Metabolismo Metabolismo intermediariointermediario

M.C. Karla DíazM.C. Karla Díaz

MetabolismoMetabolismo

El El metabolismo metabolismo es la suma de todas es la suma de todas las transformaciones químicas que se las transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo.producen en una célula u organismo.

Tiene lugar en una serie de Tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas reacciones catalizadas enzimáticamente, que constituyen enzimáticamente, que constituyen las las rutas metabólicas.rutas metabólicas.

Metabolismo intermediarioMetabolismo intermediario

Actividades combinadas de todas las Actividades combinadas de todas las rutas metabólicas que interconvierten rutas metabólicas que interconvierten precursores, metabolitos, y productos de precursores, metabolitos, y productos de baja masa molecular.baja masa molecular.

MetabolismoMetabolismo

Catabolismo: fase degradadora del Catabolismo: fase degradadora del metabolismo en la que moléculas metabolismo en la que moléculas nutrientes orgánicas (glúcidos, grasas y nutrientes orgánicas (glúcidos, grasas y proteínas) se convierten en productos más proteínas) se convierten en productos más sencillos.sencillos.

Anabolismo: fase en la que precursores Anabolismo: fase en la que precursores sencillos se integran en moléculas mucho sencillos se integran en moléculas mucho más grandes y complejas como los lípidos, más grandes y complejas como los lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucléicos. polisacáridos, proteínas y ácidos nucléicos.

Reacciones biológicas de reducción-Reacciones biológicas de reducción-oxidaciónoxidación

La transferencia de grupos fosfato La transferencia de grupos fosfato es una de las características es una de las características principales del metabolismo.principales del metabolismo.

Las reacciones de transferencia Las reacciones de transferencia electrónica metabólicas son electrónica metabólicas son también de importancia crucial.también de importancia crucial.

En estas reacciones interviene la En estas reacciones interviene la pérdida de electrones por una pérdida de electrones por una especie química, que es así especie química, que es así oxidada, y la ganancia por otra oxidada, y la ganancia por otra que es reducida.que es reducida.

El flujo de electrones es El flujo de electrones es responsable de todo el trabajo responsable de todo el trabajo realizado por los organismos vivos.realizado por los organismos vivos.

Reacciones biológicas de reducción-Reacciones biológicas de reducción-oxidaciónoxidación

GlucólisisGlucólisis

La glucolisis tiene lugar en el citoplasma La glucolisis tiene lugar en el citoplasma celular. celular.

Consiste en una serie de diez Consiste en una serie de diez reacciones, cada una catalizada por una reacciones, cada una catalizada por una enzima determinada, que permite enzima determinada, que permite transformar una molécula de transformar una molécula de glucosaglucosa en dos moléculas de un compuesto de en dos moléculas de un compuesto de tres carbonos, el tres carbonos, el ácido pirúvico.ácido pirúvico.

GlucólisisGlucólisis

La rotura de la glucosa (6 C) en dos La rotura de la glucosa (6 C) en dos moléculas de piruvato tiene lugar en moléculas de piruvato tiene lugar en 10 pasos, de los cuales los primeros 5 10 pasos, de los cuales los primeros 5 son la fase preparatoria.son la fase preparatoria.

La fase preparatoria consiste en la La fase preparatoria consiste en la fosforilación y conversión de la fosforilación y conversión de la glucosa en gliceraldehído-3-fosfato.glucosa en gliceraldehído-3-fosfato.

Glucólisis – Fase Glucólisis – Fase preparatoriapreparatoria

1.1. La glucosa es fosforilada en el grupo OH del C6.La glucosa es fosforilada en el grupo OH del C6.2.2. La D-glucosa-6-fosfato formada se convierte en D-La D-glucosa-6-fosfato formada se convierte en D-

fructosa-6-fosfato.fructosa-6-fosfato.3.3. La D-fructosa-6-fosfato es fosforilada en C1, dando La D-fructosa-6-fosfato es fosforilada en C1, dando

D-fructosa-1,6-bifosfato.D-fructosa-1,6-bifosfato.4.4. La D-fructosa-1,6-bifosfato se parte en dos La D-fructosa-1,6-bifosfato se parte en dos

moléculas de 3 C: dihidroxiacetona fosfato y moléculas de 3 C: dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato (lisis).gliceraldehído-3-fosfato (lisis).

5.5. La dihidroxiacetona se isomeriza a una segunda La dihidroxiacetona se isomeriza a una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato.molécula de gliceraldehído-3-fosfato.

*El ATP es el dador de fosfato en ambas *El ATP es el dador de fosfato en ambas fosforilaciones.fosforilaciones.

Glucólisis – Fase de Glucólisis – Fase de beneficiosbeneficios

6. Cada molécula de gliceraldehído-3-6. Cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato es oxidada y fosforilada por fosfato es oxidada y fosforilada por fosfato inorgánico (no por ATP) fosfato inorgánico (no por ATP) formando 1,3-bifosfoglicerato.formando 1,3-bifosfoglicerato.

7 al 10. Conversión de 2 moléculas de 7 al 10. Conversión de 2 moléculas de 1,3-bifosfoglicerato en 2 moléculas de 1,3-bifosfoglicerato en 2 moléculas de piruvato.piruvato.

Glucólisis – Balance globalGlucólisis – Balance global

Al utilizar 2 ATP en la fase preparatoria Al utilizar 2 ATP en la fase preparatoria y ganar 4 ATP en la fase de beneficios, y ganar 4 ATP en la fase de beneficios, se obtiene una ganancia de 2 ATP.se obtiene una ganancia de 2 ATP.

PiruvatoPiruvato El piruvato formado en la glucólisis puede El piruvato formado en la glucólisis puede

tomar 3 rutas metabólicas alternativas.tomar 3 rutas metabólicas alternativas.

En organismos o tejidos aeróbicos, el piruvato En organismos o tejidos aeróbicos, el piruvato se oxida, con pérdida de su grupo carboxilo se oxida, con pérdida de su grupo carboxilo como COcomo CO22, dando el grupo acetilo del acetil-, dando el grupo acetilo del acetil-CoA.CoA.

Otra ruta del piruvato es la fermentación del Otra ruta del piruvato es la fermentación del ácido láctico (músculo, anaeróbicamente).ácido láctico (músculo, anaeróbicamente).

La tercera ruta es la fermentación etanólica o La tercera ruta es la fermentación etanólica o alcohólica, que se da en microorganismos.alcohólica, que se da en microorganismos.

Producción de acetatoProducción de acetato

En organismos aeróbicos, la glucosa y otros En organismos aeróbicos, la glucosa y otros azúcares, los ácidos grasos y la mayor parte azúcares, los ácidos grasos y la mayor parte de los AA son oxidados finalmente a COde los AA son oxidados finalmente a CO22 y y HH22O a través del ciclo del ácido cítrico.O a través del ciclo del ácido cítrico.

Antes de entrar a este ciclo, los esqueletos Antes de entrar a este ciclo, los esqueletos carbonados de azúcares y ác. grasos deben carbonados de azúcares y ác. grasos deben sufrir un proceso de degradación para dar sufrir un proceso de degradación para dar lugar al grupo acetilo del acetil-CoA. lugar al grupo acetilo del acetil-CoA.

Producción de acetatoProducción de acetato

El piruvato procedente de la glucosa El piruvato procedente de la glucosa (glucólisis) se oxida para dar lugar a (glucólisis) se oxida para dar lugar a Acetil-CoA y COAcetil-CoA y CO22 a consecuencia de la a consecuencia de la acción de una agrupación de 3 acción de una agrupación de 3 enzimas: el enzimas: el complejo piruvato complejo piruvato deshidrogenasa.deshidrogenasa.

Descarboxilación oxidativaDescarboxilación oxidativa

La reacción llevada a cabo por el complejo La reacción llevada a cabo por el complejo piruvato deshidrogenasa es la piruvato deshidrogenasa es la descarboxilación oxidativa.descarboxilación oxidativa.

La descarboxilación oxidativa es un proceso La descarboxilación oxidativa es un proceso de oxidación irreversible en el que el de oxidación irreversible en el que el piruvato pierde un grupo carboxilo en forma piruvato pierde un grupo carboxilo en forma de COde CO22, y los dos carbonos restantes se , y los dos carbonos restantes se transforman en el grupo acetilo del acetil-transforman en el grupo acetilo del acetil-CoA.CoA.

Descarboxilación oxidativaDescarboxilación oxidativa

La deshidrogenación y descarboxilación combinadas La deshidrogenación y descarboxilación combinadas del piruvato hasta acetil-CoA son resultado de la del piruvato hasta acetil-CoA son resultado de la acción de 3 enzimas y 5 coenzimas.acción de 3 enzimas y 5 coenzimas.

Enzimas: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoil Enzimas: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3).(E3).

Coenzimas: Pirofosfato de tiamina (TPP), Coenzimas: Pirofosfato de tiamina (TPP), dinucleótido de flavina y adenina (FAD), coenzima a dinucleótido de flavina y adenina (FAD), coenzima a (CoA), dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) (CoA), dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) y el lipoato.y el lipoato.

Ciclo de KrebsCiclo de Krebs Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, se realiza en la Ciclo de los ácidos tricarboxílicos, se realiza en la

mitocondria.mitocondria.

A diferencia de la glicólisis, en el ciclo de Krebs las A diferencia de la glicólisis, en el ciclo de Krebs las reacciones son cíclicas y consta de 8 pasos.reacciones son cíclicas y consta de 8 pasos.

En cada vuelta del ciclo entra un grupo acetilo (2 C) en En cada vuelta del ciclo entra un grupo acetilo (2 C) en forma de Acetil-CoA y la salida de dos moléculas de COforma de Acetil-CoA y la salida de dos moléculas de CO22..

Cuatro de los pasos de este proceso son oxidaciones en Cuatro de los pasos de este proceso son oxidaciones en las que la energía de oxidación se conserva, con gran las que la energía de oxidación se conserva, con gran eficiencia, mediante la formación de cofactores eficiencia, mediante la formación de cofactores reducidos (NADH y FADHreducidos (NADH y FADH22).).

Ciclo de Krebs – Paso 1Ciclo de Krebs – Paso 1

1.1. Formación de citrato: el acetil-CoA se condensa Formación de citrato: el acetil-CoA se condensa con oxalacetato para formar el citrato. Catalizada con oxalacetato para formar el citrato. Catalizada por la citrato sintasa. El carbono metílico del por la citrato sintasa. El carbono metílico del acetilo se une al grupo carbonílico del oxalacetato.acetilo se une al grupo carbonílico del oxalacetato.

Ciclo de Krebs – Paso 2Ciclo de Krebs – Paso 2

2. Formación de isocitrato vía cis-aconitato: La enzima 2. Formación de isocitrato vía cis-aconitato: La enzima aconitasa (aconitato hidratasa) cataliza la aconitasa (aconitato hidratasa) cataliza la conversión de citrato en isocitrato, a través de la conversión de citrato en isocitrato, a través de la formación intermedia del ácido tricarboxílico cis-formación intermedia del ácido tricarboxílico cis-aconitato.aconitato.

AconitasaAconitasa

La aconitasa tiene La aconitasa tiene un centro de hierro-un centro de hierro-azufre que actúa en azufre que actúa en la fijación del la fijación del sustrato en el centro sustrato en el centro activo como en la activo como en la catálisis de adición o catálisis de adición o eliminación de Heliminación de H22O.O.

Ciclo de Krebs – Paso 3Ciclo de Krebs – Paso 3

3. Oxidación del isocitrato a 3. Oxidación del isocitrato a -cetoglutarato y CO-cetoglutarato y CO22: La : La isocitrato deshidrogenasa cataliza la isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa del isocitrato dando lugar descarboxilación oxidativa del isocitrato dando lugar a la formación de a la formación de -cetoglutarato. -cetoglutarato.

Ciclo de Krebs – Paso 4Ciclo de Krebs – Paso 4

4. Oxidación del 4. Oxidación del -cetoglutarato a succinil-CoA y CO-cetoglutarato a succinil-CoA y CO22: : Descarboxilación oxidativa que ocurre por acción del Descarboxilación oxidativa que ocurre por acción del complejo complejo -cetoglutarato deshidrogenasa. El NAD-cetoglutarato deshidrogenasa. El NAD++ actúa como aceptor de electrones. actúa como aceptor de electrones.

Ciclo de Krebs – Paso 5Ciclo de Krebs – Paso 55. Conversión de succinil CoA en succinato: El succinil-5. Conversión de succinil CoA en succinato: El succinil-

CoA tiene una energía libre negativa de la hidrólisis CoA tiene una energía libre negativa de la hidrólisis de su enlace tioéster, que se utiliza para sintetizar de su enlace tioéster, que se utiliza para sintetizar de ATP o GTP y dar lugar al succinato. Catalizada de ATP o GTP y dar lugar al succinato. Catalizada por succinil-CoA sintetasa o succínico tioquinasa.por succinil-CoA sintetasa o succínico tioquinasa.

Ciclo de Krebs – Paso 6Ciclo de Krebs – Paso 6

6. Oxidación del succinato a fumarato: Esta reacción 6. Oxidación del succinato a fumarato: Esta reacción sucede por acción de la flavoproteína succinato sucede por acción de la flavoproteína succinato deshidrogenasa.deshidrogenasa.

El malonato, un análogo del succinato, es un fuerte inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa y puede bloquear el ciclo del ácido cítrico.

Ciclo de Krebs – Paso 7Ciclo de Krebs – Paso 7

7. Hidratación del fumarato y producción de L-malato: 7. Hidratación del fumarato y producción de L-malato: Catalizada por la fumarasa (fumarato hidratasa).Catalizada por la fumarasa (fumarato hidratasa).

Ciclo de Krebs – Paso 8Ciclo de Krebs – Paso 8

8. Oxidación del L-malato a oxalacetato: Última 8. Oxidación del L-malato a oxalacetato: Última reacción del ciclo, catalizada por la L-malato reacción del ciclo, catalizada por la L-malato deshidrogenasa, dependiente de NAD.deshidrogenasa, dependiente de NAD.

Ciclo de Krebs - Ciclo de Krebs - RendimientoRendimiento

Cada vuelta del ciclo produce:Cada vuelta del ciclo produce:

3 NADH3 NADH 1 FADH1 FADH22

1 GTP o ATP. 1 GTP o ATP. Se liberan 2 COSe liberan 2 CO22 mediante descarboxilación mediante descarboxilación

oxidativa.oxidativa.

Ciclo del glioxilatoCiclo del glioxilato Variación del ciclo de Krebs.Variación del ciclo de Krebs. El acetil-CoA se condensa con el oxalacetato para El acetil-CoA se condensa con el oxalacetato para

formar citrato exactamente igual que en el ciclo de formar citrato exactamente igual que en el ciclo de Krebs.Krebs.

La degradación del isocitrato no se produce a través La degradación del isocitrato no se produce a través de la isocitrato deshidrogenasa sino mediante una de la isocitrato deshidrogenasa sino mediante una rotura catalizada por la isocitrato liasa, dando lugar a rotura catalizada por la isocitrato liasa, dando lugar a succinato y glioxilato.succinato y glioxilato.

El glioxilato se condensa con el acetil-CoA para dar El glioxilato se condensa con el acetil-CoA para dar lugar a malato, catalizada por la malato sintasa.lugar a malato, catalizada por la malato sintasa.

El malato se oxida a oxalacetato, para iniciar El malato se oxida a oxalacetato, para iniciar nuevamente el ciclo.nuevamente el ciclo.

Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa La La fosforilación oxidativafosforilación oxidativa o o cadena de transporte cadena de transporte

de electronesde electrones es la transferencia de electrones de los es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP. molecular, acoplado con la síntesis de ATP.

Este proceso metabólico está formado por un conjunto de Este proceso metabólico está formado por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua.electrones y donde se forma finalmente agua.

Es donde se sintetiza la mayor cantidad de ATP, y se Es donde se sintetiza la mayor cantidad de ATP, y se lleva a cabo en las membranas biológicas (membrana lleva a cabo en las membranas biológicas (membrana mitocondrial).mitocondrial).

Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa

La mayor parte de los electrones que entran La mayor parte de los electrones que entran a la cadena respiratoria mitocondrial a la cadena respiratoria mitocondrial provienen de la acción de deshidrogenasas provienen de la acción de deshidrogenasas que captan electrones de las reacciones que captan electrones de las reacciones oxidativas, canalizándolos en forma de oxidativas, canalizándolos en forma de pares electrónicos.pares electrónicos.

Estas deshidrogenasas utilizan NAD o NADP, Estas deshidrogenasas utilizan NAD o NADP, FMN o FAD como aceptores electrónicos.FMN o FAD como aceptores electrónicos.

Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa

La cadena respiratoria mitocondrial posee La cadena respiratoria mitocondrial posee una serie de transportadores electrónicos, una serie de transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de la mayoría proteínas integrales de membrana con grupos prostéticos capaces membrana con grupos prostéticos capaces de aceptar y donar uno o dos electrones. de aceptar y donar uno o dos electrones.

Cada componente de la cadena puede Cada componente de la cadena puede aceptar electrones del transportador aceptar electrones del transportador precedente y transferirlos al siguiente en precedente y transferirlos al siguiente en una secuencia específica.una secuencia específica.

Fosforilación oxidativa – Fosforilación oxidativa – Complejo IComplejo I

NADH a Ubiquinona.NADH a Ubiquinona. Complejo de flavoproteínas incrustado en la Complejo de flavoproteínas incrustado en la

membrana mitocondrial interna.membrana mitocondrial interna. La reacción global catalizada es:La reacción global catalizada es:

NADH + HNADH + H++ + UQ NAD + UQ NAD++ + UQH + UQH22

La ubiquinona oxidada acepta un ion hidruro La ubiquinona oxidada acepta un ion hidruro (2 electrones y 1 protón) desde el NADH y un (2 electrones y 1 protón) desde el NADH y un protón desde el agua disolvente de la matriz.protón desde el agua disolvente de la matriz.

Fosforilación oxidativa – Fosforilación oxidativa – Complejo IIComplejo II

Succinato a ubiquinona.Succinato a ubiquinona.

Succinato deshidrogenasa, única enzima del Succinato deshidrogenasa, única enzima del ciclo de Krebs ligada a la membrana.ciclo de Krebs ligada a la membrana.

Los electrones pasan desde el succinato al Los electrones pasan desde el succinato al FAD y a continuación a la ubiquinona a FAD y a continuación a la ubiquinona a través de los centros Fe-S.través de los centros Fe-S.

Fosforilación Oxidativa – Fosforilación Oxidativa – Complejo IIIComplejo III Ubiquinona a citocromo C. Ubiquinona a citocromo C.

Contiene los citocromos bContiene los citocromos b562562 y b y b566566 citocromo citocromo cc11, una proteína ferrosulfurada y al menos , una proteína ferrosulfurada y al menos otras seis subunidades protéicas.otras seis subunidades protéicas.

Funciona como una bomba de protones.Funciona como una bomba de protones.

La ruta del flujo de electrones en este La ruta del flujo de electrones en este complejo es complicada, pero el efecto neto complejo es complicada, pero el efecto neto de la transferencia es sencillo: UQHde la transferencia es sencillo: UQH22 se oxida se oxida a UQ y se reduce el citocromo c.a UQ y se reduce el citocromo c.

Fosforilación oxidativa – Fosforilación oxidativa – Complejo IVComplejo IV

Reducción del OReducción del O22..

Complejo citocromo oxidasa, contiene Complejo citocromo oxidasa, contiene citocromos a y acitocromos a y a33, formados por dos grupos , formados por dos grupos hemo, también contiene dos iones cobre de hemo, también contiene dos iones cobre de importancia crucial para la transferencia de importancia crucial para la transferencia de electrones al Oelectrones al O22..

Funciona como bomba de protones.Funciona como bomba de protones.

Fosforilación oxidativa - Fosforilación oxidativa - ResumenResumen Los electrones llegan a la UQ vía complejos I y II.Los electrones llegan a la UQ vía complejos I y II.

UQH2 actúa de transportador móvil de electrones UQH2 actúa de transportador móvil de electrones y protones, y pasa electrones al complejo III, el y protones, y pasa electrones al complejo III, el cual los pasa al citocromo c (móvil).cual los pasa al citocromo c (móvil).

El complejo IV transfiere electrones desde el El complejo IV transfiere electrones desde el citocromo c reducido al O2.citocromo c reducido al O2.

El flujo electrónico a través de los complejos I, III y El flujo electrónico a través de los complejos I, III y IV va acompañado de flujo de protones desde la IV va acompañado de flujo de protones desde la matriz al espacio intermembrana.matriz al espacio intermembrana.

Fosforilación oxidativa – Síntesis de Fosforilación oxidativa – Síntesis de ATPATP

Debido a que los protones se han Debido a que los protones se han bombeado al espacio bombeado al espacio intermembranoso de la mitocondria en intermembranoso de la mitocondria en contra de gradiente, ahora pueden contra de gradiente, ahora pueden fluir nuevamente dentro de la matriz fluir nuevamente dentro de la matriz mitocondrial y mediante la vía ATP-mitocondrial y mediante la vía ATP-sintetasa, se genera ATP en el sintetasa, se genera ATP en el proceso. proceso.

RENDIMIENTO TOTAL DE ATP RENDIMIENTO TOTAL DE ATP POR MOLÉCULA DE GLUCOSAPOR MOLÉCULA DE GLUCOSA

PROCESOPROCESO PRODUCTO DIRECTOPRODUCTO DIRECTO ATP ATP FINALFINAL

GlucólisisGlucólisis 2 NADH (Citosólico)2 NADH (Citosólico) 4 o 64 o 6

2 ATP2 ATP 22

Oxidación del Oxidación del piruvatopiruvato

(2 por glucosa)(2 por glucosa)

2 NADH (Matriz 2 NADH (Matriz mitocondrial)mitocondrial)

66

Oxidación del acetil-Oxidación del acetil-CoACoA

(matriz mitocondrial)(matriz mitocondrial)

6 NADH (Matriz 6 NADH (Matriz mitocondrial)mitocondrial)

1818

2 FADH2 FADH22 44

2 ATP o 2 GTP2 ATP o 2 GTP 22

RENDIMIENTO TOTALRENDIMIENTO TOTAL 36 o 3836 o 38