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Seminario nº11
METABOLISMO OXIDATIVO.
Utilizacion de la energia almacenada en los nutrientes para generar ATP
La oxidacion de los alimentos se usa para formar ATP. Los lipidos, glucidos y proteinas
contienen enlaces C-C y C-H que al romperse permiten obtener energia.
Respiracion celular: proceso que al oxidar los combustibles a CO2 consumen oxigeno y generan
ATP. Son 3 fases:
1. Oxidacion enzimatica de combustibles metabolicos con transferencia de electrones de las
coenzimas aceptoras NAD+ y FAD que se reducen a NADH y FADH2. La mayoria de los
combustibles (glucidos, AG y AA) convergen en la generacion del grupo acetilo (de 2C)
activado del Acetil-CoA.
2. Oxidacion completa del grupo acetilo del Aceitl-CoA a CO2 en el ciclo de Krebs (ciclo de
los ac tricarboxilicos CAT), la energia se almacena como NADH y FADH2. Esta fase es
exclusivamente mitocondrial.
3. La energia de la oxidacion de los combustibles (en forma de coenzimas reducidas) forma
ATP por fosforilacion oxidativa. Se transfieren los electrones del NADH y FADH2 (las
coenzimas se reoxidan) al oxigeno. Esto genera un potencial electroquimico en la forma de
un gradiente de protones a traves de la membrana mitocondrial interna que puede utilizarse
para la S' de ATP a partir de ADP y Pi.
La velocidad de oxidacion de combustible esta regulada por feedback con la velocidad de
utilizacion de ATP; los combustibles que no se usan inmediatamente, se almacenan en vez de
oxidarse.
Las vias catabolicas son reacciones que degradan secuencialmente combustibles para la
obtencion de energia, de moleculas grandes y complejas a moleculas pequeñas, y finalmente, a CO2
y H2O. La unica via que genera ATP sin O2 es la glucolisis anaerobica.
Las vias anabolicas son las de S' de macromoleculas a partir de precursores pequeños, a
diferencia de las catabolicas (reacciones gralmente de oxidacion), son reacciones de reduccion y
consumen energia.
Los AG son el principal combustible metabolico del organismo. Tras una ingesta de
glucidos, el exceso de estos que no puede ser almacenado como glucogeno se transforma en TG y
se almacenan en tejido adiposo (al igual que el exceso del ipidos de la dieta).
Durante el ayuno se liberan AG que viajan por sangre unidos a albumina y se oxidan a
Acetil-CoA en musculo, higado y otros tejidos, por B-oxidacion. En higado el acetil-CoA puede
formar CC que se oxidan en musculo y otros tejidos. La oxidacion de AG y CC utilizan NAD+ y
FAD como aceptores de electrones.
Homeostasis metabolica: Capacidad de mantener constante la disponibilidad de combustible a
pesar de la discontinuidad de las ingestas y de la variacion de su utilizacion. Las vias de
almacenamiento y movilizacion se regulan por hormonas principalmente insulina y sus
contrarreguladoras, glucagon, adrenalina y cortisol.
El ciclo de Krebs es la via final de oxidacion de los combustibles y ademas provee de
intermediarios para procesos anabolicos.
PIRUVATO
El complejo piruvato deshidrogenasa cataliza la reaccion de descarboxilacion oxidativa del
piruvato (no es parte del ciclo de Krebs o CAT), ocurre en las mitocondrias y es una de las fuentes
de Acetil-CoA.
El piruvato es el producto final de la glucolisis y de la D' de AA como alanina, serina y
cisteina. Puede ser usado por el complejo piruvato deshidrogenasa o seguir vías como:
a) transaminacion a alanina b) carboxilacion para generar oxaloacetato (para gluconeo) ó
c) reduccion a lactato (glucolisis anaerobica).
Piruvato deshidrogenasa (CPD)
Por decarboxilacion oxidativa el piruvato se transforma en Acetil-CoA, el complejo
enzimatico se ubica en las mitocondrias, y está en mayores concentraciones en musculo cardiaco y
riñon:
Piruvato + NAD+ + CoASH ----> Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ deltaG= -8kcal/mol.
La reaccion es irreversible por el deltaG muy negativo y por esto los AG no se pueden
convertir a HdeC.
El CPD tiene 3 actividades enzimaticas E1, E2 y E3; cinco coenzimas participan en la
reaccion: pirofosfato de tiamina, acido lipoico, CoASH, FAD y NAD+.
Regulacion de la actividad piruvato deshidrogenasa
Tiene dos tipos de regulacion, (1) el Acetil-CoA y NADH inhiben en forma alosterica; y
(2) el CPD tiene forma activa desfosforilada y otra inactiva, fosforilada. El complejo se inactiva por
una proteina dependiente de ATP-Mg unida al complejo, y se reactiva por una fosfoproteina
fosfatasa dependiente de Mg y Ca que desfosforilan.
Las concentraciones de ADP, piruvato, CoASH, NAD+, Acetil-CoA y Ca intramitocondrial
regulan la conversion de la enzima a la forma inactiva (fosforilada). La quinasa se inhibe por ADP,
que aumenta con el consumo de ATP y mantiene activa a la enzima. El Ca intramitocondrial
estimula la fosfatasa que desfosforila y activa. El Acetil-CoA y NADH (productos de la reaccion)
inhiben la forma activa y activan la quinasa. El CoASH y el NAD+ inhiben a la quinasa. Cuando la
relacion NADH/NAD+ o acetilCoA/CoA aumenta, disminuye la actividad del CPD (ocurre por ej
durante la B-oxidacion, cuando aumentan los aportes al CAT).
El piruvato inhibe la quinasa, por lo que al no poder fosforilar el complejo, ésta va a tener su
actividad maxima.
La actividad del CPD aumeta cuando se requiere aporte de acetil-CoA al ciclo de Krebs.
Acetil-CoA
Unidad de 2C generado por las principales vias catabolicas: glucolisis, catabolismo de AG
de cadena larga (B-oxidacion), oxidacion de CC y etanol, catabolismo de AA.
Los nucleotidos derivados de la CoASH se transportan a traves de las membranas celulares
por transportadores especificos. En la S' de Acetil-CoA se usa una molecula de ATP pero la reaccion
consume 2 enlaces de alta energia:
Acetato + CoASH + ATP ---acetato tioquinasa---> Acetil-CoA + AMP + PPi
El destino del acetil-CoA formado en la mitocondria puede ser:
1. oxidado completamente en ciclo de krebs generando energia
2. convertirse en CC (cuando hay exceso): acetoacetato y beta-hidroxibutirato (higado)
3. transferencia de acetilos al citosol con la subsecuente biosintesis de moleculas complejas
como esteroles y AG de cadena larga.
CICLO DE KREBS (ciclo de los ácidos tricarboxílicos CAT)
La mayoria de las vias de oxidacion de combustibles terminan formando los dos carbonos
del acetilCoA. El destino principal es la oxidacion a CO2. Todas las enzimas estan en la
mitocondria, junto con las de CPD y B-oxidacion que son las fuentes principales de Acetil-CoA.
El ciclo genera equivalentes de reduccion que se usan para formar ATP, en la secuencia de
transporte de electrones y fosforilacion oxidativa.
La oxidacion del acetil-CoA transfiere electrones a las coenzimas aceptoras NAD+ o FAD.
La porcion acetilo del acetilCoA se convina con oxaloacetato y forman citrato, se producen dos
decarboxilacion oxidativas que transfieren los electrones al NAD+ y se liberan dos carbonos como
CO2. Luego se forma un enlace de alta energia GTP, otras reacciones regeneran el oxaloacetato por
transferencia de electrones. 2/3 del NADH y FADH2 de todas las vias de oxidacion de combustibles
provienen del ciclo de krebs. La velocidad del CAT depende de la utilizacion de ATP.
Oxidacion de Acetil-CoA en ciclo de krebs
Es una reaccion exergonica (deltaG= -9kcal/mol), desplazada hacia la formacion de citrato:
Acetil-CoA + oxaloacetato ---citrato sintasa---> citrato
La enzima se encuentra en la matriz mitocondrial, es inhibida por ATP, NADH, succinil-CoA y
Acil-CoA (acilos de cadena larga), y se activa por acetil-CoA y oxaloacetato.
El citrato formado puede seguir el ciclo, o entrar en otra vias:
• Fuente de equivalentes de reduccion para procesos de S' citosolicos.
• Regulador de actividad enzimatica: (-) de la FFQ I; (+) de la acetilCoA carboxilasa
• Fuente de C para la S' citosolica de AG y esteroles.
La siguiente reaccion es catalizada por la aconitasa y necesita Fe++:
Citrato <---aconitasa---> cis-aconitato <---aconitasa---> isocitrato
En equilibrio: 90% 3% 7%
Esta reaccion tiene un deltaG= -5kcal/mol, muy desplazado a la formacion de alfa-cetoglutarato:
Isocitrato + NAD+ <--- isocitrato deshidrogenasa ---> alfa-cetoglutarato + CO2 + NADH+H
La enzima se activa por ADP y AMP; el ATP y NADH inhiben (condiciones de alta energia,
relacion ATP/ADP+Pi o NADH/NAD+ alta).
El alfa-cetoglutarato puede seguir otro camino hacia la formacion de glutamato:
Alfa-cetoglutarato + NH4+ + NAD(P)H <---glutamato deshidrogenasa---> Glutamato + NAD(P)+
El proximo paso del CAT, es catalizado por un complejo enzimatico:
Alfa-cetoglutarato + CoASH + NAD <--alfa-cetoglutarato deshidrogenasa--> SuccinilCoA + CO2 + NADH
El equilibrio se desplaza (deltaG= -8kcal/mol) hacia la formacion de succinil-CoA y genera la 2da
molecula de CO2 y el 2do NADH+H. Este complejo esta inhibido por ATP, GTP, NADH y
Succinil-CoA; un aumento en la concentracion de Ca lo activa.
El succinil-CoA tiene un enlace de alta energia (tioester) que va a ser usado para fosforilar a
nivel del sustrato (deltaG= -2.9 kJ/mol):
Succinil-CoA + GDP + Pi ---- succinato tioquinasa ----> Succinato + GTP + CoASH
ADP + GTP <--nucleosido difostato quinasa--> ATP + GDP
El Succinil-CoA puede salir de la vía para condensarse con glicina a traves de la
delta-aminolevutinato sintetasa y formar Delta-aminolevutinato, primer paso para la S' de
porfirinas.
El succinato se oxida a fumarato (deltaG=0):
Succinato + FAD <----succinato deshidrogenasa----> Fumarato + FADH2
Del FADH2 (reducido) unido a la enzima pasan los electrones a la cadena de transporte de
electrones. La enzima esta unida a la membrana mitocondrial interna.
La succinato deshidrogenasa se inhibe por malonato, oxaloacetato y se activa por ATP y
succinato.
El fumarato se hidrata:
Fumarato + H2O <---fumarasa---> L-malato
Y la ultima reaccion en la que se obtiene el 3er NADH+H:
L-Malato + NAD <---malato deshidrogenasa--->Oxaloacetato + NADH+H
Es una reaccion endergonica (deltaG= +7.0Kcal/mol) y predomina, en el equilibrio, el
malato. El malato puede salir de la via, llegar al citosol y formar oxaloacetato por la malato
deshidrogenasa citosolica, siendo este un sustrato gluconeogenico.
BALANCE NETO:
Coenzimas
Diferencias entre NAD y FAD
Tienen distintas propiedades y funciones. El FAD puede aceptar electrones individuales de
atomos diferentes (C-H). El NAD+ acepta un ion hidruro (ej: convierte alcohol a cetona).
Coenzima A
Forma enlace tioester con un grupo acilo (acetil-CoA, succinil-CoA). La hidrolisis de este
enlace tiene un deltaG= -13kcal/mol, y la energia liberada se usa para formar GTP y hacer favorable
la entrada de acetil-CoA al ciclo. Esta energia del enlace del acetilCoA proviene de la
decarboxilacion oxidativa del piruvato o de la oxidacion y ruptura de enlaces C-C de AG o AA.
Balance energetico del ciclo de Krebs
Las reacciones son muy eficientes, son capaces de conservar cerca del 90% de la energia
accesible de la oxidacion del acetil-CoA.
Hay tres reacciones con deltaG muy negativos e irreversibles: citrato sintasa, isocitrato
deshidrogenasa y alfata-cetoglutarato deshidrogenasa.
Durante la oxidacion del grupo acetilo se producen 4 equivalentes de reduccion. La
oxidacion de cada mol de NADH+H produce 2,5 moles de ATP, mientras que la de FADH2, 1,5
moles. Un enlace de alta energia se forma en la reaccion de la succinil-CoA sintasa por lo que la
ganancia neta para la oxidacion de cada mol de acetil-CoA en el ciclo de krebs es de 10 moles de
ATP.
Reacciones anapleroticas
En cada tejido, algunos intermediarios del CAT abandonan el ciclo y siguen otras vias. En
tejido nervioso, el alfa-cetoglutarato forma glutamato y luego GABA. En higado el succinil-CoA
forma hemo. Algunos AA tambien derivan de intermediarios del CAT. Cuando un intermediario
entra en otra via, se restaura el nivel de intermediarios para que el ciclo no se detenga.
Las reacciones anapleroticas son las que aportan intermediarios al CAT, una de las
principales es la conversion de piruvato + CO2 a oxalacetato por la piruvato carboxilasa. El acetil-
CoA es un efector alosterico positivo de esta enzima. La piruvato carboxilasa esta en altas
concentraciones en higado y tejido nervioso ya que hay gran eflujo de intermediarios.
Los AG con numero impar de C se pueden convertir en propinil-CoA y éste en succinil-
CoA.
Los AA tambien son fuente de intermediarios del CAT: isoleucina, valina y metionina se
convierten en succinil-CoA; esto ocurre mas que nada en cerebro, musculo esqueletico y cardiaco.
En higado el ciclo es parte de la via que convierte valina e isoleucina en glucosa, y en musculo
esqueletico parte de la via que los convierten en glutamina.
Otra reaccion anaplerotica es la de la enzima malica que convierte piruvato + CO2 en
malato, consume NADPH.
Regulacion del ciclo de Krebs
Regulada principalmente por la velocidad de utilizacion del ATP, reflejada en:
1. Estado de fosforilacion de nucleotidos de adenosina: ATP y ADP.
2. Estado de reduccion del NAD+, según la relacion NADH/NAD+.
Las principales deshidrogenasas son dependientes del aporte continuo de NAD+ y FAD, por lo que
estan controladas por la cadena respiratoria que es responsable de su oxidacion y que esta
obligatoriamente acoplada a la generacion de ATP. A su vez, la cadena depende del aporte de
ADP+Pi y oxigeno. Si se interrumpe el aporte O2, ADP, o NAD y FAD, se anula la actividad del
ciclo.
La velocidad de la via depende de la enzima mas lenta, y su regulacion ocurre
principalmente a ese nivel.
Las vias deben mantener un nivel constante de producto final, siendo ATP, ADP, NADH y
NAD+ los principales reguladores por feedback.
Los puntos de regulacion del ciclo son:
1. ISOCITRATO DESHIDROGENASA: se activa alostericamente por ADP y se inhibe por
NADH. El ADP aumenta significativamente la velocidad al cambiar la conformacion de
todas las subunidades de la enzima. Tambien es afectada por pequeños cambios en la
concentracion del producto NADH y del cosustrato NAD+.
2. ALFA-CETOGLUTARATO DESHIDROGENASA: no es alosterica, pero se inhibe por NADH
y succinil-CoA.
Ambas enzimas se activan con el aumento de Ca mitocondrial, ocurre mucho en musculo cuando el
reticulo sarcoplasmatico libera Ca en la contraccion y aumenta en la mitocondria, activando
adicionalmente las enzimas.
3. CITRATO SINTETASA: no es alosterica, su velocidad depende de la concentracion de
citrato que es su producto (-), y de la de oxaloacetato (+), su sustrato. Cuando la isocitrato
deshidrogenasa se activa, disminuye el citrato (ahora sustrato) y, a su vez, libera la inhibicion de la
citrato sintetasa. El equilibrio malato-oxaloacetato favorece al malato, pero cuando la relacion
NADH/NAD disminuye, aumenta la relacion oxaloacetato/malato y esto activa la citrato sintetasa.
Sistema de lanzaderas o mecanismos de oxidacion del NADH citosolico
Al oxidarse combustibles en la mitocondria, se reducen las coenzimas NAD y FAD. La
concentracion de estas es muy baja, por lo que tienen que reoxidarse cediendo sus electrones a la
cadena de transporte de electrones (CTE) para que la vía siga funcionando. En el caso de las
coenzimas mitocondriales es facil, pero en las citosolicas es diferente. Hay un mecanismo de
reoxidacion del NADH citosolico que transporta los equivalentes de reduccion por las lanzaderas
del glicerol 3-P o del malato-aspartato y finalmente al oxigeno a traves de la cadena de transporte de
electrones. La membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH por lo que este tiene que
ceder el ion hidruro a un compuesto que posea transportador en dicha membrana. La lanzadera del
glicerol 3-P general 1,5 moles de ATP por mol de NADH, y la del aspartato-malato genera 2,5
moles.
Lanzadera del glicerol 3-P
Predomina en musculo esqueletico y cerebro. Los electrones del NADH pasan a la
dihidroxiacetona fosfato formando el glicerol 3-P gracias a la glicerol-3-P deshidrogenasa
citosolica. El G3P cede los electrones en la MMI a FAD que a su vez los cede a la coenzima Q.
Lanzadera del malato-aspartato
Se regenera el NAD por reduccion del oxaloacetato a malato catalizada por la malato
deshidrogenasa citosolica. El malato se trasloca a la matriz mitocondrial y se regenera el NADH
por la malato deshidrogenasa mitocondrial. El oxaloacetato ahora dentro de la mitocondria es
convertido a aspartato (transaminacion) para poder salir de esta por el transpotador glutamato-
aspartato. En el citosol es transaminado nuevamente a oxaloacetato.
Es la lanzadera mas activa y funciona en higado y corazon.
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