Cicle de Krebs i Metabolisme Intermediari

Metabolisme Intermediari, Processos Oxidatius

• El cicle dels àcids tricarboxílics (cicle de Krebs) inclou reaccions, rendiment, regulació i reaccions anaplerotiques. El cicle té un caràcter amfibòlic.
• La cadena respiratòria mitocondrial inclou complexes de transport d'electrons.
• La fosforilació oxidativa inclou el concepte d'acoblament i l'ATPasa mitocondrial.

Metabolisme Intermediari Oxidatiu

• El metabolisme intermediari oxidatiu va aparèixer amb l'increment d'oxigen a la Terra.
• Els estromatòlits (colònies de cianobacteris fotosintètiques) van augmentar els nivells d'oxigen.
• L'aparició de les cèl·lules eucariotes va provocar un nou augment de l'oxigen atmosfèric.
• L'aparició de les algues va impulsar l'increment exponencial d'oxigen.

Metabolisme Intermediari Oxidatiu

• Les biomolècules s'oxiden per produir diòxid de carboni, aigua i energia.

Catabolisme Aeròbic

• La major part de l'ATP es genera per l'oxidació de la matèria orgànica a diòxid de carboni i aigua (respiració cel·lular).
• El catabolisme aeròbic es divideix en tres fases.
• Fase 1: Els combustibles (aminoàcids, lípids i glúcids) s'oxiden en compostos de dos carbonis (acetil-CoA).
• Fase 2: L'acetil-CoA s'oxida fins a diòxid de carboni (cicle de Krebs) i s'accepten electrons en el NAD+ i FAD+.
• Fase 3: Els transportadors d'electrons cedeixen electrons a l'oxigen i el redueixen a aigua. Això és un procés exergònic que utilitza l'energia per formar ATP mitjançant bombes de protons. La fosforilació oxidativa és la responsable.

Formació d'Acetil-CoA

• El producte final de la glicòlisi és el piruvat.
• El piruvat es transforma en acetil-CoA abans d'entrar al cicle de Krebs.
• Els aminoàcids i els aminoàcids ramificats (AAGG i AA) produeixen directament acetil-CoA o bé compostos que entren directament al cicle de Krebs.

Conversió de Piruvat a Acetil-CoA

• El piruvat és el producte final del catabolisme dels sucres.
• La conversió de piruvat a acetil-CoA és una reacció exergònica i irreversible.
• Aquesta reacció la catalitza un complex enzimàtic, el complex de la piruvat deshidrogenasa (piruvat DH), amb la participació de NAD+, FAD+, tiamina pirofosfat (TPP) i CoA-SH.

Complex de la Piruvat DH

• El complex piruvat DH està format per tres enzims: E₁, E₂ i E₃.
• Els tres enzims junts formen un complex.

Beriberi

• La deficiència de la vitamina B₁ pot causar beriberi.
• Es una deficiència que pot causar problemes en la degradació dels aminoàcids ramificats, el cicle de les pentoses fosfat i el pas de piruvat a acetil-CoA.

Acetil-CoA

• L'acetil-CoA és un compost de dos carbonis derivat de la degradació d'aminoàcids, lípids i glucosa a partir del piruvat.
• El coenzim A transporta l'acetil al cicle de Krebs.
• L'acetil-CoA té una gran energia (> -31,5 Kj/mol) i la cedeix fàcilment al cicle de Krebs. Això permet entrar al cicle.

Cicle de Krebs

• El cicle de Krebs és una ruta metabòlica que converteix els combustibles metabòlics en diòxid de carboni i energia en organismes aeròbics.
• És una via amfibòlica, ja que intervé tant en la fase catabòlica com en l'anabòlica del metabolisme.
• El cicle té lloc a la matriu mitocondrial.
• El catabolisme oxida l'acetil-CoA (monosacàrids, àcids grassos i aminoàcids) fins a diòxid de carboni i energia en forma de poder reductor (NADH i FADH₂).
• L'anabolisme proporciona intermediaris per a altres vies metabòliques.
• El cicle funciona en una sèrie de vuit reaccions cícliques que regeneren la primera molècula (El citrat)i l'oxidació de l'acetil-CoA proporciona energia per a la formació d'ATP.

Reaccions del Cicle de Krebs

• Les reaccions del cicle de Krebs estan dividides en passos separats.
• Els passos són: Condensació, Formació del citrat; Deshidratació i Hidratació, Isomerització a isocitrat; Descarboxilació oxidativa; Descarboxilació oxidativa, Fosforilació a nivell de substrat i Oxidació del succinat a fumarat; Hidratació; Oxidació de L-Malat a oxalacetat.

Fosforilació a nivell de Substrat

• El pas del succinil-CoA a succinat (per succinat-CoA sintetasa) genera GTP (equivalents a ATP).
• La hidròlisi del coenzim A genera energia per fosforilar ADP a ATP.
• Aquesta és l'única reacció del cicle de Krebs que genera ATP directament.

Oxidació de Succinat a Fumarat

• La succinat deshidrogenasa és una proteïna de membrana ancorada a la membrana interna mitocondrial.
• Aquesta reacció produeix FADH₂.

Hidratació al Cicle de Krebs

• La hidratació del fumarat a L-malat és un pas catalitzat per la fumarasa.

Oxidació de L-Malat a Oxalacetat

• L'oxidació de L-malat a oxalacetat la catalitza la malat deshidrogenasa.
• Aquesta reacció regenera l'oxalacetat per iniciar un altre cicle.
• És una reacció molt endergònica però es produeix per la reacció favorable de condensació.

Altres Usos del Cicle de Krebs

• L'al·luminat en medis àcids es converteix en al·luminat (tóxic).
• Les plantes resistents a l'al·luminat produeixen àcids orgànics com citrats i malats que l'agafen.
• Això ajuda a fer créixer les plantes amb aquestes situacions.

Balanç del Cicle de Krebs

• Per cada molècula d'acetil-CoA: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP.
• Per cada NADH format s'obtenen 2,5 ATP
• Per cada FADH₂ format s'obtenen 1,5 ATP
• Per cada GTP format s'obté 1 ATP
• En total s'obtenen 10 ATP per molècula d'acetil-CoA

Balanç Oxidació Completa Glucosa

• L'oxidació completa d'una molècula de glucosa produeix 32 ATP en condicions aeròbiques.
• En condicions anaeròbiques produeix 2 ATP.

Cicle de Krebs en l'Anabolisme

• El cicle de Krebs intervé en la síntesi d'aminoàcids, glucosa i àcids grassos.
• Les reaccions anapleròtiques regeneren intermediaris del cicle.
• La principal reacció anapleròtica converteix piruvat en oxalacetat.

Regulació del Cicle de Krebs

• La disponibilitat d'acetil-CoA i la modulació dels enzims són dos factors clau per a la regulació.
• La disponibilitat d'acetil-CoA depèn de la disponibilitat de piruvat o de la β-oxidació d'àcids grassos.
• La modulació dels enzims afecta els passos irreversibles del cicle de Krebs.
• Les modificacions per modulació dels enzims inclouen: Citrat sintasa, Isocitrat deshidrogenasa i α-cetoglutarat deshidrogenasa.

Cadenes Respiratòries

• El NADH i FADH₂ generats en la glicòlisi i el cicle de Krebs s'oxiden a les cadenes respiratòries.
• Els electrons s'aprofiten per a la transferència a l'oxigen.

Transport Electrònic

• La transferència de protons i electrons des dels coenzims reduïts (NADH i FADH₂) a l'oxigen (O₂) és una sèrie de reaccions redox.
• Aquest procés és exergònic i espontani.
• Els transportadors estan localitzats a la membrana mitocondrial interna.
• 4 complexos i un complex final per a la sintasi d'ATP componen la cadena respiratòria mitócondrial.
• Els complexos poden difondre lateralment en la membrana i transferir energia d'un transportador a un altre.

Complex I

• El complex I oxida el NADH i el Q es transforma en QH₂.
• Bombatges de 4 protons a l'espai intermembrana.
• Inclou FMN i Fe-S.

Complex II

• El complex II oxida el succinat a fumarat i genera FADH₂.
• El coenzim Q (ubiquinona) recol·lecciona els electrons del complex I i II.
• No bombeja protons a l'espai intermembrana.

Complex III

• El complex III transporta els electrons del coenzim Q al citocrom c.
• Aquest complex produeix un cicle per transportar els electrons a dos citocròms c.
• Bombatges de 2 protons a l'espai intermembrana per cicle.

Complex IV

• El complex IV transfereix els electrons des del citocrom c a O₂, formant aigua.
• La transferència produeix l'energia per bombejar protons a l'espai intermembrana. Un total de 4 protons per cada 4 electrons.

Balanç Total

• El balanç de la cadena respiratòria mostra la producció d'ATP com una conseqüència del flux de protons mitjançant el gradient de concentració.
• Per cada NADH+H+ que passa a la cadena de transport electrònic es formen 2,5 ATP.
• Per cada FADH₂ que passa a la cadena de transport electrònic es formen 1,5 ATP.

Molts verins bloquegen les cadenes respiratòries

• Alguns exemples de verins que bloquegen les cadenes respiratòries inclouen rotenona, cianur i oligomicina.
• Rotenona: bloqueja el complex I.
• Cianur: bloqueja el complex IV.
• Oligomicina: bloqueja la síntasi d'ATP i impedeix la fosforilació oxidativa.

Síntesi d'ATP

• Els protons bombats a l'espai intermembrana estableixen un gradient electroquímic.
• Aquesta força impulsa els protons a través de l'ATP sintasa per generar ATP.

ATP sintasa

• És el lloc de síntesi d'ATP a partir d'ADP i Pi.
• Dues parts constitueixen l'ATP sintasa: la subunitat F₀ i la subunitat F₁.
• La subunitat F₀ crea el canal que transporta els protons de l'espai intermembrana a la matriu.
• La subunitat F₁ utilitza l'energia dels protons per sintetitzar ATP a partir d'ADP i Pi.

Transport Mitocondrial

• La membrana mitocondrial és impermeable als ions hidrogen.
• Hi ha transportadors específics per a ADP, ATP i Pi.
• El transportador fosfat transloca la fosforilació d'ATP.
• L'adenosina nucleòtid translocasa transporta ADP i ATP cap a la matriu mitocondrial o l'espai intermembrana.

Desacoblament de cadenes respiratòries

• El greix bru i algunes plantes utilitzen desacoblament per generar calor en comptes d'ATP.
• Aquesta alteració del flux de protons bloqueja la producció d'ATP, però permeten la producció de calor.

Regulació del Transport Electrònic

• La necessitat d'ATP varia segons l'activitat cel·lular.
• El control dels mitocondris està coordinat amb altres vies que subministren poder reductor.
• La relació de concentració d'ADP/ATP regula la velocitat del transport electrònic i la fosforilació oxidativa.

Aquest qüestionari aborda diversos aspectes del cicle de Krebs i el metabolisme intermediari, incloent la producció d'ATP, transportadors d'electrons i reaccions clau. Respon les preguntes per avaluar la teva comprensió d'aquests processos bioquímics fonamentals. Ideal per estudiants de biologia cel·lular o bioquímica.