Metabolismo de glucidos - Universidad Nacional de Quilmes

Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
METABOLISMO
DE
GLUCIDOS
Mg. Anahi V. Cuellas
Docente – Investigadora
Universidad Nacional de Quilmes
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Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
METABOLISMO DE GLUCIDOS
I.1. LOS GLUCIDOS
Son las moléculas mas abundantes en la naturaleza, Ciertos glúcidos como el azúcar y
el almidón, son fundamentales para la dieta humana. Por otro lado la oxidación de los
glúcidos, es la principal ruta de obtención de energía de células no fotosintéticas.
Los Glúcidos se clasifican en tres grupos
Monosacáridos: son los más sencillos. Su molécula constituye un anillo con
forma de hexágono o pentágono. Son solubles en agua y tienen sabor dulce
(azúcares). Los más importantes son la Glucosa y la Fructosa que abundan en la
miel y las frutas.
GLUCOSA
glucosa
glucosa
Disacáridos: están formados por la unión de dos monosacáridos. La molécula
está constituida por dos anillos enlazados. También son solubles en agua y de
sabor dulce.
Los más importantes son:
Sacarosa: Glucosa + Fructosa. Es el azúcar de caña o remolacha.
Maltosa: Glucosa + Glucosa. Es azúcar de malta.
Lactosa: Glucosa + Galactosa. Es el azúcar de la leche.
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Polisacáridos: están formados por la unión de muchos monosacáridos
(glucosas). La molécula consiste en largas cadenas de anillos unidos entre si.
Son insolubles en agua y no tienen sabor dulce. Están muy hidratados porque
están constituidos por una gran cantidad de grupos hidroxilos expuestos, que
pueden formar enlaces hidrógeno, con el agua.
Los más importantes son:
Almidón: Se acumula como reserva energética en los vegetales (papas, legumbres,
cereales y sus derivados). Constituye la forma más generalizada, aunque no la única,
de reserva energética en vegetales. Se almacena en forma de gránulos, y puede
llegar a constituir hasta el 70% del peso de granos o de tubérculos. El análisis
minucioso de la estructura del almidón demuestra que es una mezcla de otros dos
polisacáridos: la amilasa y la amilopectina. La proporción de ambos polisacáridos
varía según la procedencia del almidón, pero por lo general, la amilopectina es la
más abundante. Los almidones constituyen la principal fuente de nutrición glucídica
para la humanidad. El almidón puede ser degradado por muchas enzimas. En los
mamíferos, estas enzimas se llaman amilasas, y se producen sobre todo en las
glándulas salivales y en el páncreas
ALMIDON
AMILOPECTINA
AMILOSA
Glucógeno: Es el polisacárido de reserva mas importante en las células animales. Se
acumula como reserva energética principalmente en el hígado, donde puede llegar a
representar el 7% de su peso, y en el músculo esquelético. Es un polímetro de
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subunidades de Glucosa unidas por enlaces α 1→4 y ramificaciones del tipo α
1→6. En los hepatocitos el Glucógeno esta en forma de gránulos de gran tamaño,
que son a su vez agrupaciones de gránulos mas pequeños. Algunos gránulos de
glucógeno, contienen además, internamente unidos, las enzimas responsables de su
síntesis y degradación. La célula acumula glucógeno en lugar de glucosa, porque
este compuesto es insoluble y no contribuye con la presión osmótica celular.
GLUCOGENO
Celulosa: forma parte de la fibra vegetal. Aunque no es un verdadero nutriente porque
no puede ser utilizado por las células, es muy importante en la dieta. Es el principal
componente de la pared celular de los vegetales. Se puede considerar como la molécula
orgánica más abundante en la Naturaleza. Es un polímero lineal de varios miles de
glucosas unidas por enlaces (1β→4). Tiene una estructura lineal o fibrosa, en la cual se
establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas
cadenas yuxtapuestas, haciéndolas impenetrables al agua, y originando fibras
compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales:
CELULOSA
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Los disacáridos y polisacáridos se rompen en el tubo digestivo y se transforman en
monosacáridos (principal fuente energética de las células), al romperse los enlaces
que
los
mantienen
unidos.
Este
proceso
se
denomina
digestión.
Los monosacáridos resultantes son moléculas pequeñas que pueden atravesar el
intestino (absorción) y llegar a la sangre que los repartirá a todas las células.
La celulosa (fibra) es el único polisacárido que no se puede romper en nuestro tubo
digestivo por lo que no puede pasar a la sangre ni llegar a las células para ser
utilizado como fuente de energía.
Por tanto la fibra sigue su desplazamiento por el intestino hasta ser expulsada junto
con
el
resto
de
compuestos
que
no
hayan
sido
absorbidos.
Cuando ingerimos vegetales, incorporamos glúcidos principalmente en forma de
polisacáridos: almidón y celulosa (inalterable) y en menor grado, en forma de
glúcidos simples (monosacáridos y disacáridos).Cuando ingerimos productos
animales el glúcido que obtenemos es únicamente el polisacárido glucógeno.
La función principal de los glúcidos es energética. Los glúcidos simples se
denominan también glúcidos de asimilación rápida porque llegan rápidamente a las
células y liberan la energía que contienen en pocos minutos. Mientras que los
polisacáridos se denominan glúcidos de asimilación lenta porque tardan una o dos
horas en liberar la energía, ya que primero tienen que descomponerse en azúcares
simples.
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FUNCIONES
Energética: Los almidones y los azucares representan aproximadamente el 5060 % de la ingesta calórica. Junto con las grasas satisfacen los requerimientos
energéticos del organismo. Algunos tejidos como el sistema nervioso, solo
utilizan glucosa, como combustible celular. Una vez cubiertas las necesidades
energéticas, una pequeña cantidad de carbohidratos se almacenan en el hígado y
en el músculo, en forma de glucógeno y el resto se transforma en grasa, en
forma de tejido adiposo.
Ahorro de proteínas: Si el aporte de hidratos de carbonos es suficiente, las
proteínas se emplean para fines energéticos, ya que las deficiencias calóricas en
la alimentación, se compensan utilizando tejidos y proteínas como combustible
celular.
Regulación del metabolismo de las grasas: Para que el metabolismo de las
grasas se lleve a cabo adecuadamente, es necesario un aporte de hidratos de
carbono adecuado. Una restricción severa de los mismos provocaría una
acumulación en el organismo de productos intermedios (cuerpos cetónicos). La
cuota recomendada para mantener los procesos metabólicos en equilibrios y
evitar cetosis, corresponde a aun aporte dietético mínimo de 100g diarios.
Estructural: Aunque constituyen estructuralmente una pequeña parte del peso
del organismo, son de vital importancia. Forman parte de numerosos
compuestos que regulan el organismo.
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Tabla: cantidad de carbohidratos contenidos por cada 100 gr de alimento
Carbohidratos
por cada
100g.
Valor
calórico
Kcal./100
gr.
Carbohidratos
por cada
100g.
Valor
calórico
Kcal./100
gr.
Azucar blanca
99,5 gr.
385 Kcal.
Garbanzos
61,0 gr.
360 Kcal.
Azucar morena
96,4 gr.
373 Kcal.
Avena
(salvado)
Copos de maiz
83,0 gr.
367 Kcal.
58,9 gr.
383 Kcal.
Miel
79,5 gr.
294 Kcal.
Tallarines al
huevo
56,8 gr.
287 Kcal.
Arroz blanco
78,6 gr.
343 Kcal.
Masa de pizza
46,9 gr.
246 Kcal.
Uva pasa
77,4 gr.
289 Kcal.
Albaricoque
43,4 gr.
182 Kcal.
Fideos
75,2 gr.
369 Kcal.
Patatas fritas
34,0 gr.
234 Kcal.
Trigo harina
74,5 gr.
340 Kcal.
Maiz tierno
22,1 gr.
96 Kcal.
Cacao en polvo
74,2 gr.
343 Kcal.
Habas
20,3 gr.
118 Kcal.
Dátil
deshidratado
72,9 gr.
274 Kcal.
Platano
19,2 gr.
81 Kcal.
Higo
deshidratado
Almendra
19,6 gr.
547 Kcal.
69,1 gr.
274 Kcal.
18,9 gr.
86 Kcal.
Ciruela
deshidratada
Guisantes
enlatados
67,4 gr.
255 Kcal.
18,0 gr.
74 Kcal.
Pan
62,2 gr.
307 Kcal.
Patatas
hervidas
Higo (fresco)
15,6 gr.
62 Kcal.
Alimento
Alimento
Fibra
La celulosa, principal constituyente de la fibra es resistente a los procesos digestivos,
es decir, no puede ser digerida por los seres humanos y no aporta calorías.
Se divide en dos grupos: hidrosoluble, que se encuentra en legumbres y frutas; y no
hidrosoluble, que se encuentra en vegetales y cereales.
La fibra de la dieta proporciona una sensación de saciedad y le agrega volumen a los
alimentos, lo cual ayuda a la digestión y a la evacuación.
La inclusión de fibra en la dieta diaria ayuda a prevenir muchos problemas y trae
muchos beneficios, ya que puede ayudar a controlar el peso. Asimismo, ayuda a
prevenir el estreñimiento y a prevenir o tratar la diverticulosis, la diabetes y las
enfermedades cardíacas.
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Demasiada fibra puede interferir con la absorción de los oligoelementos como el
hierro, zinc, magnesio y calcio, efecto que es mínimo debido a que los alimentos ricos
en fibra generalmente son ricos en minerales.
Tabla: Cantidades de fibra contenida en algunos alimentos y el valor calórico de
dicho alimento por cada 100 gramos.
Alimento
Fibra por
cada 100g.
Valor
calórico
Kcal./100
gr.
Cereales
Fibra por
cada 100g.
Valor
calórico
Kcal./100
gr.
Frambuesa
4,5 gr.
32 Kcal.
Fresa
2,0 gr.
33 Kcal.
Mandarina
2,0 gr.
45 Kcal.
Melocotón
1,4 gr.
39 Kcal.
Manzana
2,0 gr.
79 Kcal.
Naranja
2,0 gr.
44 Kcal.
Pera
3,0 gr.
46 Kcal.
Plátano
3,0 gr.
81 Kcal.
Almendra
10,0 gr.
599 Kcal.
Avellana
7,4 gr.
643 Kcal.
Nuez
4,6 gr.
666 Kcal.
Cacahuete
7,1 gr.
571 Kcal.
Alimento
Frutas
Harina blanca
(trigo)
2,2 gr.
339 Kcal.
Harina integral
(trigo)
11,6 gr.
306 Kcal.
Salvado (trigo)
5,3 gr.
149 Kcal.
Pan blanco
(trigo)
3,0 gr.
238 Kcal.
Pan integral
(trigo)
5.0 gr.
208 Kcal.
Hortalizas
Frutos secos
Acelgas
2,2 gr.
23 Kcal.
Alcachofas
2,0 gr.
49 Kcal.
Berenjenas
1,4 gr.
21 Kcal.
Cebolla
3,1 gr.
33 Kcal.
Col de Bruselas
4,4 gr.
38 Kcal.
Coliflor
2,9 gr.
23 Kcal.
Judias verdes
3,0 gr.
35 Kcal.
Lechuga
1,5 gr.
10 Kcal.
Digestión de hidratos de Carbono
La digestión de los hidratos de carbono comienza en la boca por medio de las enzimas
que se encuentran presentes en la saliva, denominadas amilasas salivares. Estas
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enzimas actúan sobre los almidones, rompiéndolos en porciones más pequeñas, incluso
en disacáridos, facilitando la digestión.
Una vez en el estómago el pH ácido, inactiva la amilasa salival, sin embargo, los
alimentos ingeridos, por lo general tardarán hasta 1 hora, antes de tener contacto con
los ácidos del estomacales. Cuando los alimentos se mezclan con el ácido del estómago
y con la pepsina (enzima), la digestión de las proteínas se inicia y la digestión de los
carbohidratos se suspende temporalmente.
Pasado este tiempo, los alimentos pasan al duodeno (primera porción del intestino
delgado) donde actúa otra vez la amilasa pancreática, la ruptura de todos los enlaces se
consigue finalmente en el intestino delgado. De aquí, una vez convertidos en glucosa,
pasan al torrente sanguíneo, al hígado y a los músculos donde se almacena en forma de
glucógeno para su posterior utilización.
Los hidratos de carbono no digeribles, como la fibra, una vez en el colon, son
parcialmente degradados por enzimas de la flora bacteriana hasta distintos compuestos
que en parte pueden ser absorbidos.
El páncreas tiene principalmente dos funciones bioquímicas: producción de enzimas
digestivas para secreción en el intestino, a partir de células exocrinas; y producción y
secreción de hormonas peptídicas que regulan el metabolismo de los combustibles, a
partir de células endocrinas.
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Regulación hormonal del metabolismo energético:
El nivel de glucosa en sangre es aproximadamente 4,5 mM, y es el resultado de la
acción combinada de la insulina, el glucagón y la adrenalina en los procesos
metabólicos que tienen lugar en muchos tejidos del cuerpo humano, pero
especialmente en el hígado, músculo y tejido adiposo.
La adrenalina prepara los músculos, los pulmones y el corazón para un esfuerzo
importante, movilizando la glucosa a la sangre a partir de glucógeno y otros
precursores.
La insulina indica una alta concentración de glucosa en sangre, como consecuencia el
exceso de glucosa es captado desde la sangre al interior de la células y se transforma en
compuestos de almacenamiento, glucógeno y triacilgliceroles.
El glucagón transmite que los niveles de glucosa en sangre son insuficientes y los
tejidos responden produciendo glucosa a partir de la degradación del glucógeno y de la
gluconeogénesis y oxidando las grasas para reducir la utilización de glucosa.
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•
El glucógeno hepático regula la concentración de glucosa en sangre, y es esta
glucosa la que alimenta el cerebro de forma constante (el cerebro no dispone de
reservas y sólo puede utilizar glucosa como fuente de energía).
•
El glucógeno muscular debe abastecer las necesidades del músculo para llevar a
cabo el trabajo derivado del desarrollo de la actividad deportiva. El
almacenamiento de glucógeno en los músculos se agota sistemáticamente
durante el ejercicio. La tasa de agotamiento depende de la intensidad del
ejercicio y de la cantidad de glucógeno almacenado en los músculos antes de
comenzar el entrenamiento..
I-2. Glucólisis:
En esta ruta metabólica una molécula de glucosa (6C) y otros monosacáridos son
degradados hasta piruvato (3C). Parte de la energía libre liberada se conserva en forma
de ATP. Tiene lugar en el citoplasma. No interviene para nada el oxígeno molecular.
El proceso está catalizado por 10 enzimas citosólicas y todos los intermediarios son
compuestos fosforilados. Los primeros cinco pasos de la ruta constituyen la fase
preparatoria, aquí se invierte ATP. Luego en la fase beneficio, tiene lugar el retorno
energético.
La glucólisis es una ruta central, casi universal, del metabolismo de la glucosa, no solo
en animales y plantas, sino también en muchos microorganismos. La secuencia de las
reacciones glucolíticas se diferencia de una especie a otra solamente en como se regula
su velocidad y en el destino metabólico que sigue el piruvato formado.
A. Fase preparatoria:
En éstas reacciones la glucosa es fosforilada, en primer lugar en el grupo hidroxilo en
C-6, el ATP es el dador de fosfato. De esta manera la glucosa se “ceba” para las
reacciones siguientes. Esta reacción es irreversible en condiciones intracelulares y está
catalizada por la Hexoquinasa, que requiere Mg para su actividad, ya que el verdadero
sustrato es el complejo que forma el ATP con el Mg..
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La D-glucosa-6-fosfato así formada, se convierte en D-fructosa-6-fosfato, esta reacción
es una isomerización reversible catalizada por la Fosfoglucosa Isomerasa, que también
requiere Mg para su actividad.
El tercer paso, es la segunda reacción cebadora de la glucólisis, la Fosfofructoquinasa
canaliza la transferencia de un grupo fosfato desde el ATP, a la fructosa 6-fosfato, para
dar fructosa-1,6-bifosfato. Esta reacción es prácticamente irreversible en condiciones
intracelulares.
La Fosfofructo Quinasa, al igual que la Hexoquinasa, es un enzima reguladora. La
actividad de éstas enzimas aumenta siempre que se agota el suministro de ATP, o
cuando hay un exceso de ADP y AMP.
La fructosa 1,6-bifosfato, se parte a continuación dando dos moléculas de tres carbonos
(Aldolasa),
la
dihidroxiacetona
fosfato
y
el
gliceraldehído-3-fosfato.
La
dihidroxiacetona fosfato se isomeriza (Triosa fosfato Isomerasa) a una segunda
molécula de gliceraldehido-3-fosfato, lo que finaliza la primer parte de la glucólisis.
B. Fase de Beneficio:
Incluye los pasos de fosforilación conservadores de energía, en los que parte de la
energía libre de la molécula de glucosa se conserva en forma de ATP.
El primer paso es la conversión del gliceraldehído-3-fosfato a 1,3-bifosfoglicerato,
catalizada por la Gliceraldehído-3-fosfato Deshidrogenasa, ésta reacción produce
formación de NADH.
En segundo lugar, la enzima Fosfoglicerato Quinasa transfiere el grupo fosfato de alta
energía desde el grupo carboxilo del 1,3-bifosfoglicerato al ADP, formando ATP y 3fosfoglicerato.
Esta reacción y la anterior, constituyen un acoplamiento de energía. El resultado final
de éstas dos reacciones acopladas, es que la energía liberada en la oxidación de un
grupo aldehído a carboxilato se conserva mediante la formación acoplada de ATP. Este
tipo de reacción, donde se forma ATP por transferencia del grupo fosfato a partir de un
sustrato, se conoce como fosforilación a nivelo sustrato.
La enzima Fosfoglicerato en el tercer paso de la fase beneficio, cataliza la formación
de 2-fosfoglicerato, el Mg es esencial para ésta reacción.
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La segunda reacción glucolítica que genera un compuesto con potencial elevado de
transferencia de grupo fosfato está catalizado por la Enolasa, que produce
fosfoenolpiruvato. La transferencia del grupo fosfato de éste compuesto al ADP, es el
último paso de la glucólisis y está catalizada por la Piruvato Quinasa. Esta reacción es
una fosforilación a nivel sustrato y es irreversible en las condiciones celulares.
Requiere K, Mg o Mn y constituye un punto importante de regulación.
Se puede plantear, entonces un balance global, que muestra una ganancia neta de
energía:
GLUCOSA + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi
2 PIRUVATO + 2
NADH + 2 H + 2 ATP + 2 H2O
α-D-glucopiranosa-6-P
Isomerezación Fosfoglucoisomerasa
(aldosa a
∆Go'= + 0.4 kcal/mol
cetosa)
La reacción requiere la apertura del
anillo piranósico, la isomerización y, por
último, el cierre del anillo en forma
furanósica
α-D-fructofuranosa-6P
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ATP
ADP
α-Dglucopiranosa
ATP Hexoquinasa:
Fosfofructoquinsa1
Fosforilación
del sustrato
∆Go' = - 3.3
kcal/mol
ADP
Hexoquinasa
o
Fosforilación
Glucoquinasa
del sustrato
∆Go' = - 4.0
kcal/mol
Km muy baja
(0.01 mM)
para la
glucosa.
Inhibida por
glc-6-P. No
especifica.
Glucoquinasa:
Km alta (5-10
mM) para la
glucosa.
No es inhibida
por glc-6-P.
Especifica
para glucosa
α-Dfructofuranosa-1,6bis-P
Ruptura aldólica
Aldolasa
∆G = + 5.74
kcal/mol
o'
Dihidroxiacetona-P
Isomerezación
(cetosa a
aldosa)
D-gliceraldehído-3-P
Triosafosfato
isomerasa
∆Go'= + 1.8
kcal/mol
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D-gliceraldehído-3-P
Gliceraldehído3-P
Oxidación del
deshidrogenasa
C1
∆Go'= + 1.5
kcal/mol
NAD+ +
Pi
El grupo aldehídico del C1 es
oxidado a acil-fosfato (o
fosfoanhidro), en vez de originar un
NADH +
+
H
carboxilo.
1,3-bisfosfoglicerato
Fosforilación a
nivel de sustrato
Fosfoglicerato
quinasa
∆Go'= - 4.5
kcal/mol
ADP
ATP
3-fosfoglicerato
Isomarización
Fosfoglicerato
mutasa
o'
∆G = + 1.06
kcal/mol
2-fosfoglicerato
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Deshidratación
del 2fosfoglicerato
(α
α, β -eliminación)
Enolasa
o'
∆G = + 0.4
kcal/mol
Se origina un compuesto con un
enlace éster-fosfato, con un doble
enlace adyacente, que hace del PEP
un compuesto de alto contenido
energétco..
Fosfoenolpiruvato
Piruvato quinasa
Fosforilación a
∆Go'= - 7.5
nivel de sustrato
kcal/mol
ADP
ATP
Piruvato
Figura: Glucólisis
REGULACIÓN DE GLUCÓLISIS
Las velocidades de las enzimas que catalizan reacciones en el equilibrio o próximas a
él (∆G0'~0), se regulan por las concentraciones relativas de los sustratos y los
productos.
En las reacciones que transcurren fuera del equilibrio (∆G0' -) los cambios en la
concentración de los sustratos no ejercen efecto alguno sobre la velocidad de la
reacción.
1) El flujo de una vía metabólica en estado estacionario es constante y está
determinado por la velocidad de la(s) reacción(es) que transcurren fuera del
equilibrio, también llamadas reacciones limitantes de la velocidad de la ruta
metabólica.
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2) Será necesario incrementar (o disminuir) enormemente la velocidad de
cualquier enzima de una reacción fuera del equilibrio para poder modificar el
flujo de la reacción. Esto se logra mediante interacciones alostéricas.
3) El flujo de una vía metabólica está determinado por la velocidad de la(s)
reacción(es) que transcurre(n) fuera del equilibrio (= reacciones limitantes)
Para comprender cuáles son los puntos de regulación, debemos repasar la energética de
toda la vía glucolítica. (Tabla : Regulación de glucólisis )
Reación
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
∆G0'
∆G
(kcal/mol) (kcal/mol)
Hexoquinasa o Glucoquinasa
- 4.0
- 8.0
Fosfoglucoisomerasa
+ 0.4
- 0.6
Fosfofructoquinasa-1
- 3.3
- 5.3
Fructosa-1,6-bis-fosfato
+ 5.7
- 0.3
aldolasa
Triosa-fosfato isomerasa
+ 1.8
+ 0.6
Gliceraldehído-3-fosfato
+ 1.5
- 0.4
deshidrogenasa
Fosfoglicerato quinasa
- 4.5
+ 0.3
Fosfoglicerato mutasa
+ 1.06
+ 0.2
Enolasa
+ 0.4
- 0.8
Piruvato quinasa
- 7.5
- 4.03
Enzima
Tabla: Regulación de glucólisis
Existen pues tres puntos de regulación: hexoquinasa, fosfofructoquinasa-1 (el punto
más importante) y piruvato quinasa.
El mecanismo consiste en las interacciones alostéricas de ciertos compuestos, que
actúan como moduladores (externos o internos) sobre las quinasas.
Regulación de la fosfofructoquinasa-1
Es el punto más importante de la regulación del flujo glucolítico:
1.- No hay monosacárido (salvo la fructosa hepática) que entre en la glucólisis y que no
pase por la fosfofructoquinasa
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2.- Por la hexoquinasa no pasan las glucosas provenientes de la glucógeno lisis.
3.- La piruvato quinasa es la última reacción de la glucólisis y no puede ser, por tanto,
el principal punto regulador de la vía.
Figura : Regulación Glucólisis
Fosfofructoquinasa-1:
- Tetrámero de 360 kDa
- Cada subunidad
Estados
Efectores alostéricos:
conformacionales:
Inh.: ATP, Fosfocreatina
tiene dos sitios de unión
para el ATP
Act.: AMP, Pi, F6P,
T
R
F2,6bP, F1,6bP
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1)Inhibición por ATP
El ATP se une a:
1) Centro activo (sustrato, que se une igual a las formas T y R) y
2) Sitio alostérico (ATP como inhibidor, que se une preferentemente a la forma T),
ejerciendo como efector negativo.
La base estructural del comportamiento alostérico con ATP es conocida: interviene la
Arg162 de cada subunidad y el segmento en el que está (a-hélice en la forma R) .
El ADP se une a su sitio alostérico de la enzima y con ello previene la unión del ATP
al suyo, evitando que se pase al estado T. con ello, la presencia de ADP previene la
inhibición ejercida por el ATP.
2) El AMP reduce la inhibición inducida por el ATP
El ATP y el AMP se pueden originar por la ación de dos enzimas:
Creatina quinasa:
Fosfocreatina + ADP ------> ATP + Creatina
Adenilato quinasa:
2ADP ------------------> ATP
+ AMP
La adenilato quinasa amplifica la señal metabólica de pequeños descensos en [ATP]
en las células musculares:
En el músculo:
[ATP] = 50 [AMP]
[ATP] = 10 [ADP]
Un descenso del 10%[ATP] (1 a 0.9 mM)
prococará:
- 100% incremento [ADP] (0.1 a 0.2 mM)
- 400% incremento [AMP] (0.02 a 0.1 mM)
3) Papel de la fructosa-2,6-bis-fosfato
fosfofructoquinasa2
fructosa-6-P + ATP ---------------------------------> ADP + fructosa-2,6-bis-P
Es el activador alostérico más potente (0.1 µM) de la PFK-1, siempre que exista AMP.
Es decir, para anular la inhibición del ATP, AMP y f2,6bP deben estar presentes.
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La fructosa-2,6-bis-P impide queel flujo glicolítico se detenga cuando haya ciertos
niveles de ATP en la célula.
4) Papel regulador del "ciclo de fructosa-6-P"
Los mecanismos alostéricos sobre la PFK, por sí solos, no pueden explicar cómo se
logran los incrementos del 100% en el flujo glucolítico que a veces se producen en la
célula.
La reacción catalizada por la PFK transcurre fuera del equilibrio, por lo que cambios
en vf no afectarán el flujo a través de esa reación.
El recurso para incrememtar el flujo J es originar un "ciclo de sustrato" con la F6P,
utilizando la enzima fructosa-1-6-bis-fosfatasa.
fructosa1-6-bisfosfatasa
fructosa-1,6-bis-fosfato + H2O ----------------------------------------> fructosa-6-P + Pi
∆G = - 2.0 kcal/mol
Con esa enzima el sustrato está continuamente regenerándose (entrando en un cíclo
fútil, también denominado "ciclo de sustrato"), y ralentizando el flujo de la reacción.
La acción conjunta de los activadores alostéricos y del ciclo de la F6P explican el
elevado aumento del flujo glucolítico ante pequeñas variaciones de aquéllos.
Regulación de la hexoquinasa
Inhibida por Glc-6-P
Activada por Pi
Regulación de la piruvatoquinasa
Inhibida por Fosfocreatina y ATP
Activada por ADP y fructosa-2,6-bis-P
20
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
ENTRADA DE OTROS MONOSACÁRIDOS EN LA GLUCÓLISIS
ENTRADA DE MANOSA
D-manosa
Transferencia de
un
fosfato a la
glucosa
ATP
Hexoquinasa
ADP
D-manosa-6-
fosfato
Isomerización
Fosfomanosa
isomerasa
D-fructosa-6-
fosfato
21
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
ENTRADA DE FRUCTOSA
α-D-fructofuranosa
EN MÚSCULO Y RIÑÓN
Hexoquinasa
EN HÍGADO
ATP
ATP
ADP
ADP Fructoquinasa
Fructosa-6-fosfato
Fructosa-1-fosfato
Fructosa-1fosfato
aldolasa
Gliceraldehído
Dihidroxiacetona-3-P
ATP
Triosa-P
isomerasa
Triosa quinasa
ADP
Gliceraldehído-3-P
ENTRADA DE GALACTOSA
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α-D-galactopiranosa
ATP
Galactosa quinasa
ADP
α-D-galactosa-1fosfato
Epimerización
en el C4
UDP-Glucosa
UDP-Galactosa
Fosfogalactosa uridiltransferasa
= UDP-glucosa α-D-galactosa-1P-Uridiltransferasa
UDPGalactosa
-4epimerasa
UDP-Glucosa
α-D-glucosa-1-fosfato
UDP-Glucosa
pirofosforilas
a
Fosfogluco mutasa
α-D-glucosa-6fosfato
ENTRADA DE OTROS GLUCIDOS EN LA GLUCÓLISIS
23
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
Para poder ser utilizados, los disacáridos de la dieta, se hidrolizan a monosacáridos. No
pueden entrar en la célula sin haber sido previamente hidrolizados a monosacáridos
extracelularmente. Por lo tanto los disacáridos ingeridos, se hidrolizan primero por
acción de las enzimas epiteliales, que cubren el intestino delgado, para dar sus
correspondientes monosacáridos.
DISACARIDO
ENZIMA
PRODUCTOS
Maltosa + H2O
maltasa
2 D-glucosa
Lactosa + H2O
lactasa
D-galactosa + D-glucasa
Sacarosa + H2O
sacarasa
D-fructosa + D-glucosa
Trehalosa + H2O
trehalasa
2 D-glucosa
Los monosacáridos así formados, se transportan al interior de las células que tapizan el
intestino, pasan a la sangre y son transportados al hígado; donde son fosforilados y
entran a las rutas glucolíticas
Intolerancia a la Lactosa: Una de las principales causas de esta enfermedad, es la
desaparición de la mayor parte o de la totalidad, de la lactasa en las células intestinales,
debido a defectos genéticos o a la ausencia de consumo de productos lácteos. Por lo
tanto, la lactosa no puede ser ingerida y absorbida ampliamente por el organismo. La
lactosa no absorbida en el intestino delgado, es convertida por las bacterias en el
intestino grueso, en productos tóxicos que causan espasmos abdominales y problemas
digestivos.
Existen otras enfermedades que se producen por el mal funcionamiento de las enzimas
que intervienen en las rutas alimentadoras de glucólisis.
C. Destino del piruvato
El piruvato puede seguir tres rutas alternativas.
24
Bioquímica de Alimentos
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Condiciones anaeróbicas
FERMENTACIÓN LÁCTICA
Durante la contracción vigorosa del músculo esquelético, el piruvato no se puede
oxidar mas, debido a la carencia de oxigeno. Por lo tanto el piruvato se reduce a
lactato. Hay algunos tejidos como el cerebro y la retina, que convierten glucosa en
lactato, aun en condiciones aeróbicas.
NADH + H+
NAD+
Latato deshidrogenasa
Piruvato
Lactato
∆G0' =
- 6.0 kcal/mol
La reacción sumaria de la fermentación láctica sería:
Glucosa + 2ADP + 2Pi ------------------> 2Lactato + 2ATP + 2H2O
La LDH es un tetrámero: H4, H3M, H2M2, HM3 y M4. La isoenzima H4 es la de
menor Km para el piruvato, pero es inhibida por él. La M4 tiene una Km más alta
pero no es inhibida por piruvato (=mejor adaptada a las células musculares)
FERMENTACIÓN ALCOHOLICA
Es la ruta elegida por los tejidos vegetales, invertebrado y microorganismos.
25
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
H2O
NADH + H+
NAD+
CO2
Piruvato
descarboxilasa
Piruvato
Alcohol
deshidrogenasa
Acetaldehído
Etanol
La reacción sumaria de la fermentación alcohólica sería:
Glucosa + 2ADP + 2Pi ------------------> 2Etanol + 2ATP + 2CO2
RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LAS FERMENTACIONES
FERMENTACIÓN LÁCTICA
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
C6H1206 + 2ADP + 2Pi
C6H1206 + 2ADP + 2Pi
2C3H603 + 2ATP + 2H2O
2C2H50H + 2ATP + 2CO2
∆G0' = - 47 kcal/mol
∆G0' = - 56.3 kcal/mol
Rendimiento energético (cond.
Rendimiento energético (cond.
estándar):
estándar):
(14.6/47.0)x100 = 31%
(14.6/56)x100 = 26%
Condiciones aeróbicas
DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO
26
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En condiciones aeróbicas, la glucólisis solo constituye el primer paso en la degradación
completa de la glucólisis. El piruvato se se oxida, pierde CO2, dando el grupo acetilo, a
la acetil-CoA, que se oxida en forma completa a CO2, en el ciclo de Krebs. Los e-,
producidos en las reacciones de oxido-reducción, pasan a través de la cadena
transportadora de electrones, en la membrana mitocondrial, formando H2O, e
impulsando la síntesis de ATP.
El piruvato es
descarboxilación.
convertido
a
acetil-CoA
mediante
una
reacción
de
NAD+
NADH + H+
CoASH
AcetilCoA
CO
2
piruvato
deshidrogenasa
Piruvato
∆Go' = - 8.0 kcal/mol (-33.3 kJ/mol)
La reacción es esencialmente IRREVERSIBLE en la célula
El complejo multienzimático Piruvato deshidrogenasa está formado por múltiples
copias de tres enzimas:
Piruvato
deshidrogenasa
(E1)
Dihidrolipoil
Dihidrolipoil
transacetilasa (E2)
deshidrogenasa (E3)
En la catálisis intervienen 5 coenzimas: TPP, ácido lipoico, CoA-SH, NAD+ y FAD.
El mecanismo de catálisis de la piruvato deshidrogenasa comprende cinco pasos:
27
Bioquímica de Alimentos
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Figura. El mecanismo de catálisis de la piruvato deshidrogenasa
La primer reacción que sufre el piruvato en condiciones aeróbicas, es una
descarboxilación oxidativa, liberando CO2 y formando el grupo acetilo de la Acetil –
CoA, el NADH formado, libera un ión Hidruro con sus dos electrones a la cadena
respiratoria. Esta proceso irreversible es catalizado por un complejo estructurado de 3
enzimas, el complejo piruvato deshidrogenasa, localizado en las mitocondrias de
células eucarióticas. En éste complejo una serie de intermediarios permanece unido a la
superficie de las enzimas, mientras que el sustrato se convierte en producto final. En
ésta reacción intervienen además 5 cofactores, todas ellas coenzimas derivadas de
vitaminas, el pirofosfato de tiamina, el dinucléotido de flavina y adenina, el coenzima
A, el dinucléotido de nicotinamida y adenina y el lipoato, 4 de éstas vitaminas
esenciales de la nutrición humana. Las mutaciones en los genes de las subunidades de
la piruvato deshidrogenasa y la deficiencia de Tiamina, producen graves
consecuencias.
La deficiencia de Tiamina, generalmente se produce en poblaciones que consumen
grandes cantidades de arroz sin cáscara y en personas alcohólicas. Estos defectos
pueden detectarse por altos niveles de piruvato en sangre. Esto es particularmente
importante para el cerebro, ya que éste órgano obtiene normalmente toda su energía de
28
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la glucosa, por lo que la oxidación del piruvato adquiere una importancia vital. El
beriberi, una enfermedad causada por la deficiencia de tiamina en la dieta, se
caracteriza por la pérdida de función neuronal.
La actividad enzimática es anulada cuando la concentración celular de ATP y la
relación [NADH]/[NAD+] son elevadas, y es activada cuando las demandas energéticas
son grandes y se necesita un aumento del flujo de acetil-CoA hacia el ciclo.
El acetil-CoA es un metabolito intermediario de gran importancia, ya que es además,
el punto de confluencia de la oxidación de los azúcares y ácidos grasos. También
muchos de los aminoácidos entran en el ciclo en forma de acetilo del acetil-CoA,
aunque las vías de degradación de algunos aminoácidos dan lugar a otros
intermediarios del ciclo.
El acetil CoA se oxida por completo a CO2 y H2O en presencia de O2, por medio de un
proceso enzimático cíclico conocido como ciclo de Krebs, ciclo de los ácidos
tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico.
Figura . ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico.
Ciclo del ácido cítrico
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Bioquímica de Alimentos
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El ciclo de Krebs tiene lugar en las mitocondrias de las plantas y animales, mientras
que en los procariotas ese ciclo ocurre en el citosol. El punto de entrada de todos los
combustibles al ciclo de Krebs a través del intermediario metabólico acetil CoA; éste
se condensa con una molécula de oxalacetato, para dar citrato, de allí el nombre de
ciclo del ácido cítrico, y como da origen a otros ácidos tricarboxílicos, también se
llama ciclo de los ácidos tricarboxílicos. El oxalacetato que se desprende en forma de
CO2 corresponden al oxalacetato y no al último acetilo incorporado.
En consecuencia, el oxalacetato que se regenera al final del ciclo no contiene los
mismos átomos de carbón que el oxalacetato original. En cada vuelta del ciclo se oxida
un residuo acetil CoA a dos moléculas de CO2; simultáneamente se reducen 4
coenzimas 3 NAD+ a 3 NADH y 1 FAD a 1 FADH2. Además se genera un GTP a
partir de GDP + fosfato inorgánico que dará posteriormente un ATP.
La velocidad de las enzimas para regular el ciclo depende básicamente de la cantidad
de ATP; si hay demasiado, la velocidad de ciclo disminuye y, si por el contrario hay
exceso de ADP la velocidad del ciclo aumenta. El ciclo de Krebs representa la vía final
común de la oxidación aeróbica de todos los sustratos de la dieta (proteínas, lípidos y
carbohidratos) con producción de CO2 como desecho, reducción de coenzimas que van
a transportar átomos de hidrógeno y electrones que se utilizarán en la cadena
respiratoria para la formación de ATP y de una molécula de GTP que reaccionará con
el ADP y formará ATP. Así se resume la utilidad y la productividad del ciclo.
Cada molécula de NAD+ acepta 2 electrones y 1 protón. El protón y uno de los
electrones se une a un átomo de carbono de la molécula de NAD+; el otro electrón
neutraliza la carga positiva. Esta forma reducida de NAD+ se denomina NADH. El
NADH es el principal intermediario entre el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.
Las enzimas de la membrana interna de la mitocondria que transportan hidrógeno y
electrones componen la cadena respiratoria y este conjunto de pasos hasta llevar los
electrones al O2 y formar agua, se llama respiración interna.
30
Bioquímica de Alimentos
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Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi ------------> 3 NADH + FADH2 + CoASH + GTP + 3 CO2
Consta de 8 reacciones agrupadas en tres fases:
1. Primera fase: ENTRADA DEL ACETATO (reacción 1)
2. Segunada fase: REACCIONES DE DESCARBOXILACIÓN (reacciones 2 a 5)
3. Tercera fase: REGENERACIÓN DEL OXALACETATO (reacciones 6 a 8)
La oxidación de un acetilo (2CO2) por cada vuelta del ciclo, genera:
3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP (o ATP)
Si todos esos nucleótidos de reoxidan totalmente en la cadena de transportadores
mitocondrial,
por
cada
vuelta
del
ciclo
se
originarán
en
total:
(3 x 3) + (1 x 2) + 1 = 12 ATPs
Si partimos de glucosa, el RENDIMIENTO MÁXIMO de su degradación aerobia
será
Glucólisis: 2ATP + 2NADH
Descarboxilación oxidativa del piruvato:
Ciclo de Krebs: 2ATP + 6NADH + 2FADH2
2 + (2 x 3) = 8 ATP
2 NADH ...... 2 x 3 = 6 ATP
2 + (6 x 3) + (2 x 2) = 24 ATP
Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP.
La elevada producción de ATP que tiene el ciclo del ácido cítrico hace que deba
ser finamente ragulado, según las necesidades energéticas de la célula.
31
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Acetil- Co A
Oxalacetato
Citrato
Malato
Isocitrato
Fumarato
α-cetoglutarato
Succinato
Succinil-CoA
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.- REGULACIÓN DEL COMPLEJO Piruvato deshidrogenasa.
Esta es una reacción crucial en el metabolismo energético puesto que es
esencialmente irreversible y supone la única entrada al metabolismo aerobio.
La regulación se lleva a cabo de dos formas diferentes:
1.- Mediante inhibición por producto (NADH y Acetil-CoA).
2.- Mediante modificación covalente de la piruvato deshidrogenasa (E1).
a.- INHIBICIÓN POR PRODUCTO
- NADH compite por en centro activo de la enzima E3 (DHLDH) y acetil-CoA
compite por el cetro activo de E1 (PDH).
- El efecto que eso produce es:
a) un descencenso en las respectivas actividades enzimáticas.
b) que las reacciones de las enzimas (E2) y (E3) transcurran en sentido inverso.
c) que la enzima E1 mantenga su PP en su forma acetilada (inactiva).
Mecanismo del complejo Piruvato deshidrogenasa
b.- MODIFICACIÓN COVALENTE
Ciclo de interconversión:
Piruvato deshidrogenasa fosforilada: INACTIVA.
Piruvato deshidrogenasa NO fosforilada: ACTIVA.
REGULACIÓN DE LAS ENZIMAS DEL CICLO
Examinemos la energética de las ocho reacciones del ciclo, aunque en este caso es
muy difícil el cálculo de la ∆G pues los metabolitos se distribuyen entre el citosol y
la mitocondria y no se conoce cuánto hay en cada compartimiento
Reacción
Enzima
∆G0'
∆G
(kcal/mol) (kcal/mol)
33
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Mg. Anahi V. Cuellas
1
2
3
4
5
6
7
8
Citrato sintasa
Aconitasa
Isocitrato deshidrogenasa
Complejo α-cetoglutarato
deshidrogenasa
Succinil-CoA sintetasa
Succinato deshidrogenasa
Fumarasa
Malato deshidrogenasa
- 7.7
- 5.0
Negativo
~0
Negativo
- 7.9
Negativo
- 0.7
~0
~0
~0
~0
+ 1.5
+ 1.4
+ 0.8
+ 7.1
Tres son las enzimas que trabajan fuera del equilibrio: citrato sintasa, isocitrato DH
y α-cetoglutarato deshidrogenasa. Son pues las etapas limitantes de la velocidad del
ciclo.
En el ciclo del ácido cítrico la regulación de las etapas limitantes NO tiene lugar
mediante elaborados procesos alostéricos sino por tres sistemas mucho más simples:
1.- Disponibilidad de los sustratos.
2.- Inhibición por producto de la reacción.
3.- Inhibición competitiva por ciertos intermediarios del ciclo.
El flujo metabólico del ciclo del ácido cítrico es proporcional al consumo de
oxígeno.
El consumo de oxígeno, la reoxidación del NADH y la síntesis de ATP están
absolutamente relacionadas, por lo tanto, la regulación del ciclo dependerá de los
mecanismos que controlen la producción de NADH.
Los reguladores más importantes son Acetil-CoA, oxalacetato y NADH.
Acetil-CoA y oxalacetato están a concentraciones no saturantes de la citrato sintasa,
por lo que la entrada del acetato en el ciclo dependerá de la disponibilidad de sus
sustratos.
34
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
La [oxalacetato] fluctúa con la relación [NADH]/[NAD+], de acuerdo con la
ecuación:
1) Regulación de la citrato sintasa
Si se precisa una mayor producción de energía, se incrementa el consumo de O2 y
la [NADH] mitocondrial descenderá y se incrementará la [oxalacetato], la cual
estimulará la reación catalizada por la citrato sintasa. Altas [citrato] y [NADH]
inhiben esta enzima. Succinil-CoA compite por al enzima y la inhibe.
2) Regulación de la isocitrato deshidrogenasa
El uso del citrato se controla por la isocitrato deshidrogenasa, que es inhibida por
NADH, ya que la aconitasa opera en el equilibrio. ATP y NADH son inhibidores
de la enzima. El Ca2+ es un lógico activador.
Estudios in vitro han encontrado dos efectores alostéricos de esta enzima: ADP
como activador y ATP como inhibidor.
3) Regulación de la α-cetoglutarato deshidrogenasa
Es inhibida por NADH, ATP y sucinil-CoA
También en este caso Ca2+ es un activador.
REGULACIÓN CONCERTADA DEL METABOLISMO OXIDATIVO
AEROBIO
La síntesis de ATP depende, principalmente, del número de moléculas de
nucleótidos reducidos que sean reoxidados en la cadena de transportadores
mitocondrial.
Las fuentes más importantes de esos electrones son la glucólisis, el cíclo del ácido
cítrico y la oxidación de ácidos grasos.
35
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
El control de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico se encuentra pues
coordinado con la demanda de fosforilación oxidativa.
Es lógico pues que el control de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico sea
dependiente de la carga de adenilato, del NADH o de ambos.
Esta coordinación puede verse en el efecto del citrato sobre la PFK: cuando baja la
demanda energética, [ATP] se incrementa y [ADP] desciende.
Como la isocitrato deshidrogenasa es activada por ADP y la α-cetoglutarato
deshidrogenasa es inhibida por ATP, el flujo a través del ciclo se reduce.
El citrato de sobra será transportado hacia el citosol, en donde inhibirá la PFK.
Cadena transportadora de electrones
La Fosforilación oxidativa, es la síntesis de ATP, impulsada
por la transferencia de electrones hacia el oxigeno, a través de
una cadena transportadora de electrones
.
En organismos aerobios, los electrones fluyen desde intermediarios catabólicos hasta el
oxigeno, liberando energía para la producción de ATP.
Los electrones que entran en la cadena respiratoria provienen de la acción de
deshidrogenesas, que captan e- de reacciones oxidativas y usan nucleótidos de piridina
o de flavina como aceptores.
La cadena transportadora de electrones, esta constituida por una serie de
transportadores electrónicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos
prostéticos, capaces de aceptar y donar 1 o 2 electrones. Cada componente de la cadena
puede aceptar electrones del transportador precedente y transferirlos al siguiente, en un
orden especifico.
36
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
Tipos de transportadores de electrones que participan de la cadena
respiratoria
Cofactores redox: Muchas reacciones de oxidación biológica son deshidrogenaciones
en las que se transfiere uno o dos átomos de hidrogeno, desde un sustrato a un aceptor.
En las reacciones de oxido-reducción celulares intervienen cofactores que son
transportadores electrónicos especializados. El NAD y el NADP son los cofactores de
muchas deshidrogenaciones celulares, que pueden difundir libremente.
NAD: nicotinamida adenina dinucleótido. NAD+ en su forma oxidada y
NADH + H cuando está reducido. La concentración de NAD+ en la célula es
pequeña; por lo tanto debe reciclarse continuamente de la forma oxidada a la
reducida y viceversa.
NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+
El FAD y al FMN, constituyen grupos prostéticos fuertemente unidos a flavoproteínas.
Pueden aceptar tanto uno como dos electrones.
Figura :Estructura de NAD+
Además de los nucleótidos de Adenosina y de Flavina, existen otros tres grupos
transportadores de electrones, que en su mayoría se ubican en la membrana
mitocondrial interna.
37
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
Ubiquinona o Coenzima Q
Es una molécula pequeña e hidrofóbica que puede difundir libremente a través de la
membrana. Esta molécula tiene como principal característica que puede aceptar tanto 1
como 2 electrones, por lo tanto puede actuar como conector entre dadores de 2
electrones y aceptores de 1.
Citocromos
Son proteínas que contienen un grupo hemo y se encuentran ubicadas en la membrana
mitocondrial interna. Se pueden dividir en 3 clases, Citocromos A, B y C.
Los citocromos A y B, poseen sus grupos hemos unidos muy fuertemente, pero no de
forma covalente, estos citocromos son proteínas integrales de membrana. En cambio el
Citocromo C, es una proteína soluble que se asocia a la membrana mediante
interacciones electrostáticas, éste Citocromo posee un grupo Hemo unido de forma
covalente.
Proteínas Ferro-Sulfuradas
El Fe, en éste grupo de proteínas se encuentra asociado con átomos de azufre
inorgánico o con átomos de azufre de residuos de Cys de proteínas. Todas éstas
proteínas participan en la transferencia de electrones.
La teoría quimiosmótica, sobre la respiración mitocondrial, que es la más aceptada,
explica la formación de ATP de la siguiente manera (Figura 3).
En la membrana de la mitocondria el NADH cede 2 electrones y 1 protón a un grupo
transferidor denominado flavín-mononucleótido (FMN). En este proceso se oxida el
NADH, es decir, retorna a la forma de NAD+ y el FMN al haber aceptado 2 electrones
y 1 protón, capta un protón adicional del medio interno con lo que se reduce a FMNH2
que tiene completos 2 átomos de hidrógeno. La molécula de FMN está unida a una
proteína de gran tamaño que atraviesa por entero la membrana. El FMNH2 transfiere
los 2 átomos de hidrógeno desde el interior de la membrana al exterior. Los átomos se
ionizan y los protones se liberan al medio extra mitocondrial, con lo que se tienen los 2
primeros protones (2H+) liberados. Los 2 electrones se transfieren a la superficie
38
Bioquímica de Alimentos
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interna de la membrana a través de una ferroproteína sulfurada (FeS). El FMNH2 al
ceder 2 protones y 2 electrones retorna a su forma original y puede de nuevo ser
reducido por el NADH.
Figura 3: Cadena transportadora de electrones
Las ferroproteínas ceden los electrones a 2 moléculas de ubiquinona (Q), o
coenzima Q; cada una de ellas adquiere un protón del medio interno y da lugar a la
forma semiquinona (QH*). La semiquinona capta 2 electrones más, suministrados
39
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
por el citocromo ß y con 2 protones más procedentes del medio interno de la
mitocondria, da lugar a la forma hidroquinona (QH2) que es el estado más
reducido. Cada hidroxiquinona cede un electrón al citocromo C1 que es la siguiente
proteína de la cadena respiratoria y libera un protón más, siendo hasta el momento
4 los protones liberados (4H+). Todas las moléculas de ubiquinona se encuentra en
el estado de semiquinona (QH*). Completan el ciclo y retorna al estado de máxima
oxidación (Q). Cada una cede un protón restante al medio externo y transfiere al
citocromo ß el electrón asociado. Así se liberan los otros 2 protones, y se
completan los 6 que se deben expulsar de la mitocondria a través de la membrana.
Los 2 electrones restantes son devueltos al ciclo por medio del citocromo C1
atraviesan los citocromos C, A, A3, y por último el A3 es oxidado por oxígeno
molecular. Los 2 electrones son cedidos a un átomo de oxígeno y 2 protones son
captados del medio interno de la mitocondria con lo que se forma una molécula de
agua (H2O endógena).
Durante esta larga serie de reacciones de óxido reducción, el par de electrones
atraviesa 3 veces la membrana en ambos sentidos y entre 2 protones en cada una de
las salidas, en total 6 (6H+), con formación de una molécula de agua al suministrar
los 2 electrones al oxígeno.
Así se ha producido un gradiente de protones a través de la membrana
mitocondrial. Debido a este gradiente, los protones del exterior experimentan una
cierta tendencia a volver al interior del compartimiento. Como la membrana es
impermeable a los protones, su entrada se produce mediante la ATP-sintetasa que
es una proteína transportadora de H+. Los protones adquirieron un potencial
energético al ser transportados fuera de la membrana, en contra del gradiente
40
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
Cadena respiratoria. Parte 2. Fosforilación oxidativa. ATP sintetasa
41
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
El flujo de protones a favor del gradiente es un proceso exergónico y la energía
liberada se utiliza en parte para la fosforilación del adenosín difosfórico (ADP), y así
se forma el ATP. Se genera un ATP por cada 2H+ que atraviesan la membrana; la
reoxidación de un NADH produce 3 ATP, mientras que 1 FADH, origina 2 ATP.
El equilibrio energético de las vías oxidativas se puede ejemplificar si se mira la
producción de ATP al oxidar una molécula de glucosa que es de 36 ATP. Por ejemplo,
el ácido palmítico en su oxidación completa produce 129 ATP. El glutamato, que es el
receptor final de casi todos los grupos amino de los aminoácidos, tiene un total de 27
ATP.
Esto permite evaluar el rendimiento energético en la degradación de las diferentes
biomoléculas. El nucleótido adenosín trifosfato (ATP) es el compuesto principal que
almacena y transporta la energía libre y lo hace a través de la creación y ruptura de
enlaces ricos en energía. Se llama energía de enlace a la energía libre de Gibbs que se
desprende al hidrolizar una molécula de ácido fosfórico del ATP.
El ATP es el producto final de la conservación y la transferencia de energía en el
metabolismo oxidativo de todos los sustratos y al hidrolizarse liberará la energía
almacenada en los procesos anabólicos del organismo. Así se produce el equilibrio
entre la producción y el consumo de energía para mantener la vida.
42
Bioquímica de Alimentos
Mg. Anahi V. Cuellas
BIBLIOGRAFÍA
1-
Principios de Bioquímica. Lenhinger N. Barcelona Omega. 1993 (24 L2).
2-
Bioquímica. Horton, Moran y otros. Prentice Hall Hispanoamericana.
3-
1995. J.D. RAWN (1998) Bioquímica. McGraw-Hill-Interamericana
4-
T. McKee & J.R. McKee (2003) Bioquímica, 3ª ed. McGraw-Hill Interamericana
43