Tema 10. Metabolisme Intermediari, Processos Oxidatius PDF

# Tema 10. Metabolisme intermediari, processos oxidatius. ## Cicle dels àcids tricarboxílics (cicle de Krebs) - reaccions - rendiment - regulació - reaccions anapletòriques - caràcter amfibòlic ## Cadena respiratòria mitocondrial; - complexes - transport d'electrons ## Fosforilació oxidativa;...

# Tema 10. Metabolisme intermediari, processos oxidatius. ## Cicle dels àcids tricarboxílics (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 $O_2$ Biomolècules → $CO_2 + H_2O + ENERGIA$ # Metabolisme Oxidatiu ## Catabolisme aeròbic - La major part d’ATP es genera per oxidació de matèria orgànica a $CO_2$ i $H_2O$ (respiració cel·lular) - Es produeix en 3 fases: - **Fase 1:** Els combustibles (AA, lípids, glúcids) s'oxiden a compostos de 2 C (AcetilCoA). - **Fase 2:** AcetilCoA s'oxida fins a $CO_2$ (Cicle de Krebs) e-acceptats pel $NAD^+$ i el $FAD^+$ (transportadors d'electrons). - **Fase 3:** Els transportadors electrònics cedeixen els electrons a l'O₂ i el redueixen a $H_2O$. - El transport d'electrons és un procés molt exergònic, l'energia permet mitjançant les bombes de H+ formar un gradient de $H^+$ que generarà 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: - **E₁ Piruvat deshidrogenada** - **E2 Dihidrolipoil Transacetilasa** - **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 - 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 $CO_2$ + 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). ## 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 $CH_3-C(=O)S-CoA + O=C(COO^-)CH_2COO^- \xrightarrow{citrate synthase} HO-C(COO^-)CH_2C(=O)CH_2COO^-$ ∆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. ### 3. Descarboxilació oxidativa - Oxidació del Isocitrat (isocitrat deshidrogenasa). Punt de control - Isocitrat s'oxida a a-cetoglutarat, els e són recollits pel $NAD^+$ formant $NADH+H^+$ pèrdua del primer C en forma de $CO_2$ $NAD(P)^+$ + Isocitrate → $NAD(P)H + H^+$ + $CO_2$ + α-Ketoglutarate ### 4. Descarboxilació oxidativa; Irreversible. Punt de control - Oxidació del a-cetoglutarat a Succinil-CoA (a-cetoglutarat DH). De nou els e¯ són recollits pel $NAD^+$ formant $NADH+H^+$ pèrdua del segon C en forma de $CO_2$ $NAD^+$ + α-Ketoglutarate → $NADH$ + $CO_2$ + 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 $CO_2$. ### 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 ### 6. Oxidació de Succinat a Fumarat. Succinat DH és una proteïna de membrana ancorada a la membrana Interna de la mitocondria. Es genera $FADH_2$ $FAD$ + Succinate → $FADH_2$ + Fumarate ∆G’° = 0 kJ/mol ### 7. Hidratació. Pas de Fumarat a L-Malat (Fumarasa) ### 8. Oxidació L-Malat a Oxalacetat (Malat DH). Regeneració de l'Oxalacetat $NAD^+$ + L-Malate → $NADH + H^+$ + 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. ## Altres usos del Cicle de Krebs - $Al(OH)_3$ en terrenys àcids es converteix en $Al^{3+}$ que és tòxic per a les plantes - Plantes resistents al $Al^{3+}$ produeixen en les arrels més Citrat i Malat que alliberen al medi atrapant l' $Al^{3+}$ 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 $Al^{3+}$ ## Balanç del Cicle de Krebs - Resultat del cicle de Krebs per molècula d'AcetilCoA AcetilCoA + 3$NAD^+$ + $FAD^+$ + GDP → 2$CO_2$ + CoA-SH + 3 NADH+3$H^+$+$FADH_2$ + GTP - Per cada $NADH^++H^+$ es generen 2,5 ATP - Per cada $FADH_2$ es generen 1,5 ATP AcetilCoA → 3 $NADH^++H^+$ + 1 $FADH_2$ + 1 GTP - 3 $NADH^++H^+$ x 2,5 ATP → 7,5 ATP - 1 $FADH_2$ x 1,5 ATP → 1,5 АТР - 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 - Balanç de l'oxidació d'una molècula de Glucosa. - Anaeròbic: 2 ATP - Aeròbic: 32 ATP - 10 $NADH^++H^+$ x 2,5 ATP → 25 ATP - 2 $FADH_2$ X 1,5 ATP → 3 ATP - Glicòlisi 2 ATP - CK 2 ATP ## CK en l'ANABOLISME - El CK té Naturalesa amfibòlica: Els principals intermediaris del CK que juguen un paper en l'anabolisme són: - **Oxalacetat:** Generació d'AA i Glucosa Gluconeogènesi a partir de PEP - **a-cetoglutarat:** Àcid Glutàmic i altres AA - **Citrat:** Síntesi d'àcids grassos - **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. ## Regulació del cicle de Krebs - Regulació del cicle de Krebs - La regulació es produeix a dos nivells: - Disponibilitat de l'AcetilCoA - Modulació enzims clau ### 1. Disponibilitat de l'AcetilCoA - AcetilCoA te dos fonts: - **Piruvat:** reacció catalitzada per la Piruvat DH - Piruvat DH està regulada: - Activada: AMP, C0A, NAD+ - Inhibida: AcetilCoA, ATP, NADH i àcids grassos - **Directament per la beta oxidació dels Àcids grassos.** ### 2. Modulació enzims clau de les reaccions irreversibles - **Citrat sintasa** - Activadors: ADP - Inhibidors: ATP, Succinil-CoA, Citrat i NADH - **Isocitrat DH** - Activadors: ADP - Inhibidors: ATP - **a-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. ## 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. ## Complex I - Complex I o NADH Ubiquinona Reductasa➔ transportador d'e des del NADH2 (reduït) a la Q Ubiquinona catalitzat per la FMN. - L'energia bombeja 4H+ a l'espai intermembrana ## 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. ## Complex III - Complex III➔ 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 là 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+➔ transporta en total 4 H+ de la matriu fins l'espai intermembra, 2 per cada cicle. ## Complex IV - Complex IV➔ 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. $NADH + H^+ + ½ O_2 → NAD^+ + H_2O$ $NADH + 11H_N^+ + ½ O_2 → NAD^+ + 11H_p^+ + H₂O(→ 10H^+)$ :: 2,5 ATP $FADH_2 + ½ O_2 → FAD^+ + H_2O$ $FADH_2 + 6H_N^+ + ½ O_2 → FAD^+ + 6H_p^+ + H₂O (→ 6H^+)$ :: 1,5 ATP ## Molts verins bloquegen les cadenes respiratòries - Rotenona: Bloqueja el Complex I usat com a herbicida. - 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 ## 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. $NADH + H^+ + ½ O_2 → NAD^+ + H₂O ΔG’° = -220 Kj/mol$ (Molt exergònica, afavorida) - 1 NADH que es reoxida →2,5 ATP - 2,5 ADP + Pi → 2,5 ATP ΔG’° = 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) - Subunitat Fo, una canal central permeable als H+ que van de l'espai intermembrana a la matriu mitocondrial. - Subunitat F1 sintetitza ATP. ## 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. - Fosfat Translocasa (Simport) transport de Pi en forma de H2PO4 (Pi i H⁺) cap a la matriu mitocondrial - 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 - Regulació del Transport electrònic i la fosforilació oxidativa - La necessita d'ATP per part de la cèl·lula no és constant i aquesta necessitat varia depenent de l'activitat d'aquesta o també en la fase en que es trobi. - Mitocondris fan ATP si es necessari - Control al mitocondri està coordinat amb la resta de les vies que subministren els transportadors de poder reductor com el NADH i el FADH2 reduïts. - El principal factor de regulació de les cadenes respiratòries és la relació de concentració entre ADP i ATP. $[ADP][Pi] / [ATP]$ baixa → [ATP] elevat elevada→ [ATP] baixa velocitat de les vies catabòliques el transport electrònic la fosforilació oxidativa Control estricte