La mayoría de las moléculas combustibles entran en el ciclo como

Transcripción

1 EL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS CÍCLO DEL ÁCIDO CÍTRICO CICLO DE KREBS al igual que las rotondas el ciclo de los ácidos tricarboxílicos facilita el flujo de tráfico punto central del sistema metabólico Acetil-CoA GTP 2CO 2 Imagen de dominio público. Roundabout Großwallstadt, N E , Bavaria, Germany, aerial photograph 8 e - La mayoría de las moléculas combustibles entran en el ciclo como acetil-coa

2 Es el punto de convergencia de importantes vías catabólicas : Oxidación de ácidos grasos Oxidación de carbohidratos Oxidación de aminoácidos Fuente de moléculas precursores de diversas biomoléculas importantes Vía que puede ser catabólica y anabólica según los requerimientos del organismo : vía anfibólica Por ser el centro metabólico de la célula, la entrada y velocidad del ciclo están controladas en varios puntos El ciclo del ácido cítrico aporta electrones de alta energía, ATP y CO 2 La función del ciclo es la producción de electrones de alta energía a partir de combustibles carbonados

3 El ciclo del ácido cítrico oxida unidades de dos carbonos Oxalacetato NADH FADH 2 Dos átomos de carbono en forma de acetil-coa entran en el ciclo y dos átomos de carbono dejan el ciclo en la forma de CO 2 NADH CO 2 GTP CO 2 NADH En las cuatro reacciones de oxido-reducción se transfieren tres pares de electrones al NAD y un par al FAD (oxidación en cadena respiratoria rendirá 9 ATPs). En el ciclo formación de una molécula de GTP

4 Imagen de dominio público. Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins - en:image:citric_acid_cycle_with_aconitate_2.svg

5 8 pasos catalizados por un total de 8 enzimas - Citrato sintasa - Aconitasa - Iso-citrato deshirogenasa - α cetoglutarato deshidrogenasa - Succinil-Coenzima A sintetasa - Succinato deshidrogenasa - Fumarasa - Malato deshidrogenasa El oxalacetato se regenera al final del ciclo. Basta una molécula de oxalacetato para llevar a cabo la oxidación de un número ilimitado de moléculas de acetilo (siempre y cuando no se consuma por reacciones laterales). EL ciclo opera solamente en condiciones aeróbicas porque requiere el suministro de NAD+ y FAD

6 Dónde ocurre? CICLO DE KREBS EN LA MITOCONDRIA Dominio Público. Animal mitochondrion diagram en.svg by Mariana Ruiz (LadyofHats) Author Aibdescalzo Dominio Público. L. Howard nlungtem/source/8.html 1948 E.P. Kennedy y A. L Lehninger Descubren que las mitocondrial aisladas, obtenidas de homogeneizados de hígado de rata en una medio tamponado de fosfatos que contenía nucléotidos de adenina (ADP, ATP), Mg++, catalizaban la oxidación del piruvato y todos los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxilicos a expensas del O 2 molecular.

7 La descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-coa es el nexo de unión ente la glicólisis y el ciclo de Krebs Piruvato CO 2 2e- Acetil-CoA En condiciones aerobias, el piruvato es transportado al interior de la mitocondria mediante un transportador específico GTP 2CO 2 8 e - Complejo Piruvato Deshidrogenasa Piruvato Acetil-CoA

8 Complejo multienzimático Piruvato Deshidrogenasa (CPD) responsable de la descarboxilación oxidativa del piruvato: Descarboxilación Oxidación Transferencia al CoA Piruvato Acetil-CoA Estas etapas de reacción deben estar acopladas para conservar la energía libre derivada de la descarboxilación y permitir la formación de NADH y acetil-coa Es una etapa clave e irreversible en el metabolismo de la glucosa, que conecta la glicólisis con el ciclo de Krebs.

9 El CPD está formado por 3 enzimas diferentes y 5 cofactores. Enzima(de la bacteria E. coli) N o /complejo Cofactores E1 : piruvato deshidrogenasa 24 TPP E2 : dihidrolipoil transacetilasa 24 Lipoato, CoA E3 : dihidrolipoil deshidrogenasa 12 FAD, NAD + 2 enzimas adicionales implicadas en su regulación (en eucariotas principalmente) Mw= 4-10 millones de Daltons Nota: ver Figuras 17.5, 17.7, 17.8 del Libro de Bioquímica, de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición se encuentra en la Biblioteca de Facultad)

10 Complejo multienzimático Piruvato Deshidrogenasa utiliza 5 cofactores orgánicos diferentes (coenzimas) Tiamina pirofosfato (TPP) Lipoamida (grupo prostético) FAD NAD /e/ef/flavin_adenine_dinucleotide.png/1143px- Flavin_adenine_dinucleotide.png SH grupo b -mercaptoetilamino vitamina ácido pantoténico CoA adenosina-3 - fosfato

11 Los procesos catalíticos de complejos multi-enzimáticos son muy eficientes en el complejo la distancia a la que los sustratos deben difundir entre los sitios activos está reducida al mínimo, de esta forma se aumenta la velocidad se reducen las reacciones colaterales pues los productos intermedios permanecen unidos Nota: por mayor información ver Figura 17.9 del Libro de Bioquímica, de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad) Dominio Público

12 La formación de acetil-coa tiene lugar en cinco etapas Cofactor Ubicación Función Tiamina pirofosfato (TPP) Unido a E1 Descarboxila el piruvato y produce un carbanión hidroxietil- TPP. Ácido lipoico Unido de manera covalente a una Lisina específica de E2 Acepta el carbanión hidroxietil de TPP como grupo acetilo. Coenzima A (CoA) Sustrato para E2 Acepta el grupo acetilo de acetildihidrolipoamida. Flavina adenina dinucleótido (FAD) Unido a E3 Reducido por la dihidrolipoamida. Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) Sustrato para E3 Reducido por FADH 2.

13 Acetil-CoA: compuesto de alta energía Acetil-CoA=Acetil Coenzima A,=Acetil-SCoA Producto común de la descomposición de carbohidratos, ácidos grasos, y aminoácidos Capaz de conservar una porción de la energía libre de oxidación de un combustible metabólico Grupo acetilo unido por enlace tioéster El AG o para la hidrólisis de su enlace tioéster es de -31,5 KJ/mol (1 kj/mol más exergónica que la hidrólisis de ATP) Dominio público_http://commons.wikimedia.org/wiki/file:acetyl-coa-2d.svg

14 1. La citrato sintasa produce citrato a partir de acetil-coa y oxalacetato citrato Acetil-CoA Oxalacetato sintasa Citrato Condensación (C4+C2) para generar un ácido tricarboxílico (C6) (por eso el nombre del ciclo). La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la reacción sea exergónica

15 Mecanismo: intermediario citril-coa, molécula de alta energía Dominio público. La hidrólisis del tioéster citril-coa proporciona la energía necesaria para la síntesis de citrato Nota: por mayor información ver Figura y del Libro de Bioquímica, de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad)

16 Mecanismo de la citrato sintasa evita que se produzcan reacciones no deseadas Dominio Público. Proteína unida a Oxalacetato Cinética secuencial: primero se une el oxalacetato, luego el acetil-coa. El cambio inducido por la unión del oxalacetato genera el sitio de unión de la acetil-coa. Constituye un ejemplo de modelo inducido de unión de sustrato (induced fit model). El ajuste inducido evita las reacciones colaterales no deseadas

17 La estrategia de los dos próximos pasos del ciclo de Krebs implican reestructurar el citrato a un isómero que se oxide con mayor facilidad para luego oxidarlo. Citrato La aconitasa isomeriza el citrato un alcohol terciario de difícil oxidación a Isocitrato un alcohol secundario de fácil oxidación. Isocitrato 2. El citrato se isomeriza a isocitrato por la aconitasa Aconitasa deshidratación Aconitasa hidratación hidratación Citrato cis-aconitato Isocitrato

18 Citrate and the Fe-S cluster in the active site of aconitase: dashed yellow lines show interactions between the substrate and nearby residues La aconitasa es una ferro-sulfo proteína contiene un centro hierro-azufre que actúa como centro de fijación de sustratos y centro catalítico, facilitando las reacciones de deshidratación y rehidratación del sustrato

19 3. El isocitrato se oxida y descarboxila hasta a-cetoglutarato por la isocitrato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa Isocitrato α-cetoglutarato

20 Pasos: -La enzima oxida el isocitrato al β-cetoácido intermedio oxalsuccinato con la reducción acoplada de NAD+ a NADH. - Luego el oxalsuccinato se descarboxila obteniéndose α-cetoglutarato. Es la primer etapa del Ciclo de Krebs en la que la oxidación se acopla a la producción de NADH y en el que se genera CO 2

21 4. El alfa-cetoglutarato se oxida y descarboxila a succinil-coa por acción del complejo multienzimático α-cetoglutarato deshidrogenasa α-cetoglutarato Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa Succinil-CoA El complejo de la a-cetoglutarato deshidrogenasa es muy parecido al complejo piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en función.

22 5. Conversión del succinil-coa en succinato por la succinil-coa sintetasa con generación de GTP Succinil-CoA Succinil-CoA sintetasa Succinato Esta enzima convierte la succinil-coenzima A a succinato. La energía libre de la unión tioéster del succinil-coa que se rompe no se pierde pues se genera un compuesto con alto potencial de transferencia de energía el GTP o ATP Nucleósido difosfoquinasa

23 Mecanismo: la succinil Co-A sintasa transforma los tipos de energía bioquímica Dominio Público La energía de la molécula tioéster se transforma en potencial de transferencia del grupo fosforilo. La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas de la energía liberada de la rotura del succinil-coa es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato

24 Las reacciones restantes del ciclo contribuyen a oxidar el succinato a oxalacetato para regenerarlo y recomenzar el ciclo oxidación hidratación oxidación Succinato Fumarato Malato Oxalacetato Transformación de un grupo metileno (CH2) en un grupo carbonilo (C=O) No sólo se regenera el oxalacetato, también se acumula FADH2 y NADH. La formación de oxalacetato permite que un nuevo ciclo comience

25 6. El succinato se oxida fumarato mediante la succinato deshidrogenasa Succinato deshidrogenasa Succinato Fumarato El aceptor de hidrógeno es el FAD en vez del NAD+ porque el cambio de energía libre es insuficiente para reducir el NAD+. Esta enzima cataliza la oxidación de la única unión central del succinato a un doble enlace trans con lo que se obtiene fumarato y se reduce el FAD a FADH 2. En eucariotas, la succinato deshidrogenasa se encuentra unida a la membrana mitocondrial interna, contiene tres centros hierro-azufre diferentes y una molécula de FAD unida covalentemente.

26 7. Hidratación del fumarato y producción de malato por acción de la fumarasa Fumarasa Fumarato L-Malato La fumarasa cataliza una adición estereoespecífica en trans del un H+ y un OH-. El grupo OH- se añade solamente a un lado del doble enlace del fumarato, por lo cual se forma el isómero L-del malato

27 8. El malato se oxida a oxalacetato mediante la malato deshidrogenasa L-Malato Malato deshidrogenasa Oxalacetato Mediante oxidación del grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona esta enzima vuelve a formar oxalacetato, con la reducción simultánea de un tercer NAD+ a NADH. AG o notablemente positivo, la oxidación del malato resulta posible por la utilización de sus productos, oxalacetato por la citrato sintasa y NADH por la cadena de transporte de electrones

28 Balance del Ciclo de Krebs produce electrones con alto potencial de transferencia, GTP y CO 2 Acetil-CoA + 3NAD + + FAD + GDP + P i + 2H 2 O 2CO 2 + 3NADH + FADH 2 + GTP+ 2H + +CoA La oxidación de éstos por parte del O 2 mediante la cadena de transportes de electrones y la fosforilación oxidativa completa la descomposición del combustible metabólico, lo que conduce a la síntesis de ATP (9 moléculas) La energía de las oxidaciones del ciclo se conserva con eficiencia Nota: por mayor información ver Tabla 17.2 del Libro de Bioquímica, de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad)

29 Regulación del ciclo de Krebs: a nivel de la piruvato deshidrogenasa Regulación alostérica: Se inhibe por altas concentraciones de los productos de reacción: - acetil-coa inhibe a E2 - NADH inhibe a E3 Concentraciones elevadas de acetil-coa y NADH informan al enzima que las necesidades energéticas de la células han sido atendidas o que los ácidos grasos se están degradando para producir acetil Co-A y NADH. De esta forma se ahorra glucosa ya que la mayor parte del piruvato procede de la glucosa a través de la glicólisis.

30 Regulación por modificación covalente PDH activa Quinasa Fosfatasa PDH inactiva Una quinasa específica (PDK) fosforila y desactiva la piruvato deshidrogenasa (E1 de PDH). Una fosfatasa (PDP) la activa al eliminar el grupo fosforilo (E1 de PDH). Esta quinasa y la fosfatasa son también enzimas muy reguladas: -el ADP y el piruvato inhiben a la quinasa PDK - el Ca++ activa la fosfatasa PDP (la misma señal que inicia la contracción muscular) - regulada hormonal : en el hígado, la adrenalina, provoca aumento Ca++ que activa la fosfatasa en el hígado y tejido adiposo dónde hay síntesis de ácidos grasos, la insulina que indica el estado alimentado, estimula la fosfatasa, aumentando la conversión de piruvato en acetil-coa (precursor de los ác-grasos). En estos tejidos el complejo PDH se activa para canalizar la glucosa hacia piruvato y después acetil-coa, finalizando en la síntesis de ácidos grasos.

31 Respuesta del complejo piruvato deshidrogenasa a la carga energética CARGA ENERGÉTICA ELEVADA : reposo relaciones elevadas NADH/NAD+ acetil CoA/CoA ATP/ADP Piruvato CARGA ENERGÉTICA BAJA: ejercicio relaciones bajas NADH/NAD+ acetil CoA/CoA ATP/ADP Piruvato Acetil-CoA Acetil-CoA Krebs Krebs

32 El ciclo de Krebs está controlado en varios puntos Puntos de control: en las 2 primeras enzimas que generan electrones de alta energía Isocitrato deshidrogenasa - Activadores: ADP (alostérico) - Inhibidores : ATP (alostérico), NADPH (competitivo, y ejemplo de inhibición por acumulación de producto de la reacción que cataliza, el NADH desplaza al sustrato NAD). α-cetoglutarato deshidrogenasa - Inhibidores: succinil-coa, NADH (otro ejemplo de inhibición por los productos de la reacción que cataliza), se inhibe también por una carga energética alta (altos niveles ATP).

33 La velocidad del ciclo se ajusta para satisfacer las necesidades celulares de ATP.

34 En muchas bacterias un punto de control adicional a nivel de la entrada al ciclo de Krebs : Citrato sintasa - Activadores: ADP - Inhibidores: ATP (alostérico, aumenta la Km para el acetil-coa)

35 Los defectos en el ciclo de Krebs contribuyen al desarrollo del cáncer En ciertos canceres mutaciones en las enzimas Succinato deshidrogenasa Fumarasa Piruvato deshidrogenasa quinasa Si se ven afectadas sus actividades, disminuidas, las células cancerosas en la glicólisis aeróbica metabolizan preferentemente la glucosa a lactato incluso en presencia de oxígeno. El cáncer puede ser considerara también una enfermedad metabólica.

36 El ciclo de Krebs es una fuente de precursores biosintéticos (vía anfibólica) Glucosa Piruvato Otros aminoácidos, purinas, pirimidinas Acetil-CoA Oxalacetato Aspartato Citrato Ácidos grasos, esteroles Purinas Porfirinas, Hemo, clorofila Succinil- CoA alfa-cetoglutarato Glutamato otros aminoácidos

37 Las reacciones anapleróticas reponen los intermediarios del ciclo de Krebs Reacciones anapleróticas (rellenar) reacciones de síntesis o reposición de componentes de una vía metabólica Desde A Reacción Notas Piruvato oxalacetato Aspartato oxalacetato - piruvato + CO 2 + H 2 O + ATP oxalacetato + ADP + Pi + 2H + Esta reacción es catalizada por la piruvato carboxilasa, una enzima activada por Acetil-CoA, indicando una falta de oxalacetato.el Piruvato puede también ser convertido en L-malato, otro intermediario, mediante una vía similar. Esta reacción es reversible pudiendo formar oxalacetato a partir de aspartato en una reacción de transaminación, vía aspartato aminotransferasa. Glutamato α- cetoglutarato glutamato + NAD + + H 2 O NH α- cetoglutarato + NADH + H +. Esta reacción está catalizada por la glutamato deshidrogenasa. β- oxidación deácidos succinil-coa - grasos Cuando se oxidan ácidos grasos de cadena impar, se forma una molécula de succinil-coa por cada ácido graso. La enzima final es la metilmalonil-coa mutasa. Dominio Público_ Reacciones_anapler%C3%B3ticas

38 Imagen de dominio público.

39 El ciclo del glioxilato permite a las plantas y bacterias crecer en acetato La mayor parte de los organismos NO pueden producir glucosa a partir de acetil-coa Pero en las plantas y algunos microorganismos, existe una ruta metabólica que permite la conversión del acetil-coa generado a partir de las reservas de grasa en glucosa. El oxalacetato es capaz de generar glucosa mediante gluconeogénesis Dominio público