Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

SERIE Nº 7. Introducción al Metabolismo Intermediario

Metabolismo Es la suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas). Sus características son: • Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas. • Un precursor se convierte en producto final a través de intermediarios son denominados metabolitos. • Cada reacción ocasiona un pequeño cambio específico en la estructura química. • Las vías metabólicas son interdependientes y sus actividades están reguladas coordinadamente. Posee tres funciones específicas: • Degradar compuestos nutrientes para obtener energía química y moléculas propias de la célula. • Polimerizar precursores monoméricos en macromoléculas tipo biopolímeros. • Sintetizar y degradar biomoléculas con funciones especializadas y necesarias para la célula. Puede clasificarse en: • Procesos Metabólicos Catabólicos, involucran reacciones de degradación de nutrientes, oxidaciones que producen liberación de energía. • Procesos Metabólicos Anabólicos, involucran reacciones de síntesis de nutrientes, reducciones que requieren energía.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

46

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

Las células y los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materiales y energía con su entorno. Aprovechan la energía: • A partir de la energía solar (Autótrofos). • A partir de componentes químicos de su entorno (Heterótrofos). Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico como ser: • Biosíntesis (anabolismo). • Trabajo mecánico (contracción muscular). • Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente). • Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso). La Bioenergética es el estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos.

EJERCITACIÓN 1) Se entiende por respiración celular: a) Una oxidación incompleta, en la que el aceptor final compuesto orgánico. b) Una oxidación incompleta, en la que el aceptor final compuesto inorgánico. c) Una oxidación completa, en la que el aceptor final compuesto inorgánico. d) Una oxidación completa, en la que el aceptor final compuesto orgánico.

de electrones es un de electrones es un de electrones es un de electrones es un

2) El objetivo de la respiración celular es: a) La formación de compuestos orgánicos. b) La obtención de glucosa. c) La obtención de oxígeno. d) La obtención de la energía contenida en sustancias orgánicas.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

47

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

3) Los productos de desecho que se obtienen en la respiración celular son: a) Compuestos orgánicos y agua. b) Compuestos orgánicos y dióxido de carbono. c) Agua y dióxido de carbono. d) Ácido láctico o etanol. 4) Complete las siguientes frases. Las proteínas tienen numerosas y variadas funciones, entre las que se pueden destacar: a) El ____________________ es el conjunto de reacciones químicas del metabolismo celular, que llevan a cabo la degradación de moléculas orgánicas, mediante reacciones de ____________________, en las que se libera ____________________, que se conserva en el enlace anhídrido fosfato de la molécula del ____________________. b) Los ____________________ y los lípidos son biomoléculas que se utilizan esencialmente para obtener ____________________ mientras que las proteínas cumplen funciones ____________________ normalmente. c) La fuente principal de energía en los seres humanos es la ____________________ almacenada en el hígado y en el músculo en forma de ____________________. d) El ____________________ es el conjunto de reacciones químicas que tienen como finalidad la síntesis de biomoléculas que forman parte de las células. Son reacciones de ____________________ y endergónicas, es decir, consumidoras de energía. La fuente de energía es el ____________________, pero la forma de obtenerlo puede variar de unos organismos a otros. e) Los organismos ____________________ obtienen el carbono a partir del CO2 del aire atmosférico, y los organismos ____________________ obtienen el carbono de otras moléculas orgánicas, a las que degradan previamente. 5) La fermentación es: a) Una oxidación incompleta, en la que el aceptor final compuesto orgánico. b) Una oxidación incompleta, en la que el aceptor final compuesto inorgánico. c) Una oxidación completa, en la que el aceptor final compuesto inorgánico. d) Una oxidación completa, en la que el aceptor final compuesto orgánico.

de electrones es un de electrones es un de electrones es un de electrones es un

6) Los productos de desecho que se obtienen en la fermentación son: a) Compuestos inorgánicos y dióxido de carbono. b) Compuestos orgánicos y dióxido de carbono. c) Agua y dióxido de carbono. d) Compuestos orgánicos y agua. 7) En ausencia de oxígeno, ¿Cuál es el objetivo primario de la fermentación?

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

48

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

8) Complete el siguiente crucigrama a partir de los conceptos explicados en el texto, y de las definiciones que figuran abajo. 1

2

3

5 4

6

7

8

HORIZONTALES: 1. Reacción en la que hay incorporación de un grupo fosfato a otra molécula. En el enlace que se forma se almacena energía. 3. Es el conjunto de reacciones y procesos físico-químicos que ocurren en una célula. 4. Su nombre completo sería Adenosín-trifosfato. 6. Conjunto de reacciones en los que las moléculas orgánicas complejas se transforman en otras sencillas, liberándose energía. 8. Subproducto del metabolismo de la glucosa, generador de Acetil-CoA en el metabolismo aerobio.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

VERTICALES: 2. Es un proceso catabólico de oxidación incompleto que realizan las levaduras. 4. Procesos que se realizan en ausencia de oxígeno. 5. Ruta que posee función degradativa y biosintética. 7. Reacción en la que una molécula cede electrones, acoplada siempre a una reacción de reducción.

49

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

Complejo Piruvato Deshidrogenasa Una vez formado el piruvato, este se transloca hacia el interior de la mitocondria (matriz mitocondrial), en donde, por acción del Complejo Enzimático Piruvato Deshidrogenasa (piruvato dehisrogenasa, dihidrolipoil deshidrogenasa y dihidrolipoil transacetilasa), será transformado en Acetil CoA, por una reacción de descarboxilación oxidativa. Piruvato + CoA + NAD+
Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ Las coenzimas y grupos prostéticos requeridos en esta reacción son pirofosfato de tiamina (TPP), dinucleótido de flavina y adenina (FAD), dinculeótido de nicotinamida y adenina (NAD+) y lipoamida (ácido lipóico). La descarboxilación oxidativa del piruvato, dirige a los átomos de carbono a su liberación como CO2 en el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) y por consiguiente, la producción de energía. Ciclo de Krebs Este proceso, se inicia con la condensación irreversible de las moléculas de AcetilCoA y oxaloacetato, esta reacción es catalizada por la enzima citrato sintasa y su producto es el citrato. A partir de citrato, se despliega una serie de reacciones, que culminan con la generación de otra molécula de oxaloacetato, pasando por la formación de α-cetoglutarato y su tranformación en succinil CoA con liberación de NADH y CO2 (descarboxilación oxidativa), reacción catalizada por un complejo enzimático denominado complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa que requiere como coenzimas y grupos prostéticos a TPP, FAD, NAD+ y lipoamida, igual a los requeridos por el complejo de la piruvato deshidrogenasa. Otros intermediarios son: la formación de succinato y liberación de un GTP a partir de succinil CoA (fosforilación a nivel de sustrato) y por consiguiente la síntesis de fumarato a partir de succinato, reacción en la cual se libera un FADH2. Existe también en el ciclo de Krebs un sitio más de descarboxilación oxidativa, el pasaje de isocitrato a α-cetoglutarato, en donde se forma NADH y CO2 y otro donde únicamente se libera NADH, cuando el malato de oxida a oxaloacetato. Acetil-CoA + 3 NAD+ + GDP + Pi + FAD+ + H2O
CoA + 2 CO2 + GTP + 3 NADH + H+ + FADH2 El ciclo de Krebs es la vía común para la oxidación aeróbica de los sustratos energéticos, condición que convierte a este proceso enzimático en la vía degradativa más importante para la generación de ATP. Los 3 NADH y el FADH2 liberados en el ciclo de Krebs, son reoxidados por el sistema enzimático transportador de electrones, estableciendo así un flujo de electrones, los cuales son dirigidos hacia el O2 como aceptor final.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

50

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

Cadena de Electrones y Fosforilación Oxidativa Es una serie de cuatro complejos (I, II, III, IV) a través de los cuales pasan los electrones. Los electrones son llevados del Complejo I y II al Complejo III por la Coenzima Q (CoQ o ubiquinona) y del Complejo III al Complejo IV por la proteína Citocromo c. Los electrones del NADH mitocondrial son transferidos al FMN uno de los grupos prostéticos de la NADH-Ubiquinona Reductasa (Complejo I), posteriormente los electrones se transfieren a un segundo tipo de grupo prostético el de las proteínas hierro-azufre y de aquí pasarán a la Coenzima Q (QH2 o ubiquinol), quien también recibe electrones de la Succinato-Ubiquinona Reductasa (Complejo II). A este complejo pertenece la enzima del ciclo de Krebs succinato deshidrogenasa la que genera FADH2, quien cede sus electrones a proteínas hierro-azufre y de aquí a la coenzima Q para formar QH2. La función del Complejo III identificado como Ubiquinona-Citocromo c Reductasa es catalizar la transferencia de electrones desde QH2 al Citocromo c oxidado. La etapa final de la cadena transportadora de electrones consiste en la oxidación del Citocromo c reducido generado por el Complejo III y la consiguiente reducción del O2 a dos moléculas de H2O. Esta reacción es catalizada por la Citocromo Oxidasa (Complejo IV). Durante el flujo de electrones por la cadena respiratoria se realiza una transferencia de protones (H+) vía los Complejos I, III y IV que va desde la matriz de la mitocondria hacia la zona localizada entre la membrana mitocondrial interna y externa (espacio intermembranal). La coincidencia de un flujo de electrones y de protones a través de una membrana lipídica ocasiona la generación de un gradiente de pH y un potencial de membrana, ambas condiciones constituyen una fuerza protón-motriz que se utiliza para dirigir la síntesis de ATP vía la enzima ATP sintasa. Un flujo de H+ a través de ocasiona la liberación del ATP hacia la matriz mitocondrial. La fuente inmediata de estos protones es el espacio intermembranal, en donde se localizan los protones que fueron translocados a través de los Complejos I, III y IV de la cadena transportadora de electrones. La ATP sintasa es un complejo formado por dos componentes: • F0 corresponde al canal protónico, ocurre el pasaje de H+. • F1 contiene las unidades catalíticas de la ATPasa, que permite sintetizar el ATP a partir del ADP y Pi. EJERCITACIÓN 1) Identifique las estructuras o compartimientos señalados en la Figura N° 1, que muestra un diagrama de la mitocondria e indique: a) Compartimiento en donde ocurre el ciclo de Krebs. b) Membrana que contiene la cadena de transporte de electrones. c) Compartimiento con menor concentración de protones. d) Compartimiento en donde ocurre la fosforilación de ATP.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

51

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

Figura N° 1 2) Complete las siguientes frases correspondientes al destino del piruvato en el metabolismo aerobio. a) El ____________________ procedente de la glucolisis es transportado desde el ____________________ a la ____________________, donde pierde una molécula de ____________________ y es ____________________ para formar Acetil-CoA en un proceso de ____________________ oxidativa. b) Este proceso es catalizado por el complejo enzimático ____________________ de la matriz. Los ____________________ liberados en esta reacción son recogidos por el ____________________, que se reduce para formar ____________________. 3) El ciclo del ácido cítrico utiliza ocho reacciones para catabolizar el Acetil-CoA, las cuales se muestran en la Figura N° 2. A partir de la representación: a) Indique las enzimas que catalizan cada reacción. b) Destaque las Descarboxilaciones Oxidativas. c) Muestre la reacción generadora de GTP. d) Resalte las reacciones de óxido-reducción. 4) En el Ciclo de Krebs: a) Por cada vuelta del ciclo se obtienen 4 NADH + 4H+. b) Todas sus etapas enzimáticas son muy reversibles. c) Se generan 2 FADH2. d) Todas las respuestas son falsas. 5) ¿Por qué el ciclo de Krebs requiere la presencia de oxígeno?

Figura N° 2

6) ¿Qué se entiende por el término "fosforilación a nivel de sustrato"? 7) En la conversión de α-cetoglutarato en succinil-CoA deben participar las siguientes coenzimas o grupos prostéticos: a) AMP + pirofosfato de tiamina + CoA. Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

52

Serie Nº 7 Introducción al Metabolismo Intermediario

b) Fosfato de piridoxal + ácido lipoico + CoA. c) Pirofosfato de tiamina + ácido lipoico + CoA. d) AMP + fosfato de piridoxal + CoA. 8) Complete las siguientes frases correspondientes al Ciclo de Krebs. a) El ____________________ (ciclo de ácido cítrico) completa la oxidación de glucosa. Por cada grupo acetilo que entra al ciclo se generan 3 ____________________ que se reducen a ____________________, se producen 2 moléculas de ____________________. Se genera además el intermediario ____________________. b) Este proceso se produce en la ____________________ de la mitocondria. Los equivalentes de reducción liberados en esta ruta son transportados hacia la membrana mitocondrial ____________________, donde serán reoxidados por la ____________________. 9) ¿Qué es la cadena de transporte de electrones y en dónde se encuentra localizada? Realice un esquema de la misma, indicando en cual complejo ingresa cada equivalente de reducción. 10) ¿Qué son los citocromos y los centros Fe-S? ¿Qué función cumplen en la cadena de electrones? 11) ¿Cuál es el aceptor terminal de electrones en la respiración de organismos aeróbicos? 12) ¿De qué manera el transporte de electrones a lo largo de la cadena respiratoria establece un gradiente de protones? 13) ¿Qué es lo que provoca los cambios conformacionales en la ATP sintasa y lo que causa la síntesis de ATP?

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

53