eritrocitos, otras células y algunos microorganismos Fermentación a Alcohol en levaduras - O2 + O2

10 Rutas Principales del Metabolismo de Lípidos
Triglicéridos Fosfolípidos Colesterol El acetil-CoA es un intermediario clave en el metabolismo de los lípidos y los hidratos de carbono

11 AA y Krebs Cuerpos cetónicos Sólo Leu y Lys son puramente cetogénicos
Acidos grasos AA y Krebs

12 ( Hans Krebs 1937, premio Nobel)
Enzimas β-oxidación, degrad. de aminoácidos, destinos del ácido pirúvico y el ciclo de krebs o de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo del ácido cítrico. ( Hans Krebs 1937, premio Nobel) 1 molécula de ADN circular dispersa y pequeños ribosomas p/la síntesis de un pequeño número de proteínas mitocondriales . C/sistemas Red-0x de transporte de electrones (crestas mitocondriales) y el sistema de la fosforilación oxidativa. Hay un conjunto de proteínas encargadas de acoplar la energía liberada del transporte electrónico con la síntesis de ATP, estas proteínas le dan un aspecto granuloso a la cara interna de la membrana mitocondrial.

13 Piruvato Descarboxilasa Piruvato Deshidrogenasa Lactato Deshidrogenasa
Piruvato es el final de la glucolisis y un punto de inicio para la gluconeogénesis. En la fermentación el piruvato es convertido a lactato , etanol…. AA que se degradan a Piruvato: alanina, cisteina, glicina, serina, treonina, y triptofano. Las Enzs que actúan s/ el Piruvato son: Piruvato Quinasa Piruvato Descarboxilasa Piruvato Deshidrogenasa Lactato Deshidrogenasa Piruvato Carboxilasa Transaminasas

14 Descarboxilación Oxidativa del Piruvato
1) Descarboxilación exergónica 2) Formación de sulfoester de alta E con Lipoato 3) Transtiolación isoergónica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoA Enzima Cosustrato prostético Sustrato soluble Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa E1 TPP = Tiamina pirofosfato Dihidrolipoil transacetilasa E2 Lipoamida Coenzima A Dihidrolipoil deshidrogenasa E3 FAD NAD+ TIAMINA Otras enzimas con igual mecanismo: Alfa-cetoglutarato DH, Alfa-cetobutirato DH, cadena ramificada cetoácido DH

15 Energéticamente muy favorable ( ΔG = -33.5 kJ/mol) y
Piruvato Deshidrogenasa Fuente de acetil-CoA para el ciclo del ácido cítrico Cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato. Piruvato + NAD+ + CoA-SH <-> Acetyl-CoA + NADH + CO2 Energéticamente muy favorable ( ΔG = kJ/mol) y esencialmente irreversible in vivo.

16 Complejo: Piruvato deshidrogenasa
Glc  PIRUVATO E1: Pir-DH-TPP CO2 + Hidroxietil-TPP E2: Dihidrolipoil transacetilasa-Lipoamida (reducción del grupo prostético: Lipoamida) + HS-CoA (oxidación del hidroxietilo a acetato y transf. Acetil-CoA) E2-Dihidrolipoamida + Acetil-SCoA E3: Dihidrolipoil-DH-FAD + NAD+ E2-Lipoamida + NADH + H+

17 Todo el complejo puede inactivarse con compuestos con arsénico que se unen a sulfhidrilos (como en dihidrolipoamida) R HS As OH -O + R´-As=O S R´ Arsenito Arsenical orgánico

18 Descarboxilación Oxidativa del Piruvato
1) Descarboxilación exergónica 2) Formación de sulfoester de alta E con Lipoato 3) Transtiolación isoergónica del acetilo desde el Lipoato al HS-CoA Enzima Cosustrato prostético Sustrato soluble Piruvato deshidrogenasa ó Pir. descarboxilasa E1 TPP = Tiamina pirofosfato Dihidrolipoil transacetilasa E2 Lipoamida Coenzima A Dihidrolipoil deshidrogenasa E3 FAD NAD+ Otras enzimas con igual mecanismo: Alfa-cetoglutarato DH, Alfa-cetobutirato DH, cadena ramificada cetoácido DH

19 ATP es un inhibidor alostérico del complejo.
La actividad del complejo Pir-DH es coordinada por la proporción de Coenzima A acetilada y libre. E2 (componente transacetilasa) Es inhibida por acetil-CoA y activada por CoA-SH. Regulación En mamíferos, E1 del complejo piruvato dehidrogenasa es susceptible de modificación covalente. + Fosforilación de Ser en eucariotas Pir-DH-kinasa (+) y Pir-DH-Fosfatasa (-) E3 (componente Dihidrolipoamida-DH) Es inhibida por NADH y activada por NAD+. La actividad del complejo es coordinada por las relaciones [NADH]/[NAD] y [acetil-CoA]/[CoA] ATP es un inhibidor alostérico del complejo.

20 Acetil-CoA C que se van a oxidar en el ciclo del ácido cítrico
El enlace tioester posee una alta energía libre de hidrólisis Acetil-CoA aporta los dos C que se van a oxidar en el ciclo del ácido cítrico

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22 Vías principales del catabolismo y el anabolismo en la célula.

23 Respiración aerobia y anaerobia

24 Bicarbonato Piruvato Piruvato Carboxilasa a

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27 EC EC EC EC /42. E E E EC EC EC

28 Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 Ácido pirúvico + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2 H2O Balance

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30 Moléculas: Simétrica Asimétricas (quiral)

31 Ciclo de Krebs ó de los ácidos tricarboxílicos
1 molécula de glucosa -> 2 de acetato (2 C), que se degrada en un proceso cíclico. Una serie de sustancias cede hidrógenos por pares (2H) a otra (NAD, FAD) reduciéndola (a NADH, FADH2). En cierta forma, el proceso equivale a tener átomos de H que se pueden unir con el O durante la respiración para formar agua. En el ciclo entra una molécula de acetato (dos átomos de C) salen dos moléculas de CO2 y cuatro pares de hidrógenos.

32 Estrategia General del Ciclo del Acido Cítrico
En cada vuelta se introducen 2 carbonos (Acetil-CoA), y su equivalente será totalmente oxidado. Se liberan 2 moléculas de CO2 La energía libre de la oxidación se conserva en forma de coenzimas reducidas (NADH y FADH2) Los intermediarios se reciclan

33 C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol
Glucosa + Oxígeno => Dióxido de Carbono + Agua + Energía o bien, C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O G = -686 kcal/mol

34 Intercambio de metabolitos en la membrana mitocondrial
Citrato Acetil-S-CoA Acil-carnitina Malato Oxaloacetato Aspartato Ibernantes ↑Acetil-S-CoA# ↓ Traslocasa ATP/ADP ↓ADP intramitocondrial ↓ Fosforilación Oxidativa Matriz Mitocondrial Ca++ [200mM] +K+ Acil-S-CoA# (+) (-) ADP ATP Translocasas AA, Malato, Succinato, Piruvato NAD+, NADH, FAD HS-CoA Simporte Pir-H+

35 Balance del Ciclo del Acido Cítrico

36 180 g (1 mol) Glc son oxidados por 192 g (6 moles) de oxígeno y se forman 264 g (6 moles) de CO2

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39 c/Fe++ + Glutatión G (+) - (↑citrato)
Alostérica : Inhib x ATP Inhib. Citrato y fluorocitrato y Succinil-S-CoA (competición) c/Fe++ + Glutatión G (+) - (↑citrato) Malato hidroliasa H°= 6 isoenz IV +abundante Ubiquinona reductasa C/4Fe++ no Hem (+) CoQH2 y ATP (-) Oxalato y Malonato (competitiva) + Mg++ NADH y Succinil-CoA (-) Alostérica = ADP(+) enz. tetramérica ATP(-) dímero C/nivel de E constante = Libremente reversible Inhib.=Malonato (competición) (-) déficit de Tiamina – Presencia de Iones de Hg y arsenito (bloq. -SH del lipoato)

40 Vias Anapleróticas del Ciclo del Acido Cítrico

41 Retiro de intermediarios hacia vías anabólicas
Reposición anaplerótica de intermediarios agotados. Las reacciones de transaminación y desaminación de AA son reversibles, por lo que su dirección varía en función de la demanda metabólica.

42 Reacciones Auxiliares o Anapleróticas
Ejercicio brusco ↑↑↑Acetil-S-CoA = va a haber insuf. Oxalacetato p/dar Citrato Estrés, Diabetes Reacciones Auxiliares o Anapleróticas Acetil-S-CoA (alostérico +) Carbonil-Pato -> Carboxi-Biotina-E Insulina (+) MDH(NADP+) + MDH  NADPH + H NAD+ NADP NADH + H+ 42

43 Carácter Anfibólico del Ciclo del Acido Cítrico
Algunos intermediarios del ciclo son precursores de otros compuestos

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45 Remoción de intermediarios puede saturarse.
Tips del Ciclo de Krebs biosintético ahorro de energía Remoción de intermediarios puede saturarse. Única vía enzimática saturable azúcares ácidos grasos En la respiración aeróbica se conserva aprox. el 42 % de la energía de la glucosa en forma de ATP. 288 Kcal * mol-1 (1205 KJ* mol-1 ) Es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre ( G°) negativa. Se puede calcular el rendimiento de la siguiente forma: 288/ 686 x 100= 42 %. 45

46 TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICA

47 Bioenergética: leyes de la termodinámica
-Estudia las transformaciones de energía que tienen lugar en la célula. -Naturaleza y función de los procesos químicos en los que se transforma la energía en seres vivos.

48 Organismos vivos. Según la fuente de carbonos, son: Autótrofos: Pueden utilizar el CO2 como fuente de C (bacterias, vegetales). Heterótrofos: obtienen C de moléculas orgánicas complejas (animales, microorganismos).

49 Metabolismo: “rutas metabólicas” Catabolismo: Anabolismo: Fase de
suma de las reacciones químicas que ocurren en la célula (organizadas en series de reacciones catalizadas) = “rutas metabólicas” Fase de degradación Fase de síntesis ATP ADP NADPH+H+ NADP+ Catabolismo: Las moléculas nutrientes se convierten en otras mas pequeñas y simples. Anabolismo: moléculas pequeñas reaccionan para convertirse en otras más grandes y complejas.

50 Necesitan de energía p/sus actividades
CÉLULAS Necesitan de energía p/sus actividades (desarrollo, crecimiento, renovación de estructuras, síntesis de moléculas, etc). CÉLULA ANIMAL Energía química para realizar trabajo proviene de la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos (carbohidratos, grasas).

51 En una transformación química, gralmente se rompen enlaces y el contenido de energía (E) de las moléculas aumenta o disminuye. (DG aumenta o disminuye) “Moneda” de intercambio de Energía en los procesos biológicos = ATP

52 NADH, NADPH y FADH2 son los principales transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles. Sus reducciones, permiten la conservación de la Energía Libre que se produce en la oxidación de los sustratos

53 EQUILIBRIO QUÍMICO Reordenando: K1/K2 = [C][D]/[A][B]
Reacción directa (1): V1= k1[A][B] Reacción inversa (2): V2 = k2 [C][D] En el EQUILIBRIO: V1 = V2 K1[A][B] = K2 [C][D] Reordenando: K1/K2 = [C][D]/[A][B] ESTO ES : Keq = [C][D]/[A][B]

54 Keq = [C][D]/[A][B] Para cada reacción química, el valor de la Keq es característico a una Tº dada. Si Keq >1, la reacción se encuentra desplazada hacia Si Keq <1, la reacción se encuentra desplazada hacia si Keq =1, la reacción se encuentra en Equilibrio y no hay desplazamiento neto.

55 DEFINICIONES ENERGÍA: Es la “capacidad para producir un trabajo”.
SISTEMA: “ toda porción del universo que se somete a estudio” MEDIO: “es lo que rodea al sistema” UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO

56 Materia de alrededores
Muerte: seres vivos que alcanzan el equilibrio Vida: conjunto de funciones que resisten a la muerte Seres Vivos = Procesos lejanos al equilibrio Vida: basada en uso de E p/↓la entropía Materia de alrededores Conjunto de materia = Sistema (Objeto de estudio) Universo Sistemas Aislado (sin intercambio) Termodinámica clásica Cerrado (intercambio de energía) Abierto (intercambio de materia y energía) = Seres vivos 56

57 DEFINICIONES ENTALPÍA (DH): es la energía en forma de calor, liberada o consumida en un sistema a ,T y P constantes. ENTROPÍA (DS): energía no degradada, no utilizada para realizar trabajo. ENERGÍA LIBRE (DG): energía disponible para realizar trabajo. Es Energía contenida en las moléculas. Representa la energía intercambiada en una reacción química

58 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
PRIMER PRINCIPIO: “ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO PERMANECE CONSTANTE” Equivale a decir: la energía del universo no se crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma. SEGUNDO PRINCIPIO: “ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO AUMENTA” Equivale a decir que el grado de desorden en el universo aumenta.

59 CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
Medir el contenido de energía de un sistema es muy difícil, generalmente medimos el cambio de energía entre dos estados. La variación de energía (DG) para ir de A hacia B es: DGBA = GB - GA Para ir de B hacia A: DGAB = GA – GB = - DGBA Matemáticamente: DG = DH -TDS

60 CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
DGº es la variación de Energía Libre en condiciones estándar (Tº= 298ºK,[ ] = 1M,P = 1atm) DGº’ es la variación de energía libre estándar a un pH próximo al fisiológico (pH = 7) R = 1,987 cal/mol grado

61 PROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que transcurre con liberación de calor al medio.
PROCESO ENDOTÉRMICO: el que transcurre tomando calor del medio. PROCESO EXERGÓNICO: libera energía. (ESPONTANEO) PROCESO ENDERGÓNICO: absorbe energía. (NO ESPONTANEO)

62 E libre ó E de Gibbs (G) G = Gfinal – Ginicial
Función más importante en Bioquímica Proceso real o factible = cambio de E libre de Gibbs negativo (-G) G = Gfinal – Ginicial G < 0 (FACTIBLE y EXERGÓNICO) G = 0 (ISOERGÓNICO-en equilibrio) G > 0 (NO FACTIBLE y ENDERGÓNICO) REACCIONES CON: - G = son exergónicas y espontáneas a derecha +G = endergónicas e inviables a derecha – pero pueden ser viables por acoplamiento energético con las exergónicas 62

63 ΔG(-) REACCIONES EXERGÓNICAS LIBERAN ENERGÍA
= ENERGÍA DE ACTIVACIÓN ΔG(-) REACCIONES EXERGÓNICAS LIBERAN ENERGÍA Ea es distinta del ΔG = °’GP - °’GR . Derecha = reacción exergónica o espontánea. E del P < que la del R. La E liberada en la reacción, es el ΔG, y en este caso es menor que cero. 63

64 COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA

65 ATP Es el compuesto de alta energía de mayor importancia en la célula.
El ATP a pH fisiológico se encuentra como ATP4-. Las 4 cargas negativas se encuentran próximas y originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi o AMP+PPi. Además los productos de la hidrólisis se solvatan mejor y se estabilizan por resonancia contribuyendo a disminuir DG y desplazando la reacción hacia

66 Transferencia de energía en el metabolismo celular
P (grupos fosfato) = conservación y transferencia de E 1,3-Bis-P-Glicerato y 2P-PEP ceden E al ADP->ATP Creatín-P y Arginín-P = reservas de E p/cederla al ATP (en tejidos con mayores requerimientos temporales como el músculo) Fosforilación oxidativa: transforma ADP en ATP (c/E liberada por oxidación de coenzimas reducidas)

67 Compuestos que tienen uniones fosfato de alta energía
* N-C NH O O- N CH3 CH2 COO - FOSFOCREATINA -10.3 O O O ATP - * O P-O-P-O-P- OCH2 Adenine O O- O- O- g b a OH OH Kcal -7.3 -6.6 Kcal/mol O O- - P C CH OH CH2 1,3-bisFOSFOGLICERATO -10.1 COO- FOSFO-ENOLPIRUVATO -14.8 (2 INTERMEDIARIOS ALTAMENTE ENERGÉTICOS DE LA GLUCÓLISIS) * Kcal Kcal ATP = “moneda energética celular”, reconocible por Enzs. (fosforilación, transporte de solutos contra gradiente, movimiento Musculares, síntesis de Acil-CoA, etc)

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69 Desde el punto de vista energético, una reacción con un DG positivo no podría ocurrir a no ser que exista un aporte de energía que la haga posible. Dicho aporte, lo proveen compuestos de alto contenido energético, que se caracterizan por tener enlaces que al romperse liberan una alta cantidad de energía. Este proceso se llama acoplamiento. MOLECULAS DE ALTA ENERGIA : ATP, Acetil-CoA, Creatina Fosfato, Fosfoenol Piruvato, por ejemplo.

70 Reacciones acopladas Las Enzimas pueden combinar reacciones exergónicas con endergónicas para resultar en una reacción acoplada que en conjunto es exergónica (reacción espontánea).

71 REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADAS
Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan. nombre DGº’(kcal/mol) ATP ADP + P -7,3 ADP AMP + P -7,7 AMP adenosina + P -3,4

72 “Los valores de DGº de reacciones secuenciales son aditivos”
Este principio explica por que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea exergónica, a través de un intermediario común

73 ACTIVACION Es la unión de moléculas biológicas de modo tal que, la ruptura de ese enlace químico formado, tiene un DG <0 Ejs: 1) A + COENZIMA A-COENZIMA A-COENZIMA + B AB + COENZIMA DG<0 2) FOSFORILACION

74 Estructura química de la Acetil CoA
Estructura química de la Acetil CoA. El grupo acetilo aparece a la izquierda de la figura, unido al azufre (S)

75 La Coenzima A es un transportador de grupos acilo.
Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los grupos acilo mediante un enlace tioester. La hidrólisis de un tioester es muy favorable termodinámicamente, lo que hace que esta molécula tenga un alto potencial de transferencia de grupos acilo. La CoA es un “transportador de acilos activado” igual que el ATP es “un transportador de P activado”.

76 ¡MUCHAS GRACIAS!!!