Visión general de las rutas metabólicas Flujo de carbono

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1 Visión general de las rutas metabólicas Flujo de carbono

2 A. Conexión de las diferentes rutas Lo primero es conocer el trazo grueso de las rutas parciales, la conexión entre ellas y con los productos de diges7ón y absorción intes7nal. Rutas parciales, porque no hay rutas completamente independientes de otras: solo las dividimos para estudiarlas. De cada ruta nos interesa saber: 1) Con qué productos principales del proceso de diges7ón- absorción se relaciona directamente. 2) Qué funciones cumple; por ejemplo: la glicólisis provee energía y productos intermediarios a otras rutas. 3) Con qué otras rutas se conecta en forma bidireccional: se puede salir de un compuesto y volver a ese mismo compuesto, aunque sea por otra ruta. 4) Con qué otras rutas se conecta en forma unidireccional: se puede salir de un compuesto intermediario hacia otra ruta pero no es posible volver al compuesto de salida ni siquiera por una ruta alterna7va. En este úl7mo caso, iden7ficar el compuesto que funciona como punto de no retorno. 5) Nombre y número de carbonos de los compuestos que conectan las rutas entre sí.

3 LÍPIDOS DIETA CARBOHIDRATOS DIETA PROTEÍNAS DIETA ÁCIDOS GRASOS 16,18 GLICEROL 3 GLUCOSA 6 AMINOÁCIDOS 2-11 PROTEÍNA TAG G6P 6 F6P 6 DAP 3 GLUCÓGENO PENTOSAS 4-7 PRO 3 Referencias: AA: aminoácidos; TAG: triacilglicéridos; G6P: glucosa 6 fosfato; DAP: dihidroxi- acetona fosfato; PEP: fosfoenolpiruvato; PIR: piruvato; OA: oxalacetato; CC: cuerpos cetónicos; ACoA: ace^l- CoA; BUT: bu^rato; ACE: acetato; PRO: propionato. PEP 3 OA 4 Flujo de carbono unidireccional LACTATO 3 PIR 3 Flujo de carbono bidireccional por la misma ruta BUT 4 CC 4 ACoA 2 ACE 2 Flujo de carbono bidireccional por diferentes rutas O 2 H + e - NH 4 Productos de las cámaras de fermentación X Krebs H 2 O CO 2 NH 4 urea 1 Cadena respiratoria

4 B. Trazo de una ruta. Criterios 1. Conocer los nombres, número de carbonos y puntos de entrada a la ruta de los sustratos derivados del procesos de diges^ón- absorción en tubo diges7vo; la dirección del flujo de carbono en la ruta y los puntos dónde cambia el número de carbonos de los intermediarios de la ruta y los nombres, número de carbonos y puntos de salida de los productos; además las relaciones molares entre sustratos y productos (por ejemplo, para la glucólisis: 1 mol de glucosa => 2 moles de piruvato) 2. Iden7ficar los puntos de conexión entre la ruta en estudio y otras rutas metabólicas y conocer nombre, número de carbonos, relación molar con sustrato de los compuestos que funcionan como punto de conexión. 3. Reconocer las reacciones irreversibles de la ruta metabólica, es decir aquellas están lejos del equilibrio entre sustratos y productos en las condiciones normales de la célula, y el nombre de sustratos, productos y las enzimas que las catalizan. Estas reacciones no permiten desandar esa ruta: no podemos conver7r los productos en sus precursores siguiendo la misma reacción en sen7do inverso. De esta forma, estas reacciones establecen una dirección definida de un compuesto en una ruta. 4. Reconocer las reacciones en las que se reducen las coenzimas NAD y FAD (NAD+2H - > NADH+H; y FAD+ 2H- > FADH2) y las reacciones en las que se oxidan estas coenzimas (NADH+H- > NAD+2H; FADH2 - > FAD+2H).

5 5. Iden7ficar las reacciones en las que se usan enlaces fosfato de alta energía del (- > ADP+P; - > AMP+2 P) y del GTP- > GDP+P) y las reacciones en las que se recuperan o sinte^zan estos enlaces (ADP+P- > ; GDP+P- > GTP) a nivel de sustrato, es decir, no en la cadena respiratoria. A menudo estas reacciones están relacionadas con reacciones irreversibles. 6. Iindicar las reacciones en las que se libera CO 2 (descarboxilaciones) y las que incorporan CO 2 (carboxilaciones). Estas reacciones cambian el número de carbonos de los productos y afectan el cociente respiratorio de los animales. 7. Iden7ficar cuando un compuesto debe entrar o salir de la mitocondria para seguir una ruta 8. Conocer los puntos de regulación de la ruta, los compuestos o factores que la ejercen y cómo lo hacen. Esta regulación define la intensidad del flujo de carbono por esa ruta en diferentes condiciones fisiológicas. En general, los compuestos que regulan el flujo son sustratos, productos o intermediarios de esa u otra ruta asociada, el estado energé7co celular (determinado por la relación /ADP o /AMP) y las hormonas. 9. Los compuestos intermediarios y reacciones que no sa7sfacen ninguno de los criterios anteriores pueden simplificarse en una única flecha.

6 GLUCOSA (6) G6P F6P Ejemplo de trazo de una ruta 1. Glicólisis: nombres de los intermediarios, número de carbonos y direcciones del flujo de carbono. F16BP (6) DAP (3) G3P (3) 13PG 3PG 2PG PEP

7 CARBOHIDRATOS DIETA GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) GLUCOSA (6) G6P F6P. 2. Glicólisis: puntos de entrada de los principales productos del proceso de diges7ón- absorción de carbohidratos, lípidos y proteínas. F16BP (6) GLICEROL DAP (3) G3P (3) 13PG LÍPIDOS 3PG 2PG PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS PEP

8 CARBOHIDRATOS DIETA GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) GLICEROL DAP (3) GLUCOSA (6) G6P F6P F16BP (6) G3P (3) GLUCÓGENO PENTOSAS 3. Glicólisis: puntos de conexión (entradas y salidas) con otras rutas metabólicas: gluconeogénesis, krebs, síntesis y degradación de glucógeno, lípidos y aminoácidos, producción y u7lización de lactato, vía de las pentosas. 13PG LÍPIDOS 3PG PROTEÍNAS 2PG AMINOÁCIDOS PEP OA LACTATO ACoA (Krebs)

9 CARBOHIDRATOS DIETA GLUCOSA (6) GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) HQ FFQ G6P F6P GLUCÓGENO PENTOSAS 4. Glicólisis: Reacciones irreversibles y enzimas que las catalizan. HQ: hexoquinasa; FFQ: fosfofructoquinasa; PQ: piruvatoquinasa. F16BP (6) GLICEROL DAP (3) G3P (3) 13PG LÍPIDOS 3PG 2PG PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS LACTATO PEP PQ OA ACoA (Krebs)

10 CARBOHIDRATOS DIETA GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) GLUCOSA (6) HQ G6P GLUCÓGENO F6P PENTOSAS FFQ F16BP (6) 5. Glicólisis: puntos de u7lización o producción de y/o NADH+H/ FADH2 y/o CO 2. Entradas y salidas de la mitocondria. Mitocondria Entrada GLICEROL DAP (3) G3P (3) NADH+H Salida 13PG LÍPIDOS 3PG PROTEÍNAS 2PG AMINOÁCIDOS PEP OA PQ LACTATO ACoA (Krebs)

11 CARBOHIDRATOS DIETA GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) GLICEROL DAP (3) LÍPIDOS GLUCOSA (6) HQ G6P GLUCÓGENO F6P PENTOSAS FFQ F1,6BP (6) G3P (3) NADH+H 1,3PG 3PG 2PG 6. Glicólisis: puntos de regulación. HQ FFQ PQ PROTEÍNAS + AMP F2,6BP F1,6BP AMINOÁCIDOS - G6P citrato ph alanina LACTATO PEP PQ OA ACoA (Krebs)

12 CARBOHIDRATOS DIETA GALACTOSA (6) FRUCTOSA (6) GLUCOSA (6) HQ G6P GLUCÓGENO F6P PENTOSAS FFQ F16BP (6) 7. Glicólisis: simplificación de reacciones y compuestos que no entran en ninguno de los criterios de estudio. GLICEROL DAP (3) G3P (3) NADH+H LÍPIDOS PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS LACTATO PEP PQ OA ACoA (Krebs)

13 C. Reaciones que conectan rutas Cuando las reacciones que conectan dos rutas no forman parte de una u otra ruta, podemos estudiarlas siguiendo los mismos criterios que usamos para una ruta cualquiera: es como una ruta corta. Ejemplo: la conversión de piruvato a ace7l CoA en la mitocondria, que conecta la glicólisis con el ciclo de Krebs. Esta reacción, muchas veces, está considerada independientemente de las dos rutas que conecta, aunque se la trata al comienzo del ciclo de Krebs. PEP(3) + - Ácidos Grasos LACTATO NADH+H CO 2 PD OA PD AMINOÁCIDOS AMP ACoA NADH ACoA(2) Cuerpos cetónicos Krebs

14 D. Rendimiento y eficiencia energé^ca de la ruta Rendimiento: En el caso de la glicólisis, hablamos de rendimiento energé7co cuando calculamos la energía de la glucosa que es capturada en forma de enlaces de alta energía o. Desde glucosa (6 carbonos) a G3P (3 carbonos), se gastan 2 moles / mol de glucosa. Desde G3P a piruvato (3 carbonos), se producen 2 moles de y 1 moles de NADH+H / mol G3P, es decir, 4 moles de y 2 moles de NADH+H /mol glucosa. El resultado del balance es 2 moles de y 2 moles de NADH+H/mol de glucosa. En condiciones aeróbicas, los 2 moles NADH+H pueden transportarse al interior de la mitocondria para ceder 4 e- y 4 H+ a los complejos de la cadena respiratoria. Esto agregaría 5 o 3 moles adicionales de, dependiendo de que los e- y H+ se transfieran a un FAD (lanzadera del glicerol 3- P = 1,5 moles de /mol de NADH+H citosólico) en la membrana interna mitocondrial o a un NAD ( lanzadera de malato aspartato= 2,5 moles de /mol de NADH+H citosólico) en la matriz mitocondrial. En condiciones anaeróbicas, el NADH+H se puede oxidar a NAD mediante la conversión de piruvato a lactato, sin ganancia de. Rendimiento en aerobiosis: 5 o 7 moles / mol glucosa Rendimiento en anaerobiosis: 2 moles / mol glucosa

15 Otra forma de es7mar el rendimiento, más relacionada con nutrición, es conver7r el rendimiento en en rendimiento en kjoules o kcalorías. Para eso tenemos que considerar cuanta energía se libera ( G ) al hidrolizar el a ADP: - > ADP + P G = - 30,5 kj (7,3 kcal) /mol Rendimiento en aerobiosis: (5 o 7 moles * 30,5 kj /mol )/ mol glucosa Rendimiento en aerobiosis: 153 kj (36,5 kcal) o 213 kj (51 kcal) /mol glucosa Rendimiento en anaerobiosis: 61 kj (15 kcal) / mol glucosa Eficiencia La eficiencia es siempre un cociente entre dos variables o datos. En el caso de la glicólisis, una medida de eficiencia energé7ca podría ser la fracción de la energía que pierde la glucosa durante el proceso y que queda capturada en forma de. También podemos relacionarla con la energía de la glucosa ( 2800 kj/mol) 1) Relación con la energía que pierde la glucosa: Glucosa: H: kj/mol Piruvato: H: kj/mol2 H 1mol glucosa - H 2 moles piruvato= kj/mol kj/mol = kj/mol Energía capturada en = o kj/mol Eficiencia: 153 o 213 kj/mol / 475 kj/mol = 32 o 48 % 2) Relación con la energía del sustrato Energía capturada en / H glucosa = o kj/mol / kj/mol = 5,4 o 7,6 %