Introduccion Al Metabolismo

DRA. CLARA I. NANNE (2-07)

INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Metabolismo: es la suma de todas las transformaciones químicas en una célula u organismo que ocurren a través de una serie de reacciones en un determinado momento, catalizadas por enzimas, que constituyen vías metabólicas. Tipos de vías metabólicas • Catabólica: convergente, donde a partir de moléculas diferentes se va a obtener un mismo producto (lípidos, carbohidratos y aa van a dar acetil-CoA). Degradación-exergónica libera energía q se hace evidente en forma de ATP.

• Anabólica: divergente, ya que a partir de una misma molécula clave (acetil-CoA) por diferentes vías se sintetizan compuestos diferentes (lípidos: ác grasos, colesterol, fosfolípidos). Síntesis-endergónica se consume ATP y se produce ADP.

• Anfibólica: Cíclica, es tanto anabólica como catabólica, ej: ciclo del ácido cítrico ¿Explique el sentido metabólico del C. del ác cítrico en el hepatocito y su regulación enzimática? Según las necesidades de la célula esta vía va a ser una vía oxidativa donde se va a producir ATP, y va a ser también una vía en que en determinado momento, en estado de ayuno o inanición, los intermediarios del ciclo van a dar origen a glucosa o a otros compuestos. Es muy importante la parte anabólica, la de biosíntesis de los diferentes intermediarios, como en el hepatocito que se lleva a cabo la gluconeogénesis. No mencionó la regulación enzimática.

En esta imagen se pueden apreciar los tres tipos de vías metabólicas. Del lado izquierdo se tiene al catabolismo, en el que por una infinidad de vías se va a converger en una molécula que la acetil-CoA. Esa Acetil CoA se puede ir a la vía anfibólica del ciclo del ác cítrico. Del lado derecho el anabolismo donde la acetil-CoA va a dar origen a diferentes compuestos: ác grasos, colesterol, triglicéridos, etc. La acetil-CoA es una molécula donde terminan muchas vías y da origen a otras. Relaciones energéticas entre las vías catabólicas y anabólicas Nosotros como organismos heterótrofos necesitamos digerir los alimentos, llevar a cabo el catabolismo, para tener energía para que se lleve a cabo el anabolismo. Nosotros necesitamos oxidar los alimentos con el fin de producir la energía necesaria y las moléculas necesarias para la biosíntesis de fosfolípidos, triglicéridos, pt, etc. Cuando se habla de fases del catabolismo a nivel del organismo, mucha literatura pone de primero a la digestión Las tres fases del catabolismo (intracelularmente) 1. Convergente: Aminoácidos, ácidos grasos, glucosa → acetil CoA 2. Ciclo del ác cíclico: Acetil CoA → 2CO2 3. NADH y FADH2 → ATP + H2O Estas tres fases son dependientes o interdependientes una de otra están fuertemente relacionadas. La acetil-CoA es el combustible del C. del ác cítrico, el cuál es totalmente dependiente de la cadena oxidativa En la primera parte del C. del ác cítrico una reacción dependiente de la cadena oxidativa es la descarboxilación oxidativa del piruvato.

Las reacciones o vías que se denominan aeróbicas dependen de la cadena oxidativa, porque el NADH y FADH2 tienen que irse a la cadena oxidativa para volverse a oxidar y que siga ocurriendo la vía. La regulación de las vías metabólicas es importante porque éstas no siempre tienen que estar ocurriendo, depende de las necesidades de las células. Tipos de regulación metabólica • Interacciones alostéricas: mediante efectores alostéricos que se unen a las enzimas en sitios activos y producen un cambio en ella, de manera que mejore o disminuya su eficiencia. Es la más rápida, estas interacciones ocurren en segundos o minutos (No interviene otra enzima).

• Modificación covalente: es una regulación también rápida, en donde ya participan la formación de enlaces covalentes, puede ser: fosforilación, adenililación y carboximetilación. Depende de hormonas

• Nivel de las enzimas: es mucho más lenta, la concentración de la enzima se regula y también su actividad. El nivel de síntesis y degradación de muchas enzimas reguladoras es alterado por hormonas tipo esteroides (calcitriol, calbindina)

• Compartamentalización: diferentes vías se producen en diferentes lugares de la célula. Regulación en cuanto a que ocurre en compartimientos diferentes. Significa que algunas vías ocurren en la matriz mitocondrial (acido cítrico), recordemos que la membrana interna mitocondrial tiene una característica muy importante en cuanto es muy impermeable (selectiva) y otras ocurren en el citoplasma. Si reacciones antagónicas ocurrieran en el mismo compartimiento no se podrían dar a un mismo tiempo, mientras una está activa la otra se tiene que inactivar, pero al ocurrir en distintos compartimientos ambas se pueden dar al mismo tiempo. Por ejemplo: matriz mitocondria, ya que los sustratos o productos no van a difundir tan fácilmente ya que hay muchas proteínas transportadoras. En el citoplasma ocurre: • En el hígado la síntesis de glucógeno. • Glicólisis-síntesis de ácidos grasos- desvió de las pentosas. En matriz mitocondrial ocurre: • Ciclo del ácido cítrico- fosforilación oxidativa (síntesis de ATP) • Oxidación de ácidos grasos. • Descarboxilación oxidativa del piruvato. Los que ocurren en parte de la matriz mitocondrial y parte en el citosol: • Glucogénesis – síntesis de Urea. ← Las tres fases del catabolismo (A nivel celular) Los enfermos de beriberi presentan niveles sanguíneos de piruvato y alfa-cetoglutarato elevados, en especial después de comidas ricas en glucosa. Explique a que se debe. El beriberi es una enfermedad que se produce por una deficiencia muy prolongada de Tiamina (vit B1), cuya coenzima es la TPP (tiamina pirofosfato) que forma parte de la enzima 1 (piruvato deshidrogenada) del complejo piruvato deshidrogenasa y del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa. Por lo tanto al no haber TPP toda la rxn se afecta (inhibe) y se acumula el sustrato de cada rxn que luego sale a la sangre. Se da más que todo después de consumir comidas ricas en glucosa porque es la principal fuente de acetil-CoA. El α-cetoglutarato puede provenir de aa, pero cuantitativamente es la fuente de menor cantidad. El piruvato entra por un transportador a la membrana interna de la mitocondria, luego sufre la descarboxilación oxidativa del piruvato para formar la acetil-CoA

Importante: las vías metabólicas son complejas, pero lo importante es saber: función de la vía, ecuación, que entra que se produce, en que cantidad y cómo se regulan las diferentes vías. Componentes del complejo piruvato deshidrogenasa • E1= piruvato deshidrogenasa • E2= dihidrolipoil transacetilasa • E3= dihidrolipoil deshidrogenasa • Coenzimas: Se unen fuertemente a la enzima: • TPP: unido a E1 • Ácido lipoico: no es una vitamina ya que nosotros lo sintetizamos, está unido a E2. Como podemos ver en la figura de al lado tiene un enlace disulfuro y un residuo de cerina. El enlace disulfuro se puede oxidar o reducirse en dos grupos SH (CoA, complejo enzimático ác grasos sintetasa, glutatión, también tienen grupos sulfidrilo). Una vez que se reduce es capaz de aceptar el grupo acetil • FAD: unido a E3, por lo tanto la E3 es una flavoproteína. Se unen débilmente a la enzima (solubles): • CoA-SH • NAD+ Mecanismo de la descarboxilación oxidativa del piruvato Sustrato: piruvato. Productos: acetil-CoA, CO2 y NADH.

Pasos: 1) Entra el piruvato y sobre él va a actuar la E1 (piruvato deshidrogenasa) que primero lo descarboxila (libera CO2), luego el grupo que queda (acetilo) se une a la TPP.

2) Consiste en que el grupo acetilo va a ser transferido de E1 a E2. La transferencia la va a hacer la misma E1. El grupo acetilo queda unido al ác lipoico, al que le ocurre la reducción. Se recupera la E1. Por lo tanto la piruvato deshidrogenasa a realizar las dos primeras reacciones 3) Entra la CoA-SH que está en el medio, se pega al complejo por enlaces débiles y la E2 transfiere el acetilo del ác lipoico a la CoA, se forma la acetil-CoA, la cuál se va al C. del ác cítrico. La E2 queda con el ác lipoico reducido (2 SH). 4) La E3 toma los 2 H del ác lipoico reducido y se los pasa a FAD, por lo tanto el ác lipoico queda oxidado y el FAD reducido (FDAH2).

5) El NAD que está en el medio se une al complejo por enlaces débiles y toma los H del FADH2, por lo tanto el NAD queda reducido (NADH + H) y la E3 queda con su FAD oxidado. Por lo tanto se puede repetir el ciclo. El NADH+H se va a la cadena oxidativa. La deficiencia de cualquiera de estas coenzimas afecta la reacción La reacción es fuertemente irreversible su G es muy negativo, está desviada a la formación de acetilCoA, el acetil-CoA nunca puede dar origen a un piruvato. El término oxidativo se refiere a que es dependiente del oxígeno atmosférico porque depende de la cadena oxidativa, se llama vía aeróbica (hay levaduras que hacen descarboxilación no oxidativa y producen etanol).

Regulación alostérica de la descarboxilación oxidativa del piruvato Inhiben complejo: - Concentraciones altas de ATP, acetil-CoA, NADH. - Ác grasos de cadena larga. Activan complejo: Concentraciones altas de AMP o ADP, CoA, NAD, Ca Regulación covalente del complejo piruvato deshidrogenasa Las 3 enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, la proteinquinasa y la fosfoproteína fosfatasa de asocian. El complejo cuando se fosforila se inactiva y cuando se desfosforila se activa (en la mayoría de las enzimas se cumple esto) Las enzimas que se activan cuando se fosforilan son: • Lipasa sensible a hormonas • Glucógeno fosforilasa • Fructuosa 2,6 difosfatasa Una kinasa en este caso la proteín kinasa es quien lo fosforila (inactiva) y la enzima fosfoproteína fosfatasa es quien lo desfosforila (activa). En general la fosforilación de proteínas se da por una kinasa que toma el fosfato del ATP y la desfosforilación se dará por una fosfatasa. La fosfatasa es una hidrolaza de fosfato, es una enzima que llega, hidroliza y le quita a la proteína el fosfato por hidrólisis. La proteinquinasa es regulada alostéricamente, es activada por concentraciones altas de ATP, acetil-CoA (su propio producto) y NADH, los cuales inactivan al complejo piruvato deshidrogenasa, porque al activarse la proteinquinasa fosforila al complejo y lo inhibe. La fosfoproteína fosfatasa es activada por calcio, esto es muy importante en músculo esquelético, por lo tanto el Ca favorece la activación del complejo. Si en una enzima su regulación es covalente y alostérica deben de darse las dos, deben estar fuertemente integradas, solo una no funciona El complejo α-cetoglutarato deshidrogensa del C. del ác cítrico NO es regulado covalentemente, SÓLO alostéricamente, ninguna reacción de este ciclo es regulada covalentemente

CICLO

DEL ÁCIDO CÍTRICO O CICLO DE

KREBS

Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial Es una vía catabólica cíclica en que el acetil-CoA se va oxidar en dos moléculas de CO2. Su función anabólica es que todos los intermediarios de la reacción pueden originar glucosa, aa, u otros productos. Es dependiente totalmente de la cadena oxidativa, es una vía aeróbica Es una forma indirecta por medio de la cual lo organismos vivientes en el curso de la evolución desarrollaron un sistema para poder oxidar una molécula de ác cético hasta dos moléculas de CO2. Los dos C del ác acético se oxidaran y serán los que forman las moléculas de CO2, esto liberará una gran cantidad de energía. La finalidad de esta vía metabólica cíclica es producir ATP primordialmente

Entra la acetil-CoA al ciclo, se condensa con el oxalacetato para producir citrato, y una vez que esto se forma la idea es oxidarlo con el fin de los diferentes intermediarios se vallan oxidando (algunos descarboxilando) para producir para producir coenzimas reducidas (NADH y FADH2), que luego van a ir a producir ATP a la cadena oxidativa, de aquí es de donde se produce la mayor parte de la energía de ciclo de ác cíclico. ¿Considera usted al ác cítrico carcinogénico?

No es carcinogénico, es una vía que ocurre normalmente en todas las células del cuerpo (con excepción del eritrocito), es la vía principal de producción de energía. ¿Es el ciclo del ác cítrico una vía reversible? La forma en que actúa el ciclo es hacia la derecha, no se puede dar de forma irreversible porque hay dos rxnes que son irreversibles, son las que le dan el sentido al ciclo y son: la de citrato sintasa y la del complejo α-cetoglutarato deshidrogensa. Con sólo una rxn irreversible hace que toda la vía lo sea. REACCIONES DEL CICLO 1) Formación del citrato a partir de acetil CoA y oxalacetato por acción de la citrato sintasa La acetil-CoA que es el combustible rxna con el oxalacetato. El oxalacetato producido por el ciclo de krebs se mantiene en una concentración normalmente baja. La acetil-CoA puede estar en concentraciones muy diferentes dependiendo de donde provenga. Esta rxn es muy importante porque es fuertemente desplazada hacia la formación de citrato, por lo tanto es una de las rxnes irreversibles del ciclo. La enzima citrato sintasa lo que hace es unir el acetilo con el oxalacetato y se forma un compuesto de mayor peso molecular alto que es el citrato. Esta enzima es sintasa y no sintetasa porque la energía de la rxn no se obtiene del ATP, sino de la hidrólisis de un compuesto de elevada energía (acetil-CoA). 2) Formación del isocitrato por medio del cis-aconitato como intermediario por acción de la aconitasa Nuestro organismo no puede oxidar el citrato porque es un alcohol terciario, estas dos rxnes tienen como finalidad pasar el OH de C. La aconitasa (liasa) lo que hace es deshidratar el citrato, forma un compuesto intermediario que es la cis-aconitasa, luego la misma aconitasa va a hidratar de nuevo la molécula pero de manera tal que la posición del OH cambie de posición, se forma el isocitrato. 3) Oxidación del isocitrato a α-cetoglutarato por acción de la isocitrato deshidrogenasa El isocitrato pierde dos H. La isocitrato deshidrogenasa va tener dos funciones: deshidrogenasa (NADNADH) y descarboxilasa. En algunos organismos esta enzima puede actuar con el NADP, pero en nuestro organismo se utiliza el NAD. Llega la isocitrato deshidrogenasa, le pasa los H al NAD reduciéndolo en NADH, se forma el oxalsuccinato como compuesto intermediario el cuál va a sufrir una descarboxilación (se le quita un CO2) por la misma isocitrato deshidrogenasa y se forma el α-cetoglutarato. Por lo tanto esta enzima primero oxida al isocitrato y luego lo descarboxila. Como la rxn que sigue es fuertemente exergónica “hala” a esta rxn de tal manera que es prácticamente irreversible y en los libros la representan como si fuera irreversible, pero en realidad es reversible. 4) Oxidación del α-cetoglutarato a succinil CoA y CO2 por acción del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa (Dijo la prof que esta rxn puede ser pregunta de examen) Es la segunda rxn irreversible, fuertemente exergónica. El complejo α-cetoglutarato deshidrogensa es muy parecido al complejo piruvato deshidrogenasa, la diferencia es que este complejo no es regulado covalentemente. El α-cetoglutarato va a ser descarboxilado oxidativamente (depende de la cadena oxidativa). El complejo formado por 3 enzimas y 5 coenzimas (las mismas que las del complejo piruvato deshidrogenasa) tienen sus diferencias pero es el mismo mecanismo, pero a diferencia del acetil-CoA lo va a inhibir la succinil-CoA. Las enzimas serán: • E1= α-cetoglutarato deshidrogenasa

• E2= dihidrolipoil transacetilasa • E3= dihidrolipoil deshidrogenasa Este complejo va descarboxilar el α-cetoglutarato y va a producir succinil-CoA, también se va a producir la segunda molécula de NADH y liberar el segundo y último CO2. Por lo tanto este complejo en una deficiencia de tiamina se inhibe y se acumula el sustrato. 5) Conversión de succinil CoA en succinato por acción de la succinil-CoA sintetasa o succinato tioquinasa El succinil-CoA que se formó va a ser hidrolizado en succinato por medio de la succinil-CoA sintetasa. La hidrólisis de un compuesto de alta energía libera gran cantidad de energía (fuertemente exergónica), y esta rxn se acopla con la biosíntesis de ATP, por lo tanto la parte de la energía liberada será utilizada para unirle al ADP un fosfato y formar ATP, produciéndose fosforilación a nivel de sustrato o formación de ATP a nivel de sustrato. Cuando se suman los dos ΔG de las reacciones que se acoplan queda un ΔG muy pequeño, pero la rxn en sí, sola sin acoplar es fuertemente exergónica. En la figura se señala la formación de GTP, que también puede suceder así, pero se ha demostrado que en nuestro organismo por medio de esta vía se da una mayor formación de ATP que de GTP. En caso de que se produzca GTP, en la misma matriz mitocondrial por medio de la nucleócido difosfato quinasa (que está tanto en el citoplasma como en la matriz mitocondrial) pasa a ser ATP, y el GDP libre puede ir otra vez a la vía y esta es la única rxn de esta clase en el ciclo. 6) Oxidación de succinato a fumarato por acción de la succinato deshidrogenasa Esta es la única rxn del ciclo del ác cítrico donde la enzima que la produce, que es la succinato deshidrogenasa no está libre en la matriz mitocondrial, sino que es una proteína de integral de la membrana interna de la mitocondria formando parte del complejo II de la cadena oxidativa. Por lo tanto esta enzima es una flavoproteína ya que tiene al FAD fuertemente adherido a ella. Entonces ésta enzima oxida al succinato por medio de FAD (que queda reducido en FADH2) y se produce fumarato. Entonces en el C. de Krebs hay dos flavoproteínas: la succinato deshidrogenasa y la dihidrolipoil deshidrogenasa del complejo α-cetoglutarato deshidrogensa. Pero la succinato deshidrogenasa es la única que actúa sola y no como complejo. El malonato es inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa, por tener una estructura muy semejante al succinato y compite con este para entrar en el sitio activo de la enzima, pero al no ser el sustrato correcto la rxn no se puede llevar a cabo y la enzima queda inhibida 7) Hidratación de fumarato a malato por acción de la fumarasa Una vez que se forma el fumarato y como lo que se quiere es tratar de conseguir la mayor cantidad de ATP a nivel e cadena oxidativa, se produce una rxn con la enzima fumarasa (liasahidratasa) donde al fumarato (sustrato que no se puede oxidar más) se la agrega agua y se forma el malato con la intensión de que pueda ser oxidado a oxalacetato. 8) Oxidación del malato a oxalacetato por acción de la malato deshidrogenasa Esta es la última rxn del ciclo (si se puede hablar de una última rxn de un ciclo). El malato es oxidado por medio de la malato deshidrogenasa para producir oxalacetato y NADH

Producción de NADH, FADH2 y ATP en el ciclo del ácido cítrico Por cada acetil-CoA que entre a Krebs se van a formar:

• 3 NADH: de las rxnes con isocitrato deshidrogenasa, complejo -cetoglutarato deshidrogensa y malato deshidrogenasa. • 1 FADH2: de la rxn con la succinato deshidrogenasa. • I ATP o GTP: de la rxn con succinil-CoA sintetasa Regulación del ciclo del ácido cítrico Esta vía es regulada alostéricamente, y solo son tres las enzimas reguladoras (son las irreversibles): CITRATO SINTASA: • Inhiben: Concentraciones altas de citrato, ATP, NADH y succinil-CoA (es una inhibición competitiva ya que es semejante a la acetil-CoA). • Activan: Concentraciones altas de ADP. ISOCITRATO DESHIDROGENASA: • Inhiben: Concentraciones altas de ATP. • Activan: Concentraciones altas de (importante en m esquelético).

ADP

y

Ca

COMPLEJO α -CETOGLUTARATO DESHIDROGENSA: • Inhiben complejo: Concentraciones altas de succinilCoA y NADH. No lo Inhibe el ATP porque no es regulado covalentemente • Activan complejo: Concentraciones altas Ca. Tanto el NADH como el FADH2 aportan dos electrones a la cadena oxidativa. En la imagen de la derecha se puede apreciar como se acoplan los mecanismos, y como mediante las coenzimas reducidas producidas en el ciclo de krebs van a la cadena oxidativa a producir el gradiente de protones para que se produzca el ATP por medio del complejo V. ATPs sintetizados en el ciclo del ácido cítrico 3 NADH (3 por 2,5 ATP) = 7,5 ATP 1 FADH2 (1 por 1,5 ATP) = 1,5 1 GTP (ATP) = 1 . Total 10 ATP Papel del ciclo del ácido cítrico en el anabolismo

No nos tenemos que olvidar que los diferentes intermediarios del ciclo van a dar origen a diferentes compuestos mediante diferentes reacciones. • Citrato: ác grasos y esteroides • α-cetoglutarato: glutamato • Succinil-CoA: porfirinas • Oxalacetato: aspartato, arginina → pirimidinas. Por medio del PEP se produce glucosa u otros aa Esto se da cuando el ciclo está funcionando de su forma oxidativa.

El oxalacetato mitocondrial es productor de aa ¿Qué pasa con el desvío del piruvato a

ciclo del ác cíclico a medida que el oxalacetato es utilizado en la biosíntesis de aa? ¿Cómo se repone el oxalacetato en las células de nuestro organismo? Si en el ciclo se está formando oxalacetato en la síntesis de aa, se forma por medio de rxnes anapleróticas a partir del piruvato, por lo tanto el piruvato se va a desviar a su formación Reacciones anapleróticas (de relleno) Reacciones por medio de las cuáles se producen intermediarios de una vía por una rxn diferente. Las rxnes producidas por PEP carboxiquinasa oxalacetato fosfoenolpiruvato relacionan con la glicólisis.

la de a se