el ciclo del Ácido cítrico el ciclo del glioxilato · ciclo del ácido cítrico, pero el ciclo...
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El ciclo del Ácido Cítrico
El ciclo del Glioxilato
Bioquímica
Capítulo 16
Introducción
• La degradación oxidativa de la glucosa y de
otros monosacáridos produce dos piruvatos, dos
ATP y dos NADH.
• La energía capturada en los enlaces
fosfoanhídro de los dos ATP representa tan sólo
un 7% de toda la energía potencial presente en
la glucosa.
Introducción
• En los organismos anaeróbicos simples se produce
una oxidación del NADH mediante la fermentación
para poder mantener la glucólisis.
• En los organismos aeróbicos la glucólisis es la
fase preliminar que transforma la glucosa para
ingresar al metabolismo aeróbico.
• Cuando el oxígeno es el último aceptor de
electrones, el producto de la glucólisis, el piruvato,
es oxidado completamente en CO2 y H2O.
Introducción
• Existen varias rutas para la oxidación aeróbica
del piruvato.
• Estas rutas inician con el piruvato
deshidrogenasa, el cual dirige la conversión del
piruvato en acetil CoA, y así servir de puente
entre la glucólisis y el metabolismo aeróbico.
• Enseguida viene la ruta central y universal del
metabolismo aeróbico: el ciclo del ácido cítrico
Introducción
• El ciclo del ácido cítrico oxida la acetil CoA en
CO2 con producción de NADH y FADH2 ricos
en energía.
• Estos cofactores reducidos (NADH y FADH2)
generados en el ciclo se utilizan para producir
ATP por transporte electrónico al O2 y
fosforilación oxidativa.
Introducción
• El ciclo de del ácido cítrico está presente en
todas las formas de vida aeróbica, pero en
algunos organismos, como las plantas, está
modificado por una desviación conocida como
ciclo de glioxilato, que les permite usar acetato
como fuente de energía y carbono para
biosíntesis.
Efectores
• Pequeñas moléculas que regulan la actividad de
las enzimas alostéricas; pueden estimularlas o
inhibirlas. También se les llama moduladores.
16.1 Complejo piruvato
deshidrogenasa
• El piruvato es una molécula que se encuentra en las
bifurcaciones, es decir, que tiene varias opciones
metabólicas.
• La mayor parte de las enzimas de la glucólisis y
gluconeogénesis se encuentran en el citoplasma.
• La producción de energía para continuar la
oxidación del piruvato reside en las mitocondrias.
Las Mitocondrias
• Se les llama la fuerza motriz de la célula.
• Se encuentran en prácticamente todas las células
eucarióticas.
• El papel que desempeñan en las reacciones
oxidativas y el metabolismo del oxígeno lo estudió por
vez primera Otto Warburg en 1913.
• Albert Lehninger y Eugene Kennedy (1948)
demostraron que la mitocondria contiene el aparato
bioquímico para el ciclo del ácido cítrico y la
respiración.
Morfología y función de las
mitocondrias • La mitocondria contiene compartimientos
internos derivados de dos sistemas de
membranas. La membrana externa es
permeable a metabolitos pequeños, pero la
membrana interna presenta propiedades de
transporte específico.
• La región que separa a las dos membranas se
llama región intermembranal.
Morfología y función de las
mitocondrias
• La membrana interna está sumamente plegada y
limita la región interna llena de fluido conocida
como matriz.
• La matriz mitocondrial contiene las enzimas para
continuar el metabolismo del piruvato (incluido el
complejo piruvato deshidrogenasa), el ciclo del
ácido cítrico y la cadena transportadora de
electrones.
Morfología y función de las
mitocondrias
• Las proteínas funcionales responsables del
metabolismo aeróbico pueden estar solubilizadas
en la matriz mitocondrial o unidas a la membrana
interna.
• Para que el piruvato y otros metabolitos
citoplasmáticos prosigan en el metabolismo
aeróbico deben traslocarse desde el citoplasma
hacia la matriz a través de dos membranas
mitocondriales.
Oxidación del piruvato
• Cuando el piruvato se encuentra en la matriz
mitocondrial, puede proseguir en el metabolismo
aeróbico, pero antes que entre al ciclo del ácido
cítrico, su esqueleto de carbono debe experimentar
primero tres transformaciones.
– Descarboxilación (pérdida de CO2)
– Oxidación del grupo ceto del C2 en un grupo carboxilo.
– Activación por unión de la coenzima A por medio de
enlace tioéster.
Enzimas y coenzimas del complejo
piruvato deshidrogenasa
• Enzima E1
– Enzima: Piruvato deshidrogenasa
– Coenzima: Tiamina pirofosfato (TTP)
• Enzima E2
– Enzima: Dihidrolipoil trancetilasa
– Coenzimas: Lipoamida, coenzima A (CoASH)
• Enzima E3
– Enzima: Dihidrolipoil deshidrogenasa
– Coenzimas: FAD y NAD
Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Reacciones
• Paso 1: Descarboxilación
– La realiza E1 con ayuda de Tiamina pirofosfato TPP
– La TPP trabaja con enzimas que se encargan de
descarboxilaciones de alfa-ceto ácidos
– El producto C2 queda unido a la E1
Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Reacciones • Paso 2: Oxidación de C2 y transferencia de grupo
acetilo
– La unidad C2 es oxidada y transferida como grupo
acetilo a la lipoamida (grupo prostético asociado a E2).
– La lipoamida tiene un enlace disulfuro (estado oxidado)
que experimenta reducción reversible hasta grupos tiol.
– La lipoamida actúa como un transportador del grupo
acilo acoplaradas con una redox
– La unidad C2 (acetilo) está ligado por medio de un
enlace tioéster a uno de los grupos –SH de la lipoamida.
Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Reacciones
• Paso 3: Formación de la acetil CoA.
– Se forma por transferencia del grupo acetilo del
complejo E2-lipoamida al grupo –SH de la coenzima
A, de nuevo, por formación de un enlace tioéster.
– Hasta este punto, se ha podido transformar el
piruvato en acetil CoA, que ahora puede entrar al
ciclo del ácido cítrico, pero el ciclo que corresponde
al complejo piruvato deshidrogenasa no se ha
completado.
Completación del ciclo del complejo
piruvato deshidrogenasa
• El complejo multienzimático debe regresar a su
forma original para que pueda oxidar más
piruvato.
• Primero, oxidación de los grupos tiol de la
lipoamida. En dos pasos de oxidación (pasos 4 y
5), se transfieren 2 e- y 2 protones desde el
complejo E2-lipoamida reducido hasta el NAD+
pasando por el complejo E3-FAD.
Completación del ciclo del complejo
piruvato deshidrogenasa
• La E3 cataliza estas etapas de oxidación-
reducción.
• En el complejo piruvato deshidrogenasa, el FAD,
es el conducto para el paso de electrones desde
la lipoamida hacia el NAD+
La Coenzima A
• La CoA (CoASH) es una molécula compleja que
contiene la vitamina ácido pentoténico.
• La CoA tiene una función importante como
transportador de grupos acetilo o de otros
grupos acilo, los cuales se activan uniéndose
con el grupo –SH a través de un enlace tioéster.
• El enlace tioéster es un enlace de alta energía y
parte de la energía liberada en la oxidación del
piruvato se almacena en este enlace.
La Coenzima A
• Dicha energía se puede liberar por transferencia del
grupo acetilo, por ejemplo, al agua (ΔG°’= -31.4
kJ/mol).
• Esta energía se puede utilizar para dirigir una
reacción poco favorable desde el punto de vista
termodinámico
Ciclo del ácido cítrico
• Esta ruta es un ciclo catalítico que tiene dos
propósitos:
– La degradación de la unidad C2 del acetil CoA en
CO2, para generar energía en forma de ATP o GTP
y una energía reductora en forma de NADH y
FADH2.
– Suministrar precursores para la biosíntesis de
aminoácidos, porfirinas y bases púricas o pirimídicas
para los nucleótidos
Paso 1 del ciclo
• El ciclo se inicia cuando se combinan acetil CoA y
oxaloacetato.
• La reacción se define como la adición de una
unidad C2 (acetilo) al doble enlace ceto del ácido
con C4, para producir el compuesto con C6 citrato.
• El nombre de la enzima es citrato sintasa.
• El nombre sintasa, se aplica para las enzimas que
catalizan la adición al doble enlace o la
eliminación para formar una doble ligadura
Paso 2 del ciclo
• Este paso podría considerarse como una
isomerización-rearreglo pero como su mecanismo
implica eliminación de agua para formación de un
doble enlace, se clasifica como una reacción de
ruptura no hidrolítica.
• La enzima se suele llamar aconitasa porque el
intermediario de la reacción es aconitato.
• La aconitasa tiene un grupo prostético único, un
conglomerado de hierro y azufre.
Paso 3 del ciclo • En este paso se oxida el isocitrato que resulta del
rearreglo del citrato. Con la oxidación del grupo
hidroxilo del isocitrato se forma un intermediario
inestable que se descarboxila y forma el ácido C5
alfa-cetoglutarato.
• La enzima isocitrato deshidrogenasa, que cataliza la
reacción, funciona con el NAD+ como aceptor de
electrones.
• El NAD+ y NADH son los cofactores que más se
utilizan en la conversión de gupos hidroxilo a ceto de
los sustratos.
Paso 4 del ciclo
• Es la oxidación de alfa-cetoglutarato a Succinil
CoA.
• Es llevada a cabo por el complejo alfa-
cetoglutarato deshidrogenasa
Paso 5
• La succinil coenzima A, es un compuesto con un
nivel de energía mayor que el de un enlace
fosfoanhídrido (el ΔG°’ de la hidrólisis del
succinil CoA es de -36 kJ/mol.
• En el paso 5, la energía de un enlace tioéster se
transforma energía en forma de ATP o GTP.
• Esta es una fosforilación a nivel de sustrato.
Paso 6 del ciclo
• El succinato que se produce en el paso 5 es
oxidado a fumarato en una reacción catalizada
por la succinato deshidrogenasa, una enzima
que tiene un grupo prostético FAD.
• La enzima tiene un conglomerado de hierro y
aufre semejante al de aconitasa.
• El cofactor es FAD
Paso 7 del ciclo
• El ácido dicarboxílico insaturado fumarato se
convierte en L-malato
Paso 8 del ciclo
• El oxaloacetato se produce en el último paso por
oxidación del grupo hidroxilo del L-malato.
El ciclo del glioxilato
• Las plantas superiores y algunos microbios
(Escherichia coli, Pseudomonas, algas) pueden usar
el acetato CH3COO-, como precursor de energía y
precursor biosintético.
• Para ello requieren una vía de reacción auxiliar que
no existe en los animales superiores: un ciclo del
ácido cítrico modificado por una desviación de dos
reacciones en el que se forma succinato, un ácido
dicarboxílico C4, a partir de moléculas de acetil CoA.
El ciclo del glioxilato
• Durante la germinación de las semillas el ciclo del
glioxilato convierte la acetil CoA en carbohidratos.
• Las semillas de girasol (Helianthus sp.) utilizan el
ciclo del glioxilato para sintetizar carbohidratos a partir
de lípidos.
• Las enzimas del ciclo se encuentran en los
glioxisomas de la planta, pero los productos se
transportan hacia la matriz mitocondrial y el
citoplasma.
Pasos de reacción del ciclo del
glioxilato
• El acetato debe ser activado en las plantas, antes de
entrar en las rutas metabólicas centrales del
catabolismo y anabolismo.
• En una reacción catalizada por la acetil CoA sintetasa,
se utiliza energía del ATP para formar el enlace
tioéster de la acetil CoA.
• El ciclo comienza cuando la acetil CoA reacciona con
el oxaloacetato para producir citrato (reacción 1).
Pasos de reacción del ciclo del
glioxilato
• El citrato formado se isomeriza por hidratación y
deshidratación a isocitrato (reacción 2).
• La rama hacia el ciclo del glioxilato comienza en este
punto. En lugar de que el isocitrato experimente una
reacción de oxido-reducción a alfa cetoglutarato,
experimenta una de ruptura no hidrolítica.
• El isocitrato, con un esqueleto C6, se rompe en
succinato (C4) y glioxilato (C2). La enzima es la
isocitrato liasa (reacción 3).
Pasos de reacción del ciclo del
glioxilato • El producto glioxilato es poco común, tiene un aldehído y
un grupo funcional carboxilato. El succinato sale del
ciclo.
• El glioxilato (C2) continúa en el ciclo y se combina con
acetil CoA para generar malato (C4) y coenzima A
(reacción 4). Este paso de ruptura no hidrolítica lo
cataliza la malato sintasa.
• El malato se oxida a oxaloacetato, reacción catalizada
por la malato deshidrogenasa, con producción de NADH.
(reacción 5).
El ciclo del Ácido Cítrico
El ciclo del Glioxilato
Bioquímica
Capítulo 16
Kelder Alexis Ortiz Cardona