METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS

COMPETENCIA VI El alumno conoce y comprende la estructura, propiedades y clasificación de los carbohidratos y los procesos de digestión, transporte y transformación de éstos en el metabolismo.

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 1. Estructura y función a. Identifica la estructura química de los carbohidratos y su importancia biológica. b. Conoce la clasificación de los carbohidratos de acuerdo a su grupo funcional. c. Describe la importancia fisiológica de los siguientes azúcares: ribosa, glucosa, fructosa, manosa, galactosa, sacarosa, lactosa, maltosa, almidón, glucógeno, celulosa y ácido glucurónico. d. Conoce la función y localización en el organismo de los principales heteropolisacáridos (quitina, heparina, sulfato de dermatán, condroitin sulfato, glicosaminoglucanos, peptidoglicanos). e. Reconoce los carbohidratos como componentes de las glicoproteínas y de los glicolípidos (ejemplo ABO)

COMPETENCIA VI El alumno conoce y comprende la estructura, propiedades y clasificación de los carbohidratos y los procesos de digestión, transporte y transformación de éstos en el metabolismo.

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 2. Digestión y absorción a. Señala las fuentes dietéticas de los carbohidratos. b. Conoce el proceso de la digestión y la absorción de los carbohidratos. c. Conoce la distribución de los 5 principales transportadores GLUT en el músculo, hígado, tejido adiposo, eritrocito, cerebro y páncreas. 3. Glucólisis. a. Conoce el proceso de la glucólisis, indicando las reacciones que generan NADH o ATP y su importancia biológica. b. Discute el destino del piruvato en presencia o ausencia de oxígeno y la importancia fisiológica de la formación de lactato. c. Analiza el balance energético y la regulación de la vía glucolítica por: ATP, ADP, AMP, fructosa.

COMPETENCIA VI El alumno conoce y comprende la estructura, propiedades y clasificación de los carbohidratos y los procesos de digestión, transporte y transformación de éstos en el metabolismo.

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 4. Papel de la mitocondria en las funciones oxidativas a. Reconoce la estructura mitocondrial. b. Discute la función biológica de las mitocondrias en la transducción de energía c. Menciona la participación de la mitocondria en: apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis. 5. Descarboxilación del piruvato a. Conoce la reacción de descarboxilación oxidativa del piruvato y el destino de sus productos. b. Conoce el carácter irreversible de la reacción y su regulación (por producto, por alosterismo y por modificación covalente).

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CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 6. Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Ciclo de Krebs, ciclo del ácido cítrico). a. Señala su localización subcelular de la vía y precisará su papel en la generación de la energía celular. b. Conoce las reacciones enzimáticas del ciclo y los metabolitos que intervienen en la regulación de la vía. c. Identifica el papel anfibólico de la vía y el destino de sus intermediarios: citrato, succinil CoA, malato y oxaloacetato. d. Define el concepto de reacción anaplerótica. e. Conoce las enzimas involucradas en las reacciones anapleróticas del ciclo de Krebs. f. Conoce el balance energético de la vía mencionando el número de NAD+ y FAD reducidas en la oxidación de una molécula de acetil-CoA.

COMPETENCIA VI

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA

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7. Cadena de transporte de electrones (cadena respiratoria) a. Define el concepto de óxidoreducción, por redox y potencial de óxido-reducción. b. Conoce los complejos de la cadena de transporte de electrones. c. Identifica los alimentadores de la vía, así como su sitio de entrada a ésta y el último aceptor de los electrones. d. Señala el sitio de acción de los siguientes inhibidores de la cadena respiratoria: amital, rotenona, antimicina, cianuro, NaN3, CO y H2S. e. Identifica los sistemas de transporte de los equivalentes reductores a la mitocondria (lanzadera malato aspartato y glicerol 3 fosfato) f. Conoce algunos ejemplos de alteraciones en los componentes mitocondriales, relacionados con los siguientes padecimientos: MELAS, LHON, MILS.

COMPETENCIA VI

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA

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8. Fosforilación oxidativa. a. Explica la hipótesis quimiosmótica para la síntesis de ATP. b. Indica la cantidad de ATP que se genera por la oxidación de las coenzimas NADH y FADH2 en la cadena respiratoria. c. Conoce el concepto de control respiratorio. d. Discute el efecto los inhibidores de la ATP sintasa (oligomicina y venturicidina). e. Discutirá el papel de los desacoplantes sintéticos y naturales (dinitrofenol y termogenina). f. Revisa el papel del inhibidor del translocador de adenin nucleótidos (atractilósido) sobre síntesis de ATP.

COMPETENCIA VI

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA

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9. Mantenimiento del estado redox intracelular y protección contra el estrés oxidativo. a. Define el concepto de estrés oxidativo. b. Define los radicales libres, cuáles son derivados del oxígeno y cuáles del óxido nítrico. c. Describe la formación de las especies reactivas de oxígeno y óxido nítrico. d. Describe como se genera el radical superóxido en la mitocondria. e. Describe como se genera el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo (reacción de Fenton). f. Menciona que la producción de radicales libres está asociada con algunas enfermedades (diabetes, neurológicas y envejecimiento). g. Discute la producción de radicales libres en la fagocitosis durante una infección bacteriana. h. Describe las condiciones en las que se genera el radical NO y su relevancia fisiológica. i. Describe los mecanismos protectores del organismo: especies reactivas de oxígeno, superóxido, dismutasa, catalasa, glutatión perosidasa, vitaminas E y C, β- carotenos.

COMPETENCIA VI El alumno conoce y comprende la estructura, propiedades y clasificación de los carbohidratos y los procesos de digestión, transporte y transformación de éstos en el metabolismo.

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 10. Conceptos de señalización hormonal y regulación. a. Conoce los conceptos: señal (sensores y efectores) y regulación (espacio y tiempo). b. Describe en un esquema general al receptor, hormona, transductor, segundos mensajeros y fosforilación. 11. Mecanismo de acción hormonal. a. Entiende los mecanismos de acción hormonal, identificará los receptores de membrana y las cascadas de amplificación: adenilato ciclasa (AMP cíclico), la fosfolipasa C (fosfoinosítidos, calcio) GMP cíclico.

CARBOHIDRATOS Estructura y función Los carbohidratos o glúcidos, son polihidroxialdehídos o cetonas, o sustancias que dan lugar a estos compuestos al hidrolizarse. La mayoría posee la fórmula empírica (CH2O)n Algunos contienen además Nitrógeno, Fósforo o Azufre. Sacárido: gr. Sakcharon (azúcar)

CARBOHIDRATOS Estructura y función

CARBOHIDRATOS Estructura y función Tres clases principales:  Monosacáridos: Una sola unidad de polihidroxialdehído o cetona. Ej.: D-glucosa.  Oligosacáridos: Cadenas cortas de unidades de monosacáridos unidas por enlaces glucosídicos. Ej.: Sacarosa (disacárido, D-fructosa + D-glucosa)  Polisacáridos: Polímeros de más de 20 unidades de monosacárido. Ej.: Celulosa (lineal), glucógeno (ramificado).

CARBOHIDRATOS Estructura y función Grupo carbonilo en el extremo (aldehído): Aldosa Grupo carbonilo en una posición diferente del extremo (cetona): Cetosa

CARBOHIDRATOS Estructura y función Monosacáridos con tres átomos de carbono: triosas Tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas

CARBOHIDRATOS Estructura y función Funciones:      

Obtención de energía. (D-glucosa) Estructurales. (Celulosa, quitina) Antigénicos o reconocimiento. (Glicoproteínas) Protección. (Celulosa) Almacenamiento. (Glucógeno) Lubricantes. (Mucinas, glicoproteínas)

CARBOHIDRATOS Estructura y función

CARBOHIDRATOS Estructura y función

CARBOHIDRATOS Epímeros

(Difieren entre sí en la configuración de un solo C)

CARBOHIDRATOS Hemiacetales (En solución)

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS Importancia fisiológica

Ribosa: Componente de nucleótidos (Ácidos nucleicos) Glucosa: Es el principal combustible para la célula. Fructosa: Combustible (Vía de la fructosa-1-fosfato, fructoquinasa), fructosa-6-fosfato (hexocinasa). Manosa: Manosa-6-fosfato, marcador que envía enzimas hidrolíticos del aparato de Golgi hacia los lisosomas. Galactosa: Conversión en glucosa-6-fosfato en cuatro pasos.

CARBOHIDRATOS Importancia fisiológica

Sacarosa: (Glucosa+Fructosa) Energía en la dieta. Lactosa: (Glucosa+Galactosa) Energía en la dieta. Maltosa: (Glucosa+Glucosa) Energía en la dieta. Almidón: (Polímero de glucos) Energía en la dieta. Glucógeno: (Polímero de glucosa) Energía en la dieta. Reserva en el organismo

CARBOHIDRATOS Importancia fisiológica

Celulosa: Función estructural (En plantas). Ácido glucurónico: Conforma al ácido hialurónico junto con la Nacetilglucosamina. El ácido hialurónico sirve como lubricante en el líquido sinovial confiere su consistencia al humor vítreo.

CARBOHIDRATOS Función y localización Quitina: Homopolisacárido lineal compuesto por residuos de Nacetilglucosamina. Forma fibras extensas similares a la celulosa y no es digerible por los vertebrados. Es el componente principal de los exoesqueletos de artrópodos. Heparina: Proviene del Sulfato de heparán (es una forma fraccionada de éste) compuesta de azúcares sulfatados y no sulfatados. Se produce en los mastocitos. Se une al inhibidor de proteasas antitrombina, que se une así a la trombina y la inhibe, evitando así la coagulación.

CARBOHIDRATOS Función y localización

Sulfato de dermatán: Es un proteoglucano que contribuye a la flexibilidad de la piel y que está presente en los vasos sanguíneos y en las válvulas cardiacas. Condroitin sulfato: Contribuye a la resistencia a la tensión de los cartílagos, tendones, ligamentos y paredes de la aorta. Glicosaminoglucosanos: Heteropolisacáridos lineales compuestos por unidades repetitivas de disacáridos. Se encuentran únicamente en animales y bacterias, no así en plantas. Proteoglucanos: Son moléculas derivadas de uniones entre un glucosaminoglucano sulfatado y proteínas extracelulares. Interactúan con una variedad de proteínas en la matriz extracelular como el colágeno, la elastina, la fibronectina y la laminina.

CARBOHIDRATOS Glicoproteínas y Glicolípidos

Glicoproteínas: Son conjugados de proteínas y glúcidos en los que los glucanos son menores, están ramificados. El glúcido se une por su carbono anomérico mediante un enlace glucosídico con el –OH de un residuo de Ser o Thr (O-unidos) o mediante un enlace N-glucosilo con el nitrógeno amídico de un residuo de Asn (N-unidos). Algunas glucoproteínas tienen una sola cadena de oligosacárido pero muchas tienen más de una. El glúcido puede representar del 1 al 70% o más de la masa de la glucoproteína.

CARBOHIDRATOS Glicoproteínas y Glicolípidos

CARBOHIDRATOS Glicoproteínas y Glicolípidos Glicolípidos: Son lípidos que contienen azúcares. Derivan de la esfingosina. El grupo amino de la esfingosina está acilado por un ácido graso, como en la esfingomielina. Los glicolípidos difieren de la esfingomielina en la naturaleza de la unidad que enlaza al grupo hidroxílico primario del esqueleto de la esfingosina. Un o más azúcares van unidos a este grupo. El glicolípido más sencillo es el cerebrósido, en el que hay solamente un residuo de azúcar, glucosa o galactosa. Más ejemplos de glicolípídos son los gangliósidos. El azúcar siempre estará orientada hacia la cara extracelular de la membrana.

CARBOHIDRATOS Glicoproteínas y Glicolípidos

CARBOHIDRATOS Sistema AB0 Está definido por glicoproteínas. Oligosacárido fundamental: antígeno O (H) Grupo A: N-acetilgalactosamina Grupo B: Galactosa Adición por medio de glicosiltransferasas

CARBOHIDRATOS Sistema AB0

CARBOHIDRATOS COMPETENCIA VI El alumno conoce y comprende la estructura, propiedades y clasificación de los carbohidratos y los procesos de digestión, transporte y transformación de éstos en el metabolismo.

CONOCIMIENTOS DE LA COMPETENCIA 2. Digestión y absorción a. Señala las fuentes dietéticas de los carbohidratos. b. Conoce el proceso de la digestión y la absorción de los carbohidratos. c. Conoce la distribución de los 5 principales transportadores GLUT en el músculo, hígado, tejido adiposo, eritrocito, cerebro y páncreas. 3. Glucólisis. a. Conoce el proceso de la glucólisis, indicando las reacciones que generan NADH o ATP y su importancia biológica. b. Discute el destino del piruvato en presencia o ausencia de oxígeno y la importancia fisiológica de la formación de lactato. c. Analiza el balance energético y la regulación de la vía glucolítica por: ATP, ADP, AMP, fructosa.

CARBOHIDRATOS FUENTES DIETÉTICAS    

Almidón: papa, arroz, maíz, trigo. Glucógeno: carne (músculo, hígado principalmente). Sacarosa: caña de azúcar, remolacha. Lactosa: leche.

CARBOHIDRATOS (Sacarosa, Lactosa, Maltosa) (Almidón, Glucógeno) (Quitina, Celulosa)

Amilasa, lactasa, sacarasa

Glucosa, fructosa, galactosa ABSORCIÓN (Intestino delgado) Torrente sanguíneo

CARBOHIDRATOS  Se digieren mediante hidrólisis para liberar oligosacáridos, después disacáridos y finalmente monosacáridos.  Los polisacáridos feculentos y no feculentos resistentes, proporcionan sustratos para la fermentación bacteriana en el intestino grueso.  Las amilasas catalizan la hidrólisis del almidón, en la saliva , y en el duodeno por medio de los jugos pancreáticos (amilasa).  La hidrólisis del almidón da lugar a dextrinas, luego una mezcla de glucosa, maltosa, maltotriosa y dextrinas ramificadas pequeñas, pues le hidrólisis se da al azar a lo largo de los polímeros de carbohidrato.

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS  La maltasa, la sacarasa-isomaltasa, lactasa y trehalasa, están localizadas en el borde de cepillo de las células de la mucosa intestinal, donde se absorben los monosacaridos resultantes y los que vienen directamente de la dieta.  La glucosa y la galactosa, se absorben mediante un proceso dependiente de sodio, a través de la proteína de transporte SGLT 1 y compiten entre sí por la absorción intestinal.  Otros monosacáridos se absorben mediante difusión mediada por acarreador.  Debido a que no se transportan de manera activa, la fructosa y los alcoholes azúcar sólo se absorben a favor de su gradiente de concentración, y después de una ingestión moderadamente alta, cierta cantidad permanece en la luz del intestino y actúa como sustrato para la fermentación bacteriana.  La ingestión de grandes cantidades de fructosa y alcoholes-azúcar, puede provocar diarrea osmótica.

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

CITOPLASMA

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS

Transporte de glucosa en el eritrocito por GLUT1.

CARBOHIDRATOS Distribución de los 5 principales transportadores GLUT en el

músculo, hígado, tejido adiposo, eritrocito, cerebro y páncreas.

GLUCÓLISIS  La glucosa ocupa un lugar central en el metabolismo de plantas, animales y muchos microorganismos.  La molécula de glucosa es relativamente rica en energía potencial.  Su almacenamiento en forma de glucógeno mantiene una osmolaridad citosólica relativamente baja.  Es un precursor extremadamente versátil, capaz de suministrar una gran cantidad de intermediarios metabólicos para las reacciones biosintéticas.  Glucólisis: gr. Glykys «dulce» y lysis «romper».  Buchner, 1897.

Glucosa

2 Piruvato ATP, NADH

GLUCÓLISIS CUATRO DESTINOS PRINCIPALES DE LA GLUCOSA:  Síntesis de polisacáridos complejos destinados al espacio extracelular.  Almacenamiento (en forma de polisacáridos o sacarosa).  Oxidación a piruvato vía glicólisis para proporcionar ATP e intermediarios metabólicos.  Oxidación en la ruta de las pentosas fosfato (vía del fosfogluconato) para obtener ribosa-5-fosfato (síntesis de ácidos nucléicos y NADPH para procesos biosintéticos reductores.

GLUCÓLISIS

GLUCÓLISIS DOS FASES  FASE PREPARATORIA. 5 pasos. 1. 2. 3. 4. 5.

La glucosa es fosforilada en el grupo hidroxilo en C-6 La glucosa-6-fosfato formada se convierte en fructosa-6-fosfato (gasto de ATP) La fructosa-6-fosfato vuelve a ser fosforilada, ahora en C-1, dando frutosa-1,6-bisfosfato (gasto de ATP) La fructosa-1,6-bisfosfato se escinde dando dos moléculas de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato (lisis) La dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato.

GLUCÓLISIS DOS FASES  FASE DE BENEFICIOS. 5 pasos. 6.

Cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato se oxida y fosforila por fosfato inorgánico (no por ATP) formando 1,3-bisfosfoglicerato. El NAD+ acepta un ión hidruro y se forma NADH 7. El 1,3-bisfosfoglicerato pierde un grupo fosfato, el cual es adicionado a un ADP para formar ATP (X2) 8. El grupos fosforilo restante pasa de C-3 a C-2, formando 2-fosfoglicerato 9. La deshidratación forma fosfoenolpiruvato y activa el fosforilo para su transferencia al ADP. 10. Se forma ATP a partir de ADP, la desfosforilación del fosfoenolpiruvato produce PIRUVATO. (X2)

GLUCÓLISIS DESTINOS DEL PIRUVATO (3) 

Oxidación del piruvato con pérdida de su grupo carboxilo en forma de CO2, dando el grupo acetilo del acetil-coenzima A, que es oxidado seguidamente de manera completa a CO2 por el ciclo del ácido cítrico. Los electrones de éstas oxidaciones pasan al O2 a través de una cadena de transportadores en la mitocondria, formando H2O. La energía procedente de las reacciones de transferencia electrónica impulsa la síntesis de ATP en la mitocondria.

GLUCÓLISIS DESTINOS DEL PIRUVATO (3) 

Reducción a lactato vía fermentación del ácido láctico. En condiciones de hipoxia cuando el músculo esquelético funciona en bajas concentraciónes de O2 y el NADH no puede ser reoxidado a NAD+. El piruvato se reduce a lactato al aceptar los electrones del NADH, con lo que se regenera así el NAD+ necesario para que continúe la glucólisis. En el organismo algunas células convierte glucosa en lactato incluso en condiciones aeróbicas.

GLUCÓLISIS DESTINOS DEL PIRUVATO (3) 

Producción de etanol. Se da en condiciones anaeróbicas o de hipoxia. (Fermentación etanólica). La realizan algunos tejidos vegetales, algunos invertebrados, protistas, bacterias y hongos.

* Destinos anabólicos: Proporcionar esqueletos carbonados para la síntesis de ácidos grasos o alanina.

Importancia fisiológica del lactato

CICLO DE CORI

Importancia fisiológica del lactato  Ciclo de Cori (conversión de lactato en glucosa)  Agente antibacteriano (secreción en sudor)  Oxidación de lactato a piruvato y oxidación de éste a CO2 si el NADH se oxida rápidamente en la cadena de transporte de electrones o en la gluconeogénesis  Uso como combustible por el corazón y otros tejidos

Importancia fisiológica del lactato

Rutas que alimentan la glucólisis

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  La concentración de AMP en el citosol está determinada por la posición de equilibrio de la reacción de la adenilato ciclasa, que cataliza la reacción: 2 ADP < -- > AMP + ATP

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  La hidrólisis del ATP a ADP en las reacciones que requieren energía incrementa tanto el contenido de ADP como el de AMP del citosol.  Dado que el ATP se encuentra en mucho mayores cantidades que el AMP y el ADP, pequeñas variaciones en la concentración de ATP en el citosol, causan un incremento porcentual mucho mayor en la pequeña reserva de AMP.

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  En el músculo esquelético, los valores de ATP se aproximan a 5 mM  Si el ATP disminuye un 20%, el ADP aumenta en un 50%  Con éstos cambios, el AMP puede elevarse hasta un 300%  El AMP activa varias vías metabólicas, incluidas glucólisis, glucogenólisis y oxidación de ácidos grasos, manteniendo así la homeostasis del ATP.

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  La fosfofructocinasa 1 (PFK-1) es la enzima limitante de la velocidad de la glucólisis en la mayoría de los tejidos  Es una enzima alostérica con seis sitios de unión: dos para sustratos (MgATP y 6-P-fructosa) y cuatro con sitios reguladores alostéricos  Sus sitios alostéricos incluyen un sitio inhibidor para MgATP, un sitio inhibidor para citrato y otros aniones, un sitio de activación alostérica para AMP y un sitio de activación alostérica para 2,6-bisfosfofructosa.

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  Varias isoformas específicas de tejidos diferentes, son afectadas de distintas maneras por la concentración de estos sustratos y efectores alostéricos.  El ATP se une a dos sitios distintos de la enzima: el sitio de unión al sustrato y un sitio inhibidor alostérico.  Bajo condiciones fisiológicas, la concentración de ATP suele ser lo suficientemente alta para saturar el sitio de unión al sustrato e inhibir a la enzima por unión al sitio alostérico de ATP.

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa  El efecto del ATP es antagonizado por el AMP, que se une a un sitio activador alostérico distinto  La unión del AMP incrementa la afinidad de la enzima por la fructosa-6-fosfato  Por lo tanto, los aumentos de AMP pueden incrementar en gran medida la velocidad de la enzima, en particular cuando las concentraciones de fructosa6-fosfato son bajas.

Regulación de la vía glucolítica por ATP, ADP, AMP y fructosa

 La fructosa-2,6-bisfosfato activa alostéricamente la PFK-1  Antagoniza la inhibición por ATP  En el músculo esquelético, altas concentraciones de fructosa-6-fosfato activan una fosfofructocinasa 2 (PFK-2) que fosforila a la fructosa-6-fosfato en fructosa-2,6-bisfosfato (no intermediario de la glucólisis)  Altas concentraciones de fructosa-6-fosfato activan la cinasa, incrementando la concentración de fructosa2,6-bisfosfato y activando así la glucólisis.

Glucólisis Balance energético

1Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi  1Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Glucólisis Balance energético

1Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi  1Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Glucólisis Balance energético

1Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi  2Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

MITOCONDRIA

Papel de la mitocondria en las funciones oxidativas

 Eugene Kennedy y Albert Lehninger, 1948. La mitocondria es el sitio en donde se realiza la fosforilación oxidativa en eucariotes.  La matriz mitocondrial contiene diversas enzimas encargadas de la ruta de la Beta-oxidación de los ácidos grasos y las rutas de oxidación de los aminoácidos. Es decir: todas las rutas de oxidación de combustibles excepto la glucólisis, que se realizan en el citosol.

MITOCONDRIA

Función biológica de las mitocondrias en la transducción de energía

 La permeabilidad selectiva de la membrana interna, separa los intermediarios y enzimas de las rutas metabólicas citosólicas de los intermediarios de los procesos metabólicos que se producen en la matriz.  El piruvato, los ácidos grasos y los aminoácidos o sus derivados alfa-ceto son llevados por transportadores específicos a la matriz para poder acceder a la maquinaria del ciclo del ácido cítrico.

MITOCONDRIA

Función biológica de las mitocondrias en la transducción de energía

 El ADP y el Pi son transportados específicamente al interior de la matriz al mismo tiempo que el recién sintetizado ATP es transportado al exterior.  Los tejidos con una gran demanda de metabolismo aeróbico (p. ej., cerebro, músculos esquelético y cardiaco y ojo) contienen muchos centenares o millares de mitocondrias por célula.  Mitocondrias de células con actividad metabólica elevada tienen más crestas que están más densamente empaquetadas.

MITOCONDRIA Estructura

MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

TERMOGÉNESIS  Tejido adiposo marrón (BAT).  La oxidación de combustibles nos sirve para producir ATP sino para genera calor y mantener caliente al R.N.  Color marrón: debido a la presencia de grandes cantidades de mitocondrias y por lo tanto de citocromos cuyos grupos hemo absorben fuertemente la luz visible.

MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

TERMOGÉNESIS  Contienen una proteína en su membrana interna llamada termogenina (o proteína desacoplante 1)  Proporciona una vía para que los protones vuelvan a la matriz sin pasar por el complejo FoF1  Por tanto, no se forma ATP sino que la energía de oxidación se disipa en forma de calor.

MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

ESTEROIDOGÉNESIS  Producen las hormonas sexuales, glucocorticoides, mineralocorticoides y hormona de la vitamina D.  Se sintetizan a partir de colesterol o un esterol relacionado en una serie de hidroxilaciones catalizadas por enzimas de la familia del citocromo P-450.  Las células esteroidogénicas están rellenas de mitocondrias especializadas en la síntesis de esteroides.

Mitocondrias de una célula de glándula suprarrenal

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MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

APOPTOSIS  Un agente estresante da la señal para la muerte celular: aumenta la permeabilidad de la membrana mitocondrial externa, que permite la salida del citocromo c del espacio intermembrana al citosol.  El complejo del poro de transición de la permeabilidad (PTPC) se abre.

MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

APOPTOSIS  El citocromo c interacciona con monómeros de la proteína Apaf-1 (factor 1 activador de la proteasa de la apoptosis), así se forma un apoptosoma compuesto por siete moléculas de Apaf-1 y siete moléculas de citocromo c.  El apoptosoma es la plataforma sobre la que la proteasa procaspasa-9 se activa a caspasa-9.

MITOCONDRIA

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Apoptosis, esteroidogénesis y termogénesis

APOPTOSIS  Las caspasas cortan proteínas sólo en el lado carboxilo terminal de residuos Asp.  Se inicia así una cascada de activaciones proteolíticas (caspasas).

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  Para la mayor arte de las células eucariotas y un gran número de bacterias que oxidan sus combustibles orgánicos a dióxido de carbono y agua, la glucólisis sólo es la primera etapa de la oxidación completa de la glucosa.  El piruvato formado en la glucólisis, en vez de ser reducido a lactato, etanol o algún otro producto de fermentación, sufre una oxidación mayor hasta dióxido de carbono y agua.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  En un sentido macroscópico o fisiológico amplio, la respiración se refiere a la captación de oxígeno por un organismo multicelular y la consiguiente liberación de dióxido de carbono.  El término oxidación en bioquímica se refiere en el sentido más estricto a los procesos moleculares mediante los que las células consumen oxígeno y producen dióxido de carbono, procesos conocidos como respiración celular.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO

 La respiración es más compleja que la glucólisis y se cree que apareció mucho más tarde, cuando las cianobacterias produjeron oxígeno por su metabolismo y enriquecieron la atmósfera terrestre con éste.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO

 La glucosa, otros azúcares, los ácidos grasos y la mayoría de los aminoácidos se oxidan finalmente a dióxido de carbono y agua a través del ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria.  Antes de entrar al ciclo mencionado, los esqueletos carbonados de azúcares y ácidos grasos deben de ser degradados al grupo acetilo del acetil-CoA.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO

 El piruvato, procedente de la glucólisis, se oxida para dar lugar a acetil-CoA y CO2 por el complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDH)  La piruvato deshidrogenasa está estructurada por tres enzimas con múltiples copias de cada uno de ellos, localizado en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citosol de las bacterias.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  La reacción global catalizada por el complejo de la piruvato deshidrogenasa es una descarboxilación oxidativa, un proceso de oxidación irreversible en el que el piruvato pierde un grupo carboxilo en forma de molécula de CO2, mientras que los dos carbonos restantes se transforman en el grupo acetilo del acetilCoA.  El NADH formado en la reacción, libera un ion hidruro (:H-) a la cadena respiratoria.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  La deshidrogenación y la descarboxilación combinadas del piruvato para formar el grupo acetilo del acetilCoA, requiere la acción secuencial de tres enzimas diferentes así como de cinco coenzimas o grupos prostéticos diferentes:  Tiamina pirofosfato (TPP)  Flavina adenina dinucleótido (FAD)  Coenzima A  Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD)  Lipoato

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO

   

Tiamina (TPP) Rivoflavina (FAD) Nicotinamida (NAD) Pantotenato (CoA)

 Vitaminas que son componentes vitales del sistema enzimático.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  La CoA contiene un grupo tiol reactivo (-SH)  El grupo tiol se une covalentemente a los grupos acilo formando tioésteres.  Los tioésteres formados tienen un elevado potencial de transferencia de grupos acilo debido a su relativamente elevada energía libre estándar de hidrólisis. Esto permite ceder los grupos acilo a diferentes moléculas aceptoras.  Por esto se dice que el grupo acilo unido a la CoA está “activado” para la transferencia de grupo.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO  La enzimas que conforman el complejo de la piruvato deshidrogenasa son:  Piruvato deshidrogenasa (E1)  Dihidrolipoil transacetilasa (E2)  Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO 1. Descarboxilación: El piruvato se combina con el TPP y después se descarboxila para generar hidroxietil-TPP. (E1) El TPP es el grupo prostético.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO 2. Oxidación: el grupo hidroxietilo unido al TPP se oxida para formar un grupo acetilo y acto seguido se transfiere a la lipoamida, un derivado del ácido lipoico. Se forma un enlace tioéster rico en energía. Producto: acetillipoamida.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO 3. Formación del acetil-CoA. Se transfiere el grupo acetilo desde la acetil-lipoamida al CoA para formar acetil-CoA.

DESCARBOXILACIÓN DEL PIRUVATO La dihidrolipoamida se oxida a lipoamida en una cuarta etapa mediante la dihidrolipoilo deshidrogenasa (E3). Para ello se transfieren dos electrones a un grupo prostético FAD del enzima y posteriormente al NAD+.

REGULACIÓN DEL COMPLEJO PIRUVATO DESHIDROGENASA

 El complejo se inhibe mediante altas concentraciones de los productos de la reacción: el acetil-CoA inhibe el componente transacetilasa (E2) por unión directa.  El NADH inhibe la dihidrolipoilo deshidrogenasa (E3).  La inhibición tiene como objeto ahorrar glucosa.

 La modificación covalente es otra forma de inhibir el complejo. E1 se fosforila mediante la piruvato deshidrogenasa quinasa I (PDK). La acción se revierte mediante la piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP).  La piruvato deshidrogenasa se desactiva cuando la carga energética es elevada.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS (TCA)  = Ciclo de Krebs  = Ciclo del ácido cítrico  El TCA es una ruta catabólica central casi universal en la que compuestos producidos en la degradación de glúcidos, grasas y proteínas se oxidan a CO2 y en el que la mayor parte de la energía de oxidación se conserva temporalmente en los transportadores electrónicos FADH2 y NADH. Durante el metabolismo aeróbico estos electrones se transfieren al O2 mientras que la energía del flujo electrónico se retiene en forma de ATP.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS (TCA)

 El acetil-CoA entra en el TCA el cual se realiza en las mitocondrias de eucariotes y en el citosol de las células procariotas.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS  El acetil-CoA producido en la degradación de glúcidos, grasas y proteínas debe de oxidarse completamente a CO2 si se quiere extraer el máximo de energía de estos combustibles.  La oxidación directa del acetato (acetil-CoA) a CO2 no es bioquímicamente factible.  La descarboxilación del acetato produciría CO2 y CH4.  El carbono del grupo carbonilo tiene una carga positiva parcial debido a la propiedad de extracción de electrones del oxígeno carbonílico por lo que es un centro electrofílico.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS  Un grupo carbonilo puede facilitar la formación de un carbanión sobre un carbono vecino al deslocalizar la carga negativa del carbanión.  Los organismos poseen cofactores y enzimas necesarios para metabolizar grupos metileno (-CH2-).  Si el acetil-CoA se ha de oxidar de manera eficiente, el grupo metilo del acetil-CoA se ha de unir a “algo”. El acetil-CoA se une al oxalacetato (el carbonilo de éste actúa como centro electrofílico) que es atacado por el carbono del metilo del acetil-CoA en una condensación de Claisen que forma citrato.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Balance energético

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Balance energético

 Por cada acetil-CoA oxidado por el TCA, la ganancia energética consiste en tres moléculas de NADH, una de FADH2 y un nucleósido trifosfato (ATP o GTP)

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Anfibolismo

 El TCA sirve tanto para el catabolismo como para el anabolismo  Se pueden extraer intermediarios del ciclo y utilizarlos como material de partida para un buen número de productos biosintéticos

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Destino de sus intermediarios

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Reacciones anapleróticas  Los intermediarios del ciclo de Krebs son retirados paulatinamente para ser utilizados como precursores biosintéticos  Las moléculas retiradas son repuestas mediante las denominadas reacciones anapleróticas  Las reacciones que utilizan y reponen intermediarios están en equilibrio dinámico en circunstancias normales  Las reacciones anapleróticas convierten piruvato o fosfoenolpiruvato en oxalacetato o malato en diversos tejidos

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Reacciones anapleróticas (rellenar)

 La reacción anaplerótica más importante en hígado y riñón de mamíferos es la carboxilación reversible del piruvato por el CO2 para formar oxalacetato, catalizada por la piruvato-carboxilasa.

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Reacciones anapleróticas

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Regulación  La velocidad global del TCA está regulada por la velocidad de conversión del piruvato en acetil-CoA y por el flujo a través de la citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa  Los flujos mencionados están determinados principalmente por la concentración de sustratos y productos: los productos finales (ATP y NADH) son inhibidores mientras que los sustratos (NAD+ y ADP) son estimuladores

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS Regulación

 La producción de acetil-CoA para el TCA es inhibido alostéricamente por los metabolitos que indican una suficiencia de energía metabólica (ATP, acetil-CoA, NADH y ácidos grasos) y es estimulada por metabolitos que indican un suministro reducido de energía (AMP, NAD+, CoA)

ÓXIDO-REDUCCIÓN Oxidación. Proceso por el cual una especie en una reacción química pierde uno o más electrones y por lo tanto incrementa su estado de oxidación. Reducción: Proceso por el cual una especie en una reacción química gana uno o más electrones y por lo tanto reduce su estado de oxidación. Oxidante: Especie capaz de oxidar a otra, por lo tanto puede adquirir el (los) electrón(es) perdidos por esta otra especie química, por lo tanto oxida reduciéndose. Reductor: es una especie capaz de reducir a otra, esto es puede ceder él(los) electrón(es) que requiere esta otra especie química, por lo tanto reduce oxidándose. Para que un oxidante oxide, se requiere de la presencia de un reductor que se reduzca y viceversa. Esto es para que una reacción redox ocurra se requiere de por lo menos un oxidante y un reductor.

ÓXIDO-REDUCCIÓN

REDOX POSITIVO: Sistema que acepta electrones (Medio oxidante) P. ej. O2 REDOX NEGATIVO: Sistema que dona electrones (Medio reductor) P. ej. NADH E’o = Potencial de reducción estándar

CADENA RESPIRATORIA  Es el comienzo de la fosforilación oxidativa  Los electrones, provienen de la acción de dehidrogenasas que captan electrones de vías catabólicas y las canalizan hacia aceptores universales de electrones: NAD+, NADP+, FMN, FAD  La mayoría de deshidrogenasas que participan en el catabolismo son específicas para el NAD+ (NAD) con aceptor electrónico  Algunas se localizan en el citosol, otras tienen enzimas mitocondriales y citosólicas

CADENA RESPIRATORIA

 Las deshidrogenasas ligadas a NAD eliminan dos átomos de hidrógeno de sus sustratos. Uno es transferido en forma de ión hidruro (:H-) al NAD+ mientras que el otro aparece como H+ en el medio  El NADH y el NADPH son transportadores electrónicos hidrosolubles que se asocian reversiblemente con deshidrogenasas

CADENA RESPIRATORIA

Anillo bencenoide

“+” no indica la carga neta del NAD y NADP (tienen carga negativa) sino que el anillo de nicotinamida se encuentra en su forma oxidada con una carga positiva en N.

Porción nicotinamida NAD+ Ion hidruro (2 e- + 1 protón)

NADH Anillo quinonoide

Segundo protón procedente del sustrato

CADENA RESPIRATORIA  Las células mantienen reservas separadas de NADH y NADPH con potenciales redox diferentes  La razón NADPH/NADP es más alta que la razón NADH/NAD  NADH y NADPH no pueden atravesar la membrana interna, pero los electrones que transportan pueden ser lanzados indirectamente a través de ella.

CADENA RESPIRATORIA

 Elevada relación NAD/NADH, favorece la transferencia de un ion hidruro hacia el NAD para formar NADH. (Oxidaciones en reacciones catabólicas) Oxidaciones = mitocondria  Elevada relación NADPH/NADP, favorece la transferencia de hidruro desde el NADPH a un sustrato (Reducciones en reacciones anabólicas) Reducciones en citosol  Pools (reservas) en compartimentos distintos

CADENA RESPIRATORIA

 Concentración de NAD+NADH de aproximadamente 10-5 M  Concentración de NADP+NADPH de aproximadamente 10-6 M Formación de Transferencia NADH NADPH NAD NAD se utiliza en oxidaciones NADH (catabolismo) Pool de NAD en mitocondria, Se favorece la de piruvato, formación de NADH oxidación ácidos grasos, etc.

NADP

de H a un sustrato

NADPH se utiliza en reducciones (anabolismo) Pool de NADH en citosol (p. ej. síntesis de ac. grasos

CADENA RESPIRATORIA

 FMN (flavina mononucleótido) y FAD (flavina adenina dinucleótido) son coenzimas (grupos prostéticos) fuertemente unidos a las flavoproteínas  Sus formas completamente reducidas son FMNH2 y FADH2

CADENA RESPIRATORIA  Formada por cuatro complejos: tres bombas de protones y una conexión física con el ciclo del ácido cítrico  NADH-Q oxidorreductasa  Q-citocromo c oxidorreductasa  Citocromo c oxidasa  El flujo de electrones entre estos dos complejos transmembranales induce el transporte de protones a través de la membrana interna mitocondrial

CADENA RESPIRATORIA

 Cuarto complejo: succinato-Q reductasa. Contiene la succinato deshidrogenasa, que genera FADH2 en el ciclo de Krebs

CADENA RESPIRATORIA

 Los electrones del FADH2 entran en la cadena de transporte en la Q-citocromo oxidorreductasa  La succinato-Q reductasa NO bombea protones

CADENA RESPIRATORIA

   

NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I) Succinato-Q reductasa (Complejo II) Q-citocromo c oxidorreductasa (Complejo III) Citocromo c oxidasa (Complejo IV)

R E S P I R A S O M A

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA  Los electrones se trasladan de un complejo hasta el siguiente mediante dos transportadores: la coenzima Q (ubiquinona). Es hidrofóbica, difunde con gran rapidez en el interior de la membrana interna  Los electrones se transfieren desde la NADH-Q oxidorreductasa hacia la Q-citocromo c oxidorreductasa, el segundo complejo de la cadena, mediante la forma reducida de Q

CADENA RESPIRATORIA  Los electrones del FADH2 generados por el ciclo del ácido cítrico se transfieren primero a la ubiquinona y posteriormente al complejo Q-citocromo c oxidorreductasa  La ubiquinona puede estar en tres estados de oxidación: totalmente oxidado (Q), semiquinona (QH.) que puede perder un protón para formar el radical aniónico de la semiquinona (Q.-) y el ubiquinol (QH2) que es la forma reducida

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA

 El segundo transportador electrónico es una proteína: el citocromo c, proteína pequeña y soluble que traslada electrones desde la Q-citocromo c oxidorreductasa a la citocromo c oxidasa, el componente final de la cadena que cataliza la reducción del O2

Alimentadores de la vía y puntos de entrada

CADENA RESPIRATORIA

Reacción catalizada por la NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I ó NADH deshidrogenasa) NADH + Q + 5 H+matriz  NAD+ + QH2 + 4 H+citoplasma

CADENA RESPIRATORIA

Reacción catalizada por la Q-citocromo c oxidorreductasa (Complejo III o citocromo reductasa) QH2 + 2 Cit cox+ 2 H+matriz  Q + 2 Cit cred + 4 H+citoplasma (Ciclo Q resumido; el citocromo c sólo acepta un e-)

CADENA RESPIRATORIA

Citocromo c oxidasa (Complejo IV) O2 + 4 Cit cred + 8 H+matriz  2 H2O + 4 Cit cox + 4 H+citoplasma Transferencia de electrones desde la forma reducida del citocromo c al aceptor final, el oxígeno molecular

CADENA RESPIRATORIA

La necesidad de oxígeno para esta reacción, es lo que hace “aeróbicos” a los organismos del mismo nombre

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA La transferencia de cuatro electrones da lugar a dos moléculas de H2O, pero la reducción parcial origina compuestos peligrosos; la transferencia de un único electrón al O2 genera el anión superóxido y la transferencia de dos electrones origina el peróxido e-

e-

O2  O2.-  O22Anión superóxido

Peróxido

CADENA RESPIRATORIA  Además del anión superóxido y peróxido, se puede generar OH.. Colectivamente se denomina especies reactivas del oxígeno (ROS, reactive oxigen species) a éstas entidades químicas  El daño oxidativo causado por ROS está implicado en el proceso de envejecimiento y otras enfermedades

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA

CADENA RESPIRATORIA

Superóxido dismutasa

2O2.- + 2H+ < -- > O2 + H2O2 Catalasa

2 H2O2 < -- > O2 + 2 H2O

LANZADERA DE GLICEROL 3-FOSFATO  Se utiliza para reoxidar el NADH citoplasmático a NAD en condiciones aeróbicas  El NADH no puede introducirse a las mitocondrias para oxidarse (impermeabilidad de la membrana) por lo que son los e- los que atraviesan la membrana  Se gasta una molécula de ATP por cada dos electrones  Forma 1. 5 moléculas de ATP y no 2.5  Esto es porque el aceptor de electrones es el FAD y no el NAD  Abundante en músculo

LANZADERA DE MALATO-ASPARTATO  Se da en corazón e hígado  Participan dos transportadores de membrana y cuatro enzimas  Los electrones se transfieren del NADH del citoplasma al oxalacetato, formando malato  El malato atraviesa la membrana interna intercambiándose por α-cetoglutarato  El α-cetoglutarato se reoxida por NAD de la matriz y genera NADH (malato deshidrogenasa)  El oxalacetato no puede atravesar directamente la membrana interna mitocondrial por lo que hay una transaminación y se forma aspartato  El aspartato se transporta hacia el citoplasma intercambiándose por glutamato  El glutamato cede un grupo amino al oxalacetato formando aspartato y alfacetoglutarato  En citoplasma el aspartato se desamina y forma oxalacetato y comienza el ciclo nuevamente

CADENA RESPIRATORIA Inhibidores

NaN3

CADENA RESPIRATORIA Alteraciones  LHON: Neuropatía óptica hereditaria de Leber. Afecta al SNC incluidos nervios ópticos con pérdida de visión bilateral al principio de la adolescencia. Alteración de codificación del Complejo I, defecto parcial en la transferencia de electrones desde el NADH a la ubiquinona. No se suministra suficiente ATP para mantener el metabolismo neuronal. Lesión del nervio óptico y posterior ceguera.

CADENA RESPIRATORIA Alteraciones  MELAS: Miopatía mitocondrial, encefalomielopatía, acidosis láctica y episodios tipo accidente vascular cerebral. Enfermedad neurodegenerativa progresiva caracterizada por episodios de ictus (similares a accidente vascular cerebral) que comienzan entre los 5 y 15 años de edad y una miopatía mitocondrial. Se deriva de mutaciones en el RNA de transferencia.

CADENA RESPIRATORIA Alteraciones  MILS: Síndrome de Leigh por transmisión materna. Enfermedad de Leigh (encefalopatía necrosante subaguda). Tiene una edad media de inicio entre los 1.5 a los 5 años; las manifestaciones clínicas incluyen atrofia óptica, oftalmoplejía, nistagmus, trastornos respiratorios, ataxia, hipotonía, epasticidad y demora o regresión del desarrollo. Se debe a mutaciones en las subunidades Fo o FoF1 ATPasa o bien del complejo piruvato-deshidrogenasa (diverso)

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  Una maquinaria molecular de la membrana interna mitocondrial lleva a cabo la síntesis de ATP  Se denominó ATPasa mitocondrial o F1F0-ATPasa pues fue descubierta hidrolizando ATP  Su nombre más aceptado es ATP sintasa  También se denomina complejo V  1961, Peter Mitchell propone la teoría quimiosmótica  Se utiliza un gradiente de protones a través de la membrana interna mitocondrial

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  En éste modelo (quimiosmótico) la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria provoca el bombeo de protones desde el lado de la matriz hacia el lado citoplasmático de la membrana interna mitocondrial  La concentración de H+ en la matriz disminuye y se genera un campo eléctrico negativo en este compartimento  Los protones fluyen de vuelta a la matriz para igualar la distribución

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  La distribución desigual, rica en energía, de protones, se conoce como fuerza protón-motriz  Está compuesta por dos componentes: un gradiente químico y un gradiente de carga  El gradiente químico para los protones se puede representar como un gradiente de pH  La cadena respiratoria y la ATP sintasa son dos sistemas bioquímicos distintos, conectados únicamente por la fuerza protón-motriz

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  El transporte de electrones genera una fuerza protónmotriz  La síntesis de ATP por la ATP sintasa puede generarse mediante una fuerza protón-motriz  La ATP sintasa es una enzima grande, con una subunidad F0 insertada en la membrana interna mitocondrial. Contiene el canal de protones  La subunidad F1 se proyecta hacia la matriz mitocondrial, posee la actividad catalítica de la sintasa

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA  El flujo de protones a través de la ATP sintasa, provoca la liberación del ATP fuertemente unido  El ATP no abandona el centro catalítico de la ATP sintasa a menos que exista un flujo de protones a través del enzima  El papel del gradiente de protones no es la formación del ATP sino su liberación de la sintasa

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Balance energético FINAL

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA CONTROL RESPIRATORIO  Debido a que el ATP es el producto final de la respiración celular, las necesidades celulares de ATP son el determinante final de la velocidad de las rutas respiratorias y sus componentes  Los electrones no suelen desplazarse a lo largo de la cadena transportadora de electrones hasta el O2 a menos que al mismo tiempo el ADP se fosforile para formar ATP

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA CONTROL RESPIRATORIO  Cuando la concentración de ADP aumenta, como ocurre en el músculo activo, la velocidad de la fosforilación oxidativa se incrementa para cubrir las necesidades de ATP del músculo  La regulación de la velocidad de la fosforilación oxidativa por el nivel de ADP se conoce como control respiratorio o control por medio del aceptor  En el músculo en reposo no se consume el NADH y el FADH2 por lo que el ciclo de Krebs se hace más lento pues hay menos NAD y FAD para alimentar el ciclo

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA CONTROL RESPIRATORIO  Cuando la concentración de ADP aumenta, como ocurre en el músculo activo, la velocidad de la fosforilación oxidativa se incrementa para cubrir las necesidades de ATP del músculo  La regulación de la velocidad de la fosforilación oxidativa por el nivel de ADP se conoce como control respiratorio o control por medio del aceptor  En el músculo en reposo no se consume el NADH y el FADH2 por lo que el ciclo de Krebs se hace más lento pues hay menos NAD y FAD para alimentar el ciclo

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA INHIBICIÓN DE LA ATP sintasa OLIGOMICINA: Antibiótico utilizado como agente antifúngico. Evita la entrada de protones a través de la ATP sintasa. (Componente F0, bloquea el canal) Se produce por Streptomyces VENTURICIDIN A: Inhibe F0

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA DESACOPLANTES 2,4-Dinitrofenol: (DNP) Transporta protones a través de la membrana interna mitocondrial, a favor de su gradiente de concentración. Sí ocurre el transporte de electrones desde el NADH al O2 pero no se forma ATP debido a la ausencia de la fuerza protón-motriz (ésta se disipa continuamente). Ante su consumo, se consumen grandes cantidades de combustible, pero no se forma energía en forma de ATP

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA DESACOPLANTES 2,4-Dinitrofenol: Se utiliza como componente activo en herbicidas y fungicidas. Algunas personas lo consumen como fármaco para perder peso. (Prohibido por la FDA en 1938) Termogenina*

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ATRACTILÓSIDO  Glicósido vegetal. Se une a la translocasa cuando su centro de unión a nucleótidos se orienta hacia el citoplasma.  Xantium spp. (Abrojo), Cestrum parqui (Duraznillo negro o Palque), sunchillo o yuyo sapo (Wedelia glauca, clavel amarillo)

ESTRÉS OXIDATIVO

 Cuando el O2 acepta electrones desapareados, se transforma en radicales de oxígeno, altamente reactivos  Los radicales de oxígeno dañan lípidos, proteínas y DNA celulares  El daño provocado por los radicales de oxígeno reactivos, contribuyen a la muerte y degeneración de las células

Si la vida te da glucosas…

…¡haz piruvatos!

ESTRÉS OXIDATIVO  Los radicales (libres, es incorrecto) son compuestos que contienen un electrón desapareado, casi siempre en el orbital externo  El oxígeno es birradical, es decir, una molécula con dos electrones no apareados en orbitales separados  Las especies reactivas de oxígeno (ERO) o ROS, (reactive oxigen species) son: Radical superóxido (O2-) Radical hidroxilo (OH.) Peróxido H2O2

ESTRÉS OXIDATIVO Radical superóxido (O2-): Producido por la cadena transportadora de electrones y otros sitios. No difunde a mucha distancia del sitio de origen. Genera otras ERO Radical hidroxilo (OH.): Es la especie más reactiva para atacar las moléculas biológicas. Se produce a partir de H2O2 en la reacción de Fenton en presencia de Fe2+ o Cu+ Peróxido H2O2 (No radical): Puede general radicales reaccionando con un metal de transición (p. ej. Fe). Puede difundir por todas las membranas celulares

ESTRÉS OXIDATIVO

 Las especies reactivas de nitrógeno son: Radical dióxido de nitrógeno (NO2-) Óxido nítrico (NO.) Peroxinitrito (ONOO-) (No radical)

ESTRÉS OXIDATIVO Radical dióxido de nitrógeno (NO2-): Potente oxidante que reacciona con diversas moléculas Óxido nítrico (NO.): De origen endógeno producido por la óxido nítrico sintasa. Se une con iones metálicos. Se combina con O2 u otros radicales con oxígeno para producir ERNO adicionales Peroxinitrito (ONOO-) (No radical): Agente oxidante potente. Puede general dióxido de nitrógeno (NO2.)

ESTRÉS OXIDATIVO

 El estrés oxidativo se produce cuando la velocidad de producción de los ERO y ERNO rebasa el ritmo de su eliminación mediante los mecanismos de defensa celular

ESTRÉS OXIDATIVO Protección

Superóxido dismutasa

2O2.- + 2H+ < -- > O2 + H2O2 Catalasa

2 H2O2 < -- > O2 + 2 H2O

ESTRÉS OXIDATIVO Protección

REACCIÓN DE FENTON * Fe2+ + H2O2  Fe3+ + .OH + OHEl Fe proviene de la aconitasa, una enzima con Fe y S en su estructura y sobre la cual actúa el superóxido

*

ESTRÉS OXIDATIVO Diabetes

ESTRÉS OXIDATIVO Envejecimiento

 La teoría del envejecimiento por los radicales libres (FRTA, free radical theory of aging) considera el envejecimiento como el resultado de la acumulación de lesiones oxidativas en biomoléculas: ADN, ARN, proteínas, lípidos y glucoconjugados.

ESTRÉS OXIDATIVO Enfermedades neurológicas  En algunas enfermedades relacionadas con mutaciones mitocondriales, el estrés oxidativo aumenta debido al suministro continuo de electrones desde el NADH en el afán de producir ATP, aumenta la producción de ROS y las lesiones causadas por éstos a las mitocondrias establecen un círculo vicioso

RADICALES LIBRES Y FAGOCITOSIS  El macrófago inicia una secuencia de reacciones que producen ROS durante el incremento brusco del consumo de oxígeno que acompaña a la fagocitosis. Cl-

NADPH + O2



NADPH oxidasa

O2.-



Superóxido dismutasa

H2O2



HOCl

Mieloperoxidasa

Oxidación de lípidos, proteínas y ADN microbianos

ÓXIDO NÍTRICO (NO)  Importante mensajero  Estimula la biogénesis mitocondrial  Se forma a partir de la arginina mediante la óxido nítrico sintasa con requerimiento de NADPH y oxígeno  Se une y activa la guanilato ciclasa, enzima importante en los procesos de transducción de señales

ÓXIDO NÍTRICO (NO)

VITAMINAS E Y C COMO PROTECTORAS DEL ESTRÉS OXIDATIVO  La vitamina E es lipofílica por lo que se asocia con membranas celulares, depósitos lipídicos y lipoproteínas, evita la peroxidación de lípidos de membrana.  Su anillo aromático reacciona con las formas más reactivas de los radicales de oxígeno protegiendo así de la oxidación a los ácidos grasos insaturados

VITAMINAS E Y C COMO PROTECTORAS DEL ESTRÉS OXIDATIVO

VITAMINA E

Protege también contra los ROS (En plantas)

VITAMINAS E Y C COMO PROTECTORAS DEL ESTRÉS OXIDATIVO  La vitamina C se oxida a ácido deshidroascórbico para regresar a su forma original a la prolilhidroxilasa (una deshidrogenasa que requiere Fe2+ para activar el O2 que va a hidroxilar a los residuos de prolina que forman al colágeno)

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Las hormonas son moléculas pequeñas o proteínas que se producen en un tejido, se liberan a la circulación y se transportan a otros tejidos en donde actúan a través de receptores para desencadenar cambios en las actividades celulares  Coordinan las actividades metabólicas de varios órganos

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Señalización: En la señalización hormonal, los mensajeros son las hormonas y se transportan por la sangre hasta células próximas o a órganos y tejidos distantes (endócrinas: se liberan a la sangre y actúan a distancia, p. ej. Insulina y glucagón; paracrinas: se liberan al espacio extracelular y actúan sobre células vecinas; autocrinas: afectan a la misma célula que las libera y se unen a receptores de la superficie celular)

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Receptor: Están presentes en las células diana sensibles a las hormonas, a los que éstas se unen con elevada afinidad. Cada tipo celular tiene su propio surtido de receptores hormonales. Dos tipos celulares con el mismo tipo de receptor pueden tener distintas dianas intracelulares de acción hormonal y por lo tanto responden de manera diferente a la misma hormona. La elevada afinidad permite que las células respondan a concentraciones muy bajas de hormona

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Regulación (espacio-tiempo): La desactivación hormonal tiene lugar por su posterior metabolismo (proteólisis, hidroxilación, conjugación y excreción). La degradación puede ocurrir en plasma, en órganos como el hígado o en tejidos diana después de la internalización de la hormona. La tasa de aclaramiento de las hormonas varía desde minutos (como la insulina), hasta horas (esteroides) y días (tiroxina)

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Transducción de señal: Es la cadena de eventos que convierten el estímulo hormonal en una respuesta fisiológica final. Generalmente consta de varios componentes y ramificaciones  Efectores: Son aquellos componentes celulares (bombas, enzimas y factores de transcripción de genes que controlan vías metabólicas y las membranas celulares con cambios de permeabilidad) que se activan o inhiben para llevar a cabo un cambio celular

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN  Mecanismos efectores: 1. Segundo mensajero (cAMP, cGMP o inositol trisfosfato) Actúa como regulador alostérico 2. Un receptor tirosina quinasa es activado por la hormona extracelular 3. Un cambio de potencial de membrana producido por la apertura o el cierre de un canal iónico regulado por hormonas 4. Un receptor de adhesión en la superficie celular interacciona con moléculas de la matriz extracelular mandando información al citoesqueleto 5. Una molécula esteroide produce un cambio en el nivel de expresión (transcripción de DNA en mRNA) de uno o varios genes, facilitado por un receptor hormonal nuclear protéico

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN  Cascadas de amplificación: Cada

receptor (de hormona) activado, puede generar muchos segundos mensajeros, dando lugar a una gran señal. (Cascada de amplificación). La interacción de la hormona con su receptor aumenta la velocidad de producción de cAMP en el interior de la célula a través de una cadena de activación de varias enzimas que incluyen la activación de la adenilato ciclasa por la proteína G

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

 Además del cAMP, la cascada de los fosfoinosítidos convierte señales extracelulares en intracelulares en la cual está involucrada la fosfolipasa C y el calcio  Fosforilación: Proteín-cinasas pueden fosforilar diversas moléculas las cuales pueden amplificar en pasos secuenciales la transducción

SEÑALIZACIÓN HORMONAL Y REGULACIÓN

Receptor

SEGUNDO

Q.B.P. Juan Luis Páez Buendía