Tema 10 Metabolisme Intermediari, Procesos oxidatius PDF

Tema 10. Metabolisme Intermediari, Procesos oxidatius. Cicle dels àcids tricarboxilics (cicle de Krebs) reaccions, rendiment, regulació, reaccions anapletòriques, caràcter amfibòlic. Cadena respiratòria mitocondrial; complexes, transport d’electrons. Fosforilació oxidativa; concepte d’acoblament, AT...

Tema 10. Metabolisme Intermediari, Procesos oxidatius. Cicle dels àcids tricarboxilics (cicle de Krebs) reaccions, rendiment, regulació, reaccions anapletòriques, caràcter amfibòlic. Cadena respiratòria mitocondrial; complexes, transport d’electrons. Fosforilació oxidativa; concepte d’acoblament, ATPasa mitocondrial.  Metabolisme intermediari Metabolisme intermediari Oxidatiu apareix amb l’increment d’O2 a la terra i s’ha conservat en els organismes. Estromatòlits: colònies de Cianobacteris fotosintètiques incrementen els nivells d’O2 i aparició del Metabolisme oxidatiu Aparició de les cèl·lules Eucariotes incrementen de nou l’O2 atmosfèric. Aparició de les Algues comporta l’increment exponencial d’O2  Metabolisme intermediari Oxidatiu O2 Biomolècules à CO2 + H2O + ENERGIA  Metabolisme Oxidatiu Catabolisme aeròbic La major part d’ATP es genera per oxidació de Matèria Orgànica a CO2 i H2O (respiració cel·lular) Macromolècules Es produeix en 3 fases: s’oxiden a AcetilCoA (2C) Fase 1: Els combustibles (AA, lípids, glúcids) s’oxiden a compostos de 2 C (AcetilCoA). CICLE DE KREBS AcetilCoA (2C) Fase 2: AcetilCoA s’oxida fins a CO2 (cicle de Krebs) s’oxida a CO2 + ATP i e- acceptats pel NAD+ i el FAD+ (transportadors NADH i FADH2 d’electrons). Fase 3: Els transportadors electrònics cedeixen els electrons a l’O2 i el redueixen a H2O. CADENA TRANSPORT ELECTRÒNIC El transport d’electrons és un procés molt i FOSFORILACIÓ exergònic l’energia permet mitjançant les bombes OXIDATIVA de H+ formar un gradient de H+ que generarà ATP. Generació d’ATP Fosforilació oxidativa.  Formació d’AcetilCoA El producte de la Glicòlisi és el piruvat. El Piruvat cal que es transformi en AcetilCoA per poder entrar en el CK. AAGG i AA generen directament AcetilCoA o bé compostos que entren directament al CK.  Conversió del piruvat a AcetilCoA Piruvat és el producte final del catabolisme dels sucres (via principal d’obtenció d’energia). Reacció Exergònica i Irreversible Reacció que te lloc en dos fases i catalitzada per un complex enzimàtic, el Complex de la Piruvat deshidrogenasa (Piruvat DH) A més a més hi participen el NAD+ , FAD+, Tiamina Pirofosfat (TPP) vitB1 i el CoA-SH Complex de la Piruvat DH Piruvat DH forma un complex format per tres Enzims: 1. E1 Piruvat deshidrogenada 2. E2 Dihidrolipoil Transacetilasa 3. E3 Dihidrolipoil Deshidrogenasa  Beri-beri Beri-beri (no Puc) Molt comú al segle XIX a l’Àsia degut a la dieta d’arròs sense la coberta que és on hi ha la vit B1. Problemes de degradació dels BCAA, en el Cicle de les pentoses Fosfat i del pas de piruvat a AcetilCoA  AcetilCoA AcetilCoA que és un compost comú de 2 C de degradació d’AA, lípids i Glucosa a partir del piruvat Coenzim A: el CoA transporta l’Acetil Complex AcetilCoA és un compost d’elevada energia ∆G’˚ = -31,5 KJ/mol i per tant cedeix amb facilitat el compost Acetil (que te 2C) al CdK Cicle de Krebs  Cicle de Krebs El Cicle de Krebs o Cicle de l’àcid cítric o Cicle dels àcids tricarboxílics Ruta metabòlica on convergeixen tots els combustibles metabòlics en tots els organismes aerobis. Es una via AMFIBÒLICA ja que intervé tant en el Catabolisme com en l’Anabolisme. Es produeix a la matriu mitocondrial Catabolisme: oxida l’Acetil CoA (monosacàrids, àcids grassos, AA) a CO2 + Energia (en forma de poder reductor NADH i FADH2 que a la cadena transport electrònic formaran ATP) Anabolisme: proporciona intermediaris per a altres vies metabòliques (biosintètiques). Sir Adolf Krebs 1900-1981 Nobel al 1953  Cicle de Krebs Cicle de Krebs: oxida l’Acetil de forma controlada en 8 reaccions cícliques que regeneren la primera molècula el Citrat L’oxidació de l’AcetilCoA aporta Energia que utilitza per la formació d’ATP, mitjançant transportadors reduïts que aniran a les cadenes respiratòries.  Reaccions del Cicle de Krebs 1. Condensació. Formació del citrat (Citrat sintasa) Irreversible. Punt de Control O H2O CoA-SH CH2 C O O CH3 C O C COO HO C COO citrate S-CoA CH2 COO synthase CH2 COO Acetyl-CoA Oxaloacetate Citrate G  32.2 kJ/mol 2a + 2b. Deshidratació/Hidratació; Isomerització a Isocitrat (aconitasa) ∆G’˚>0, però el consum extremadament ràpid de l’isocitrat permet que la reacció es produeixi. CH2 COO CH2 COO H2O CH2 COO H 2O H C COO HO C COO C COO HO C H aconitase aconitase H C COO C COO COO H H Isocitrate Citrate cis-Aconitate 66 kJ/mol G  13.3  Reaccions del Cicle de Krebs 3. Descarboxilació oxidativa Oxidació del Isocitrat (isocitrat deshidrogenasa). Punt de control Isocitrat s’oxida a α-cetoglutarat, els e- són recollits pel NAD+ formant NADH+H+ pèrdua del primer C en forma de CO2 4. Descarboxilació oxidativa; Irreversible. Punt de control Oxidació del α-cetoglutarat a Succinil-CoA (α-cetoglutarat DH). De nou els e- són recollits pel NAD+ formant NADH+H+ pèrdua del segon C en forma de CO2 CoA-SH CH2 COO NAD CH2 COO NADH CH2 CH2  CO2 C O -ketoglutarate C S-CoA dehydrogenase complex COO O -Ketoglutarate Succinyl-CoA G  33.5 kJ/mol Arribat a aquest punt del cicle ja hem oxidat 2 C (els que han entrat al cicle en forma d’AcetilCoA) i s’han produït 2 molècules de CO2  Reaccions del Cicle de Krebs A partir d’aquest punt les reaccions tenen com a objectiu la Formació de l’oxalacetat que permetrà la regeneració del Citrat. A la resta del cicle el Succinil-CoA és regenerat per aconseguir la molècula d’oxalacetat que és necessari per produir o condensar un grup acetil i formar citrat per tal que es pugui tornar a començar el cicle. Acetyl-CoA Citrate Oxaloacetate Isocitrate NADH Citric CO2 NADH acid Malate cycle α -Ketoglutarate CO2 Fumarate NADH Succinyl-CoA FADH2 Succinate GTP (ATP)  Reaccions del Cicle de Krebs 5. Fosforilació a nivell de Substrat; Pas del Succinil-CoA a Succinat (Succinil-CoA Sintetasa) L’Energia de la hidròlisi del CoA permet produir GTP (semblant al ATP) El GTP transfereix el seu grup P a ADP a ATP (fosforilació a nivell de Substrat) Única reacció que dóna ATP directament en el CK CH2 COO COO GDP  Pi GTP CoA-SH CH2 CH2 C S-CoA succinyl-CoA CH2 synthetase O COO Succinyl-CoA Succinate G  2.9 kJ/mol  Reaccions del Cicle de Krebs 6. Oxidació de Succinat a Fumarat. Succinat DH és una proteïna de membrana ancorada a la membrana Interna de la mitocondria. Es genera FADH2 COO FAD FAD H2 H COO CH2 C CH2 succinate C dehydrogenase OOC  H COO Succinate Fumarate G  0 kJ/mol 7. Hidratació. Pas de Fumarat a L-Malat (Fumarasa) G  3.8 kJ/mol  Reaccions del Cicle de Krebs 8. Oxidació L-Malat a Oxalacetat (Malat DH). Regeneració de l’Oxalacetat COO NAD NADH  H COO HO C H O C CH2 CH2 malate COO dehydrogenase COO L-Malate Oxaloacetate G  29.7 kJ/mol Reacció molt endergònica però te lloc per la reacció de condensació que es molt exergònica i consumeix molt ràpidament l’oxalacetat. O H2O CoA-SH CH2 C O O CH3 C O C COO HO C COO citrate S-CoA CH2 COO synthase CH2 COO Acetyl-CoA Oxaloacetate Citrate G  32.2 kJ/mol  Reaccions del Cicle de Krebs Clicle de Krebs  Altres usos del Cicle de Krebs Al(OH)3 en terrenys àcids es converteix en Al3+ que és tòxic per a les plantes Plantes resistents al Al3+ produeixen en les arrels més Citrat i Malat que alliberen al medi atrapant l’ Al3+ i permeten a les plantes créixer en aquets medis. Es treballa en plantes transgèniques per fer les plantes sensibles com el blat de moro resistents al Al3+  Balanç del Cicle de Krebs ΔGº’= -57,5 kJ/mol Resultat del cicle de Krebs per molècula d’AcetilCoA AcetilCoA + 3NAD+ + FAD+ + GDP à 2CO2 + CoA-SH + 3 NADH+3H++FADH2 + GTP Per cada NADH++H+ es generen 2,5 ATP Per cada FADH2 es generen 1,5 ATP AcetilCoA à 3 NADH++H+ + 1 FADH2 + 1 GTP 3 NADH+H+ x 2,5 ATP à 7,5 ATP 1 FADH2 X 1,5 ATP à 1,5 ATP 1 GTP = 1 ATP TOTAL 10 ATP per molècula d’AcetilCoA Cicle de Kreps SEMPRE en Condicions aeròbies: sense O2 la cadena de transport electrònic no funciona, els transportadors no poden cedir electrons i s’inhibeix el funcionament del cicle de Krebs.  Balanç Oxidació complerta Glucosa Balança de l’oxidació d’una molècula de Glucosa. Anaeròbic: 2 ATP Aeròbic: 32 ATP 10 NADH+H+ x 2,5 ATP à 25 ATP 2 FADH2 X 1,5 ATP à 3 ATP Glicòlisi 2 ATP CK 2 ATP 28ATP 32ATP  CK en l’ANABOLISME El CK té Naturalesa amfibòlica: Els principals intermediaris del CK que juguen un paper en l’anabolisme són: 1. Oxalacetat: Generació d’AA i Glucosa Gluconeogènesi a partir de PEP 2. 𝛂𝛂-cetoglutarat: Àcid Glutàmic i altres AA 3. Citrat: Síntesi d’àcids grassos 4. SuccinilCoA: síntesi de porfirines que donaran lloc als grups Hemo del citocrom i l’Hb. Reaccions anapleròtiques Aquestes reaccions restitueixen alguns intermediaris del CdK que s’usen en l’anabolisme a partir d’altres biomolècules per mantenir un nivell constant d’aquests intermediaris (fletxes vermelles). La principal reacció anapleròtica és la que permet la conversió de Piruvat en oxalacetat catalitzada per la Piruvat carboxilasa 3 1 2 4  Regulació del cicle de Krebs Regulació del cicle de Krebs La regulació es produeix a dos nivells 1. Disponibilitat de l’AcetilCoA 2. Modulació enzims clau  Regulació del cicle de Krebs 1. Disponibilitat de l’AcetilCoA. AcetilCoA te dos fonts: a) Piruvat: reacció catalitzada per la Piruvat DH Piruvat DH està regulada: Activada: AMP, CoA, NAD+ Inhibida: AcetilCoA, ATP, NADH i àcids grassos b) Directament per la beta oxidació dels Àcids grassos. 2. Modulació enzims clau de les reaccions irreversibles a) Citrat sintasa Activadors: ADP Inhibidors: ATP, Succinil-CoA, Citrat i NADH b) Isocitrat DH Activadors: ADP Inhibidors: ATP c) 𝛂𝛂-cetoglutarat DH Activadors: Calci Inhibició: SuccinilCoA i per NADH  Cadenes Respiratòries El NADH i FADH2 generat en la Glicòlisi i el CK s’oxiden a les cadenes respiratòries transferint els e- a O2. NADH, FADH2 (reduced e carriers) Stage 3 Electron transfer and oxidative e phosphorylation 2H+ + 12 O2 Respiratory (electron-transfer) chain H2O ADP + Pi ATP  Cadenes Respiratòries Transport electrònic Transferència de H+ i e- des dels Coenzims reduïts (NADH i FADH) fins l’O2 (reaccions redox). Això es fa d’una manera espontània. Processos Exergònics. Tots els transportadors es troben a la membrana mitocondrial interna. Seqüència dels transportadors: 4 complexos (components proteics units a un grup prostètic) i un 5é complex format per la ATP sintasa. Característiques del complex: Poden difondre lateralment en la membrana passant l’energia d’un transportant a un altre. Cadenes Respiratòries  Complex I Complex I o NADH Ubiquinona Reductasaà transportador d’e- des del NADH2 (reduït) a la Q Ubiquinona catalitzat per la FMN. L’energia bombeja 4H+ a l’espai intermembrana 4H+ Complex I Intermembrane space (P side) Q 2e– N-2 QH2 Fe-S Matrix FMN Matrix (N side) arm 2e– 2H+ Membrane FMN mononucleòtid de arm flavina Fe-S sulfur de Ferro NADH NAD+  H+ N-2 Proteïna Sulfur Q Ubiquinona o CoQ  Complex II Complex II o Complex Succinat DH: catalitza la reacció de succinat a fumarat i és un Enzim que es troba unit a la membrana interna de la mitocòndria. Forma part del Cicle de Krebs El FAD es troba acoblat a l’enzim formant el grup prostètic El coenzim Q recull els e- (Q a QH2) dels complexos I i II i els transporta al complex III. Coenzim Q  Complex III Complex III à transporta els electrons del Coenzim Q al Citocrom c Complex III està format per Cit b, Fe-S i Cit c1 tres subunitats proteiques. El Coenzim Q transporta 2e- mentre que el Cit c en transporta només 1e-. Per acoblar aquesta reacció es porta a terme dos cicles anomenats Cicle Q: 1. Oxidació del primer QH2. El Coenzim reduït (QH2) passa un e- a Fe-S i un altre al Cit b que permet la reducció parcial d’un altre Q, ·Q- 2. Oxidació del segon QH2. El Coenzim reduït (QH2) passa un e- a Fe-S i un altre al Cit b que permet la reducció total del coenzim parcialment reduït ·Q-, QH2 El resultat net de fer funcionar el cicle Q és que l’Ubiquinona o CoQ és oxidat i els e- són transferits a 2 Cit c a través del Cit c1. El complex III en tot el cicle Q està funcionant com a bomba de H+à transporta en total 4 H+ de la matriu fins l’espai intermembra, 2 per cada cicle.  Complex IV Complex IVà transfereix els e- des del Cit c fins a l’O2. El transport d’e- de 4 Cit c són transferits a l’O2 formant 2 molècules d’H2O. L’energia permet bombejar 4H+ a l’espai intermembrana.  Balanç Total Balanç Quan una molècula de NADH+H+ cedeix e- a la cadena de transport electrònic hi ha un flux de 10H+ des de la matriu a l’espai intermembrana. NADH + H+ + ½ O2 à NAD+ + H2O NADH + 11H+N + ½ O2 à NAD+ + 11H+P + H2O(à 10H+) :: 2,5 ATP FADH2 + ½ O2 à FAD+ + H2O FADH2 + 6H+N ½ O2 à FAD+ + 6H+P + H2O (à 6H+) :: 1,5 ATP Intermembrane space (P side) 2H+ 4H+ 4H+ 10 H+ Cyt c Q III IV I II 1 2H+ 2 O2 + – H2O NADH + H+ NAD+ Succinate Fumarate Matrix (N side) video  Molts verins bloquegen les cadenes respiratòries Rotenona: Bloqueja el Complex I usat com a herbicida. Tephrosia Cianur: Complex IV Oligomicina: Antibiòtic produït per bacteris altament tòxic. ATP sintetasa  Síntesi d’ATP Fosforilació Oxidativa: els protons bombejats són utlitzats com a força per generar ATP Els H+ més concentrats a l’espai intermembrana entren per la diferència de grandient electroquímic 6H+ 4H+  Fosforilació Oxidativa Fosforilació Oxidativa A les cèl·lules quimiòtrofes i en condicions aeròbies la gran majoria d’ATP es sintetitza a partir d’ADP i Pi a través de la fosforilació oxidativa (en la cadena de transport electrònic mitocondrial). Equació global de la cadena de transport electrònic, acoblament de la síntesi d’ATP al transportador electrònic. NADH + H+ + ½ O2 à NAD+ + H2O ∆G’˚ = -220 Kj/mol (Molt exergònica, afavorida) 1 NADH que es reoxida à2,5 ATP 2,5 ADP + Pi à 2,5 ATP ∆G’˚ = 125 Kj/mol (Endergònica, No afavorida). En condicions fisiològiques l’eficàcia d’acoblament és del 60%.  ATP sintasa ATP sintasa És el complex proteic encarregat de sintetitzar ATP a partir d’ADP + Pi aprofitant l’Energia que s’ha alliberat durant el procés de transport electrònic. Proteïna de membrana amb 2 subunitats (membrana interna mitocòndria) 1. Subunitat Fo, una canal central permeable als H+ que van de l’espai intermembrana a la matriu mitocondrial. 2. Subunitat F1 sintetitza ATP. ATP sintasa  Transport mitocondrial Per tal que es generi ATP cal que l’ATP sintasa tingui ADP i Pi a l’abast La membrana mitocondrial és impermeable als H+ a l’ATP i a l’ADP. Transportadors específics, per a ATP/ADP i Pi. 1. Fosfat Translocasa (Simport) transport de Pi en forma de H2PO4 (Pi i H+) cap a la matriu mitocondrial 2. Adenosina nucleòtid translocasa (transport Antiport o Antiparal·lel). ADP cap a la matriu mitocondrial ATP cap a l’espai intermembrana  Desacoblament cadenes respiratòries El greix bru, les mitocòndries tenen desacoblat la transferència d’e- de la síntesi d’ATP per generar calor. Certes plantes: Utilitzant aquest sistema fonen la neu i són les primeres en florir. Escalfen les molècules odorants (podrit) que atrauen els insectes.  Regulació del Transport electrònic Glucose Regulació del Transport electrònic i la fosforilació oxidativa hexokinase Pi La necessita d’ATP per part de la cèl·lula no és constant i aquesta Glucose 6-phosphate necessitat varia depenent de l’activitat d’aquesta o també en la fase en phosphofructokinase-1 AMP, ADP que es trobi. ATP, citrate Fructose 1,6-bisphosphate Glycolysis multistep Mitocondris fan ATP si es necessari Control al mitocondri està coordinat amb la resta de les vies que pyruvate kinase Phosphoenolpyruvate ADP subministren els transportadors de poder reductor com el NADH i el Pyruvate ATP, NADH FADH2 reduïts. pyruvate dehydrogenase complex AMP, ADP, NAD ATP, NADH Acetyl-CoA El principal factor de regulació de les cadenes respiratòries és la relació ADP citrate synthase ATP, NADH de concentració entre ADP i ATP. Citrate ADP isocitrate dehydrogenase ATP [ADP] [Pi] / [ATP] -Ketoglutarate Citric acid  -ketoglutarate cycle dehydrogenase ATP, NADH baixa à [ATP] elevat elevadaà [ATP] baixa Succinyl-CoA velocitat de les vies catabòliques multistep el transport electrònic la fosforilació oxidativa Oxaloacetate ADP, Pi 1 NADH 2 O2 Control estricte Oxidative phosphory- Respiratory chain lation NAD H2O ADP  Pi ATP