Cartilla Bioquimica [Tomo II]

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Tema XII: Vas metablicas y de transferencia de energa

Catabolismo y anabolismo. Vas catablicas, anablicas y anfiblicas. Ciclo de la energa en las clulas. Distribucin intercelular de las enzimas y sistemas enzimticos. El metabolismo

Es definido brevemente, como la suma total de las reacciones enzimticas que tienen lugar en la clula. Cuatro son las funciones especficas del metabolismo:

Obtener energa qumica del entorno de los elementos orgnicos nutritivos o de la luz solar

Convertir los elementos nutritivos exgenos en los precursores de los componentes moleculares de las clulas.

Reunir los precursores para formar protenas, cidos nucleicos, lpidos y otros componentes celulares.

Formar y degradar aquellas biomolculas necesarias para las funciones celulares especializadas.

Las secuencias reaccinales del metabolismo son semejantes en todas las formas de vida especialmente las que se conocen como rutas metablicas centrales. Catabolismo y anabolismo El metabolismo se divide en catabolismo y anabolismo:

El catabolismo: Es lo degradacin enzimtica, mediante reacciones de oxidacin, de molculas nutritivas relativamente grandes (carbohidratos, lpidos y protenas) procedentes del entorno de la clula o de sus propios depsitos de reservas nutritivas, hasta transformarlas en molculas simples y menores, por ejemplo, cido lctico, cido actico, 2CO , amonaco o urea. El catabolismo va acompaado de

liberacin de energa libre, la cual se conserva en el ATP. El anabolismo: Es la sntesis enzimtica de componentes celulares relativamente

grandes de la clula, ejemplo: polisacridos, cidos nucleicos, protenas, lpidos a partir de molculas precursoras sencillas. Puesto que los procesos sintticos provocan un aumento en el tamao y la complejidad de las estructuras, se necesita la energa proporcionada por el enlace fosfato del ATP.

Tanto el catabolismo como el anabolismo son dos procesos simultneos e interdependientes, que pueden analizarse por separado. Cada uno de los procesos abarca la secuencia de reacciones enzimticas mediante las cuales se degrada o se sintetiza el esqueleto covalente de una determinada biomolcula. Los intermediarios qumicos de este proceso se denominan metabolitos, y este proceso metablico: metabolismo intermedio. Acompaando a cada una de las reacciones qumicas del metabolismo intermediario; tiene efecto un cambio de energa caracterstico. En algunas de las etapas de las secuencias catablicas puede conservarse la energa qumica, habitualmente en forma de energa del enlace fosfato y en ciertas etapas de las

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secuencias anablicas puede utilizarse esa energa del enlace fosfato. Esta fase del metabolismo se denomina acoplamiento energtico. El metabolismo intermedio y el acoplamiento de energa estn obligatoriamente interconectados y son interdependientes. Por ello, cuando examinamos los esquemas metablicos deberemos analizar:

1. Las etapas de reaccin por las que la estructura covalente del precursor se altera para formar el producto.

2. Los cambios de energa qumica que acompaan a esta conversin.

Transformaciones catablicas, anablicas y anfiblicas

La degradacin enzimtica de cada uno de los principales elementos nutritivos (hidratos de carbono, lpidos y protenas) tiene lugar a travs de cierto nmero de reacciones enzimticas consecutivas que se desarrollan en tres fases:

Fase I: En esta fase las grandes molculas de los elementos nutritivos se degradan hasta los principales componentes. Los polisacridos son degradados a pentosas o hexosas, los lpidos a cidos grasos, glicerina y otros componentes, y las protenas a sus veinte aminocidos constitutivos.

Fase II: Los numerosos productos distintos de la Fase I son recogidos y convertidos en un nmero pequeo de molculas ms sencillas. As, las hexosas, las pentosas y la glicerina se degradan en el azcar fosforilado de tres tomos de carbono, el gliceraldehdo-3-fosfato y despus hasta un compuesto sencillo de dos tomos de carbono, la acetil-coenzima A. Los aminocidos diferentes son tambin degradados a: acetil-coenzima A, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato y oxalacetato.

Fase III: Los productos formados en la fase II pasan a la fase III que es el camino comn final en el cual se oxidan a CO2.

El anabolismo tiene lugar tambin en tres fases, comenzando por las pequeas molculas originadas en la tercera fase del catabolismo. Por ejemplo, la sntesis proteica comienza en La Fase III, a partir de los alfa-cetocidos que son los precursores de los aminocidos. En la Fase II los alfa-cetocidos son aminados por donadores de grupos aminos y se forman los alfa-aminocidos y en la Fase I se renen los aminocidos para producir cadenas peptdicas. Aunque los caminos del catabolismo y el anabolismo no son idnticos la Fase III constituye un camino central accesible a ambos. Esta senda central, que recibe el nombre de anfiblica, desempea una doble funcin (amphi: ambos). La ruta anfiblica puede utilizarse catablicamente para lograr la degradacin completa de pequeas molculas producidas en la Fase II del catabolismo o puede utilizarse anablicamente como precursora de molculas para la Fase II del anabolismo.

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Acetil - C o A

Lpidos Polisacridos Protenas

cidos grasosglicerina

HexosasPentosas

Aminocidos

Gliceraldehdo 3-fosfato

Fosfoenol piruvato

Piruvato

oxalacetatocitrato

isocitratomalato

Fumarato Alfa - cetoglutarato

succinato

CO2

Fase I

Fase II

Fase III

Ciclo de loscidos tricarboxilos

LA ENERGA EN LA CLULA

Las molculas orgnicas complejas, tales como la glucosa contienen mucha energa potencial a causa de su elevado grado de ordenacin estructural; poseen una entropa relativamente pequea. Cuando la molcula de glucosa se oxida y forma seis molculas de 2CO y seis de OH2 , sus tomos experimentan un aumento en el desorden. Como

resultado de esta transformacin, la molcula de glucosa experimenta una prdida de energa libre que es energa til y capaz de realizar trabajo. La energa libre se conserva, como energa qumica, especficamente como ATP. Dado que el ATP formado puede difundirse hacia aquellos lugares en la clula en que se necesite su energa, constituye una forma de transportar la energa. La energa qumica del ATP se libera despus, durante la transferencia de su grupo o grupos fosfatos terminales, a determinadas molculas de un aceptor especfico, que adquiere un nivel superior de energa y puede realizar trabajo. Un segundo camino para transportar la energa qumica de las reacciones de xido-reduccin del catabolismo a las reacciones anablicas, que necesita de energa, es en forma de electrones. En las sntesis de algunas biomolculas ricas en hidrgeno, tales como los cidos grasos y el colesterol, se requieren electrones e hidrgeno para la reduccin de los enlaces dobles a simples. En La clula los

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electrones son transportados enzimticamente desde las oxidaciones productoras de electrones tales como los dobles enlaces carbono-carbono o carbono-oxgeno, mediante coenzimas transportadoras de electrones, la ms importante es la nicotinamida-adenin-dinucletido fosfato (NADP). El NADP desempea de este modo, el panel de transportador de electrones ricos en energa desde las reacciones catablicas hasta las reacciones anablicas que los necesitan. Distribucin intracelular de las enzimas y de los sistemas enzimticos Las diferentes enzimas y sistemas enzimticos se hallan localizados caractersticamente, en una u otra organela o estructura intracelular de las clulas. El sistema enzimtico glicoltico est localizado en el citoplasma mientras que las enzimas implicadas en la oxidacin del piruvato, de los cidos grasos y de algunos aminocidos estn en la mitocondria donde tambin se hallan las enzimas de la cadena respiratoria y de la fosforilacin del ADP. La ventaja de la compartimentacin la constituye el hecho de que separa reacciones qumicamente incompatibles. Por ejemplo, una clula puede realizar, a un mismo tiempo, la oxidacin de los cidos grasos de cadena larga hasta el estado de cido actico y el proceso inverso de reduccin del cido actico para formar cidos grasos de cadena larga. Estos procesos qumicamente incompatibles se producen en diferentes partes de la clula; la oxidacin en las mitocondrias y la reduccin en el citoplasma extramitocondrial. Regulacin celular de las sendas metablicas La velocidad del catabolismo de una clula no es controlada por la concentracin de los elementos nutritivos del entorno, sino ms bien por sus necesidades energticas en forma de ATP. La regulacin de una ruta metablica puede llevarse a cabo a varios niveles. El tipo de regulacin ms sencilla implica los parmetros que afectan a las velocidades de las reacciones enzimticas (pH, concentracin de enzima, concentracin de cada intermediario, concentracin de iones metlicos y coenzimas esenciales, etc.). El segundo mecanismo de regulacin consiste en la accin de enzimas reguladoras que se hallan localizadas, habitualmente, en el comienzo o en proximidades de una secuencia multienzimtica. El tercer nivel en que se ejerce la regulacin metablica es a travs del control gentico de la velocidad de la sntesis enzimtica. En organismos multicelulares superiores el control se ejerce a travs de sistemas endocrinos. Las hormonas elaboradas por una glndula endocrina son mensajeros qumicos que estimulan o inhiben actividades metablicas especficas en otros tejidos u rganos.

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TEMA XIII: PRINCIPIOS DE BIOENERGETICA Y CICLO DEL ATP

Localizacin y propiedades del ATP y del ADP. Variacin de energa libre estndar de las reacciones qumicas. Energa libre estndar de la hidrlisis del ATP. Compuesto con enlace fosfato de bajo y alto nivel energtico. Vas enzimticas de la transferencia de fosfato. Principio del intermediario comn. Otros ribonucletidos que participan en la transferencia de energa en la clula 5' difosfato y 5' trifosfato. Papel del AMP y del pirofosfato. El sistema ATP - ADP acta como transportador de energa qumica, ya que el ADP es capaz de aceptar un grupo fosfato en las reacciones acopladas productoras de energa del catabolismo, y el ATP as formado puede ceder su grupo fosfato terminal, en otras reacciones acopladas que requieren energa. En este captulo examinaremos los principios qumicos y termodinmicos en que se basa el funcionamiento del sistema ATP - ADP. LOCALIZACION Y PROPIEDADES DEL ATP Y EL ADP El ATP fue aislado por primera vez, en 1.929 por Fiske y Subbarow, de los extractos cidos de msculo. Su estructura se dedujo algunos aos despus, mediante experimentos de degradacin y fue definitivamente confirmada por sntesis qumica total realizada por Todd y sus colegas en 1948. Desde los inicios del descubrimiento, se sospech que el ATP desempeaba un papel en la transferencia de energa celular pero recin en 1939-1941 Lipmann propuso que actuaba como medio principal de transferencia de la energa qumica en la clula. El ATP, el ADP y el AMP no son sustancias que existen solo en trazas; la suma de sus concentraciones en la fase acuosa de los diversos tipos de clulas intactas oscila entre 2 y 15 mM. La concentracin de ATP es por lo comn, muy superior a la suma de las otras dos concentraciones del AMP, habitualmente es la menor de las tres. Estos nucletidos estn presentes no slo en el citoplasma, sino tambin en organelas tales como mitocondrias y ncleo. La compartimentacin intracelular del sistema ATP constituye una caracterstica importante en la regulacin celular del metabolismo. A pH 7,0 tanto ATP como ADP son aniones muy cargados, el ATP posee cuatro protones ionizables en su grupo de cido trifosfrico. Tres de los protones poseen valores de pK (K = constante de disociacin) bajo entre 2 y3; por lo tanto a pH 7,0 estn completamente disociados; el cuarto protn tiene un pK' de 6,5; por consiguiente a pH 7,0 se halla disociado en un 75%.

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H : hidrgenos que cede en su disociacin

ATP

N

NN

N

NH2

O

OHOH

H HH

C OH2P

O

H O

O H

O P

O

O H

O P

O

O H

El ADP posee tres protones ionizables, dos de ellos estn completamente disociados a pH 7,0 y el tercero que posee un pK' de 7,2 a pH 7,0 se halla disociado alrededor del 39%. La elevada concentracin de cargas negativas en torno al grupo trifosfato del ATP constituye un factor importante en su naturaleza de compuesto de alto contenido energtico. En la clula intacta existen muy pocas cantidades de ATP y de ADP en forma de aniones libres, se hallan presentes en su mayor parte en forma de complejos Mg ATP y Mg ADP a causa de la gran afinidad de los grupos pirofosfato para enlazar cationes

divalentes y de la elevada concentracin de in Mg en el fluido intracelular. La afinidad

del ATP por el Mg es unas diez veces mayor que la del ADP.

P

O

O-

O O P

O

O

O P

O

O

O-

Adenina Ribosa

mg

mg-ATP

mg-ADP

mg

O P

O

O

O P

O

O

O-

Adenina Ribosa

En muchas de las reacciones enzimticas en que participa el ATP como dador de fosfato, su forma activa es la del complejo mg-ATP. El ADP y el ATP pueden separarse y medirse con facilidad mediante electroforesis o por cromatografa en capa fina. PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA QUIMICA Una descripcin de las bases fsico-qumicas de la funcin del ATP en el ciclo energtico de la clula, requiere un breve repaso de algunos principios de la termodinmica. El anlisis termodinmico de los intercambios energticos se inicia por las siguientes definiciones:

a. Sistema: Es el conjunto de materia que es objeto de nuestro estudio.

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b. Entorno: Toda materia del universo, aparte del sistema que se considera. En el transcurso del proceso en estudio la energa puede pasar del sistema al entorno, o viceversa.

c. Estado inicial: Es el contenido de energa del sistema y del entorno, al iniciar el proceso que se analiza.

d. Estado final: Contenido de energa de sistema y entorno una vez que se ha alcanzado el equilibrio.

El contenido de energa de cada estado es una funcin de diversas magnitudes medibles (temperatura, presin, volumen, masa, etc.) que se formulan mediante una ecuacin de estado. A partir de las medidas de los cambios de contenido de energa del sistema y el entorno, a medida que el sistema evoluciona desde su estado inicial hasta su estado final, puede realizarse un balance de energa.

caliente frio Estado inicial

Estado de equilibrio

(Bloques de cobre)

La primera ley de termodinmica es el principio de conservacin de la energa. La energa no se crea ni se destruye, sino que se transforma en una u otra forma (ej. calorfica, qumica, mecnica, etc.). La segunda ley establece algunas limitaciones en los tipos de transformaciones energticas que ocurren en los procesos fsicos-qumicos, y predice la direccin en que es probable que ocurra un proceso determinado. Establece que todos los procesos tienden a evolucionar en una direccin tal que la entropa del sistema ms la del entorno, aumenta hasta alcanzar un estado de equilibrio.

Entropa: Se define como el grado de desorden.

Equilibrio: Se define como aquel estado en que no ocurre ningn cambio fsico o qumico ulterior, y en el que la temperatura, la presin y la concentracin son uniformes en todo el sistema. UN SISTEMA DE EQUILIBRIO

1. Ha agotado su capacidad de realizar trabajo sobre su entorno,

2. El proceso no puede invertirse de modo espontneo y volver a su estado inicial, lo cual requerir una disminucin de entropa. Un sistema desordenado al azar no se reordena por si mismo espontneamente.

Los procesos que se realizan con aumento de entropa se denominan irreversibles. Los procesos que tienen lugar sin cambio de entropa son reversibles. Ejemplo: si tenemos bloques de piedra dispuestos al azar y queremos disponerlos de tal modo que formen un arco la entropa o sea el grado de organizacin disminuye y es reversible porque espontneamente sin cambio de entropa puede pasar del orden al

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desorden (arco a bloques al azar).

En reacciones qumicas los cambios de entropa (S ) no siempre pueden medirse o calcularse con facilidad. Sin embargo, el cambio de entropa durante un proceso est relacionado cuantitativamente con los cambios de la energa total del sistema por una tercera funcin, llamada energa libre, mediante una ecuacin que combina la primera y la segunda ley de termodinmica. Puesto que los cambios de la energa libre de las reacciones qumicas pueden medirse con relativa facilidad, esta ecuacin resulta muy til para predecir la direccin y el equilibrio de las reacciones qumicas. El cambio de

energa libre (G) cuando la temperatura y presin son constantes se define del siguiente modo:

(1)ST.-HG

En la que H es la variacin de entalpa, T la temperatura absoluta y S variacin de entropa. La variacin de entalpa (H) que tambin se denomina cambio calorfico, se define mediante la ecuacin:

(2)PVEH

E = variacin de le energa total del sistema. P = presin V = volumen En los sistemas biolgicos las reacciones qumicas tienen lugar en disoluciones acuosas diluidas, en las que la temperatura, presin y volumen permanecen constantes. En estas

condiciones, PV es cero, por lo tanto:

EH Si sustituimos en la ecuacin (1)

ST.-EG reordenamos la ecuacin:

ST.GE

reversibleendotrmico

S disminuye (orden)

entropa ( S) elevada (desorden)

irreversibleespontneoexotrmico

S aumenta

( S) disminuye

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Con esta ecuacin vemos que a temperatura y presin constantes la variacin de energa total del sistema (E) (que es equivalente al cambio calrico H) es la suma de T.. S ms la variacin de la energa libre. La variacin de energa libre puede definirse como aquella fraccin del cambio de energa total del sistema disponible para realizar trabajo a medida que el sistema evoluciona hacia su estado de equilibrio, a T y P constantes. Mientras el sistema se aproxima al equilibrio, la energa libre disminuye hasta un valor mnimo. VARIACION DE LA ENERGIA LIBRE ESTANDAR EN LAS REACCIONES QUIIMICAS

El cambio de energa libre que tiene lugar durante las reacciones qumicas se calcula empleando una ecuacin que puede derivarse de la ley de equilibrio qumico. Para una reaccin general del tipo:

a A + b B c C + d D (3)

en la que a, b, c y d son el nmero de molculas de A, B, C, y D que participan en la

reaccin. El cambio de energa libre (G) est dado por la ecuacin:

(4)B.A

D.ClnRTG G

ba

dc

en la que los trminos A, B, C y D son las concentraciones molares de A, B, C, y D y a, b, c y d son ahora los exponentes de sus concentraciones. R es la constante de los

gases (1.987 cal mol-1 grado-1); T la temperatura absoluta y G la variacin de energa libre estndar. Cuando la reaccin (3) se halla en equilibrio, independientemente de las concentraciones iniciales de A, B, C y D prevalece la condicin que la energa libre es

mnima y no es posible ningn cambio ulterior; por tanto 0G . Entonces:

(5)B.A

D.ClnRTG0

ba

dc

De donde:

(6)B.A

D.ClnRTG

ba

dc

Puesto que la constante de equilibrio K'eq para la ecuacin (3) es:

)7(ba

dc

B.A

D.CeqK'

Podemos sustituir K'eq en la ecuacin (6) y obtener la ecuacin general:

10

eq)(K' lnRTG O bien:

(8)eqK'logRT2.303G 10 )(

Esta ecuacin nos muestra que G , la variacin de energa libre estndar de una

reaccin qumica, puede calcularse a partir de su constante de equilibrio. La G constituye, por lo tanto, una constante termodinmica para una reaccin qumica dada. Puede definirse de otro modo, que indica claramente su verdadero significado. La variacin de energa libre estndar de una reaccin constituye, en realidad, la diferencia existente entre la energa libre estndar de los reactivos y la energa libre estndar de los productos, hallndose cada trmino ajustado a la estequiometra de la ecuacin de reaccin:

tesreaccionanGproductosGG

Para la reaccin (3) ser:

)GbGa()GdGc( BADCG

La energa libre estndar de un compuesto constituye la medida de la cantidad total de energa libre que puede proporcionar por descomposicin completa.

Es importante comprender la diferencia que hay entre G , que es la variacin de

energa libre estndar, y G que es la variacin de energa libre medida o real. Esta

diferencia puede explicarse mejor utilizando una analoga. G es un valor constante para una determinada reaccin a una temperatura tambin determinada.

Por otra parte, G vara con las concentraciones de los reaccionantes y de los productos.

El valor de G nicamente es igual al de G cuando todos los reactivos y todos los productos estn presentes a concentracin 1,0M.

El valor de G es el que determina si una reaccin qumica ocurrir en la direccin escrita, partiendo de unas concentraciones de reaccionantes determinadas.

Recurdese que una reaccin qumica solamente ocurrir si G es negativo, es decir, si la energa libre del sistema disminuye.

Las reacciones qumicas con un G negativo reciben el nombre de exergnicas; se realizan espontneamente en la direccin en que estn escritas. Si recordamos el ejemplo de los bloques:

ordenado

desordenado

G disminuye, es negativoexergnica o exotrmicaespontneairreversible

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Las reacciones con un cambio de energa libre estndar positivo reciben el nombre

de endergnicas o endotrmicas, no se realizan de modo espontneo en la direccin en que se escriben. Volviendo al ejemplo:

ordenado

desordenado

G aumenta, es postivoendergnica o endotrmicano es espontneareversible

Ahora podemos exponer un ejemplo de la G a partir de la siguiente reaccin:

glucosa_1_fosfato glucosa_6_fosfato

eq)ln(K'TRG

Kcal1.745cal174519log2.303x298x1.987G

Puesto que G es negativo, la conversin de glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato es exergnico. El anlisis qumico muestra que parte de una concentracin 0,020 M de glucosa-1-fosfato con un exceso de enzima y permitimos que la reaccin ocurra en sentido directo, o si partimos de la concentracin 0,020 M de glucosa-6-fosfato y la reaccin transcurre en sentido inverso, las concentraciones de la mezcla final en equilibrio son, en ambos casos, 0.001 M de glucosa-1-fosfato y 0,019 de glucosa -6- fosfato a 25 C y pH 7,0. Hay dos tipos de reacciones que tienen lugar con disminuciones especialmente grandes

de G , son la hidrlisis de los anhdridos y las reacciones de oxidacin.

G de la hidrlisis del ATP

El camino ms sencillo para determinar G para la reaccin:

ATP + OH2 ADP + fosfato (10)

Es determinar la constante de equilibrio y calcular G empleando la relacin dada por la ecuacin (8):

eq)(K'logTR-2.303G 10

La medida directa de la constante de equilibrio de la hidrlisis del ATP no es prctico. Una de las razones, y la ms importante, es que los mtodos analticos que se disponen no son lo suficientemente precisos o sensibles para determinar con exactitud las concentraciones de equilibrio de ATP, ADP y el in fosfato, porque en el estado de equilibrio el ATP se encuentra casi completamente hidrolizado en ADP y en in fosfato. En realidad, esto constituye un problema serio para muchas reacciones que poseen

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grandes valores negativos de G .

Para poder medir el G de la hidrlisis del ATP, se descompone en cierto nmero de etapas menores, las cuales pueden medirse ms fcilmente. Veremos un ejemplo: en primer lugar, se deja reaccionar al ATP con la glucosa, en presencia de hexoquinasa para formar ADP y glucosa-6-fosfato. Se mide la constante de

equilibrio, y a partir de ella se calcula G .

ATP + ADP +glucosahexoquinasa

glucosa_6_fosfato

K'eq = 661

G = - 4.00 kcal (11)

Se contina despus con la medida de la K'eq y la G de la reaccin de hidrlisis de la glucosa-6- fosfato catalizada por una fosfatasa.

+ +glucosa

fosfatasa

glucosa_6_fosfato

K'eq = 171

G = - 3.30 kcal (12)

OH2 fosfato Pi

La suma de las reacciones (11) y (12) es la ecuacin de hidrlisis del ATP.

+ +glucosa

fosfatasa

glucosa_6_fosfato OH2 fosfato Pi

ATP + ADP +glucosahexoquinasa

glucosa_6_fosfato

ATP + OH2 ADP + fosfato

Puesto que los valores de G de las dos reacciones son aditivas, la G de la hidrlisis del ATP puede calcularse a partir de ellos:

kcal7.30-(-3.30)4.00-GGG

Es importante hacer notar que este valor est basado en que pH = 7,0; T = 37 C, en

presencia de exceso de ion Mg y concentraciones 1,0 M de los reaccionantes y de los

productos. El grupo fosfato terminal del ADP tambin posee una G de hidrlisis relativamente grande. Es igual a -7,30 kcal.

ADP + H2O AMP + P

ikcal-7.3G

Sin embargo el nico grupo fosfato del AMP tiene un valor mucho menor:

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AMP + H2O adenosina + P

ikcal-3.40G

Lo que sucede es que los enlaces entre grupos fosfatos adyacentes son enlaces del tipo de anhdrido, mientras que el enlace entre el fosfato y la ribosa en el AMP es un enlace ster. COMPUESTOS CON ENLACES FOSFATO DE ALTO Y DE BAJO NIVEL ENERGTICO

En la escala termodinmica de G , el ATP es el nico que posee un valor de G , intermedio.

Daremos el G de algunos compuestos fosforilados.

G (kcal)

Fosfoenol piruvato .

-14.80

ATPG 1-3 difosfoglicerato ... - 11.80

Fosfocreatina .. - 10.30

Acetil-fosfato Fosfoarginina

.. ..

-10,10 - 7.70

ATP . - 7.30

Glucosa-1- fosfato ... - 5.00

ATPG Fructosa-6-fosfato ... - 3.80

Glucosa-6-fosfato ... - 3.30

Gliceril-1-fosfato - 2.20

O sea que la funcin del sistema ATP-ADP, consiste en servir como transportador obligatorio intermedio de grupos fosfato desde los compuestos con enlaces fosfato de elevado nivel energtico, situados por encima del ATP en la escala termodinmica, hasta las molculas aceptoras que forman compuestos con enlaces fosfato de bajo nivel energtico situados en la escala por debajo del ATP. COMPUESTOS FOSFATO DE ALTO NIVEL ENERGETICO

Hay dos clases de compuestos fosforilados que poseen una G de hidrlisis ms negativa que la del ATP:

1. Los compuestos fosfato que se forman durante la ruptura enzimtica de molculas combustibles.

2. Los compuestos fosfato utilizados como almacenadores de la energa del enlace

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fosfato. Los dos miembros ms importantes de la primera clase son el 1-3 difosfoglicerato y

el fosfoenol piruvato, los cuales se forman durante la fermentacin anaerobia de la glucosa (gluclisis).

ATP + H2O ADP + P

ikcal-7.3G

1-3 difosfoglicerato + ADP 3 fosfoglicerato + ATP kcal-4.5G

kcal-11.80Total

Los compuestos fosfato de elevado nivel energtico, que actan como reservorio de la energa de enlaces fosfato, reciben con frecuencia el nombre de fosfgenos. Los dos fosfgenos principales son la fosfocreatina hallada en muchos vertebrados, y la fosfoarginina, presente en muchos invertebrados. Ambos se forman a partir de la creatina y de la arginina por transferencia de grupos fosfato desde el ATP en reacciones catalizadas por la creatin-fosfoquinasa y la arginin-fosfoquinasa, respectivamente. Ambas reacciones son reversibles pero el equilibrio se halla desplazado hacia la formacin de ATP.

fosfocreatina + ADP creatina + ATP

COMPUESTOS FOSFATO DE BAJO NIVEL ENERGETICO

La mayora de los compuestos fosfato pobres en energa son steres fosfricos de alcoholes. Se conocen muchas enzimas que catalizan la transferencia de grupos fosfato desde el ATP a aceptores de fosfato especficos, para formar compuestos fosfato pobres en energa; entre las enzimas mencionadas se hallan la glicero quinasa y la hexoquinasa, que catalizan la transferencia de fosfato desde el ATP a la glicerina y desde el ATP a la D-glucosa, respectivamente.

ADP + D.glucosa_6_fosfato kcal-7.3G

ATP + glicerina kcal-4.5G

ATP + D-glucosa

ADP + glicerol_3_fosfato

RUTAS ENZIMATICAS DE LA TRANSFERENCIA DE FOSFATO

P

Fosfoenol piruvato

1-3 difosfoglicerato

Dadores de P de alta energa

Reservorio de fosfocreatina

ATP

Glucosa_6_fosfato

Glicerol_3_fosfato

Aceptores de Pde baja energa

P

P

P

P

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La figura es un esquema de las reacciones enzimticas de transferencia de fosfato en la clula. Constituye un rasgo importante que el sistema ATP-ADP sea el nexo de unin obligado entre los compuestos fosfato de elevado y de bajo nivel energtico. Los grupos fosfato se transfieren, en primer lugar, mediante la accin de fosfotransferasas especficas, desde compuestos de alto nivel energtico al ADP, como en el ejemplo:

fosfoenol piruvato + ADPpiruvato -

piruvato + ATP

quinasa

El ATP as formado se transforma entonces en el dador de fosfato especfico de una segunda reaccin enzimtica, para formar compuestos fosfato de baja energa.

ATP + D-glucosa

hexoquinasa

ADP + D-glucosa_6_fosfato

La reaccin global es la siguiente:

fosfoenol piruvato + D-glucosa piruvato + D-glucosa_6_fosfato

El resultado final es la transferencia de un grupo fosfato desde un donador de energa elevado a un aceptor de bajo nivel energtico, a travs del sistema ATP-ADP, que acta como intermediario. El contenido de energa de la D-glucosa se ha elevado al fosforilarse, la glucosa-6-fosfato puede considerarse una forma de glucosa que ha recibido energa. En el flujo principal de reacciones transferidoras de energa de la clula, la transferencia del fosfato nunca se produce directamente desde un compuesto de elevado nivel energtico como el 1-3 difosfoglicerato a un aceptor de fosfato de bajo nivel energtico, como por ejemplo, la glicerina, no se han encontrado enzimas capaces de catalizar tales transferencias directas de fosfato. Esencialmente, todas las reacciones de transferencia de fosfato en la clula tienen que efectuarse a travs del sistema ATP-ADP. La figura tambin muestra el papel de reservorio desempeado por la fosfocreatina, que se forma por transferencia enzimtica directa de un grupo fosfato desde el ATP a la creatina; no existe ningn otro camino para su formacin. Adems, la nica ruta principal conocida para su desfoforilacin es la inversa de la reaccin por la que se forma. El sistema reservorio de la fosfocreatina es muy importante en el msculo esqueletal. Tambin se encuentra en el msculo liso y en las clulas nerviosas, y en pequeas cantidades en el hgado, rin y otros tejidos de mamferos. PRINCIPIO DEL INTERMEDIARIO COMUN

En dos reacciones consecutivas en que un producto de la primera es un sustrato de la segunda, como ocurre en las siguientes reacciones:

A + B

D + E

C + D

F + G

16

ambas reacciones estn ligadas por un intermediario comn, en este caso el componente D. El nico camino mediante el cual la energa qumica puede ser transferida desde una reaccin a otra en condiciones isotrmicas es el de que ambas reacciones posean un intermediario de reaccin comn. Casi todas las reacciones metablicas de la clula se realizan mediante secuencias de esta clase. En las reacciones consecutivas, responsables de la transferencia de energa a travs del ATP, la energa qumica se transfiere desde un dador fosfato de elevada energa hasta el ADP, y se conserva en forma de ATP como producto de reaccin. En la reaccin subsiguiente, el ATP se comporta como un sustrato, y cuando pierde su grupo fosfato terminal, que cede a la molcula del aceptor, sta ltima aumenta su contenido energtico. Por lo tanto, el ATP es el intermediario comn. En realidad, la transferencia de intermediarios comunes constituye un atributo general de las reacciones qumicas consecutivas y no necesita por fuerza, ni grupos fosfatos, ni ATP. En efecto, veremos que muchos grupos funcionales distintos del fosfato, por ejemplo, tomos de hidrgeno, grupos acetilo, se transfieren enzimticamente mediante reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, tales reacciones pueden analizarse termodinmicamente por los mismos mtodos que se han desarrollado para el caso especial de las transferencias del grupo fosfato. CANALIZACION DE GRUPOS FOSFATO POR LA VIA DE OTROS NUCLEOSIDOS 5' TRIFOSFATO

Aunque el sistema ATP-ADP constituye el transportador obligado de fosfato en el flujo principal de transferencia de energa en la clula, tambin participan en dichas transferencias los 5' di y trifosfatos de otros ribonuclesidos y los 2 desoxirribonuclesidos.

Los 5' di y trifosfatos de diversos ribonuclesidos no solamente actan como precursores en la sntesis de ARN, sino tambin canalizan los grupos fosfato de alto contenido en energa hacia reacciones biosintticas especficas.

P

ATP

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

UTP

ATP

GTP

ATP

CTP

ATP

CTP

GTP

UTP

ATP

d ATP

d GTP

d TTP

d CTP

Polisacridos

Protenas

Lpidos

ARN

ADN

17

Todas estas canalizaciones conectan con el ATP mediante la enzima nuclesidos difosfoquinasa presente en las mitocondrias y en el citoplasma de la clula, cataliza las reacciones del tipo mostrado en el esquema. Cada tipo de nuclesido trifosfato posee una funcin especializada. Por ejemplo: el UTP es el dador de fosfato inmediato, y por lo tanto el donador de energa de reacciones que conducen a la sntesis de polisacridos. PAPEL DEL AMP Y DEL PIROFOSFATO Aunque el ADP constituye el producto de muchas reacciones celulares que emplean el ATP, y el ADP es el aceptor directo del fosfato en las reacciones productoras de energa de la gliclisis y de la fosforilacin oxidativa de la mitocondria; en muchas de las reacciones que utilizan el ATP en la clula los dos grupos fosfato terminales de ste se separan conjuntamente en forma de pirofosfato y se libera AMP como producto.

ATP AMP + PPi

El pirofosfato inorgnico es un compuesto fosfato de nivel energtico elevado que posee

un G de hidrlisis comparable al fosfato terminal del ATP. Para regenerar el ATP a partir de PPi y AMP intervienen dos enzimas auxiliares: la pirofosfatasa inorgnica y la adenilato-quinasa. La primera cataliza la hidrlisis del pirofosfato inorgnico (PPi).

PPi + H

2O 2 P

i

Esta hidrlisis secundaria del pirofosfato constituye una etapa valiosa de liberacin de energa, la cual se utiliza para asegurar que ciertas reacciones biosintticas se realicen por completo. El Pi formado se utiliza para la regeneracin del ATP a partir de ADP. La adenilato-quinasa cataliza la refosforilacin del AMP a ADP.

ATP + AMP ADP + ADP

El ATP, el ADP y el AMP de la clula existen en concentraciones constantes.

18

TEMA XIV: GLUCOLISIS

Vamos a considerar los mecanismos por los que las molculas combustibles se degradan y su energa se conserva en forma de energa de enlace fosfato ATP. Se estudiarn los procesos conocidos como fermentacin, mediante el cual muchos organismos extraen energa qumica de la glucosa y otros combustibles en ausencia de oxgeno molecular. Nos referimos primeramente el proceso de fermentacin para luego poder hablar de respiracin. FERMENTACION Y RESPIRACION Los organismos inferiores que viven en condiciones anaerobias (ciertas bacterias, invertebrados inferiores) obtienen su energa de la fermentacin de la glucosa. Los organismos que viven en condiciones aerobias (hongos, bacterias, mayora de los animales y plantas superiores) degradan sus combustibles por la ruta anaerobia pero despus oxidan los productos de la fermentacin utilizando el oxgeno molecular. En esta fermentacin el oxidante final o aceptor final es una molcula orgnica producida en el proceso fermentativo. En los organismos superiores la ruta anaerobia es una primera etapa de la fase aerobia de la respiracin. Utilizacin de la glucosa por los organismos inferiores superiores: La ruta de la fermentacin es comn tanto en la utilizacin anaerobia de la glucosa como en la aerobia.

Anaerobios

glucosa

sin O2

fermentacin

productos de la fermentacin

Aerobios

glucosa

sin O2

fermentacin

productos de la fermentacin

CO2 + H

2O

con CO 2

Entre las clases de fermentacin nombraremos la fermentacin homolctica y la alcohlica.

La fermentacin homolctica: La molcula de glucosa de 6 tomos de carbono se degrada a dos molculas de cido lctico de tres tomos de carbono. Este

19

proceso se denomina gluclisis que significa lisis de la glucosa.

La fermentacin alcohlica: La molcula de glucosa de 6 tomos de carbono se degrada a dos molculas de etanol de 2 tomos de carbono y 2 de 2CO .

C C C C C C

triosas

C C C C C C

cidolctico

cidolctico

CH3

CH

COOH

OH

CH3

CH

COOH

OH

1. Glucosa

C C C C C C

triosas

C C C C C C

etanol etanol

2. Glucosa

CH3

CH2OH

+

CO 2

CH3

CH2OH

+

CO 2 En estas reacciones tenemos que hablar de las reacciones de xido reduccin que se producen en todo organismo donde el agente oxidante recibe los electrones y el agente reductor entrega electrones. En este caso de la fermentacin alcohlica el etanol es una molcula relativamente reducida rica en 2H , pobre en 2O . La molcula de 2CO es relativamente oxidada, pobre

en 2H .

En el caso de la fermentacin homolctica el grupo metilo se halla ms reducido que el grupo carbonilo. Veamos la reaccin completa:

C

O

H

CH

C

CH

CH

CH2

OH

OH

OH

OH H

OH

+ 2 Pi + 2 ADP 2

CH3

CH

COOH

OH + 2 ATP + 2 H2O

1. Glucosa cido lctico

2. Glucosa + 2 Pi + 2 ADP CH3

CH2OH

2 + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H

2O

Etanol

20

ANALIZAREMOS LA REACCION ENERGETICA DE LA GLUCOLISIS

1) La conversin de glucosa en lactato es exergnica y 2) la formacin de ATP a partir de ADP y de Pi es endergnica.

Se deduce de estos datos que la transformacin de glucosa en lactato proporciona energa para producir la fosforilacin de 2 molculas de ADP a ATP. Esta reaccin es

irreversible. Lo demuestra el G negativo. ETAPA DE LA GLUCOLISIS: La gluclisis es catalizada por la accin de un grupo de 11 enzimas. Se cree que estn localizadas en la porcin soluble del citoplasma. Se pueden considerar dos etapas o fases. En la primera fase la glucosa se fosforila y se escinde pare formar gliceraldehdo 3 P; y en la segunda fase ste se convierte en cido lctico.

LA FASE I: Constituye un proceso preparativo o de congregacin en el que cierto nmero de hexosas penetran en el esquema, despus de fosforilarse a expensas del ATP, y dan un producto comn, el gliceraldehdo 3 P.

LA FASE II: Es la ruta comn para todos los azcares, se produce la fosforilacin del ADP y se llevan a cabo las reacciones de xido reduccin, obtenindose el lactato.

En este proceso hay tres tipos de transformaciones interconectadas.

1.- La ruta de los tomos de carbono: o sea degradacin de la glucosa para formar cido lctico.

2.- La ruta del fosfato: o sea que el Pi (fsforo inorgnico) se transforma en P del ATP.

3.- La ruta de los electrones: o sea las reacciones del xido-reduccin.

21

glucosa-6-P

fructosa-6-P

fructosa-1-6-di P

glicealdehdo-3-P (2)

1,3 difosfoglicerato (2)

3 difosfoglicerato (2)

2 difosfoglicerato (2)

fosfoenolpiruvato (2)

piruvato (2)

2 lactato

galactosamanosapentosa

glucosa almidnglucogeno

glucosa-1-P

Pi

ATP

ADP

ATP ADP

Pi

2 ADP

2 ATP

2 ADP

2 ATP

2 NAD+

2 NADH

2 NAD+

FASE I

Congregacin de azcares sencillos y

su conversin en fosfato de

gliceraldehdo; entrada de ATP

FASE II

Oxidacin - reduccin y formacin

acoplada de ATP; salida de lactato

22

1. Fosforilacin de glucosa por el ATP: catalizada por dos enzimas: la hexoquinasa y glucoquinasa.

ATP + glucosa ADP + glucosa-6-P kcal4G

Mg++

Es una reaccin irreversible. La hexoquinasa es de mayor afinidad que la glucoquinasa por la glucosa. La glucoquinasa solo acta cuando hay alta concentracin de glucosa en sangre; las

dos enzimas necesitan del catin Mg Mn para formar el verdadero sustrato que

es ATPMnMg . La hexoquinasa acta tambin fosforilando otras hexosas. La

reaccin es irreversible.

O

OHOH

OH

OH

CH2OH

H

H

H

HH

glucosa

+ ATP ADP +

O

OHOH

OH

OH

CH2 OPO 3=

H

H

H

HH

kcal-4G

glucosa-6-fosfato

2. Conversin de glucosa-6-P a fructosa-6-P: Catalizada por la

fosfoglucoisomerasa.

O

OHOH

OH

OH

CH2 OPO 3=

H

H

H

HH

O

OHOH

OH

OH

CH2

H

H

CH2

OPO 3=

OH

glucosa-6-P fructosa-6-P

kcal0.4G

(reaccin reversible)

3. Fosforilacin de la fructosa-6-fosfato a fructosa 1-6 difosfato. Interviene una

segunda molcula de ATP. Esta reaccin es catalizada por la fosfofructoquinasa.

+ ATP ADP + kcal-3.4G

O

OHOH

OH

OH

CH2

H

H

CH2

OPO 3=

OPO 3=

(reaccin irreversible)

O

OHOH

OH

OH

CH2

H

H

CH2

OPO 3=

OH

23

4. Escisin de la fructosa 1 - 6 difosfato por una aldosa (la fructosa-1-6-difosfato gliceraldehdo 3-liasa) dando fosfato de dihidroxiacetona + gliceraldehdo-3-fosfato.

CH2

C

C

C

C

CH2

OPO 3=

O

OH

OH

OH

OPO 3=

H

H

H

1.

2.

3.

4.

5.

6.

CH2

C

OPO 3=

O

CH2 OH

1.

2.

3.

+

C

C

CH2

O

OH

OPO 3=

H

H

4.

5.

6.

kcal5.73G

fructosa 1-6-di P(cadena abierta)

fosfato dedihidroxiacetona

gliceraldehdo 3-P

INTERCONVERSION DE LOS FOSFATOS DE TRIOSA

Solamente uno de los dos fosfatos de triosa, el gliceraldehdo 3-fosfato, puede ser directamente degradado en las reacciones posteriores de la gluclisis. El otro, el fosfato de dihidroxiacetona, se convierte reversiblemente en gliceraldehdo-3-fosfato por accin de la enzima triosa fosfato isomerasa.

CH2

C

CH2

OPO 3=

O

OH

C

O

H

C

CH2

OH

OPO 3=

Hkcal83.1G

As en la primera fase una molcula de glucosa da dos molculas de gliceraldehdo 3 P. SEGUNDA FASE

1. Oxidacin del gliceraldehdo 3 P a 1-3 difosfoglicerato.

La enzima que acta es G_3_fosfato deshidrogenasa, o gliceraldehdo 3 fosfato deshidrogenasa.

2 gliceraldehdo-3-P + 2 NAD+ + 2 Pi

(2) 1,3 di-fosfoglicerato + 2 NADH + 2 H+

24

C

C

CH2

O

H

H OH

OPO 3=

2 + NAD+ + P

i

C

C

CH2

O

H OH

O PO 3=

O PO 3=2 + NADH + H+ kcal5.1G

El NAD+ y el NADH transportan los electrones.

2. Transferencia de fosfato desde el 1-3 difosfoglicerato al ADP.

El 1-3 difosfoglicerato + ADP da 3-fosfoglicerato + 2 ATP; es catalizada la reaccin por la enzima fosfogliceratoquinasa.

1.

2.

3.

C

C

CH2

O

OH

OPO 3=

H

O PO 3=

kcal50.4G+ ADP

CH2

C

COO-

OHH

OPO 3=3.

1.

2. + ATP

(reaccin irreversible)

3. Conversin del 3-fosfoglicerato dando 2-fosfoglicerato.

Acta la fosfogliceratomutasa.

CH2

C

COO-

OPO 3=

OHH

CH2

C

COO-

OH

OH PO 3=kcal06.1G

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

4. El 2-fosfoglicerato da fosfoenolpiruvato + H20 por medio de una enzima, la

enolasa, en un proceso de deshidratacin.

25

CH2

C

COO-

OH

OH PO 3=kcal44.0G

2-fosfoglicerato

enolasaC

CH2

COO-

O PO 3=

fosfoenolpiruvato

+ H2O

5. Transferencia de fosfato desde el fosfoenolpiruvato al ADP.

El fosfoenolpiruvato da piruvato por una enzima piruvato quinasa en presencia de

ADP y Mg .

CH3

C

COO-

Okcal5.7G

C

CH2

COO-

O PO 3=

fosfoenolpiruvato

+ ADP ATP +(reaccin irreversible)

piruvato

6. Reduccin de piruvato a lactato. Piruvato da lactato por medio de lactato

deshidrogenasa.

CH3

C

COO-

O kcal0.6G+ NADH + H+ + NAD+

piruvato

C

CH3

COO-

OHH

lactato

En condiciones anaerobias el lactato es producto final de la gluclisis el cual difunde a travs de la membrana plasmtica de la clula hacia el entorno como producto de desecho. Cuando las clulas musculares de los animales superiores actan de manera anaerobia durante cortos esfuerzos de actividad vigorosa (excepcionalmente) el lactato escapa desde las clulas musculares a la sangre y es transformado nuevamente en glucosa en el hgado.

26

BALANCE GLOBAL

glucosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 2 Pi + 4 ADP + 2 NADH+ + 2 H+ 2 lactato + 2 ADP +

+ 2 ATP + 2 NADH + 4 ATP + 2 H2O + 2 H+ + 2NAD+

2 ADP

glucosa + 2 Pi + 2 ADP 2 lactato + 2 ATP + 2 H

2O

ENTRADA DE LOS OTROS HIDRATOS DE CARBONO

Los polisacridos de reserva el glucgeno, almidn, azcares sencillos distintos de la glucosa penetran en la primera fase de la gluclisis.

El glucgeno y el almidn penetran por la accin de dos enzimas que actan sobre los extremos terminales no reductores de la molcula, escindiendo los enlaces alfa (1-4). Otra enzima acta sobre las ramificaciones alfa (1-6) dando glucosa-1-fosfato para luego dar glucosa-6-fosfato. Los azcares sencillos una vez fosforilados, por ej. : manosa-6-P, fructosa-6-P recin penetran al ciclo.

manosa + ATP

fructosa + ATP

manosa-6-P + ADP

fructosa-6-P + ADP

27

TEMA XV: CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS Y VIA DEL FOSFOGLUCONATO

Energtica de la fermentacin y respiracin. Plan de organizacin de la respiracin. Oxidacin del piruvato a acetil CoA. Ciclo de Krebs. Vas del fosfogluconato. Las clulas aerobias obtienen la mayor parte de su energa de la respiracin, esto es, gracias a una transferencia de electrones desde les molculas orgnicas combustibles hasta el oxigeno molecular. La respiracin es mucho ms compleja que la gliclisis. En este tema se esboza el plan general de le respiracin y despus se considera con detenimiento el ciclo del cido tricarboxlico de Krebs, que es la ruta catablica comn por la que finalmente se degradan todas las molculas combustibles de la clula (carbohidratos, cidos grasos y aminocidos). Tambin se describe la ruta del fosfogluconato de oxidacin de la glucosa, mecanismo que genera potencial de reduccin para las reacciones biosintticas. ENERGETICA DE LA FERMENTACION Y LA RESPIRACION

En la gliclisis se libera solamente una fraccin muy pequea de la energa qumica potencialmente asequible en la estructura de la molcula de glucosa. Se libera ms energa cuando sta se oxida completamente a 2CO y OH2 como se pone de

manifiesto al comparar las variaciones de energa libre estndar de la conversin anaerobia de la glucosa en lactato y de su oxidacin a 2CO y OH2 .

glucosa

glucosa + 6 O2

2 lactato

6 CO2 + 6 H

2O

kcal47G

kcal686G

Cuando las clulas fermentan a la glucosa anaerobiamente, los productos que ya no son susceptibles de ulterior empleo, y por ello abandonan la clula, todava contienen la mayor parte de la energa de la molcula de glucosa original. Por esta razn, las clulas que viven anaerobiamente, para obtener una misma cantidad de energa utilizable tienen que consumir mucho ms glucosa que cuando viven en condiciones aerobias. Por qu rinde la respiracin mucho ms energa que la gliclisis?

En primer lugar, el producto de la gliclisis, el cido lctico, es una molcula casi tan compleja como la de glucosa y sus tomos de carbono todava se hallan en un mismo estado de oxidacin. El 2CO , producto de la respiracin, es una molcula

mucho ms sencilla y pequea que la glucosa, y su tomo de carbono est completamente oxidado. En segundo lugar, la cantidad de energa que se libera en la transferencia de un par de electrones desde una molcula combustible determinada a un aceptor electrnico, vara con la naturaleza del aceptor. Puede liberarse mucha ms energa cuando el aceptor electrnico el oxgeno molecular, como ocurre en la respiracin, que cuando es el piruvato el que acta como aceptor, que es el caso de la gliclisis.

28

ORGANIGRAMA RESPIRATORIO

En la figura se muestra un diagrama de la respiracin. lkk Los grupos acetilo procedentes de los carbohidratos, de los lpidos y de los aminocidos en la fase II del catabolismo, en la siguiente fase III se incorporan al ciclo de Krebs, que en las aerobias constituye la ruta comn final del catabolismo oxidativo de todas las molculas combustibles. En este ciclo los grupos acetilo se desintegran para formar 2CO y tomos de hidrgeno. Estos ltimos (o sus electrones

equivalentes) posteriormente se incorporan a la cadena respiratoria constituda por una serie de transportadores electrnicos. El proceso subsiguiente de transporte de electrones hasta el oxgeno molecular se realiza con un descenso muy grande de energa libre, gran parte de la cual se conserve en forma de ATP, gracias a la fosforilacin oxidativa acoplada del ATP. La reaccin global catalizada por el ciclo de Krebs es la siguiente:

CH3COOH + 2 H

2O 2 CO

2 + 8 H

+

Como puede verse en la ecuacin, no participan en el ciclo ni el oxgeno molecular, ni el fosfato inorgnico, ni el ATP. Su funcin primaria consiste en la deshidrogenacin del cido actico para formar, en ltimo trmino, dos molculas de 2CO y cuatro pares de tomos de hidrgeno.

Este proceso es catalizado en una serie cclica de reacciones consecutivas, en contraste con la secuencia glicoltica, que es lineal. En cada vuelta del ciclo de Krebs se incorpora una molcula de cido actico (dos tomos de carbono) por condensacin con una molcula del compuesto de cuatro carbonos, el cido oxal actico, para formar el cido ctrico de seis tomos de carbono. Posteriormente, el cido ctrico se degrada con produccin de dos molculas de CO2 y cido succnico, compuesto de cuatro tomos de carbono. Finalmente, este ltimo se oxida a cido oxalactico, con lo que puede iniciarse de nuevo una vuelta del ciclo. En cada una de las vueltas se incorpora una molcula de cido actico y se eliminan dos molculas de 2CO , en cada giro completo se emplea tambin una

molcula de oxal acetato para formar citrato, pero aquel se regenera al final del ciclo. Por tanto, cuando el ciclo funciona no hay prdida neta de oxalacetato, basta con una molcula para llevar a cabo la oxidacin de un nmero infinito de molculas de acetato. Las reacciones enzimticas del ciclo de Krebs tienen lugar en el compartimiento interno de la mitocondria (a diferencia de la glucolisis que tiene lugar en el citoplasma celular).

29

Carbohidrato

PiruvatoAmino-acidos

cidosgrasos

2H CO2

Acetil-CoA

oxalacetato citrato

malato

fumarato

cis-aconitato

isocitrato

-oxoglutarato

succinato

CO2

CO2

2H 2H 2H 2H

NAD

flavoproteina

coenzima Q

citocromo a + a3

ADP + Pi

ATP

ADP + Pi ATP

2 H+ + 1/2 O2

H2O

ADP A Pi

+ATP

Movilizacin del

acetil CoA

Ciclo del cido

tricarboxilo

Transporte electrnico y fosforilacin

oxidativa

citocromo b

citocromo c2H+

30

CH2

S

S

CH

CH2

(CH2)4

COOH

Oxidacin del Piruvato a acetil CoA

Piruvato

Acetil-CoA

NAD+ NADH2

HS-CoA CO2

CCH3 COOH

O

CCH3 S

O

CoA + CO 2

La ecuacin global es:

Piruvato + NAD + + HSCoA acetil-S-CoA+ NADH2 + CO 2

kcal0.8G

La oxidacin de piruvato a acetil-SCoA, catalizada por el sistema piruvato-deshidrogenasa, en realidad constituye un proceso muy complejo.

A causa del gran descenso de energa libre estndar, la reaccin es esencial-mente irreversible. Aunque en si misma no forma parte del ciclo del cido tricarboxlico, constituye una etapa obligatoria, mediante le cual los hidratos de carbono se incorporan al ciclo. En este proceso participan dos coenzimas importantes: CoA y cido lipoico.

CoA: Acta como transportador de grupos acilo, efectuando una funcin anloga a la que desempea el ATP como transportador de grupos fosfato. La forma acetilada de la coenzima A (acetil CoA) es un tioster del cido actico. El

tioster es un enlace de elevado contenido energtico, es decir, posee un G

fuertemente negativo.

acetil-S-CoA + H

2O acetato + CoA - SH kcal52.7G

cido lipoico: es un factor de crecimiento para algunos microorganismos, un cido graso saturado de 8 tomos de carbono, en el que los carbonos 6 y 8 estn unidos por un grupo disulfuro formando un anillo de cinco trminos.

31

La decarboxilacin oxidante del piruvato a acetil 2COCoA necesita tres enzimas

diferentes y 5 coenzimas que constituyen el:

Piruvato-deshidrogenasa

dihidrolipoil-transacetilasa

dihidrolipoil-deshidrogenasa

Coenzima A

cido lipoico

Pirofosfato de tiamina (TPP)

NAD

FAD

enzimas

coenzimas

Sistema de la piruvato-deshidrogenasa

REACCIONES INDIVIDUALES DEL CICLO DEL ACIDO TRICARBOXILICO

La acetil-CoA formada como producto final de la piruvato-deshidrogenasa se encuentra ahora dispuesta para incorporarse al ciclo de Krebs.

1. Se produce la condensacin de la acetil-CoA con el oxalacetato, para formar citrato. La reaccin es catalizada por la citrato-sintetasa.

CH3 C S CoA

O

CoA SH

COOH

C

CH2

COOH

O COH

CH2

COOH

CH2

COOH

COOH citrato

Acetil - CoA

oxalacetato

En esta reaccin el grupo metilo )CH( 3 de la acetil CoA se condensa con el tomo

de carbono carbonlico del oxalacetato con la hidrlisis del enlace tioster y

formacin de la SHCoA libre.

C

O

2. Acta una enzima, la aconitasa que cataliza la formacin de isocitrato con formacin de un compuesto intermedio el cis-aconitato. En esta reaccin se produce prdida, y posterior adicin de agua.

CCH2COOH CH2 COOH

OH

COOH

OH2

CCH2COOH CH COOH

COOH

citrato cis-aconitato

32

OH2

isocitrato

CHCH2COOH

COOH

CH COOH

OH

3. Se produce una oxidacin del isocitrato y prdida de 2CO . La reaccin es

catalizada por la isocitrato-deshidrogenasa ligada al NAD , que requiere Mg

Mn para su actividad.

isocitrato

CHCH2COOH

COOH

CH COOH

OH

CH2CH2COOH C COOH

O

alfa-cetoglutarato

CO2

NAD+

NADH2

La reaccin transcurre con gran descenso de G es una reaccin altamente

exergnica.

4. La oxidacin de alfa-cetoglutarato a succinato se produce en dos etapas.

a. En la primera el alfa-cetoglutarato experimenta una decarboxilacn oxidativa para formar succinil-S-CoA y 2CO .

Esta reaccin es comparable a la de la oxidacin del piruvato a CoA y se produce por el mismo mecanismo con intervencin de:

NAD+

pirofosfato de tiamina cido lipoico FAD+

que participan como cofactores necesarios ligados a la enzima succinil-CoA-sintetasa.

b. El producto final de la reaccin la succinil-CoA que es un tioster de elevado contenido energtico, experimenta prdida de su grupo CoA, pero no por una simple reaccin de hidrlisis sino por una reaccin con el GDP y fosfato en el que se conserva la energa.

succinil-CoA + P

i + GDP succinato + + GTPCoA SH

A continuacin el GTP formado en esta reaccin cede terminal al ADP para formar ATP.

GTP + ADP GDP + ATP

La reaccin es catalizada por la nuclesido-difosfoquinasa. Este tipo de fosforilacin se designa como fosforilacin a nivel de sustrato, para distinguirla de las fosforilaciones ligadas a la cadena respiratoria.

5. El succinato es oxidado a fumarato en una reaccin catalizada por la succinato-deshidrogenasa que contiene FAD como coenzima que acta como aceptor de

33

hidrgeno.

CH2CH2COOH COOH CHCHCOOH COOH+ FAD + FADH2

succinato fumarato

6. Se produce una hidratacin del fumarato dando malato, actuando coma catali-zador la fumarasa.

CHCHCOOH COOH + H2O CCOOH CH2 COOH

OH

H MalatoFumarato

7. En la ltima reaccin del ciclo la malato-deshidrogenasa dependiente del NAD cataliza la oxidacin del malato a oxalacetato.

C CH2 COOHCOOH

OH

H

+ NAD+ C CH2 COOHCOOH

O

+ NADH2

Malato Oxalacetato Podemos ahora resumir los productos producidos en una vuelta del ciclo del cido tricarboxlico. Dos tomos de carbono aparecen en forma de 2CO equivalentes, aunque no

idnticos, a los dos tomos de carbono del grupo acetilo que ingresa en el ciclo. Por deshidrogenacin enzimtica se producen cuatro pares de tomos de hidrgeno, tres pares se utilizan para reducir el NAD y uno para reducir el FAD.

En ltimo trmino, estos cuatro pares de tomos de hidrgeno y electrones se combinan con el oxgeno, una vez realizado su transporte a lo largo de la cadena respiratoria. RUTA DEL FOSFOGLUCONATO O VIA DE LAS PENTOSAS

Muchas clulas disponen, adems del ciclo del cido tricarboxlico, de otra ruta de degradacin de la glucosa cuya primera reaccin es la oxidacin de la glucosa-6-fosfato a 6-fosfato gluconato. La ruta del fosfogluconato, conocida como ruta de los fosfatos de pentosa o desviacin del monofosfato de hexosa, no es una ruta principal de oxidacin de la glucosa.

Su objetivo primordial, en la mayor parte de las clulas, es obtener NADP reducido en el citoplasma extramitocondrial.

Una segunda funcin es la produccin de pentosas en especial D-ribosa, que se emplea en la sntesis de cidos nucleicos.

Otra funcin importante consiste en participar en la formacin de glucosa, a partir del

2CO , en las reacciones de fotosntesis.

Las diversas etapas de la ruta del fosfogluconato tienen lugar en la porcin soluble del citoplasma extramitocondrial de la clula.

34

1. La primera reaccin de la ruta del fosfogluconato es la deshidrogenacin enzimtica de la glucosa-6-fosfato por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa para formar 6-fosfogluconato.

C

C

C

C

C

CH2OPO 3=

H

H

H

H

HO

OH

OH

OH

OH

+ NADP+

C

C

C

C

C

CH2OPO 3=

H

H

H

H

O

OH

OH

OH

O

COOH

C

C

C

C

CH2

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

O PO 3=

glucosa-6-fosfato 6-fosfogluconato-lactona 6 Fosfogluconato

+NADPH 2

La enzima es especfica para el NADP como aceptor electrnico. Realiza la deshidrogenacin del tomo de carbono 1 de la forma piranosa de la glucosa-6-fosfato y rinde la 6-fosfogluconato lactona. Esta ltima es inestable y experimenta hidrlisis espontnea a cido libre en presencia de una lactonasa.

2. En la etapa siguiente el 6-fosfogluconato experimenta una decarboxilacin oxidativa por accin de la 6-fosfogluconato-deshidrogenasa y se forma una pentosa la D-ribulosa-5-fosfato, reaccin que produce una segunda molcula de 2NDAHP .

3. Por accin de la fosfo-pentosaepimerasa la ribulosa-5-fosfato se transforma reversiblemente en xilulosa-5-fosfato, su epmero en el tomo de carbono 3.

Por accin de la fosfo-pentosa-isomerasa, la ribulosa-5-fosfato, puede convertirse, tambin reversiblemente, en su ismero aldo, la ribosa-5-fosfato que puede emplearse en la sntesis de los nucletidos que contienen pentosa y el ARN.

C

C

C

C

CH2OPO 3=

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

COOH

+ NADP+

6-fosfogluconato

CH2

C

C

C

CH2OPO 3=

OH

O

OH

OH

H

H + NADPH2 + CO

2

ribulosa-5-fosfato

35

CH2

C

C

C

CH2OPO 3=

OH

O

OH

OH

H

H

isomerasa

epim

erasa

CH2

C

C

C

CH2OPO 3=

OH

O

OH

OHH

H

CHO

CH

C

C

CH2OPO 3=

OH

OH

OHH

H

ribulosa-5-fosfato

xilulosa-5-fosfato

ribosa-5-fosfato

En ciertas circunstancias, la ruta del fosfogluconato finaliza en este punto, y entonces su ecuacin global se escribe as:

glucosa-6-fosfato + 2NADP+ + H

2O ribosa-5-fosfato + CO

2 +

2NADPH

2

El resultado neto es la produccin del NADPH necesario para las reacciones biosintticas de reduccin en el citoplasma extramitocondrial, y la formacin de ribosa como precursor para la sntesis de nucletidos. En otras circunstancias, sin embargo, la ruta del fosfogluconato contina ms all, ya que las pentosas-5-fosfato pueden experimentar otras transformaciones que son posibles gracias a dos enzimas adicionales: la transcetolasa y la transaldolasa.

*La transcetolasa que contiene pirofosfato de tiamina ntimamente unido como

coenzima y Mg , realiza la transferencia de un grupo glicoaldehdo desde la

xilulosa-5-fosfato a la ribosa 5 fosfato. En este proceso el grupo glicolaldehdo (

COOHCH2 ) se transfiere en primer lugar al pirofosfato de tiamina unido a la

enzima, que acta como transportador intermediario del grupo glicolaldehdo, que a continuacin es transferido a la molcula del aceptor, la ribosa-5-fosfato. El resultado neto consiste en la formacin de un ceto-azcar de 7 tomos de carbono, la sedo heptulosa-7-fosfato, y un azcar de 3 tomos de carbono, el glicer aldehdo-3-fosfato.

Debe observarse que uno de los productos de la accin de la transcetolasa es el

CH2

C

C

C

CH2OPO 3=

OH

O

OH

OH

H

H

CHO

CH

C

C

CH2OPO 3=

OHH

OH

OHH

CH2

C

C

CH

OH

O

OH H

OH

CH

CH

CH2

OH

OH

O PO 3=

CHO

CH

CH2

OH

O PO 3=

++

sedoheptulosa-7-Pribosa-5-Pxilulosa-5-P gliceraldehdo-3-P

36

gliceraldehdo-3-P que es un intermediario de la secuencia glicoltica. Su formacin constituye un lazo de conexin entre la va glicoltica y la del fosfogluconato.

*La segunda enzima que participa en transformaciones ulteriores de la va del fosfogluconato es la transaldolasa, que acta sobre los productos de la reaccin catalizada por la transcetolasa Cataliza la transferencia del grupo dihidroxiacetona correspondiente a los tomos de carbono 1-2-3 de la sedoheptulosa para formar un azcar de 6 tomos de carbono, la fructosa-6-fosfato, y otro azcar de 4 tomos de carbono, la eritrosa-4-fosfato.

CH2

C

C

C

C

C

CH2

OH

O

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

O PO 3=

C

CHO

CH2O PO 3=

OHH+

CH2

C

C

C

C

OH

O

H

H

H

OH

OH

OH

CH2O PO 3=

CH

CHO

CH

OH

OH

CH2O PO 3=

+

La fructosa-6-fosfato, es tambin un intermediario de la gliclisis y por lo tanto, el segundo punto de conexin entra las dos rutas: glicoltica y fosfogluconato. Otra reaccin destacada que cataliza la transcetolasa es:

xilulosa-5-P + eritrosa-4-P fructosa-6-P + gliceraldehdo-3-P

En la que dos intermediarios de la va del fosfogluconato pueden convertirse en intermediarios de la va glicoltica. Una consecuencia importante de la accin de las dos enzimas, consiste en que hacen posible, junto con las enzimas de la secuencia glicoltica la interconversin de los azcares. La ltima parte de la va del fosfogluconato no es bien definida, no conduce a un nico producto final, sino a una ruta ramificada, capaz de gran flexibilidad metablica. Es probable que la ruta del fosfogluconato normalmente se rena con el ciclo glicoltico por interconversin en intermediarios de la gliclisis.

37

TEMA XVI: TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACION OXIDATIVA

Reacciones de xido reduccin. Enzimas de xido-reduccin. Va de transporte de electrones: la cadena respiratoria. Energtica del transporte de electrones. Fosforilacin oxidativa. Acoplamiento de la fosforilacin oxidativa al transporte de electrones. Veremos en este captulo que los pares de electrones derivados de los inter-mediarios del ciclo del cido tricarboxlico fluyen a lo largo de una cadena de varios eslabones, constituidos por enzimas de transporte electrnico, con niveles de energa sucesivamente inferiores hasta reducir al oxgeno molecular, que es el ltimo aceptor electrnico, en la respiracin. Durante este proceso se conserva gran parte de la energa libre de estos electrones en forma de energa del enlace fosfato del ATP; el proceso se denomina fosforilacin oxidativa. El transporte electrnico y la fosforilacin oxidativa suceden en casi todas las clulas aerobias, las enzimas que catalizan estas reacciones se hallan localizadas en la membrana interna de las mitocondrias. Reacciones de oxidacin-reduccin Antes de referirnos a oxidaciones biolgicas, veremos que se entiende por oxidacin y reduccin.

a. Si el hierro (Fe) reacciona con el oxgeno

4Fe +

3O

2 2Fe

2 O

3

Este proceso de ganancia de oxigeno se denomina oxidacin y lo inverso o sea la prdida de oxgeno, reduccin.

b. Si se combina un elemento con otro distinto al oxgeno.

Zn + Cu++ SO

4

= Zn++ SO4

= + Cu

Lo que ocurri es lo siguiente: el Zn es neutro, de l se desprenden una pareja de electrones y se convierte en in Zn.

Zn

carga 0

Zn++

carga 2

Se produce una oxidacin del Zn porque de carga 0 pasa a carga 2. A su vez el

in Cu capta los electrones.

Cu++ + 2e- Cu metalico

carga 2 carga 0

El cobre se reduce de carga 2 pasa a 0.

38

Resumiendo:

1. La prdida de electrones se denomina oxidacin.

2. La ganancia de electrones se denomina reduccin.

c. En compuestos orgnicos el proceso de oxidacin se acompaa de prdida de hidrgeno o ganancia de oxgeno.

C

H

H

HH

metano

OH2

-2HC

H

H

OHH

metanol

-2HC

H

OH

metanal

OH2

-2HC

H

OH

cido

metanoico

-2HCO2

anhdrido

carbnico

El carbono llega a su grado mximo de oxidacin. O sea que la prdida de tomos de hidrgeno o deshidrogenacin equivale tambin a una oxidacin y el proceso inverso a una reduccin.

gananca de oxgeno

prdida de electrones

prdida de hidrgeno

prdida de oxgeno

ganancia de electrones

ganancia de hidrgeno

oxidacin

reduccin

Las reacciones de oxidacin-reduccin son aquellas en que tiene lugar una transferencia de electrones, desde un dador electrnico (el reductor) hasta un aceptor electrnico (el agente oxidante u oxidante). Es decir que siempre que hay prdida de electrones por un tomo se produce una transferencia de electrones a otro tomo. O sea que la oxidacin y la reduccin son simultneas.

Ared.

+ Boxid.

Aoxid.

+ Bred.

Al equilibrio entre la forma reducida y oxidada se llama sistema de xido reduccin o sistema redox. La tendencia de un agente reductor a perder electrones se puede expresar me-diante el potencial de reduccin estndar. Es decir colocando la especie oxidante y reductora a concentracin 1.0 M, pH = 7, y a 25 C. Para medir el potencial se establece como patrn de referencia el potencial de reduccin del 2H en la siguiente

reaccin.

H2 2H+ + +2e-

El cual por convencin se ha establecido que es igual a 0,0 voltios, cuando la

39

presin de 2H gaseoso es de 1,0 atmsfera, la concentracin 1,0 M, el pH 0,0 y

temperatura 25 C. Cuando se corrige este valor a pH 7,0 el potencial estndar del sistema hidrgeno-in hidrgeno es de -0,42 voltios. Potenciales de reduccin estndar de algunos pares redox

Reductor Oxidante E voltios

Acetaldehdo Acetato - 0.60

2H H2 - 0.42

Isocitrato cetoglutarato +

2CO - 0.38

NAD + H NAD - 0.32

Lactato Piruvato - 0.19

NADH deshidrogenasa

(reducida) Oxidada - 0.11

Citocromo b

Fe (II) Fe (III) 0.00

Citocromo c

Fe (II) Fe (III) + 0.26

OH2 2O + 0.82

Los sistemas que poseen un potencial estndar de reduccin ms negativo que el

del par H2 2H+

muestran mayor tendencia a perder electrones que el hidrgeno. Los que poseen potencial ms positivo tienen menor tendencia a perder electrones. Obsrvese la pareja agua-oxgeno: posee un potencial estndar de reduccin fuertemente positivo.

1/2 O2 + 2 H+ + +2e-H2O Por dicha razn el agua muestra muy poca tendencia a perder electrones y a formar oxgeno molecular. Dicho de otro modo, el oxgeno molecular tiene gran afinidad por los electrones, superior que la de aceptores biolgicos de electrones tales como el

NAD , las flavoprotenas y los citocromos. Cadena respiratoria:

NAD+

NADH2

FADH2

FAD+

CoQ

CoQH2

Fe++

Fe+++

Fe+++

Fe++

Fe++

Fe+++

ATP

cit. b c a+ a3

ATP

Sustrato reducido

Sustrato oxidado2H

2H+ + 1/2 O2 H2O

ATP

H+

40

En el proceso un sustrato que se va a oxidar entrega sus electrones H al primer constituyente de la cadena que es el NAD y se reduce. El HNADH entrega sus hidrgenos y respectivos electrones a una flavoprotena y sta a la coenzima Q, que desempea el papel de transportador electrnico entre las deshidrogenases ligadas

al NAD y FAD y los citocromos.

De aqu en adelante lo que se transfieren ya son electrones y los H irn al medio. Los electrones son captados por el citocromo b, c y a + a3. Este ltimo es

autooxidable y entrega los electrones al 2O2/1 que con los H formar OH2 .

Enzimas de xido-reduccin:

Tres son las clases principales de enzimas que participan de la corriente del transporte electrnico desde los sustratos orgnicos hasta el oxgeno molecular.

De acuerdo al orden en que participan son los siguientes:

1. Deshidrogenasas ligadas a la piridina que requieren NAD o NADP como coen-zima. Participan en la primera parte del eslabn:

NAD+

NADH + H+

Sustrato reducido

Sustrato oxidado

2. Deshidrogenasas ligadas a la flavina que tienen como grupo prosttico al FAD o al FMN. Participan en la segunda parte del eslabn

FADH + H

FAD

CoQ

CoQH + H+

3. Los citocromos que contienen un sistema nuclear ferroporfirnico. Participan en la ltima parte del eslabn

Fe++

Fe+++

Fe+++

Fe++

Fe++

Fe+++

cit. b c a+ a3

2H+ + 1/2 O2 H2O

Analizamos cada una de las enzimas con sus respectivas coenzimas:

41

Deshidrogenasa ligada a la piridina:

Se conocen alrededor de 150 y catalizan la siguiente reaccin:

Sustrato reducido + NAD+ Sustrato oxidado + NADH + H+

Las deshidrogenases ligadas a la piridina transfieren reversiblemente dos equivalentes de reduccin desde el sustrato a la forma oxidada del nucletido piridnico; uno de ellos aparece en el nucletido reducido como un tomo de hidrgeno. El otro tomo de hidrgeno separado del sustrato aparece en forma de

H libre en el medio. Veamos la estructura del NAD:

adenina

O

P+

O

OOH CH2O

OHOH

N+

H H

CONH 2

P+

O

OOH CH2O

OHOH

H H

La parte activa de los nucletidos piridnicos es la nicotinamida, ya que sta es la porcin de la molcula que va a recibir el hidrgeno del sustrato. Es importante destacar que la nicotinamida es una vitamina del complejo B. O sea que por su participacin en los mecanismos de xido-reduccin cumplen un papel fundamental en la clula. El mecanismo de xido-reduccin se realiza segn el siguiente esquema:

N+

R

CONH 2

N

R

CONH 2

H H

+ 2H + H+

42

Deshidrogenases ligadas a la flavina:

Esta clase de enzimas contienen flavn-adenn-dinucletido (FAD) o bien flavn-mononucletido (FMN) como grupos prostticos. En la mayor parte de las flavn-deshidrogenasas el nucletido flavnico se halla firmemente unido y no se separa de la enzima durante el ciclo cataltico. Veamos la estructura del FMN:

6-7 dimetil-iso-aloxacina

adenina

riboflavina

(vitamina B2)

FDN

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

O

P+

O

OH O

OH

P

O

OCH2O

OHOH

H H

H

FDN: resulta de la unin pirofosfrica entre el FMN y el AMP. La parte activa del FAD y del FMN es el anillo de isoaloxacina.

N

NN

N

CH3

CH3

H

R

O

O

N

NN

N

CH3

CH3

H

R

O

OH

H En cuanto a la coenzima Q o ubiquinona existen controversias. Importantes experimentos recientes permiten creer que la CoQ es realmente uno de los transportadores de la cadena respiratoria, y que funciona, posiblemente, como una molcula liposoluble que acta a modo de nexo de unin entre las flavoprotenas y el sistema de los citocromos.

Citocromos: Los citocromos son un grupo de ferroprotenas transferidoras de

43

electrones en las clulas aerobias, que actan secuencialmente transfiriendo electrones desde las flavoprotenas al oxgeno molecular .Todas ellas contienen grupos prostticos ferroporfirnicos; en este aspecto se parecen a la hemoglobina y a la mioglobina. Los citocromos experimentan cambios de valencia reversibles, Fe (II) - Fe (III), durante el ciclo cataltico. El citocromo terminal de la cadena, que puede reaccionar con el oxgeno, es la citocromo-oxidasa. Las formas reducidas de los dems citocromos no pueden reoxidarse directamente por el oxgeno molecular. Estructura: Los citocromos tienen grupos prostticos hierro porfirnicos. El anillo porfirnico deriva del compuesto tetrapirrlico llamado porfina que se designa segn sus cadenas laterales sustituyentes.

N

CHCH

N NH

CH CH

N

Fe++

Fe+++

Forman quelatos (literalmente, cuatro dientes) con iones metlicos como el hierro, por ejemplo. En los citocromos, el tomo de Fe experimenta cambios reversibles entre las formas Fe (II) y Fe (III); su funcin real es la de desempear el papel de transportadores electrnicos. Potencial estndar de xido-reduccin en la cadena respiratoria

Los potenciales de reduccin de los diferentes transportadores electrnicos, se hacen ms positivos a medida que los electrones pasan desde el sustrato el oxgeno. Es decir, que el transportador electrnico ms prximo el extremo inicial de la cadena, o sea el NAD es el trmino ms reducido, mientras que los transportadores situados en el extremo del oxgeno (citocromo a + a3) estn casi por completo en la forma oxidada. Los transportadores intermedios en estados sucesivamente ms oxidados, segn una escala que va desde el sustrato hasta el oxgeno. Energtica del transporte electrnico-Fosforilacin oxidativa

Hemos visto que el G que se produce en el transcurso de cualquier reaccin

qumica es funcin de su constante de equilibrio.

eqnkRTG I

44

Puede utilizarse una forma modificada de esta expresin para calcular la G

que se produce cuando reaccionan entre s dos pares de xido-reduccin cuyos potenciales de reduccin estndar son conocidos.

0' EnFTG

G = variacin de energa libre estndar expresada en caloras;

n = nmero de electrones transferidos;

F = equivalente calorfico de Faraday;

0'E = la diferencia entre los potenciales de reduccin estndar del aceptor del

dador electrnico. Se supone que todos los componentes se hallan a concentraciones 1, 0 M, a 25 C y pH = 7,0

Mediante esta relacin, podemos calcular la G cuando se transfiere un par

equivalentes electrnicos desde el NADH al oxigeno molecular, es decir a lo largo de toda la cadena respiratoria.

kcal7.52kcal700.5232.082.0230622G

Se produce, por tanto, una variacin de energa libre muy grande durante el proceso de transporte electrnico desde el NADH hasta el oxgeno molecular, a travs de la cadena respiratoria. Este valor puede compararse con la energa libre estndar de formacin de ATP a partir del ADP y el fosfato.

ADP + FOSFATO ATP + H2O kcal3.7G

Puede verse que la transferencia de un par de electrones, desde el NADH al oxgeno va acompaada de una disminucin de energa libre lo suficientemente grande para que resulte posible la sntesis de varias molculas de ATP, a partir de ADP y de fosfato, en las condiciones estndar, siempre que se disponga de un mecanismo de acoplamiento.

Mediante clculos semejantes se obtienen las G que tienen lugar en cada una de

las etapas principales de transferencia electrnica en la cadena respiratoria, cuyos potenciales de reduccin estndar son conocidos.

Tres de los pasos de la cadena respiratoria muestran G relativamente grandes;

ellos son:

1. Entre NAD y FAD

2. Entre citocromo b y c

3. Entre citocromo a y el oxgeno En cada uno de ellos se produce una disminucin de energa libre suficientemente grande para que se origine la formacin acoplada del ATP a partir de ADP y de fosfato.

Las G en otros puntos de la cadena son pequeas y, por ello resultan

insuficientes para provocar la formacin de una molcula de ATP.

45

Acoplamiento de la fosforilacin oxidativa al transporte electrnico La fosforilacin del ADP acoplado a la respiracin representa un mecanismo de recuperacin aerobia de energa y recibe el nombre de fosforilacin oxidativa. La ecuacin global para las fosforilaciones de la cadena respiratoria puede escribirse como sigue:

NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + +1/2 O2 NAD+ + 4 H2O + 3 ATP

que podemos analizar desde el punto de vista de su componente exergnico.

NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O kcal7.52G

y de su componente endergnico:

3 ADP + 3 Pi 3 ATP + 3 H2O kcal9.213.73G

La fosforilacin oxidativa acoplada de tres molculas de ATP conserva por lo tanto 21,9/52,7 x 100, es decir, alrededor del 40% del descenso total de energa libre. Slo se formarn 3 molculas de ATP si el sustrato se oxida a nivel del NAD. Puede ocurrir que el sustrato entregue sus electrones a la flavoproteina (por ej. succinato) en este caso se producen 2 molculas de ATP; y si entrega sus electrones al citocromo a, (por ej. cido ascrbico) se forma solamente una molcula de ATP. Balance energtico de un proceso de respiracin

Es decir, el G , cuando la glucosa se oxida completamente hasta OHCO 22 por la

secuencia glicocoltica y el ciclo del cido tricarboxlico.

1.

glucosa 2 piruvato

glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 NADH + H+ + 2 ATP + 2 H

2O

a

2.

2 piruvato 2 acetil CoA

2 (piruvato + NAD+ + HS - CoA) 2 acetil CoA + 2NADH +

2H+ +

2CoA

2

HNADH se reoxida en la cadena respiratoria y se producen 3 ATP; como

son 2 moleculas de NADH + H+ 3 ATP x 2 = 6 ATP

3. Ciclo de Krebs se producen 24 ATP

a. 2 isocitrato 2 alfa-cetoglutarato hay deshidrogenacin, los 2H son

captados por el NAD que se reoxida en la cadena respiratoria y se

46

producen 6 ATP.

b. 2 alfa-cetoglutarato

OH2

2 succinato, ocurre lo mismo, o sea que

tambin se producen 6 ATP.

c. 2 malato H2

2 oxalacetato 6 ATP.

d. 2 succinato H2

2 fumarato. En este caso los hidrgenos son

captados por el FAD. Se producen 4 ATP.

e. 2 succinato CoA 2 succinato, hay una fosforilacin a nivel de sustrato de producen 2 ATP.

Resumiendo:

a .. 6 ATP

b .. 6 ATP

c .. 6 ATP

d .. 4 ATP

e .. 2 ATP

24 TP

4. El HNAD que se produce en la gliclisis en el pasaje de gliceraldehdo gliceratoP3P3 , cuando el proceso es anaerobio se reoxida en el pasaje de

lactatopiruvato .

Cuando el proceso es aerobio el HNADH se reoxida en la cadena respiratoria, por

lo tanto se producen 2 ATP x 2 (porque son dos molculas de HNADH ) = 4 ATP.

O sea que el balance global ser:

1. .. 2 ATP

glucosa + 6 O2 + 36 P

i + 36 ADP

6 CO2 + 36 ATP + 42 H

2O

2. ... 6 ATP

3. .. 24

ATP

4. .. 4 ATP

36

ATP Si analizamos el componente exergnico

glucosa + 6 O2

6 CO2 + 6 H

2O kcal680G

componente endergnico

36 Pi + 36 ADP 36 ATP + 36 H

2O kcal263G

La eficacia global de la recuperacin de energa resulta ser:

47

%39100680

263

Cmo entra el NADH producido en la gliclisis a la cadena respiratoria? El 2NADH citoplasmtico producido en la gliclisis es impermeable a la membrana

mitocondrial, por lo tanto si no penetra en la mitocondria no se puede reoxidar a nivel de la cadena respiratoria. Aunque el NADH no puede penetrar, sus electrones pueden hacerlo por medios indirectos denominados lanzaderas. La mejor conocida es la lanzadera del glicerolfosfato. El NADH citoplasmtico reacciona con la dihidroxiacetona citoplasmtica para formar glicerol-3-fosfato en una reaccin catalizada por la glicerofosfato-deshidrogenasa citoplasmtica.

dihidroxiacetona fosfato + NADH + H+ glicerol-3-fosfato + NAD+

El glicerol-3-fosfato atraviesa fcilmente la membrana mitocondrial. En el interior de la mitocondria otra glicero-3-fosfato-deshidrogenasa reoxida el glicerol-3-fosfato a dihidroxiacetona fosfato.

glicerol-3-fosfato + FAD dihidroxiacetona fosfato + FADH2

La flavoprotena reducida cede sus equivalentes de reduccin a la cadena respiratoria a nivel de CoQ y finalmente pasan al oxgeno. La dihidroxiacetona fosfato formada en esta reaccin difunde fuera de la mitocondria el citoplasma en donde puede aceptar electrones de otra molcula de NADH extramitocondrial.

NADH + H+ NAD+

DIHIDROXICETONA-P GLICEROL-FOSFATO

FAD

ATP

ATP

O2

NAD

MITOCONDRIA

48

TEMA XVIII: Oxidacin de los cidos grasos

Hidrlisis intracelular de los lpidos. Ciclo de oxidacin de los cidos grasos: activacin y entrada de los cidos grasos a la mitocondria. Primera deshidrogenacin. Hidratacin. Segunda deshidrogenacin. Clivaje tilico. Oxidacin de los cidos grasos insaturados. Cuerpos cetnicos y su oxidacin. Oxidacin de los cidos grasos de carbono impar. Aunque los hidratos de carbono, a causa de su abundancia constituyen el combustible principal para la mayor parte de los organismos, los cidos grasos desempean tambin un papel muy destacado como fuente energtica. La oxidacin de los cidos grasos es importante en los animales superiores y en las plantas, que pueden almacenar cantidades grandes de grasa neutra como combustible de reserva. La grasa neutra posee un valor calorfico elevado (9 Kcal) y puede almacenarse en forma casi anhidra en las gotitas de grasa intracelulares, mientras que el glucgeno o el almidn (valor calrico = 4 Kcal) se hallan demasiado hidratados para poder almacenarse en forma tan concentrada. Hidrlisis intracelular de los lpidos Los cidos grasos que experimentan oxidacin en los tejidos de los animales superiores provienen del fluido extracelular o bien de los lpidos intracelulares endgenos. La sangre de los vertebrados contiene cantidades considerables de triacilgliceroles y de fosfoglicridos, as como cantidades muy pequeas de cidos grasos libres unidos a la protena seroalbmina, que acta transportando los cidos grasos. Estos ltimos son oxidados en tejidos tales como el corazn y el msculo. La fuente endgena principal de cidos grasos combustibles es grasa de depsito, en foma de gotitas de grasa del citoplasma, constituido, en su mayor parte por triacilgliceroles.

Resumiendo lo expuesto:

de la sangre que contiene triacilgliceroles, fosfoglicridos, cidos grasos

a. fluido extracelular

1. grasa de depsito constituida por triacilgliceroles.

2. fosfoglicridos de las membranas

b. fuente endgena

cidos grasos a oxidarse provienen

A. Hidrlisis intracelular

Los cidos grasos deben hallarse en forma libre, es decir, no esterificados para que puedan experimentar el proceso de activacin y oxidacin. Para ello, deben en primer lugar, hidrolizarse por la accin de lipasas intracelulares para rendir cidos grasos libres y glicerina. Se sabe relativamente poco acerca de la secuencia y

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detalles de la hidrlisis intracelular de los lpidos. Sin embargo, en general, no tiene lugar acumulacin significativa de cidos grasos o de otros productos de hidrlisis que seran txicos para la estructura de la membrana. Evidentemente, la velocidad y la ruta de hidrlisis de los lpidos intracelulares est ajustada a la velocidad de utilizacin de los cidos grasos.

B. Ciclo de los cidos grasos

Activacin y penetracin de los cidos grasos en el interior de la mitocondria

Existen 3 fases en la entrada de los cidos grasos procedentes del citoplasma extramitocondrial, en el interior de la mitocondria.

1. Esterificacin enzimtica del cido graso libre con la CoA extramitocondrial, a expensas del ATP, que tiene lugar en la membrana exterior.

2. Transferencia del grupo acilo graso desde la CoA a la molcula transportadora carnitina, la cual lo conduce a travs de la membrana interior.

3. Transferencia del grupo acilo graso desde la carnitina a la CoA intramitocondrial.

Activacin de los cidos grasos

Tres enzimas diferentes catalizan la formacin de steres acil-CoA graso; cada una de ellas se especfica para un determinado intervalo de longitud de cadena de cido graso.

Activa los cidos actico, propinico y acrlico

Activa los cidos grasos desde cuatro hasta doce tomos de carbono

Acetato-tioquinasa

Tioquinasa de cido graso de cadena media

Activa los cidos grasos de 12 a 22 o ms; tomos de carbono

Tioquinasa de cido graso de cadena larga