CICLO DE KREBS, CADENA RESPIRATORIA. Dr. Mynor A. Leiva Enríquez

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS FASE I, Unidad Didáctica: BIOQUÍMICA MÉDICA 2º AÑO, 2013 CICLO DE KREBS, CADENA RESPIRATORIA. Dr. Mynor A. Leiva Enríquez

2 Fuente: Bioquímica de Harvey 5ª. Ed.

5 PROCEDENCIA Y DESTINO DE ACETIL-CoA Proteínas Glucosa T A G Glicerol Aminoácidos Piruvato Ác. Grasos Acetil-CoA Esteroides Cetogénesis Ciclo de Krebs Citrato Colesterol Acetil-CoA Ác. grasos C. Respiratoria T A G ATP+CO2+H2O

6 Ciclo del ácido Cítrico (KREBS) 10 reacciones enzimáticas 2 reacciones irreversible Genera 3 NADH+H, 1 FADH2 y 1 ATP a nivel del sustrato

7 Mitocondria

8 Esquema general del ciclo de Krebs Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 2ª. Edición. Editorial. Elsevier.

9 ENZIMA SUSTRATO 1- CITRATO SINTASA 1 2 CITRATO 2- ACONITASA 2 3 ISOCITRATO 3- ISOCITRATO DESHIDROGENASA 4- ALFA-CETO-GLUTARATO DESHIDROGENASA 3 4 ALFA CETO- GLUTARATO 4 5 SUCCINIL-CoA 5- SUCCINATO TIO-CINASA 5 6 SUCCINATO 6- SUCCINATO DESHIDROGENASA 6 7 FUMARATO 7- FUMARASA 7 8 MALATO 8- MALATO DESHIDROGENASA 8 1 OXALACETATO

10 1. Formación del Citrato El citroil-coa es un intermediario transitorio de reacción La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la reacción sea exergónica

11 2. Formación de isocitrato vía cis-aconitato La aconitasa contiene un centro hierro-azufre que actúa como centro de fijación de sustratos y centro catalítico. Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.

13 3. Oxidación del isocitrato a α-cetoglutarato y CO2 Existen dos formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa: NAD dependiente (matriz mitocondrial) NADP dependiente (matriz mitocondrial y citosol)

14 4. Oxidación del α-cetoglutarato a succinil-coa y CO2 El complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa es muy parecido al complejo piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en función, requiere difosfato de tiamina, lipoato, NAD, FAD y CoA Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

15 a Cetoglutarato deshidrogenasa Localizado en la mitocondria Complejo multienzimatico que actúa de la misma forma que el Complejo Piruvato-deshidrogenasa. Sustrato: alfa-ceto-glutarato. Producto: Succinil-CoA 3 enzimas Alfa cetoglutarato deshidrogenasa (E 1 ) Dihidrolipoil transsucciniilasa(e 2 ) Dihidrolipoil deshidrogenasa (E 3 ) 5 coenzimas Pirofosfato de tiamina Acido lipoico CoA FAD NAD

16 El complejo a cetoglutarato deshidrogenasa utiliza 5 coenzimas diferentes Difosfato de tiamina Lipoamida NAD (niacina) FAD (Riboflavina) CoA (A. Pantotenico)

17 5. Conversión del succinil-coa en succinato La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas de la energía liberada por la decarboxilación oxidativa del α-ceto-glutarato es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato.

19 6. Oxidación del succinato a fumarato 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. El malonato es un fuerte inhibidor competitivo de esta enzima

20 7. Hidratación del fumarato y producción de malato La enzima FUMARASA es específica para el fumarato y el L-malato

21 8. Oxidación del malato a oxalacetato

23 Balance energético

24 Vías Anapleróticas Ana: arriba, Plerotikos: llenar Son reacciones que reponen intermediarios del ciclo Piruvato carboxilasa: produce oxalacetato

25 Reacciones Anapleróticas Son reacciones que proveen la cantidad necesaria de un metabolito intermediario importante. La reacción de la enzima piruvato carboxilasa es un ejemplo, al ser necesario Oxalacetato. Piruvato + CO2 + ATP + H2O Oxalacetato + ADP + Pi + 2H+ malato para gluconeogénesis

26 Principales vías biosintéticas y anapleróticas Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

28 Los Carbonos de los aminoácidos (luego de la transaminación) entran al ciclo de Krebs en diferentes puntos Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.

29 Principales vías biosintéticas y anapleróticas

30 Regulación del ciclo de Krebs Disponibilidad de sustratos Necesidad de intermediarios como precursores biosintéticos Demanda de ATP El factor regulador más importante es la relación intramitocondrial de [NAD+] / [NADH]

31 Regulación del ciclo de Krebs 1. Disponibilidad de sustratos 2. Inhibición por acumulación de productos 3. Regulación de las siguientes enzimas: Citrato sintasa Inhibidores: NADH, succinil- CoA, citrato, ATP Activadores: ADP Isocitrato deshidrogenasa Inhibidores: NADH Activadores: Ca++, ADP α-cetoglutarato deshidrogenasa Inhibidores: succinil-coa, NADH Activadores: Ca++ Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

33 El Ciclo de KREBS es un punto de convergencia en el metabolismo intracelular. Carbohidratos, grasas y proteínas son fuentes de Acetil- CoA Desde aquí, la obtención de ATP sigue la misma ruta. El requisito para su acción es la presencia de oxígeno. Fuente: Fundamentos de Bioquímica, VOET ET AL. 2ª. Ed. Ed. Interamericana.

34 C. Krebs: proceso anfibólico Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.

35 Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.

36 Fuente: Bioquímica Médica., BAYNES ET AL. 3ª. Ed. Editorial. Elsevier.

37 GLUCONEOGÉNESIS LIPOGÉNESIS SÍNTESIS PROTÉICA HEM y Ácidos Nucleicos Proceso ANFIBÓLICO Fuente: Bioquímica de Mathews 3ª Edición.

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39 A nivel del sustrato 4 ATP Lanzadera de Malato 6 ATP Descarboxilación del piruvato 6 ATP Ciclo de Krebs 24 ATP total 40 ATP

40 LANZADERAS DE GLICEROFOSFATO Y MALATO Fuente: Bioquímica de Harvey 5ª. Ed.

41 Reacción Mecanismo moles ATP/mol Glucosa Hexocinasa Fosforilación -1 Fosfofructocinasa Fosforilación -1 Glicerol-3-P Deshidrogenasa Fosfoglicerato cinasa Piruvato cinasa Piruvato deshidrogenasa Isocitrato deshidrogenasa α-cetoglutarato deshidrogenasa Succinil-CoA sintetasa Succinato deshidrogenasa Malato deshidrogenasa Fosforilación oxidativa del NADH Fosforilación a nivel del Sustrato Fosforilación a nivel del Sustrato Fosforilación oxidativa del NADH Fosforilación oxidativa del NADH Fosforilación oxidativa del NADH Fosforilación a nivel del sustrato (GTP) Fosforilación oxidativa del FADH2 Fosforilación oxidativa del NADH +6 (+4)* TOTAL 38 (36)

42 CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

43 La fosforilación oxidativa se produce en la membrana interna de la mitocondria La mitocondria posee dos sistemas de membrana, que rodean a la matriz. Matriz Ciclo del ácido cítrico y oxidación de los ácidos grasos Membrana interna Es impermeable a casi todos los iones Se pliega en crestas. Contiene los componentes de la cadena de transpote de e- Y la ATP sintasa Membrana externa Es bastante permeable a iones y moléculas pequeñas Mitocondria

44 Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa Cadena Respiratoria: Transporte en secuencia ordenada de los equivalentes reducidos desde los sustratos donadores (reduciendo al NAD o al FAD) hasta la formación final de AGUA. Fosforilación Oxidativa: Sistema de conversión o captura de la energía liberada en la cadena respiratoria (68%), para unir ADP + Pi y formar ATP.

45 Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa Las enzimas de la cadena respiratoria están en la cara interna de la membrana interna, agrupadas en complejos que producen potenciales electroquímicos transmembrana. Varias ATP-sintasa utilizan la energía del gradiente de protones para sintetizar ATP, perdiéndose una parte como calor.

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47 Conservación de la energía por acoplamiento con el ATP Casi la mitad de la energía obtenida en la oxidación de los combustibles metabólicos es canalizada hacia la síntesis de ATP La membrana mitocondrial interna es impermeable a ATP, coenzimas, fosfato, protones, varios iones y moléculas pequeñas. Se acepta que 1 mol de NADH tiene un rendimiento aproximado de 2.5 moles de ATP

48 Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

53 Sustratos que transfieren electrones a NAD por enzimas deshidrogenasas Puede haber acoplamiento directo al NAD de la Cadena Respiratoria. Piruvato y alfa-cetoglutarato usan complejos dishidrogenasa + FAD + Lipoato NAD. Producen Producen 3 ATP 2.5ATP

54 Sustratos que transfieren electrones por enzimas dependientes de Flavoproteína. FeS: Sulfoproteína férrica (Fe++ Fe+++) TFE: Flavoproteína transferidora de electrones. Fp: Flavoproteína FAD Producen 2 ATP FAD Producen 1.5ATP

55 Sustratos que transfieren electrones por enzimas dependientes de Flavoproteína. La enzima succinato deshidrogenasa se ubica en la superficie interna de la membrana interna mitocondrial. El potencial redox de estos sustratos es más positivo.

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57 Enzimas ligadas a NAD+ Alfa- cetoglutarato DH Malato DH Piruvato DH Gliceraldehido- 3 -fosfato DH Lactato DH Beta- hidroxiacil- CoA DH Ligadas a NAD+ o NADP+ Glutamato DH Ligadas a FAD Acil CoA DH (F) Succinato DH (II) Glicerol3 P DH (G) Ligadas a FMN NADH DH Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

58 Complejo I. Función de NADH Deshidrogenasa (FeS y FMN) La energía proveniente de la oxidación NADH+H, traslada protones al exterior de la membrana interna (bomba de protones) Transfiere electrones a la uniquinona.

59 El complejo II define la función ubicuinona-oxidorreductasa La coenzima Q recibe equivalentes reductores de componentes más positivos. Lipofílica, parecida a la vit. K La coenzima Q une a las flavoproteínas con el Citocromo b (el de menor potencial redox) Componente móvil que colecta equivalentes de Complejos I y II y los lleva al Complejo III.

60 El coenzima Q es paso obligatorio de los electrones procedentes de varias vías Espacio intermembrana Succinato Matriz Flavoproteína de transferencia de electrones

61 Complejo III: ubicuinona:ferrocitocromo c oxidorreductasa. El ciclo de la Coenzima Q incluye la captación de 2 H+ de la matriz mitocondrial y su bombeo hacia el espacio intermembrana, Traslada electrones del cit. b al c1 y finalmente al cit. c.

62 Oxidación de la primera QH2 Oxidación de la segunda QH2 El citocromo c transporta electrones del completo III al IV. Si llega al citosol, puede inducir apoptosis.

63 Complejo IV: Ferrocitocromo c oxidorreductasa Cit.c es soluble, conecta complejos fijos III y IV. C-aa3 citocromo oxidasa : combinación irreversible de equivalentes reductores conducidos hacia el oxígeno: da dirección. Tercera bomba de protones que impulsa a la ATP sintasa. Genera AGUA. Inhibida por Monóxido de Carbono y Cianuro. Espacio Intermembrana (del sustrato) (bombeados) Matriz

65 La oxidación se acopla estrechamente a la fosforilación para satisfacer las necesidades de energía de la célula. Espacio Intermembrana Matriz Succinato Fumarato

66 Si el recorrido de los equivalentes reductores empieza en el complejo I, se cumplirán 3 bombeos de protones. Si empieza en el complejo II, se cumplirán 2 bombeos. A mayor bombeo, mayor gradiente de protones y mayor actividad de la ATP-sintetasa.

68 Teoría Quimiosmótica de la Fosforilación Oxidativa La membrana interna es impermeable a los protones. Cuando son bombeados fuera de la matriz, acidifican y positivizan el espacio intermembrana. La fuerza protón motriz (Δp) es la energía almacenada en el gradiente de concentración de protones que al regresar por la ATP-sintasa, generan la energía para producir ATP.

69 El hidrógeno y los electrones fluyen a lo largo de la cadena en etapas, a partir de los componentes de mayor potencial redox negativo hacia los componentes de mayor potencial redox positivo, a través de un intervalo de 1.1 V que abarca desde el NAD+/NADH hasta el O2 / 2 H2O.

70 Complejo V: ATP - Sintasa Fo es el motor y poro de protones. El F1 componente rotatorio. Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

72 ATP sintasa: Los protones que pasan por las subunidades C y g causan su rotación. Las subunidades b captan ATP+Pi y liberan ATP. Se forman 3 moléculas de ATP por cada giro completo del complejo Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,

73 F0: bomba de H+ Segmento hidrofóbico que atraviesa la membrana interna mitocondrial Contiene conducto de H + del complejo Formado por subunidades c -1 subunidad a en la periferia del anillo Matriz M. Espacio Intemembrana

74 F 1 : Unidad catalítica: formada por: -5tipos de cadenas polipeptídicas: -3 cadenas α -3 cadenas β -1 cadenas γ δ ε -α y β alternadas en anillo hexámerico -miembros de la familia de NTPasas -ambas unen nucleótidos, solo β participa en la catálisis -γ y ε forman el tallo central de la estructura.

76 Inhibición del Complejo I Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

77 Inhibición del Complejo III Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

78 Inhibición del Complejo IV Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

79 Inhibidores de cadena respiratoria, Inhibidores de fosforilación oxidativa y desacopladores ADP atractilósido malonato ATP 2,4-di-nitrofenol, termogenina, oligomicina barbitúricos Antimicina A y Dimercaprol H2S, CO y CN Fuente: Bioquímica de HARPER. 17ª. Edición,

80 Proteínas Desacopladoras Fuente: Bioquímica Médica de BAYNES et. Al. 3ª. Edición,

81 GRACIAS