Clase 16Metabolismo intermediario

Síntesis de ATP y balance de la producción de ATP.

Tenemos como regla general que la cantidad de NADH, y el FADH tiene que ser iguales en la glicólisis, y por eso se recurre en algunos organismos a una fermentación láctica y en otros organismos a una fermentación tipo alcohólica o etanólica. Ahora el problema con la situación con oxigeno es totalmente distinta. El piruvato o acido pirúvico es transformado a la molécula “acetil coenzima A”, (AchA), que ahí hace un complejo multi-enzimático llamado complejo piruvato-deshidrogenasa, que está constituido por tres enzimas. Y ese piruvato transformado a AchA va a entrar en un ciclo, denominado el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, el cual va a hacer transformado a CO2, entran dos átomos de carbono y van a salir dos átomos de carbono, pero en el ínter tanto generan lo que sale acá, NADH y FADH, el poder reductor lo que vamos a enseñar hoy día, ¿Por qué? Porque este poder reductor va a ir a la cadena transportadora de electrones, para sintetizar ATP. Acá tenemos el ciclo de Krebs, el complejo piruvato deshidrogenasa tienen que entrar dos carbonos, y salir dos carbonos, pero se producía NADH y FADH. Por lo tanto vimos que la glucosa, genera piruvato, el piruvato AchA y AchA genera CO2. Esto es lo que se denomina respiración, y vamos a producir CO2. Por otro lado, vimos que los intermediarios del ciclo de Krebs, tienen otras vías metabólicas, en un concepto que principalmente se llamaba Anabolismo, se acuerdan de eso? Catabolismo, es desecho, y Anabolismo es síntesis. Entonces el oxalacetato, puede servir para sintetizar aminoácidos, y el Ach A para sintetizar porfirina, y Uds. se preguntarán. ¿ Qué diablos es la porfirina? La porfirina es la base para un anillo hémico, tenemos anillos hémicos en la Hemoglobina y en la Mioglobina.

El alfa acetal-glutamato nos va a servir para sintetizar otros aminoácidos, y al final para sintetizar purina, es decir lo que se necesita para el metabolismo de los ac. Nucleicos . Por otro lado el citrato nos sirve para sintetizar ac. Grasos. Por lo tanto es importante destacar lo que sale acá “El ciclo de Krebs provee de materia prima, para sintetizar la mayoría de las biomoléculas de las células.” Esto es lo que vamos a ver hoy día la Fosforilación Oxidativa. ¿Alguien sabe lo que es una fosforilación oxidativa? Es agregar un fosfato, y ¿porque oxidativa? Porque se va a poder usar el poder reductor para oxidar, y así obtener un fosfato.

Este proceso de cadena de transportadora de electrones, ocurre en un organelo, que se denomina la mitocondria, se acuerdan que la clase pasada, donde yo les había dicho que las células eucarióticas habían hecho un “autoctting” ( no se entiende, pero es como autor”) de su proceso energético si o no ? Que significa eso? Que las células eucarióticas , que para subsistir lo único que hicieron fue agarrar algo que ya esta hecho. Es decir, tomar una célula procariótica, de una bacteria, que tiene dos membranas y golgi, y ocupar eso como un generador de energía, esto va a ocurrir dentro de la célula. Dentro de esta mitocondria hay una serie de estructuras similares a una célula, a lo que puede tener una célula, tenemos ribosomas, membranas dobles, exclusive material genético mitocondrial, uds pueden decir que son mitocondrias de su madre! (risas varias, para amenizar el estudio) Es cierto, cuando llega un espermatozoide, el espermatozoide provee principalmente al núcleo , como se llama la fusión de núcleos? Cariogamia., Va a ver

fusión de núcleos , de material genético N y el material genético del espermio. Pero quien pone el citoplasma? El óvulo por lo tanto el material genético idéntico al de su madre son el material

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genético de la mitocondria. Porque la mitocondria está en el citoplasma, y el citoplasma lo pone el óvulo, por lo tanto son Mitocondria de su madre. Podemos hacer así una línea genealógica , con lo que se denomina ADN mitocondrial, pero eso lo van a ver mas adelante. Ahora si yo quiero estudiar la línea paterna. ¿Qué es lo que tengo que revisar? ¿ Qué es lo único que aporta el padre? El cromosoma Y ( que son mal pensados jajaja ) La única manera de hacer una línea paterna es haber estudiado el cromosoma Y. Si yo estudio el linaje materno, debo estudiar el ADN mitocondrial.

Bueno volviendo al metabolismo, y una vez que ya han despertado. Todo el proceso de ciclo de Krebs y de fosforilación oxidativa que ocurre en la mitocondria. Tanto esto, en beach ( lo

ven acá) y los varones en un café medio claro, las damas deben reconocer que los hombres tenemos una tarjeta de video de 16 colores, y los que son pintores 256. Bueno, esto café, representa la mitocondria. En la membrana mitocondrial tenemos, el citoplasma que se llama matriz, y esta cara de la membrana que da hacía la matriz , se llama cara N, de lado N. Acá hay un espacio, que no se nota mucho, donde hay una segunda membrana, acá se llama membrana externa mitocondrial, y el espacio entre las dos membranas se llama, espacio intermembrana. Y este lado de la

membrana, que esta en el espacio intermembrana , se llama lado P . Si esta es la mitocondria ( no soy muy bueno para el dibujo) Acá tenemos los complejos asociados a la cadena transportadora de electrones, y como los científicos son brillantes, el primer complejo, le pusieron complejo I ,

al segundo complejo II, y al tercero complejo III, y el último complejo IV. Que va a ocurrir entonces en este complejo? En esta cadena transportadora de electrones, van a ver una serie de reacciones de oxido-reducción, cuando compuesto como el NADH y el FADH van a entregar sus electrones a estos complejos de proteínas, y eso va a producir procesos

de oxido-reducción que van a culminar con la reducción del oxigeno a agua. Entonces la cadena transportadora, constituida por cuatro complejos van a seguir una serie de procesos de oxido reducción. Esto culmina con la reducción del oxigeno al agua, y ¿uds me dirán para que sirve esto?. Ocurre que yo necesito generar energía, para sintetizar ATP, es decir para hacer la adición de un fosfato, y para eso vamos a utilizar lo que se denomina una Fuerza-Protón-electrón motriz, que vamos a hacer mover una enzima a base de energía, producto de las oxido reducciones que ocurre acá. ¿Pero, por qué, ocurren oxido-reducción? Porque las proteínas que conformas los distintos complejos, están constituidos por metales o centros metálicos que son capaces de oxidarse y reducirse, si yo entrego electrones, el metal se reduce, por lo tanto vamos a pasar de un estado oxidado en que se encuentran habitualmente estas nanoproteínas o metalo-proteínas que van a pasar a un estado reducido, luego ellos van a entregar electrones y ellos se van a volver a oxidar y por eso se llama cadena. Los centros metálicos mas comunes es el que ven uds, en general en la hemoglobina, el Hierro y los puentes azufre son importantes para fijar estas moléculas de hierro, formando una estructura de plano, o formando proteínas que tienen doble hierro, esto va a posibilitar que halla un flujo de electrones y protones desde un sitio a otro de la

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membrana. ¿me entienden la idea? Es mas o menos complejo, pero la idea es que los complejos que están formando la cadena transportadora de electrones tienen metales. Cuando yo tengo un centro metálico, como azufre, hierro, o los que formas estos

complejos, están utilizando los electrones de la nube “d”, los que no formar enlaces sigma, ni enlaces pi, si no que van a formar unos enlaces que se llaman enlaces de coordinación. Por lo tanto un hierro, dependiendo del estado de oxidación, puede formar un complejo, por ejemplo unido a agua, un enlace de coordinación, en un plano cuadrado, es decir que estén todos en un mismo plano. Si cambia de estado de oxidación y puede unir más agua y formar lo que se llama, una pirámide de base cuadrada. Este complejo sería hierro y va a tener carga, por ejemplo +2, este tipo de molécula se llama complejo, esto existe en la mayoría de las proteínas que tienen metales, entonces los azufre que están acá, los enlaces disulfuros formarían parte de estos ligantes, que están generando estas estructuras de coordinación. mas de esto, no necesitan saber uds por el momento .

¿ Qué pasa con los complejos ? El primer complejo I, aparte de ese nombre se llama NADH deshidrogenasa , es una complejo proteico, compuesto por 42 subunidades y una masa micro-molecurar de 350 o 650 kD ( no se entiende muy bien), y de las 42, dan un total de 14 subunidades, porque muchas de ellas son homoproteínas, y tiene como grupo prostético o como cadena de metales que se llama desafine mononucleótido, con centros de hierro y azufre.

Por otra parte el complejo II, que es un poco mas pequeñito, se llama succinato-deshidrogenasa , tiene una masa molecular bastante mas pequeña de 145 kDa, posee sólo 5 subunidades y tiene como cofactor el grupo prostético FADH y proteínas de Hierro y azufre.

El

complejo III se llama “ubiquinona-citocromo-

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c- oxido reductasa citocromo C1”, con una masa molecular de 250 kDa, tiene 8 subunidades, los sistemas de oxido-reducción, hay sistemas hemicos con hierro y sistemas de proteínas con hierro y azufre.

Y por último el complejo IV, llamado citocromo oxidasa 160 kDa, tiene 13 subunidades, tiene centros hémicos, y tiene centros de cobre.

Por lo tanto existen centros metálicos, de Hierro-Azufre, grupo hémico, y de Cobre dentro de los complejos de la cadena transportadora de electrones. El hierro tiene estado de oxidación +2, +3, y el cobre +1, +2 .

¿ Cómo se estudia este sistema de transportadores de electrones? Como buen bioquímico, lo que tenemos que hacer es disectar el sistema, y esto se hace se hace rompiendo, ahora como podemos romper una célula., cambiando los medios, ya sea hipotónico o hipertónico, y se va a reventar la célula, Al reventar la célula vamos a tener trozos de membrana y ahora si por una solubilización de membrana y una centrifugación yo puedo separar cada uno de los componentes y asi pudieron aislar el complejo I, II, III y IV, y por último el encargado de la síntesis de ATP, el complejo ATP sintasa, Después de estudiarlos, llegaron a la conclusión de

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que el complejo I, es el que recibe los electrones del NADH, este da sus electrones a la proteínas que están formando el complejo I, y ese al pasar los electrones va a pasar de un estado reducido a un estado oxidado. El primer aceptor se va a reducir, pero va a entregar los electrones a otro componente, por lo tanto se vuele a oxidar, y este se reduce, y este que esta reducido, entrega los electrones a otro componente, y este se reduce y asi sucesivamente, hasta que llegamos a un intermediario que se llama la Ubiquinina o citocromo Q, que es el que va a hacer de transferencia del complejo I, al complejo III. Va a ser el puente entre la transferencia de electrones desde el complejo I, al complejo III, y esta entrega de electrones de la Ubiquinina, de estar oxidada a estar reducida va a generar la apertura de un canal, lo cual provoca un flujo de protones a través de este complejo desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana . Por lo tanto en el complejo I, hay una oxidación del NADH al NAD+ , y la entrega de electrones a la Ubiquinina para que esta se reduzca.

Este es el complejo III, la Ubiquinina le va a entregar electrones a una serie de proteínas que están acá , a la proteína citocromo C1, que tiene un grupo hémico, o al citocromo B y este a su vez al citocromo que tiene centros de hierro y azufre, y esto va a generar que se reduzca una molécula que se llama citocromo C, el cual va a entregar electrones al complejo IV, Acá están los centros de Cobre, que se van a reducir y a su vez que le van a entregar electrones al oxigeno que esta acá; el cual se va a reducir a agua. Hay flujo de protones en el complejo I , III y cunado el citocromo C reduce al complejo IV, por lo tanto hay un total de tres flujo de protones.

El complejo II, es bastante especial porque es quien va a recibir la entrega de protones de le molécula de FADH, desde el complejo I, entonces el FADH2 va a entregar los electrones, al complejo II, que tiene proteína de hierro y azufre, entonces este complejo al igual que el complejo I, puede reducir a la Ubiquinina. Si la Ubiquinina se reduce a quien le entrega electrones es al complejo III , por lo tanto se produce un paso de protones al complejo III. El complejo II no genera flujo de protones.Por lo tanto, la ubiquinina va a entregar electrones aquí y se va a reducir aquí y oxidar el citocromo B, citocromo C1, y posteriormente se reduce el citocromo c, aquí la entrega de electrones al cito c, hay 4, por tanto hay que entregar aquí, alas proteínas que tienen extractos de cobre esto va a permitir la apertura del canal de protones, y se va a reducir el oxígeno, cuantos flujos de protones se produjeron a partir del complejo dos: 2 , por lo tanto, esta es la diapositiva que ustedes tienen que recordar, tenemos la membrana externa, la membrana interna de la mitocondria, esta el complejo uno, mas complejo dos, complejo tres complejo cuatro.

Este tendido de calzones y calzoncillos deben recordar; el complejo uno va a recibir los protones de quien, del no entendi y va a determinar el flujo de protones, y que van a entregar los electrones a la ubiquinina, y esta al complejo tres, otro flujo de protones, y del complejo tres al citocromo C y de este al complejo cuatro, por lo tanto se van a generar tres flujos de protones. En cambio el FADH va a entregar al complejo dos, generando dos flujos de protones. (diapo mas importante de la clase)

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Que ocurre con los protones acumulados en el espacio intermembrana? Tienen que salir por algún lado, y la madre naturaleza escogió la ATP sintasa., como una válvula de escape a esta concentración de protones y que va a ocurrir, cuando los protones salgan de una concentración mayor a una menor, lo van a hacer por esta enzima, y esta lo único q hace por un lado es tener ADP y por otro Pi, generándose ATP, utilizando la energía proveniente del flujo de protones y del de los electrones.. gastamos ATP? No, utilizamos el poder reductor, entonces vamos a generar un potencial eléctrico a través del flujo de protones por esta enzima para la producción de ATP; se calcula que el ATP generado por cada NAD+, hay tres flujos de protones por tanto se producirán tres ATP, y por cada FAD+ dos flujos de protones por tanto, dos ATP. Hay quienes han recalculado esto y dicen que no, que por cada uno de ellos se produce 2,5 Y 1,5 respectivamente pero nosotros utilizaremos la nomenclatura anterior.La ubiquinina es un transportador o comunicador entre el complejo uno y dos o dos y tres,Recuerden que es una proteína hidrófoba que esta en la membrana interna.Entonces, esta el concepto de fuerza de protón motriz, es el desplazamiento de protones a través de la membrana utilizando la gradiente de concentración (de menor a mayor concentración de protones), para poder generar este flujo de protones utilizamos los electrones, y hubo una oxidorreducción para poder llevar estos protones contra corriente a través de la proteína, bomba de protones.Ahora como los sistemas están separados, pudieron aislarlos In Vitro y descubrieron que hay agentes que bloquean la cadena trasportadora de electrones (lo veremos en trabajo en grupo).

Cual es el veneno por excelencia de los insecticidas? el cianuro es un excelente agente antimicrobiano, pero porque no se usa como antibiótico? Porque bloquea la cadena transportadora de electrones al punto del complejo cuatro, y porque? Porque bloquea la reducción del oxígeno del agua, por tanto va a frenar la cadena en el complejo cuatro, seguido por el tres y el uno y no va a ver posibilidad de generar flujo de protones, y si no hay flujo no hay ATP, y q pasa cuando no hay ATP?

No hay procesos celulares y la célula se muere, por ejemplo los pacientes con pie diabético, en donde el oxigeno deja de llegar a los vasos periféricos producto de un adelgazamiento de ellos, y por tanto hay menor presión, entonces no hay buena circulación, no llega oxigeno, entonces se

bloquea el complejo 4, el 3, el 1, por tanto la célula se muere, hay necrosis.Por tanto hay distintos factores que pueden bloquear la cadena trasportadora, por ejemplo la ardotenona lo va a hacer a nivel del complejo 1, la actimicina A a nivel del complejo 3, el CO bloque la respiración celular a nivel del complejo 4, compitiendo con el oxígeno.

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Por tanto hay una serie de compuestos que pueden bloquear la cadena transportadora.El Dinitrofenol no lo bloquea la cadena transportadora de electrones, sino lo que hace es devolver los protones que el flujo, entonces bloquea la síntesis de ATP, y desajustar la fosforilación oxidativa.Por lo tanto deben recordar que hay trabajo termodinámico, lo que se denomina fuerza protón electrón motriz.Y recuerden que la síntesis de ATP ocurre en el complejo ATP sintasa ubicado en las mitocondrias, se ve como un ramillete de distintas subunidades y las unidades , que conforman el tallo que esta mirando hacia la matriz mitocondrial.Que tipo de estructura tiene ppalmente esta proteína? De secundaria tendría hélice, y hojas , pero en general hélice.Ahora con respecto a la estructura terciaria es un heterohectámero.Entonces tenemos una subunidad y una subunidad , en ellas se van a insertar moléculas de ADP y Pi, y estas cuando son giradas mecánicamente por el flujo de protones, van a enfrentar ambos residuos y se va a producir la síntesis de ATP, por tanto van a producirse dos ATP, y luego salen, es como un ciclo entran se transforman y salen.

Esto

formaba el ramillete la región S1 que esta en la matriz mitocondrial, o el tallo que está anclado a la membrana interna de la mitocondria.El flujo de protones va a ocurrir por aquí, y va a girar entonces las subunidades para formar ATP, recuerden que se llama ATP sintasa, porque sintetiza pero sin gasto de ATP. La parte F1 es la parte que esta en la matriz mitocondrial es hidrofilica.Por lo tanto esta zona de la matriz y esta la zona del flujo, va a pasar de mas concentrado a menos

concentrado, eso va a generar el movimiento de la ATP sintasa.Los protones pasan por F0 , el ADP+ Pi se va juntando en e sitio activo y al girar se enfrentan.

Aquí está transformado el ATP, y aquí por otro lado está saliendo el ATP. Entonces en un estado x va a estar entrando, se va a estar formando, y en otra va a estar saliendo. Esto no ocurre en cualquier momento. Se puede unir a alfa o a beta cuando esté la

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configuración para que entren los sustratos. Aquí no se pueden unir porque ya se unió. Acá tampoco porque está ocupando el ATP y acá tampoco porque está saliendo. Donde se podría unir es acá en un siguiente paso, cuando GADP tiene una estructura que acá está como cuadrado y acá pasó a ser como redondo. Cuando acá tienes vacío, tienes esto un poco más abierto para que reciba energía del ATP, hay cambios conformacionales y esto es lo que genera la rotación del ATP, no es simple pero libera.Tres flujos de protones en el caso del NADH o sea sintetiza 3 ATP, dos flujos de protones a partir de FADH2 para sintetizar 2 ATPs, girando la ATPsintaza, esa es la idea. Arquitectura más, arquitectura menos, esta es la diapositiva central de la cajahidrólisis. Bueno, el sistema de la ATPsintaza está o existe en la membrana mitocondrial. También existen una serie de otros transportadores que van a estar en el espacio intermembrana de la matriz mitocondrial, una serie de moléculas que … El ATP que se sintetiza en la matriz mitocondrial no necesariamente va a estar en el citoplasma de la célula (¨), es por eso que el ATP o la síntesis de ATP a partir de azúcar va a estar compartimentalizada; por un lado la glicólisis que va a estar en el citosol, y por otro lado la cadena transportadora de electrones que va a ocurrir en la mitocondria. Por lo tanto para que el ATP se mueva hacia fuera tiene que utilizar transportadores que son translocadores de molécula como el adenil-nucleótido-transferasa que es un traslocador: por un lado sale ATP y por otro entra ADP, para mantener el equilibrio. Por otro lado como se necesita sintetizar ATP, el fosfato es uno de los sustratos importantes para poder movilizar entre el citoplasma de una célula y la matriz mitocondrial. Para eso existen transportadores del fosfato. Lo que hacen es llevar fosfato desde el citoplasma hacia la matriz mitocondrial, en este caso a expensas de movimiento también de protones. Por lo tanto las membranas no son permeables a no se que digan quiero ser permeable. Para ser permeables tienen que haber proteínas que muevan estas moléculas. Las únicas cosas que pueden moverse a través de la membrana son las muy hidrofóbicas y el agua. Por lo tanto la ATPsintasa nos hace un bonito ejemplo de los translocadores. Como se ve en esta diapositiva acoplados por un lado a la existencia de la matriz y a la existencia de fosfato en el medio. Por lo tanto desde el punto de vista energético, tenesmos que considerar desde la glicólisis en adelante.

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La Glucosa como fuente energética se degrada completamente en CO2 y agua, y eso en qué sitio ocurre: en la matriz mitocondrial en el ciclo de Krebs. Por lo tanto la glucosa oxidada a CO2 y agua, ya, y con la producción del oxígeno molecular se van a producir 190 kcal/mol, y esta secuencia que se ve tan fácil representa un proceso metabólico complejo. La glucosa oxidada, es decir, tomamos la glucosa, la transformamos en glucosa-6-fosfato, de glucosa 6-fosfato pasamos a fructosa-6-fosfato fructosa-1,6-difosfato, etc. (dice cada uno de los d la glicólisis). En presencia de oxígeno vamos a transformar el piruvato en acetil-CoA, y éste va a entrar al ciclo de Krebs, y se va a unir al oxalacetato generando citrato, después a isocitrato,

después a alfa cetoglutarato, dps a succinil CoA, dps a succinato dps a fumarato dps a malato y finalmente nuevamente oxalacetato. Y ahí volvemos nuevamente. Y lo que produce el ciclo de Krebs en FADH2 y NADH que van a ir a la cadena transportadora de electrones. Se va a oxidar en el complejo I, en el complejo III, el complejo IV, vamos a ver el flujo de protones, se va a mover la ATPsintasa generando ATP. Y estas dos líneas implican procesos metabólicos complejos. Decir que la glucosa se oxida completamente a CO2 ya vieron lo que significa molecularmente. Y

que genera 190 kcal/mol, ya saben que significa molecularmente.

Ahora, hay distintas etapas en q se genera energía, y esta energía la vamos a obtener a través de la síntesis de ATP por procesos que se llaman fosforilación a nivel de sustrato o de fosforilación oxidativa (cadena transportadora de electrones).

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Este cuadro que está acá es el balance total energético, entonces está con la anotación nueva y con la anotación antigua, y como convención decidí usar la anotación vieja.El primer paso importante para obtener energía es el que está ahí primero, como se llama?, el

paso de GADP a 1,3-difosfoglicerato. Que vamos a utilizar para sintetizar energía, vamos a usar como cofactor el NADH. Y estes proceso va a ser una fosforilación oxidativa, por qué?, porque el NADH es el que va a generar 3 ATP. Y acuérdense que también hay fosforilación a través de sustrato desde el 1,3-difosfoglicerato al 3-fosfoglicérido, por lo tanto acá va a haber ATP por producto directo, 1. El otro paso importante en la glicólisis es el paso de fosfoenolpiruvato a piruvato donde también hay una fosforilación a nivel de sustrato

donde se produce 1 ATP. Entonces hasta el momento llevamos 5 ATP. Acuérdense que 3 es de manera indirecta a través del NADH que lo forma en la cadena transportadora de electrones, y que sólo va a ocurrir cuando existen unas moléculas que se llaman lanzaderas. ¿Qué es una lanzadera? Un transportador, y van a entrar en el citosol, a la membrana, a la mitocondria, ¿por qué? Porque la cadena transportadora de electrones está en la matriz mitocondrial y el NADH de la glicólisis está en el citosol por lo tanto a través de una lanzadera es la única manera que este NADH entre a la mitocondria. El ácido pirúvico es transformado a acetil CoA en un proceso que genera NADH, esta molécula de NADH va a generar por fosforilación oxidativa 3 moléculas de ATP, TAMBIÉN EN UN PROCESO QUE ES MEDIADO POR UNA LANZADERA. Ya dentro de la mitocondria cuando pasa de isocitrato a oxalsuccionato vamos a tener 3 ATP, dps 3 ATP,1, 2, y de malato a oxalacetato vamos a tener 3 ATP más. En total voy a tener 20 moles de ATP, pero como tengo dos moléculas de GADP por glucosa voy a tener 40 moles de ATP, pero hay que restar de acuerdo a la lanzadera que utilice. Dependiendo de la lanzadera que use voy a tener 36 o 38. Entonces neto voy a tener 40 ATP por mol de glucosa. Hay que retener 2 diapositivas: la d la fosforilación oxidativa (q la puse más arriba) y ésta que

resume todo lo que hemos visto en las últimas 3 clases (no la tengo). (podría ser esta porque es como un resumen)

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