BIOQUIMICATercer Parcial

ENZIMAS

Las enzimas son polímeros biológicos que catalizan las reacciones químicas que hacen la vida posible como se conoce. La presencia y conservación de un conjunto completo y equilibrado de enzimas que son esenciales para la desintegración de los nutrientes a fin de proporcionar la energía y las unidades químicas de construcción; para el ensamble de esas unidades de construcción en proteínas, DNA, membranas, células y tejido para el aprovechamiento de la energía para impulsar la motilidad celular y la contracción del músculo. Con excepción de unas moléculas de RNA catalizadoras, o ribosomas, la mayoría de las enzimas son proteínas.

Las deficiencias en la cantidad o la actividad catalíticas de las enzimas claves pueden ser ocasionados por defectos genéticos, deficiencias de nutrientes o toxinas. Las enzimas defectuosas pueden ser el resultado de mutaciones genéticas o infección por patógenos virales o bacterianos. Los científicos médicos atienden los desequilibrios en la actividad enzimática por medio de agentes farmacológicos que inhiben enzimas específicas, y están investigando la terapia génica como medio para remediar las deficiencias o función de la enzima.

LAS ENZIMAS SON CATALIZADORES EFICACES Y MUY ESPECÍFICOS

Las enzimas que catalizan la conversión de uno o más compuestos (sustratos) en uno o más compuestos distintos (productos) mejoran la velocidad de reacción no catalizadas correspondientes por factores de por lo menos 106. Al igual que todos los catalizadores las enzimas no se consumen, ni se modifican en forma permanente como consecuencia de su participación en una reacción.

La especificidad de las enzimas puede ser de tres clases:

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a. Especificidad absoluta, cuando únicamente actúa sobre un sustrato, ejemplo ureasa actúa sobre la urea.

b. Especificidad relativa, cuando una enzima actúa sobre dos o más sustratos, aunque con diferente intensidad, por ejemplo la lipasa actúa sobre los ácidos grasos.

c. Especificidad de la vía de reacción. Cuando una enzima descompone un sustrato de manera especial. Esta especificidad esta ligada a la naturaleza de la coenzima.

Son catalizadores extremadamente selectivos, pueden actuar a nivel intra o extracelular. Son específicas tanto para el tipo de reacción catalizada como para un solo sustrato o un pequeño conjunto de sustratos estrechamente relacionados. Son solubles en agua y tienen gran difusibilidad en los liquidos organicos. Las enzimas son catalizadores estero específicos y, por lo general, catalizan reacciones solo de estéreo isómeros específicos de un determinado compuesto por ejemplo D-pero no L-azucares, L-pero no D-aminoácidos. La sintetizan tanto los seres autotróficos como los heterotróficos.

Son susceptibles de ser inhibidas- No alteran el equilibrio de las reacciones. Intercambian diferentes formas de energía – Son activas a concentraciones pequeñas.

CENTRO ACTIVOLas propiedades catalíticas de las enzimas se deben a la existencia de ellas de un centro activo al que se une al sustrato durante el ciclo catalítico. La cual es una zona de proteínas enzimáticas que se unen al sustrato formando un complejo enzima sustrato que cataliza sus transformaciones y es responsable de la especificidad y de la actividad catalítica de la enzima, sin embargo el grado de especificidad de la enzima es variable. Las izoenzimas son proteínas distintas que catalizan la misma reacción. E + S ↔ E.S. ↔ E + PModelo de Fisher: (Llave cerradura)

Modelo de Koshland – Netf (Ajuste inducido)

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La especificidad de las enzimas se explica mediante el modelo de la llave y la cerradura, propuesto por Fisher, el cual la forma del centro activo es complementaria de la del sustrato y encaja perfectamente en éste. Sin embargo, se sabe que al unirse el sustrato a la enzima se puede producir deformaciones en algún enlace del sustrato de la enzima o de ambos. La reacción de esta deformación seria precisamente llegar a alcanzar una mayor complementariedad entre el centro activo y el sustrato. Esta idea fue de Koshland y Neet en 1968 en modelo de guante y la mano o modelo de ajuste inducido.

Los enlaces que se presentan en este complejo enzima-sustrato suelen ser de tipo no covalente, y por lo tanto, débiles. La unión de la enzima sustrato es un producto reversible.

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS

Se enumeran seis clases de enzimas que son:

Clase 1: Las oxidorreductasa catalizan oxidaciones y reducciones, ejemplo; succinato deshidrogenasa a la citocromo oxidasa.

Clase 2: Las transferasas catalizan las transferencias de grupo como metilo o glucosilo de una molécula aceptora, por ejemplo:Glucosa + ATP ------------- ADP + Glucosa-6-P

Clase 3: Las hidrolasas catalizan la ruptura hidrolitica de los enlaces C-C, C-O, C-N, P-O y algunos otros incluso enlaces ácidos anhídridos. Ejemplo:Lactosa + Agua ------------- Glucosa + Galactosa

Clase 4: Las liasas catalizan la ruptura de los enlaces C-C, C-O, C-N y otros enlaces mediante eliminación, dejando enlace doble pero también agregan grupo a los enlaces dobles. Ejemplo:Ácido acetacetico ------------- CO2 + Acetona

Clase 5: Las isomerazas catalizan cambios geométricos o estructuras dentro de una sola molécula. Ejemplo: Gliceraldehído 3-P ------------- Dihidroxiacetona P

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Clase 6: Las ligazas catalizan la unión de 2 moleculas acopladas a la hidrólisis de un grupo pirofosforilo en el ATP o un trifosfato nucleosido similar, ejemplo:Piruvato + CO2 + ATP ------------- Oxalacetato + ADP + Pi

Los grupos protéticos, cofactores y coenzimas desempeñan papeles importantes en la catálisis. Muchas coenzimas contienen pequeñas moléculas no proteicas e iones metálicos que se relacionan de manera directa en la unión o catálisis del sustrato.Los grupos prostéticos están fuertemente integrados a la estructura de la enzima.Los cofactores se asocian en forma reversible con la enzima a los sustratos.Muchas coenzimas, cofactores y grupos prostéticos provienen de la vitamina B.

COENZIMAS

Son moléculas orgánicas específicas no proteicas que catalizan la reacción de la enzima. Las coenzimas se unen a una enzima para ayudarla a actuar sobre los substratos, es decir, actúan como coadyuvantes de la función enzimática. Actúan como aceptores o donadores de grupos o átomos que se eliminan o incorporan al substrato.

Algunos autores consideran a las coenzimas: Grupos prostéticos de las enzimas.

Los llamados cofactores se diferencian de las coenzimas porque en vez de moléculas orgánicas son iones metálicos, Ej.: El ión magnesio de la enzima que utiliza A.T.P., el ión cúprico de la citocromooxidasa, el ión ferroso de los citocromos frecuentemente las coenzimas se forman a partir de las vitaminas del complejo B.

Hay 2 clases de coenzimas:

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1. Las que actúan para transferir grupos distintos de hidrógeno: Son el A.T.P., coenzima A, fosfatos de azucares, ácidos lipoicos, vitaminas del complejo B.

2. Las que actúan para transferir hidrógeno: Son el ácido lipoico, coenzima Q (ubiquinona, oxidasa y reducida), N.A.D., N.A.D.P., F.M.N., F.A.D.

Las enzimas que necesitan de las coenzimas para sus reacciones son las de la clase 1 (oxidorreductasa), 2 (transferasa), 5 (isomerasa), 6 (ligasa). Las enzimas de la clase 3 (hidrolasa) y 4 (liasas) no requieren de coenzimas.

ACTIVADORES E INHIBIDORES ENZIMÁTICOS

Los activadores de la acción enzimática son aquellas sustancias que favorecen el trabajo de las enzimas. Pueden ser inorgánicos como el HCl, NaCl, algunos iones metálicos (K, Ca, Fe), etc., y orgánicos como la vitamina C, las coenzimas, las quinasas (cinasas).

Antienzimas o inhibidores enzimáticos o paralizadores, son aquellas sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática.

Pueden ser de 3 clases:

a. Competitivos: Son aquellos compuestos que tienen estructuras químicas análoga al substrato. Engañan a la enzima para formar el complejo EI (enzima-inhibidores) en vez de ES (enzima-substrato). Actúan como agentes quimioterapéuticos potentes, tales como los medicamentos conocidos como: sulfamidicos cuando bloquean las reacciones enzimáticas de los parásitos o bacterias. Muchos microorganismos requieren ácido para amino-benzoico (PABA), para formar ácido fólico; los sulfamidicos tienen estructura similar al PABA, y se formará el complejo E-sulfa, que impide la formación del ácido fólico, cuya deficiencia es mortal para los microbios.

b. No Competitivos: Pueden ser reversibles, cuando retardan la acción enzimática pero no la impiden. Pueden ser irreversibles y actúan como venenos enzimáticos porque producen una reacción enzimática

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irreversible, como los ácidos fuertes, álcalis concentrados, metales pesados, oxidantes, etc.

c. Alostéricos: Es cuando una sustancia se une a la enzima en un punto distinto al sitio activo de la enzima para producir un cambio en la configuración de la enzima. Esta inhibición enzimática es la de mayor importancia fisiológica.

PROENZIMAS (Zimogenos) Son los precursores de las enzimas y corresponden a la forma inactiva de las enzimas. Para volverse catabólicamente activas las proenzimas deben experimentar una proteólisis. Este es el caso del zimogeno pepsinógeno, que se elabora y se segrega por las células principales de la mucosa gástrica. El pepsinógeno, por acción de la misma pepsina y la acidez del jugo gástrico se convierte en la enzima activa, llamada pepsina.

Las proenzimas son características de las enzimas digestivas, de las enzimas de la coagulación sanguínea y de las que disuelven los coágulos sanguíneos.

Otra clase de proenzima, es la proinsulina.

ISOZIMAS (Isoenzimas)

Son formas físicamente diferentes de la misma enzima que tienen la misma actividad catalítica.

FACTORES QUE MODIFICAN LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

Para que una reacción enzimática se realice en forma eficiente y de resultados óptimos se requieren varios factores:

a. Concentración de la Enzima: Las enzimas actúan en pequeñísimas cantidades con relación al substrato. En condiciones apropiadas, la velocidad de una reacción enzimática será directamente proporcional a la cantidad de enzima presente.

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b. Concentración del substrato: La relación entre las concentraciones de enzima y substrato es importante para determinar la velocidad y la intensidad de una reacción enzimática. La concentración del substrato determina el grado de saturación de las enzimas.

c. Temperatura: A 0° C la actividad de una enzima es nula, pero no se destruye; al aumentar la temperatura la enzima recupera su actividad y alcanza su máxima actividad. La temperatura óptima de la reacción es de 37° C.

- A los 70° C las enzimas se destruyen, o sea, que son termolábiles, y este proceso es irreversible.

- La velocidad se duplica cuando aumenta la temperatura en 10° C y se reduce a la mitad cuando la temperatura decrece en 10° C.

- La temperatura óptima depende del medio en que vive la célula.

d. pH: Cada enzima tiene un pH óptimo, por encima o por debajo de este valor las enzimas disminuyen su actividad hasta volverse inactivas.

Los valores óptimos de pH van de 5.0 a 9.0 excepto algunas como la pepsina.

El pH afecta el estado iónico de la enzima y el substrato.

LAS ENZIMAS EN EL DIAGNÓSTICO CLÍNICO

La enzimología clínica constituye un gran aporte al diagnóstico de muchas enfermedades.

Tabla. Algunas enzimas de interés clínico

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Enzima Alteración

α-amilasa Elevada en la pancreatitis aguda, o en la insuficiencia renal crónica.

Disminuida en casos de pérdida importante de función pancreática, como la fibrosis quística.

Creatina cinasa (CK) Elevada en el infarto de miocardio (isoenzima MB), y en las afecciones musculares (isoenzima MM).

Lactato deshidrogenasa

(LDH)

Hasta cierto punto inespecífica debido a su ubicuidad.

Elevada en patologías musculares, cardiacas, renales, hepáticas, y en anemias hemolíticas.

Aminotransferasas (transaminasas)

Elevadas en enfermedades hepáticas como la hepatitis o la cirrosis.

γ-glutamil-transferasa (γ-GT)

Elevada en enfermedades hepatobiliares y en el alcoholismo.

Fosfatasa alcalina Elevada en las hepatopatías.

Fosfatasa ácida La isoenzima prostática se eleva en el cáncer de próstata.

Enzima convertidora de angiotensina

Elevada en el cáncer de pulmón.

Acetilcolinesterasa Disminuida en enfermedades hepáticas y en el infarto de miocardio.

Disminuida tras la intoxicación con insecticidas organofosforados.

Tercer parcialBIOENERGÉTICA

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El estudio de los principios de la termodinámica y las características que regulan las transferencias de energía.

Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de energía que obtienen de su entorno.

Las células fotosintéticas.Las células heterotróficas.

Transferencia de energía en los heterotróficos obtienen su energía a partir de la degradación de nutrientes en procesos oxidativos típicamente exergonicos (que liberan energía), acoplados mediante intermediarios apropiados, a procesos endergonico o que requieren energía para poder realizarse.

FLUJO DE ENERGÍA EN LAS CÉLULAS

El proceso primario en la liberación de energía química útil es la de degradación oxidativa de las moléculas de nutrientes orgánicos tales como la glucosa.

Oxidación: Perdida de electrones por parte de un átomo o molécula.

Reducción. Ganancia de electrones.

Los dadores de electrones son agentes reductores y los aceptores de electrones son agentes oxidantes.

Los dadores de electrones son los nutrientes como la glucosa, ácidos grasos y aminoácidos.

AEROBIOS, utilizan el oxigeno como aceptor final.

FERMENTACIÓN. Las moléculas de nutrientes experimentan oxido – reducción en ausencia de oxigeno.El proceso de oxidación o transferencia de electrones de los nutrientes es la fuente principal de energía química en las células; en las aeróbicas

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el oxidante o el aceptor de electrones es el oxigeno y en las anaerobias puede ser una sustancia orgánica derivada de la misma molécula de nutrientes.

Parte de la energía liberada en los procesos oxidativos se conservan en energía química mediante el ATP. Es una especie de transportador de energía química desde las moléculas de nutrientes hacia aquellos procesos o relaciones de la célula que solo se realizan si se le suministra energía.CO2 ATP

Oxidación productora de Biosíntesis Transporte Contracciónenergía de las moléculas (Trabajo (Trabajo (Trabajocombustibles Químico) Osmótico) Mecánico)

O2 ADP + Pi

El ATP es el intermediario que a nivel biológico acopla procesos que liberan energía con procesos que requieren energía.

EL SISTEMA ATP-ADP Y LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA QUÍMICA

Tres son las observaciones:a. La demostración de que el ATP por fosforilización del ADP durante la

degradación de la glucosa en extractos de tejido de animales.b. El descubrimiento de que el ATP se hidroliza durante la contracción

muscular.c. El hallazgo de que el ATP promueve la síntesis del glucógeno in vitro.

Por lo tanto, el ATP es un vinculo de unión entre el proceso que libera energía (exergonicos) y procesos que requieren energía (endergonico).

GLUCOLISISImportancia biomédica

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Casi todos los tejidos tienenen al menos ciertos requerimientos de glucosa. En el cerebro esa demanda es considerable. Puede funcionar de manera aerobica y anaerobia según la disponibilidad de oxigeno y la cadena de transporte de electrones. Los eritrocitos que carecen de mitocondrias, dependen por completo de la glucosa como su combustible metabolico y la metabolizan mediante glucolisis anaeróbicas.Las enfermedades en las cuales hay deficiencia de las enzimas de la glucolisis (piruvatocinasa) se observa como anemia hemolítica o si el defecto afecta el musculo esquelético (fosfofructosinasa) como fatiga. En las células cancerosas en crecimiento rápido, la glucolisis produce un índice alto,formando grandes cantidades de piruvato, el cual es reducido a lactato y luego es exportado.Del griego glycos: azúcar y lysis: rupturas. Es el primer paso de la respiración, es una secuencia compleja de reacciones que se realizan en el cito sol de la célula y por el cual la molécula de glucosa se desdobla en 2 moléculas de ácido piruvico.

Es el ciclo metabólico más difundido en la naturaleza, también se le conoce como ciclo de Embden- Meyerhof. Se le encuentra en los 5 reinos. Muchos organismos obtienen su energía únicamente por la utilización de este ciclo. El mismo esta catalizado por 11 enzimas que se encuentran en el citoplasma de la célula pero no en las mitocondrias.

El ciclo se puede dividir en dos etapas:

1- Fase de inversión de energía: En esta etapa de preparación fase de 6 carbono) se activa la glucosa con el agregado de 2 grupo fosfatos proveniente del ATP, gasto neto de 2 Pi (o sea 2 uniones de alta energía). La molécula de glucosa se divide en 2 moléculas de 3 carbonos: el gliceraldehido-3- fosfato (G3P) y la dihidroxiacetona fosfato esta última luego se transforma en gliceraldehido 3 fosfato G3P.

.

• Fase de oxidación (producción de energía): Cada gliceraldehido 3- P se oxida hasta piruvato, en la primera fase se invierten 2 ATP y durante esta fase se liberan 4 moleculas de ATP lo que da un

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rendimiento neto de 2 ATP Parte de la energía producida es temporariamente guardada como NADH (reducido). Parte es usada para agregar un fosfato inorgánico a la molécula de 3 carbonos para dar origen al ácido 1-3 difosfoglicerico. El resto de la energía se libera como calor.

En las reacciones que siguen los grupos fosfatos de 1-3 difosfoglicericos son cedidos (uno por vez) al ADP para formar ATP. Esto se conoce como fosforilización a nivel del sustrato.y luego sigue las reaccines hasta producir piruvato.

FASE DE INVERSIÓN DE ENERGÍA

GlucosaATP FosforilizaciónADP Hexoquinasa

Glucosa 6-P Isomerización Fosfoglucoisomerasa

Fructosa 6-P ATP Fosforilización ADP Fosfofructoquinasa

Fructosa bifosfatoRupturaAldolasaDihidrociatenafosfato

Gliceraldehido 3-P

Reacción 1-Primera Inversión de ATPGlucosa + ATP Mg (1) α-D-Glucosa 6-P + AP + H+

Hexoquinasa

Reacción 2 – Isomerización de la Glucosa – 6 – Fosfato

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1

2

3

α-D-Glucosa 6-Fosfato (2) D-Fructosa – 6 – Fosfato

Reacción 3- Segunda Inversión de ATPD-Fructosa-6-P + ATP Mg (3) Fructosa 1,6 – Bifosfato + ADP +Pi

Reacción 4 – Fragmentación en 2 Triosa fosfatoFructosa 1,6-Bifosfato (4) Dihidrociateno + D-Gliceraldehído 3-FosfatoReacción 5- Isomerización de la DihidroxiacetonafosfatoDihidroxiacetona fosfato (5) D-Gliceraldehido 3-Fosfato

Enzimas que intervienen1. Hexoquinasa2. Fosfoglucoisomerasa3. Fosfofructoquinasa4. Aldolasa

Reacción 6-10- Fase de generación de energíaGliceraldehido 3-FosfatoOxidación y 2NAD + 2PiFosforilización 2NADH + 2H+

1.3 Bifosfoglicerato Fosforilización 2ADPA nivel del P 2ATP

3-FosfogliceratoIsomerización

2-FosfogliceratoDeshidratación H2O

Fosfoenolpiruvato Fosforilización 2ADPA nivel del P 2ATP

2 Piruvato

Reacción 6: Generación del 1° Compuesto de alta energía

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Gliceraldehído 3-Fosfato + NAD + Pi (1) 1-3-Bifosfoglicerato + NADPH2

+ H2

Reacci´n 7: Primera fosforilización a nivel del sustrato1.3- Bifosfoglicerato + ADP Mg (2) 3-Fosfoglicerato + ATP

Reacción 8: Preparación para la síntesis del siguiente compuesto de alta energía3-Fosfoglicerato Mg2+ 2-Fosfoglicerato

(3)Reacción 9: Síntesis del 2° compuesto de alta energía2-Fosfoglicerato Mg2+ Fosfoenolpiruvato + H2O

(4)Reacción 10: Segunda fosforilización a nivel del sustratoFosfoenolpiruvato + ADP Mg2+ Piruvato

(5)Enzimas1. Gliceraldehído 3-Fosfato deshidrogenasa2. Fosfogliceratoquinasa3. Fosfogliceratomutasa4. Enolasa5. Piruvatoquinasa

ASPECTOS CLÍNICOS

Al inhibirse el metabolismo del piruvato se produce acidosis láctica

Los iones arseniato y mercúrico reaccionan con los grupos -SH del ácido lipoico e inhiben a la piruvato deshidrogenasa, como sucede cuando hay deficiencia de tiamina en la dieta, con lo que se favorece la acumulación de piruvato. Las personas alcohólicas con desnutrición sufren deficiencia de tiamina y podrían manifestar, en algún momento, acidosis pirúvica o láctica potencialmente fatal. Los pacientes con deficiencia hereditaria de la piruvato deshidrogenasa, cuya causa pueden ser defectos en uno o más de los componentes del complejo enzimático, también presentan acidosis láctica, en particular después de una carga de glucosa. Corno resultado de su dependencia de la glucosa como combustible, el cerebro

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es un tejido sobresaliente donde estos defectos metabólicos se manifiestan como perturbaciones neurológicas.

La deficiencia hereditaria de la aldolasa A y la deficiencia de la piruvato cinasa en los eritrocitos causan anemia hemolítica. La capacidad de ejercicio en pacientes con deficiencia de fosfofructocinasa muscular es baja, en particular con dietas altas en carbohidratos. Si se suministra combustible lipídico, por ejemplo, durante el ayuno, cuando se incrementan los ácidos grasos libres de la sangre así como los cuerpos cetónicos, se mejora la capacidad de trabajo.

La glucólisis es la vía citosólica de las células de los mamíferos para el metabolismo de la glucosa (o glucógeno) en piruvato y lactato.

Funciona de manera anaerobia al regenerar NAD+ oxidado (requerido en la reacción de la deshidrogenasa de gliceraldehído-3-fosfato) reduciendo el piruvato hasta lactato.

El lactato es el producto final de la glucólisis en condiciones anaerobias (p. ej., en el ejercicio muscular) o cuando está ausente la maquinaria metabólica para oxidar más al piruvato (p. ej., en los eritrocitos).

Tres enzimas que catalizan reacciones no en equilibrio: hexocinasa, fosfofructocinasa y piruvato cinasa regulan la glucólisis.

GLICOLIS ANAEROBICA

Bajo condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno) la degradación de la glocosa produce lactato.

Ecuación General:Glucosa + 2 ATP + 2 Pi → 2 Lactato + 2 ADP + 4 ATP

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Características

1. Es un proceso catabólico.2. En las primeras reacciones se consume energía (2 ATP) pero luego se

produce (4 ATP).3. Si la degradación se inicia con la molécula de glucosa, la producción

neta de ATP es de 2 moléculas; si se inicia en glicógeno, se forman 3 ATP.

4. Presenta 2 reacciones Redox. En una se produce NADH y en la otra se utiliza.

5. Hay dos fosforilizaciones del sustrato, una de la glucosa, la otra de la fructosa 6-Fosfato; siendo el ATP el agente fosforilante.

6. A partir de la fructosa 1,6 Difosfato se forman 2 triosas, el fofogliceraldehído y la 3-Fosfodihidroxiacetona, las cuales pueden interconvertir mutuamente y seguir la vía metabólica que el organismo requiere como 3-fosfogliceraldehído, continua la glocolisis y como 3-fosfodihidroxia que dan origen al glicerol.

7. Se producen en el musculo esquelético y en unos pocos

Balance Energético

Reacción ATP utilizado

ATP producido

1-Glucosa → Glucosa 6- Fosfato 1 -2-Fructosa 6-Fosfato → Fructosa 1,6 de (P) 1 -3-2 (1,3 de (P) Glicerato → 2(3(P) Glicerato

- 2

4-2 ((P) enol Piruvato → 2 Piruvato - 22 4

Neto = 4 – 2 = 2

En los animales el lactato producido en la glicolisis anaerobia puede ser llevado al hígado, en donde se convierte nuevamente

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COMPLEJO DE LA PIRUVATO DESHIDROGENASA

PIRUVATO + NAD+ + CoASH → Acetil CoA + NADH + H+ + CO2

1. Paso – Piruvato + TPP CO2 + Pirofosfato de hidroxietiltiamina.

2. Enzima dihidrolipamida acil transferasa → Acetilo = acetillipoamida → Acetil CoA

3. Reoxida Ac. Lipoico → Dihidrolipoamida deshidrogenasa

Piruvato descarboxilasa

COENZIMA A = p-mercaptoetilamina, ácido pantotenico y Adenosin 3’Fosfato-5-Difosfato

Deficiencia de la piruvato deshidrogenasaPresenta elevado piruvato y Alanina → Acidosis láctica crónica y trastornos neurológicos graves → muerte.Diagnóstico → Fibroblasto de la piel.

EL CICLO DEL ÁCIDO CITRICO GENERA MOLÉCULAS RICAS EN ENERGÍA

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3 EnzimasPiruvato deshidrogenasaDihidrolipecmida acil transferasaDihidrolipecmia deshidrogenasa

5 Coenzimas

Dinucleotido de nicotinamida y adenina (NAD)Coenzima A (CoA - SH)Pirofosfato de tiamina (TDP)Ácido lipoicoDinucleotido de adenina y flovina (FAD)

CO2

La acetil CoA que se forma a partir de piruvato o como producto de otras vías puede ser oxidada en el ciclo del ácido cítrico.Se deben considerar dos características:

1. Flujo de C.2. Producción de moléculas ricas en energía.

El ciclo actúa en dos fases:

1. Adicción de una porción (acetil - CoA) a un compuesto de 4C (oxalacetato) para dar un anión orgánico de 6C, el citrato seguido de la pérdida de 2C en forma de CO2.

2. Regeneración del oxalacetato.

FASE 1: INTRODUCCIÓN Y PÉRDIDA DE 2 ÁTOMOS DE C

Paso 1: Introducción de 2 átomos de C en forma de Acetil CoA.

Oxalacetato + Acetil CoA Citrato Sintetasa Citrato + CoA-SH AG = -32 K/mol

En la primera etapa de la reacción de la citrato sintasa, un protón es extraído del grupo metilo de la Acetil CoA por un residuo de Histidina de la enzima. Esta reacción genera el compuesto enormemente inestable, el Citroil – CoA que espontáneamente se hidroliza mientras está unida a la enzima para dar los productos.

Reacciones exergonicas: Los análisis cristalográficos de la enzima proporcionan una prueba excelente del modelo de ajuste inducido de la catálisis enzimática.

Paso 2: Isomerización del Citrato

Citrato Cis-Aconinato D-Isocitrato AG = + 6,3 Kcal/mol

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H2O H+

H2O

H2O

H2O

H2O

La aconitasa, el nombre común de la aconitato hidratasa, cataliza la conversión cercana al equilibrio de citrato a isocitrato.

La acción de la aconitasa convierte al citrato en un alcohol 2a oxidables. El nombre de la enzima deriva del intermediario de la reacción cis aconitato. La reacción se efectúa por eliminación de agua para formar un doble enlace C-C seguida de una adicción esteroespecífica de agua para formar isocitrato.

La enzima contiene Fe-S normalmente se asocia a una oxidoreductasa.

La aconitasa es el lugar de acción del efecto tóxico del fluoroacetato un producto vegetal que se utiliza como pesticida.

Fluoroacetato Fluroacetil – CoA Citratosintasa → Fluorocitrato

El análogo al citrato, el fluorocitrato es un inhibidor potente de la aconitasa animal y el metabolismo aeróbico vía del ciclo del ácido cítrico se bloquea en su presencia.

La reacción de la acotinasa es esteroespecífica. De los 4 diastereoisomeros posibles del isocitrato solo se produce uno. La aconitasa es una de las primeras enzimas para la que se demostró y determino la estereospecificidad.

Paso 3: Generación de CO2 por una deshidrogenasa ligada a NAD+.

Isocitrato+NAD α –cetoglutarato + NADH + CO 2 AG = -20,9 K/mol

La isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa de isocitrato para formar α-cetoglutarato (4 reacciones oxidoreductoras)

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CoASH

CoASHOxaloacetato

IsocitratoDeshidrogenasa

(NADP) (NADPH)

1. Isocitrato es oxidado por la transferencia de un ión hidruro al NAD+

reduciendo la coenzima a NADH y formando oxalusuccinato (β-ceto-ácido inestable).

2. El oxalasuccinato experimenta una descarboxilación β no enzimática α–cetoglutarato antes de que sea liberado de la enzima.

El hidroácido isocitrato es convertido al cetoácidoα-ceto-glutarato con liberación de CO2 y una mol de NAD+ es reducido a NADH. Esta reacción es irreversible metabólicamente y en E. coli se puede regular por fosforilización.

Isocitrato Oxalosuccinato a-cetoglutarato

Paso 4: Generación de un segundo CO2 por un complejo multienzimático.La cuarta reacción del ciclo es una reacción de múltiples pasos, totalmente comparable a la reacción de la piruvato deshidrogenasa.Un substrato α-cetoácido experimenta una descarboxilación oxidativa, con formación de un Acil CoA.

α-cetoglutarato + NAD+ + CoA → SuccinilCoA + CO2 + NADH AG = -33,5 K/mol

Esta reacción la cataliza el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, una agrupación enzimática semejante al complejo piruvato deshidrogenasa con tres actividades enzimáticas análogo 5 Coenzimas – TPP, NAD+, FAD, Ácido lipoico y CoA.

Una diferencia importante entre estos dos complejos multienzimáticos es que las actividades reguladoras asociadas con el complejo piruvato deshidrogenasa no se dan en el complejo α –cetoglutarato deshidrogenasa.

FASE 2: REGENERACIÓN DEL OXALACETATO

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NAD NADH+H CO2

H

Paso 5: Una fosforilización a nivel del substrato

La succinil CoA es un compuesto de alta energía y su energía potencial se utiliza para impulsar la formación de un enlace fosfato de alta energía. Esta reacción es catalizada por la Succinil – CoA sintetasa, es comparable a las dos reacciones de fosforilización a nivel del substrato en la glucolisis excepto porque en las células animales el nucleótido producto de alta energía no es el ATP sino el GTP.

Succinil CoA + Pi + GDP Succinato + GTP + CoASH AG = -2,9 Kcal/mol

Gran parte del GTP formado impulsa la síntesis final de ATP mediante la acción de la nucleosido Difosfoquinasa.

GTP + ADP GDP + ATP AG = 0,0 Kcal/mol

Aquí se forman las plantas y las bacterias (Succinil + ADP)

Paso 6: Deshidrogenasación dependiente de Flavina.

La primera de las tres reacciones que intervienen catalizadas por la succinato deshidrogenasa es la deshidrogenación dependiente del FAD de 2 carbonos saturados a un doble enlace.

Succinato + FAD Fumarato + FADH2 AG = 0 Kcal/mol

La coenzima es el FAD transfiere sus electrones a un centro Fe – S en la molécula enzimática. El FAD está unido de forma covalente a la proteína enzimática designada como E- FAD a través de un residuo de histidina especifico. La enzima está unida a la membrana mitocondrial interna.

Acción de la succinato deshidrogenasa, es también estéreo selectiva, y solo se forma el isómero tran; fumarato.

Paso 7: Hidratación de un doble enlace C-C.

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La hidratación trans estereoespecífica del doble enlace C-C cataliza la fumarato hidratasa = fumarasa.

Fumarato+H2O Malato AG = -3,8 Kcal/mol.

Paso 8: Una deshidrogenación que regenera el oxalacetato.

Malato+NAD Oxalacetato + NADH + H AG = +29,7 Kcal/molEndergónica se decanta hacia la derecha.

ESTEQUIOMETRIA Y ENERGÉTICA DEL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

1. Se eliminan 2 C → CO2

2. Se produjeron 4 reacciones de oxidación NAD+ (3 casos) FAD (1 caso).3. Generó fosfato de alta energía en una reacción.4. Regeneró el oxalcetato.

AcetilCoA + 3 H2O + 3NAD + FAD + GPP + Pi → 2CO2 + 3NADH + FADH2

+ CoASH + GTP

El ciclo del ácido cítrico toma parte en la gluconeogénesis, transaminación y desaminación

Los intermediarios del ciclo son potencialmente glucogénicos, puesto que dan lugar al oxaloacetato y, por tanto, a la producción neta de glucosa (en el hígado y el riñón, los órganos que llevan a cabo la gluconeogénesis). La enzima clave que cataliza la transferencia neta fuera del ciclo en la gluconeogénesis es la fosfoenolpiruvato carboxinasa, que descarboxila el oxaloacetato a fosfoenolpiruvato, con el GTP actuando como donador de fosfato.

La transferencia neta hacia el ciclo ocurre como resultado de varias reacciones diferentes. Entre las más importantes de estas reacciones anapleróticas está la formación de oxaloacetato mediante la carboxilación de piruvato, catalizada por la piruvato carboxilasa. Esta reacción es importante para mantener una concentración adecuada de

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oxaloacetato para la reacción de condensación con la acetil-CoA. Si se acumula la acetil-CoA, ésta actúa como activador alostérico de la piruvato carboxilasa y como inhibidor de la piruvato deshidrogenasa, de modo que se asegura un suministro de oxaloacetato. El lactato, un sustrato importante para la gluconeogénesis, entra al ciclo por medio de la oxidación a piruvato y luego la carboxilación a oxaloacetato.

En las reacciones de la aminotransferasa (transminasa) se forma piruvato a partir de alanina, oxaloacetato a partir de aspartato y α cetoglutarato a partir de glutamato. Debido a que estas reacciones son reversibles, el ciclo también sirve como fuente de estructuras de carbono para la síntesis de estos aminoácidos. Otros aminoácidos contribuyen a la gluconeogénesis porque sus estructuras de carbono dan lugar a los intermediarios del ciclo del ácido cítrico. La alanina, cisteína, glicina, hidroxiprolina, serina, treonina y triptófano producen piruvato; la arginina, histidina, glutamina y prolina producen αcetoglutarato; la isoleucina, metionina y valina dan succinil-CoA, y la tirosina y fenilalanina dan fumarato.

En los rumiantes, cuyo principal combustible metabólico son los ácidos grasos de cadena corta que se forman por la fermentación bacteriana, la conversión de propionato, el principal producto glucogénico de la fermentación en el rumen, en succinil-CoA es de gran importancia y se lleva a cabo mediante la vía de la metilmalonil-CoA.

El ciclo del ácido cítrico participa en la síntesis de ácidos grasos

La acetil-CoA, formada a partir del piruvato por la acción de la piruvato deshidrogenasa, es el elemento básico para la síntesis de los ácidos grasos de cadena larga en los no rumiantes. (En los rumiantes, la acetil-CoA se obtiene directamente del acetato.) La piruvato deshidrogenasa es una enzima mitocondrial, y la síntesis de ácidos grasos es una vía citosólica, pero la membrana mitocondrial es impermeable a la acetil-CoA. La acetil-CoA se obtiene en el citosol a partir de citrato sintetizado en la mitocondria, que se transporta al citosol y se fragmenta en una reacción catalizada por la ATP-citrato liasa.

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La regulación del ciclo del ácido cítrico depende sobre todo de un suministro de cofactores oxidadosen la mayor parte de los tejidos, en donde la función principal del ciclo del ácido cítrico se ejerce en el metabolismo productor de energía, el control respiratorio por medio de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa regula la actividad del ciclo del ácido cítrico. Por consiguiente, la actividad depende en forma inmediata del abastecimiento de NAD+, que a su vez, debido al estrecho acoplamiento entre la oxidación y la fosforilación, depende de la disponibilidad de ADP y, por tanto, de la tasa de utilización de ATP en el trabajo químico y físico. Además, algunas de las enzimas del ciclo se regulan individualmente. Los sitios más probables para la regulación son las reacciones catalizadas por la piruvato deshidrogenasa, citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α cetoglutarato deshidrogenasa. El Ca2+ activa a las deshidrogenasas; la concentración de este catión aumenta durante la contracción muscular y la secreción, cuando hay una mayor demanda de energía. En un tejido como el cerebro, que depende en gran medida de los carbohidratos para suministrar acetil-CoA, el control del ácido cítrico podría estar en la piruvato deshidrogenasa. Varias enzimas son sensibles al estado energético de la célula, que se reflejan las relaciones de [ATP]/[ADP] y [NADH]/[NAD+]. Por consiguiente, el ATP y la acil-CoA de ácidos grasos de cadena larga inhiben en forma alostérica a la citrato sintasa. La activación alostérica de la isocitrato deshidrogenasa mitocondrial dependiente de NAD+ por el ADP se contrarresta con ATP y NADH. El complejo de la α cetoglutarato deshidrogenasa se regula en la misma forma que la piruvato deshidrogenasa. El oxaloacetato inhibe a la succinato deshidrogenasa, y la disponibilidad del oxaloacetato, que está bajo control de la malato deshidrogenasa, depender de la relación [NADH]/[NAD+]. Puesto que la Km para el oxaloacetato de la citrato sintasa es del mismo orden de magnitud que su concentración mitocondrial, es probable que la concentración de oxaloacetato controle la tasa de formación del citrato. Todavía queda por resolver cuáles de estos mecanismos son importantes in vivo.

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Cuadro. Generación de ATP por el ciclo del ácido cítrico

Reacción catalizada por

Método de producción de P

Número de moléculas de ATP formadas

Isocitrato deshidrogenasa

Oxidación del NADH en la cadena respiratoria 3

α-Cetoglutarato deshidrogenasa

Oxidación del NADH en la cadena respiratoria 3

Succinat tiocinasa Oxidación a nivel de sustrato 1

Succinato deshidrogenasa

Oxidación del FADH2 en la cadena respiratoria 2

Malato deshidrogenasa

Oxidación del NADH en la cadena respiratoria 3

CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILIZACIÓN OXIDATIVA

Las mitocondrias ha sido llamada apropiadamente la planta matriz de la célula, puesto que es dentro de este organelo donde se captura la mayor parte de la energía derivada de la oxidación respiratoria. El sistema de la mitocondrias donde la respiración se acopla para la generación de intermediario de alta energía, ATP se denomina fosforilización oxidativa.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA

La fosforilización oxidativa capacita a los organismos aeróbicos para aprovechar la energía libre disponible de sustratos respiratorios en una proporción mayor que los organismos anaerobios. Algunos venenos enzimáticos inhiben la fosforilización, por lo general con consecuencias letales (cianuros, monóxido de carbono y aminobarbital). Algunos con

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defectos mitocondriales hereditario (miopatía, encefalopatía, lactacidosis).

La fosforilización oxidativa consiste en dos fenómenos acoplados estrechamente:

1- El NADH y la QH2 se oxidan por la cadena respiratoria de transporte de electrones, la cual es un complejo proteínico enclavado en la membrana, que funciona como acarreador de electrones, pasando electrones de la coenzima al oxigeno molecular. Los protones son transportados a través de la membrana interna de la matriz generando gradiente de concentraciones de protones.

2- El gradiente de concentración de protones sirve como un depósito de energía libre. Este flujo de energía dirige en forma indirecta, la reacción ADP + Pi ---------- ATP +H2O.La cadena respiratoria acepta y oxida equivalentes reductores.Toda la energía de los alimentos se vuelve disponible dentro de las mitocondrias en forma de equivalentes reductores.

Los componentes de la cadena respiratoria están colocados por orden creciente de su potencial redox.

Los electrones o el hidrogeno fluyen a través de la cadena de manera escalonada desde los componentes más electronegativos al oxigeno más electropositivo, a través de una expansión redox de 1.1 voltio del NAD+/NADH al O2/2H2O

COENZIMA Q (Ubiquinona o COQ10)

La cola isoprenoide proporciona a la molécula su carácter apolar, que permite a la CoQ una difusión rápida a través de la membrana mitocondrial interna.

La CoQ lleva electrones hacia la cadena respiratoria, no solo desde el NADH sino también del succinato y desde intermediario de la oxidación

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de los ácidos grasos. La succinato deshidrogenasa utiliza una coenzima del FAD, es una proteína de la membrana interna, transfiere los electrones a través de los centro hierro-azufre a la CoQ (succinato-coenzima Q reductasa).

La CoQ se oxida posteriormente por los citocromos, puede considerarse un punto de recogida que concentra los electrones desde varias deshidrogenasa flavo proteínicas, y los pasa al citocromo para su transporte final al O2.

CITOCROMOSEs un grupo de hemoproteina rojas o pardas que tienen un espectro de luz visibles características.Los principales citocromos respiratorios se clasifican como b, c, o a según las longitudes de onda de los máximo en absorción espectral.Entre los transportadores electrónicos respiratorios hay 3 citocromos de tipo b, los citocromos c y c1 y los citocromos a y a3, los 3 primeros contienen el grupo hemo (hemoglobina y mioglobina).

TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS RESPIRATORIOS EN LAS MITOCONDRIAS

Complejo I – Transfiere electrones del NADH a la ubiquinona o CoQInhibe: Rotenona, barbitúrico

e Demerol y mercuriales FMN NADH

NAD+

FAD NADH Matriz Deshidrogenasa

Complejo II – Transfiere electrones del succinato a la ubiquinona o CoQFumarato Inhibe: 2

TenoilFAD Succinato fluorato

acetonaII SuccinatoFADH Deshidrogenasa

Coenzima Q

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Complejo III – Transfiere electrones de la CoQ al citocromo C Fe Membrana interna

Centro Complejo III Inhibe antimicina FeS Fe-S Citocromo C Mitotiazol y

dimerca- Coenzima Q

Fe Cit-C. Oxido reductasa

Fe Citocromo CComplejo IV – Transfiere electrones del citocromo al O2

Inhibe: cianuro deFe Cit a Complejo IV potasio, monóxido

de carbono y tiolesFe Cit a3 Citocromo Oxidasa

O2 Matriz

ADP + Pi → ATP

GLUCONEOGÉNESIS Y CONTROL DE GLUCOSA EN LA SANGRE

El término gluconeogénesis abarca todas las vías encargadas de convertir los precursores que no son carbohidratos en glucosa o glucógeno. Los sustratos principales son los aminoácidos glucogénicos y el lactato, el glicerol y el propionato. El hígado y los riñones son los principales tejidos gluconeogénicos. Con la gluconeogénesis se cumplen las necesidades corporales de glucosa cuando no hay la cantidad suficiente de carbohidratos provenientes de la dieta o de las reservas de glucógeno. El abastecimiento de glucosa es necesario en particular para el sistema nervioso y los eritrocitos. A la falla de la gluconeogénesis sigue la muerte. La hipoglucemia ocasiona disfunción cerebral, que causa coma y la muerte. Asimismo, la glucosa es importante para conservar el nivel de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico, incluso cuando los ácidos grasos son la fuente principal de acetil-CoA en los tejidos. Además, mediante la gluconeogénesis se elimina el lactato que

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producen los músculos y los eritrocitos y el glicerol que produce el tejido adiposo. El propionato, principal ácido graso glucogénico que se genera en la digestión de los carbohidratos en los rumiantes, es un sustrato fundamental para la gluconeogénesis en estas especies.

EN LA GLUCONEOGÉNESIS SE REQUIERE GLUCÓLISIS, EL CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO Y ALGUNAS REACCIONES ESPECIALES

Las barreras termodinámicas evitan una inversión simple de a glucólisis

Tres reacciones irreversibles, catalizadas por la hexocinasa, la fosfofructocinasa y la piruvato cinasa, son las que previenen invertir simplemente la vía de la glucólisis para la síntesis de la glucosa. Las maneras de rodear estas reacciones son como sigue.

A. Piruvato y fosfoenolpiruvato

La piruvato carboxilasa mitocondrial cataliza la carboxilación del piruvato a oxaloacetato, una reacción en la que se requiere ATP y en donde la vitamina biotina es la coenzima. La biotina se une al CO2 del bicarbonato como carboxibiotina antes de la adición del CO2 al piruvato. Una segunda enzima, la fosfoenolpiruvato carboxicinasa, cataliza la descarboxilación y la fosforilación del oxaloacetato a fosfoenolpiruvato usando GTP (o bien, ITP) como donador de fosfato. Por consiguiente, intervienen dos reacciones endergónicas en la inversión de la reacción que cataliza la piruvato cinasa en la glucólisis.

La fosfoenolpiruvato carboxicinasa es una enzima que se halla en las mitocondrias del hígado de palomas, los pollos y los conejos; por otro lado, el fosfoenolpiruvato es transportado al citosol para la gluconeogénesis. En las ratas y ratones, la enzima es citosólica. El oxaloacetato no atraviesa la membrana interna de las mitocondrias; se transforma en malato, el cual es transportado al citosol, donde la malato deshidrogenasa citosólica lo convierte de nuevo en oxaloacetato. La

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enzima está igualmente distribuida entre las mitocondrias y el citosol en el hombre, los cobayos y las reses.

La fuente principal de GTP para la fosfoenolpiruvato carboxicinasa en la mitocondria es la reacción de la succinil-CoA sintetasa. Ésta proporciona un enlace y un límite entre la actividad del ciclo del ácido cítrico y la cantidad de oxaloacetato que se toma para la gluconeogénesis.

B. Fructosa 1,6-bifosfato y fructosa 6-fosfatoLa fructosa 1,6-bifosfatasa cataliza la conversi6n de fructosa 1,6-bifosfato a fructosa 6-fosfato para lograr invertir la glucólisis. La presencia de esta enzima determina si el tejido es capaz o no de sintetizar glucógeno no sólo a partir del piruvato, sino también a partir de fosfatos de triosa. Se le encuentra en el hígado, los riñones y el músculo esquelético, y es probable que falte en el corazón y el músculo liso.

C. Glucosa-6-fosfato y glucosaLa glucosa 6-fosfafasa cataliza la conversión de glucosa 6-fosfato en glucosa. Está presente en el hígado y riñones, pero no en músculo y el tejido adiposo, que, por tanto, no exportan glucosa hacia el torrente sanguíneo.

D. Glucosa 1-fosfato y glucógenoLa fosforilasa se emplea como catalizador en la descomposición del glucógeno en glucosa 1-fosfato. La síntesis de glucógeno requiere una vía distinta por medio de la uridindifosfato-glucosa y la glucógeno sintasa.

Después de la transaminación o de la desaminación, los aminoácidos glucogénicos producen piruvato o intermediarios del ciclo del ácido cítrico. Por tanto, las reacciones antes descritas explican la conversión tanto de los aminoácidos glucogénicos como del lactato en glucosa o glucógeno. El propionato es una fuente fundamental de glucosa en los rumiantes, e ingresa a la gluconeogénesis por medio del ciclo del ácido cítrico; además, se esterifica con la CoA, luego el propionil-CoA se

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carboxila a D-metilmalonil-CoA, con la propionil-CoA Carboxilasa como catalizador, una enzima dependiente de biotina. La metilmalonil-CoA racemasa cataliza la conversión del D-metilmalonil-CoA en L-metilmalonil-CoA, que luego se isomeriza en succinil-CoA, donde el catalizador es la metilmalonil-CoA isomerasa. Esta enzima requiere vitamina B12 como coenzima; la carencia de esta vitamina causa excreción de metilmalonato (aciduria metilmalónica).

Los ácidos grasos C15 y C17 se encuentran sobre todo en los lípidos de rumiantes. Los ácidos grasos con número de carbonos impar de la dieta producen propionato en la oxidación. El propionato es un sustrato para la gluconeogénesis en el hígado del hombre.

El tejido adiposo libera glicerol como resultado de la lipólisis, y sólo lo pueden utilizar los tejidos que poseen glicerol cinasa, como el hígado y los riñones, porque cataliza la conversión de glicerol en glicerol-3-fosfato. En ocasiones, el NAD+ oxida este compuesto a fosfato de dihidroxiacetona por medio de la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa como catalizador.

La reacción neta es:2PIRUVATO + 4ATP + 2GTP + 2NADH +2H + 2H2O --- GLUCOSA + 4ADP + GDP + 6Pi + 2NAD CO2 CO2

PIRUVATO ---- OXALACETATO ---- 2-FOSFOENOLPIRUVATO 2ATP 2ADP + Pi 2GDP 2GTPFRUCTOSA 1-6-BIFOSFATO --- FRUCTOSA 6-P --- GLUCOSA 6-P ---

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Glucosa

Glucolisis Anaeróbica

2 Láctico

Glucosa

Gluconeo Génesis

LácticoSANGRE

H2O Pi H2O Pi1. ENZIMASa. Piruvato carboxilasab. Fosfoenol piruvato carbocinasac. Fructosa 1-6 bifosfatasad- Glucosa 6- Fosfatasa

PUESTO QUE LA GLUCÓLISIS Y LA GLUCONEOGÉNESIS COMPARTEN LA MISMA VIA, PERO EN DIRECCIONES OPUESTAS, SU REGULACION DEBE SER RECIPROCA

Los cambios en la disponibilidad de los sustratos son la causa de la mayoría de las alteraciones en el metabolismo, y actúan directa o indirectamente por medio de la gluconeogénesis. Además, los glucocorticoides inhiben el uso de glucosa en los tejidos extrahepáticos. En todas estas acciones, los glucocorticoides contrarrestan a la insulina.

La médula suprarrenal secreta adrenalina como resultado de estímulos estresantes (miedo, agitación, hemorragia, hipoxia, hipoglucemia, etc.), y produce glucogenólisis en hígado y músculo debido a la estimulación de la fosforilasa por medio de la generación de cAMP. La glucogenólisis origina un aumento en la glucólisis en el músculo, en tanto que, en el hígado, la glucosa es el principal producto que causa un incremento en la glucosa sanguínea.

OTROS ASPECTOS CLÍNICOS

La glucosuria se presenta cuando se excede el umbral renal para la glucosa

Cuando la glucosa de la sangre aumenta a concentraciones relativamente altas, los riñones ejercen también un efecto regulador. Los glomérulos filtran glucosa de manera constante, pero por lo regular es reabsorbida por completo en los túbulos renales por el transporte activo. La capacidad del sistema tubular para reabsorber la glucosa está limitada a un ritmo de alrededor de 350 mg/mm, y si hay hiperglucemia (como sucede en la diabetes mellitus mal controlada) el filtrado glomerular podría contener más glucosa de la que puede ser absorbida,

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lo que da lugar a la glucosuria. Esta afección se presenta cuando la concentración de glucosa de la sangre venosa sobrepasa entre 9.5 y 10.0 mmol/C; a esto se le llama el umbral renal para la glucosa.

La hipoglucemia puede presentarse durante el embarazo y en los recién nacidos

El consumo de glucosa fetal se incrementa durante el embarazo y hay riesgo de que la madre y posiblemente el feto sufran hipoglucemia, sobre todo si existen largos intervalos entre las comidas o por la noche. Además, los recién nacidos prematuros y de peso bajo son más susceptibles a padecer Hipoglucemia, ya que tienen poco tejido adiposo para generar otros combustibles, como ácidos grasos libres o cuerpos cetónicos, durante la transición desde la dependencia fetal hasta el estado de vida libre. Las enzimas de la gluconeogénesis podrían no ser completamente funcionales en este momento, y el proceso depende de un suministro de ácidos grasos libres para obtener energía. El glicerol, que podría liberar por lo regular el tejido adiposo, está menos disponible para la gluconeogénesis.

La aptitud del cuerpo para utilizar glucosa podría ser determinada al medir su tolerancia a la glucosa

La tolerancia a la glucosa es la aptitud para regular la concentración de la glucosa sanguínea después de la administración de una dosis de prueba de glucosa (por lo regular, 1 g/kg de peso corporal). La diabetes mellitus (tipo 1 o insulinodependiente, DMID) se caracteriza por poca tolerancia a la glucosa debido a la baja secreción de insulina en respuesta al aumento de la glucosa. La tolerancia a la glucosa está deteriorada también en la diabetes mellitus tipo 2. (DMNID), la cual se relaciona a menudo con obesidad y concentraciones elevadas de ácidos grasos libres en el plasma y en afecciones donde el hígado sufre daños; en algunas infecciones, y en respuesta a algunos fármacos. La mala tolerancia a la glucosa también es de esperarse si hay hiperactividad de la pituitaria o de la corteza suprarrenal debido al antagonismo de las hormonas que secretan estas glándulas ante la acción de la insulina.

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La administración de insulina (como en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 1) disminuye la glucosa de la sangre y aumenta su uso y almacenamiento en el hígado y músculo como glucógeno. El exceso de insulina ocasionaría hipoglucemia, lo que puede provocar convulsiones y hasta la muerte a menos que se administre oportunamente glucosa. Se observa un aumento en la tolerancia a la glucosa si hay insuficiencia de la pituitaria o deficiencia adrenocortical -atribuibles a que las hormonas normalmente secretadas por estas glándulas disminuyen su antagonismo hacia la insulina.

METABOLISMO DEL GLUCÓGENO

IMPORTANCIA BIOMÉDICA

En los animales, el glucógeno es la forma principal para el almacenamiento de los carbohidratos, y corresponde al almidón de los vegetales. Es un polímero ramificado de α-D-glucosa. Se presenta sobre todo en el hígado (hasta 6%) y el músculo, pero en éste pocas veces excede el 1%. Sin embargo, debido a la gran masa muscular, el glucógeno del músculo representa de 3 a 4 veces la reserva hepática. El glucógeno muscular es una fuente disponible de glucosa para la glucólisis en el propio músculo. El glucógeno hepático sirve para el almacenamiento y la exportación de glucosa para conservar la glucosa sanguínea entre las comidas. Después de 12 a 18 h de ayuno el glucógeno hepático queda casi completamente disminuido. Las enfermedades del almacenamiento de glucógeno constituyen un grupo de trastornos hereditarios caracterizado por la movilización deficiente del glucógeno o por el depósito de variantes anormales de éste, lo cual causa debilidad muscular e incluso la muerte.

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LA GLUCOGÉNESIS TIENE LUGAR, SOBRE TODO, EN MÚSCULO E HÍGADO

La vía de la biosíntesis del glucógeno involucra un nucleótido especial de la glucosa

Al igual que en la glucólisis, la glucosa se transforma en glucosa 6-fosfato mediante fosforilación, la cual es catalizada por la hexocinasa en el músculo y por la glucocinasa en el hígado. La glucosa 6-fosfato se isomeriza a glucosa 1-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. La propia enzima está fosforilada y el grupo fosfato participa en una reacción reversible en la cual la glucosa 1,6-bisfosfato es un intermediario. Luego, la glucosa 1-fosfato reacciona con el trifosfato de uridina (UTP) para formar el nucleótido activo glucosa difosfato de uridina (UDPGIc)* y pirofosfato, reacción catalizada por la UDPGlc pirofosforilasa. La pirofosfatasa cataliza la hidrólisis del pirofosfato a 2 moles de fosfato inorgánico, y desplaza el equilibrio de la reacción principal con la eliminación de uno de sus productos.

La glucógeno sintasa cataliza la formación de un enlace glucosídico entre el C, de la glucosa activada de UDPGlc y el C4 de un residuo terminal de la glucosa del glucógeno, con lo que se libera difosfato de uridina (UDP). Debe estar presente una molécula preexistente de glucógeno (primer o cebador de glucógeno) para que empiece la reacción. El primer de glucógeno podría formarse, a su vez, en un primer conocido como glucogenina, una proteína de 37 kDa glucosilada por UDPGlc en un residuo específico de tirosina. Después, más residuos de glucosa se fijan en la posición 1-4 para formar una cadena corta que es un sustrato para el glucógeno sintasa. En el músculo esquelético, la glucogenina permanece unida al centro de la molécula de glucógeno, en tanto que en el hígado la cantidad de moléculas de glucógeno es mayor que la cantidad de moléculas de glucogenina.

GLUCOGÉNESIS

Características

1. Es un proceso anabólico o síntesis.

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2. El glucógeno es el producto final.

3. El primer paso es la fosforilización de la glucosa.

4. La insulina favorece o activa esta vía.

5. Se realiza en el tejido hepático y muscular.

6. Utiliza cofactores de alta energía como son el ATP y el UTP.

7. Es un proceso endergónico.

Glucosa Glucosa 6P Glucosa 1 - P

1) Glucocinasa y hexoquinasa.

2) Fosfoglucomutasa.

3) UDPG pirofosforilasa.

4) UDPG Glucógeno glucosil transferasa.

El paso de UDP glucosa a glucógeno requiere la intervención de otras enzimas. Inicialmente las moléculas de glucosa se unen por enlaces glucosidicos α 1, 4 y luego la enzima ramificante permite la formación de enlaces α 1,6.

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1

ATP ADPMg++

2

UTP

PPi3

UDP. Glucosa

4

Glucógeno

Balance en energético: En esta vía se utilizan moléculas de cofactores de alta energía: 1 ATP y 1 UTP.

GLUCOGENOLISIS

Las enzimas que actúan en ese camino metabólico se encuentran en tejido hepático y muscular. En el hígado el producto final es la glucosa y en el músculo, la glucosa 6-P.

Características:

1. Es un proceso catabólico o de degradación.

2. En el hígado el producto final es la glucosa y en el músculo la glucosa 6-Fosfato.

3. Esta vía puede continuar con la glicolisis.

4. La fosforilasa actúa en la formación de la glucosa 1-P.

5. Hay varias hormonas que regulan esta vía, las más importantes son: Adrenalina, producida en la capsula suprarrenal y glucagón, formado en el páncreas.

Metabolismo Intermediario

(Glucosa)n fosforilasa (Glucosa)n-1 + Glucosa 1-Fosfato.Glucógeno

Fosfoglucomutasa

Glucosa Fosfatasa Glucosa 6 – (Hígado)

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Pi

P

P

La fosforilasa hepática es diferente a la muscular pero en ambos casos es muy importante para iniciar la degradación del glicógeno. Se presenta en dos formas b (Inactiva) y a (activa). El paso de la b a la a es catalizada por la enzima fosforilasa quinasa mediante una regulación compleja.

La fosforilasa del músculo es activada por la adrenalina y la fosforilasa hepática por el glucagón.

Balance Energético

Hasta la formación de glucosa no se libera energía, ella queda en los enlaces químicos de la glucosa y se va soltando a medida que avanza la degradación de esta molécula.ASPECTOS CLÍNICOS

Las enfermedades relacionadas con el almacenamiento del glucógeno son hereditarias

El término genérico "enfermedades por almacenamiento del glucógeno" describe un grupo de trastornos hereditarios caracterizado por el depósito en los tejidos de un tipo o una cantidad anormales de glucógeno. También se conocen insuficiencias de la adenililcinasa y de la proteincinasa dependiente del cAMP. Algunos de los trastornos descritos se han beneficiado con el trasplante de hígado.

El glucógeno constituye la principal forma de almacenamiento de los carbohidratos en el cuerpo de los mamíferos sobre todo en el hígado y el músculo.

En el hígado, su principal función es proporcionar glucosa para los tejidos extrahepáticos. En el músculo, es útil sobre todo como una fuente de combustible metabólico que se utiliza en el propio músculo.

El glucógeno se sintetiza, por medio de la glucogénesis, a partir de la glucosa. Se degrada por una vía diferente conocida como

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glucogenólisis. En el hígado, ésta forma glucosa, y lactato en el músculo debido, respectivamente, a la presencia o ausencia de la glucosa 6-fosfatasa.

El AMP cíclico integra la regulación de la glucogenólisis y la glucogénesis al promover, simultáneamente, la activación de la fosforilasa y la inhibición de la glucógeno sintasa. La insulina actúa de manera recíproca al inhibir la glucogenólisis y estimular la glucogénesis.

La insuficiencia hereditaria de enzimas específicas para los metabolismos hepático y muscular del glucógeno, constituye la causa de las enfermedades por almacenamiento del glucógeno.

OXIDACIÓN DE LOS ACIDOS GRASOSIMPORTANCIA BIOMEDICALa separación entre la oxidación de los ácidos grasos en las mitocondrias y la biosíntesis del cito sol permite que cada proceso se controle de modo individual y se integre en lo requerimiento del tejido. Cada paso en la oxidación de ácidos grasos incluye derivados de Acil CoA y es catalizada por enzimas separadas, utiliza NAD y FAD como coenzimas y genera ATP. Es un proceso aeróbico; requiere la presencia de oxigeno.El incremento en la oxidación aumentada en la oxidación de ácidos graso es una característica de la inanición y de la diabetes mellitus, que conduce a la producción de cuerpo cetonico por el hígado( cetosis). Los cuerpos cetonico son ácidos y cuando se producen en exceso durante periodo prolongados, como en la diabetes, dan por resultado cetoacidosis que por ultimo es mortal.

F- Knopp, bioquímico alemán propuso, a principio de este siglo, que los ácidos grasos son degradados oxidativamente por perdidas secuenciales de dos unidades de carbono, comenzando por el extremo carboxilo terminal de la cadena.

CARACTERISTICAS

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1. Es un proceso catabólico2. Produce cofactores reducidos que en cadenas oxidativas pueden

producir energía.3. Es un proceso oxidativo que incluye 2 reacciones redox4. El producto final es Acetil-CoA5. Las enzimas se encuentran en la membrana mitocondrial.6. Los ácidos grasos de cadena de número impar de carbono producen

finalmente propinil CoA.

METABOLISMO INTERMEDIARIO:

La beta oxidación implica 5 pasos fundamentales que se resumen a continuación:

1- Activación de ácidos grasos (1)

Acido graso + Coenzima A --------- Ácido graso activoATP ATP +Pi

2- Primera oxidación FAD dependiente (2)

Ácido graso activo --------- Acil derivado insaturado FAD FADH2

3- HidrataciónTiene por finalidad romper el doble enlace y oxidar el carbono beta de la cadena. (3)Acil derivado insaturado --------- Hidroxiacil derivado

HOH 4- Segunda oxidación NAD dependiente

(4)Hidroxiacil derivado --------- Ceto Acil derivado NAD+ NADH + H+ 5- Tiolisis: La cadena oxidada se rompe en presencia de la coenzima A.

(5)Ceto Acil derivado + CoASH --------- Acetil CoA + Ácidos Grasos Activo que contienen 2 carbonos menos

La segunda beta oxidación que sufre la cadena del ácido graso se continúa con el paso 2 o sea la primera oxidación y así hasta el final.

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Los moles de Acetil-CoA formados pueden seguir vía ciclo de Krebs, o servir para la formación de colesterol, de ácidos grasos o también cuando hay defectos en el metabolismo de la glucosa, producir cuerpos cetónicos. Las enzimas que participan son:

1- Tío quinaza2- Acil -S- CoA Deshidrogenasa3- Enoil -S- CoA Hidratasa4- Beta-Hidroxiacil -S- CoA Deshidrogenasa5- Beta-Ceto Tiolasa

BALANCE ENERGÉTICO

Para determinar las moles de ATP y las calorías liberadas por la beta oxidación de un ácido graso, cuando tiene un número par de carbonos, se puede emplear las siguientes formulas.

1- Número de beta oxidación que sufre la cadena de ácidos grasos

n2−1

n= al número de carbono de la cadena, ejemplo el ácido palmitito tiene 16C. Número de beta oxidación = 162 −1=7

2- Número de moles de FADH2. Por cada beta oxidación se produce 1, en el ejemplo anterior.No. FADH2 = 7

3- Número de moles de NADH. En cada beta oxidación se forma una mol. En el caso del ácido palmititoNo. NADH = 7

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4- Número de moles de Acetil-CoA formados. Para esto se emplea la formulan n2=

162

=8. Una mol de ácido palmitito produce 8 mol de Acetil-CoA.

Conociendo el número de cofactores reducidos producidos y el número de moles de Acetil-CoA. Se procede a calcular las moles de ATP que esta molécula puede liberar, en el ciclo de Krebs y en cadena oxidativa.

5- Cada FADH en cadena oxidativa produce 2 ATP

Entonces 7 FADH2_____x_____2_____14 ATP

6- En la cadena oxidativa cada NADH produce 3 ATP

7 NADH ___x 3____________21ATP

7- Cuando Acetil-CoA entra al ciclo de krebs y a la cadena oxidativa por medio de los cofactores reducidos producidos en krebs, cada mol de Acetil-CoA produce 12 ATP

8 Acetil-CoA __x 12_______96ATP

8- Se suman las moles de ATP formadas:14 + 21+ 96 = 131ATP

9- La reacción de activación inicial de la cadena consume un ATP NETO =130

10- Para calcular las kilocalorías que se pueden producir por hidrólisis de 1 ATP es = 7,5 Kilocalorías, así130 x 7,5 = 975 kilocalorías

Estos datos obtenidos, números de ATP y número de kilocaloría por mol de ácido palmitito indican la eficiencia energética de la beta oxidación. Cuando la beta oxidación sucede sobre un ácido graso cuya cadena tiene número impar de carbono el balance se plantea en forma distinta.

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DEGRADACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS IMPÒRTANCIA BIOMEDICALos estados de deficiencia de aminoácidos, aun cuando son comparativamente raros en el mundo occidental , son endémicos en cierta regions de Africa donde la dieta se fundamenta en cereales que son fuentes inadecuadas de triptófano y lisina. Estos trastornos nutricionale incluyen Kwashiorkor, que sobreviene cuando se desteta a un niño y se le suministra una dieta farinácea con poca proteína y el marasmo en el cual tanto la ingestión calórica como aminoácidos específicos son deficientes. Los individuos con síndrome de intestino corto que carecen de la capacidad para absorber suficientes cantidades de caloría y nutrientes sufren anormalidades nutricionales y metabolicas importantes.

Los aminoácidos pueden seguir dos caminos catabólicos: La transaminación o la deaminación; esta última implica la liberación de un amoniaco y la formación de un ceto ácido.

Aunque estos procesos no siempre se realizan en mitocondrias.

Transaminación

Implica la participación de un aminoácido, un ceto ácido y un cofactor. El cofactor es el fosfato de piridoxal que participa como un transportador del grupo amino del aminoácido.

Características

1. Se forma un nuevo aminoácido.

2. El aminoácido transformado en un ceto ácido entra al ciclo de Krebs.

3. El cofactor de esta reacción es el fosfato de esta reacción es el fosfato de piridoxal.

4. Las enzimas que participan son las transaminasas, cuyo aumento indica una alteración orgánica y se emplea para el diagnóstico clínico:

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Las más importantes son: GPT (Glutamico, pirovico transaminasa) y la GOT (Glutamico, oxal acético transaminasa) cada una actúa en una reacción específica.

Metabolismo intermediario:

Amino Ácido 1: Fosfato de Piridoxal Aminoácido

TransaminasaCeto ácido 2 Fosfato de piridoxamina Ceto ácido 1Ejemplo:

Alanina Fosfato de piridoxal Ácido glutamico

GTPPiruvato Fosfato de piridoxamina α-ceto glutarato

ReaccionesATP Producido

Por cofact. reducido

A nivel del sustrato

Piruvato a Acetil CoA 3 -Isocitrato acetoglutarato 3 -α-cetoglutarato a Succinil S – CoA

3 1

Succinil S-CoA asuccinato - -Succinato a fumarato 2 -Malato - Oxalacetato 3 -

14 1Total: 15 ATP

DEAMINACIONES

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Este término incluye la pérdida del grupo amino del aminoácido y la formación de un cetoácido; como el amoniaco es toxico para la célula; esta lo retira por medio del ciclo de la urea. Las deaminaciones pueden ser oxidativa y no oxidativa dependiendo del aminoácido que se degrade.

Αlfa-cetoácidoAminoácido

Amoniaco + CO2 → ureaDeaminación oxidativa

Por reacciones Redox como cofactores NAD+ (Glutamico) FMN, FAD

Características:

1. Proceso oxidativo

Deaminación de un cetoácido y de amoniaco.Determinación de agua oxigenada implica la participación de la catalasa para desdoblarla en H2O y O2.

Metabolismo Intermediario

Aminoácido + E – FMN aminooxidasa α-cetoácido + NH3 + E – FMNH2 E – FMNH2 + O2 → FMN.H + H2O2 Balance energéticoH2O2 catalasa H2O + ½ O2 Depende del cetoacidosia

Deaminación no oxidativa

Es el proceso por el cual se desaminan los hidroxiaminoácidos como la serina y la treonina.

Características:

1. Se libera amoniaco y se produce un cetoácido.2. Las enzimas se encuentran en el hígado. En algunos tejidos estas

regiones son catalizadas por la misma enzima, mientras que en otras

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hay dos proteínas diferentes y específicas según el AA que degrade las enzimas – Fosforo de peridoxina.

Metabolismo Intermediario

Serina HOH Compuesto insaturado HOH ácido piruvico Intermediarios

Balance EnergéticoSi se trata de la serina el cetoácido formado es el ácido piruvico y entra al ciclo de Krebs formando inicialmente acetil S-CoA.La Treomina forma el α-cetobutirato.

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NH3