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BIOQUIMICA
Tercer Parcial
ENZIMAS
Las enzimas son polímeros biológicos que catalizan las reacciones químicas
que hacen la vida posible como se conoce. La presencia y conservación
de un conjunto completo y equilibrado de enzimas que son esenciales para
la desintegración de los nutrientes a fin de proporcionar la energía y las
unidades químicas de construcción; para el ensamble de esas unidades de
construcción en proteínas, DNA, membranas, células y tejido para el
aprovechamiento de la energía para impulsar la motilidad celular y la
contracción del músculo. Con excepción de unas moléculas de RNA
catalizadoras, o ribosomas, la mayoría de las enzimas son proteínas.
Las deficiencias en la cantidad o la actividad catalíticas de las enzimas
claves pueden ser ocasionados por defectos genéticos, deficiencias de
nutrientes o toxinas. Las enzimas defectuosas pueden ser el resultado de
mutaciones genéticas o infección por patógenos virales o bacterianos. Los
científicos médicos atienden los desequilibrios en la actividad enzimática
por medio de agentes farmacológicos que inhiben enzimas específicas, y
están investigando la terapia génica como medio para remediar las
deficiencias o función de la enzima.
LAS ENZIMAS SON CATALIZADORES EFICACES Y MUY ESPECÍFICOS
Las enzimas que catalizan la conversión de uno o más compuestos
(sustratos) en uno o más compuestos distintos (productos) mejoran la
velocidad de reacción no catalizadas correspondientes por factores de por
lo menos 106. Al igual que todos los catalizadores las enzimas no se
consumen, ni se modifican en forma permanente como consecuencia de
su participación en una reacción.
La especificidad de las enzimas puede ser de tres clases:
1
a. Especificidad absoluta, cuando únicamente actúa sobre un sustrato,
ejemplo ureasa actúa sobre la urea.
b. Especificidad relativa, cuando una enzima actúa sobre dos o más
sustratos, aunque con diferente intensidad, por ejemplo la lipasa actúa
sobre los ácidos grasos.
c. Especificidad de la vía de reacción. Cuando una enzima descompone
un sustrato de manera especial. Esta especificidad esta ligada a la
naturaleza de la coenzima.
Son catalizadores extremadamente selectivos, pueden actuar a nivel intra
o extracelular. Son específicas tanto para el tipo de reacción catalizada
como para un solo sustrato o un pequeño conjunto de sustratos
estrechamente relacionados. Son solubles en agua y tienen gran
difusibilidad en los liquidos organicos. Las enzimas son catalizadores estero
específicos y, por lo general, catalizan reacciones solo de estéreo isómeros
específicos de un determinado compuesto por ejemplo D-pero no Lazucares, L-pero no D-aminoácidos. La sintetizan tanto los seres autotróficos
como los heterotróficos.
Son susceptibles de ser inhibidas- No alteran el equilibrio de las reacciones.
Intercambian diferentes formas de energía – Son activas a concentraciones
pequeñas.
CENTRO ACTIVO
Las propiedades catalíticas de las enzimas se deben a la existencia de ellas
de un centro activo al que se une al sustrato durante el ciclo catalítico. La
cual es una zona de proteínas enzimáticas que se unen al sustrato formando
un complejo enzima sustrato que cataliza sus transformaciones y es
responsable de la especificidad y de la actividad catalítica de la enzima, sin
embargo el grado de especificidad de la enzima es variable. Las izoenzimas
son proteínas distintas que catalizan la misma reacción.
E + S ↔ E.S. ↔ E + P
Modelo de Fisher: (Llave cerradura)
Modelo de Koshland – Netf (Ajuste inducido)
2
La especificidad de las enzimas se explica mediante el modelo de la llave y
la cerradura, propuesto por Fisher, el cual la forma del centro activo es
complementaria de la del sustrato y encaja perfectamente en éste. Sin
embargo, se sabe que al unirse el sustrato a la enzima se puede producir
deformaciones en algún enlace del sustrato de la enzima o de ambos. La
reacción de esta deformación seria precisamente llegar a alcanzar una
mayor complementariedad entre el centro activo y el sustrato. Esta idea fue
de Koshland y Neet en 1968 en modelo de guante y la mano o modelo de
ajuste inducido.
Los enlaces que se presentan en este complejo enzima-sustrato suelen ser
de tipo no covalente, y por lo tanto, débiles. La unión de la enzima sustrato
es un producto reversible.
CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Se enumeran seis clases de enzimas que son:
Clase 1: Las oxidorreductasa catalizan oxidaciones y reducciones, ejemplo;
succinato deshidrogenasa a la citocromo oxidasa.
Clase 2: Las transferasas catalizan las transferencias de grupo como metilo
o glucosilo de una molécula aceptora, por ejemplo:
Glucosa + ATP ------------- ADP + Glucosa-6-P
Clase 3: Las hidrolasas catalizan la ruptura hidrolitica de los enlaces C-C, CO, C-N, P-O y algunos otros incluso enlaces ácidos anhídridos. Ejemplo:
Lactosa + Agua ------------- Glucosa + Galactosa
Clase 4: Las liasas catalizan la ruptura de los enlaces C-C, C-O, C-N y otros
enlaces mediante eliminación, dejando enlace doble pero también
agregan grupo a los enlaces dobles. Ejemplo:
Ácido acetacetico ------------- CO2 + Acetona
3
Clase 5: Las isomerazas catalizan cambios geométricos o estructuras dentro
de una sola molécula. Ejemplo: Gliceraldehído 3-P ------------Dihidroxiacetona P
Clase 6: Las ligazas catalizan la unión de 2 moleculas acopladas a la hidrólisis
de un grupo pirofosforilo en el ATP o un trifosfato nucleosido similar, ejemplo:
Piruvato + CO2 + ATP ------------- Oxalacetato + ADP + Pi
Los grupos protéticos, cofactores y coenzimas desempeñan papeles
importantes en la catálisis. Muchas coenzimas contienen pequeñas
moléculas no proteicas e iones metálicos que se relacionan de manera
directa en la unión o catálisis del sustrato.
Los grupos prostéticos están fuertemente integrados a la estructura de la
enzima.
Los cofactores se asocian en forma reversible con la enzima a los sustratos.
Muchas coenzimas, cofactores y grupos prostéticos provienen de la
vitamina B.
COENZIMAS
Son moléculas orgánicas específicas no proteicas que catalizan la reacción
de la enzima. Las coenzimas se unen a una enzima para ayudarla a actuar
sobre los substratos, es decir, actúan como coadyuvantes de la función
enzimática. Actúan como aceptores o donadores de grupos o átomos que
se eliminan o incorporan al substrato.
Algunos autores consideran a las coenzimas: Grupos prostéticos de las
enzimas.
Los llamados cofactores se diferencian de las coenzimas porque en vez de
moléculas orgánicas son iones metálicos, Ej.: El ión magnesio de la enzima
que utiliza A.T.P., el ión cúprico de la citocromooxidasa, el ión ferroso de los
citocromos frecuentemente las coenzimas se forman a partir de las
vitaminas del complejo B.
Hay 2 clases de coenzimas:
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1. Las que actúan para transferir grupos distintos de hidrógeno: Son el A.T.P.,
coenzima A, fosfatos de azucares, ácidos lipoicos, vitaminas del
complejo B.
2. Las que actúan para transferir hidrógeno: Son el ácido lipoico, coenzima
Q (ubiquinona, oxidasa y reducida), N.A.D., N.A.D.P., F.M.N., F.A.D.
Las enzimas que necesitan de las coenzimas para sus reacciones son las de
la clase 1 (oxidorreductasa), 2 (transferasa), 5 (isomerasa), 6 (ligasa). Las
enzimas de la clase 3 (hidrolasa) y 4 (liasas) no requieren de coenzimas.
ACTIVADORES E INHIBIDORES ENZIMÁTICOS
Los activadores de la acción enzimática son aquellas sustancias que
favorecen el trabajo de las enzimas. Pueden ser inorgánicos como el HCl,
NaCl, algunos iones metálicos (K, Ca, Fe), etc., y orgánicos como la vitamina
C, las coenzimas, las quinasas (cinasas).
Antienzimas o inhibidores enzimáticos o paralizadores, son aquellas
sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática.
Pueden ser de 3 clases:
a. Competitivos: Son aquellos compuestos que tienen estructuras químicas
análoga al substrato. Engañan a la enzima para formar el complejo EI
(enzima-inhibidores) en vez de ES (enzima-substrato). Actúan como
agentes quimioterapéuticos potentes, tales como los medicamentos
conocidos como: sulfamidicos cuando bloquean las reacciones
enzimáticas de los parásitos o bacterias. Muchos microorganismos
requieren ácido para amino-benzoico (PABA), para formar ácido fólico;
los sulfamidicos tienen estructura similar al PABA, y se formará el complejo
E-sulfa, que impide la formación del ácido fólico, cuya deficiencia es
mortal para los microbios.
b. No Competitivos: Pueden ser reversibles, cuando retardan la acción
enzimática pero no la impiden. Pueden ser irreversibles y actúan como
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venenos enzimáticos porque producen una reacción enzimática
irreversible, como los ácidos fuertes, álcalis concentrados, metales
pesados, oxidantes, etc.
c. Alostéricos: Es cuando una sustancia se une a la enzima en un punto
distinto al sitio activo de la enzima para producir un cambio en la
configuración de la enzima. Esta inhibición enzimática es la de mayor
importancia fisiológica.
PROENZIMAS (Zimogenos)
Son los precursores de las enzimas y corresponden a la forma inactiva de las
enzimas. Para volverse catabólicamente activas las proenzimas deben
experimentar una proteólisis. Este es el caso del zimogeno pepsinógeno, que
se elabora y se segrega por las células principales de la mucosa gástrica. El
pepsinógeno, por acción de la misma pepsina y la acidez del jugo gástrico
se convierte en la enzima activa, llamada pepsina.
Las proenzimas son características de las enzimas digestivas, de las enzimas
de la coagulación sanguínea y de las que disuelven los coágulos
sanguíneos.
Otra clase de proenzima, es la proinsulina.
ISOZIMAS (Isoenzimas)
Son formas físicamente diferentes de la misma enzima que tienen la misma
actividad catalítica.
FACTORES QUE MODIFICAN LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
Para que una reacción enzimática se realice en forma eficiente y de
resultados óptimos se requieren varios factores:
a. Concentración de la Enzima: Las enzimas actúan en pequeñísimas
cantidades con relación al substrato. En condiciones apropiadas, la
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velocidad de una reacción enzimática será directamente proporcional
a la cantidad de enzima presente.
b. Concentración del substrato: La relación entre las concentraciones de
enzima y substrato es importante para determinar la velocidad y la
intensidad de una reacción enzimática. La concentración del substrato
determina el grado de saturación de las enzimas.
c. Temperatura: A 0° C la actividad de una enzima es nula, pero no se
destruye; al aumentar la temperatura la enzima recupera su actividad y
alcanza su máxima actividad. La temperatura óptima de la reacción es
de 37° C.
-
A los 70° C las enzimas se destruyen, o sea, que son termolábiles, y este
proceso es irreversible.
-
La velocidad se duplica cuando aumenta la temperatura en 10° C y
se reduce a la mitad cuando la temperatura decrece en 10° C.
-
La temperatura óptima depende del medio en que vive la célula.
d. pH: Cada enzima tiene un pH óptimo, por encima o por debajo de este
valor las enzimas disminuyen su actividad hasta volverse inactivas.
Los valores óptimos de pH van de 5.0 a 9.0 excepto algunas como la
pepsina.
El pH afecta el estado iónico de la enzima y el substrato.
LAS ENZIMAS EN EL DIAGNÓSTICO CLÍNICO
La enzimología clínica constituye un gran aporte al diagnóstico de muchas
enfermedades.
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Tabla. Algunas enzimas de interés clínico
Enzima
α-amilasa
Alteración
Elevada en la pancreatitis aguda, o en la
insuficiencia renal crónica.
Disminuida en casos de pérdida importante de
función pancreática, como la fibrosis quística.
Creatina cinasa (CK)
Elevada en el infarto de miocardio (isoenzima
MB), y en las afecciones musculares (isoenzima
MM).
Lactato
deshidrogenasa (LDH)
Hasta cierto punto inespecífica debido a su
ubicuidad.
Elevada en patologías musculares, cardiacas,
renales, hepáticas, y en anemias hemolíticas.
Aminotransferasas
(transaminasas)
γ-glutamil-transferasa
(γ-GT)
Fosfatasa alcalina
Fosfatasa ácida
Enzima convertidora
de angiotensina
Acetilcolinesterasa
Elevadas en enfermedades hepáticas como la
hepatitis o la cirrosis.
Elevada en enfermedades hepatobiliares y en el
alcoholismo.
Elevada en las hepatopatías.
La isoenzima prostática se eleva en el cáncer de
próstata.
Elevada en el cáncer de pulmón.
Disminuida en enfermedades hepáticas y en el
infarto de miocardio.
Disminuida tras la intoxicación con insecticidas
organofosforados.
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Tercer parcial
BIOENERGÉTICA
El estudio de los principios de la termodinámica y las características que
regulan las transferencias de energía.
Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de
energía que obtienen de su entorno.
Las células fotosintéticas.
Las células heterotróficas.
Transferencia de energía en los heterotróficos obtienen su energía a partir
de la degradación de nutrientes en procesos oxidativos típicamente
exergonicos (que liberan energía), acoplados mediante intermediarios
apropiados, a procesos endergonico o que requieren energía para poder
realizarse.
FLUJO DE ENERGÍA EN LAS CÉLULAS
El proceso primario en la liberación de energía química útil es la de
degradación oxidativa de las moléculas de nutrientes orgánicos tales como
la glucosa.
Oxidación: Perdida de electrones por parte de un átomo o molécula.
Reducción. Ganancia de electrones.
Los dadores de electrones son agentes reductores y los aceptores de
electrones son agentes oxidantes.
Los dadores de electrones son los nutrientes como la glucosa, ácidos grasos
y aminoácidos.
AEROBIOS, utilizan el oxigeno como aceptor final.
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FERMENTACIÓN. Las moléculas de nutrientes experimentan oxido –
reducción en ausencia de oxigeno.
El proceso de oxidación o transferencia de electrones de los nutrientes es la
fuente principal de energía química en las células; en las aeróbicas el
oxidante o el aceptor de electrones es el oxigeno y en las anaerobias puede
ser una sustancia orgánica derivada de la misma molécula de nutrientes.
Parte de la energía liberada en los procesos oxidativos se conservan en
energía química mediante el ATP. Es una especie de transportador de
energía química desde las moléculas de nutrientes hacia aquellos procesos
o relaciones de la célula que solo se realizan si se le suministra energía.
CO2
ATP
Oxidación productora de
energía de las moléculas
combustibles
O2
Biosíntesis
(Trabajo
Químico)
Transporte
(Trabajo
Osmótico)
Contracción
(Trabajo
Mecánico)
ADP + Pi
El ATP es el intermediario que a nivel biológico acopla procesos que liberan
energía con procesos que requieren energía.
EL SISTEMA ATP-ADP Y LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA QUÍMICA
Tres son las observaciones:
a. La demostración de que el ATP por fosforilización del ADP durante la
degradación de la glucosa en extractos de tejido de animales.
b. El descubrimiento de que el ATP se hidroliza durante la contracción
muscular.
c. El hallazgo de que el ATP promueve la síntesis del glucógeno in vitro. Por
lo tanto, el ATP es un vinculo de unión entre el proceso que libera energía
(exergonicos) y procesos que requieren energía (endergonico).
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GLUCOLISIS
Importancia biomédica
Casi todos los tejidos tienenen al menos ciertos requerimientos de glucosa.
En el cerebro esa demanda es considerable. Puede funcionar de manera
aerobica y anaerobia según la disponibilidad de oxigeno y la cadena de
transporte de electrones. Los eritrocitos que carecen de mitocondrias,
dependen por completo de la glucosa como su combustible metabolico y
la metabolizan mediante glucolisis anaeróbicas.
Las enfermedades en las cuales hay deficiencia de las enzimas de la
glucolisis (piruvatocinasa) se observa como anemia hemolítica o si el
defecto afecta el musculo esquelético (fosfofructosinasa) como fatiga. En
las células cancerosas en crecimiento rápido, la glucolisis produce un índice
alto,formando grandes cantidades de piruvato, el cual es reducido a
lactato y luego es exportado.
Del griego glycos: azúcar y lysis: rupturas. Es el primer paso de la respiración,
es una secuencia compleja de reacciones que se realizan en el cito sol de
la célula y por el cual la molécula de glucosa se desdobla en 2 moléculas
de ácido piruvico.
Es el ciclo metabólico más difundido en la naturaleza, también se le conoce
como ciclo de Embden- Meyerhof. Se le encuentra en los 5 reinos. Muchos
organismos obtienen su energía únicamente por la utilización de este ciclo.
El mismo esta catalizado por 11 enzimas que se encuentran en el citoplasma
de la célula pero no en las mitocondrias.
El ciclo se puede dividir en dos etapas:
1- Fase de inversión de energía: En esta etapa de preparación fase de 6
carbono) se activa la glucosa con el agregado de 2 grupo fosfatos
proveniente del ATP, gasto neto de 2 Pi (o sea 2 uniones de alta energía). La
molécula de glucosa se divide en 2 moléculas de 3 carbonos: el
gliceraldehido-3- fosfato (G3P) y la dihidroxiacetona fosfato esta última
luego se transforma en gliceraldehido 3 fosfato G3P.
.
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• Fase de oxidación (producción de energía): Cada gliceraldehido 3- P se
oxida hasta piruvato, en la primera fase se invierten 2 ATP y durante esta fase
se liberan 4 moleculas de ATP lo que da un rendimiento neto de 2 ATP Parte
de la energía producida es temporariamente guardada como NADH
(reducido). Parte es usada para agregar un fosfato inorgánico a la molécula
de 3 carbonos para dar origen al ácido 1-3 difosfoglicerico. El resto de la
energía se libera como calor.
En las reacciones que siguen los grupos fosfatos de 1-3 difosfoglicericos son
cedidos (uno por vez) al ADP para formar ATP. Esto se conoce como
fosforilización a nivel del sustrato.y luego sigue las reaccines hasta producir
piruvato.
FASE DE INVERSIÓN DE ENERGÍA
Glucosa
ATP
Fosforilización
1
ADP
Hexoquinasa
Glucosa 6-P
2 Isomerización
Fosfoglucoisomerasa
Fructosa 6-P
ATP
Fosforilización
3
ADP
Fosfofructoquinasa
Fructosa bifosfato
Ruptura
Aldolasa
Dihidrociatenafosfato
Gliceraldehido 3-P
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Reacción 1-Primera Inversión de ATP
Glucosa + ATP Mg (1) α-D-Glucosa 6-P + AP + H+
Hexoquinasa
Reacción 2 – Isomerización de la Glucosa – 6 – Fosfato
α-D-Glucosa 6-Fosfato (2) D-Fructosa – 6 – Fosfato
Reacción 3- Segunda Inversión de ATP
D-Fructosa-6-P + ATP Mg (3) Fructosa 1,6 – Bifosfato + ADP +Pi
Reacción 4 – Fragmentación en 2 Triosa fosfato
Fructosa 1,6-Bifosfato (4) Dihidrociateno + D-Gliceraldehído 3-Fosfato
Reacción 5- Isomerización de la Dihidroxiacetonafosfato
Dihidroxiacetona fosfato (5) D-Gliceraldehido 3-Fosfato
Enzimas que intervienen
1. Hexoquinasa
2. Fosfoglucoisomerasa
3. Fosfofructoquinasa
4. Aldolasa
Reacción 6-10- Fase de generación de energía
Gliceraldehido 3-Fosfato
Oxidación y
2NAD + 2Pi
Fosforilización
2NADH + 2H+
1.3 Bifosfoglicerato
Fosforilización
2ADP
A nivel del P
2ATP
3-Fosfoglicerato
Isomerización
2-Fosfoglicerato
Deshidratación
H2O
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Fosfoenolpiruvato
Fosforilización
2ADP
A nivel del P
2ATP
2 Piruvato
Reacción 6: Generación del 1° Compuesto de alta energía
Gliceraldehído 3-Fosfato + NAD + Pi (1) 1-3-Bifosfoglicerato + NADPH2 + H2
Reacci´n 7: Primera fosforilización a nivel del sustrato
1.3- Bifosfoglicerato + ADP Mg (2) 3-Fosfoglicerato + ATP
Reacción 8: Preparación para la síntesis del siguiente compuesto de alta
energía
3-Fosfoglicerato Mg2+ 2-Fosfoglicerato
(3)
Reacción 9: Síntesis del 2° compuesto de alta energía
2-Fosfoglicerato Mg2+ Fosfoenolpiruvato + H2O
(4)
Reacción 10: Segunda fosforilización a nivel del sustrato
Fosfoenolpiruvato + ADP Mg2+ Piruvato
(5)
Enzimas
1. Gliceraldehído 3-Fosfato deshidrogenasa
2. Fosfogliceratoquinasa
3. Fosfogliceratomutasa
4. Enolasa
5. Piruvatoquinasa
ASPECTOS CLÍNICOS
Al inhibirse el metabolismo del piruvato se produce acidosis láctica
Los iones arseniato y mercúrico reaccionan con los grupos -SH del ácido
lipoico e inhiben a la piruvato deshidrogenasa, como sucede cuando hay
deficiencia de tiamina en la dieta, con lo que se favorece la acumulación
de piruvato. Las personas alcohólicas con desnutrición sufren deficiencia de
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tiamina y podrían manifestar, en algún momento, acidosis pirúvica o láctica
potencialmente fatal. Los pacientes con deficiencia hereditaria de la
piruvato deshidrogenasa, cuya causa pueden ser defectos en uno o más de
los componentes del complejo enzimático, también presentan acidosis
láctica, en particular después de una carga de glucosa. Corno resultado de
su dependencia de la glucosa como combustible, el cerebro es un tejido
sobresaliente donde estos defectos metabólicos se manifiestan como
perturbaciones neurológicas.
La deficiencia hereditaria de la aldolasa A y la deficiencia de la piruvato
cinasa en los eritrocitos causan anemia hemolítica. La capacidad de
ejercicio en pacientes con deficiencia de fosfofructocinasa muscular es
baja, en particular con dietas altas en carbohidratos. Si se suministra
combustible lipídico, por ejemplo, durante el ayuno, cuando se incrementan
los ácidos grasos libres de la sangre así como los cuerpos cetónicos, se
mejora la capacidad de trabajo.

La glucólisis es la vía citosólica de las células de los mamíferos para el
metabolismo de la glucosa (o glucógeno) en piruvato y lactato.

Funciona de manera anaerobia al regenerar NAD+ oxidado (requerido
en la reacción de la deshidrogenasa de gliceraldehído-3-fosfato)
reduciendo el piruvato hasta lactato.

El lactato es el producto final de la glucólisis en condiciones anaerobias
(p. ej., en el ejercicio muscular) o cuando está ausente la maquinaria
metabólica para oxidar más al piruvato (p. ej., en los eritrocitos).
Tres enzimas que catalizan reacciones no en equilibrio: hexocinasa,
fosfofructocinasa y piruvato cinasa regulan la glucólisis.

15
GLICOLIS ANAEROBICA
Bajo condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno) la degradación de la
glocosa produce lactato.
Ecuación General:
Glucosa + 2 ATP + 2 Pi → 2 Lactato + 2 ADP + 4 ATP
Características
1. Es un proceso catabólico.
2. En las primeras reacciones se consume energía (2 ATP) pero luego se
produce (4 ATP).
3. Si la degradación se inicia con la molécula de glucosa, la producción
neta de ATP es de 2 moléculas; si se inicia en glicógeno, se forman 3 ATP.
4. Presenta 2 reacciones Redox. En una se produce NADH y en la otra se
utiliza.
5. Hay dos fosforilizaciones del sustrato, una de la glucosa, la otra de la
fructosa 6-Fosfato; siendo el ATP el agente fosforilante.
6. A partir de la fructosa 1,6 Difosfato se forman 2 triosas, el
fofogliceraldehído y la 3-Fosfodihidroxiacetona, las cuales pueden
interconvertir mutuamente y seguir la vía metabólica que el organismo
requiere como 3-fosfogliceraldehído, continua la glocolisis y como 3fosfodihidroxia que dan origen al glicerol.
7. Se producen en el musculo esquelético y en unos pocos
Balance Energético
Reacción
1-Glucosa → Glucosa 6- Fosfato
2-Fructosa 6-Fosfato → Fructosa 1,6 de (P)
3-2 (1,3 de (P) Glicerato → 2(3(P) Glicerato
4-2 ((P) enol Piruvato → 2 Piruvato
ATP utilizado
1
1
2
ATP producido
2
2
4
Neto = 4 – 2 = 2
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En los animales el lactato producido en la glicolisis anaerobia puede ser
llevado al hígado, en donde se convierte nuevamente
COMPLEJO DE LA PIRUVATO DESHIDROGENASA
3 Enzimas
5 Coenzimas
Piruvato deshidrogenasa
Dihidrolipecmida acil transferasa
Dihidrolipecmia deshidrogenasa
Dinucleotido de nicotinamida y adenina (NAD)
Coenzima A (CoA - SH)
Pirofosfato de tiamina (TDP)
Ácido lipoico
Dinucleotido de adenina y flovina (FAD)
PIRUVATO + NAD+ + CoASH → Acetil CoA + NADH + H+ + CO2
1. Paso – Piruvato + TPP
CO2 + Pirofosfato de hidroxietiltiamina.
CO2
2. Enzima dihidrolipamida acil transferasa → Acetilo = acetillipoamida →
Acetil CoA
3. Reoxida Ac. Lipoico → Dihidrolipoamida deshidrogenasa
Piruvato descarboxilasa
COENZIMA A = p-mercaptoetilamina, ácido pantotenico y Adenosin
3’Fosfato-5-Difosfato
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Deficiencia de la piruvato deshidrogenasa
Presenta elevado piruvato y Alanina → Acidosis láctica crónica y trastornos
neurológicos graves → muerte.
Diagnóstico → Fibroblasto de la piel.
EL CICLO DEL ÁCIDO CITRICO GENERA MOLÉCULAS RICAS EN ENERGÍA
La acetil CoA que se forma a partir de piruvato o como producto de otras
vías puede ser oxidada en el ciclo del ácido cítrico.
Se deben considerar dos características:
1. Flujo de C.
2. Producción de moléculas ricas en energía.
El ciclo actúa en dos fases:
1. Adicción de una porción (acetil - CoA) a un compuesto de 4C
(oxalacetato) para dar un anión orgánico de 6C, el citrato seguido de la
pérdida de 2C en forma de CO2.
2. Regeneración del oxalacetato.
FASE 1: INTRODUCCIÓN Y PÉRDIDA DE 2 ÁTOMOS DE C
Paso 1: Introducción de 2 átomos de C en forma de Acetil CoA.
Oxalacetato + Acetil CoA Citrato Sintetasa Citrato + CoA-SH
K/mol
H2O
AG = -32
H+
En la primera etapa de la reacción de la citrato sintasa, un protón es extraído
del grupo metilo de la Acetil CoA por un residuo de Histidina de la enzima.
Esta reacción genera el compuesto enormemente inestable, el Citroil – CoA
que espontáneamente se hidroliza mientras está unida a la enzima para dar
los productos.
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Reacciones exergonicas: Los análisis cristalográficos de la enzima
proporcionan una prueba excelente del modelo de ajuste inducido de la
catálisis enzimática.
Paso 2: Isomerización del Citrato
H2O
Citrato
H2O
Cis-Aconinato
H2O
D-Isocitrato AG = + 6,3 Kcal/mol
H2O
La aconitasa, el nombre común de la aconitato hidratasa, cataliza la
conversión cercana al equilibrio de citrato a isocitrato.
La acción de la aconitasa convierte al citrato en un alcohol 2a oxidables. El
nombre de la enzima deriva del intermediario de la reacción cis aconitato.
La reacción se efectúa por eliminación de agua para formar un doble
enlace C-C seguida de una adicción esteroespecífica de agua para formar
isocitrato.
La enzima contiene Fe-S normalmente se asocia a una oxidoreductasa.
La aconitasa es el lugar de acción del efecto tóxico del fluoroacetato un
producto vegetal que se utiliza como pesticida.
CoASH
Fluoroacetato
Fluroacetil – CoA Citratosintasa → Fluorocitrato
CoASH
Oxaloacetato
El análogo al citrato, el fluorocitrato es un inhibidor potente de la aconitasa
animal y el metabolismo aeróbico vía del ciclo del ácido cítrico se bloquea
en su presencia.
La reacción de la acotinasa es esteroespecífica. De los 4 diastereoisomeros
posibles del isocitrato solo se produce uno. La aconitasa es una de las
primeras enzimas para la que se demostró y determino la
estereospecificidad.
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Paso 3: Generación de CO2 por una deshidrogenasa ligada a NAD+.
Isocitrato
Deshidrogenasa
Isocitrato+NAD
(NADP)
K/mol
α –cetoglutarato + NADH + CO2 AG = -20,9
(NADPH)
La isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa de
isocitrato para formar α-cetoglutarato (4 reacciones oxidoreductoras)
1. Isocitrato es oxidado por la transferencia de un ión hidruro al NAD+
reduciendo la coenzima a NADH y formando oxalusuccinato (β-cetoácido inestable).
2. El oxalasuccinato experimenta una descarboxilación β no enzimática α–
cetoglutarato antes de que sea liberado de la enzima.
El hidroácido isocitrato es convertido al cetoácidoα-ceto-glutarato con
liberación de CO2 y una mol de NAD+ es reducido a NADH. Esta reacción es
irreversible metabólicamente y en E. coli se puede regular por fosforilización.
NAD
Isocitrato
NADH+H
CO2
Oxalosuccinato
a-cetoglutarato
H
Paso 4: Generación de un segundo CO2 por un complejo multienzimático.
La cuarta reacción del ciclo es una reacción de múltiples pasos, totalmente
comparable a la reacción de la piruvato deshidrogenasa.
Un substrato α-cetoácido experimenta una descarboxilación oxidativa, con
formación de un Acil CoA.
α-cetoglutarato + NAD+ + CoA → SuccinilCoA + CO2 + NADH
K/mol
AG = -33,5
20
Esta reacción la cataliza el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, una
agrupación enzimática semejante al complejo piruvato deshidrogenasa
con tres actividades enzimáticas análogo 5 Coenzimas – TPP, NAD+, FAD,
Ácido lipoico y CoA.
Una diferencia importante entre estos dos complejos multienzimáticos es
que las actividades reguladoras asociadas con el complejo piruvato
deshidrogenasa no se dan en el complejo α –cetoglutarato
deshidrogenasa.
FASE 2: REGENERACIÓN DEL OXALACETATO
Paso 5: Una fosforilización a nivel del substrato
La succinil CoA es un compuesto de alta energía y su energía potencial se
utiliza para impulsar la formación de un enlace fosfato de alta energía. Esta
reacción es catalizada por la Succinil – CoA sintetasa, es comparable a las
dos reacciones de fosforilización a nivel del substrato en la glucolisis excepto
porque en las células animales el nucleótido producto de alta energía no es
el ATP sino el GTP.
Succinil CoA + Pi + GDP
Succinato + GTP + CoASH AG = -2,9 Kcal/mol
Gran parte del GTP formado impulsa la síntesis final de ATP mediante la
acción de la nucleosido Difosfoquinasa.
GTP + ADP
GDP + ATP
AG = 0,0 Kcal/mol
Aquí se forman las plantas y las bacterias (Succinil + ADP)
Paso 6: Deshidrogenasación dependiente de Flavina.
La primera de las tres reacciones que intervienen catalizadas por la
succinato deshidrogenasa es la deshidrogenación dependiente del FAD de
2 carbonos saturados a un doble enlace.
21
Succinato + FAD
Fumarato + FADH2
AG = 0 Kcal/mol
La coenzima es el FAD transfiere sus electrones a un centro Fe – S en la
molécula enzimática. El FAD está unido de forma covalente a la proteína
enzimática designada como E- FAD a través de un residuo de histidina
especifico. La enzima está unida a la membrana mitocondrial interna.
Acción de la succinato deshidrogenasa, es también estéreo selectiva, y solo
se forma el isómero tran; fumarato.
Paso 7: Hidratación de un doble enlace C-C.
La hidratación trans estereoespecífica del doble enlace C-C cataliza la
fumarato hidratasa = fumarasa.
Fumarato+H2O
Malato
AG = -3,8 Kcal/mol.
Paso 8: Una deshidrogenación que regenera el oxalacetato.
Malato+NAD
Oxalacetato + NADH + H
Endergónica se decanta hacia la derecha.
AG = +29,7 Kcal/mol
ESTEQUIOMETRIA Y ENERGÉTICA DEL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
1.
2.
3.
4.
Se eliminan 2 C → CO2
Se produjeron 4 reacciones de oxidación NAD+ (3 casos) FAD (1 caso).
Generó fosfato de alta energía en una reacción.
Regeneró el oxalcetato.
AcetilCoA + 3 H2O + 3NAD + FAD + GPP + Pi → 2CO2 + 3NADH + FADH2 +
CoASH + GTP
22
El ciclo del ácido cítrico toma parte en la gluconeogénesis, transaminación
y desaminación
Los intermediarios del ciclo son potencialmente glucogénicos, puesto que
dan lugar al oxaloacetato y, por tanto, a la producción neta de glucosa (en
el hígado y el riñón, los órganos que llevan a cabo la gluconeogénesis). La
enzima clave que cataliza la transferencia neta fuera del ciclo en la
gluconeogénesis es la fosfoenolpiruvato carboxinasa, que descarboxila el
oxaloacetato a fosfoenolpiruvato, con el GTP actuando como donador de
fosfato.
La transferencia neta hacia el ciclo ocurre como resultado de varias
reacciones diferentes. Entre las más importantes de estas reacciones
anapleróticas está la formación de oxaloacetato mediante la carboxilación
de piruvato, catalizada por la piruvato carboxilasa. Esta reacción es
importante para mantener una concentración adecuada de oxaloacetato
para la reacción de condensación con la acetil-CoA. Si se acumula la
acetil-CoA, ésta actúa como activador alostérico de la piruvato carboxilasa
y como inhibidor de la piruvato deshidrogenasa, de modo que se asegura
un suministro de oxaloacetato. El lactato, un sustrato importante para la
gluconeogénesis, entra al ciclo por medio de la oxidación a piruvato y luego
la carboxilación a oxaloacetato.
En las reacciones de la aminotransferasa (transminasa) se forma piruvato a
partir de alanina, oxaloacetato a partir de aspartato y α cetoglutarato a
partir de glutamato. Debido a que estas reacciones son reversibles, el ciclo
también sirve como fuente de estructuras de carbono para la síntesis de
estos aminoácidos. Otros aminoácidos contribuyen a la gluconeogénesis
porque sus estructuras de carbono dan lugar a los intermediarios del ciclo
del ácido cítrico. La alanina, cisteína, glicina, hidroxiprolina, serina, treonina
y triptófano producen piruvato; la arginina, histidina, glutamina y prolina
producen αcetoglutarato; la isoleucina, metionina y valina dan succinilCoA, y la tirosina y fenilalanina dan fumarato.
En los rumiantes, cuyo principal combustible metabólico son los ácidos
grasos de cadena corta que se forman por la fermentación bacteriana, la
23
conversión de propionato, el principal producto glucogénico de la
fermentación en el rumen, en succinil-CoA es de gran importancia y se lleva
a cabo mediante la vía de la metilmalonil-CoA.
El ciclo del ácido cítrico participa en la síntesis de ácidos grasos
La acetil-CoA, formada a partir del piruvato por la acción de la piruvato
deshidrogenasa, es el elemento básico para la síntesis de los ácidos grasos
de cadena larga en los no rumiantes. (En los rumiantes, la acetil-CoA se
obtiene directamente del acetato.) La piruvato deshidrogenasa es una
enzima mitocondrial, y la síntesis de ácidos grasos es una vía citosólica, pero
la membrana mitocondrial es impermeable a la acetil-CoA. La acetil-CoA
se obtiene en el citosol a partir de citrato sintetizado en la mitocondria, que
se transporta al citosol y se fragmenta en una reacción catalizada por la
ATP-citrato liasa.
La regulación del ciclo del ácido cítrico depende sobre todo de un
suministro de cofactores oxidados
en la mayor parte de los tejidos, en donde la función principal del ciclo del
ácido cítrico se ejerce en el metabolismo productor de energía, el control
respiratorio por medio de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa
regula la actividad del ciclo del ácido cítrico. Por consiguiente, la actividad
depende en forma inmediata del abastecimiento de NAD+, que a su vez,
debido al estrecho acoplamiento entre la oxidación y la fosforilación,
depende de la disponibilidad de ADP y, por tanto, de la tasa de utilización
de ATP en el trabajo químico y físico. Además, algunas de las enzimas del
ciclo se regulan individualmente. Los sitios más probables para la regulación
son las reacciones catalizadas por la piruvato deshidrogenasa, citrato
sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α cetoglutarato deshidrogenasa. El Ca2+
activa a las deshidrogenasas; la concentración de este catión aumenta
durante la contracción muscular y la secreción, cuando hay una mayor
demanda de energía. En un tejido como el cerebro, que depende en gran
medida de los carbohidratos para suministrar acetil-CoA, el control del
ácido cítrico podría estar en la piruvato deshidrogenasa. Varias enzimas son
sensibles al estado energético de la célula, que se reflejan las relaciones de
[ATP]/[ADP] y [NADH]/[NAD+]. Por consiguiente, el ATP y la acil-CoA de
24
ácidos grasos de cadena larga inhiben en forma alostérica a la citrato
sintasa. La activación alostérica de la isocitrato deshidrogenasa
mitocondrial dependiente de NAD+ por el ADP se contrarresta con ATP y
NADH. El complejo de la α cetoglutarato deshidrogenasa se regula en la
misma forma que la piruvato deshidrogenasa. El oxaloacetato inhibe a la
succinato deshidrogenasa, y la disponibilidad del oxaloacetato, que está
bajo control de la malato deshidrogenasa, depender de la relación
[NADH]/[NAD+]. Puesto que la Km para el oxaloacetato de la citrato sintasa
es del mismo orden de magnitud que su concentración mitocondrial, es
probable que la concentración de oxaloacetato controle la tasa de
formación del citrato. Todavía queda por resolver cuáles de estos
mecanismos son importantes in vivo.
Cuadro. Generación de ATP por el ciclo del ácido cítrico
Reacción catalizada Método de producción de
por
P
Número de
moléculas de ATP
formadas
Isocitrato
deshidrogenasa
Oxidación del NADH en la
cadena respiratoria
3
α-Cetoglutarato
deshidrogenasa
Oxidación del NADH en la
cadena respiratoria
3
Succinat tiocinasa
Oxidación a nivel de
sustrato
1
Succinato
deshidrogenasa
Oxidación del FADH2 en
la cadena respiratoria
2
25
Malato
deshidrogenasa
Oxidación del NADH en la
cadena respiratoria
3
CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILIZACIÓN OXIDATIVA
Las mitocondrias ha sido llamada apropiadamente la planta matriz de la
célula, puesto que es dentro de este organelo donde se captura la mayor
parte de la energía derivada de la oxidación respiratoria. El sistema de la
mitocondrias donde la respiración se acopla para la generación de
intermediario de alta energía, ATP se denomina fosforilización oxidativa.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
La fosforilización oxidativa capacita a los organismos aeróbicos para
aprovechar la energía libre disponible de sustratos respiratorios en una
proporción mayor que los organismos anaerobios. Algunos venenos
enzimáticos inhiben la fosforilización, por lo general con consecuencias
letales (cianuros, monóxido de carbono y aminobarbital). Algunos con
defectos mitocondriales hereditario (miopatía, encefalopatía, lactacidosis).
La fosforilización
estrechamente:
oxidativa
consiste
en
dos
fenómenos
acoplados
1- El NADH y la QH2 se oxidan por la cadena respiratoria de transporte de
electrones, la cual es un complejo proteínico enclavado en la membrana,
que funciona como acarreador de electrones, pasando electrones de la
coenzima al oxigeno molecular. Los protones son transportados a través de
la membrana interna de la matriz generando gradiente de concentraciones
de protones.
2- El gradiente de concentración de protones sirve como un depósito de
energía libre. Este flujo de energía dirige en forma indirecta, la reacción ADP
+ Pi ---------- ATP +H2O.
La cadena respiratoria acepta y oxida equivalentes reductores.
Toda la energía de los alimentos se vuelve disponible dentro de las
mitocondrias en forma de equivalentes reductores.
26
Los componentes de la cadena respiratoria están colocados por orden
creciente de su potencial redox.
Los electrones o el hidrogeno fluyen a través de la cadena de manera
escalonada desde los componentes más electronegativos al oxigeno más
electropositivo, a través de una expansión redox de 1.1 voltio del
NAD+/NADH al O2/2H2O
COENZIMA Q (Ubiquinona o COQ10)
La cola isoprenoide proporciona a la molécula su carácter apolar, que
permite a la CoQ una difusión rápida a través de la membrana mitocondrial
interna.
La CoQ lleva electrones hacia la cadena respiratoria, no solo desde el NADH
sino también del succinato y desde intermediario de la oxidación de los
ácidos grasos. La succinato deshidrogenasa utiliza una coenzima del FAD,
es una proteína de la membrana interna, transfiere los electrones a través
de los centro hierro-azufre a la CoQ (succinato-coenzima Q reductasa).
La CoQ se oxida posteriormente por los citocromos, puede considerarse un
punto de recogida que concentra los electrones desde varias
deshidrogenasa flavo proteínicas, y los pasa al citocromo para su transporte
final al O2.
CITOCROMOS
Es un grupo de hemoproteina rojas o pardas que tienen un espectro de luz
visibles características.
Los principales citocromos respiratorios se clasifican como b, c, o a según las
longitudes de onda de los máximo en absorción espectral.
Entre los transportadores electrónicos respiratorios hay 3 citocromos de tipo
b, los citocromos c y c1 y los citocromos a y a3, los 3 primeros contienen el
grupo hemo (hemoglobina y mioglobina).
27
TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS RESPIRATORIOS EN LAS MITOCONDRIAS
Complejo I – Transfiere electrones del NADH a la ubiquinona o CoQ
Inhibe: Rotenona, barbitúrico
e
Demerol y mercuriales
FMN NADH
NAD+
FAD NADH
Matriz
Deshidrogenasa
Complejo II – Transfiere electrones del succinato a la ubiquinona o CoQ
Fumarato Inhibe: 2 Tenoil
FAD Succinato
fluorato acetona
II
Succinato
FADH Deshidrogenasa
Coenzima Q
Complejo III – Transfiere electrones de la CoQ al citocromo C
Fe
Membrana interna
Centro Complejo III Inhibe antimicina
FeS Fe-S
Citocromo C Mitotiazol y dimercaCoenzima Q
Fe Cit-C. Oxido reductasa
Fe Citocromo C
Complejo IV – Transfiere electrones del citocromo al O2
Inhibe: cianuro de
Fe Cit a Complejo IV potasio, monóxido
de carbono y tioles
Fe Cit a3 Citocromo Oxidasa
O2
Matriz
ADP + Pi → ATP
28
GLUCONEOGÉNESIS Y CONTROL DE GLUCOSA EN LA SANGRE
El término gluconeogénesis abarca todas las vías encargadas de convertir
los precursores que no son carbohidratos en glucosa o glucógeno. Los
sustratos principales son los aminoácidos glucogénicos y el lactato, el
glicerol y el propionato. El hígado y los riñones son los principales tejidos
gluconeogénicos. Con la gluconeogénesis se cumplen las necesidades
corporales de glucosa cuando no hay la cantidad suficiente de
carbohidratos provenientes de la dieta o de las reservas de glucógeno. El
abastecimiento de glucosa es necesario en particular para el sistema
nervioso y los eritrocitos. A la falla de la gluconeogénesis sigue la muerte. La
hipoglucemia ocasiona disfunción cerebral, que causa coma y la muerte.
Asimismo, la glucosa es importante para conservar el nivel de los
intermediarios del ciclo del ácido cítrico, incluso cuando los ácidos grasos
son la fuente principal de acetil-CoA en los tejidos. Además, mediante la
gluconeogénesis se elimina el lactato que producen los músculos y los
eritrocitos y el glicerol que produce el tejido adiposo. El propionato, principal
ácido graso glucogénico que se genera en la digestión de los carbohidratos
en los rumiantes, es un sustrato fundamental para la gluconeogénesis en
estas especies.
EN LA GLUCONEOGÉNESIS SE REQUIERE GLUCÓLISIS, EL CICLO DEL ÁCIDO
CÍTRICO Y ALGUNAS REACCIONES ESPECIALES
Las barreras termodinámicas evitan una inversión simple de a glucólisis
Tres reacciones irreversibles, catalizadas por la hexocinasa, la
fosfofructocinasa y la piruvato cinasa, son las que previenen invertir
simplemente la vía de la glucólisis para la síntesis de la glucosa. Las maneras
de rodear estas reacciones son como sigue.
29
A. Piruvato y fosfoenolpiruvato
La piruvato carboxilasa mitocondrial cataliza la carboxilación del piruvato a
oxaloacetato, una reacción en la que se requiere ATP y en donde la
vitamina biotina es la coenzima. La biotina se une al CO2 del bicarbonato
como carboxibiotina antes de la adición del CO2 al piruvato. Una segunda
enzima, la fosfoenolpiruvato carboxicinasa, cataliza la descarboxilación y la
fosforilación del oxaloacetato a fosfoenolpiruvato usando GTP (o bien, ITP)
como donador de fosfato. Por consiguiente, intervienen dos reacciones
endergónicas en la inversión de la reacción que cataliza la piruvato cinasa
en la glucólisis.
La fosfoenolpiruvato carboxicinasa es una enzima que se halla en las
mitocondrias del hígado de palomas, los pollos y los conejos; por otro lado,
el fosfoenolpiruvato es transportado al citosol para la gluconeogénesis. En
las ratas y ratones, la enzima es citosólica. El oxaloacetato no atraviesa la
membrana interna de las mitocondrias; se transforma en malato, el cual es
transportado al citosol, donde la malato deshidrogenasa citosólica lo
convierte de nuevo en oxaloacetato. La enzima está igualmente distribuida
entre las mitocondrias y el citosol en el hombre, los cobayos y las reses.
La fuente principal de GTP para la fosfoenolpiruvato carboxicinasa en la
mitocondria es la reacción de la succinil-CoA sintetasa. Ésta proporciona un
enlace y un límite entre la actividad del ciclo del ácido cítrico y la cantidad
de oxaloacetato que se toma para la gluconeogénesis.
B. Fructosa 1,6-bifosfato y fructosa 6-fosfato
La fructosa 1,6-bifosfatasa cataliza la conversi6n de fructosa 1,6-bifosfato a
fructosa 6-fosfato para lograr invertir la glucólisis. La presencia de esta
enzima determina si el tejido es capaz o no de sintetizar glucógeno no sólo
a partir del piruvato, sino también a partir de fosfatos de triosa. Se le
encuentra en el hígado, los riñones y el músculo esquelético, y es probable
que falte en el corazón y el músculo liso.
30
C. Glucosa-6-fosfato y glucosa
La glucosa 6-fosfafasa cataliza la conversión de glucosa 6-fosfato en
glucosa. Está presente en el hígado y riñones, pero no en músculo y el tejido
adiposo, que, por tanto, no exportan glucosa hacia el torrente sanguíneo.
D. Glucosa 1-fosfato y glucógeno
La fosforilasa se emplea como catalizador en la descomposición del
glucógeno en glucosa 1-fosfato. La síntesis de glucógeno requiere una vía
distinta por medio de la uridindifosfato-glucosa y la glucógeno sintasa.
Después de la transaminación o de la desaminación, los aminoácidos
glucogénicos producen piruvato o intermediarios del ciclo del ácido cítrico.
Por tanto, las reacciones antes descritas explican la conversión tanto de los
aminoácidos glucogénicos como del lactato en glucosa o glucógeno. El
propionato es una fuente fundamental de glucosa en los rumiantes, e
ingresa a la gluconeogénesis por medio del ciclo del ácido cítrico; además,
se esterifica con la CoA, luego el propionil-CoA se carboxila a D-metilmalonilCoA, con la propionil-CoA Carboxilasa como catalizador, una enzima
dependiente de biotina. La metilmalonil-CoA racemasa cataliza la
conversión del D-metilmalonil-CoA en L-metilmalonil-CoA, que luego se
isomeriza en succinil-CoA, donde el catalizador es la metilmalonil-CoA
isomerasa. Esta enzima requiere vitamina B12 como coenzima; la carencia
de esta vitamina causa excreción de metilmalonato (aciduria
metilmalónica).
Los ácidos grasos C15 y C17 se encuentran sobre todo en los lípidos de
rumiantes. Los ácidos grasos con número de carbonos impar de la dieta
producen propionato en la oxidación. El propionato es un sustrato para la
gluconeogénesis en el hígado del hombre.
El tejido adiposo libera glicerol como resultado de la lipólisis, y sólo lo pueden
utilizar los tejidos que poseen glicerol cinasa, como el hígado y los riñones,
porque cataliza la conversión de glicerol en glicerol-3-fosfato. En ocasiones,
el NAD+ oxida este compuesto a fosfato de dihidroxiacetona por medio de
la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa como catalizador.
31
Glucosa
Glucosa
Glucolisis
Anaeróbica
2 Láctico
Gluconeo
Génesis
SANGRE
Láctico
La reacción neta es:
2PIRUVATO + 4ATP + 2GTP + 2NADH +2H + 2H2O --- GLUCOSA + 4ADP + GDP
+ 6Pi + 2NAD
CO2
CO2
PIRUVATO ---- OXALACETATO ---- 2-FOSFOENOLPIRUVATO
2ATP 2ADP + Pi
2GDP 2GTP
FRUCTOSA 1-6-BIFOSFATO --- FRUCTOSA 6-P --- GLUCOSA 6-P ---
H2O Pi
H2O Pi
1. ENZIMAS
a. Piruvato carboxilasa
b. Fosfoenol piruvato carbocinasa
c. Fructosa 1-6 bifosfatasa
d- Glucosa 6- Fosfatasa
PUESTO QUE LA GLUCÓLISIS Y LA GLUCONEOGÉNESIS COMPARTEN LA MISMA
VIA, PERO EN DIRECCIONES OPUESTAS, SU REGULACION DEBE SER RECIPROCA
Los cambios en la disponibilidad de los sustratos son la causa de la mayoría
de las alteraciones en el metabolismo, y actúan directa o indirectamente
por medio de la gluconeogénesis. Además, los glucocorticoides inhiben el
uso de glucosa en los tejidos extrahepáticos. En todas estas acciones, los
glucocorticoides contrarrestan a la insulina.
La médula suprarrenal secreta adrenalina como resultado de estímulos
estresantes (miedo, agitación, hemorragia, hipoxia, hipoglucemia, etc.), y
32
produce glucogenólisis en hígado y músculo debido a la estimulación de la
fosforilasa por medio de la generación de cAMP. La glucogenólisis origina
un aumento en la glucólisis en el músculo, en tanto que, en el hígado, la
glucosa es el principal producto que causa un incremento en la glucosa
sanguínea.
OTROS ASPECTOS CLÍNICOS
La glucosuria se presenta cuando se excede el umbral renal para la glucosa
Cuando la glucosa de la sangre aumenta a concentraciones relativamente
altas, los riñones ejercen también un efecto regulador. Los glomérulos filtran
glucosa de manera constante, pero por lo regular es reabsorbida por
completo en los túbulos renales por el transporte activo. La capacidad del
sistema tubular para reabsorber la glucosa está limitada a un ritmo de
alrededor de 350 mg/mm, y si hay hiperglucemia (como sucede en la
diabetes mellitus mal controlada) el filtrado glomerular podría contener más
glucosa de la que puede ser absorbida, lo que da lugar a la glucosuria. Esta
afección se presenta cuando la concentración de glucosa de la sangre
venosa sobrepasa entre 9.5 y 10.0 mmol/C; a esto se le llama el umbral renal
para la glucosa.
La hipoglucemia puede presentarse durante el embarazo y en los recién
nacidos
El consumo de glucosa fetal se incrementa durante el embarazo y hay riesgo
de que la madre y posiblemente el feto sufran hipoglucemia, sobre todo si
existen largos intervalos entre las comidas o por la noche. Además, los recién
nacidos prematuros y de peso bajo son más susceptibles a padecer
Hipoglucemia, ya que tienen poco tejido adiposo para generar otros
combustibles, como ácidos grasos libres o cuerpos cetónicos, durante la
transición desde la dependencia fetal hasta el estado de vida libre. Las
enzimas de la gluconeogénesis podrían no ser completamente funcionales
en este momento, y el proceso depende de un suministro de ácidos grasos
libres para obtener energía. El glicerol, que podría liberar por lo regular el
tejido adiposo, está menos disponible para la gluconeogénesis.
33
La aptitud del cuerpo para utilizar glucosa podría ser determinada al medir
su tolerancia a la glucosa
La tolerancia a la glucosa es la aptitud para regular la concentración de la
glucosa sanguínea después de la administración de una dosis de prueba de
glucosa (por lo regular, 1 g/kg de peso corporal). La diabetes mellitus (tipo 1
o insulinodependiente, DMID) se caracteriza por poca tolerancia a la
glucosa debido a la baja secreción de insulina en respuesta al aumento de
la glucosa. La tolerancia a la glucosa está deteriorada también en la
diabetes mellitus tipo 2. (DMNID), la cual se relaciona a menudo con
obesidad y concentraciones elevadas de ácidos grasos libres en el plasma
y en afecciones donde el hígado sufre daños; en algunas infecciones, y en
respuesta a algunos fármacos. La mala tolerancia a la glucosa también es
de esperarse si hay hiperactividad de la pituitaria o de la corteza suprarrenal
debido al antagonismo de las hormonas que secretan estas glándulas ante
la acción de la insulina.
La administración de insulina (como en el tratamiento de la diabetes mellitus
tipo 1) disminuye la glucosa de la sangre y aumenta su uso y
almacenamiento en el hígado y músculo como glucógeno. El exceso de
insulina ocasionaría hipoglucemia, lo que puede provocar convulsiones y
hasta la muerte a menos que se administre oportunamente glucosa. Se
observa un aumento en la tolerancia a la glucosa si hay insuficiencia de la
pituitaria o deficiencia adrenocortical -atribuibles a que las hormonas
normalmente secretadas por estas glándulas disminuyen su antagonismo
hacia la insulina.
34
METABOLISMO DEL GLUCÓGENO
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
En los animales, el glucógeno es la forma principal para el almacenamiento
de los carbohidratos, y corresponde al almidón de los vegetales. Es un
polímero ramificado de α-D-glucosa. Se presenta sobre todo en el hígado
(hasta 6%) y el músculo, pero en éste pocas veces excede el 1%. Sin
embargo, debido a la gran masa muscular, el glucógeno del músculo
representa de 3 a 4 veces la reserva hepática. El glucógeno muscular es una
fuente disponible de glucosa para la glucólisis en el propio músculo. El
glucógeno hepático sirve para el almacenamiento y la exportación de
glucosa para conservar la glucosa sanguínea entre las comidas. Después de
12 a 18 h de ayuno el glucógeno hepático queda casi completamente
disminuido. Las enfermedades del almacenamiento de glucógeno
constituyen un grupo de trastornos hereditarios caracterizado por la
movilización deficiente del glucógeno o por el depósito de variantes
anormales de éste, lo cual causa debilidad muscular e incluso la muerte.
LA GLUCOGÉNESIS TIENE LUGAR, SOBRE TODO, EN MÚSCULO E HÍGADO
La vía de la biosíntesis del glucógeno involucra un nucleótido especial de la
glucosa
Al igual que en la glucólisis, la glucosa se transforma en glucosa 6-fosfato
mediante fosforilación, la cual es catalizada por la hexocinasa en el músculo
y por la glucocinasa en el hígado. La glucosa 6-fosfato se isomeriza a
glucosa 1-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. La propia enzima está
fosforilada y el grupo fosfato participa en una reacción reversible en la cual
la glucosa 1,6-bisfosfato es un intermediario. Luego, la glucosa 1-fosfato
reacciona con el trifosfato de uridina (UTP) para formar el nucleótido activo
glucosa difosfato de uridina (UDPGIc)* y pirofosfato, reacción catalizada por
la UDPGlc pirofosforilasa. La pirofosfatasa cataliza la hidrólisis del pirofosfato
a 2 moles de fosfato inorgánico, y desplaza el equilibrio de la reacción
principal con la eliminación de uno de sus productos.
35
La glucógeno sintasa cataliza la formación de un enlace glucosídico entre
el C, de la glucosa activada de UDPGlc y el C4 de un residuo terminal de la
glucosa del glucógeno, con lo que se libera difosfato de uridina (UDP). Debe
estar presente una molécula preexistente de glucógeno (primer o cebador
de glucógeno) para que empiece la reacción. El primer de glucógeno
podría formarse, a su vez, en un primer conocido como glucogenina, una
proteína de 37 kDa glucosilada por UDPGlc en un residuo específico de
tirosina. Después, más residuos de glucosa se fijan en la posición 1-4 para
formar una cadena corta que es un sustrato para el glucógeno sintasa. En
el músculo esquelético, la glucogenina permanece unida al centro de la
molécula de glucógeno, en tanto que en el hígado la cantidad de
moléculas de glucógeno es mayor que la cantidad de moléculas de
glucogenina.
GLUCOGÉNESIS
Características
1. Es un proceso anabólico o síntesis.
2. El glucógeno es el producto final.
3. El primer paso es la fosforilización de la glucosa.
4. La insulina favorece o activa esta vía.
5. Se realiza en el tejido hepático y muscular.
6. Utiliza cofactores de alta energía como son el ATP y el UTP.
7. Es un proceso endergónico.
2
1
Glucosa
ATP
Glucosa 6P
Mg++
ADP
Glucosa 1 - P
UTP
PPi
3
UDP. Glucosa
4
36
1) Glucocinasa y hexoquinasa.
2) Fosfoglucomutasa.
3) UDPG pirofosforilasa.
4) UDPG Glucógeno glucosil transferasa.
El paso de UDP glucosa a glucógeno requiere la intervención de otras
enzimas. Inicialmente las moléculas de glucosa se unen por enlaces
glucosidicos α 1, 4 y luego la enzima ramificante permite la formación de
enlaces α 1,6.
Balance en energético: En esta vía se utilizan moléculas de cofactores de
alta energía: 1 ATP y 1 UTP.
GLUCOGENOLISIS
Las enzimas que actúan en ese camino metabólico se encuentran en tejido
hepático y muscular. En el hígado el producto final es la glucosa y en el
músculo, la glucosa 6-P.
Características:
1. Es un proceso catabólico o de degradación.
37
2. En el hígado el producto final es la glucosa y en el músculo la glucosa 6Fosfato.
3. Esta vía puede continuar con la glicolisis.
4. La fosforilasa actúa en la formación de la glucosa 1-P.
5. Hay varias hormonas que regulan esta vía, las más importantes son:
Adrenalina, producida en la capsula suprarrenal y glucagón, formado en
el páncreas.
Metabolismo Intermediario
(Glucosa)n fosforilasa
Glucógeno
(Glucosa)n-1 + Glucosa 1-Fosfato.
Pi
Fosfoglucomutasa
Glucosa
(Hígado)
Fosfatasa
Glucosa 6 – P
P
La fosforilasa hepática es diferente a la muscular pero en ambos casos es
muy importante para iniciar la degradación del glicógeno. Se presenta en
dos formas b (Inactiva) y a (activa). El paso de la b a la a es catalizada por
la enzima fosforilasa quinasa mediante una regulación compleja.
La fosforilasa del músculo es activada por la adrenalina y la fosforilasa
hepática por el glucagón.
Balance Energético
38
Hasta la formación de glucosa no se libera energía, ella queda en los
enlaces químicos de la glucosa y se va soltando a medida que avanza la
degradación de esta molécula.
ASPECTOS CLÍNICOS
Las enfermedades relacionadas con el almacenamiento del glucógeno son
hereditarias
El término genérico "enfermedades por almacenamiento del glucógeno"
describe un grupo de trastornos hereditarios caracterizado por el depósito
en los tejidos de un tipo o una cantidad anormales de glucógeno. También
se conocen insuficiencias de la adenililcinasa y de la proteincinasa
dependiente del cAMP. Algunos de los trastornos descritos se han
beneficiado con el trasplante de hígado.

El glucógeno constituye la principal forma de almacenamiento de los
carbohidratos en el cuerpo de los mamíferos sobre todo en el hígado y
el músculo.

En el hígado, su principal función es proporcionar glucosa para los tejidos
extrahepáticos. En el músculo, es útil sobre todo como una fuente de
combustible metabólico que se utiliza en el propio músculo.

El glucógeno se sintetiza, por medio de la glucogénesis, a partir de la
glucosa. Se degrada por una vía diferente conocida como
glucogenólisis. En el hígado, ésta forma glucosa, y lactato en el músculo
debido, respectivamente, a la presencia o ausencia de la glucosa 6fosfatasa.

El AMP cíclico integra la regulación de la glucogenólisis y la glucogénesis
al promover, simultáneamente, la activación de la fosforilasa y la
inhibición de la glucógeno sintasa. La insulina actúa de manera
recíproca al inhibir la glucogenólisis y estimular la glucogénesis.
39

La insuficiencia hereditaria de enzimas específicas para los metabolismos
hepático y muscular del glucógeno, constituye la causa de las
enfermedades por almacenamiento del glucógeno.
OXIDACIÓN DE LOS ACIDOS GRASOS
IMPORTANCIA BIOMEDICA
La separación entre la oxidación de los ácidos grasos en las mitocondrias y
la biosíntesis del cito sol permite que cada proceso se controle de modo
individual y se integre en lo requerimiento del tejido. Cada paso en la
oxidación de ácidos grasos incluye derivados de Acil CoA y es catalizada
por enzimas separadas, utiliza NAD y FAD como coenzimas y genera ATP. Es
un proceso aeróbico; requiere la presencia de oxigeno.
El incremento en la oxidación aumentada en la oxidación de ácidos graso
es una característica de la inanición y de la diabetes mellitus, que conduce
a la producción de cuerpo cetonico por el hígado( cetosis). Los cuerpos
cetonico son ácidos y cuando se producen en exceso durante periodo
prolongados, como en la diabetes, dan por resultado cetoacidosis que por
ultimo es mortal.
F- Knopp, bioquímico alemán propuso, a principio de este siglo, que los
ácidos grasos son degradados oxidativamente por perdidas secuenciales
de dos unidades de carbono, comenzando por el extremo carboxilo
terminal de la cadena.
CARACTERISTICAS
1. Es un proceso catabólico
2. Produce cofactores reducidos que en cadenas oxidativas pueden
producir energía.
3. Es un proceso oxidativo que incluye 2 reacciones redox
4. El producto final es Acetil-CoA
5. Las enzimas se encuentran en la membrana mitocondrial.
6. Los ácidos grasos de cadena de número impar de carbono producen
finalmente propinil CoA.
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METABOLISMO INTERMEDIARIO:
La beta oxidación implica 5 pasos fundamentales que se resumen a
continuación:
1- Activación de ácidos grasos
(1)
Acido graso + Coenzima A --------- Ácido graso activo
ATP
ATP +Pi
2- Primera oxidación FAD dependiente
(2)
Ácido graso activo --------- Acil derivado insaturado
FAD
FADH2
3- Hidratación
Tiene por finalidad romper el doble enlace y oxidar el carbono beta de la
cadena.
(3)
Acil derivado insaturado --------- Hidroxiacil derivado
HOH
4- Segunda oxidación NAD dependiente
(4)
Hidroxiacil derivado --------- Ceto Acil derivado
NAD+
NADH + H+
5- Tiolisis: La cadena oxidada se rompe en presencia de la coenzima A.
(5)
Ceto Acil derivado + CoASH --------- Acetil CoA + Ácidos Grasos Activo que
contienen 2 carbonos menos
La segunda beta oxidación que sufre la cadena del ácido graso se continúa
con el paso 2 o sea la primera oxidación y así hasta el final.
Los moles de Acetil-CoA formados pueden seguir vía ciclo de Krebs, o servir
para la formación de colesterol, de ácidos grasos o también cuando hay
defectos en el metabolismo de la glucosa, producir cuerpos cetónicos. Las
enzimas que participan son:
41
1- Tío quinaza
2- Acil -S- CoA Deshidrogenasa
3- Enoil -S- CoA Hidratasa
4- Beta-Hidroxiacil -S- CoA Deshidrogenasa
5- Beta-Ceto Tiolasa
BALANCE ENERGÉTICO
Para determinar las moles de ATP y las calorías liberadas por la beta
oxidación de un ácido graso, cuando tiene un número par de carbonos, se
puede emplear las siguientes formulas.
1- Número de beta oxidación que sufre la cadena de ácidos grasos
𝑛
−1
2
n= al número de carbono de la cadena, ejemplo el ácido palmitito tiene
16C.
Número de beta oxidación =
16
2
−1=7
2- Número de moles de FADH2. Por cada beta oxidación se produce 1, en el
ejemplo anterior.
No. FADH2 = 7
3- Número de moles de NADH. En cada beta oxidación se forma una mol.
En el caso del ácido palmitito
No. NADH = 7
4- Número de moles de Acetil-CoA formados. Para esto se emplea la
formulan
𝑛
2
=
16
2
= 8. Una mol de ácido palmitito produce 8 mol de Acetil-
CoA.
Conociendo el número de cofactores reducidos producidos y el número de
moles de Acetil-CoA. Se procede a calcular las moles de ATP que esta
molécula puede liberar, en el ciclo de Krebs y en cadena oxidativa.
42
5- Cada FADH en cadena oxidativa produce 2 ATP
Entonces 7 FADH2_____x_____2_____14 ATP
6- En la cadena oxidativa cada NADH produce 3 ATP
7 NADH ___x 3____________21ATP
7- Cuando Acetil-CoA entra al ciclo de krebs y a la cadena oxidativa por
medio de los cofactores reducidos producidos en krebs, cada mol de AcetilCoA produce 12 ATP
8 Acetil-CoA __x 12_______96ATP
8- Se suman las moles de ATP formadas:
14 + 21+ 96 = 131ATP
9- La reacción de activación inicial de la cadena consume un ATP NETO
=130
10- Para calcular las kilocalorías que se pueden producir por hidrólisis de 1
ATP es = 7,5 Kilocalorías, así
130 x 7,5 = 975 kilocalorías
Estos datos obtenidos, números de ATP y número de kilocaloría por mol de
ácido palmitito indican la eficiencia energética de la beta oxidación.
Cuando la beta oxidación sucede sobre un ácido graso cuya cadena tiene
número impar de carbono el balance se plantea en forma distinta.
DEGRADACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
IMPÒRTANCIA BIOMEDICA
Los estados de deficiencia de aminoácidos, aun cuando son
comparativamente raros en el mundo occidental , son endémicos en cierta
regions de Africa donde la dieta se fundamenta en cereales que son fuentes
inadecuadas de triptófano y lisina. Estos trastornos nutricionale incluyen
43
Kwashiorkor, que sobreviene cuando se desteta a un niño y se le suministra
una dieta farinácea con poca proteína y el marasmo en el cual tanto la
ingestión calórica como aminoácidos específicos son deficientes. Los
individuos con síndrome de intestino corto que carecen de la capacidad
para absorber suficientes cantidades de caloría y nutrientes sufren
anormalidades nutricionales y metabolicas importantes.
Los aminoácidos pueden seguir dos caminos catabólicos: La transaminación
o la deaminación; esta última implica la liberación de un amoniaco y la
formación de un ceto ácido.
Aunque estos procesos no siempre se realizan en mitocondrias.
Transaminación
Implica la participación de un aminoácido, un ceto ácido y un cofactor. El
cofactor es el fosfato de piridoxal que participa como un transportador del
grupo amino del aminoácido.
Características
1. Se forma un nuevo aminoácido.
2. El aminoácido transformado en un ceto ácido entra al ciclo de Krebs.
3. El cofactor de esta reacción es el fosfato de esta reacción es el fosfato
de piridoxal.
4. Las enzimas que participan son las transaminasas, cuyo aumento indica
una alteración orgánica y se emplea para el diagnóstico clínico: Las más
importantes son: GPT (Glutamico, pirovico transaminasa) y la GOT
(Glutamico, oxal acético transaminasa) cada una actúa en una
reacción específica.
Metabolismo intermediario:
44
Amino Ácido 1:
Ceto ácido 2
Ejemplo:
Alanina
glutamico
Fosfato de Piridoxal
Aminoácido
Transaminasa
Fosfato de piridoxamina
Ceto ácido 1
Fosfato de piridoxal
Ácido
GTP
Fosfato de piridoxamina
Piruvato
Reacciones
Piruvato a Acetil CoA
Isocitrato acetoglutarato
α-cetoglutarato a Succinil S – CoA
Succinil S-CoA asuccinato
Succinato a fumarato
Malato - Oxalacetato
α-ceto glutarato
ATP Producido
Por cofact.
A nivel del sustrato
reducido
3
3
3
1
2
3
14
1
Total: 15 ATP
DEAMINACIONES
Este término incluye la pérdida del grupo amino del aminoácido y la
formación de un cetoácido; como el amoniaco es toxico para la célula;
esta lo retira por medio del ciclo de la urea. Las deaminaciones pueden ser
oxidativa y no oxidativa dependiendo del aminoácido que se degrade.
Αlfa-cetoácido
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Aminoácido
Amoniaco + CO2 → urea
Deaminación oxidativa
Por reacciones Redox como cofactores NAD+ (Glutamico) FMN, FAD
Características:
1. Proceso oxidativo
Deaminación de un cetoácido y de amoniaco.
Determinación de agua oxigenada implica la participación de la catalasa
para desdoblarla en H2O y O2.
Metabolismo Intermediario
Aminoácido + E – FMN aminooxidasa α-cetoácido + NH3 + E – FMNH2
E – FMNH2 + O2 → FMN.H + H2O2
Balance energético
H2O2 catalasa H2O + ½ O2
Depende del cetoacidosia
Deaminación no oxidativa
Es el proceso por el cual se desaminan los hidroxiaminoácidos como la serina
y la treonina.
Características:
1. Se libera amoniaco y se produce un cetoácido.
2. Las enzimas se encuentran en el hígado. En algunos tejidos estas regiones
son catalizadas por la misma enzima, mientras que en otras hay dos
proteínas diferentes y específicas según el AA que degrade las enzimas –
Fosforo de peridoxina.
Metabolismo Intermediario
Serina HOH Compuesto insaturado HOH ácido piruvico
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Intermediarios
NH3
Balance Energético
Si se trata de la serina el cetoácido formado es el ácido piruvico y entra al
ciclo de Krebs formando inicialmente acetil S-CoA.
La Treomina forma el α-cetobutirato.
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