Download Ciclo de Krebs - Bioquímica

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS FASE I,
Unidad Didáctica: BIOQUÍMICA MÉDICA 2º AÑO,
CICLO DE KREBS,
CADENA RESPIRATORIA.
Dr. Mynor A. Leiva Enríquez
Dr. M. Leiva
2013
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
PROCEDENCIA Y DESTINO DE ACETIL-CoA
Proteínas
Glucosa
TAG
Glicerol
Aminoácidos
Piruvato
Ác. Grasos
Esteroides
Acetil-CoA
Colesterol
Cetogénesis
Ciclo
de
Krebs
Citrato
Acetil-CoA
Ác. grasos
C. Respiratoria
TAG
ATP+CO2+H2O
Dr. M. Leiva
Ciclo del ácido Cítrico (KREBS)
10 reacciones enzimáticas
2 reacciones irreversible
Genera 3 NADH+H, 1 FADH2
y 1 ATP a nivel del sustrato
Dr. M. Leiva
Mitocondria
Dr. M. Leiva
Esquema general
del ciclo de Krebs
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL.
2ª. Edición. Editorial. Elsevier.
ENZIMA
1- CITRATO SINTASA
2- ACONITASA
3- ISOCITRATO
DESHIDROGENASA
4- ALFA-CETO-GLUTARATO
DESHIDROGENASA
5- SUCCINATO TIO-CINASA
6- SUCCINATO
DESHIDROGENASA
7- FUMARASA
8- MALATO
DESHIDROGENASA
SUSTRATO
12 CITRATO
23 ISOCITRATO
34 ALFA CETOGLUTARATO
45 SUCCINIL-CoA
56 SUCCINATO
67 FUMARATO
78 MALATO
81 OXALACETATO
Dr. M. Leiva
1. Formación del Citrato
El citroil-CoA es un intermediario transitorio de reacción
• La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la reacción sea exergónica
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2. Formación de isocitrato
vía cis-aconitato
La aconitasa contiene un centro hierro-azufre que
actúa como centro de fijación de sustratos y centro catalítico.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
3. Oxidación del isocitrato
a α-cetoglutarato y CO2
Existen dos formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa:
• NAD dependiente (matriz mitocondrial)
• NADP dependiente (matriz mitocondrial y citosol)
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4. Oxidación del α-cetoglutarato a
succinil-CoA y CO2
El complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa es muy
parecido al
complejo piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en
función, requiere difosfato de tiamina, lipoato, NAD, FAD y CoA
Dr. M. Leiva
Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
a Cetoglutarato deshidrogenasa
• Localizado en la mitocondria
• Complejo multienzimatico que actúa de la misma
forma que el Complejo Piruvato-deshidrogenasa.
• Sustrato: alfa-ceto-glutarato.
• Producto: Succinil-CoA
– 3 enzimas
• Alfa cetoglutarato deshidrogenasa (E1)
• Dihidrolipoil transsucciniilasa(E2)
• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)
– 5 coenzimas
•
•
•
•
•
Pirofosfato de tiamina
Acido lipoico
CoA
FAD
NAD
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El complejo a cetoglutarato deshidrogenasa utiliza
5 coenzimas diferentes
Difosfato de tiamina
NAD (niacina)
Lipoamida
FAD (Riboflavina)
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CoA (A. Pantotenico)
5. Conversión del succinil-CoA en succinato
La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas de la energía
liberada por la decarboxilación oxidativa del α-ceto-glutarato
es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
6. Oxidación del succinato a fumarato
En eucariotas, la succinato deshidrogenasa
se encuentra unida a la membrana mitocondrial
interna, contiene tres centros hierro-azufre
diferentes y una molécula de FAD unida
covalentemente.
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El malonato es un
fuerte inhibidor
competitivo de
esta enzima
7. Hidratación del fumarato
y producción de malato
La enzima FUMARASA es específica para el fumarato y el L-malato
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8. Oxidación del malato a oxalacetato
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Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Balance energético
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Vías Anapleróticas
• Ana: arriba,
• Plerotikos: llenar
• Son reacciones que reponen
intermediarios del ciclo
• Piruvato carboxilasa: produce
oxalacetato
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Reacciones Anapleróticas
• Son reacciones que proveen la cantidad
necesaria de un metabolito intermediario
importante.
• La reacción de la enzima piruvato carboxilasa
es un ejemplo, al ser necesario Oxalacetato.
• Piruvato + CO2 + ATP + H2O
 Oxalacetato + ADP + Pi + 2H+
 malato para gluconeogénesis…
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Principales vías biosintéticas
y anapleróticas
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Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
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Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Los Carbonos de los aminoácidos (luego de la transaminación)
entran al ciclo de Krebs en diferentes puntos
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Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.
Principales vías biosintéticas
y anapleróticas
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Regulación del ciclo de Krebs
• Disponibilidad de sustratos
• Necesidad de intermediarios como
precursores biosintéticos
• Demanda de ATP
• El factor regulador más importante es la
relación
intramitocondrial de [NAD+] / [NADH]
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Regulación del ciclo de Krebs
• 1. Disponibilidad de sustratos
• 2. Inhibición por acumulación de
productos
• 3. Regulación de las siguientes
enzimas:
– Citrato sintasa
• Inhibidores: NADH, succinilCoA, citrato, ATP
• Activadores: ADP
– Isocitrato deshidrogenasa
• Inhibidores: NADH
• Activadores: Ca++, ADP
– α-cetoglutarato
deshidrogenasa
• Inhibidores: succinil-CoA,
NADH
• Activadores: Ca++
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Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
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• El Ciclo de KREBS es un
punto de convergencia
en el metabolismo
intracelular.
• Carbohidratos, grasas
y proteínas son
fuentes de Acetil-
CoA
• Desde aquí, la
obtención de ATP
sigue la misma ruta.
• El requisito para su
acción es la presencia
de oxígeno.
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Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.
C. Krebs:
proceso
anfibólico
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Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.
Editorial. Elsevier.
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Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed.
Editorial. Elsevier.
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Fuente: Bioquímica Médica. , BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.
GLUCONEOGÉNESIS
LIPOGÉNESIS
SÍNTESIS PROTÉICA
HEM y Ácidos Nucleicos
Proceso
ANFIBÓLICO
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Fuente: Bioquímica de Mathews 3ª Edición.
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A nivel del sustrato
4 ATP
Lanzadera de Malato
6 ATP
Descarboxilación del piruvato 6 ATP
Ciclo de Krebs
24 ATP
total 40 ATP
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LANZADERAS DE GLICEROFOSFATO Y MALATO
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
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Reacción
Mecanismo
moles ATP/mol
Glucosa
Hexocinasa
Fosforilación
-1
Fosfofructocinasa
Fosforilación
-1
Glicerol-3-P Deshidrogenasa
Fosfoglicerato cinasa
Piruvato cinasa
Piruvato deshidrogenasa
Isocitrato deshidrogenasa
α-cetoglutarato deshidrogenasa
Succinil-CoA sintetasa
Succinato deshidrogenasa
Malato deshidrogenasa
Fosforilación oxidativa
del NADH
Fosforilación a nivel
del Sustrato
Fosforilación a nivel
del Sustrato
Fosforilación oxidativa
del NADH
Fosforilación oxidativa
del NADH
Fosforilación oxidativa
del NADH
Fosforilación a nivel
del sustrato (GTP)
Fosforilación oxidativa
del FADH2
Fosforilación oxidativa
del NADH
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TOTAL
+6 (+4)*
2
2
6
6
6
2
4
6
38 (36)
• CADENA RESPIRATORIA
MITOCONDRIAL
• FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
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La fosforilación oxidativa se produce en la
membrana interna de la mitocondria
La mitocondria posee dos sistemas de
membrana, que rodean a la matriz.
Matriz
• Ciclo del ácido cítrico y oxidación de los
ácidos grasos
Membrana interna
• Es impermeable a casi todos los iones Se
pliega en crestas.
Contiene los componentes de la cadena de
transpote de e• Y la ATP sintasa
Membrana externa
• Es bastante permeable a iones y
moléculas pequeñas
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Mitocondria
Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
• Cadena Respiratoria: Transporte en
secuencia ordenada de los equivalentes
reducidos desde los sustratos donadores
(reduciendo al NAD o al FAD) hasta la
formación final de AGUA.
• Fosforilación Oxidativa: Sistema de
conversión o captura de la energía liberada
en la cadena respiratoria (68%), para unir
ADP + Pi y formar ATP.
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Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
• Las enzimas de la cadena respiratoria
están en la cara interna de la membrana
interna, agrupadas en complejos que
producen potenciales electroquímicos
transmembrana.
• Varias ATP-sintasa utilizan la energía del
gradiente de protones para sintetizar ATP,
perdiéndose una parte como calor.
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Conservación de la energía por
acoplamiento con el ATP
• Casi la mitad de la energía obtenida en la
oxidación de los combustibles metabólicos es
canalizada hacia la síntesis de ATP
• La membrana mitocondrial interna es
impermeable a ATP, coenzimas, fosfato,
protones, varios iones y moléculas pequeñas.
• Se acepta que 1 mol de NADH tiene un
rendimiento aproximado de 2.5 moles de ATP
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Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Sustratos que transfieren electrones a
NAD por enzimas deshidrogenasas
• Puede haber acoplamiento
directo al NAD de la Cadena
Respiratoria.
• Piruvato y
alfa-cetoglutarato usan
complejos dishidrogenasa
+ FAD + Lipoato  NAD.
• Producen 3 ATP
• Producen 2.5ATP
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Sustratos que transfieren electrones por
enzimas dependientes de Flavoproteína.
• FeS: Sulfoproteína
férrica (Fe++Fe+++)
• TFE: Flavoproteína
transferidora de
electrones.
• Fp: Flavoproteína
• FAD Producen 2 ATP
• FAD Producen 1.5ATP
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Sustratos que transfieren electrones por
enzimas dependientes de Flavoproteína.
• La enzima succinato
deshidrogenasa se ubica
en la superficie interna de
la membrana interna
mitocondrial.
• El potencial redox de estos
sustratos es más positivo.
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Enzimas ligadas a NAD+
Alfa- cetoglutarato DH
Malato DH
Piruvato DH
Gliceraldehido- 3 -fosfato DH
Lactato DH
Beta- hidroxiacil- CoA DH
Ligadas a NAD+ o NADP+
Glutamato DH
Ligadas a FAD
Acil CoA DH (F)
Succinato DH (II)
Glicerol3 P DH (G)
Ligadas a FMN
NADH DH
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Complejo I. Función de NADH
Deshidrogenasa (FeS y FMN)
• La energía proveniente
de la oxidación
NADH+H, traslada
protones al exterior de
la membrana interna
(bomba de protones)
• Transfiere electrones a
la uniquinona.
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El complejo II define la función
ubicuinona-oxidorreductasa
•La coenzima Q recibe equivalentes
reductores de componentes más
positivos.
•Lipofílica, parecida a la vit. K
•La coenzima Q une a las
flavoproteínas con el Citocromo b (el
de menor potencial redox)
•Componente móvil que colecta
equivalentes de Complejos I y II y los
lleva al Complejo III.
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El coenzima Q es paso obligatorio de los
electrones procedentes de varias vías
Espacio
intermembrana
Succinato
Flavoproteína de
transferencia de
electrones
Matriz
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Complejo III:
ubicuinona:ferrocitocromo c oxidorreductasa.
•El ciclo de la Coenzima Q
incluye la captación de 2
H+ de la matriz
mitocondrial y su bombeo
hacia el espacio
intermembrana,
•Traslada electrones del
cit. b al c1 y finalmente al
cit. c.
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Oxidación de la
primera QH2
Oxidación de la
segunda QH2
El citocromo c transporta electrones del completo III al IV.
Si llega al citosol, puede inducir apoptosis.
Dr. M. Leiva
Complejo IV:
Ferrocitocromo c oxidorreductasa
• Cit.c es soluble, conecta
complejos fijos III y IV.
• C-aa3 “citocromo oxidasa”:
combinación irreversible de
equivalentes reductores
conducidos hacia el
oxígeno: da dirección.
• Tercera bomba de protones
que impulsa a la ATP
sintasa. Genera AGUA.
• Inhibida por Monóxido de
Carbono y Cianuro.
Espacio
Intermembrana
Matriz
(del sustrato)
Dr. M. Leiva
(bombeados)
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
La oxidación se acopla estrechamente a la fosforilación
para satisfacer las necesidades de energía de la célula.
Espacio
Intermembrana
Succinato Fumarato
Matriz
Dr. M. Leiva
Si el recorrido de los equivalentes reductores empieza en el complejo I, se cumplirán
3 “bombeos” de protones. Si empieza en el complejo II, se cumplirán 2 “bombeos”.
A mayor bombeo, mayor gradiente de protones y mayor actividad de la ATP-sintetasa.
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
 Teoría Quimiosmótica de la Fosforilación Oxidativa
La membrana interna es impermeable a los protones. Cuando son bombeados fuera de la matriz,
acidifican y positivizan el espacio intermembrana.
La fuerza protón motriz (Δp) es la energía almacenada en el gradiente de
concentración de protones que al regresar por la ATP-sintasa, generan la energía para producir
ATP.
Dr. M. Leiva
El hidrógeno y los
electrones fluyen a
lo largo de la
cadena en etapas, a
partir de los
componentes de
mayor potencial
redox negativo
hacia los
componentes de
mayor potencial
redox positivo, a
través de un
intervalo de 1.1 V
que abarca desde el
NAD+/NADH hasta
el O2 / 2 H2O.
Dr. M. Leiva
Complejo V: ATP Sintasa
• Fo es el motor
y poro de
protones.
• El F1
componente
rotatorio.
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Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
ATP sintasa:
Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,
• Los protones que
pasan por las
subunidades C y g
causan su rotación.
• Las subunidades b
captan ATP+Pi y
liberan ATP.
• Se forman 3
moléculas de ATP por
cada giro completo
del complejo
Dr. M. Leiva
F0: bomba de H+
•Segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana interna
mitocondrial
•Contiene conducto de H + del complejo
•Formado por
-10-14 subunidades c
-1 subunidad a en la periferia del anillo
Matriz M.
Espacio
Intemembrana
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F 1 : Unidad catalítica:
formada por:
-5tipos de cadenas polipeptídicas:
-3 cadenas α
-3 cadenas β
-1 cadenas γ δ ε
-α y β alternadas en anillo hexámerico
-miembros de la familia de NTPasas
-ambas unen nucleótidos,
solo β participa en la catálisis•
-γ y ε forman el tallo central de la
estructura.•
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica
de Harvey 5ª. Ed.
Inhibición del
Complejo I
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Inhibición del
Complejo III
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Inhibición del
Complejo IV
Dr. M. Leiva
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Inhibidores de cadena respiratoria, Inhibidores
de fosforilación oxidativa y desacopladores
ADP
atractilósido
ATP
2,4-di-nitrofenol,
termogenina,
oligomicina
malonato
barbitúricos
Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,
Antimicina A y
Dimercaprol
Dr. M. Leiva
H2S, CO
y CN
Proteínas
Desacopladoras
Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,
Dr. M. Leiva
Dr. M. Leiva
• GRACIAS