REPASO DE CONCEPTOS GENERALES DE QUIMICA

1. REPASO DE CONCEPTOS GENERALES DE QUIMICA Aspectos básicos de oxidación - reducción  I La capacidad de determinadas compuestos para aceptar y donar electrones hace que puedan participar en las reacciones denominadas de oxidación-reducción. REACCIÓN DE REDUCCIÓN : Hay sustancias que pueden aceptar electrones ;  son sustancias oxidadas que en las condiciones adecuadas se pueden reducir, y por lo tanto transformarse en formas reducidas.  Veamoslo en el siguiente dibujo:

2. REACCIÓN DE OXIDACIÓN : Hay sustancias que pueden donar electrones ; son sustancias reducidas que en las condiciones adecuadas se pueden oxidar, y por lo tanto transformarse en formas oxidadas.  Veamoslo en el siguiente dibujo :

3. METABOLISMO DE GLÚCIDOS

4. RUTAS METABÓLICAS

5. CATABOLISMO DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS

6. METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS • Glucolisis • Fermentación • Transformación del piruvato en Acetil-CoA • Ciclo de los ácidos tricarboxílicos • Transporte electrónico y fosforilación oxidativa http://www.iubmb-nicholson.org/swf/glycolysis.swf • Glucolisis • Consiste en una secuencia de 10 reacciones enzimáticas que catalizan la transformación de una molécula de • glucosa a dos de piruvato, con la producción de dos moles de ATP y dos de NADH por mol de glucosa

7. Se trata de la ruta metabólica mejor conocida, que desempeña un papel clave en el metabolismo • energético al proporcionar una parte importante de la energía utilizada por la mayoría de los • organismos. • Sirve en su función principal para preparar la glucosa y otros carbohidratos para su posterior degradación oxidativa. En la Figura 1 se representa una visión general de la vía glucolítica y su continuación hasta la degradación completa de la glucosa. El piruvato formado por degradación de la glucosa puede sufrir posteriormente distintas degradaciones, dependiendo de las condiciones y del organismo

8. a) En condiciones aerobias, el piruvato se transforma en Acetil-CoA, que se oxida aun más a través del ciclo de • los ácidos tricarboxílicos, y posteriormente a través de la fosforilacion oxidativa, generando CO2 y agua • b) En condiciones anaerobias tiene lugar la fermentación, que es la transformación del piruvato hasta moléculas con un grado medio de oxidación, permitiendo la regeneración del NAD+. Dos de las fermentaciones más importantes son la homoláctica, en el músculo, por la que el piruvato es reducido hasta lactato, y la fermentación alcohólica, en levaduras, por la que se reduce hasta etanol y CO2 . • La glucolisis convierte la molécula de glucosa en dos de piruvato, en un proceso que utiliza la energía libre • liberada para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). Este proceso requiere de la existencia de • una serie de reacciones de transferencia del grupo fosforilo acopladas químicamente. Así pues, la estrategia • química de la glucolisis es la siguiente

9. a) Adición de grupo fosforilo a la glucosa • b) Conversión química de grupos intermediarios fosforilados a compuestos con alto • potencial de transferencia de grupos fosfato. • c) Acoplamiento de la hidrólisis de estos compuestos para la síntesis de ATP.

10. Las 10 reacciones enzimáticas constituyentes de la glucolisis se recogen esquemáticamente en la Figura 2 y más detalladamente en los esquemas posteriores. Al inicio de la vía se consume ATP para la generación de grupos fosforilo, pero posteriormente se regenera. • Por tanto, la glucolisis transcurre en dos fases:

11. FASE I.(Reacciones 1-5). Fase preparatoria en que la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs. • FASE II (Reacciones 6-10). Las dos moléculas anteriormente formadasse convierten a dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH. • Por consiguiente, el rendimientode la glucolisis es de dos ATPs formados por molécula de glucosa y la reacción global sería: Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4H+

12. El NAD+ es el principal agente oxidante de la vía glucolítica, así que el NADH formado durante el proceso debe ser continuamente reoxidado para mantener el suministro de NAD+. • Las reacciones las dos fases de la glucolisis pueden desglosarse en sus 10 reacciones: • Consumo del primer ATP • Transferencia del grupo fosforilo del ATP a la glucosa para formar glucosa-6-fosfato (G6P) en una reacción catalizada por la hexoquina. * La glucosa es fosforilada en el carbono 6

13. 2. Isomerización Conversión de G6P a fructosa-6-fosfato (F6P) catalizada por la Fosfoglucosa isomerasa. Primero debe abrirse el anillo para que ocurra la isomerización, con posterior ciclaciónde la fructosa. Para la apertura del anillo se requiere la presencia de un grupo ácido, probablemente el resto de butilamonio de una lisina

14. 3. Consumo del segundo ATP La fosfofructoquinasa fosforila la F6P para formar fructosa-1,6-bifosfato (FBP). Esta reacción controla la velocidad de la vía glucolítica. Esta reacción es estimulada alostéricamente por AMP e inhibida alostéricamente por ATP y citrato 4. Rotura La aldolasa cataliza la rotura de la FBP en dos triosas, el gliceraldehido-3-fosfato (GAP) y la dihidroxíacetona f osfato (DHAP). Dos moléculas de 3 carbonos

15. 5. Isomerización Sólo uno de los productos de la rotura aldólica, el GAP, continua la vía glucolítica. La interconversión entre éste y la DHAP es catalizada por la triosa fosfato isomerasa. Termina 1ra fase - 2 ATP 6. Formación del primer intermediario de "alta energía" La gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del GAP, por Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+) y fosfato inorgánico, para producir el 1,3-bifosfoglicerato (BFG). Cada gliceraldehido-3-fosfato es Oxida y fosforilada por fosfato inorganico fosfato inorgánico

16. 7. Primera producción de ATP Se forma el primer ATP por defosforilación del 1,3-bisfosfoglicerato, rindiendo además 3-fosfoglicerato (3PG) en una reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa (PGK). 8. Isomerización La fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de 3PG a 2-fosfoglicerato (2PG Cambia de posición el grupo fosfato

17. 9. Formación del segundo intermediario de "alta energía" La enolasa cataliza la deshidratación del 2PG a fosfoenolpiruvato (PEP), formando un complejo activo por la presencia del catión magnesio. 10. Producción del segundo ATP La piruvato quinasa cataliza el acoplamiento de la energía libre de la hidrólisis del PEP a la síntesis de ATP para formar piruvato. - Se forman 2 moleculas de ATP por 1 molécula de glucosa

19. Entrada de otros azúcares en la glucólisis • Además de la glucosa procedente de la degradación de almidón y glucógeno, hay otras hexosas de importancia, • como la fructosa, que procede de la hidrólisis del azúcar de mesa y también de la fruta, la galactosa, que procede • de la hidrólisis del azúcar de leche (lactosa), y la manosa, obtenida a partir de la digestión de polisacáridos y • glucoproteínas • La fructosa es fosforilada en el músculo y convertida directamente a fructosa-6-fosfato, siguiendo después la vía • glucolítica gracias a la acción de la hexoquinasa. No obstante, en el hígado la fructosa sigue una ruta más • compleja cuyo resultado final es la producción de dos unidades de gliceraldehido-3-fosfato que se incorpora a • la ruta. • La galactosa se transforma en glucosa-6-fosfato, aunque este proceso parece simple las enzimas de la glucolisis • no son capaces de reconocer la configuración de la galactosa, lo que hace que el proceso sea catalizado • por 5 enzimas • La manosa es fosforilada para rendir manosa-6-fosfato y a continuación se produce una isomerización hasta • fructosa-6-fosfato

20. Destinos del piruvato 2 Piruvato Condiciones anaeróbicas Condiciones anaeróbicas 2 Acetil CoA 2 Etanol + 2CO2 2 Lactato TCA Músculo contrayéndose vigorosamente, en eritrocitos y en algunos microorganismos 4CO2 + 4H2O Regulación de la glucólisis Desde un punto de vista global podemos decir que la glucólisis se inhibe cuando hay mucho ATP. Los puntos clave en la regulación de la glucólisis son las tres enzimas que catalizan pasos irreversibles: la hexoquinasa, la fosfofructokinasa y la piruvato kinasa. • 2. Fermentación nicotinamida adenina dinucleótido NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+ • Para la continuación de la degradación de glucosa, el NAD+ (en cantidades limitadas en la célula) consumido en • la glucólisis debe ser reciclado. En presencia de oxígeno, el NADH pasa a la mitocondria para ser nuevamente • oxidado. En condiciones anaeróbicas, el NAD+ se recupera por reducción del piruvato, en lo que constituye una • extensión de la vía glucolítica. Los procesos fermentativos permiten recuperar el NAD+. La fermentación • homoláctica y la fermentación alcohólica son dos ejemplos que tienen lugar en el músculo y en la levadura, • respectivamente.

21. A. Fermentación homoláctica • En el músculo, especialmente durante el ejercicio intenso, cuando la demanda de ATP es elevada y se ha • consumido el oxígeno, la lactato deshidrogenasa (LDH) cataliza la oxidación del NADH por el piruvato para dar • lactato. Los mamíferos poseen hasta 5 isoenzimas de la LDH (todas ellas tetraméricas) La reacción global de la degradación anaeróbica de glucosa mediante la fermentación láctica puede esquematizarse como sigue: Glucosa + 2ADP + 2Pi -------------> 2 lactato + 2ATP + 2H+

22. La mayor parte del lactato, producto final de la glucolisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa • .Al contrario de lo que se cree, la causa de la fatiga muscular y el dolor no es la acumulación de lactato en el • músculo, sino del ácido producido durante la glucolisis (los músculos pueden mantener su carga de trabajo en • presencia de concentraciones elevadas de lactato si el pH permanece constante). • Los cazadores saben del sabor agrio de la carne de un animal que ha corrido hasta agotarse antes de morir. • Esto es debido a la acumulación de ácido láctico en los músculos.

23. B. Fermentación alcohólica • En levadura, el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la humanidad: • la conversión de piruvato a etanol y dióxido de carbono • El etanol es el componente activo de vinos y licores, y el CO2 producido en la panificación es el responsable • de la “subida” del pan. El etanol se produce a través de las siguientes reacciones

24. El etanol se produce a través de las siguientes reacciones • La primera es la descarboxilación del piruvato para formar acetaldehido y dióxido de carbono, catalizada por la • piruvato descarboxilasa (ausente en animales) y que contiene el coenzima pirofosfato de tiamina (TPP) como • grupo prostético. • Una consecuencia de su falta en el hombre es la enfermedad del beriberi, que puede resultar mortal y se • caracteriza por alteraciones neurológicas, parálisis, atrofia muscular y/o paro cardiaco. • El acetaldehido formado por descarboxilación del piruvato es reducido a etanol por el NADH, en una reacción catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH). La transferencia del H del NADH al acetaldehido está favorecida por un cofactor de Zn2+, que estabiliza la carga negativa de un intermediario que se forma en el proceso

25. 3. Transformación del piruvato en Acetil-CoA Los grupos acetilo entran en el ciclo en forma de acetil-CoA Es este el producto común de la degradación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos El grupo acetilo esta unido al grupo sulfhidrilo del CoA por un enlace tioéster Es interesante tener en cuenta que la hidrólisis del enlace tioéster del acetil-CoA libera 31,5 kJ/mol y es, por lo tanto, un enlace rico en energía. El acetil-CoA se forma por descarboxilación oxidativa del piruvato, por la acción del complejo enzimático piruvato deshidrogenasa

26. La piruvato dehidrogenasa está regulada por dos mecanismos superpuestos. • Por una parte está alostericamente inhibida cuando las proporciones de ATP/ADP • y NADH/NAD+ son altas, además la enzima se inhibe cuando la disponibilidad de • combustible para el ciclo, en foma de Acetil-CoA o ácidos grasos, es alta. Y se activa • cuando las demandas energéticas crecen y por tanto el flujo de Acetil-CoA aumenta.

27. 4.- El ciclo de los ácidos tricarboxílicos o de Krebs • El ciclo fue propuesto por Hans Krebs en 1937. • Es la vía de oxidación de la mayor parte de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos • y genera numerosos metabolitos intermediarios de otras rutas metabólicas • Es, por lo tanto, un ciclo anfibólico, es decir, opera catabólica y anabólicamente. • Una visión general del ciclo del ácido cítrico nos muestra una secuencia de reacciones • que: • Oxidan el grupo acetilo del acetil-CoA a dos moléculas de dióxido de carbono de forma que se conserva la energía libre producida, utilizándola en la síntesis de ATP

28. Las ocho enzimas del ciclo catalizan una serie de reacciones que: oxidan un grupo acetilo a dos moléculas de dióxido de carbono, con la generación de tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una de GTP

29. 1. La citrato sintasa cataliza la condensación entre acetil-CoA y oxalacetato para rendir • citrato, que da nombre al ciclo. 2. Las dos etapas siguientes conllevan la transformación del citrato en un isómero más fácilmente oxidable. Para ello, la aconitasa convierte el citrato en isocitrato mediante una deshidratación, produciéndose cis-aconitato unido al enzima, seguida de una hidratación. Así, el grupo hidroxilo del citrato es transferido a un átomo de carbono adyacente.

30. 3. La isocitrato deshidrogenasa oxida el isocitrato a oxalosuccinato, con la reducción • acoplada de NAD+ a NADH. Posteriormente, el oxalosuccinato es descarboxilado, • rindiendo a-cetoglutarato. Esta es la primera etapa en la que la oxidación se acopla a la • producción de NADH, y también la primera en la que se genera dióxido de carbono. 4. El complejo enzimático a-cetoglutarato deshidrogenasa descarboxila oxidativamente el a-cetoglutarato a succinil-CoA. Esta reacción conlleva la reducción de una segunda molécula de NAD+ a NADH y la generación de una segunda molécula de dióxido de carbono. Hasta aquí ya se han producido dos moléculas de dióxido de carbono, por lo que se ha completado la oxidación neta del grupo acetilo. Hay que resaltar que no son los átomos del grupo acetilo entrante los que han sido oxidados

31. 5. La succinil-CoA sintetasa convierte el succinil-CoA en succinato. La energía libre • de la reacción se conserva aquí por la formación de GTP, a partir de GDP y Pi. guanosina trifosfato (GTP) Guanosina difosfato (GDP) Guanosina de monofosfato (GMP) • 6. Las reacciones restantes suponen la preparación de otra vuelta del ciclo, y para ello • completan la oxidación de succinato a oxalacetato gracias a la succinato deshidrogenasa • la cuál cataliza la oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de • succinato a un doble enlace trans, dando lugar a fumarato con la reducción simultánea • de FAD a FADH2.

32. 7. La fumarasa cataliza después la hidratación del doble enlace del fumarato para rendir malato • 8. Finalmente, la enzima malato deshidrogenasa regenera el oxalacetato, oxidando el • grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona, con la reducción de • una tercera molécula de NAD+ a NADH.

33. La energía de las oxidaciones se conserva con eficiencia • hemos dado hasta ahora una vuela completa al ciclo del ácido cítrico. • 2 átomos de carbono entró al ciclo y se combino con el oxalacetato • 2 carbonos salieron del ciclo en forma de CO2 en los procesos de oxidación del isocitrato y el alfa-cetoglutarato • finalmente se regenero la molécula de oxalacetato. • Los átomos de carbono que aparecen como CO2,no son los mismos que entran enforma de grupo acetilo • * Se requieren , más vueltas ciclo para que los átomos de carbono del grupp acetilo salgan en forma de CO2”

34. La oxidación completa de los grupos acetilo sigue entonces la siguiente estequiometría • 3NAD+ + FAD + GDP + acetil-CoA + Pi  3NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2CO2 La oxidación de un acetilo (2CO2) por cada vuelta del ciclo, genera:3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP (o ATP)

35. flavín adenin dinucleótido El FAD puede ser parcialmente reducido a un radical estable FADH o bien completamente reducido a FADH2 (hidroquinona)

36. 5. Transporte electrónico y fosforilación oxidativa • Lavoisier ya había demostrado que los seres vivos consumían oxígeno y producían dióxido de carbono. Pero no fue hasta principios del siglo XX, después del desarrollo de la enzimología (en parte gracias a los trabajos de Otto Warburg) cuando se demostró que las oxidaciones biológicas se catalizan mediante enzimas intracelulares. Como hemos visto, la glucosa se oxida a CO2 mediante las reacciones de glucolisis y ciclo de Krebs. Pero, ¿cuál es el destino de los electrones que pierde la glucosa en este proceso? La respuesta la discutiremos en este apartado.

37. La oxidación completa de la glucosa se escribe como indica la siguiente ecuación: • Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H2O • Separando en dos semirreacciones, podemos expresar en la primera la oxidación de los átomos de C y en la segunda la reducción del oxígeno molecular: • C6H12O6 + 6H2O  6CO2 + 24H+ + 24 e • 6O2 + 24H+ + 24e 12 H2O • En los sistemas vivos, estas reacciones de transferencia electrónica ocurren a través de una vía con múltiples etapas, que aprovechan la energía libre producida para formar ATP.

38. Los 12 pares de electrones involucrados en la oxidación de la glucosa no pasan directamente al oxígeno, sino que se transfieren a los coenzimas NAD+ y FAD, formándose un total de 10 NADH y 2 FADH2 Glucólisis: 2ATP + 2NADH  2 + (2 x 3) = 8 ATP 6 Descarboxilación oxidativa del piruvato= 6 ATP 2 GTP Ciclo de Krebs: 2ATP + 6NADH + 2FADH2       2 + (6 x 3) + (2 x 2) = 24 ATP Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP. 38 POR CADA MOLECULA DE PIRUVATO- ACETYL-COA 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP (o ATP) POR DOS MOLECULAS 6 NADH, 2 FADH2, 2 GTP (o ATP)

39. Los electrones pasan entonces a la cadena de transporte electrónico donde participan (por la reoxidación mitocondrial del NADH y FADH2) en un proceso de oxidación-reducción secuencial de determinados centros redox antes de reducir el oxígeno a agua • En este proceso, los protones son expulsados de la mitocondria, y la energía libre almacenada en el gradiente de pH resultante impulsa la síntesis de ATP, a partir de ADP y Pi, a través de la fosforilación oxidativa. • La reoxidación de cada NADH da lugar a la síntesis de 3 ATP, y la de un FADH2 a 2 ATP. El total por molécula de glucosa oxidada es pues de 38 ATP, 30 proceden de los 10 NADH, 4 de los 2 FADH2, además en la glucolisis se producen 2 ATP por mol de glucosa y en el ciclo de Krebs 2 GTP (= 2 ATP) por cada 2 de piruvato que entra en el ciclo.

40. 1 NADH= 3 ATP 1FADH2 = 2 ATP 1 GTP= ATP • La obtención de ATP a partir de la oxidación de NADH y FADH2 se realiza mediante la fosforilación oxidativa.

41. El primer paso es la entrada de los electrones en la cadena respiratoria. La mayoría de los electrones provienen de la acción de dehidrogenasas que recogen los electrones de los distintos procesos catabólicos y los canalizan hacia los aceptores universales de electrones (NAD+, NADP+, FMN o FAD). • Entonces los electrones son transferidos a una serie de transportadores asociados a membrana (Figura 7). • Estos transportadores son de naturaleza proteica y tiene grupos prostéticos capaces de aceptar/donar electrones. • En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transportar electrones. La ubiquinona o coenzima Q (una quinona hidrofóbica), los citocromos (proteinas que tienen como grupos prostéticos grupos hemo con hierro) y las proteínas con agrupaciones sulfo-férricas.

42. El complejo I, también llamado NADH: ubiquinona oxidorreductasa transporta los. electrones del NADH a la ubiquinona • El complejo II, es la succinato dehidrogenasa, única enzima del ciclo de Krebs unida a membrana, que pasa los electrones del FADH2 a la ubiquinona. • El complejo III, también llamado citocromo bc1 o complejo ubiquinona:citocromo c oxidorreductasa, acopla la transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c. • El complejo IV, también llamado citocromo oxidasa, es la última etapa de la cadena de transporte electrónico de la respiración y conduce los electrones desde el citocromo c hasta el último aceptor de los electrones, el oxígeno que se reduce a agua

43. Fosforilación oxidativa • La síntesis de ATP a partir de ADP y Pi en las mitocondrias está catalizada por la ATP sintasa (complejo V), y está impulsada mediante el proceso de transporte electrónico anterior

44. ANIMACION DEL TRANSPORTE DE ELECTRONES

45. Para ello, la energía liberada durante el transporte debe conservarse en una forma que pueda ser usada por la ATP-sintasa. Esto se conoce como acoplamiento de energía o transducción de energía • Para explicar tal acoplamiento, existen distintas hipótesis. La teoría más aceptada es la de Mitchell, que propone que los transportadores de electrones además de transportar electrones bombean protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana en contra de gradiente, para ser llevado a cabo este proceso endergónico es acoplado a la energía producida por el transporte de electrones a favor de gradiente, de modo que se crea un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna. • El potencial electroquímico de este gradiente es aprovechado por la ATP sintasa para sintetizar ATP. La ATP sintasa transporta los protones a la matriz mitocondrial a favor de gradiente y acopla este proceso exergónico a al síntesis de ATP

46. De esta forma, el transporte electrónico provoca que los complejos I, III y IV transporten protones a través de la membrana mitocondrial interna desde la matriz (una región de baja concentración de protones y potencial eléctrico negativo), al espacio intermembranal (una región de elevada concentración de protones y potencial eléctrico positivo). • La energía libre secuestrada por el gradiente electroquímico resultante impulsa la síntesis de ATP por la acción de la ATP-sintasa.

47. La ATP sintasa translocadora de protones es la estructura más compleja de la membrana mitocondrial, contiene dos subestructuras principales (F0 y F1 ) cada una con una Función determinada, F0 es una proteína submembranal insoluble en agua y que contiene un canal para la translocación de los protones. F1 es una proteína periférica de membrana, soluble en agua, que participa directamente en la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi

49. OTRAS RESPIRACIONES NO AEROBIAS • En la respiración aerobia el aceptor final de los electrones es el oxígeno que se reduce a agua. Pero hay organismos que son capaces de respirar sin oxígeno llevando los electrones hasta otros aceptores con el mismo objetivo final, obtener mucho ATP. • Hay organismos capaces de respirrar: • Nitrato, generando nitrógeno (bacterias denitrificantes) • Sulfato, generando sulfuro (bacterias sulforeductoras) • CO2, generando metano (bacterias metanogénicas)