Ciclo De Krebs

Ciclo del Acido Cítrico

Ciclo de “Krebs” Principales reacciones constituyentes Puntos de regulación El ciclo de Krebs (CK) como vía común a varias vías metabólicas Roma-2007

Bibliografía

McKee, J. y J. McKee. 2003.

Cap. 9.

Voet, D., J. Voet y Pratt, C. 2006. Cap 16. Champe et al, 2005. Cap 9. Tricarboxylic Acid Cyle Harper, 2004. Cap. 16. Ciclo del ácido cítrico y catabolismo de Ac-CoA Ligas de interés recomendadas a lo largo de la presentación

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Glucólisis y CAC

Al centro de los procesos metabólicos celulares. En estas rutas se completan procesos catabólicos que representan: - la fuente de energía para procesos anabólicos - La fuente de compuestos de carbono para otros procesos de biosíntesis

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Ciclo de Krebs Hans Adolf Krebs. Premio Nóbel de Fisiología y Medicina en 1953. Sheffield Univ. UK. Por haber descrito el ciclo del ácido cítrico. Nació en Alemania en 1900 y se nacionalizó en UK

Fritz Albert Lipmann. Premio Nóbel de Fisiología y Medicina en 1953. Harvard Medical School. Por haber descubierto la Co-A y su importancia en el metabolismo intermediario. Nació en 1896 en Alemania y se nacionalizó en EUA

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Ligas de interés OJO….!!! Revisarlo previo a clase http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/stude nt/animations/citric_acid_cycle/index.html Dr. Mallery. Revisión general http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255atp/255mak eatp.htm Revisión general del ciclo y producción de energía http://media.pearsoncmg.com/bc/bc_campbell_biology_ 7/media/interactivemedia/activities/load.html?9&D

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¿Dónde estamos en las rutas?

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¿Dónde estamos en la célula?

En la matriz mitocondrial http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/255/255atp/gk5x5.gif

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Introducción Combustibles metabólicos. Glucosa, pero no es el único combustible Ruta de glucosa a lactato o etanol: un proceso anaeróbico (moléculas relativamente reducidas) y abandonan la célula Si el producto de la glucólisis continúa su oxidación completa (aeróbico), la célula puede recuperar más energía El Ciclo del ácido cítrico (CAC) representa una vía central para la recuperación de energía a partir de los combustibles metabólicos: carbohidratos, acidos grasos y aminoácidos que se degradan a Acetil-CoA por oxidación

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Introducción La glucólisis extrae una fracción muy pequeña de ATP de la glucosa. El procesamiento aeróbico la oxidación completa hasta a CO2 y agua. se genera la mayor cantidad de ATP. El ciclo del ácido cítrico (CAC) es la ruta final de oxidación común para aminoácidos, ácidos grasos y carbohidratos. La mayoría de las moléculas entran al ciclo como acetil coenzima A (Ac-CoA).

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Destinos del piruvato

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Origen del acetil-CoA El acetil-CoA: combustible CAC. Se forma a partir del desdoblamiento del glucógeno (forma de almacenamiento de la glucosa en animales), las grasas, y la mayoría de los amino ácidos El piruvato, al entrar a la mitocondria, pierde un C (CO2) y se asocia con la Co-A Æ Acetil-CoA Pir + CoA Æ Acetil-CoA

De 3C a 2 C http://www.citruscollege.edu/pic/46/c07_06.jpg http://www.library.csi.cuny.edu/~davis/Biochem_3521/lect15/acetylCoAProd.GIF Roma-2007

Función del ciclo

Fuente de precursores (o intermediarios metabólicos) que funcionan como: Almacenes de energía Bloques de construcción de otras moléculas como: aminoácidos, bases de nucleótidos, colesterol y porfirina (el componente orgánico del grupo. hemo) Roma-2007

Función del Ciclo Generación de energía: Las moléculas carbonadas se oxidan (pierden electrones) „

Los electrones se transfieren a moléculas transportadoras de electrones (NAD+ y FAD). „

La energía de los electrones es utilizada posteriormente para la síntesis de ATP en la siguiente fase donde termina la oxidación (fosforilación oxidativa). „

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Destino de e-: Respiración celular en mito.

•En CAC electrones del acetyl CoA se transfieren y se utilizan para sintetizar NADH y FADH2.

•Cadena de transpsorte de e- Los e- fluyen dentro de complejos enzimáticos de la mb interna, que generan un gradiente de H+ entre la mb interna y la matriz mitocondrial

Fosforilación oxidativa

•Los H+ retornan a la matriz, a través de la ATP sintasa que genera ATP a partir de ADP y Pi

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Respiración celular

CAC Cadena de transporte de eSíntesis de ATP

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Oxígeno: aceptor final de electrones El oxígeno es el aceptor de electrones al final electrones: ½ O2 + 2e- + 2H+ Æ H2O El oxígeno es El CAC y la fosforilación oxidativa proveen la mayor parte de la energía utilizada en células aeróbicas (en los humanos >95%) Un 1/3 (aprox.) se consume en la bomba Na+-K+

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De glucólisis al ciclo del ácido cítrico

Dentro de la matriz mitocondrial Inicia con piruvato que proviene de la glucólisis Matriz mitocondrial: Piruvato → acetil-CoA por el complejo multienzimático: piruvato deshidrogenasa

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Eventos en la mitocondria Estructura: Mb externa, mb interna y matriz mitocondrial

Ci-is-ke su-su fu-ma-o http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/zoology/AnimalPhysiology/Anatomy/AnimalCellStructure/Mitochondria/Mitochondria.htm

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Ciclo completo

Lo que cambia está en azul Nombre de la enzima en amarillo

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle.html

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Ciclo de Krebs

http://www.sp.uconn.edu/~terry/images/anim/ATPmito.html

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Pasos del ciclo a continuación Intermediario Cis-aconitato

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Complejo Piruvato deshidrogenasa (PDH) Estructura multienzimática: Con tres actividades enzimáticas: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). La reacción del complejo piruvato deshidrogenasa requiere la participación de 5 coenzimas. Su regulación no se conoce a fondo, se sabe que Mg2+ y Ca2+ activan la enzima. Aaron Klug. (Premio Nóbel Química 1982cristalografía del nucleosoma) desarrolló las técnicas para describir la estructura de la PDH http://sandwalk.blogspot.com/2007/08/theme-pyruvate-dehydrogenase.html

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Complejo PDH Complejo de TRES enzimas con numerosas subunidades E1 = Piruvato deshidrogenasa E2 = Dihidrolipoil transacetilasa E3 = Dihidrolipoil deshidrogenasa

E1-amarillo E3-rojo E2-verde

http://sandwalk.blogspot.com/2007/04/structure-of-pyruvate-dehydrogenase.html

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Rxn’s de la Piruvato deshidrogenasa TRES transformaciones químicas principales: 1. Decarboxilación (pierde CP2) 2. Oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo 3. Activación al enlazarla a Co-A con un enlace tioéster Utiliza cinco Co-enzimas: 1. 2. 3. 4. 5.

Tiamina pirofosfato (TPP) Gpo. Prostético de E1 Lipoamida – Grupo prostético de E2 Coenzima A (Co-A) FAD – Grupo prostético de E3 NAD+

VER ANIMACION de la PDH: http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animation s/pdc/pdc.htm Roma-2007

Coenzimas del complejo piruvato deshidrogenasa

Coenzima/enlace

Funciones

Tiamina pirofosfato (TPP)-unido a E1

Descarboxilación y transferencia de grupos aldehído

Acido lipoico-unido a Lys en E2 (lipoamida)

Transportador de grupos hidrógeno y acetilo

NADH-sustrato para E3

Transportador electrónico

FAD-unido a E3

Transportador electrónico

Coenzima A (CoA-SH)-sustrato para E2

Transportador de grupos acetilo Roma-2007

Complejo piruvato deshidrogenasa de E.

coli

Actividad enzimática

Función

Coenzimas

Piruvato deshidrogenasa (E1)

Descarboxila al piruvato

TPP

Dihidrolipoil transacetilasa (E2)

Cataliza la transferencia del grupo acetilo a la CoASH

Ácido lipoico CoASH

Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)

Oxida de nuevo a la dihidrolipoamida

NAD+, FAD

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De piruvato en acetil CoA (PDH)

FIGURA 9-8 del McKee2

Descarboxilación del piruvato. Se forma un nucleófilo. Un residuo básico de la enzima extrae un protón del anillo de tiazol de la tiamina-pirofosfato (TPP). Se forma el intermediario, hidoxietil-TPP (HETPP), tras el ataque del anillo nucleófilo de tiazol al grupo carbonilo del piruvato con la pérdida de CO2. En los siguientes pasos, el grupo hidoxietilo del HETPP se convierte en acetil-CoA por la dihidrolipoil transacetilasa. El ácido lipoico está unido a la enzima a través de un enlace amida. Reacciona con el HETPP para formar un ácido lipoico acetilado y TPP libre. El grupo acetilo se transfiere a continuación al grupo sulfhidrilo de la coenzima A. Posteriormente, el ácido lipoico reducido se vuelve a oxidar por la dihidrolipoil deshidrogenasa. El FADH2 se oxida por el NAD+ y forma el FAD que se requiere para la oxidación del siguiente residuo de ácido lipoico reducido. Roma-2007

De piruvato a acetil CoA (PDH) Figura 16.6, Voet.

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Regulación de PDH El complejo enzimático se activa alostéricamente por: + „NAD „CoA-SH y „AMP Se inhibe por: „concentraciones elevadas de ATP „los productos de la reacción: acetil-CoA „NADH La inhibición es por producto por NADH y Acetil-CoA Modificación covalente por la fosforilación de la subunidad E1 (sólo en eucariontes) En tejido adiposo, la insulina incrementa la actividad de la piruvato deshidrogenasaactivate mientras que en el músculo cardiaco su actividad es incrementada por catecolaminas (Derivados de Phe y Tyr: Ej. norepinefrina, epinefrina y dopamina) Roma-2007

Ciclo del ácido cítrico … ya dentro de la mitocondria…

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Revisar esta liga Ciclo del ácido cítrico Reguladores del ciclo http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animatio ns/tca/tca.htm Let´s play…!!

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Ciclo del ácido cítrico

* NOTAR LOS TIPOS DE RXN EN CADA PASO Deshidratación, oxidación, etc…

*

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Ciclo del ácido cítrico

Reacciones individuales

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Paso 1: Acetil CoA a Citrato

La enzima saca un protón del grupo CH3 de Ac-CoA Æ( CH2)– (negativo) (CH2)- forma un enlace con el carbonilo del oxaloacetato (intermediario) Hidrólisis del enlace de la CoA. Es una rxn muy favorable Enzima: Citrato sintasa http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle.html

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Citrato: acetil CoA a + oxalacetato

Rxn de condensación aldólica seguida por una hidrólisis Catalizada por citrato sintasa. El oxalacetato se condensa con acetil CoA Æ citril CoA que luego es hidrolizado Æ citrato y CoA.

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Paso 2: Citrato a Isocitrato

Isomerización. Primero sale un H2O y se agrega posteriormente Mueve un grupo OH de un carbono a otro Enzima: Aconitasa contiene un conjunto hierro-azufre (4Fe-4S)

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Isocitrato por isomerización

Se forma un alcohol secundario que puede oxidarse fácilmente Rxn de deshidratación seguida por una hidratación: intercambio de un hidrógeno y un grupo hidroxilo Enzima: aconitasa por ser cis-aconitato un intermediario Roma-2007

Paso 3: Isocitrato a α-cetoglutarato

Primera de cuatro pasos de oxidación del ciclo El carbono con el grupo OH Æ grupo carbonilo con un intermediario inestable Pérdida subsecuente de CO2 (aún enlazado a la enzima) Enzima: Isocitrato deshidrogenasa

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle_part2.html

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α-cetoglutarato: de isocitrato (se oxida y se descarboxila)

1a. Rxn redox del ácido cítrico Enzima de descarboxilación: isocitrato deshidrogenasa. Intermediario: oxalosuccinato, que pierde CO2 para formar α-cetoglutarato La tasa de formación del α-cetoglutarato define la tasa del ciclo del ácido cítrico La oxidación genera NADH. Primer enlace con la cadena de transporte de electrones (CTE)

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Paso 4: α-ketoglutarato a succinil CoA

La enzima cataliza la oxidación que produce NADH, CO2 y un enlace tioester a una molécula de CoA Enzima: COMPLEJO a-ketoglutarato desidrogenasa (similar a la que convierte el piruvato a acetil-CoA –piruvato deshidrogenasa)

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Succinil-CoA: a partir de α-cetoglutarato (se oxida y se descarboxila)

Enzimas del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: α-cetoglutarato deshidrogenasa, dihidrolipoil transsuccinilasa y dihidolipoil deshidrogenasa Rxn de descarboxilación oxidativa (análoga a la conversión del piruvato en acetilCoA, por la piruvato deshidrogenasa. Forma NADH y CO2 Productos (ambas) moléculas de tioéster con energía abundante, esto es, acetil-CoA y succinil-CoA Requieren los mismos cofactores (TPP, CoASH, ácido lipoico, NAD+ y FAD)

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Paso 5: Succinil CoA a Succinato

Un grupo Pi desplaza a la CoA. Se forma un enlace fosfato de alta energía al succinato El grupo fosfato es transferido a GDP para formar GTP (en plantas y bacterias se forma ATP a partir de ADP y Pi) Enzima: Succinil CoA sintetasa ó succinato tiocinasa Roma-2007

Succinato: a partir de succinil-CoA (acoplada a una fosforilación a nivel de sustrato)

Rxn: ruptura del enlace tioéster de alta energía de la succinil-CoA Enzima: succinato tiocinasa está acoplada en los mamíferos a la fosforilación a nivel sustrato de GDP

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Paso 6: Succinato a Fumarato

Tercer paso de oxidación. El FAD acepta dos átomos de H del succinato Enzima: Succinato deshidrogenasa

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/complete_citric_acid_cycle_part2.html

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Paso 7: Fumarato a Malato

Adición de agua al fumarato ubica un grupo OH enseguida del grupo carbonilo Enzima: Fumarasa

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Síntesis de ATP Nucleósido Difosfato cinasa GTP + ADP

GDP + ATP

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Paso 8: Malato a Oxaloacetato

La última de las cuatro oxidaciones del ciclo El C que lleva el grupo OH es convertido a un grupo carbonilo (=) lo que regenera el oxaloacetato Enzima: Malato deshidrogenasa

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Oxalacetato: regeneración

Enzimas: Succinato deshidrogenasa: oxidación del succinato Æ fumarato. Utiliza FAD Fumarasa: convierte en malato por hidratación Malato deshidrogenasa: regenera oxaloacetato (OAA) oxidación dependiente de NAD+. Se forma un tercer NADH Roma-2007

Resumen El compuesto de 4 carbonos OAA se condensa con una molécula de dos carbones de un grupo acetilo y forma una molécula de 6 carbonos (6C): citrato El citrato se descarboxila oxidativamente: forma α-cetoglutarato (5C) El α-cetoglutarato se descarboxila oxidativamente: forma succinato (4C) El oxalacetato se regenera a partir del succinato. (contnúa → Roma-2007

Resumen Una unidad de 2 carbonos entra al ciclo (grupo acetilo). Se liberan dos átomos de carbono (CO2) 3 iones Hidruros (6 electrones) se transfieren a 3 moléculas de NAD+ Un par de átomos de hidrógeno (2 electrones) se transfieren a una molécula de FAD

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Control del ciclo del ácido cítrico

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Control La disponibilidad de sustratos La necesidad de intermediarios del CAA como precursores biosintéticos La demanda de ATP Influyen en la operación del CAA

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Piruvato dehidrogenasa: regulada alostéricamente y fosforilación reversible PASO IRREVERSIBLE: En animales, la formación de acetil CoA a partir de piruvato La decarboxilación oxidativa del piruvato a acetil CoA conduce los átomos de carbón de la glucosa a dos destinos principales: Oxidación a CO2 por el ácido cítrico (genera energía) o

„

„

Síntesis de lípidos

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Pir-deshidrogenasa: punto de control Cuando ↑ los niveles de acetil CoA, NADH y ATP, se promueve la fosforilación y por tanto se inhibe la actividad de la enzima „(la actividad de piruvato dehidrogenasa se inhibe cuando la carga de energía es alta y los intermediarios biosintéticos son abundantes) De modo contrario, la presencia de piruvato y ADP (signo de baja energía) activan la dehidrogenasa al inhibir la acción de la cinasa. El los iones de calcio, también regulan la actividad http://www.uaf.edu/chem/451f00D/ExamIIa_key.htm Roma-2007

Control hormonal de la PDH Incremento en vasopresina

Incremento en el Ca2+ citosólico

Incremento en el Ca2+ mitocondrial

Se activa la fosfatasa (se inhibe la fosforilación de la enzima) Se activa el complejo de la piruvato deshidrogenasa Roma-2007

Control hormonal de la PDH

Incremento en insulina

Se estimula la defosforilación del complejo

Se incrementa la conversión de piruvato a acetil CoA

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Control: reacciones irreversibles ENZIMA

CLASIFICACION

ES IREVERSIBLE?

Citrato sintasa

Transferasa

SI

Aconitasa

Hidatasa

NO

Isocitrato deshidrogenasa

Ox-reductasa

SI

Complejo αCetoglutarato deshidrogenasa

Ox-reductasa

SI

Succinil CoA sintasa

Ligasa

NO

Succinato deshidrogenasa

Ox-reductasa

NO

Fumarasa

Hidratasa

NO

Malato deshidrogenasa

Ox-reductasa

NO Roma-2007

Regulación del ciclo Puntos de inhibición ¤ Intermediarios inhibidores Activadores_ ADP y Ca2+ 1. Piruvato deshidrogenasa: NADH y Ac-CoA 2. Citrato sintasa: NADH , citrato y succinil-Co-A 3. Isocitrato deshidrogensa: NADH y ATP 4. α-cetoglutarato deshidrogenasa: NADH y succinil-Co-A

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El ciclo del ácido cítrico se controla en diferentes puntos La tasa del ciclo depende de: „disponibilidad de sustratos „necesidad de intermediarios y „la demanda de ATP Los puntos principales de control lo constituyen las enzimas alostéricas: „isocitrato deshidrogenasa y „α-cetoglutarato deshidrogenasa

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Isocitrato deshidrogenasa La actividad de la enzima se estimula por: + „ incrementos de ADP y NAD La actividad de la enzima se inhibe por: „incrementos en la concentración de ATP y NADH. (Es importante notar que varios pasos del ciclo requieren NAD+ o FAD, los cuales son abundantes solo cuando la carga de energía es baja).

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α-cetoglutarato deshidrogenasa α-cetoglutarato deshidrogenasa se inhibe por: succinil CoA y NADH (los productos de la reacción que cataliza) „

„

y ATP.

En resumen la tasa del ciclo se reduce por un nivel alto de ATP.

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El ciclo del ácido cítrico como fuente de precursores biosínteticos http://www.bmb.leeds.ac.uk/teaching/icu3/lecture/14/index.htm

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Fuente de precursores biosintéticos

Además de ser una ruta degradativa para la síntesis de ATP, también es fuente de intermediarios para biosíntesis Ej.: la mayoría de los átomos de carbón en porfirinas se derivan de succinil Co-A Muchos aminoácidos se derivan del α-cetoglutarato y del oxalacetato así como bases púricas y pirimídicas. Roma-2007

El ciclo debe de mantenerse Si los intermediarios se desvían a otras rutas, deben de ser re-incorporados para que el ciclo siga funcionando Por ejemplo, si se desvía el OAA hacia aa para la síntesis de proteínas: „ se incrementa la necesidad de energía celular, „la tasa del ciclo del ácido cítrico se reduce debido a que acetil CoA no puede entrar al ciclo sin condensarse con el oxalacetato Para que el ciclo siga funcionando se debe de mantener un nivel mínimo de oxalacetato. Roma-2007

Cómo es re-incorporado el oxalacetato?

Los intermediarios del ciclo que se usan para biosíntesis son recuperados por medio de la formación de oxalacetato a partir de piruvato El oxalacetato se forma por medio de la carboxilación del piruvato en una reacción catalizada por la enzima piruvato carboxilasa (que depende de biotina) Esta enzima se activa solo en presencia de Acetil Co-A.

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Destinos del oxalacetato en base a requerimientos energéticos de la célula

Si la carga de energía es alta, el oxalacetato se desvía hacia la formación de glucosa.

Si la demanda de energía es baja el oxalacetato se reincorpora al ciclo del ácido cítrico. Clase: porqué..??

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Ubicación donde se requiere…

www.sirinet.net/~jgjohnso/ reproduction.html

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Producción de ATP en procariontes Durante la respiración aeróbica, a partir de una molécula de glucosa

http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio225/chap05/lecture4.htm Roma-2007

Producción de energía Oxidación de azúcares y grasas

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Animaciones: MUY DIDACTICO…!!!!!!!! http://www.johnkyrk.com/krebs.html Otra versión light… http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/krebs. html

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Para recordar… Compuesto

Porqué necesito saberlo?

Características

Glucosa

Principal fuente de energía (como almidón)

Se almacena en cantidades limitadas

Triglicéridos

Principal almacén de energía

Su hidrólisis libera ácidos grasos y glicerol

Lactato

Producto glucolítico del músculo blanco

Recicla hacia glucosa en el hígado

Alanina

Principal aa liverado durante periodos de hambruna

Estructuralmente relacionado a lactato y piruvato

Glutamina

Principal aa en sangre

Estructuralmente relacionado a glutamato y oxoglutarato

Aceto-acetato

Peligro de muerte si está en exceso en cuadro de diabetes aguda

Importante fuente de energía durante periodos de hambruna Roma-2007