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Guía Teórico-Práctico
Química Biológica
Licenciatura en Nutrición
TRABAJO PRÁCTICO N° 5
CONVERSIÓN DEL PIRUVATO EN ACETIL- COA. CICLO DE KREBS
GLUCONEOGÉNESIS. VÍA DE LAS PENTOSAS. SISTEMA DE LANZADERAS
OBJETIVOS
Entender el papel del piruvato como encrucijada metabólica.
Comprender los procesos oxidativos que producen energía.
Conocer la secuencia de reacciones que integran el Ciclo de Krebs, enzimas, puntos de
regulación, balance energético.
Interpretar la secuencia de reacciones que integran la vía de las pentosas, enzimas, destino
de los productos (NADPH, Ribosa 5-fosfato), interrelación con la Vía Glicolítica.
Comprender el sistema de transferencia de equivalentes de reducción, producidos en las
reacciones de óxido- reducción citosólicas, a la cadena de transporte electrónica.
INTRODUCCIÓN
El NADH, formado en la Vía Glicolítica en la reacción de la gliceraldehído 3-fosfato
deshidrogenasa, debe ser oxidado para que no se afecte el normal funcionamiento de esta vía.
Cuando falta oxígeno esta oxidación se realiza en citosol, por reacciones que dependen de cada
tipo celular y que por realizarse en ausencia de oxígeno se denominan fermentaciones. En
condiciones aeróbicas, los equivalentes de reducción presentes en el NADH son transferidos a la
mitocondria a través de reacciones, que son diferentes según el tipo celular y que en conjunto se
denominan sistemas de lanzaderas
DESTINOS DEL PIRUVATO
El piruvato, formado en la glucólisis, puede continuar su metabolismo a través de tres rutas
catabólicas distintas según el medio ambiente, el tipo celular y las necesidades celulares.
-Fermentación alcohólica: En algunos microorganismos como las levaduras, el piruvato se
descarboxila y se reduce produciendo etanol y dióxido de carbono.
- Fermentación láctica: En ciertas bacterias denominadas bacterias ácido lácticas (BAL) y durante
una contracción vigorosa del músculo esquelético la que debe producirse con bajas concentraciones
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de oxígeno,
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el piruvato se reduce a lactato. En células que carecen de mitocondrias, como
eritrocitos y células de la retina, convierten la glucosa a lactato incluso en condiciones aeróbicas.
En estas reacciones de fermentación se re-oxida el NADH citosólico.
- Oxidación en condiciones aeróbicas: En presencia de oxígeno el piruvato se descarboxila y se
oxida dando lugar a la formación de Acetil-CoA.
Fermentación láctica
(músculo en contracción, BAL)
Fig 5.1 Destinos Metabólicos del Piruvato. Feduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica.
1° Edición.
CONVERSIÓN DEL PIRUVATO EN ACETIL- COA
Cuando existe suficiente provisión de oxígeno dentro de la célula, el piruvato ingresa a la
matriz mitocondrial a través de una proteína transportadora específica presente en la membrana
mitocondrial interna, y por descarboxilación oxidativa se convierte
en Acetil-CoA. En este
reacción interviene un complejo multienzimático denominado Piruvato deshidrogenasa.
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Fig 5.2 Descarboxilación oxidativa de Piruvato. Harvey, Champe, Ferrier. Bioquímica. 3° Edición
El complejo Piruvato deshidrogenasa está formado por tres enzimas y cinco coenzimas a saber:
E1: Piruvato deshidrogenasa
E2: Dihidrolipoamida transacetilasa
E3: Dihidrolipoamida deshidrogenasa
5 Coenzimas: TPP, Ácido lipoico, FAD, NAD, CoASH
El TPP o pirofosfato de tiamina actúa como transportador de carbonos; el ácido lipoico,
FAD y NAD como transportadores de equivalentes de reducción y la Coenzima A forma una unión
rica en energía con un grupo carboxilo formándose Acetil-CoA.
El NADH producto de esta reacción entrega los equivalentes de reducción al complejo I de la
cadena respiratoria permitiendo la formación de 3 ATP.
Este complejo está regulado alostéricamente (inhibida por acetil-CoA y NADH)
y por
modificación covalente (activa cuando está desfosforilada).
CICLO DE KREBS
El Ciclo de Krebs o Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos, es una secuencia de reacciones que
constituye la ruta central común para la degradación de los restos carbonados que, en forma de
Acetil-coenzima A, derivan del catabolismo de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos. Estas
secuencias de reacciones enzimáticas tienen lugar en los organismos aeróbicos y ocurre en la
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matriz mitocondrial, en donde todas las enzimas se encuentran libres, excepto la succinato
deshidrogenasa que está unida a la cara interna de la membrana mitocondrial interna.
El Ciclo se considera un sistema cerrado donde a través de una secuencia de nueve
reacciones la Acetil-coenzima A se degrada hasta CO2 , formándose coenzimas reducidas cuyos
equivalentes de reducción ingresan a la cadena respiratoria a nivel de los complejos I y II con
formación de ATP y agua.
Si bien el Ciclo de Krebs es una vía catabólica donde se oxida Acetil- CoA hasta CO2,
varios de los intermediarios están relacionados con otras vías metabólicas pudiendo ser utilizados
en la síntesis de otros compuestos, en este caso el Ciclo de Krebs aporta precursores para distintos
procesos anabólicos. Esta participación del Ciclo en ambos procesos, catabólicos y anabólicos,
permiten considerar al mismo como una vía anfibólica.
Fig 5.3 Ciclo de Krebs. Lim, Roach. Lo esencial en metabolismo y nutrición. 3°Edición.
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Enzimas del Ciclo de Krebs
12345678-
Citrato sintasa.
Aconitasa.
Isocitrato deshidrogenasa.
Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa.
Succinato tioquinasa.
Succinato deshidrogenasa.
Fumarasa.
Malato deshidrogenasa.
Regulación del Ciclo de Krebs
Indirectamente el Ciclo de Krebs está controlado por el complejo de la Piruvato
Deshidrogenasa. El ciclo propiamente dicho está regulado en tres puntos principales:
1° Punto de Control: A nivel de Citrato sintasa la cual es una enzima alostérica que es inhibida
por el NADH, ATP y por el producto: citrato.
2° Punto de Control: A nivel de Isocitrato deshidrogenasa, esta enzima es estimulada
alostéricamente por ADP y es inhibida por NADH y ATP.
3° Punto de Control: A nivel de la α-cetoglutarato deshidrogenasa, esta enzima es inhibida por
ATP, NADH y el producto: succinil-CoA. En músculo es activada por iones calcio.
Función anaplerótica del Ciclo de Krebs
Varios de los intermediarios del Ciclo están relacionados con otras vías metabólicas, pudiendo
ser utilizados para la biosíntesis de otros compuestos. Para un buen funcionamiento del Ciclo estos
intermediarios deben reponerse, las reacciones que proveen de los mismos se denominan reacciones
de relleno o anapleróticas. Las más importantes son:
•
PIRUVATO CARBOXILASA
biotina
•
ENZIMA MÁLICA
•
REACCIONES DE TRANSAMINACIÓN: Se estudiaran en el trabajo práctico de
aminoácidos.
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SISTEMAS DE LANZADERAS O CONMUTADORES
Los sistemas de lanzaderas o conmutadores son sistemas de transferencia de los
equivalentes de reducción producidos en reacciones de óxido reducción citosólicas, dado que la
membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH.
Lanzadera de Glicerofosfato
Este sistema conmutador está presente en músculo esquelético y en cerebro (Fig. 4.5)
-
Dihidroxiacetona- P acepta los hidrógenos del NADH, reduciéndose a glicerol-3-P en una
reacción catalizada por Glicerofosfato Deshidrogenasa citosólica (GPDH).
-
El glicerol-3-P atraviesa la membrana externa de la mitocondria.
-
En la cara externa de la membrana interna mitocondrial
se ubica la enzima
Glicerofosfato Deshidrogenasa mitocondrial, que cataliza la oxidación de glicerol-3-P a
Dihidroxiacetona-P y transfiere los equivalentes de reducción al FAD unido a la enzima
formándose FADH2.
-
FADH2 cede los equivalentes de reducción a la coenzima Q, de esta manera los
equivalentes de reducción ingresan a la cadena respiratoria.
Fig 5.4 Lanzadera glicerol-fosfato. . Feduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición.
EL RENDIMIENTO SERÁ DE 2 MOLÉCULAS DE ATP POR CADA PAR DE ELECTRONES.
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Otro sistema conmutador de equivalentes de reducción es la llamada lanzadera malatoaspartato que estudiaremos en el trabajo práctico de aminoácidos. Este sistema involucra la enzima
malato deshidrogenasa mitocondrial que utiliza NAD+ como aceptor de equivalentes de reducción
por lo tanto el rendimiento será de 3 moléculas de ATP por cada par de electrones transferido a
cadena respiratoria.
BALANCE ENERGÉTICO TOTAL DEL CICLO DE KREBS
-Reacción de las deshidrogenasas nicotinamídicas: 3 NADH (3 x 3) se sintetizan
9 ATP
-Reacción de la deshidrogenasa flavínica:
1 FADH2 (1 x 2) se sintetizan
2 ATP
-Fosforilación a nivel de sustrato:
1 GTP se sintetiza
1 ATP
Sintesis total por cada Acetil-CoA que se oxida en el Ciclo de Krebs:
12 ATP
BALANCE TOTAL POR MOL DE GLUCOSA QUE SE OXIDA HASTA CO2 y H2O
-GLICÓLISIS: Por fosforilación a nivel de sustrato se sintetizan
2 ATP
-2 NADH citosólico: por sistema lanzadera (2 o 3 ATP c/u) sintetizan
4 ó 6 ATP
-Deshidrogenación de 2 piruvatos: A partir de 2 NADH (2 x 3) se sintetizan
6 ATP
-A partir de 2 moléculas de piruvato se sintetizan 2 Acetil-CoA
En ciclo de Krebs a partir de 2 Acetil-CoA (12 + 12) se sintetizan
POR MOL DE GLUCOSA SE PRODUCEN EN TOTAL:
24 ATP
36 ó 38 ATP
Fig 5.5 Esquema del catabolismo oxidativo de la glucosa- Qca. Biológica A.Blanco.9°Ed.
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GLUCONEOGÉNESIS
La gluconeogénesis es el proceso de biosíntesis de glucosa a partir de compuestos no
glucídicos (por ejemplo: alanina, lactato, glicerol). Es una vía activa cuando en la dieta hay carencia
de
carbohidratos, en situaciones fisiológicas como el ayuno prolongado y en ciertos estados
patológicos como la diabetes no tratada, en este último caso la glucosa no puede ingresar a la célula
para ser utilizada como fuente de energía. La glucosa es indispensable en algunos tejidos como el
sistema nervioso y en ciertas células que carecen de mitocondrias como los glóbulos rojos. En
humanos, el hígado es el órgano principal donde tiene lugar esta vía, siendo éste el encargado de la
homeostasis de la glucosa.
Desde el punto de vista energético la síntesis de glucosa por gluconeogénesis es un proceso
muy costoso. Las reacciones tienen lugar en dos compartimentos celulares: citosol y matriz
mitocondrial.
La gluconeogénesis no es simplemente el camino inverso a la glucólisis, pues las reacciones
irreversibles de esta última, deben ser suplidas por reacciones catalizadas por enzimas diferentes.
En la vía glicolítica, la reacción de piruvato quinasa es irreversible por lo tanto, la célula
incorpora el piruvato a la matriz mitocondrial y lo transforma en oxalacetato mediante la reacción
catalizada por la piruvato carboxilasa que requiere ATP y biotina como cofactor, para introducir
una molécula CO2 y formar el oxalacetato de 4 átomos de carbono.
piruvato carboxilasa
Piruvato + CO2
ATP
biotina
oxalacetato
ADP + Pi
El oxalacetato se reduce a malato por acción de la enzima malato deshidrogenasa y
atraviesa la membrana mitocondrial. En el citosol el malato se oxida nuevamente a oxalacetato por
acción de la isoenzima citosólica. A continuación tiene lugar la primer reacción de desvío que
utiliza como enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, que cataliza la reacción de formación de
fosfoenolpiruvato y así continua el camino inverso de la vía glicolítica hasta fructosa 1,6 bifosfato.
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa
fosfoenolpiruvato + CO2
Oxalacetato
GTP
GDP + Pi
Para poder llegar a glucosa, es necesario que actúen dos fosfatasas para revertir las restantes dos
reacciones irreversibles:
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Fructosa 1,6 bifosfato +
H2O
Fructosa -6-P + Pi
Glucosa-6-fosfato + H2O
Glucosa + Pi
ESQUEMA DE LA GLUCONEOGENESIS
Fig 5.6 Pasos de la gluconeogénesis, enfrentados a los de la glucólisis. Se señala en rojo los pasos en
los que se diferencian ambas vías. Feduchi, Blasco, Romero, Yañez. Bioquímica. 1° Edición.
VÍA DE LAS PENTOSAS
La glucosa-6-fosfato puede catabolizarse por la Vía de las Pentosas, una ruta alternativa
para el metabolismo de la glucosa, localizada en el citoplasma celular. Los objetivos fundamentales
de esta vía son: formación de NADPH y síntesis de ribosa-5-fosfato. El NADPH es el principal
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agente reductor de la célula, utilizado principalmente en procesos de biosíntesis (síntesis de ácidos
grasos, colesterol, esteroides, etc) y en procesos de detoxificación de la célula. La ribosa-5-fosfato
es necesaria para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. En eritrocitos la vía de la pentosas
fosfato es importante por la necesidad de NADPH que actúa como reductor del glutatión oxidado.
La Vía de las Pentosas es muy activa en hígado, tejido adiposo, glándulas suprarrenales y glándula
mamaria lactante.
Esta ruta posibilita la interconversión de varios carbohidratos de 3, 4,5, 6 y 7 átomos de
carbono, algunos de los cuales son también intermediarios de la Vía Glicolítica. (gliceraldehído-3fosfato y fructosa-6-fosfato).
Para comprender las reacciones que tienen lugar en esta vía se consideran dos fases: Fase
oxidativa (reacciones irreversibles) y Fase no oxidativa (reacciones reversibles).
Fase Oxidativa:
Esta fase consta de tres reacciones irreversibles, dando como resultado la formación de
Ribulosa-5-P, CO2, y dos moléculas de NADPH por molécula de glucosa-6-P que se oxida.
Fig 5.7 Fase oxidativa de la vía de las Pentosas fosfato.
Lim, Roach. Lo esencial en metabolismo y nutrición. 3°Edición.
.
La glucosa 6 fosfato deshidrogenasa y la 6-fosfogluconato deshidrogenasa son dos enzimas que
actúan como oxido-reductasas, son enzimas nicotinamídicas que tienen como coenzima el NADP
oxidado. Este es otro ejemplo donde la niacina o vitamina B3 es necesaria para la síntesis de la
coenzima. La glucosa 6 fosfato deshidrogenasa es la enzima reguladora de la vía de las pentosas
fosfato siendo inhibida por uno de sus productos el NADPH. La deficiencia de esta enzima provoca
fragilidad de los glóbulos rojos que conlleva a anemia.
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Fase no oxidativa
La Fase no oxidativa consta de una serie de cinco reacciones reversibles donde ocurren
interconversiones desde Ribulosa-5-P que se convierte en Ribosa-5-P para la síntesis de nucleótidos
o en intermediarios de la glucólisis tales como gliceraldehído-3-P o fructosa-6-P.
Fig 5.8 Fase no oxidativa de la vía de las Pentosas- fosfato.
Lim, Roach. Lo esencial en metabolismo y nutrición. 3°Edición.
En esta fase se producen una heptosa (7 C, seudoheptulosa-7-P), una hexosa (fructosa-6-P),
dos pentosas (ribosa-5-P y xilulosa-5-P), una tetrosa (eritrosa-4-P) y una triosa (gliceraldehído-3-P).
Intervienen dos enzimas que transportan unidades de tres ó dos carbonos, la transaldolasa y
transcetolasa respectivamente. Esta última enzima requiere como cofactor pirofosfato de tiamina,
derivado de la vitamina B1 o tiamina.
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BIBLIOGRAFÍA
BLANCO, A., "Química Biológica", Ed. El Ateneo, 8° Edición, Bs.As, 2006. Reimpresión año
2007
FEDUCHI, E, BLASCO I, ROMERO, C , YAÑEZ, E. Bioquímica. Conceptos esenciales, Editorial
Panamericana, 1° Edición, 2010. Reimpresión año 2011.
LEHNINGER, A.L., NELSON, D., COX, M., "Principios de Bioquímica", Editorial Omega, S.A.,
4° Edición, 2006. Reimpresión año 2008.
CHAMPE, HARVEY, FERRIER, “Bioquímica”, Editorial Mac Graw- Hill Interamericana, 3°
Edición. 2006.
LIM, M.Y; ROACH, J. Lo esencial en el metabolismo y nutrición. Editorial Mosby. 3° Edición.
2010.
PROBLEMAS DE APLICACIÓN
1- Observa el esquema y contesta:
a..¿Cómo se llama el proceso D y en qué lugar de la
célula ocurre?
b. ¿Cómo se denominan los procesos A, G y E?
c. ¿En qué parte de la célula se produce el proceso B y cómo se
denomina?
d. ¿Cuál es el rendimiento energético del proceso C y cómo se
denomina?
2- Calcule el balance energético total de la producción de ATP para una molécula de Glucosa
degradada. Considere:
-Rendimiento neto de ATP de la Glucólisis hasta piruvato, considerando la lanzadera de
glicerofosfato.
- Rendimiento neto de ATP de la Descarboxilación Oxidativa de Piruvato
- Rendimiento neto de ATP por degradación de Acetil-CoA en el Ciclo de Krebs
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3- El Ciclo de Krebs, al degradar una molécula de Acetil-CoA genera:
a. 1 ATP y 3 NADH+ H+
b. 1 GTP, 3 FADH2 y 1 NADH+ H+
c. 1 ATP y 1 FADH2
d. 1 GTP, 1 FADH2 y 3 NADH+ H+
4- Con respecto a la lanzadera del Glicerofosfato, responda verdadero o falso y justifique cada
respuesta:
a. Transporta los equivalentes de reducción desde NADH citosólico al interior de la
mitocondria
b. El dador de equivalentes de reducción es la Dihidroxiacetona fosfato.
c. En el interior de la mitocondria genera FADH2
d. Solo participa la isoenzima citosólica de la Glicerofosfato deshidrogenasa.
e.
5- Si un mol de glucosa que se oxida a CO2 y H2O produce 686 kcal, teniendo en cuenta que 1 ATP
produce 7,3 kcal, calcule el total de kcal producido por mol de glucosa y su rendimiento energético.
6- ¿Cuál de los siguientes compuestos no es un destino metabólico del piruvato?
a. Flavina
b. Etanol
c. Lactato
d. Acetil-CoA
7- ¿Cuál de los siguientes compuestos se obtiene en la fase oxidativa de la Vía de las Pentosas?
a. Eritrosa-4-P
b. 6-fosfogluconato
c. Pseudoheptulosa-P
d. Ribosa 5-P
8- Indique cuáles de las siguientes reacciones se producen exclusivamente en la gluconeogénesis:
a. Lactato
Piruvato
b. Fructosa-1,6-bisP
Fructosa-6-P
c. Glucosa-6-P
Fructosa-6-P
d. 1,3-difosfoglicerato
Gliceraldehído-3-P
e. Piruvato
Fosfoenolpiruvato
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PROBLEMAS PROPUESTOS
1- La conversión de Piruvato en Acetil-CoA:
a- Es reversible.
b- Ocurre en el citosol.
c- Depende de la coenzima Pirofosfato de Tiamina.
d- NADH y acetil-CoA son moduladores positivos de piruvato deshidrogenasa
(enzima alostérica).
2- Con respecto al Ciclo de Krebs responda
a. ¿En qué lugar de la célula están localizadas las enzimas del Ciclo de Krebs?
b. ¿Por qué el Ciclo del Ácido Cítrico se considera como parte del metabolismo aeróbico
aunque el oxígeno molecular no aparece en ninguna reacción?
c. Realice un esquema del Ciclo y señale las reacciones en donde las coenzimas que son
reducidas ceden los equivalentes de reducción a la cadena respiratoria.
d. ¿Cuál es el sentido metabólico de este acoplamiento con el transporte electrónico?
3- Sistema de Lanzaderas
Respecto a la lanzadera del Glicerol fosfato indique:
a. Función
b. Órganos en que es activa
c. Esquematice la lanzadera e indique las enzimas
4- Vía de las Pentosas
a. ¿Qué intermediario de la vía glicolítica puede ser oxidado para iniciar esta
vía alternativa?
b. Esta vía es significativa en ciertos tejidos y órganos. Cite alguno de ellos y
fundamente su respuesta.
c. ¿Qué importancia funcional tiene esta vía? Señale los metabolitos que se
producen y las rutas metabólicas donde pueden ser incorporados.
5- Gluconeogénesis
a. ¿En qué condiciones fisiológicas o metabólicas se activa esta vía?
b. ¿Cuáles son los sustratos que utiliza?
c. Esquematice las reacciones de la vía que tienen lugar en la mitocondria y las reacciones del
citosol.
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d. ¿Cómo se regula la vía?
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