REPASO DE CONCEPTOS GENERALES DE QUIMICA

Aspectos básicos de oxidación - reducción I

La capacidad de determinadas compuestos para aceptar y donar electrones hace que puedan participar en las reacciones denominadas de oxidación-reducción.

REACCIÓN DE REDUCCIÓN : Hay sustancias que pueden aceptar electrones ; son sustancias oxidadas que en las condiciones adecuadas se pueden reducir, y por lo tanto transformarse en formas reducidas. Veamoslo en el siguiente dibujo:

REACCIÓN DE OXIDACIÓN : Hay sustancias que pueden donar electrones ; son sustancias reducidas que en las condiciones adecuadas se pueden oxidar, y por lo tanto transformarse en formas oxidadas. Veamoslo en el siguiente dibujo :

METABOLISMO DE GLÚCIDOS

El METABOLISMO: es el conjunto de reacciones con las

que los seres vivos adquieren, producen y utilizan energía

para sus diferentes funciones

El metabolismo tiene cuatro FUNCIONES específicas:

1. Obtener energía química de la degradación de los

nutrientes.

2. Convertir las moléculas nutrientes en precursores.

3. Sintetizar las macromoléculas biológicas necesarias

para la célula.

4. Sintetizar o degradar biomoléculas, necesarias para

ciertas funciones celulares.

Las rutas metabólicas se clasifican en dos categorias:

rutas catabólicas (degradativas) o rutas anabólicas

(biosintéticas).

CATABOLISMO: conjunto de reacciones por las que la

célula degrada los nutrientes

ANABOLISMO: reacciones mediante las que la célula

sintetiza sus biomoléculas

Las moléculas reaccionantes, intermediarios y productos,

se denominan METABOLITOS o, también intermediarios

metabólicos.

RUTAS METABÓLICAS

La mayor parte de las rutas catabólicas aerobias de

glúcidos, lípidos y proteínas convergen en unos

pocos productos finales.

Pueden considerarse tres etapas fundamentales:

1. Degradación de las macromoléculas en sus

unidades constitutivas.

2. Degradación de esas unidades en moléculas más

simples: Pyr y AcCoA

3. Oxidación total de esas unidades en el ciclo del

ácido cítrico (Krebs)

Las vías catabólicas aerobias convergen todas en el

ciclo de Krebs, que es uno de los puntos claves del

metabolismo celular

CATABOLISMO DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS

•Glucolisis•Fermentación•Transformación del piruvato en Acetil-CoA•Ciclo de los ácidos tricarboxílicos•Transporte electrónico y fosforilación oxidativa

METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS

1.Glucolisis

• Consiste en una secuencia de 10 reacciones enzimáticas que catalizan la transformación de una molécula de glucosa a dos de piruvato, con la producción de dos moles de ATP y dos de NADH por mol de glucosa

http://www.iubmb-nicholson.org/swf/glycolysis.swf

•Se trata de la ruta metabólica mejor conocida, que desempeña un papel clave en el metabolismo energético al proporcionar una parte importante de la energía utilizada por la mayoría de losorganismos.

•Sirve en su función principal para preparar la glucosa y otros carbohidratos para su posterior degradación oxidativa.

Visión general de la vía glucolítica y su continuación hasta la degradación completa de la glucosa. El piruvato formado pordegradación de la glucosa puede sufrir posteriormente distintas degradaciones, dependiendo de las condiciones y del organismo

•a) En condiciones aerobias, el piruvato se transforma en Acetil-CoA, que se oxida aun más a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, y posteriormente a través de la fosforilacion oxidativa, generando CO2 y agua

•b) En condiciones anaerobias tiene lugar la fermentación, que es la transformación del piruvato hasta moléculas con un grado medio de oxidación, permitiendo la regeneración del NAD+. Dos de las fermentaciones más importantes son la homoláctica, en el músculo, por la que el piruvato es reducido hasta lactato, y la fermentación alcohólica, en levaduras, porla que se reduce hasta etanol y CO2 .

•La glucolisis convierte la molécula de glucosa en dos de piruvato, en un proceso que utiliza la energía libreliberada para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). Este proceso requiere de la existencia de una serie de reacciones de transferencia del grupo fosforilo acopladas químicamente. Así pues, la estrategia química de la glucolisis es la siguiente

•a) Adición de grupo fosforilo a la glucosa

•b) Conversión química de grupos intermediarios fosforilados a compuestos con altopotencial de transferencia de grupos fosfato.

•c) Acoplamiento de la hidrólisis de estos compuestos para la síntesis de ATP.

•Las 10 reacciones enzimáticas constituyentes de la glucolisis se recogen esquemáticamente en la Figura 2 y más detalladamente en los esquemas posteriores. Al inicio de la vía se consume ATP para la generación de grupos fosforilo, pero posteriormente se regenera.

•Por tanto, la glucolisis transcurre en dos fases:

•FASE I. (Reacciones 1-5). Fase preparatoria en que la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATPs.

•FASE II (Reacciones 6-10). Las dos moléculas anteriormente formadas se convierten a dos moléculas de piruvato, con la producción de 4 ATPs y 2 NADH.

•Por consiguiente, el rendimiento de la glucolisis es de dos ATPs formados por molécula de glucosa y la reacción global sería:

Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4H+

•El NAD+ es el principal agente oxidante de la vía glucolítica, así que el NADH formado durante el proceso debe ser continuamente reoxidado para mantener el suministro de NAD+.

•Las reacciones las dos fases de la glucolisis pueden desglosarse en sus 10 reacciones:

1. Consumo del primer ATP

Transferencia del grupo fosforilo del ATP a la glucosa para formar glucosa-6-fosfato (G6P) en una reacción catalizada por la hexoquina.

H O

O H

H

O HH

O H

CH 2O H

H

O H

H H O

O H

H

O HH

O H

CH 2O PO 32

H

O H

H

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

A T P A DP

M g2+

glucose glucose-6-phosphate

H exokinase

* La glucosa es

fosforilada en el

carbono 6

2. Isomerización

Conversión de G6P a fructosa-6-fosfato (F6P) catalizada por la Fosfoglucosa isomerasa. Primero debe abrirse elanillo para que ocurra la isomerización, con posterior ciclación de la fructosa. Para la apertura del anillo serequiere la presencia de un grupo ácido, probablemente el resto de butilamonio de una lisina

H O

O H

H

O HH

O H

CH 2O PO 32

H

O H

H

1

6

5

4

3 2

CH 2O PO 32

O H

CH 2O H

H

O H H

H HO

O

6

5

4 3

2

1

glucose-6-phosphate fructose-6-phosphate

Phosphoglucose Isom erase

3. Consumo del segundo ATPLa fosfofructoquinasa fosforila la F6P para formar fructosa-1,6-bifosfato (FBP). Esta reacción controla la velocidad de la vía glucolítica. Esta reacción es estimulada alostéricamente por AMP e inhibida alostéricamente por ATP y citrato

CH 2O PO 32

O H

CH 2O H

H

O H H

H HO

O

6

5

4 3

2

1 CH 2O PO 32

O H

CH 2O PO 32

H

O H H

H HO

O

6

5

4 3

2

1

ATP ADP

M g2+

fructose-6-phosphate fructose-1,6-bisphosphate

Phosphofructokinase

4. RoturaLa aldolasa cataliza la rotura de la FBP en dos triosas, el gliceraldehido-3-fosfato (GAP) y la dihidroxíacetona f osfato (DHAP).

6

5

4

3

2

1CH 2O PO 32

C

C

C

C

CH 2O PO 32

O

HO H

H O H

H O H

3

2

1

CH 2O PO 32

C

CH 2O H

O

C

C

CH 2O PO 32

H O

H O H+

1

2

3

fructose-1,6-

bisphosphate

A ldolase

dihydroxyacetone glyceraldehyde -3-

phosphate phosphate

Triosephosphate Isom erase

Dos moléculas de 3 carbonos

5. IsomerizaciónSólo uno de los productos de la rotura aldólica, el GAP, continua la vía glucolítica. La interconversión entre éste yla DHAP es catalizada por la triosa fosfato isomerasa.

6

5

4

3

2

1CH 2O PO 32

C

C

C

C

CH 2O PO 32

O

HO H

H O H

H O H

3

2

1

CH 2O PO 32

C

CH 2O H

O

C

C

CH 2O PO 32

H O

H O H+

1

2

3

fructose-1,6-

bisphosphate

A ldolase

dihydroxyacetone glyceraldehyde -3-

phosphate phosphate

Triosephosphate Isom erase

6. Formación del primer intermediario de "alta energía"La gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación y fosforilación del GAP, por Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+) y fosfato inorgánico, para producir el 1,3-bifosfoglicerato (BFG).

C

C

CH 2O PO 32

H O

H O H

C

C

CH 2O PO 32

O O PO 32

H O H+ P i

+ H+

N AD+

NA D H1

2

3

2

3

1

glyceraldehyde- 1 ,3-bisphospho-

3-phosphate glycerate

G lyceraldehyde-3-phosphate

D ehydrogenase

Termina 1ra

fase

- 2 ATP

Cada gliceraldehido-3-fosfato es Oxida y fosforilada por fosfato inorganico

fosfato inorgánico

7. Primera producción de ATPSe forma el primer ATP por defosforilación del 1,3-bisfosfoglicerato, rindiendo además 3-fosfoglicerato (3PG) en una reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa (PGK).

C

C

CH 2O PO 32

O O PO 32

H O H

C

C

CH 2O PO 32

O O

H O H

ADP A TP

1

22

3 3

1

M g2+

1,3-bisphospho- 3-phosphoglycerate

glycerate

Phosphoglycerate K inase

8. IsomerizaciónLa fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de 3PG a 2-fosfoglicerato (2PG

C

C

CH 2O H

O O

H O PO 32

2

3

1C

C

CH 2O PO 32

O O

H O H2

3

1

3-phosphoglycerate 2 -phosphoglycerate

Phosphoglycerate M utase Cambia

de

posición

el grupo

fosfato

9. Formación del segundo intermediario de "alta energía"La enolasa cataliza la deshidratación del 2PG a fosfoenolpiruvato (PEP), formando un complejo activo por la presencia del catión magnesio.

C

C

CH 2O H

O O

H O PO 32

2

3

1C

C

CH 2

O O

O PO 32

2

3

1

+ H 2O

2-phosphoglycerate phosphoenolpyruvate

Enolase

10. Producción del segundo ATPLa piruvato quinasa cataliza el acoplamiento de la energía libre de la hidrólisis del PEP a la síntesis de ATP paraformar piruvato.

C

C

CH 3

O O

O2

3

1

A DP A TPC

C

CH 2

O O

O PO 32

2

3

1C

C

CH 2

O O

O H2

3

1

phosphoenolpyruvate enolpyruvate pyruvate

Pyruvate K inase

- Se forman 2 moleculas

de ATP por 1 molécula de

glucosa

•Entrada de otros azúcares en la glucólisis

•Además de la glucosa procedente de la degradación de almidón y glucógeno, hay otras hexosas de importancia, como la fructosa, que procede de la hidrólisis del azúcar de mesa y también de la fruta, la galactosa, que procede de la hidrólisis del azúcar de leche (lactosa), y la manosa, obtenida a partir de la digestión de polisacáridos y glucoproteínas

•La fructosa es fosforilada en el músculo y convertida directamente a fructosa-6-fosfato, siguiendo después la víaglucolítica gracias a la acción de la hexoquinasa. No obstante, en el hígado la fructosa sigue una ruta máscompleja cuyo resultado final es la producción de dos unidades de gliceraldehido-3-fosfato que se incorpora ala ruta.

•La galactosa se transforma en glucosa-6-fosfato, aunque este proceso parece simple las enzimas de la glucolisis no son capaces de reconocer la configuración de la galactosa, lo que hace que el proceso sea catalizadopor 5 enzimas

•La manosa es fosforilada para rendir manosa-6-fosfato y a continuación se produce una isomerización hasta fructosa-6-fosfato

Regulación de la glucólisisDesde un punto de vista global podemos decir que la glucólisis se inhibe cuandohay mucho ATP.Los puntos clave en la regulación de la glucólisis son las tres enzimas que catalizanpasos irreversibles:la hexoquinasa, la fosfofructokinasa y la piruvato kinasa.

•2. Fermentación

•Para la continuación de la degradación de glucosa, el NAD+ (en cantidades limitadas en la célula) consumido enla glucólisis debe ser reciclado. En presencia de oxígeno, el NADH pasa a la mitocondria para ser nuevamente oxidado. En condiciones anaeróbicas, el NAD+ se recupera por reducción del piruvato, en lo que constituye una extensión de la vía glucolítica. Los procesos fermentativos permiten recuperar el NAD+. La fermentación homoláctica y la fermentación alcohólica son dos ejemplos que tienen lugar en el músculo y en la levadura,respectivamente.

2 Piruvato

2 Etanol + 2CO22 Acetil CoA 2 Lactato

TCA

4CO2 + 4H2O

Destinos del piruvato

Condiciones

anaeróbicasCondiciones

anaeróbicas

Músculo contrayéndose

vigorosamente, en eritrocitos

y en algunos microorganismos

NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+

nicotinamida adenina dinucleótido

•A. Fermentación homoláctica

•En el músculo, especialmente durante el ejercicio intenso, cuando la demanda de ATP es elevada y se haconsumido el oxígeno, la lactato deshidrogenasa (LDH) cataliza la oxidación del NADH por el piruvato para darlactato. Los mamíferos poseen hasta 5 isoenzimas de la LDH (todas ellas tetraméricas)

C

C

CH 3

O

O

O

C

H C

CH 3

O

O H

O

N AD H + H+

N AD+

Lactate D ehydrogenase

pyruvate lactate

La reacción global de la degradación anaeróbica de glucosa mediante la fermentación láctica puede esquematizarse como sigue:

Glucosa + 2ADP + 2Pi -------------> 2 lactato + 2ATP + 2H+

•La mayor parte del lactato, producto final de la glucolisis anaeróbica, es exportado de las células musculares por la sangre hasta el hígado, donde vuelve a convertirse en glucosa

•.Al contrario de lo que se cree, la causa de la fatiga muscular y el dolor no es la acumulación de lactato en el músculo, sino del ácido producido durante la glucolisis (los músculos pueden mantener su carga de trabajo en presencia de concentraciones elevadas de lactato si el pH permanece constante).

•Los cazadores saben del sabor agrio de la carne de un animal que ha corrido hasta agotarse antes de morir. Esto es debido a la acumulación de ácido láctico en los músculos.

B. Fermentación alcohólica

•En levadura, el NAD+ se regenera en condiciones anaeróbicas mediante un proceso de gran importancia para la humanidad, la conversión de piruvato a etanol y dióxido de carbono

C

C

CH 3

O

O

O

C

CH 3

O HC

CH 3

OH H

H

N AD H + H+ N AD

+CO 2

Pyruvate A lcohol

D ecarboxylase D ehydrogenase

pyruvate acetaldehyde ethanol

El etanol se produce a través de las siguientes reacciones

•La primera es la descarboxilación del piruvato para formar acetaldehido y dióxido de carbono, catalizada por la piruvato descarboxilasa (ausente en animales) y que contiene el coenzima pirofosfato de tiamina (TPP) comogrupo prostético.

•Una consecuencia de su falta en el hombre es la enfermedad del beriberi, que puede resultar mortal y se caracteriza por alteraciones neurológicas, parálisis, atrofia muscular y/o paro cardiaco.

•El acetaldehido formado por descarboxilación del piruvato es reducido a etanol por el NADH, en una reacción catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH).

La transferencia del H del NADH al acetaldehido está favorecida por un cofactor de Zn2+, que estabilizala carga negativa de un intermediario que se forma en el proceso

C

C

CH 3

O

O

O

C

CH 3

O HC

CH 3

OH H

H

N AD H + H+ N AD

+CO 2

Pyruvate A lcohol

D ecarboxylase D ehydrogenase

pyruvate acetaldehyde ethanol

El etanol se produce a través de las siguientes reacciones

3. Transformación del piruvato en Acetil-CoA

Los grupos acetilo entran en el ciclo en forma de acetil-CoA

Es este el producto común de la degradación de carbohidratos, ácidos grasosy aminoácidos

El grupo acetilo esta unido al grupo sulfhidrilo del CoA por un enlace tioéster

Es interesante tener en cuenta que lahidrólisis del enlace tioéster del acetil-CoAlibera 31,5 kJ/mol y es, por lo tanto, un

enlace rico en energía.

El acetil-CoA se forma por descarboxilación oxidativa del piruvato, por la acción del complejo enzimático piruvatodeshidrogenasa

H 3C C C O

O O

C S

O

H 3C Co A

HSCo A

N A D+

N A D H

+ C O 2

Pyruvate D ehydrogenase

pyruvate acetyl -CoA

•La piruvato dehidrogenasa está regulada por dos mecanismossuperpuestos.Por una parte está alostericamente inhibida cuando lasproporciones de ATP/ADP y NADH/NAD+ son altas, además laenzima se inhibe cuando la disponibilidad decombustible para el ciclo, en foma de Acetil-CoA o ácidos grasos,es alta. Y se activacuando las demandas energéticas crecen y por tanto el flujo deAcetil-CoA aumenta.

La formación de la glucosa

29

Ruta anabólica en la que se sintetiza glucosa a partir de precursores no glucídicos.

IMPORTANCIA: Necesidad de glucosa circulante.

Muchos órganos sólo consumen glucosa:

Sistema nervioso

Médula renal

Testículos

Eritrocitos

El sistema nervioso consume 120 g/glucosa al día

30

Es la misma vía para animales, plantas y hongos.

31

LACTATO

GLICEROL

PIRUVATO

GLUCOSA

gluconeogénesis

7 de las 10 reacciones de la gluconeogénesis son las inversas a la glucolisis.

Hay 3 pasos irreversibles en la glucolisis: ( G << 0)

Sustrato Producto Enzima

Glucosa Glucosa 6 fosfato Hexoquinasa

(glucosa 6-fosfatasa)

Fructosa 6 fosfato Fructosa 1,6 di fosfato Fosfofructoquinasa

(fructosa 1-6 biosfatasa)

Fosfoenolpiruvato Piruvato Piruvato quinasa)

(fosfoenolpiruvato

carboxiquinasa)

32

33

En ellos se consume ATP.

El más complicado es el del paso de piruvato a fosfoenolpiruvato.

Parte de la reacción transcurre en la mitocondria.

Requiere la formación intermedia de oxalacetato y malato.

34

Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEP-CK): de oxalacetato a fosfoenolpiruvato.

Fructosa 1,6 bifosfatasa:

Produce fructosa-6-fosfato

Necesita Mg++

Glucosa 6 fosfatasa: poduce la glucosa.

Por cada dos moléculas de ácido pirúvico para dar glucosa, se necesita además:

4 ATPs

2 GTPs

2 NADH+H+

3 H2O

35

OXALACETATO

36

En la mayoría de lostejidos animales eldestino principal dela glucosa 6-fosfatoes la degradaciónglucolítica apiruvato, y enultimo termino lageneración de ATP.

La glucosa 6-fosfato tiene sin embargo otros destinoscatabólicos que conducen a productos especializadospara la células.

La oxidación de la glucosa 6-fosfato a pentosas fosfatopor la ruta de las pentosas fosfato es un caso deespecial importancia en algunos tejidos.

Las células en rápida división, tales como las de lamedula ósea y la mucosa intestinal utilizan laspentosas para producir RNA,DNA, y coenzimas talescomo ATP, NADH2, FADH2 y coenzima A.

Oxidación de la glucosa 6-fosfato por laglucosa 6-fosfatodeshidrogenasa (G6PD),que forma 5-fosfogluconato-lactona.

La lactona es hidrolizada para dar el acidolibre 6-fosfogluconato por una lactonasaespecifica.

El 6-fosfogluconato es oxidada ydescarboxilado por la 6-fosfogluconatodeshidrogenasa formando la cetopentosaribulosa 5-fosfato.

La fosfopentosa isomerasa convierte laribulosa 5-fosfato en su isomero aldosaribosa 5-fosfato.

El resultado neto es la producción deNADPH, un reductor para las reaccionesbiosintéticas, y de ribosa5-fosfato, unprecursor de la síntesis de nucleótidos.

Oxidación de la glucosa 6-fosfato por laglucosa 6-fosfatodeshidrogenasa (G6PD),que forma 5-fosfogluconato-lactona.

La lactona es hidrolizada para dar el acidolibre 6-fosfogluconato por una lactonasaespecifica.

El 6-fosfogluconato es oxidada ydescarboxilado por la 6-fosfogluconatodeshidrogenasa formando la cetopentosaribulosa 5-fosfato.

La fosfopentosa isomerasa convierte laribulosa 5-fosfato en su isomero aldosaribosa 5-fosfato.

El resultado neto es la producción deNADPH, un reductor para las reaccionesbiosintéticas, y de ribosa5-fosfato, unprecursor de la síntesis de nucleótidos.