1

II - Metabolisme intermediari Tema 8: Introducció al Metabolisme Concepte de metabolisme i ruta metabòlica. Transformacions catabòliques, anabòliques i anfibòliques. Principals rutes metabòliques. Mecanismes de control del metabolisme. Principis de Bioenergètica: Principis de la Termodinàmica i la seva aplicació als sistemes biològics. Energia lliure. L'ATP com a transportador d'energia lliure. Altres compostos amb elevat contingut energètic. Transportadors de poder reductor. Reaccions d'oxidació-reducció. Potencial redox i canvis d'energia lliure. El metabolisme són el conjunt de reaccions que es donen en l’interior de la cèl·lula. Funcions del metabolisme:

Fototròfics: obté la energia de la llum. Obtenció d’energia. Podem distingir dos tipus de metabolisme segons l’origen de l’energia: Quimiotròfics: obté la energia de la matèria orgànica.

Heteròtrofs: matèria orgànica. Convertir els nutrients en compostos senzills a partir dels quals fer els precursors de les macromolècules.

Segons la font de C podem distingir entre: Autòtrofs: a partir de CO2.

Convertir els precursors en macromolècules. Transducció a altres tipus d’energia. Organització:

Per tal de donar-se les reaccions, les endergòniques i les exergòniques han d’estar acoblades. Les agrupacions de reaccions acoblades s’anomenen vies o rutes metabòliques. Les vies que són molt exergòniques les considerem irreversibles a condicions cel·lulars. Els metabolits són els compostos primers i últims d’una via metabòlica. Els productes i substrats de la resta de reaccions que formen la via s’anomenen intermediaris metabòlics.

ADPPFructosaATPaGlumolKcalG

PFructosaPaGlumolKcalG

ADPPaGluATPaGlumolKcalG

KeqTRG

+−↔+−=∆

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−↔−=∆

+−↔+−=∆

=∆

6cos/6,3'º

66cos/4,0'º

6coscos/4'º

ln..'º

El sentit de les vies ve marcat per les reaccions que són molt exergòniques. Les velocitat de la via és sempre la de la més lenta de les reaccions. Tipus de reaccions metabòliques:

- Rutes catabòliques o catabolismes: són rutes degradatives de molècules, són molt exergòniques. Biomolècules (proteïnes, àcids nucleics, sucres, reduïts) � Precursors � Molècules inorgàniques (CO2, H2O, NH4

+, oxidats) Les reaccions endergòniques acoblades són les de:

)('.)('. reduïtseddorsTransportaoxidatseddorsTransporta

ATPPiADP−−

↔

↔+

- Rutes anabòliques o anabolisme: fan síntesi de biomolècules. Cal aportar energia.

esBiomolèculAnucleicsAaSucresecursorsoxidatsNHOHCO ↔↔↔+++

,,Pr)(422

- Rutes amfibòliques: són aquelles que s’utilitzen per degradar i sintetitzar molècules. Tipus de Vies:

Divergents: un substrat dóna lloc a diferents productes. - Lineals: el metabolit substrat és ≠ del metabolit producte. Convergents: diferents substrats donen un únic producte. - Circulars o cícliques: un dels substrats també és un dels productes de la ruta. Totes les vies metabòliques (anabòliques o catabòliques) poden estar en tres estats:

−+

++→←→←→←+

...................................................................................................

Pr 422

321

divesitat

NHOHCOecursorsSubunitatsesBiomolècul

Coordinació del metabolisme:

La coordinació del metabolisme és enzimàtica, es fa a partir d’enzims, encara que no tots estan regulats. Només els enzims de reaccions molt exergòniques, és a dir que determinen el sentit d’una ruta; i aquells que estan en la primera reacció ja que estalvien que hi hagi intermediaris metabòlics innecessaris. Els enzims metabòlics per altres mecanismes diferents de enzims reguladors com són la fosforilació o l’al·losterisme com és el cas de la retroinhibició que és un mecanisme al·lostèric, heteròmer, negatiu en que s’inhibeix el primer enzim de la ruta a través del producte de l’última reacció de la via.

2

L’ ATP

L’ ATP és produït per l’anabolisme i consumit pel catabolisme. No serveix com a magatzem d’energia sinó com a transport.

molKcalGPpiAMPOHATP

molKcalGPiAMPOHADP

molKcalGPiADPOHATP

/1,7'º2

/3,7'º

/3,7'º

2

2

2

−=∆+→+

−=∆+→+

−=∆+→+

Al ser un compost fosfat d’elevada energia és termodinàmicament molt favorable a la cessió d’un grup fosfat. La hidròlisi de l’ATP és una reacció metaestable ja que la velocitat de la reacció és molt lenta perquè l’energia d’activació és molt alta. L’energia és favorable perquè hi ha energies de repulsió internes. Un dels productes, el H+, que s’allibera en l’últim dels grups fosfats de l’ADP o l’AMP és captat per l’amortidor cel·lular o em mateix fosfat inorgànic en el que es coneix com a acció de masses. El grup fosfat és una estructura ressonant i per tant té molta entropia ja que està molt desorganitzat. Mecanismes de la cèl·lula per impulsar reaccions endergòniques a través de l’ATP:

1.- Transferència del grup fosfat: aquest es transfereix directament des de l’ATP i no pas hidrolitzant-se prèviament.

molKcalGADPPaGluATPaGlu

molKcalGPiADPATP

molKcalGPaGluPiaGlu

/0,3'º6coscos

/3,7'º

/3,3'º6coscos

−=∆+−→+

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−=∆+→

+=∆−→+

2.- Transferència d’un grup fosfat amb un intermediari de reacció: permet que tingui lloc la reacció.

PiaGlutaADPPGlutàmicÀcGlutàmicÀc NHexegònica+ →+− →

+

min.. 4 Hi ha altres compostos fosfats d’alta energia dins la cèl·lula:

Aquests es generen en el catabolisme. Com el fosfoenolpiruvat (PEP). ∆Gº’=-14,6 Kcal/mol

3

Hi ha altres compostos fosfats de baixa energia dins la cèl·lula:

Aquests es generen en l’anabolisme. molKcalGPiaGluOHPaGlu /3,3'ºcos26cos −=∆+→+−

El criteri per determinar si un compost és de alta o baixa energia és:

molKcalmolKcalmolKcal EnergiaBaixaEnergiaAlta/5/6/7

..− →− ←−

En general el catabolisme genera compostos fosfats d’alta energia que permeten la síntesi de l’ATP, que llavors és utilitzat en l’anabolisme en compostos fosfats de baixa energia, permetent així l’intercanvi entre els grans grups de reaccions metabòliques. La reacció per passar de PEP a ATP és una fosforilació a nivell de substrat.

PiATPADPPEPmolKcalG

ATPPiADPmolKcalG

PiPiruvatOHPEPmolKcalG

+→+−=∆

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

→++=∆

+→+−=∆

/30,7'º

/30,7'º

/6,14'º 2

Les cèl·lules tenen altres mecanismes per la formació d’ATP. Com són la fosforilació oxidativa que està relacionada amb el procés de la respiració cel·lular; o la fotofosforilació que és molt semblant a la fosforilació oxidativa però té lloc en el metabolisme de la fotosíntesi. Hi ha rutes metabòliques que fosforilen altre ribonucleòtids, no obstant són anàlegs.

molKcalGGDPATPGTPADP /0'º =∆+↔+

Transportadors d’electrons o transportador de poder reductor:

Tipus de reaccions redox de la cèl·lula: 1.- Transferència d’electrons entre àtoms metàl·lics units covalentment. Com és el cas de les proteïnes amb un grup

prostètic de ferro o coure amb diferents estats d’oxidació. +++++↔+ CuFeFeCu 322

2.- Transferència de H (1H++1e-): 22 BHABAH +↔+

3.- Transferència de hidrurs (1H++2e-): ++++↔+ HBHABAH2

4.- Combinació directa entre un reductor i l’oxigen: AHOHOAH ↔+ 221

2

En general en el catabolisme s’oxiden les molècules mentre que en l’anabolisme es redueixen les molècules. El transport d’electrons es pot fer amb dinucleòtids

d’adenina i nicotinamida (cofactors) (NAD+ i NADP+). Aquest transport és especialitzats ja que el NAD es troba en el catabolisme i el NADP en canvi en l’anabolisme. La nicotinamida té la capacitat d’acceptar un protó i un electró, capacitant-lo per fer transport d’electrons.

Un altre tipus de transportadors d’electrons són els nucleòtids de flavina, que són grups prostètics units covalentment als seus enzims. N’hi ha de dos tipus: els dinucleòtids de flavina i adenina (FAD) i els flavin mononucleòtids (FMN). La flavina pot acceptar a la vegada dos electrons i dos protons. Fent així possible el transport d’electrons. Aquests transportadors d’electrons s’han de regenerar per tal de poder tornar a actuar.

2)(

)()(

NADPHoxidatNADP

reduïtNADHoxidatNAD

→

→

+

+

4

5

Tema 9: La glucòlisi i les transformacions del piruvat Visió general de la glucòlisi, etapes i balanç estequiomètric i energètic. Regulació. Fermentacions. Descarboxilació oxidativa del piruvat. Gulacosa (6C) � 2 Piruvat (3C) + 2 ATP Tots els organismes utilitzen aquesta via per tal d’obtenir energia, per tant és una via central. També prova l’origen comú de la vida . Certs teixits només funcionen a partir de fer la glucòlisi, com són el teixit nerviós o els glòbuls vermells. Els altres monosacàrids entren per altres punts de la glucòlisi. La glucòlisi té lloc en el citoplasma. Els enzims que catalitzen la glucòlisi estan agrupats en un complex multienzimàtic, és a dir un grup d’enzims que fan que el producte d’una reacció passi al centre actiu del següent enzim sense difondre, fent que tot el que entri a la glucòlisi surti com a piruvat. La glucòlisi es duu a terme amb 10 reaccions: - Les 5 primeres es troben en el que es coneix com a fase d’inversió d’energia, ja que es gasten 2 molècules d’ATP que serveixen per fer: Glucosa (6C) � 2 Gliceraldehid-3fosfat (GA-3P)(3C).

1ª fase de la glucòlisi: fase preparatòria (consum E)

Enzims que intervenen en la fase:

1.- Hexoquinasa o Glucoquinasa (fetge): són els isoenzims que catalitzen la fosforilació de la glucosa. 2.- Fosfoglucoisomerasa: catalitza la isomerització de glucosa 6-fosfat a fructosa 6-fosfat. 3.- Fosfofructoquinasa I: catalitza la fosforilació de la fructosa 6-fosfat per donar fructosa 1,6-bifosfat. 4.- Fructosadifosfat aldolasa: catalitza el trencament del a fructosa 1,6-difosfat entre C3 i C4. 5.- Triosafosfat isomerasa: catalitza la isomerització de la dihidroxiacetonafosfat a gliceraldehid 3-fosfat. ∆Gº de cada reacció:

1.- ∆Gº < 0 consum ATP

2.- ∆Gº ≈ 0

3.- ∆Gº < 0 consum ATP

4.- ∆Gº > 0 s’aconsegueix superar lligant les reaccions, és a dir, segrestant en producte i produint molt reactiu. 5.- ∆Gº ≈ 0 Comentari de les reaccions: 1.- Amb la fosforilació de la glucosa s’aconsegueix que aquesta no pugui difondre cap a l’exterior de la cèl·lula ja que el grup fosfat està carregat molt negativament. Glucosa + ATP � Glucosa 6-fosfat + ADP 2.- Isomerització de la glucosa a fructosa, és a dir que passem d’una estructura en forma de piranosa a una de piranosa. Glucosa 6-fosfat � Fructosa 6-fosfat 3.- Es torna a fosforila la furanosa ja fosforilada per un altre extrem ja que l’ATP té gran capacitat per cedir el grup fosfat. Fructosa 6-fosfat + ATP � Fructosa 1,6-difosfat + ADP 4.- Trencament de la fructosa 1,6-difosfat per donar dos trioses fosforilades, en concret una aldosa i una cetosa. Són el gliceraldehid 3-fosfat i la dihidroxiacetona fosfat. Fructosa 1,6-difosfat � GA 3-P + DHAP 5.- Isomerització dihidroxiacetona fosfat a gliceraldehid 3-fosfat, per tal que pugui passar a la següent etapa. Dihidroxiacetona � Gliceraldehid 3-fosfat Balanç global de la fase preparatòria de la glucòlisi:

Glucosa + 2 ATP ���� 2 Gliceraldehid 3-fosfat + 2 ADP

6

- Les últimes 5 es troben en el que es coneix com a fase d’obtenció de beneficis, ja que és on s’obtenen 4 molècules d’ATP: 2 GA 3-P � 2 PIR+ 4 ATP

2ª fase de la glucòlisi: obtenció d’energia

Enzims que intervenen en la fase:

6.- Gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa: catalitza la oxidació i fosforilació del gliceraldehid 3-fosfat. 7.- Fosfoglicerat quinasa 8.- Fosfoglicerat mutasa 9.- Enolasa 10.- Piruvat quinasa Comentari de les reaccions: 6.- Oxidació i fosforilació del gliceraldehid 3-fosfat a 1,3-bifosfoglicerat, amb la corresponen obtenció de coenzims reduïts. Gliceraldehid 3-fosfat + 2Pi + 2 NAD+ � 2 NADH + 2 H+ +1,3-Bifosfoglicerat 7.- El 1,3-bifosfat té un dels seus grups fosfats que ha captat del medi i que pot transferit a un compost fosfat d’alta energia com és l’ATP, és doncs aquesta última reacció una fosforilació a nivell de substrat. 1,3-Bifosfat + 2 ADP � 3-Fosfoglicerat +2 ATP. 8.- En aquesta reacció hi ha una isomerització. 3-Fosfoglicerat � 2-Fosfoglicerat 9.- En aquesta reacció hi ha una deshidratació. 2-Fosfoglicerat �Fosfoenolpiruvat (PEP) + H2O

10.- El fosfoenolpiruvat és un compost d’alta energia i per tant aquest fosfat pot ser transmès per formar ATP. Fosfoenolpiruvat + 2 ADP � Piruvat + 2 ATP

Balanç global del la glucòlisi:

ATPOHHNADHPiruvatADPNADPiaGlu

ADPATPOHHNADHPiruvatADPNADPiATPaGlu

22222222cos

2422224222cos

2

2

++++→+++

+++++→++++

+++

+++

Regulació de la glucòlisi:

La càrrega energètica de la cèl·lula és la mesura de la capacitat que té la cèl·lula de fer un treball químic. Aquesta càrrega energètica es pot expressar com: La diferencia entre els coeficients de l’ATP i l’ADP és degut a que l’ATP pot impulsar dos reaccions mentre que l’ADP només en pot impulsar una.

Una càrrega energètica alta, és a dir, [ATP] ↑↑↑ � això inhiveix la glucòlisi ja que la cèl·lula no necessita energia. Una càrrega energètica baixa, és a dir, [ATP] ↓↓↓ � això activa la glucòlisi ja que a la cèl·lula li manca energia. La glucòlisi està regulada per tres enzims: - Hexoquinasa: el primer enzim de la ruta que catalitza la reacció de fosforilació de la glucosa a glucosa 6-fosfat, aquest enzim, doncs es inactivat per un excés de glucosa 6-fosfat. - Fosfofructoquinasa I: el tercer enzim de la ruta que catalitza la fosforilació del F 6-P a F 1,6-bP, s’inactiva quan s’uneix al seu centre actiu ATP o citrat, i s’activa quan hi ha altes concentracions d’ADP i AMP. Piruvat quinasa: l’enzim que catalitza la última reacció i la més exergònica de totes del pas de PEP a PIR, els seus efectors al·lostèrics negatius són l’ATP i l’acetil-CoA, i el que l’activa és la F 1,6-bP.

PiruvatbPFructosaPaGluaGlu XXX→→→→−→→−→ 6,1.6.coscos

La glucosa 6-P i la fructosa 1,6-bP regulen la ruta fent que no es gasti ATP quan no es necessita produir-ne més i assegurar que no es quedi la reacció aturada en un metabòlit intermediari. El citrat i l’acetil CoA es produeixen en la síntesi de greixos i per tant no cal produir més energia en forma d’ATP si els greixos estan essent sintetitzats per excés d’aquesta. La ruta de la glucòlisi pot continuar de forma anaeròbia i aeròbia:

- Anaeròbia

Es produeix per alliberar el NADH+. La cèl·lula redueix el piruvat en la reacció que es coneix com a fermentació. Fermentació làctica: és la reducció del piruvat a lactat. Té lloc en el citoplasma. I també la fan els microorganismes d’àcid làctic.

+++ →++ NADLactatHNADHPiruvat nasadeshidrogelactat.

Aquest lactat és excretat i per tant fa baixar el pH del medi fent que precipitin les proteïnes.

[ ] [ ][ ] [ ] [ ]AMPADPATP

ADPATP

++

2/1.

7

La majoria de les nostres cèl·lules són aeròbies estrictes, però algunes són anaeròbies facultatives, és a dir que en condicions normals són aeròbies però si els tallen l’aportació d’oxigen continuen funcionant, com és el cas de les cèl·lules musculars. L’excreció del lactat disminueix el pH, i malmetent així la cèl·lula i provocant les agulletes. Fermentació alcohòlica: consisteix en una reacció de descarboxilació i una altra de deshidrogenació. La duen a terme els llevats.

++++ →+++ →+ NADolEHNADHdAcetaldehiCOHPiruvat nasadeshidrogealcohollasadescarboxipiruvat tan.

2

.

Formules generals de glucòlisi + fermentació:

làcticaóFermentaciOHATPLactatPiADPaGlu

alcohòlicaóFermentaciATPOHCOolEPiADPHaGlu

.22222cos

.222tan2222cos

2

22

++→++

+++→++++

8

- Aeròbia

Els electrons acceptats al NAD+ acaben cedits a l’oxigen. El piruvat però es continua oxidant dins la matriu mitocondrial fins a acetil-CoA Un coenzim és una molècula que s’uneix de manera no covalent a un enzim i permet que faci la seva funció. El coenzim A (CoA) fa reaccions de transacetilació, és a dir, transfereix grup acil. Es forma un enllaç tioéster.

AiguaCoAAcetiloicMeÀcCoA

OHCHCOSCoACOOHCHSHCoA

+−→+

+−−−→−+−

tan.

233

El complex de la piruvat deshidrogenasa és un complex format per una 5 enzims que es poden veure al MET. Aquest complex està format per dos tipus d’enzims, 3 enzims catalítics i 2 enzims reguladors del complex. Els 3 enzims catalítics del complex de la piruvat deshidrogenasa són la piruvat deshidrogenasa (E1), la dihidrolipoil transacetilasa (E2) i la dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). - La piruvat deshidrogenasa (E1) està unida a un grup prostètic que és el pirofosfat de tiamina que és un derivat de la vitamina B. - La dihidrolipoil transacetilasa (E2) té com a grup prostètic l’àcid lipoic i el CoA-SH és un cofactor.

- La dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) té com a grup prostètic el FAD i com a cofactor el NAD+. Regulació del complex de la piruvat deshidrogenasa:

Es regula a dos nivells, al dels efectors al·lostèrics i el dels 2 enzims que regulen el complex. - Efectors al·lostèrics: + : AMP, CoA i NAD+ (els substrats i la càrrega energètica negativa) - : ATP, Acetil-CoA, NADH (els productes i la carrega energètica positiva) - Enzims reguladors del complex: aquests actuen sobre E1. - : Piruvat deshidrogenasa quinasa + : Piruvat deshidrogenasa fosfatasa També estan regulats al·lostèricament aquests enzims reguladors del complex: - Piruvat deshidrogenasa quinasa: + Acetil-CoA, NADH (productes) - Piruvat deshidrogenasa fosfatasa: + Ca2+, AMP (Contracció muscular, insulina) – ATP (càrrega energètica) Descarboxilació oxidativa del piruvat a acetil-CoA pel complex de la piruvat deshidrogenasa:

És una reacció molt exergònica. No hi ha difusió del producte de les diferents reaccions ja que l’àcid lipoic actua com un braç que transfereix el substrat gràcies a la cadena hidrogencarbonada. E1: fa la reacció de descarboxilació. E2: fa la reacció de reducció de l’àcid lipoic amb la oxidació del piruvat. E2: fa la reacció de transacetilació.

Un cop ja s’ha fet la reacció de piruvat a acetil-CoA, cal la regeneració del complex de la PDH.

9

Un cop acabada la reacció cal tornar a oxidar el complex per tal que torni a ser funcional, per això cal una redox. El FADH2 és un grup prostètic i per tant cal que s’oxidi reduint el NAD

+.

10

Tema 10: El Cicle de Krebs Visió general del cicle de l'àcid cítric. Etapes. Balanç estequiomètric i energètic. Regulació. Rutes anapleròtiques. Cicle del glioxilat. El cicle de Krebs també se’l anomena cicle de l’àcid cítric o cicle dels àcids tricarboxílics (T.C.A.). És duu a terme a la matriu mitocondrial. Hi convergeixen totes les rutes metabòliques de la cèl·lula. És una ruta amfibòlica ja que es pretenen dos objectius catabòlics i anabòlics. - Per una banda es pretén la degradació catabòlica de l’acetil-CoA fins a dos molècules de CO2. - Per altra banda es pretén la producció de precursors per tal de proveir l’anabolisme.

En la primera reacció hi ha la condensació del l’acetil-CoA sobre l’oxalacetat. La ∆G’º<<0. És un àcid tricarboxílic. Aquesta reacció està catalitzada per la citrat sintasa. En la segona reacció és la isomerització del citrat a isocitrat que s’aconsegueix a través de dos etapes, una primera de dehidratació i una segona de hidratació. La ∆G’º> 0, però es dóna gràcies a que té dos reaccions molt exergòniques abans i després que la impulsen. La tercera reacció és la descarboxilació oxidativa de l’isocitrat a α-cetogluterat amb la producció d’una molècula de CO2 NADH. La ∆G’º<< 0. Aquesta reacció està catalitzada per la isocitrat deshidrogenasa. La quarta reacció és la descarboxilació oxidativa i transferència d’un CoA del α-cetogluterat a succinil-CoA amb la producció d’una molècula de CO2 i NADH. La ∆G’º<< 0. El complex enzimàtic que catalitza aquesta reacció és el complex de la α-cetogluterat deshidrogenasa que és molt semblant al complex de la piruvat deshidrogenasa. La cinquena reacció és la fosforilació a nivell de substrat del succinil-CoA a succinat, amb la fosforilació d’una molècula de GDP per donar GTP, que en plantes es fa directament a ATP. També s’allibera el CoA-SH. Hi ha un intermediari de la reacció que és el succinil-CoA fosfat. L’enzim és la succinil-CoA sintetasa. És un equilibri. La sisena reacció és la oxidació per deshidrogenació d’un dels carbonis no carboxílics del succinat per tal de donar fumarat i FADH2. L’enzim que catalitza la reacció és la succinat deshidrogenasa. És un equilibri. La setena reacció és la hidratació del fumarat per donar malat. L’enzim és la fumarasa. I la reacció és un equilibri. La vuitena reacció és una oxidació per deshidrogenació del malat per donar oxalacetat i NADH. L’enzim és la malat deshidrogenasa. La reacció és un equilibri.

11

Balanç de la reacció:

GTPFADHNADHSHCoACOOHPiGDPFADNADCoAAcetil +++−+→+++++−+

2222 323

Resum de les rutes metabòliques vistes:

++

+

++

++

++++→+++++

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

=∆↔

+++−+→+++++−

+++−→+−+

++++→+++

HNADHFADHATPCOOHFADNADPiADPaGlu

GATPGTP

GTPFADHNADHSHCoACOOHPiGDPFADNADCoAAc

HNADHCOCoAAcetilNADSHCoAPiruvat

OHHNADHATPPiruvatNADPiADPaGlu

410246221044cos1

0º')(

22624422262

2222222

22222222cos

222

222

2

2

És clar que s’obtenen poques molècules d’ATP però n’hi ha moltes de reduïdes. Balanç del cicle de Krebs: Regulació del cicle de Krebs:

Caràcter anabòlic del cicle de Krebs:

- Citrat: se’n pot obtenir àcids grassos i esterol. - α-cetoglutamat: se’n pot obtenir glutamat o àcid glutàmic que serveix per la síntesi de purines o bé d’alguns aminoàcids arginina, prolina i glutamina. La resta d’aminoàcids s’han d’incorporar amb la dieta ja que són aminoàcids essencials. Cal reposar els intermediaris del cicle de Krebs que es gasten per fer anabolisme. El acetil-CoA s’elimina en forma de CO2. Si baixa la concentració de substrat també disminueix la velocitat de reacció. Es poden reposar els intermediaris del cicle de Krebs amb les reaccions anapleròtiques, que són reaccions de carboxilació en les que s’afegeix un carboni i cal CO2 i HCO3

-. L’acetil CoA és l’efector al·lostèric que regula els enzims que fan les reaccions anapleròtiques. L’origen del cicle de Krebs era més anabòlic que catabòlic a diferència de l’actualitat. Ja que els bacteris anaeròbics més senzills tenen tots els enzims menys la α-cetogluterat deshidrogenasa.

CoASuccinilMalatOxalacetatCoAAcetil

atcetogluterIsocitratCitratCoAAcetil

−→→→−

−→→→− α

12

Principals funcions biosintètiques d’alguns intermediaris del cicle de Krebs:

Les rutes anapleròtiques per la reposició d’intermediaris s’indiquen en vermell.

Cicle del glioxilat:

Té lloc en plantes i bacteris. Té lloc en els glioxisomes.

SucresCoAAcetilLípids Anabolisme →−→)(

El succinat va al mitocondri � oxalacetat (precursor de l’anabolisme) � fosfoenolpiruvat � glucosa. Li serveix a les plantes per fer sucres quan estan en forma de llavor i no tenen sucres, i els necessiten per dividir-se i formar la paret cel·lular. Algunes llavors contenen olis com són les olives o les ametlles, d’altres sucres com el blat.

Aquests cicle està unit al cicle de Krebs mitjançant el isocitrat que segons quin enzim catalitzi la reacció passa a glioxilat i succinat (cicle del glioxilat) o bé a α-cetogluterat (cicle de Krebs). Cicle de Krebs: isocitrat deshidrogenasa, està regulada per l’efector al·lostèric + del ADP. Cicle del glioxilat: isocitrat liasa, que està regulada al·lostèricament – per ADP i + per NADP+.

13

Tema 11: Transport electrònic i fosforilació oxidativa Descripció de la cadena de transport electrònic. Balanç energètic i regulació. La fosforilació oxidativa. Acoblament amb el transport electrònic Els NADH i els FADH2 són molècules que tenen la capacitat de cedir electrons que finalment arribaran a l’oxigen. Aquest procés de fosforilació oxidativa dóna una energia que finalment esdevindrà ATP. La fosforilació oxidativa aconsegueix l’energia a través del transport d’electrons. Característiques generals del transport d’electrons:

1.- Es dóna a la membrana tilacoidal interna. 2.- A partir de la cessió dels electrons del NADH a l’oxigen podem sintetitzar 3 ATP. 3.- A partir de la cessió dels electrons del FADH2 a l’oxigen podem sintetitzar 2 ATP. 4.- El transport d’electrons acoblat a la fosforilació oxidativa genera energia en el pas dels electrons des dels transportadors més electronegatius als menys electronegatius. És a dir que els electrons van des del NAD+ 0,32 al oxigen que és el més electropositiu.

++

−+

+−++

+→++

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

+=→++

−=+→++

NADOHNADHHO

VEOHeHO

VEHNADHeHNAD

2221

2221 82,0º22

32,0º22

En la primera reacció es donarà al revés. En la segona reacció es donarà igual. En la tercera reacció: L’oxigen es redueix a aigua. El NADH s’oxida a NAD+. Podem calcular el ∆Gº de la reacció amb la formula:

molKcalG

VVVE

reductordonadorEoxidantacceptorEE

EFnG

/6,5214,1.06,23.2º

14,1)32,0(82,0º

/º/ºº

º..º

=−=∆

=−−=∆

−=∆

∆−=∆

n és el numero de electrons que es transfereix.

molKcalGATPPiADP

molKcalGPiADPATP

/3,7'º

/3,7'º

+=∆→+

−=∆+→

Transport d’electrons o cadena del transport electrònic:

Cada grup multiproteic té una cadena lateral hidrocarbonada.

14

Complexos multiproteics de la cadena del transport electrònic:

- El complex II rep els electrons del FAD. Hi ha l’enzim succinat deshidrogenasa que dóna el FADH2. - El complex I té els grups prostètics FMN � FAD, aquests tenen centres Fe-S amb dos estats d’oxidació. Aquest complex rep els electrons del NADH. - El coenzim Q fa la connexió dels complexos I i II a els complexos III i IV. Estats d’oxidació del coenzim Q

Aquest coenzim Q està format per un anell aromàtic amb dos grups carboxils. També té una cadena lateral hidrocarbonada llarga que es pot moure per la bicapa lipidica. Aquest coenzim té 3 estats que són: oxidat, semireduït o semioxidat i reduït. - El complex III té el citocrom C. Un citocrom és un residu de grups Hemo que al centre presenten ferro i aquest és el que rep els electrons.

El citocrom C fa de connexió amb l’últim complex, i també és la única proteïna soluble. Però no ho és dins de la membrana mitocondrial.

15

Reacció global del transport electrònic:

Complex I (transportador de 2 electrons):

)int.(4).(4 2 ermembranaespaiHQHNADalmitocondrimatriuHQHNADH ++++++→+++

S’aprofita l’energia per fer funcionar la bomba de protons. Complex Q:

2

. QHQQHoQHo bcitocrom+ →+

Complex III:

)int.(42)(22 )()(2 ermembranaespaiHCytcQmatriuHCytcQH redox++

++→++

S’aprofita l’energia per fer funcionar la bomba de protons. Complex IV:

23 OCuHemoHemoCuCytC BAAA →→→→→

OHO e2

4

2 2→−

S’ha d’evitar que es formin peròxids o anions superòxid (O2-2, O

-2).

)int.(42)3(4)(8)2(4 22 ermembranaespaiHOHCytCOmatriuHCytC +++++→+++

Hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell:

Es crea un gradient electroquímic de protons, per tant hi ha un gradient de pH (H+) i un potencial de membrana positiu a l’exterior i negatiu a l’interior. A través del complex V de la ATP sintasa (és un complex multiproteic) que torna els protons a l’interior de la matriu a través de dos components principals (f0 i f1). - f0: és la part inclosa en la membrana mitocondrial interna i que consta de les subunitats a, b2, c (10-12). Aquesta última està formada per α hèlix trenada formant dos cercles concèntrics. - f1: és la part externa del complex i que està formada per les subunitats α3 que es troben alternats, β3, γ que interacciona amb una subunitat β, δ i ε. La subunitat β pot adoptar tres conformacions: - β-ADP: té afinitat per l’ADP i el Pi. - β-ATP: té afinitat per l’ATP. - β-buida: expulsa l’ATP, i interacciona amb la subunitat γ, les altres adopten les altres conformacions. Aquestes tres conformacions es van alternant de dalt cap a baix. El gir de la subunitat c arrossega la γ quan passen els H+. Estructura del complex de la ATP sintasa:

De vegades hi ha uns agents desacoblants que fan que hi hagi transport d’electrons sense fosforilació oxidativa i per tant que no es produeixi ATP. Aquests poden ser molt tòxics com el 2,4-dinitrofenol, que augmenta la permeabilitat de la membrana mitocondrial interna per els H+. Com conseqüència d’aquest augment de la permeabilitat es perd el gradient de H+ que permet que hi hagi la síntesi de l’ATP. Hi ha uns ionofors que eviten que hi hagi transport d’electrons sense que hi hagi fosforilació oxidativa, és a dir amb producció d’ATP. Aquests transporten ions carregats de cantó a cantó trencant el potencial de membrana.

16

Llançadores de poder reductor:

L’entrada de poder reductor a l’interior del mitocondri que prové de la glucòlisi en el citosòl pot ser a través de dos llançadores, la del Glicerol – Fosfat i la del Malat – Asparat. - Llançadora del Glicerol – Fosfat: NADH � FADH2 � 2ATP - Llançadora del Malat – Asparat: NADH (citosòlic) � NADH (mitocondrial) � 3ATP En la llançadora del Malat – Aparat hi ha una transaminació: α-cetogluterat + asparat� glutamat + oxalacetat Balanç global de la oxidació total de la glucosa:

OHATPóCOHPiADPóaGlu

ATPGTPATPFADHATPNADHCoAAcetilMITOCONDRI

ATPNADHCoAAcetilPiruvatMITOCONDRI

ATPóNADHATPPiruvataGluCITOSÒL

agluladetotalOxidació

KrebsdeCicle

lacióDescarboxi

Glucolisi

22

cos....

2

..

4238..366)(38..36cos

)2(2)4(2)18(62:

)6(222:

)6..4(222cos:

++ →+++

++ →−

+− →

++ →

+

Llançadora del Glicerol – Fosfat: Llançadora del Malat – Asparat:

17