TEMES 9 - 15 (Segon parcial) (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 100
Fecha de subida 18/03/2015
Descargas 11

Vista previa del texto

TEMA 9 – INTRODUCCIÓ AL METABOLISME CONCEPTE DE METABOLISME I RUTA METABÒLICA Un ocell petit, com un colibrí, es capaç de volar desenes de km (20 hores seguides) sense menjar. Es capaç d’acumular molta energia per fer-la servir alhora de fer un treball molt llarg i costos. Això ho va veure Antoine Lavoisier (17431794), que es va adonar de que molts animals son capaços de transformar els aliments en calor i aquest procés de respiració és essencial per viure. A partir d’aquí es va començar a estudiar el metabolisme.
El metabolisme és una activitat cel·lular altament coordinada on complexes multienzimàtics (vies metabòliques) cooperen per: - Obtenir energia química capturant l’energia solar o degradant nutrients rics en energia de l’entorn Convertint molècules de nutrients en molècules pròpies de la cèl·lula.
Polimeritzant precursors monomèrics en macromolècules.
Sintetitzant o degradant biomolècules necessàries per funcions cel·lulars específiques.
Totes aquestes activitats són possibles gràcies a les vies metabòliques.
Els nutrients de l'ambient, en forma de molècules complexes com sucres i greixos, i la llum del Sol aporten energia. Aquesta energia pot patir transformacions per poder fer un treball cel·lular basat en més transformacions químiques a dintre de les cèl·lules que permetrà sintetitzar noves molècules, fer treball mecànic, crear gradients elèctrics i osmòtics, produir llum, transferir una informació genètica...
Aquest intercanvi d'energia també serveix per mantenir la temperatura mitjançant l'alliberació d'energia en forma de calor.
Les cèl·lules fan un munt de reaccions químiques: són màquines químiques que treballen a pressió i temperatura constant. Els éssers vius depenen d’una aportació constant d’energia per poder mantindre's amb vida; per oposar-se a la tendència de la natura cap a un estat de major desordre i menor energia.
- - Tot tendeix a la màxima entropia. Les cèl·lules, gracies a la matèria orgànica poden disminuir la seua entropia i augmentar la de fora.
L'energia ni es crea ni es destrueix. Hi ha una transformació de l'energia.
Els organismes vius, ingereixen nutrients a partir de les quals, la cèl·lula va degradant les macromolècules. Alliberarà petites molècules desordenades (CO2, NH3, H20, PO42-) i augmentarà la entropia de l'entorn. Però el cos amb eixes petites molècules, crearà noves macromolècules pròpies de la cèl·lula (DNA, RNA, proteïnes) i disminuirà l’entropia.
Un dels primers esdeveniments en l’evolució de la vida va ser la formació de la bicapa lipídica, que permet aïllar el contingut interior. Les reaccions que intervenen en rutes metabòliques diferents o oposades solen tindre lloc en compartiments cel·lulars diferents. A més, el gradient de concentracions entre el medi intern i l’extern es manté gràcies a una despesa energètica.
PRODUCCIÓ I CONSUM D’ENERGIA METABÒLICA Els organismes es classifiquen segons la font de C que utilitzen: - - Autòtrofs: o Obtenen l’energia per absorció de l’energia solar.
o Utilitzen el CO2 com a font de carboni Heteròtrofs: o No poden obtenir energia de l’atmosfera.
o Obtenen l’energia a partir de la degradació de macromolècules produïdes pels organismes autòtrofs.
Els éssers vius són sistemes oberts. L’energia que obtenen de l’entorn la utilitzen per realitzar treball químic, osmòtic o mecànic. Hi ha una relació estreta entre organismes autòtrofs i heteròtrofs → C, O2 i H2O es reciclen constantment mitjançant organismes autòtrofs i heteròtrofs. S’intercanvien ≈ 2-4·1011 tones anuals de carboni a la biosfera.
Autòtrofs → O2 i productes orgànics → heteròtrofs → CO2 i material inorgànic → Autòtrofs CICLE DEL NITROGEN Els animals no poden fixar nitrogen, sinó que la fixació de nitrogen depèn de cianobacteris, azotobacter i rhizobium.
- El N2 pot convertir-se a NH3 o a nitrit directament mitjançant la producció d'abonaments artificials.
Els bacteris nitrificants poden converteixen el NH3 en nitrit, i després el nitrit a nitrat.
Aquest nitrat pot passat una altra vegada a N2 per desnitrificació gràcies a plantes i bacteris. Sinó també pot passar a formar part de la síntesi d'aminoàcids per part de plantes de bacteris i plantes.
Els aminoàcids acaben sent degradats fins NH3 per animals i microorganismes.
Hi ha un intercanvi de N a N2 gas, que es captat per organismes fixadors del nitrogen (cianobactèries, azotobacter, rhizobium etc) i el fixen en forma de NH3, amoníac. Els bacteris nitrificats el transformen en nitrit i nitrat, i altres bactèries i les plantes el transformaran en aminoàcids. En aquest punt es quan podem aprofitar el nitrogen de l’atmosfera. Al degradar els aminoàcids per animals i microorganismes, aquest passarà de nou a amoníac. A més, el nitrat pot passar a nitrogen atmosfèric a través de la desnitrificació.
El metabolisme estudia el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc a les cèl·lules.
- Rutes catabòliques (roig) → converteixen les molècules orgàniques complexes en productes senzills. S’allibera energia, que es conserva en molècules transportadores d’energia química (ATP, NADH, NADPH i FADH2).
Aquestes recullen el poder reductor i després aniran a la cadena de transport d'electrons, s'oxidaran i donarà ATP. Com a macromolècules o nutrient que contenen energia trobem carbohidrats, greixos i proteïnes. Com a productes finals i desproveïts d'energia trobem CO2, H2O i NH3.
- Rutes anabòliques (blau) → es sintetitzen molècules complexes a partir de precursors senzills. Aquestes reaccions requereixen una aportació energètica, que prové normalment de les molècules transportadores d’energia química (ATP, NADH, NADPH i FADH2). Com a precursors trobem ens aminoàcids, sucres, àcids grassos i bases nitrogenades. Com a macromolècules cel·lulars trobem proteïnes, polisacàrids, lípids i àcids nucleics.
- Les vies catabòliques son convergents ja que moltes petites reaccions acaben en un sol compost. En canvi, les vies anabòliques són divergents ja que a partir d'una molècula, partiran moltes petites reaccions per acabar amb moltes molècules de menor mida que la inicial.
També trobem vies amfibòliques, que sovint són cicles, com el cicle de Krebs. Una via d'aquest tipus pot anar en una direcció o altra segons si la cèl·lula necessita energia o necessita els precursors. Sovint el que passa es que vies contraposades, es troben en compartiments cel·lulars diferents. Poden ser anabòliques o catabòliques segons els requeriments de l’organisme (poden ser cícliques), però mai es donen al mateix temps.
- El metabolisme presenta unes fases. Si ens fixem en catabolisme per exemple trobem: 1.
2.
3.
4.
Grans molècules: polímers, proteïnes, àcids nucleics, polisacàrids i lípids.
Molècules més petites: monòmers, aminoàcids, nucleòtids, sucres, àcids grassos i glicerol.
Intermediaris catabòlics: piruvat, acetil-CoA, àcid cítric, intermediaris cíclics...
Obtenció d'energia i degradació completa de les molècules en CO2, H20 i NH3.
En canvi, si ens fixarem en l'anabolisme, les fases anirien en ordre contrari.
REACCIONS BIOQUÍMIQUES I TERMODINÀMICA: ENERGIA LLIURE ALS PROCESSOS BIOLÒGICS Les rutes metabòliques estan formades per una sèrie de reaccions catalitzades per enzims. Cadascuna de les petites reaccions que formen una ruta metabòlica està catalitzada per un enzim. Hi ha molts passos molt senzills que fan que les transformacions i els canvis d'energia son molt petits. Cada reacció representa un canvi químic molt petit que genera un canvi molt petit d'energia. L'energia, d'aquesta manera, es podrà aprofitar millor. Si s’alliberarà molta energia de cop, no tota es podria aprofitar.
La majoria de les reaccions estan molt properes al equilibri: poden anar en un sentit i el l'altre. Però sempre hi ha un pas irreversible que fa que la ruta metabòlica sigui també irreversible en conjunt: les rutes metabòliques són exergòniques i tenen direccionalitat. Perquè siguin favorables, han de ser reaccions exergòniques, és a dir, que alliberen energia. En realitat, les anabòliques necessiten aportació d'energia.
Les etapes limitants estan lluny de l'equilibri, són irreversibles i catalitzades per un enzim que controla la via.
Les vies estan totes molt regulades. A més, hi ha vies metabòliques i anabòliques que comparteixen, molts enzims i que produeixen productes intermediaris. Per això, en aquests cassos, les reaccions han de estar molt ben regulades per que si no seria una despesa d’energia inútil per la cèl·lula. Hi ha una regulació gracies en part, a la compartimentalització cel·lular.
El pas amb una sola direcció serà el pas que regula la via metabòlica. Aquesta reacció està molt afavorida termodinàmicament i pràcticament és irreversible. A més està limitada per l'enzim regulador de la via. Com sols presenta una direcció no està en equilibri, i moltes vegades podem trobar gran quantitat de substrat perquè l'enzim està saturat.
Les reaccions que es donen en les dues direccions es troben molt prop de l'equilibri i limitades per la concentració de substrat.
Energia lliure de Gibbs (G) La força que dirigeix una reacció és ΔG, el canvi d’energia lliure → canvi o increment d'energia lliure de Gibbs.
- ΔGº = 0 → reacció reversible que està quasi en equilibri.
ΔGº << 0 → reacció irreversible i favorable que es dona de substrat a producte. L'energia lliure del producte serà més petita que la del substrat.
ΔG = ΔH -T·ΔS Totes les reaccions segueixen les lleis de la termodinàmica: es tendeix a la màxima entropia, màxim desordre.
- Entalpia: contingut de l'energia de la reacció. Quan ΔH<0 → la entalpia dels productes es menor a la dels reactius, que tenien mes energia. Reacció favorable que tira en davant.
Entropia: expressió quantitativa del desordre. Perquè una reacció sigui favorable necessitem que els productes siguin menys ordenats i més senzills.
Termodinàmicament: - Procés favorable: ΔH <0, ΔS>0 → ΔG<0 → R. Exergònica procés desfavorable: ΔG>0 → R. Endergònica Segons la llei de la termodinàmica, productes més complexes estaran més desordenats i per tant hi haurà un guany en l’entropia.
El canvi d’energia lliure actual, ΔG, és una variable que depèn de l’energia lliure estàndard, ΔGº’, i de la concentració de reactius i productes: ΔG = ΔGº’ + RT ln [P]/[R] ΔGº’ és característica de cada reacció i es pot calcular a partir de la constant d’equilibri de la reacció. L’increment d'energia lliure estàndard es calcula en condicions químiques estàndards → [ ]=1M, 25ºC i 1 atm i pH=7 (apòstrof).
També depèn de les concentracions de producte i reactius.
ΔGº’ = - RT lnK’eq Es pot calcular en condicions d'equilibri, quan la [S]=[P] → [P]/[R]=Keq; ΔGº’=0. Quan la reacció és favorable, les constants d’equilibri son més grans i serà una relació exponencial: petits canvis en ΔGº’ provoquen grans canvis en K’eq.
La Keq varia de 10 en 10, exponencialment. Però l’ΔG varia linealment. Açò es degut al logaritme neperià.
- Keq més grans, reaccions més favorables Keq més petites, reaccions menys favorables. Necessitarà aportació energètica.
REACCIONS ACOBLADES L’ΔG d’una reacció és independent de la via per la qual la reacció té lloc. Es poden acoblar dues o més reaccions en les que el producte d’una passa a ser el substrat de l’altra. Els canvis de ΔG són additius: La fosforilació de la glucosa presenta un ΔG>0 → reacció no favorable. És la primera reacció de la glicòlisi, però cal energia per dur-la a terme. Aquest és un cas entre les reaccions endergòniques que estan acoblades a altres reaccions exergòniques. En este cas, esta acoblada a la hidròlisi d'ATP. Si sumem les dues reaccions, ens dona una reacció exergònica. I per tant, serà favorable.
Es poden acoblar una o més reaccions en les quals el substrat d’una és producte de l'altra.
COMPOSTOS RICS EN ENERGIA a) COMPOSTOS FOSFORILATS L’ATP és la “moneda de canvi” de la cèl·lula viva. La hidròlisi d’ATP o la transferència de grups fosfat s’acobla a reaccions endergòniques per què siguin favorables. L’energia també s’utilitza per: - Realitzar contracció muscular Transport de molècules contra gradient Síntesi de la informació genètica L’ATP és el principal nexe entre les reaccions catabòliques i anabòliques i el principal transportador d’energia a dintre de la cèl·lula. La hidròlisi de l’ATP podrà permetre que es doni una reacció endergònica.
L’ATP s'ha de reciclar una altra vegada per recuperar l'energia gastada abans. La hidròlisi del fosfoenolpiruvat és encara mes energètic que la del ATP. Doncs es poden acoblar perquè ambdues juntes siguin favorables.
COMPOSTOS RICS EN ENERGIA L’acetil-CoA, per exemple, no té grups fosfats, però emmagatzema l’energia en altres enllaços. En realitat, d’aquesta taula, tots tenen enllaços amb el fosfat, excepte l'acetil-CoA.
Els tres fosfats de l’ATP (adenosin trifosfat) s'uneixen: - Fosfat α → enllaç fosfoester al carboni 6 de la glucosa.
Fosfat β i γ → enllaços fosfoanhidra, més energètics que el fosfoester.
Cal una catàlisi enzimàtica per trencar els enllaços fosfoanhidra, ja que tenen molta energia. Entre dos fosfats i al mig hi ha una oxigen. La diferencia està entre P-P i P-C.
Hi ha càrregues negatives que estan molt properes, que fan moltes reaccions redox amb altres molècules.
A mes, el Fosfat es estabilitzat per ressonància perquè es reparteixen les carregues entre els 4 enllaços amb els àtoms d’oxigen.
Per tant: - Hidròlisi dels enllaços fosfoanhidres → ΔG<<0 Compostos amb enllaços rics en energia tindran un potencial de transferència de grup elevat L’ATP participa en moltes reaccions de transferència del grup fosforil → hidròlisi de l’ATP i la fosforilació d’un determinat metabòlit Els enllaços fosfoanhidres, com els que tenen l’ATP o l’ADP, son els més energètics; però el fosfoèster no ho és tant. Per això e l’AMP, que no te enllaços fosfoanhidres és el menys energètic.
La gran ΔG associada a la hidròlisi de l’ATP s’explica per: - La disminució de la repulsió electrostàtica en el producte a l’eliminar el fosfat terminal en comparació a l’ATP.
Els productes de la reacció d’hidròlisi (ADP i Pi) tenen un grau de solvatació major a l’ATP. Si s’hidrolitza, perden un fosfat i perdem càrrega negativa. La hidròlisi alleuja les càrregues la per això, l’ADP és més estable.
L’ADP alliberat es ionitza ràpidament a pH neutre, alliberant un protó, afavorint la reacció cap a la dreta.
El grup fosfat alliberat (Pi) es troba estabilitzat per vàries formes en ressonància, al tenir els 4 enllaços P-O el mateix grau de doble enllaç.
Altres compostos fosforilats amb energia d’hidròlisi elevada són el fosfoenolpiruvat i la fosfocreatina.
- - - El piruvat en la forma enol s’automeritza a la forma cetònica, que és més estable. Això fa que hi hagi una tendència a anar cap al piruvat enòlic, ja que aquesta automerització equival a una disminució dels productes i per tant, PEP continua hidrolitzant-se.
La fosfocreatina es una molècula capaç d’emmagatzemar energia (fosfat) en el múscul esquelètic. Es una font d’energia in situ: en períodes de repòs s’utilitza la fosfocreatina per regenerar l’ATP. L’ATP s’utilitzarà durant la contracció muscular. La fosfocreatina s’hidrolitza per passar a creatina. La creatina, amb el grup amino i el doble enllaç, el reparteix amb els altres grups amino i també reparteix les càrregues. La molècula és més estable i la reacció està desplaçada cap a l’esquerra.
L’àcid fosfoglicèric s’hidrolitza, i la carga negativa es reparteix entre el dos oxígens, gràcies a la ionització que es provoca. Aquí també es reparteix la carrega, És mes estable i per tant, la reacció tira endavant.
PAPER DE L’ATP I ALTRESCOMPOSTOS FOSFORILATS L’ATP té un paper central en els potencials de transferència de grups fosfat. L’ATP gràcies a la seva posició intermèdia en l’escala de potencial de transferència del grup fosfat permet transportar energia des de compostos d’elevada energia a compostos de poca energia, els quals seran activats per convertir-se en espècies més reactives.
Per això, l’ATP actua com la moneda de canvi: hi ha compostos que cedeixen energia a l’ATP perquè després aquest la cedeixi a altres vies metabòliques. L’ATP pot aportar la seua energia de hidròlisi per generar noves molècules. A mes, també aporta grups fosfat → moltes vegades, la fosforilació serveix per activar o desactivar les molècules.
El coenzim A té tres grups fosfats. A més, té una energia lliure semblant a la de l’ATP. És un mediador que es troba en moltes rutes metabòliques. El grup funcional del coenzim A s’unirà a diferents molècules, com l’acetilCoA.
L'àcid acètic pot estar en ressonància (imatge).
El coenzim A està compost per un ADP-3'fosfat que uneix un pantotenat, un derivat de la vitamina B. A més, aquest està unit a un β-mercaptoetilamina mitjançant un enllaç peptídic, que és el grup funcional del CoA, ja que s'uneix a les molècules a les quals activa. La part funcional és el residu SH de la β-mercaptoetilamina.
Un tioèster està compost per l’enllaç entre un àcid carboxílic i el grup tiol (tio → sofre). Tenen un ΔG molt negatiu. Un exemple de tioèster seria el tiol del coenzim A (R → coenzim A).
Els tioèsters tenen una major energia d’hidròlisi que els esters d'oxigen, encara que el d'oxigen també s'estabilitza amb ressonància. Per tant, serà més favorable la hidròlisi del tioèster.
OXIDO-REDUCCIONS EN ELS PROCESSOS BIOQUÍMICS La transferència d’electrons en reaccions d’oxidoreducció és una característica del metabolisme. És responsable de tot el treball realitzat pels organismes vius.
- OXIDACIÓ: pèrdua d’e-; l’acceptor d’e- és l’OXIDANT REDUCCIÓ: guany d’e-; el donador d’e- és el REDUCTOR Els processos d’oxidació en els sistemes biològics tenen lloc en diverses etapes i requereixen transportadors específics d’electrons: NAD/NADH, FAD/FADH2, etc. Aquestes reaccions consisteixen en la transferència d’electrons entre una molècula donadora d'electrons a una molècula acceptora d’aquests. Amb aquestes reaccions podrem aconseguir ATP.
Es pot separar la reacció redox en dues semireaccions: La transferència d’electrons a les cèl·lules es fa mitjançant la família d’enzims que les catalitzen: OXIDORREDUCTASES.
Trobem diversos tipus de reaccions que realitzen aquests enzims.
1.
OXIDASES i REDUCTASES → transferència directa d'electrons.
2.
DESHIDROGENASES → transferència d'electrons en forma d’àtoms d'hidrogen.
3.
DESHIDROGENASES → transferència d'un ió hidrur (hidrogen amb càrrega negativa: 1 àtom d’H i 2 electrons).
Un protó es queda en el medi.
4.
OXIGENASES i HIDROXILASES → per combinació amb l’oxigen, que és l'oxidant.
Mesura de la tendència a donar electrons: - Ve donat pel potencial de reducció, E (en Volts).
Els electrons tendeixen a anar de les semireaccions amb menor E a les de més E.
L’energia lliure (ΔG) d’una reacció és proporcional a la diferència de potencials d’oxidoreducció (ΔE).
ΔG = -nFΔE - o n = nombre d’electrons transferits o F = cte. de Faraday (96,48 KJ mol-1V-1) o ΔE = E acceptor e- - E donador eΔE > 0 → R. Exergònica ΔE < 0 → R. Endergònica En condicions estàndard (concentracions 1M i pH=7) → ΔGº’ = -nF ΔEº’ Els potencials de reducció estàndard per alguns compostos són els següents: Els electrons tendeixen a anar de les semireaccions amb menor E a les de més E. A la cadena de transport electrònic primer va el NADH i després el FADH2. Els electrons tindran tendència a anar del NADH al FADH2, per la diferència de potencials. També dels del NADH al piruvat.
Transportadors d’electrons especialitzats: NAD+/NADH, NADP+/NADPH - NAD → Nicotinamida Adenina Dinucleòtid Són utilitzats com coenzim per deshidrogenases Grup funcional → base nicotinamida: accepta un ió hidrur (2e- i un H+).
El NAD generalment funciona en oxidacions (catabolisme). Doncs, el ratio NAD/NADH puja. El NAD absorbeix a 260nm i el NADH a 240.
El NADP generalment actua en reduccions (anabolisme). Doncs, el ratio NADP/NADPH baixa.
Uneix dos electrons i un H. Té carrega neta negativa, però conveni l’escrivim com NAD+ ja que té un grup +.
Podem absorbir llum a una longitud d’ona en 260nm (NAD+) o 340nm (NADP). Aquesta és una estratègia per miniauritzar una reacció.
FAD/FADH2, FMN/FMNH2 → El FAD també es un dinucleòtid d’adenina i flavina. La flavina té un grup funcional que es l'anell derivats de la flavina.
- La forma oxidada te la màxima absorbància a 570nm i la reduïda a 450nm, ambdós λ es troben dintre de l’espectre de llum visible.
FMN es només el nucleòtid de flavina. Es també un transportador de electrons.
L’oxidada (semireduida) s’anomena semiquinona, i la reduïda quinona.
Els cofactors són derivats de la vitamina rivoflavina.
Està format per un apoenzim i grup prostètic. Sol actuar com a grup prostètic: unit permanentment a l’apoenzim.
El grup funcional és l’anell isoaloxacina, que accepta 2 e- i 2 H+. No ho fa tot al mateix, sinó de manera gradual.
FMN: Flavin Mononucleòtid.
CONTROL I COMPARTIMENTACIÓ DE LES RUTES METABÒLIQUES Hi ha rutes que comparteixen passos o enzims, però son antagòniques. Per això, cal un bon control de les vies. Hi ha diferents sistemes. El control es fa a 3 nivells: 1. Activitat enzimàtica: - Interacció reversible: L’enzim regulador de la via controla la reacció, o bé es el propi producte. Alguns intermediaris inactiven els enzims inicials. Com que ja tenen prou energia, frenen la reacció.
- Concentració de substrat → a més enzim, mes activitat - Efectors o moduladors al·lostèrics, com la hemoglobina.
- Modificació covalent: Fosforilació, adenilació Concentració d’enzim 2. Compartimentació cel·lular → vies metabòliques antagòniques es duen en compartiments cel·lulars diferents.
Sovint la via catalítica es realitzen al mitocondri i les anabòliques al citoplasma.
3. Regulació Hormonal → Les hormones tenen la capacitat d’unir-se a un receptor i ser capaços de desencadenar una cadena de fosforilació.
TEMA 10 – BIOSENYALITZACIÓ Les senyals bioquímiques donen informació als éssers vius. La senyal és detectada per residus específics i és convertida en resposta cel·lular, sempre en forma de reaccions químiques. En organismes pluricel·lulars, ja no hi ha sols senyals de l’ambient, sinó que també reben estímuls interns. Per exemple, les cèl·lules del cervell i del fetge reben diferents senyals, però totes estan coordinades. En organismes unicel·lulars, són senyals externes. Per exemple, si un organisme unicel·lular està en males condicions ambientals, podrien convertir-se en espora gràcies a un senyal. Les senyals químiques, que recullen informació i la converteixen en resposta, s'anomenen biosenyalitzacions.
Una capacitat que tenen les cèl·lules és el fet que tenen capacitat d’actuar en front una senyal que reben de l’exterior.
Succeeix tant a nivell unicel·lular com a pluricel·lular: es molt més complexa, perquè les cèl·lules tenen diferents funcions. A nivell del desenvolupament embrionari participen moltes senyals per tal de que l’embrió adopti una posició determinada.
SENYALS QUÍMICS EXTRACEL·LULARS: HORMONES, NEUROTRANSMISSORS I FACTORS DE CREIXEMENT Els circuits de transducció cel·lulars són “commutadors moleculars”. Tots els senyals representen informació, i es detecten a través d’uns receptors específics que després es transformen en una resposta cel·lular i química.
Al final, els senyals biològics es tradueixen en la fosforilació d’algunes proteïnes, uns missatges secundaris que canviaran la funció de la cèl·lula.
En una cèl·lula, hi ha molts circuits, i la resposta es veu amplificada. Sovint es tradueix en la fosforilació de proteïnes.
Hi ha diferents tipus de missatgers o senyals en la transmissió intracel·lular de la informació: - Hormones → perill Neurotransmissors → canvi en el flux d’ions Factors de creixement → el desenvolupament embrionari depèn de del gradient de concentració de uns factors determinats.
Feromones → atracció Olors →atraients o repulsius Gustos Llum → les plantes o bacteris reaccionaran de diferent manera Components de la matriu extracel·lular Antígens La interacció d’aquests missatges amb els receptors, provoquen una sèrie de canvis o accions. Es duen a terme diferents accions a nivell molecular: - Alteració en el flux d’ions Regulació de l’activitat d’enzims Inducció de la síntesi de proteïnes Activació de sistemes de transport Les hormones son els senyals moleculars més importants. Són molt importants alhora de integrar l'activitat entre diferents òrgans d'un individu.
- Són substàncies alliberades per una cèl·lula que actuen sobre una altra cèl·lula (diana) modificant la seva activitat.
Integren i coordinen les activitats metabòliques dels diferents teixits.
Per exemple: - Les hormones insulina i glucagó actuen en situacions oposades: quan acabem de menjar o quan fa temps que no ho fem.
- Les hormones esteroides i la vitamina D, que deriven del colesterol.
Es classifiquen en funció de l’origen. A més, el receptor pot estar en la membrana, en el nucli, o en el citosol en funció de la naturalesa de la hormona. Els diferents tipus, en funció de com s’alliberen són: - Endocrines → s’alliberen a la sang, actuen sobre dianes allunyades Paracrines → s’alliberen a l’espai extracel·lular i actuen sobre dianes properes Autocrines → actuen sobre la mateixa cèl·lula que les allibera Les principals glàndules dels sistema endocrí humà són: - Pituïtària Hipotàlem Tiroides Paratiroides Glàndula adrenal Pàncrees Ronyó Ovaris Testicles Els principals sistemes endocrins i els seus teixits diana són: Per exemple: arriba una senyal de l’entorn, estimula al hipotàlem i actuarà sobre glàndules, com la hipòfisis, que estan més allunyades encara.
Sistema endocrí del pàncrees: quan augmenta molt la concentració de glucosa en sang, s’allibera insulina. Això permet una resposta molt més ràpida que no si s’hagués de sintetitzar.
Al fetge, el principal regulador de la glucosa, que la emmagatzema o la degrada. Quan dormim o estem en estats de dejú, hi ha teixits que tenen reserves energètiques. Però els que no, com el cervell en necessiten. Gràcies al glucagó, que es secreta quan la concentració de glucosa disminueix, el cervell aconsegueix glucosa. Té l’efecte invers de la insulina, el fetge estimula la degradació de glucosa per a que augmentin els nivells a la sang. Per tant, segons si hi ha insulina o glucagó, s’activaran els enzims d’unes rutes metabòliques o unes altres.
La biosenyalització estudia la recepció, processament i resposta de les cèl·lules a la informació provinent de l’entorn. Les cèl·lules son computadors biològics que tenen mecanismes de transducció de senyals → circuits moleculars que detecten, amplifiquen i integren diverses senyals externes per generar respostes a través de canvis en: - L’activitat enzimàtica, L’expressió de gens Els canals d’ions Un receptor hormonal és una molècula proteica a la qual l’hormona s’uneix de forma reversible i específica (com l’enzim-sostrat). Trobem: - Receptors intracel·lulars: al nucli o al citosol.
- Receptors de membrana Degut a l’alta afinitat pels seus receptors, les hormones són efectives a concentracions de lligand molt baixes. Les concentracions d’un receptor son de l’ordre de picomols (pM=10-12M).
PROPIETATS DELS MECANISMES MOLECULARS DE TRANSDUCCIÓ DE SENYALS a) L’especificitat del receptor per l’hormona és molt gran. Hi ha una alta afinitat (Kd<10-10M) i una elevada cooperativitat lligand-receptor. Només quan s’uneix l’hormona especifica, es produeix l'efecte desitjat. La Kd es molt petita i això fa que la activitat sigui altíssima.
b) Capacitat dels senyals per ampliar-se a quantitat petites de concentracions. Es produeix gràcies a una cascada de senyalitzacions en la que es van activant enzims. S'activa un primer enzim, que activa altres enzims. Açò desencadena una cascada enzimàtica: cascada de senyalització cel·lular.
c) Si l’hormona es manté en una concentració, al final es desestabilitza i ja no s’activarà una resposta, per tal de que la cèl·lula no es mantingui sempre treballant. Si l’hormona augmenta molt de concentració, es pot tornar a activar. Però la resposta dura molt poc, ja que hi ha un mecanisme que l'atura → dessensibilització de la senyal.
d) Dos senyals (hormones) oposades interaccionen amb dos receptors específics i el resultat serà la suma d’aquestes dues reaccions. La resposta final es la resta de les dues respostes: la integració de les dues → són dues respostes oposades que s'integren.
Les característiques generals dels sistemes de transducció són: 1. Interacció amb el receptor 2. El receptor activat interacciona amb la maquinària intracel·lular produint un senyal secundari (enzims extracel·lulars que augmentaran els missatges secundaris). el receptor desencadena un senyal a dintre de la cèl·lula, que pot ser un segon missatger: missatger secundari, com l'AMPc.
3. Canvi en l’activitat metabòlica de la cèl·lula (estimula la síntesi de proteïnes o l’activació d’aquestes). Canvia una ruta metabòlica determinada.
4. La cèl·lula torna a l’estadi inicial SISTEMES PRINCIPALS DE TRANSDUCCIÓ DE SENYALS: RECEPTORS DE MEMBRANA I INTRACEL·LULARS Tipus de receptors: 1. Canals iònics: es troben a la membrana plasmàtica i s’obren o es tanquen quan hi ha canvis en el potencial de membrana, per l’augment de concentració de cert enzim o quan s’uneixen a un lligand específic. Són els receptors més senzills. Exemple: receptor de l’acetilcolina.
2. Receptors enzim: tenen una funció enzimàtica. Es troben a la membrana. Té un domini intracel·lular que s’activa quan se li uneix el lligand, i un extracel·lular.
3. Receptor serpentina: s’activen a través de proteïnes G i s’uneixen GTP o sols. S’encarreguen d’activar enzims.
4. Receptors d’esteroides: es troben a la membrana del nucli. Estimulen el canvi amb la regulació de l’expressió de gens específics. tenen l’efecte més lent, perquè causen una activació de proteïnes.
5. Permeten activar unes cascades enzimàtiques. La principal reacció es l’intercanvi de fosfats: fosforilació o desfosforilació per activar o desactivar.
6. Adhesió: es troben a la matriu extracel·lular. Donen informació de la adherència de la matriu i la migració cel·lular. Exemple: la unió del col·lagen amb el receptor, canvia el citoesquelet de la cèl·lula.
7. Receptors que no tenen una activitat enzimàtica: receptors que atreuen altres proteïnes.
1. Receptors de membrana: Enzims Receptor → INSULINA. La insulina es una hormona secretada pel pàncrees, quan la concentració de glucosa en sang augmenta. La insulina va a molts teixits i té un efecte de captació de glucosa. Es fa gràcies al receptor de la insulina, un tetràmer té 2 subunitats α i 2 β i es comú d’altes hormones, sobretot als factors de creixement.
En el cas de la insulina, ja està dimeritzat (quan són monòmers són inactius). En el moment en què s’uneix, causa autofosforilació de la subunitat β per 3 llocs amb 3 Pi (total → 6P) en tres tirosines.
Actua de proteïna causa, perquè s’ha activat i fosforila al substrat receptor de la insulina (IRS-1). Es capaç d’activat altres proteïnes, entre elles RAS, que activarà a RAF, i aquesta a MEK, i MEK a ERK.
Són 4 fosforilacions en cadena. Es per això que a ERK inicialment se la va anomenar MAPK, a MEK, MAPKK, a RAF1: MAPKKK. ERK es transloca i se’n va al nucli on activa factor de transcripció per la formació de noves proteïnes.
Quan es fosforila, pot interaccionar amb una sèrie de proteïnes i finalment, la unió de totes estes proteïnes activaran la RAF1 (MAPKKK), que al activar-se per fosforilació, podrà fosfori lar una altra proteïna: MEK (MAPKK), que també fosforilarà, ERK (que al principi li van dir MAPK). Una quinasa fosforila la següent. ERG pot entrar al nucli: transloca. Pot fosforilar Elk-1, que estimularà la transcripcio d’una sèrie de proteïnes. La insulina regula a transcripcio de 1000 gens diferents.
Mutacions en algunes fosfatases poden donar lloc a càncer.
També actua directament fosforilant o desfosforilant proteïnes que intervenen en algunes vies metabòliques. IR-1 fosforila PI-3K, que s'uneix a PIP2 a PIP3, dos lípids de membrana. El PIP3 s'uneix a una proteïna quinasa, la PKB, fosforila una altra quinasa, GSK3, que quan està activa, està desactivada. Aquesta inactiva per fosforilació la glicogen sintasa.
Quan acabem de menjar se secreta insulina. A mes, el fetge activa la via de síntesi de glicogen. Al múscul, la insulina activa el transportador de la glucosa, que estava en vesícules de la cèl·lula. Els transportadors de glucosa es trasnslocaran a les cèl·lules del múscul.
Receptor del factor de creixement epidèrmic (EGF). El receptor és també de l’estil receptor enzim. No és un dímer, la part extracel·lular s’uneix als factors de creixement epidèrmic i en la intracel·lular té l’activitat tirosina. Els EGF té relació amb els efectes tumorals. Un dels receptors és el receptor ErbB. Quan la cèl·lula sobreexpressa, es tornen cèl·lules tumorals → els receptors no es podran dessensibilitzar i produiran càncer.
2. Receptors de tipus serpentina El receptor d’adrenalina te una sèrie d’hèlix transmembranals (7) en forma de serpentina. És coneixen mes de mil tipus de receptors serpentina, que es troben dintre de la membrana de les cèl·lules. Estan associats a proteïnes G, trimèriques, que poden unir GDP (3 subunitats juntes) i GTP (la α es separa de la β i γ). La subunitat α queda sola i esta activa, i manté el GTP unit.
Esta activarà un enzim (receptor de la adrenalina → AC) i el GT → GDP. Doncs, es tornarà unir β i gamma. AC cicla l'adenilat, el AMP → AMPc. La adrenalina actua en situacions d'estres i perill. S'ha d’alliberar energia. Doncs es produeix en múscul i en el teixit adipós.
El receptor d’adrenalina (ß -adrenèrgic) forma part d’una gran família de receptors transmembranals, amb 7 hèlix transmembrana. Actua a través de proteïnes G trimèriques que fixen GTP i catalitzen el pas GTP a GDP, facilitant la dissociació de la subunitat α de la proteïna G. Aquesta subunitat activa l’adenilat ciclasa de la membrana plasmàtica, que produeix AMP cíclic, un segon missatger que estimula una proteïna kinasa (PKA).
El AMPc el que farà serà activar una alta quinasa: PKA, que depèn de AMPc.
Interacciona amb una proteïna G i activarà misatges secundaris. La proteïna G té 3 subunitats, i quan en té 3, es inactiva. Quan s’uneix al GTP, es dissocia de les β i les α, i es converteix amb una G activa amb el GTP unit. Serà capaç d’activar l’adenil ciclasa. Quan s’activa, perd el Pi, i la subunitat G ja no es activa i es torna a unir a les altres subunitats.
La proteïna G es mou en tot aquest procés fins a trobar al adenil ciclasa que també es troba per la membrana. El que fa ladecil ciclasa es ciclar a AMP, perd els dos fosfats inorgànics i es forma un enllaç entre l’oxigden d’un fosfat i l’hidroxil del C5’ de la (cíclic). AMPc activa una kinasa dependent de AMPc, per això s’abrevia om a PKA, i fosforilarà glucosa per augmentar la quantitat de ATP.
PKA → activitat reguladores i catalítiques. La unió de AMPc fa alliberar les subunitats catalítiques i que s’activin, a causa d’un canvi comformacional.
Poques molècules d’adrenalina permeten formar 20 vegades més molècules de AMPc, que a la vegada, activaran més de PKA, que fosforilarà a les kinases... una gran cascada de fosforilació. Sense AMPc, esta inactivada.
Quan s'uneix a la subunitat reguladora, pateix un canvi comformacional, la subunitat reguladora es separa de la catalítica i es queda activa.
La PKA activa o inhibeix mots altres enzims. Per exemple, inhibeix la síntesi de glicogen.
Degradació de l’AMP cíclic per la fosfodiesterasa → què passa amb l'AMP cíclic quan ja ha fet la seva funció? Es trenca l'enllaç entre el fosfat i el C3 de la ribosa. El cafè i el te fan que la vida del AMPc sigui més llarga.
S’ha de degradar, perquè quan s’activi no pot continuar perpetuant més la seva funció. Per exemple, el cafè i el te tenen un efecte en aquest nivell: inhibeixen el pas de AMPc a AMP.
D’aquesta manera, AMPC dura més i tindrà un efecte adrenèrgic durant més temps.
Dessensibilització del receptor ß-adrenèrgic → Si l’adrenalina persisteix, el receptor es dessensibilitza per fosforilació en el domini intracel·lular que interacciona amb les proteïnes G, gràcies a ßARK. βARK s’uneix al receptor i es fosforil·la, i fa que recluti un altre proteïna, βarr. Internalitza el receptor, en forma de vesícula. Es desfoforilat i pot tornar a desfosforilar-se.
La adrenalina s'uneix al receptor βadrenèrgic.
Un cop ha fet el efecte, la proteïna G trimèrica, uneix una proteïna βARK, que es una quinasa i fosforila el receptor en l'extrem Cter. Açò fa que es formi una vesícula endocítica. En la vesícula es desfosforila el receptor i es separa la βarrestina (βARK).
La ACTH o el glucagó, tenen un efecte positiu → indueixen a que AMPC activi a PKA. En canvi, les prostaglandines o les somatostatines, inhibeixen el adenilat ciclasa, en el teixit adipós.
En roig tenim les molècules que inhibeixen l’AMPc → prostaglandines i somatostatina, que es secretada pel pàncrees endocrí, amb un efecte contrari al glucagó. En canvi en blau tenim les que l’estimulen la AC (adenilat ciclasa) per sintetitzar el AMPc → el glucagó, que té un efecte invers a la insulina i la corticotropina (ACTH).
Receptors tipus serpentina → Activació de la fosfolipasa C (PLC).
S’encarrega de la síntesi de segons missatgers: diacilglicerol i inositol 1,4,5-trifosfat (IP3). IP3 augmenta el Ca2+ intracel·lular, que a la vegada també actua de segon missatger, sovint a través de calmodulina.
El IP3 va al citosol i recluta Ca2+ intracel·lular. El calci es un altre missatger secundari. Un com l'ha reclutat, gracies al calci i al diacilglicerol, activa una altra proteïna quinasa C depenent de calci. Començarà una altra cascada de fosforilació en la que participa diferents quinases.
El calci provoca la contracció muscular, organització del citoesquelet. La calmodulina uneix calci. Té una estructura pareguda a una ma. La calmodulina pot unir fins 4 cations calci, i després s’unirà a la proteïna que s'unirà al calci.
3. Receptors intracel•lulars Regulen l’expressió gènica per: - - Hormones tiroidees Hormones esteroidees → derivades dels lípids, com la vitamina D. Poden travessar la membrana plasmàtica, ja que són liposolubles.
Retinoids Vitamina D Els receptors es troben situats a dintre del nucli de les cèl·lules.
Quan el receptor s'uneix, fa un canvi comformacional que fa que es pugui unir a una certa seqüència de DNA i activar la transcripció per aquells gens.
Per exemple, la RU486: la píldora del dia després, antagonista de la progesterona, impedeix que es desencadenin les reaccions per la implantació de l'òvul fertilitzat a l’úter. Antagonista → s'uneix al mateix receptor impedint la seua funció.
TEMA 11 – METABOLISME DE GLÚCIDS La glucosa s'utilitza per a obtenir energia de manera ràpida. La glucòlisi és una via anaeròbica i molt ràpida.
DEGRADACIÓ DE LA GLUCOSA: GLICÒLISI I VIA DE LES PENTOSES FOSFAT La degradació de la glucosa produeix molta energia, tant és així que és la principal font d’energia de la majoria d’organismes (reserva, oxidació a piruvat o via pentoses-fosfat). És per això que diem que té una posició central en el metabolisme, i és el principal intermediari de reaccions biosintètiques. Per fer un gran esforç amb un temps tan curt només es pot fer gràcies a la degradació d’aquest glúcid. Les vies que surten de la glucosa, son vies d’oxidació.
Glucosa → CO2 + H2O – AGº’=-2840KJ/mol Es pot emmagatzemar l’energia en forma de glicogen (en animals), o midó (plantes), essent la principal reserva d’energia; i a més, permet mantenir la osmolaritat de la cèl·lula. Quan l’energia es necessita es produeix una degradació de la glucosa per obtenir ATP ja sigui per una via anaeròbica com anaeròbica. Es a més, un precursor de molècules biosintètiques.
A part, es pot oxidar via glucòlisi, sinó que també es pot oxidar per altres vies, les vies de les pentoses fosfat. La funció és la síntesi d’àcids nucleics i l’obtenció de poder reductor.
Doncs, la D-glucosa es pot utilitzar per: - Obtenir poder reductor en NADP Obtenir energia Emmagatzematge Intermediari de reaccions biosintètiques.
La glucòlisi és gairebé una via universal en el catabolisme de la glucosa, la trobem en tots els organismes, per més primitius que siguin.
- És un procés metabòlic que té lloc en el citosol.
És una via molt conservada, es fa a totes les cèl·lules i a tots els organismes.
Consisteix en el trencament d’una glucosa (C6) en dues trioses (2 C3 → piruvat).
En aquesta via s’obté energia en forma d’ATP.
Hi ha cèl·lules que l’única font d’energia possible es a partir de la glucòlisi.
Es molt important en alguns teixits com el cervell (necessita cada dia 120g de glucosa, sinó les neurones es moren) i els eritròcits, ja que només obtenen l’energia a partir de la glucosa.
La degradació es un procés totalment anaeròbic, que no requereix oxigen. Això també el converteix en universal.
Consta de 10 reaccions químiques i es divideix en 2 fases: o Fase preparatòria → la glucosa s'ha d'activar per passar a piruvat. Requereix aportació energètica. Són 4 reaccions en què es requereix energia per fer-la. Hi ha una activació de molècules de glucosa, gràcies a l’aport de fosfat d’ATP. Després, es produeix la isomerització de glucosa a fructosa. Té lloc perquè després tindrem una molècula simètrica i serà molt més fàcil que es trenqui per la meitat. S’han requerit 2 molècules d’ATP.
o Fase de beneficis (generació d’energia) → obtenim dos vegades ATP i NADH. Cada reacció es fa per duplicat, ja que tenim dues trioses. A partir de les 2 molècules de 3 carbonis, procedent d’una 6, s’obté poder reductor, 2NADH i després ATP (2 sortides en cada cas, per tant 4 ATP), perquè s’alliberen els enllaços rics en energia que teníem en forma de fosfat. Balanç final: 2ATP + 2NADH DESTINS CATABÒLICS DEL PIRUVAT FORMAT A LA GLICÒLISI - Si persisteixen les condicions anaeròbiques es fa la fermentació per recuperar el poder reductor. Si les condicions són anaeròbiques, es tenen lloc les fermentacions.
o Condicions anaeròbiques o hipòxiques → fermentació alcohòlica dels llevats. Presenta dues etapes: descarboxilació i reducció: s’obtenen 2 molècules de etanol i 2 molècules de CO2 (que serà el gas que genera les bombolles del pa, per exemple). Es dóna en els formatges, cerveses... la fan els llevats i altres microorganismes.
o Condicions anaeròbiques: fermentació làctica. Es duu a terme per cèl·lules animals, plantes i microorganismes. S’obtenen 2 molècules de lactat. És una manera de reciclar el poder reductor NADH, que s’oxida a NAD+. No s’obté CO2. A més, també fem aquest tipus de fermentació quan un teixit necessita energia de manera molt ràpida. El múscul fa servir l’energia acumulada per si mateix.
Però després, no tindrà temps per degradar aquesta glucosa totalment, i aquestes fermentacions són una manera d’obtenir energia més rapida.
o - - Les fermentacions són el mecanisme més antic evolutivament per captar energia. També, és la més conservada, entre les diferents vies encara hi ha els mateix enzims que les catalitzin. Les diferències es troben en la regulació de les vies. El destí del piruvat també es diferent, segons si és un organisme aeròbic o anaeròbic.
Si hi han condicions aeròbiques, el piruvat s'activa amb el CoA i entra en el cicle de Krebs. Si les condicions són aeròbiques s’obté 2 acetil-CoA (a partir de la descarboxilació del piruvat). Després, a través del cicle de Krebs, o cicle de l’àcids cítric, s’obté la oxidació complerta de la glucosa. Té lloc en animals, plantes o microorganismes aeròbics.
A part d’aquestes vies, el piruvat també serveix com a precursor de moltes reaccions anabòliques.
REACCIONS DE LA GLUCÒLISI Fase preparatòria: 1. FOSFORILACIÓ DE LA GLUCOSA (ACTIVACIÓ). És una etapa irreversible que requereix ATP. És un pas limitant de la via, que permet que es segueixin les reaccions. A més, l’aport del fosfat ve donat per una molècula d’ATP que passarà a ADP, és a dir, va acoblada a la hidròlisi d’ATP perquè sigui favorable. Si es fosforila, tindrà càrrega negativa i ja no podrà sortir de la cèl·lula i a més la concentració de glucosa (normal) baixa, perquè es fosforila, i doncs entra mes per difusió facilitada.
- Enzims: hexoquinasa (totes les cèl·lules) → fosforila la glucosa a G6P. Hi ha un isoenzim particular que es troba només en el fetge, la glucoquinasa, que manté l’homeòstasi de la glucosa a la sang i a tots els teixits. La hexoquinasa regula aquest pas en tot el cos excepte en el fetge, que ho fa la glucoquinasa, un isoenzim seu: enzim que està codificat per un gen diferent però que té la mateixa funció.
- Funció d’aquest pas: Atrapar glucosa dins la cèl·lula (càrrega negativa). Si està en forma lliure, sense carregues, per entrar o sortir. Manté la concentració de glucosa intracel·lular baixa, perquè l’entrada de la glucosa dependrà de la seva concentració. Si la glucosa es metabolitza, disminuirà la concentració de glucosa i la cèl·lula en podrà captar més. ∆Gº’=-16,7KJ/mol. És negativa perquè va associat a la hidròlisi de l’ATP. És a dir, aquest pas està acoblat a la hidròlisi de l’ATP.
2. La CONVERSIÓ DE GLUCOSA 6P A FRUCTOSA 6P (ISOMERITZACIÓ). És una reacció reversible, necessària pel trencament de la glucosa (C6) en 2 molècules de 3 carbonis. Com que està quasi al equilibri, té una ∆G molt baixa. Consisteix en un canvi de la conformació de la glucosa 6P a fructosa 6P, una isomerització. Intervé una isomerasa que provoca que la molècula sigui simètrica per poder trencar-la en dues molècules iguals.
Nota: glucòlisi i gluconeogènesi comparteixen els passos reversibles, els que són en una única direcció, són els propis de cada un.
3. FOSFORILACIÓ DE LA FRUCTOSA 6P EN FRUCTOSA 1,6 BISP perquè la molècula sigui simètrica. Segona reacció encebadora. És una etapa irreversible, que requereix ATP. A més, es el principal punt de control de la via, que limita la velocitat de tota la glicòlisi. Sabem que la funció de la glicòlisi és l’obtenció d’energia que s’emmagatzema en forma d’ATP, per això l’ATP actua com a modulador al·lostèric de tipus inhibidor. El citrat també, perquè s’obté del cicle de Krebs.
- Enzim: Fosfofructoquinasa (PFK-1) → el més important de la via, ja que defineix la velocitat de la glicòlisi. Està regulat al·lostèricament: o Positivament → AMP, ADP i fructosa 1,6 bisfosfat.
Indiquen que hi ha poc ATP i per tant que fa falta energia en la cèl·lula i s'estimula la glicòlisi.
o Negativament → ATP i citrat (intermediari del cicle de Krebs). Efecte contrari, no cal que la glicòlisi tiri en davant.
- Aquesta via també té un increment d’energia lliure negatiu, però amb tot i això, hi ha una fosforilació.
És exergònica perquè és una reacció acoblada a la síntesi d’ATP perquè sigui favorable.
4. TRENCAMENT DE FRUCTOSA 1,6 BISP A DUES TRIOSIES. És una etapa reversible (els passos reversibles també els trobarem a la gluconeogènesi), que en la gluconeogènesi té sentit contrari. Els productes que s’obtenen són dihidroxicetona-fosfat (3 primers àtoms) i gliceraldehid-3-fosfat (destí dels àtoms de C).
- ENZIM: aldolasa - A més, es el pas de lisi que dóna nom a la via metabòlica.
- Els productes són formes interconvertibles per l’enzim triosa fosfat isomerasa.
5. ISOMERITZACIÓ CETOSA-ALDOSA. És una etapa reversible. Consisteix en l’eliminació de Gliceraldehid 3P i per tant, sempre va en sentit de la formació d’aquest compost (les dues molècules del pas 4 es poden convertir en la mateixa. Està quasi en equilibri, però com que el gliceraldehid-3P es va eliminant per al pas següent, tot l'equilibri es desplaça capa aquesta molècula). En la següent reacció fa que l’equilibri es desplaci a la dreta, ja que el substrat és el gliceraldehid 3P.
Amb això s’acaba la fase preparatòria. A partir d’aquí comença la fase de beneficis, per obtenir energia i poder reductor.
Fase de beneficis: ara tenim dues molècules de gliceraldehid 3-P. Per tant, cadascuna d'aquestes reaccions serà per duplicat.
6. OXIDACIÓ I FOSFORILACIÓ. El gliceraldehid-3-fosfat és fosforilat a 1,3bisfosfoglicerat. Aquesta reacció ve acompanyada per una oxidació, i es genera poder reductor. Es requereix energia, però es té una reacció acoblada, la reducció del NAD a NADH (2 molècules), que és molt exergònica. El fosfat prové del fosfat inorgànic, no d’ATP. Cal recordar que l’ATP gràcies a la seva posició intermèdia en l’escala de potencial de transferència del grup fosfat permet transportar energia des de compostos d’elevada energia a compostos de poca energia, els quals seran activats per convertir-se en espècies més reactives.
7. TRANSFERÈNCIA DEL GRUP FOSFORIL A L’ATP. És la primera formació d’ATP gràcies a la transferència d’un grup fosfat. S’anomena fosforilació a nivell de substrat (el grup fosfat prové del substrat, no com ala fosforilació oxidativa), diferent de la fosforilació oxidativa. Es formaran 2 ATP i 2 3fosfoglicerats perquè teníem 2 molècules de 1,3, bisfosfoglicerat. La única diferencia en la molècula en si es el grau d'oxidació del C1, es passa d’aldehid a àcid carboxílic.
Aquestes dues reaccions constitueixen conjuntament un procés d’acoblament d’energia: 1,3-bisfosfoglicerat actua com intermediari. Es genera un ATP.
8. TRANSFERÈNCIA DEL GRUP FOSFAT DE C3 A C2. És una reacció propera a l’equilibri. Isomerització catalitzada per l’enzim fosfoglicerat mutasa, que necessita Mg. Reacció molt propera al equilibri.
9. DESHIDRATACIÓ DEL 2-FOSFOGLICERAT A FOSFOENOLPIRUVAT (PEP).
El 2-fosfoglicerat patirà una deshidratació per passar a PEP, molècula molt rica en energia. Catalitzada per l’enzim enolasa. L'hidroxil i l'H+ surten en forma d'aigua i es forma un doble enllaç. Reacció propera a l’equilibri.
10. TRANSFERÈNCIA DEL GRUP FOSFAT DEL PEP A L’ADP. Hi ha una segona fosforilació a nivell de substrat gràcies a l’enllaç ric en energia del PEP. Formarà 2 molècules d’ATP. Catalitzat per la Piruvat quinasa. Irreversible en condicions intracel·lulars. És un punt important de regulació de la via. PEP → piruvat (3C).
ho fa la piruvat quinasa. Es la segona fosforilació a nivell de substrat. Reacció irreversible i molt favorable, ja que el PEP te la energia lliure mes negativa de totes.
Balanç energètic global de la glucòlisi: A partir d’una molècula de Glucosa s’obtenen 2 molècules de Piruvat, 2 molècules de NADH reduït (que es reciclarà) i 2 molècules d’ATP. La formació de piruvat té un increment d’energia lliure de -146 KJ/mol, mentre que la formació de 2 molècules d’ATP té un increment de +61KJ/mol. Al final, les dues reaccions es sumen, i dona un total de -85KJ/mol: es una reacció exergònica i irreversible.
Rendiment total: - - Oxidació total: Glucosa → 6CO2 + 6H2O ΔGº = -2.840 kJ/mol Energia alliberada per la glucòlisi: (146/2840) x 100 = 5,2 % → l’energia alliberada de la glicòlisi sols representa el 5,2% de la energia total que s'ha pogut traure, la qual cosa ens indica que el metabolisme anaerobi es molt poc eficient. L’evolució cap als organismes aerobis suposa un gran avantatge alhora d’aprofitar millor els recursos i obtenir moltíssima energia.
El piruvat encara conté la major part de l’energia de la glucosa.
- El major rendiment s’obté en les reaccions oxidatives del cicle de Krebs i la fosforilació oxidativa.
Entrada de diferents sucres a la glucòlisi - Els disacàrids han de ser hidrolitzats a monosacàrids per poder entrar a les cèl·lules.
Ho fan els enzims units a la superfície externa de les cèl·lules de l’epiteli intestinal.
Qualsevol altre sucre pot entrar a la glucòlisi mitjançant un petit canvi previ.
GLUCONEOGÈNESI - - - Procés amb múltiples passos on el piruvat o altres C3 (lactat, alanina o glicerol) es converteixen en glucosa.
Els animals ho poden fer a partir de piruvat, de l'esquelet de carboni dels àcids grassos... Les plantes a partir de molècules de 3C procedents de la fixació de CO2. Després de sintetitzar-la s’emmagatzemarà.
En els animals es dóna a fetge i menys a ronyó. S’obté la glucosa necessària pel funcionament del cervell, músculs i eritròcits. La glucosa s'ha de sintetitzar si hi ha un període de temps que no mengem, com quan dormim.
Té lloc principalment al citoplasma cel·lular. Es realitza en el mateix compartiment cel·lular que la glicòlisi, excepte l’últim pas que es fa al mitocondri. Per aquest motiu, la regulació d'aquestes dos vies ha d'estar molt ben coordinada. Però no tots els teixits poden fer la gluconeogènesi, són els que depenen de la concentració de glucosa en sang.
- - Set reaccions són catalitzades pels mateixos enzims que la glicòlisi, són reversibles.
Hi ha 3 passos irreversibles, regulats per enzims gluconeogènics.
Hi ha tres reaccions irreversibles, que podem observar mitjançant la comparativa entre glucòlisi i gluconeogènesi, que van en sentit invers. Hi ha molts passos en comú, que són aquells que estaven molt propers a l’equilibri i que eren reversibles. Però hi ha tres passos en una sola direcció, els que donen sentit a la via.
- - - Hexoquinasa / Glucosa-6-fosfatasa (fosforila i desfosforila). Es fa al fetge i poques vegades al ronyo. L'enzim es troba al llum del RE dels hepatòcits.
Fosfofructoquinasa-1 (fosforilació de la F6P) / Fructosa 1,6 bisfosfatasa. No es forma ATP a la gluconeogènesi, al contrari que a la glicòlisi. Surt fosfat inorgànic.
Piruvat quinasa / PEP-carboxiquinasa i Piruvat carboxilasa. Es fa als mitocondris.
Piruvat quinasa / PEP-carboxiquinasa – piruvat carboxilasa. Són 2 passos diferents que es duen a terme als mitocondris.
1. Passem del piruvat, amb una molècula de bicarbonat, al oxalacetat. Es realitza a les mitocondris i està catalitzat per la piruvat carboxilasa. Surt la biotina (es vorà mes endavant, es un cofactor de l'enzim) i es trenca una molècula de ATP.
2. L’oxalacetat es descarboxila (es desfà el pas) i se li fica un fosfat provinent del GTP. L'enzim es el PEP carboxiquinasa. Es pot fer al citosol o a la matriu mitocondrial. L’oxalacetat es converteix a malat, que aquest pot sortir de la matriu i anar al citosol, al citosol es torna a oxidar per donar oxalacetat. A la matriu es forma NAD+ i al citosol NADH (poder reductor). Quan del lactat es fa piruvat, ja obtenim poder reductor, i per tant con cal traure el oxalacetat fora i aquest pas es fa directament a la matriu mitocondrial.
Cicle de Cori: El múscul emmagatzema glucosa. Quan fa un esforç molt intens, per fermentació obté lactat i 2ATP per recuperar poder reductor. L’elevada producció de lactat s'allibera a la sang, entra al fetge i es retorna a glucosa, que l'emmagatzema però també l’envia a la circulació.
- Reaccions en roig → úniques en la gluconeogènesi - Reaccions en negre → iguals que en la glicòlisi Les primeres seran per duplicat, al reves de la glicòlisi.
La gluconeogènesi serà favorable. Tant un com l'altre les reaccions són favorables i irreversibles.
Regulació de la glucòlisi i la gluconeogènesi: - Comparteixen molts passos, i és per això que la seva regulació ha de ser perfecte.
Regulació del fluxe a través d’una ruta amb múltiples passos comuns.
Regulació recíproca i coordinada Cada procés té tres passos irreversibles (limitants), amb enzims crítics.
Mitjançant la compartimentalització.
Regulació metabòlica: - - Concentracions d’enzim crítiques (transcripció).
Regulació molt lenta.
Enzims al·lostèrics Modificacions covalents (fosforilació i desfosforilació) Compartimentalització Associació de l’enzim a proteïnes reguladores Enzims que catalitzen els passos irreversibles a la glucòlisi: o Hexoquinasa o Fosfofructoquinasa 1 o Piruvat quinasa 1. Regulació del flux a través d’una ruta amb múltiples passos. El pas limitant és la formació de fructosa-1,6bifosfat, perquè hi ha molt menys. Això ens dóna una idea dels enzims limitants. L’enzim fosfofructoquinasa 1 (PFK 1) és l’enzim clau limitant, que catalitza un procés irreversible a velocitat lenta, és la vàlvula de control de la via glucolítica; és el pas més important dels tres irreversibles.. Hi ha una restricció molt important. S'acumula molt substrat.
2. Regulació dels enzims claus: a) Hexoquinasa i glucoquinasa: Glucosa + ATP → Glucosa-6-P + ADP.
L’hexoquinasa i la glucoquinasa tenen propietats diferents (isoenzims). La hexoquinasa té més afinitat per la glucosa que no pas la glucoquinasa. La hexoquinasa és inhibida al•lostèricament pel seu producte i per G6P i la glucoquinasa per F6P, de la segona reacció de la glucosa. Perquè? El fetge té una funció molt important, és el regulador de la glucosa en sang. Si la glucosa baixa, les neurones sabran que ha disminuït la seva concentració, i per això la concentració de glucosa ha d’estar molt ben regulada per a que els teixits tinguin un accés controlat i continu a la glucosa, i aquesta funció és la que té el fetge. Quan la glucosa baixa, el fetge es l’encarregat de metabolitzar el glicogen per alliberar glucosa a la sang. El múscul emmagatzema glucosa, però pel seu propi us. El múscul capta la glucosa de l’exterior, però si no en necessita més, no l’agafarà, i deixarà de fosforilar. Per això té tanta afinitat per la glucosa. Augmentarà la glucosa a la cèl·lula i no podrà capturar més (estarà saturat). Per això, l’inhibeix el producte. El fetge, amb una Km més elevada, té menys afinitat per la glucosa, i en necessita concentracions molt altes per processar-la. Si hi ha poca glucosa en sang, evitarà que aquesta sigui processada i que pugui passar a teixits que en necessitin. Però si augmenta, encara que hi hagi molta, no s’inhibirà l’enzim i evitarà que la glucosa pugui tornar a sortir. En definitiva, l’hexoquinasa i glucoquinasa tenen propietats diferents (isoenzims).
Són isoenzims, és a dir, dos enzims que tenen la mateixa funció però que estan codificades per gens diferents. La gluoquinasa és especifica del fetge, però la hexoquinasa la trobem a altres teixits, com el múscul.
- - Km →mesura l’afinitat de l'enzim per un substrat determinat. Si es baixa hi ha més afinitat. Si es alta, caldrà molta més quantitat de substrat. La hexoquinasa es satura fàcilment i la glucocinasa no es satura mai.
L'hexoquinasa és inhibida de manera al·lostèrica pel seu propi producte. La glucoquinasa és inhibida per un producte d'un pas més endavant a la glucòlisi.
El fetge, amb els seus hepatòcits, se'n cuida de mantenir la concentració de glucosa estable. El fetge absorbeix la glucosa i l’emmagatzema en forma de glicogen (mentre dormim el nostre cervell tindrà glucosa per funcionar). Per tant, es molt important que es mantingui aquesta concentració. Doncs, el fetge, quan hi ha molta glucosa, la incorpora en els hepatòcits i la ha de metabolitzar (glicogen o ATP). Com la glucoquinasa no es satura per glucosa, va fosforilant-la sense parar i així la G6P no pot sortir de la cèl·lula.
Quan la glucosa entra a la càl·lula, serà convertida a G6P i seguidament es a F6P, molècula la qual inhibeix la hexoquinasa. A més fa que la glucoquinasa es transporti al nucli perquè no continuï funcionant mitjançant una proteïna reguladora.
La glucòlisi té lloc al citosol, on els enzims es troben actius. Però la glucoquinasa es translocarà al nucli a partir de la fructosa. Al nucli s’unirà a una proteïna reguladora que inhibirà la seva sortida. La glucosa en catalitza la sortida, de nucli a citosol.
b) Fosfofructoquinasa 1: Fructosa-6-P + ATP Fructosa 1,6-bisP + ADP Limita la velocitat de la reacció, és l’enzim més important de la glucòlisi. És la etapa limitant de la glucòlisi i la gluconeogènesi.
- Inhibida al·lostèricament per ATP i citrat. Quan hi ha molt ATP indica que costa molt arribar a la velocitat màxima encara que hi hagi molta F6P. Quan hi ha poc, es satura fàcilment.
Activada per AMP i ADP (ATP + AMP ↔ 2 ADP) Té 4 llocs catalítics i 4 llocs al·lostèrics. Es un tetràmer que a cada subunitat te un lloc catalític i un lloc al·lostèric on s'uniran els moduladors al·lostèrics.
És activada al·lostèricament per fructosa 2,6-bisfosfat: La fructosa 2,6-bifosfat s’obté a partir de la fructosa-6-fosfat (substrat) per fosforilació gràcies a la fosfofructoquinasa 2 (GLICÒLISI). Per passar a G6P de nou tenim l’activitat de la fructosa 2,6-bisfosfatasa (GLUCONEOGÈNESI).
- - L’activitat de la FBPasa-1, fructosa 2,6-bisfosfatasa, es veu augmentada si no hi ha fructosa 2,6-bifosfat (F26BP), i inhibida si hi ha.
PFK-2, fosfofructoquinasa 2, es veu activada al·lostèricament quan hi ha fructosa 2,6-bifosfat, i inhibida si n’hi ha. La fosfofructoquinasa 2 i la fructosa 2,6-bisfosfatasa son 2 activitats del mateix enzim. Quan un dels dos dominis, està actiu, l’altre està inhibit, i al revés.
PFK-2 activa: quan PFK-2 està activa, FBPasa 2 està inactiva. Augmentarà la concentració de fructosa 2,6,bifosfat i s’activarà la glucòlisi i s’inhibeix la gluconeogènesi.
FBPasa-1 activa: quan està activa, PFK-2 està inactiva. S’inactivarà per fosforilació, d’aquesta manera s’activa FBpasa-1. Què és el que fosforila? PKA (la proteïna kinasa depenent d’AMPc). Quan la FBPasa-1 és activa, la concentració de fructosa 2,6 bifosfat disminueix. Com que disminueix, la fosfofructoquinasa 1 no pot actuar, i baixarà la glucòlisi i s’activarà la gluconeogènesi.
Com es forma la AMPc? És per Receptors d’Adrenalina, gràcies a l’adrenilat ciclasa. No només el receptor de la adrenalina, sinó el del glucagó també ho fa. El glucagó, al fetge, aturarà la glucòlisi i estimularà la gluconeogènesi per secretar glucosa, i és el que realment fa. La adrenalina actua a múscul d’una manera, i al fetge d’una altre. A nivell de fetge, la adrenalina actuarà igual que el glucagó, estimulant la gluconeogènesi. En canvi, la insulina secretada pel pàncrees, té l’efecte contrari. La insulina a fetge estimula la desfosforilació de FBPasa-2 i activarà la glucòlisi.
Adrenalina augmenta [glucagó] i disminueix [insulina]. A múscul, estimula glucòlisi.
La PFK-2 té dos dominis: - Quinasa → sintetitza F2,6P Fosfatasa → degrada F2,6P Quan PFK2 està desfosforilada, l’activitat quinasa és activa. Quan està fosforilada, l’activitat fosfatasa és activa. La proteïna quinasa depenent de AMPc es qui la fosforila. Tot depèn del glucagó (s'allibera amb baixes concentracions de glucosa) i l’adrenalina.
Efecte del glucagó: c) Piruvat quinasa: fosfoenolpiruvat + ADP → Piruvat + ADP És activada al·lostèricament per fructosa 1,6-bisfosfat, inhibida al·lostèricament per ATP, inhibida al·lostèricament per Acetil-CoA i àcids grassos de cadena llarga i regulada covalentment per fosforilació al fetge.
La piruvat quinasa està inactiva quan està fosforilada. Quan es desfosforila s’activa, gràcies a PP. L’inactiva PKA (activat pel glucagó). El glucagó actua a diversos nivells: via d’inhibició del piruvat quinasa i fructosa. Un cop activa catalitza el pas de PEP a piruvat.
La PKA es capaç de fosforilar aquesta piruvat quinasa. El glucagó indica al fetge que ha de inactivar la piruvat quinasa, inhibir la glucòlisi i activar la gluconeogènesi.
TRANSPORTADORES DE GLUCOSA Transportador Glut-1 Glut-2 Glut-3 Glut-4 Glut-5 Tejido Cerebro Eritrocitos Tejidos fetales y placenta Borde apical del intestino Hígado Riñón Lado basolateral del intestino Células β pancreáticas Cerebro Músculo Tejido adiposo Yeyuno Características Transporte constante de glucosa independientemente de la concentración extracelular de glucosa. Es decir, siempre están cogiendo glucosa del medio.
Transporta hasta que hay equilibrio entre los medios intracelular y extracelular.
Alta afinidad por la glucosa. Transporta incluso después de alcanzarse el equilibrio. Hay transporte preferencial en estados hipoglucémicos.
Transporte modulado por insulina. Si no hay insulina no está activo.
No transporte de glucosa, sino de fructosa.
VIA DE LES PENTOSES FOSFAT A la majoria de teixits animals el destí de la glucosa és la glucòlisi. Però un altre destí és la oxidació de la G6P per la via de les pentoses fosfat. A diferencia de la glucòlisi, és el NADPH el poder reductor per les vies biosintètiques. A més, formarà ribosa 5-fosfat per la síntesi de nucleòtids i àcids nucleics.
És una via utilitzada per teixits de creixement molt ràpid (moll d’os → medul·la òssia, pell, mucosa intestinal), teixits amb una elevada síntesi d’àcids grassos, hormones o colesterol (fetge, teixit adipós, gònades, glàndules adrenals). També cèl·lules molt exposades a oxigen (eritròcits, còrnia) → exposat a radicals lliures. El glutatió servirà per controlar el nivell de radicals lliures.. Té lloc al citoplasma de les cèl·lules i interacciona amb altres vies metabòliques. Presenta dues parts principals: - Reaccions oxidatives Reaccions no oxidatives El favisme consisteix en el dèficit de G6P deshidrogenasa i per tant, en la presència de molts radicals lliures. No hi ha poder reductor, i doncs, no es pot contrarestar el nivell de radicals lliures. També es diu malaltia de Pitàgores. Hi ha una lisi prematura de hematòcits. Resistència a la malària.
Funció del NADPH: evitar radicals lliures que s’exposin a l’oxigen. L’oxigen genera radicals superòxids, que passen a peròxid d’hidrogen i poden ser tòxics i causar estrès oxidatiu.
El NADPH servirà per reduir el glutatió i per l’anabolisme. Si obtenim R5P es podrà regenerar G6P i sintetitzar molècules com àcids nucleics, nucleòtids, coenzims... El glutatió es capaç, gràcies a la peroxidasa, de passar de H2O2 a 2H2O. El GSH s’oxida a GSSG s’ha de poder regenerar gràcies al poder reductor del NADP.
Si augmenta el nivell de radicals lliures → molt d'oxigen, medicaments contra la malària, herbicides, radiació ionitzants, respiració mitocondrial... Els radicals lliures són derivats d'oxigen amb càrrega neta negativa → radical superòxid, hidroxil... La glutatió peroxidasa necessita poder reductor (NADPH reduït de la via de les pentoses). Permet convertir H2O2 a aigua per evitar els radicals lliures.
La via de les pentoses fosfat es una via alternativa pel catabolisme de la G6P que dóna lloc a: - Poder reductor (NADPH) per les reaccions biosintètiques R5P per la síntesi de nucleòtids i àcids nucleics A la majoria de teixits animals el destí de la glucosa és la glucòlisi. Però un altre destí és la oxidació de la G6P per la via de les pentoses fosfat. A diferencia de la glucòlisi, és el NADPH el poder reductor per les vies biosintètiques. A més, formarà ribosa 5-fosfat per la síntesi de nucleòtids i àcids nucleics.
Es una via utilitzada per teixits de creixement molt ràpid (moll d’os, pell, mucosa intestinal), teixits amb una elevada síntesi d’àcids grassos, hormones o colesterol (fetge, t. adipós, gònades, glàndules adrenals). També cèl·lules molt exposades a oxigen (eritròcits, còrnia). Té lloc al citoplasma de les cèl·lules i presenta dues parts principals: - Reaccions oxidatives Reaccions no oxidatives NADPH i Glutatió protegeixen de l’estrès oxidatiu. La funció del NADPH és evitar radicals lliures que s’exposin a l’oxigen. L’oxigen genera radicals superòxids, que passen a peròxid d’hidrogen i poden ser tòxics i causar estrès oxidatiu. A més, el glutatió es capaç, gràcies a la peroxidasa, de passar de H2O2 a 2H2O. El GSH s’oxida a GSSG s’ha de poder regenerar gràcies al poder reductor del NADP.
a) REACCIONS OXIDATIVES → → → → → → → → → Obtenir ribosa 5-fosfat per sintetitzar àcids nucleics o obtenir poder reductor. Es produeix la oxidació de NADP+, i la oxidació per NADP+ per descarboxilació i una isomerització.
b) REACCIONS NO OXIDATIVES A partir de la ribosa 5-fosfat es regenera glucosa 6fosfat. Participen uns enzims únics, tranketolases i transaldolases.
c) RESULTAT GLOBAL DE LA VIA DE LES PENTOSES FOSFAT Relació entre les 3 vies (glucòlisi, gluconeogènesi i pentoses fosfat): realitzarà una o una altra via en funció de les necessitats de la cèl·lula. A partir de 6C5 → 5C6 + Pi SÍNTESI I DEGRADACIÓ DEL GLICOGEN El glicogen es un polímer ramificat de la glucosa unides per enllaços α (1→4) i ramificacions α (1→6) cada 4-7 unitats de glucosa. És la forma d’emmagatzemament de glucosa dels animals i molts microorganismes. Les principals reserves de glicogen es troben a múscul esquelètic (pel propi us) i a fetge (distribució). Si la glucosa s’emmagatzemés sense polimeritzar afectaria les propietats osmòtiques dels teixits. S’emmagatzema en forma de grànuls densos que serviran de reserva en condicions de dejú.
Particularitat de les ramificacions del glicogen: generarà més extrems reductors, on s’uniran mes unitats de glucosa.
A la vegada, es podrà anar degradant glucosa. Encara que sigui un polímer de reserva, no constitueix una font d’energia tal com la dels lípids. El glicogen serveix de reserva per l’organisme però de manera molt puntual, quan necessita energia de manera molt ràpida.
El múscul fa un treball ràpid fent servir la glucosa emmagatzemada (1-2% pes en sec del múscul) i que es gasta ràpid, en una hora. Les del fetge triguen més (10% del fetge), a més, no es fan servir d’una manera tan intensa. Les reserves de glicogen duren entre 12-24 hores. A partir d’aquí, ja ha de fer servir un altre tipus de reserves.
Les molècules de glucosa que s’uneixen fan un enllaç α (1→4) de manera que el Carboni anomèric quan s’uneix a una altra molècula ho deixa de ser, perdent la capacitat reductora que tenen els glúcids. En tota una molècula de glicogen només hi ha un extrem reductor. Cadascun dels extrems no reductors es poden unir a més molècules de glucosa, afavorint la osmoralitat de la molècula.
GLICOGENÒLISI: DEGRADACIÓ DEL GLICOGEN La degradació del glicogen és anomenada glicogenòlisi, i es realitza al citosol. Hi ha 3 enzims principals involucrats: 1. Glicogen fosforilasa Es el primer enzim que regula la via. Trenca els enllaços α1-4 fins que troba quatre molècules de glucosa unides a la branca principal. Trenca les molècules de glucosa a partir de l’extrem no reductor, quan les fosforila. La glicogen fosforilasa per entrada de Pi trenca l’enllaç alfa 1-4 entre dos glucoses. Obtenim una molècula de glicogen amb un residu de glucosa menys i una glucosa-1- fosfat. És una reacció de fosforilisi. No és d’hidròlisi de l’enllaç sinó que el que succeeix és que l’entra des de Pi: permet el trencament de l’enllaç. Part de l’energia es pot mantenir en forma d’enllaç ester-fosfat.
- G1P → al trancar-se l'enllaç o-glicosídic se li afegeix un fosfat al carboni 1.
PLP → pirodoxat fosfat.
Si la G6P ha de passar a la sang, es desfosforila per la G6P fosfatasa.
2. Glucosa-6-fosfatasa.
La glucosa 1-fosfat passa a glucosa-6-fosfat. Un cop formada, per desfosforilació, s’obtindrà glucosa que passarà a la sang, on podrà anar a glicòlisi si es necessita energia. L’enzim que desfosforila la glucosa es la glucosa-6-fosfatasa, un enzim que només es troba al fetge i al ronyo, a la membrana del reticle. Es capaç de desfosforilar la glucosa del citosol, que entra a través d’un transportador per ser desfosforilada. Després la glucosa torna a sortir del RE i després, del hepatòcit. El transportador es GLUT-2. Es present a les cèl·lules del fetge, la glucosa surt a sang i es distribueix. Per tant, el glicogen del múscul no anirà a la sang.
3. Enzim desramificador: Glucomutasa Desenganxa tres de les molècules i les col·loca a la cadena lineal. També trenca l’enllaç α1-6. El primer enzim glicogen fosforilasa, anirà de manera seqüencial trencant els enllaços. Ho fa fins que queden 4 molècules de glucosa en una de les branques, ja que l’enzim no pot fer més glucòlisi. Després l’enzim desramificador trenca 3 molècules de glucosa, i els transfereix a la cadena més llarga. A més, l’enzim desramificador, també hidrolitza l’enllaç α1-6. Després tenim, de la transferència de les 3 glucoses i la hidròlisi, ens queda una cadena amb enllaços α1-4 més llarga.
BIOSÍNTESI DEL GLICOGEN Nucleòtid sucre: combinació d’un sucre i un nucleòtid. Serveix per l’activació del C anomèric de l’hexosa per la unió d’un nucleòtid amb un enllaç ester-fosfat. Intervé en la polimerització de disacàrids, glicogen, midó, cel·lulosa i altres polisacàrids.
La glucosa s'uneix a un nucleòtid a través del seu carboni anomèric → glucosa + UDP = UDP-glucosa. La seua reacció de síntesi és favorable i reversible. Les càrregues negatives serviran per posicionar el nucleòtid sucre dintre del enzim.
L’uridina-difosfat-glucosa es forma per unió de un sucre activat (amb un fosfat) i un nucleòtid trifosfat. El pirofosfat continuarà la seva degradació cap a 2 molècules de fosfat inorgànic. I s’obté, el nucleòtid sucre NDP. Metabòlicament la reacció és exergònica i irreversible.
Aquesta molècula de nucleòtid sucre té càrrega negativa, i te grups que interaccionaran de manera no covalent amb residus enzimàtics.
Això permet una estabilització de les càrregues i un augment de l’energia lliure de la reacció.
Glucosa + ATP + UTP → UDP-glucosa + ADP + 2Pi La glucosa s’activa fosforilant-se, gràcies a l’hexoquinasa, per a que no surti a sang. G6P es transforma per una mutasa a G1P. G1P combinant-se amb UPT (uracil 3 fosfat) es transforma en un nucleòtid sucre, UDP-glucosa.
UDP-glucosa + (glucosa)n → UDP + (glucosa)n+1 UDP glucosa s’uneix a l’extrem no reductor del glicogen, gràcies a la glicogen sintasa que catalitza un enllaç α1-4 entre l’extrem no reductor del glicogen i la glucosa. El UDP surt (gastem un enllaç).
De totes maneres, la glicogen sintasa no pot unit si no es té un encebador, necessita com a mínim 8 glucoses a la cadena de glicogen unides per poder unir-se una nova.
Participa la glicogenina, una proteïna amb 2 subunitats que cada una d’elles té una tirosina i gràcies a aquesta, que es troba al centre actiu, pot transferir una molècula de glucosa del UDP-glucosa a aquesta tirosina (sortint UDP) i així 8 vegades. Totes les molècules de glicogen tenen una molècula de glicogenina i 2 centres actius actuen simultàniament. La tirosina i la primera glucosa s’uneixen covalentment (és l’únic cop). En la ramificació participa l’enzim ramificador de glicogen. Per tant, la glicogenina fica les 8 primeres molècules de glucosa. Després no s'allibera, sinó que es manté a dintre del grànul de glicogen.
Quan la cadena té més d’11 residus, l’enzim ramificador agafa 4 glucoses de la branca i els transposa a la resta amb un enllaç α1-6 com a ramificació.
Per tant, l’enzim ramificador augmenta els extrems no reductors del glicogen, facilitant: - Solubilitat de la molècula Accés de la glicogen fosforilasa i la glicogen sintasa.
MALALTIES RELACIONADES AMB LA SÍNTESI DE GLICOGEN La majoria de malalties son causades per mutacions en enzims que participen en vies metabòliques. Només per la via de la síntesi del glicogen hi ha aproximadament unes 12 malalties. Com per exemple, la deficiència de glicogen sintasa: principalment té afecte en el fetge. Si no sintetitzem glicogen no podem emmagatzemar glucosa en excés i en els moments en que se’n necessiti no es tindrà.
REGULACIÓ DEL METABOLISME DEL GLICOGEN Regulació de la glicogen sintasa i la glicogen fosforilasa: - - En la degradació del glicogen participa l’enzim glicogen fosforilasa i en la seva síntesi, el glicogen sintasa.
Són enzims al·lostèrics amb moduladors positius o negatius Regulació per formació d’enllaços covalents: enzims s’activen o es desactiven per fosforilació. Depèn de les necessitats de la cèl·lula.
Si el múscul necessita molta energia, necessita degradar x100 vegades més molècules de glucosa de les que està acostumat i per això trobem aquestes regulacions tan rapides. Es regulen aquestes vies de manera inversa.
La glicogen fosforilasa va ser la primera fosforilasa descoberta al 1930.
Regulada al·lostèricament pel glucagó o l’adrenalina. La GF està activa quan està fosforilda. Es fosforilada a través d’una kinasa, PbK, fosforilasa b kinasa, que s’activa per via AMPc per una PKA (proteïna kinasa A) → via de senyalització del glucagó o l’adrenalina, que es secreten quan la glucosa baixa i per tant s’ha de degradar.
En el múscul, també succeeix quelcom semblant, perquè l’adrenalina també senyalitza per la mateixa via que el glucagó (PKA → fosforila a PbK i activa l’enzim). A més, la GF també s’activa quan la concentració de calci augmenta, perquè la calmodulina s’’uneix a FG quan hi ha calci al múscul.
Quan ja no cal degradar el glicogen, la GF es desfosforila i s’activa la glicogen sintasa, que està activa quan està desfosforilada. També es una regulació al·lostèrica. El que fosforila la GS inactivant-la és GSK3, glicogen sintasa quinasa 3, que es inhibit per la insulina. I a la vegada, la insulina activa la seva desfosforilació a partir de PP1, fosfoproteïna fosfatasa 1. PP1 inactiva la glicogen fosforilasa però activa la glicogen sintasa. Això és important per la regulació de les dues vies. De manera inversa, serveix pel mateix.
El glucagó i l’adrenalina son moduladors negatius, que inhibeixen la activació de GS, però són moduladors positius per GF i que s’activi. La glucosa a elevada concentració s’uneix a PP1 activant-la. A més a més, la GSK3, inhibidor de GS, el que fa es participar en la via de senyalització de la insulina.
Explic t d’una altra manera, el fetge s’encarrega de mantenir els nivells òptims de glucosa en sang. Si fa molt temps que no mengem, alliberarà glucosa en sang. Si hi ha molta, n'agafarà i la emmagatzemarà. Enzims regulats per fosforilació i de manera al·lostèrica: - - Glicogen fosforilasa → te una forma activa que esta fosforilada i una menys activa que no està fosforilada.
Llavors hi participaran altres mecanismes d’al·losterisme que augmentaran o disminuiran la activació. Es fosforilada per una fosforilasa quinasa, que s’activarà per acció del glucagó o la adrenalina. El glucagó funciona a traves d'un receptor de membrana. Al final estimula la degradació de glicogen. L’adrenalina al múscul estimula la degradació del glicògen. Ambdós components funcionen en el mateix sentit.
La glicogen fosforilasa es desfosforilada per la PP1, que la inactiva i a més activa la glicogen sintasa. La sintasa està activa quan està desfosforilada.
- - La PP1 es activada per la insulina, la glucosa i la G6P → al finals la glucosa serà emmagatzemada en forma de glicogen. En canvi, es inhibida pel glucagó i la adrenalina degut que el que volen es estimular l'alliberament de glucosa en sang.
La insulina fosforila la glicogen sintasa quinasa 3 (tema senyalització cel·lular). A través de la via de senyalització de insulina, s'inactiva la GSK3 per fosforilació.
TEMA 12 – RUTES CENTRALS DEL METABOLISME OXIDATIU DESTINS CATABÒLICS DEL PIRUVAT FORMAT A LA GLICÒLISI Gràcies a la respiració cel·lular que fan les cèl·lules, consumint oxigen i produint CO2 poden obtenir molta més energia a partir de la glucòlisi.
A partir de que els cianobacteris van produir oxigen a la atmosfera es va donar un gir evolutiu molt important pels organismes aerobis.
En el metabolisme aeròbic, a partir del piruvat s'obtindrà una molècula de dos àtoms de carboni (acetil-CoA) i després CO2 i aigua.
Etapes principals de la respiració cel·lular: 1. Producció d’acetil-CoA (al citosol). A partir de molècules complexes, per oxidació, s’obtindrà l’acetil-CoA, una molècula d’elevada energia.
2. Cicle de l’àcid cítric (al mitocondri). Es pot continuar oxidant les molècules d’acetil-CoA i obtenir poder reductor (NADH i FADH2) recollit per una sèrie de transportadors d’electrons.
3. Transport electrònic i fosforilació oxidativa (al mitocondri).
Els electrons es transfereixen a l’oxigen, l’acceptor final d’electrons i es reduirà a aigua. És quan s’obté més energia, emmagatzemada en forma d’ATP, la moneda de canvi a les vies biosintètiques.
Aquesta es la via final comuna per l’oxidació de les molècules energètiques. A partir del piruvat: producció d’acetil-CoA. Es necessita el complex piruvat deshidrogenasa, un conjunt de 3 enzims. És més efectiu que no si els enzims estan separats. El complex enzimàtic és tant gran que fins i tot es pot veure per microscòpia electrònica. És localitzat en les mitocòndries i en les cèl·lules eucariotes.
Procés: glucosa → intermediaris → acetil-CoA (molta energia en els seus enllaços, que permet alimentar el cicle de Krebs) → cicle de Krebs a la matriu mitocondrial (via amfibòlica → poden entrar o sortir metabòlits que son catabòlics (obtenir poder reductor) o anabòlics (el poder reductor es transformat per la cadena de transport d'electrons i s’obtindrà energia en forma de ATP).
PRODUCCIÓ D’ACETIL COA → Descarboxilació oxidativa del piruvat El piruvat, que es troba en el citosol es transformat a acetil-COA. El piruvat es descarboxila i s'allibera CO2 i una NADH. L'enzim es molt particular: la piruvat deshidrogenasa → complex enzimàtic que té tres activitats enzimàtiques; els diferents intermediaris es queden enganats a ell perquè l’activitat enzimàtica sigui molt més eficient. El complex piruvat deshidrogenasa format per diverses unitats de 3 enzims, més els 5 cofactors que deriven de proteïnes: cada enzim té un grup prostètic, a més, hi ha 2 més, que són el NAD i el coenzim A.
És una reacció irreversible i favorable que permetrà la formació de NADH, que anirà a la cadena de transport electrònic.
Participen molts cofactors importants. En els eucariotes es troba en el mitocondri i en els procariotes en el citosol.
La piruvat deshidrogenasa és una proteïna tant gran que es veu a microscòpia electrònica. És un complex enzimàtic que està format per tres enzims: E1 (groc), E2 (verd) i E3 (roig). Hi ha diferents cadenes de cadascun d'ells, per això és un complex tant gran. Cada enzim conte un grup prostètic: - TTP (triamino tirofosfat) → participa en descarboxilacions.
Lipoamida .> transfereix el grup acetil al coenzim A.
FAD → transfereix poder reductor. Regenera la forma oxidada en reduïda.
També actuen el CoA i el NADH. Per tant, en total 5 cofactors com ja hem dit abans. 4/5 dels cofactors són derivats de vitamines/proteïnes: - TPP: deriva de la tiamina FAD: deriva de riboflavina NAD: deriva de niacina Coenzim A: deriva de pentonela Lipoamida Els organismes quimiòtrofs obtenen energia del mitocondri. En canvi, els organismes fotosíntesis obtenen energia a partir del cloroplast en la fase lluminosa.
COFACTORS 1. El coenzim Tiamina pirofosfat (TTP): - Tiamina (primera vitamina B descoberta) - TTP participa en la descarboxilació de αcetoàcids.
- També la vam veure en la piruvat descarboxilasa → fermentació alcohòlica transketolases → via pentoses P.
2. Lipoamida: cofactor unit al segon enzim del complex per una lisina de la cadena polipeptidasa, amb activitat transacetilasa.
- Conté dos grups tiol que es poden oxidar de manera reversible. És a dir, que poden estar reduïts (-HS) o oxidats (S-S). Per tant, podem trobar la lipoamida oxidada o reduïda.
- Transporta H i grups acil.
- El residu de lisina actua com a braç flexible, que permet moure’s des del centre actiu de E1 al de E3.
3. NAD+/NADH, NAP+/NADPH - Nicotinamida Adenina Dinucleòtid - Utilitzats com coenzim per deshidrogenases - Grup funcional: base nicotinamida, accepta un ió hidrur (2 e- i un H+) - NAD generalment funciona en oxidacions (CATABOLISME) - NADP sol actuar en reduccions (ANABOLISME) - Podem absorbir llum a una longitud d’ona en 260nm (NAD+) o 340nm (NADP).
- Estratègia per miniaturitzar una reacció.
4. FAD/FADH2 - FAD: Flavin Adenina Dinucleòtid. Son derivats de la flavina.
- Sol actuar com a grup prostètic: unit permanentment a l’apoenzim - Grup funcional: anell isoaloxacina, accepta 2 e- i 2 H+. No ho fa tot al mateix temps, sinó de manera gradual.
- La forma oxidada té màxima absorbància a 570nm, la reduïda a 450nm. FMN: Flavin Mononucleòtid 5. Coenzim A: cofactor format per diferents estructures - 3’-Fosfoadenosina difosfat.
- Àcid pantotènic (deriva de B5) - B-mercaptoetiolamina: té un grup tiol (grup reactiu de l’enzim). El grup –SH uneix grups acil.
- Forma activada de l’acetat gràcies a l’enllaç tioéster COMPLEX PIRUVAT DESHIDROGENASA Entra piruvat. La primera reacció és una descarboxilació del piruvat. Es perd un àtom de carboni (C carboxílic en posició 1 del piruvat). TPP (cofactor de E1) prové d'una vitamina. La deficiència d'aquesta vitamina provoca una malaltia (beri-beri) a nivell del SNC (explicada més endavant).
Activitat dihidrolipohil del E2. Este enzim te un braç lipoil amb dos àtoms de sofre que estan oxidats o reduïts. El braç agafa el substrat des del centre actiu del E1 al del E3. Es redueixen els sulfidrils, i un d'ells s'uneix al acetat.
Quan el braç ha unit el acetat, hi ha una reacció d’unió. Entra coenzim A i es forma un enllaç entre l'acetil i el CoA → es forma l'acetil-CoA, que ja pot entrar al cicle de Krebs. L'acetil-CoA s'allibera.
Cal reoxidar de nou la lipolisina perquè pugui unir de nou l'acetil. Es posa al centre actiu del E3 i per acció del cofactor del E3 (FAD), s'oxida i el FAD es redueix. El braç es torna a reduir.
Explicat d’un altre mode: el NAD+ es redueix NADH. El FADH2 i passa el poder reductor i es reoxida.
- E1: piruvat desidrogenasa, unit a TPP com a cofactor. El piruvat, gracies al centre actiu on està TPP, es descarboxila i l’acetat queda unit al TPP.
E2: Lipoamida. El braç oxidat, junt amb TPP, es redueix, i uneix per una banda el protó i d’una altra l’acetat.
Entra CoA-SH i s’unirà a l’acetat, alliberant-se acetil-CoA. El braç reduït s’ha de tornar a oxidar, gràcies a una molècula de FAD, el grup prostètic de E3, capaç d’oxidar el NAD+. El poder reductor del FAD que porta es traspassat al NADH+. Entren – Surten: o Piruvat – acetil-CoA o CoA-SH – CO2 o NAD+ – NADH + H+ Diàmetre del complex piruvat deshidrogenasa: 50nm. Mecanisme del complex piruvat deshidrogenasa: - Catalitza 5 reaccions Canalització del substrat: Els intermediaris dels múltiples passos mai deixen el complex enzimàtic, i la [S] local és molt elevada. Augmenta la velocitat de les reaccions.
Evita que el grup acetil activat sigui captat per altres enzims d’altres vies metabòliques.
- Les reaccions del complex PDH: - Descarboxilen el piruvat - Activen l’acetat - Generen poder reductor - Impedeixen el retorn de l’acetat a piruvat CICLE DE L’ÀCID CÍTRIC O CICLE DE KREBS La malaltia de beri-beri es dóna en aquelles persones amb deficiència de Tiamina, no els funciona el complexa i per tant no obtenen energia dels processos oxidatius.
El primer cicle descobert va ser el cicle de Krebs. Consisteix en l’entrada d’acetilCoA i la sortida d’energia en forma de GTP, dos descarboxilacions, i l’obtenció de poder reductor, FADH i NADH. Per cada molècula d’acetil-CoA es produeix la sortida de 2 molècules de CO2.
La reacció consisteix en 8 passos (4 oxidacions). És a dir, el cicle de Krebs està format per 8 reaccions diferents, cadascuna amb un enzim específic.
Sortiran 2 CO2 (balanç net de C = 0) i s'obté poder reductor en forma de 3 NADH i 1 FADH2, que aniran a la cadena de transport electrònic. També s’obté un GTP que es convertirà a ATP. A més, els intermediaris són precursors d’altres vies metabòliques.
El cicle té lloc a les mitocòndries ja que la majoria dels enzims estan surant a la matriu. Hi tenen lloc les reaccions de fosforilació oxidativa.
1. REACCIÓ DE CONDENSACIÓ: FORMACIÓ DE CITRAT Es un dels passos crítics de la via → és un dels enzims mes importants del cicle. És una reacció de condensació entre l'acetil-CoA i l'oxalacetat, que és l'acceptor del substrat. Obtenim citrat, una molècula de dos carbonis més que l'oxalacetat.
Degut al trencament de l’acetil-CoA, la reacció es molt exergònica → ΔG molt negatiu (-32.2kJ/mol), necessari perquè la concentració d’oxalacetat és molt baixa.
2. DESHIDRATACIÓ I REHIDRATACIÓ: ISOMERITZACIÓ D’ALCOHOL TERCIARI A SECUNDARI ΔG >0 (13.3kJ/mol), però es dóna per l’eliminació del producte (isocitrat) a la reacció 3. L’isocitrat es eliminat molt ràpidament, i si baixa el producte, la reacció es desplaça cap a la dreta. Deshidrata el citrat i després el torna a rehidratar, però no en el mateix sentit. Obtenim en realitat una isomerització del alcohol. El citrat és una molècula simètrica però el producte (isocitrat) és una molècula asimètrica.
L’aconitasa té un centre actiu asimètric: - - - La reacció de la aconitasa és una reacció estereoespecífica.
L’aconitasa es pot posicionar de dues maneres diferents. En realitat es posa d’una manera i no del altra, ja que la aconitasa es un enzim estereoespecific, i sols dona un tipus de molècula.
El citrat és una molècula proquiral, no té un carboni asimètric (els dos carboximetils que el rodegen NO SON EQUIVALENTES). Però en canvi, és estereoespecífica en el sentit que el citrat es col·loca d’una manera determinada en el centre actiu que és asimètric i forma un producte quiral.
Només es forma 2R,3S isocitrat.
3. DESCARBOXILACIÓ OXIDATIVA - Es produeix la síntesi de NADH - Etapa irreversible, genera poder reductor - Es catalitzada per isocitrat deshidrogenasa.
- La reacció dóna lloc a alfa ketoglutarat, un intermediari dels metabolisme dels aminoàcids i dels àcids cítrics.
Primera descarboxilació (del isocitrat) → fase oxidativa, com al piruvat. Es un dels carbonis de l’oxalacetat, no de l'acetil. Reacció d’oxidació del isocitrat, que ha perdut dos H. El poder reductor es obtingut pel NADH2. Reacció exergònica que s’obté α-cetoglutarat (una cetona).
4. DESCARBOXILACIÓ OXIDATIVA - Es produeix la síntesi de NADH - El complex multienzimàtic “alfa-ketoglutarat deshidrogenasa” és semblant a la PDH. E3 és igual, E2 semblants, però E1 es més diferent perquè el substrat és diferent. Les diferències son en el NAD, FAD, coenzim A, TPP i lipoamida.
Es creu que l'enzim prové evolutivament de la piruvat deshidrogenasa, ja que les subunitats són totes molt semblants.
Conté Manganés, un ió metall que serveix per orientar bé el substrat en el centre actiu del l'enzim per dur a terme la reacció mes fàcilment. Sols te una direcció.
5. FOSFORILACIÓ A NIVELL DE SUBSTRAT - Hidròlisi de l’enllaç tioéster i síntesi de GTP, equivalent a l’ATP - L’enzim és el succinil-CoA sintetasa - Es recupera una part de la energia en forma de ATP. Obtenim succinat i un GTP, equivalent a ATP.
6. DESHIDROGENACIÓ - Oxidació estereoespecífica i síntesi de FADH2 - El succinat es oxidat a fumarat, el poder reductor es desprèn del FAD que es reduix.
- Enzim: succinat deshidrogenasa.
- El poder reductor genera E (1,5ATP per parell d’e- del FAD) - El poder reductor es recollit en forma de FADH2. El FAD es el cofactor del enzim, el qual no està a la matriu, sinó que esta unit a la membrana mitocondrial interna i forma part de la cadena de transport electrònic.
7. HIDRATACIÓ ESTEREOESPECÍFICA - Hidratació del fumarat.
- Reacció estereoespecífica.
- Es catalitzat per una fumarasa - El fumarat passa a L-malat.
8. DESHIDROGENACIÓ - Regeneració de l’oxalacetat (acceptor de l’acetat) i síntesi de NADH a partir del Malat amb l’enzim malat desidrogenasa. El malat s'oxida a cetona i el poder reductor es recupera en forma de NADH.
- ΔG >0, molt endergònica (29,7kJ/mol), però es dóna per l’eliminació contínua del producte de la citrat sintasa (reacció 1). Es molt desfavorable, però com que es gasta molt, desapareix i la reacció se’n va cap ala dreta.
Balanç global del cicle de Krebs: Visió general del cicle de Krebs: Podem dividir el cicle en 3 parts: - Unió al transportador (oxalacetat).
Descarboxilació i generació d’energia en forma de GTP.
Regeneració del transportador per acceptar més coenzim A.
BALANÇ ENERGÈTIC GLOBAL DE L’OXIDACIÓ DE LA GLUCOSA El cicle de Krebs és amfibòlic: no és només catabòlic, si no que també serveix per poder reconstruir altres vies metabòliques: VIES ANAPLERÒTIQUES Les vies anapleròtiques són vies que connecten amb el cicle de l’àcid cítric. Reconstitueixen els intermediaris del TCA (cicle de Krebs) que han sigut utilitzats en reaccions biosintètiques.
REGULACIÓ DEL CICLE DE L’ÀCID CITRIC El cicle de l’àcid cítric o cicle de Krebs és regulat per: - - Disponibilitat de substrat (acetil-CoA).
Mecanismes covalents i al·lostèrics de la PDH Estat RedOx (NAD+/NADH): s’obté NADH reduït. Si hi ha molt NAD, per tant, s’activarà, sinó, el NADH actuarà com inhibidor.
Estat energètic (ADP/ATP): s’activa el cicle amb l’AMP o ADP.
Acumulació d’intermediaris: succinil-CoA, citrat, àcids grassos...
Si hi ha molt calci al múscul necessari per la contracció també s’activa el cicle.
Tant a nivell de la PDH com dels altres 3 enzims, si hi ha augment de l’ATP no té sentit que es faci el cicle, per tant, l’ATP inhibeix els punts claus de la via.
El complex piruvat deshidrogenasa regula el flux d’entrada: - La inhibició covalent es dóna quan hi ha molt ATP i no cal fer el cicle, i passa a la forma inactiva. L'ATP és un modulador negatiu de la PDH.
La inhibició al·lostèrica es pot fer a nivell negatiu pel producte o a nivell positiu pel substrat. Les inhibicions són sumatòries, es poden sumar.
TEMA 13 – TRANSDUCCIONS D’ENERGIA: FOSFORILACIÓ OXIDATIVA I FOTOSÍNTESI CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC MITOCONDRIAL I FOSFORILACIÓ OXIDATIVA Com hem vist, la glucosa s’oxida a CO2, mitjançant les reaccions enzimàtiques de la glucòlisi i del cicle de l’àcid cítric. En aquest tema veurem el destí dels electrons que s’eliminen de la glucosa en aquest procés d’oxidació. Els electrons passen a la cadena de transport electrònic, on, a través de la reoxidació del NADH i del FADH2, participen en la oxidació-reducció seqüencial de més de 10 centres redox abans de reunir l’oxigen a aigua. En aquest procés, els protons s’expelen del mitocondri. L’energia lliure emmagatzemada en el gradient de pH resultant impulsa la síntesi d’ATP a partir d’ADP i Pi a través de la fosforilació oxidativa.
- L’energia lliure que s’allibera de l’oxidació de la glucosa fins a CO2 es reté en forma de NADH i FADH2.
Durant la cadena de transport electrònic els e- es transfereixen de NADH i FADH2 a l’O2, formant-se H2O.
L’energia de la transferència electrònica es conserva com gradient de H+ i de voltatge a través de la membrana interna mitocondrial.
El moviment de H+ a favor de gradient electroquímic permet la síntesi d’ATP.
A eucariotes la fosforilació oxidativa té lloc als mitocondris: - - La membrana mitocondrial externa conté porina, una proteïna que forma porus no específics.
La membrana interna conté un 75% de proteïnes, però es molt poc permeable. Aquesta impermeabilitat controlada de la membrana mitocondrial interna a la majoria d’ions, metabòlits i compostos de mesa petita permet la generació de gradients iònics a través d’aquesta barrera que dóna lloc a la compartimentació de funcions metabòliques entre el citosol i el mitocondri. Així es pot emmagatzemar energia. Trobem els complexes de la cadena de respiració, l’ATP sintasa, etc...
A la MMI tenen lloc la majoria de les reaccions catabòliques excepte la glicòlisi. Es on es troba la cadena de transport d’electrons. El poder reductor podrà entrar a la cadena transportadora, passaran els protons de manera transversal pels complexos de transport electrònic.
A dins la matriu trobem la majoria dels enzims del metabolisme oxidatiu: complex piruvat deshidrogenasa, enzims del cicle de Krebs, etc.
A la MMI trobem una sèrie de complexes que transfereixen electrons juntament amb el pas de protons (cap a l’espai intramembranós des de la matriu). Això fa que es creï una diferencia de potencial de membrana aprofitat per portar els protons a favor de gradient de concentració a través de l’ATP sintasa i permet obtenir ATP.
TRANSPORTADORS ELECTRÒNICS DE LA CADENA RESPIRATÒRIA a) NAD+/NADH i FAD/FADH2 - Transportadors hidrosolubles de protons. Es poden trobar en solució aquosa.
- Nexe entre reaccions oxidatives i CTE (cadena de transport d’electrons).
- NAD/NADH transporta hidrurs (2e- i 1H+) - Transporta hidrurs (2e- i 2H+) de manera seqüencial (pot estar totalment o semireduït.
b) Ubiquinona (Coenzim Q) - Molècula petita, llarga cua isoprenoide liposoluble - Tota la molècula és hidrofòbica - Pot difondre lliurament per la bicapa lipídica de la membrana mitocondrial interna.
- Accepta fins a 2 e-, en dues etapes. Transporta també 2H+.
- Ubiquinona → semiquinona → ubiquinol.
c) Citocrom - Grup prostètic hemo: permet transportar 1 e-.
- Els residus (solen ser aminoàcids del centre actiu dels enzims) els fa ser de diferent tipus: a, b o c, classificats segons la capacitat d’absorció de la llum.
- Tenen molts dobles enllaços i poden captar llum UV, el que permet veure si estan oxidats o reduïts.
- El citocrom c és mòbil a la part externa de la membrana mitocondrial interna, participant en la cadena de transport electrònic.
d) Proteïnes Fe-S - Tenen ferro unit a sofre (que sol formar part de Cysteines encara que també pot ser S inorgànic) capaç de captar i cedir electrons. Aquestes proteïnes poden tenir diversos centres Fe-S.
- El ferro s'uneix al sofre de diverses maneres. Cada àtom de ferro sols pot unir un electró.
CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC Matriu → lloc N (negatiu). Espai intermembranós → lloc P (positiu). Les fletxes blaves indiquen com es transporten els electrons. En vermell tenim el transport dels protons.
Existeixen 4 complexos diferents situats a la MMI, que seran capaços de captar els electrons i transferir-los a un altre component de la cadena, i necessitaran transportadors i grups prostètics per fer- ho. Són: - Complex I: NADH deshidrogenasa. És el complexe més gran de tots. Té 43 subunitats diferents.
Complex II: succinat deshidrogenasa (enzim del cicle de Krebs). Es molt més petit, sols presenta 4 subunitats.
No transporta protons, ja que no travessa totalment la membrana plasmàtica.
Complex III: ubiquinona citocrom C oxidoreductasa. Permet el pas d'electrons de ubiquinona a citocrom c.
Complex IV: Citocrom oxidasa. Conté àtoms de coure.
a) Complex I: NADH deshidrogenasa El complex passa els electrons del NADH a la Q.
- - - - Aquest component proteic, probablement el major de la membrana mitocondrial interna, conté una molècula de FMN (flavoproteïna), un grup prostètic, i sis o set agrupacions de ferro-sofre.
Aquest complex a més catalitza el pas de 4 protons a través de la MMI per cada parell d’electrons. En realitat traspassem ions contra gradient → es necessita energia.
Cedirà els electrons a la ubiquinona oxidoreductasa que viatjarà cap a l’altre complex.
Els protons que cedeix FMNH2 quan els capta de NADH + H + passen a les proteïnes Fe-S, que passaran els protons a la Q que es redueix completament a QH2.
b) Complex II: Succinat deshidrogenasa El complexe II, que conté l’enzim dimèric del cicle de l’àcid cítric succinat deshidrogenasa i altres subunitats hidrofòbiques petites, passa els electrons del succinat al Q. Catalitza el pas de succinat a fumarat en el cicle.
El FAD (grup prostètic) pot estar tant a dins com a fora de la matriu i entra al 2n complexe → per tant, no es bombegen 4 protons. Els electrons passen del FAD a la proteïna Fe-S i d’aquí a la ubiquinona. La ubiquinona accepta e- de 4 orígens diferents i viatja per la MMI fins al següent complexe: - Del Complexe I Del Complexe II Del metabolisme dels àcids grassos → β-oxidació dels àcids grassos.
Del glicerol-3-fosfat → glicòlisi c) Complex III.
Ubiquinonacitocrom c oxidoreductasa El complexe III passa els electrons del Q reduït al citocrom c. Conté dos citocroms: el citocrom C i el citocrom C1. A més també trobem proteïnes ferro-sofre, i el citocrom B. A través del complex es poden transferir protons per la membrana, en total 4.
Es una reducció especial, que succeeix en 2 passos. És a dir, que el QH2 s’oxida en 2 passos diferents.
El complex III conté citocroms i proteïnes Fe-S. El citocrom c podrà viatjar a traves de la part interna de la MMI fins al 4t complexe.
El complexe III es un dímer format per diferents subunitats que conte una proteïna Fe-S, un citocrom (c), grups hemo c i b, i a mes a mes un citocrom b (verd). Permet transferir els electrons del NADH al citocrom c (hi ha un lloc d’unió per al citocrom c, que és mòbil), que les transferirà al complexe IV. El citocrom c sols accepta un e-, no com els altres que 2. Els citocroms transportaven els electrons de un en 1, però fins ara de 2 en 2 (el citocrom C es qui transferirà els electrons al complexe IV). La ubiquinona transporta un electró al citocrom B, de manera que la quinona queda parcialment reduïda. Ve una 2ª quinona que passarà un dels electrons a les proteïnes Fe-S i al citocrom c que podrà unir fins un altre complexe.
La quinona reduïda arriba per la membrana interna de la MMI i cedeix un electró a la proteïna Fe-S → Citocrom c1 → citocrom c mòbil. L’altre electró arriba a una quinona oxidada, que es reduirà parcialment. Després hi participa una 2ª quinona reduïda que farà el mateix que la primera.
Els dos protons de la reduïda passen a l’espai intermembranós, i de l’altra reduïda també. Per tant passen 4 electrons al EI. S’aporten dos protons però sen passen 4 a l’EI, dos provenen de la matriu mitocondrial i els altres dos provenen de la quinona.
d) Complex IV. Citocrom oxidasa El citocrom c oxidasa catalitza les oxidacions, amb un electró, de quatre molècules consecutives de citocrom de reduït i la reducció concomitant, amb quatre electrons, d’una molècula d’oxigen.
Està format per 3 subunitats: - Subunitat III, desconeguda Subunitat II: té 2 coures i un lloc d’unió al citocrom c Subunitat I Els 4 electrons de cada citocrom c serveixen per bombejar 4 protons a través de la membrana i per poder reduir l’oxigen que entra per la segona subunitat i passa a aigua.
En tot el procés es poden generar espècies d’oxigen radioactiu, que seran després reduïdes per la catalasa i el superòxid dismutasa, que reduiran l’estrès oxidatiu.
El complexe IV te fins a 13 subunitats → I, II i II són vitals per al seu funcionament, i les altres no es coneixen massa bé.
Conté 4 citocroms c i àtoms de coure: un àtom a la subunitat 1 i un altre a la 2. També hi ha grup hemo, i per tant són proteïnes Fe-Cu, que transportaran els electrons d’un en un. No hi ha proteïnes fe-S.
L’O2, acceptor final d’electrons, ho fa amb el complexe IV, i ho fa per ala subunitat 2. 4 electrons reduiran una molècula d’O2 per obtindré dos H2O. Passaran 8 protons des de la matriu a l’espai intermembranós.
Derivats tòxics de l’oxigen molecular: L’oxigen pot generar radicals lliures que poden ser neutralitzats pel sistema del glutatió, superòxid dismutasa o la catalasa.
Hi ha malalties derivades de la presencia de radicals lliures, de les quals, la majoria afecten al SN. Les neurones són molt més sensibles als radicals lliures que altres tipus de cèl·lules.
Balanç global de les reaccions de la CTE: A més, per cada FADH2 sols passaran 6 protons a l’EI, però per NADH en passaran 10. També es generaran menys molècules d’ATP.
INHIBIDORS DE LA CTE I ACOBLAMENT DEL CONSUM D’O2 I SÍNTESI D’ATP Com veiem l’oxigen consumit i la síntesi d’ATP està molt relacionada.
- L’energia de la transferència electrònica es conserva com a gradient de protons.
La fosforilació oxidativa es troba acoblada a la cadena de transport electrònic.
L’O2 consumit és el que es converteix en aigua.
Afegim electrons per mitjà del succinat. Però si no hi ha ADP i Pi no hi ha consum d’O2.
Si quan tenim els tres compostos si que hi ha consum, paral·lel a la síntesi d’ATP. Per tant hi ha relació entre els dues coses.
Hi ha fàrmacs o perills que bloquegen el transports electrònic: rotenona, antimicina A, cianur, CO... Si afegim un dels bloquejant veiem que s’atura el consum d’O2 i la síntesi d’ATP. Per tan podem dir que ambdós processos estan acoblats.
ACOBLAMENT DEL CONSUM D’O2 I SÍNTESI D’ATP Cal síntesi d’ATP per què es consumeixi O2, excepte si hi ha un desacoblador (DNP). La síntesi d’ATP es dóna per la fosforilació oxidativa a través d’un complex anomenat ATP sintasa. La majoria de substàncies que inhibeixen l’oxigen inhibeixen també aquest complex, excepte el DNP. És un desacoblador, que al afegir-lo al sistema impedeix que es pugui sintetitzar ATP però sí que es continuï consumint oxigen.
- L’energia de la transferència electrònica es conserva com a gradient de protons, que genera un potencial de la MMI.
La fosforilació oxidativa es troba acoblada a la cadena de transport electrònic.
Cal síntesi d’ATP per que es consumeixi oxigen, excepte si hi ha un desacoblador.
Si afegim dinitrofenol (desacoblant dels dos processos), aquest fa porus a la MMI i per tant s’equilibren les concentracions de protons de la matriu i l’EI, i per tant els protons no tornen per la ATPsintasa i no es crea ATP encara que es consumeixi O2.
DESACOBLAMENT DE LA CTE I LA FOSFORILACIÓ OXIDATIVA El teixit adipós pard té com a funció el manteniment de la calor, de la temperatura del cos. La cadena transportadora por funciona però els protons surten a favor de gradient en comptes per l’ATPasa per la termogenina, una proteïna desacobladora.
El teixit adipós marró conté termogenina: canal de protons a la MMI. Permet que una part dels protons que han passat a l’EI tornin a traves de la termogenina, per tant la energia es dissipa en forma de calor. La funció principal d’aquest teixit adipós es mantenir la temperatura corporal → en tenen molt els nonats, els animals que hibernen, els que estan adaptats al fred...
LA CTE GENERA UN POTENCIAL DE MEMBRANA – MODEL QUIMIOSMÒTIC La CTE genera un potencial de membrana. A través de la CTE es transfereixen protons des de la matriu a l’espai Intermembranós, que genera una diferència de potencial electroquímic.
A la matriu tindrem molta carrega negativa i a l’EI positiva. No sols hi ha diferencia de carrega, sinó també de concentració. El pH serà molt diferent als dos costats de la MMI.
La síntesi d’ATP es fa gràcies a la força dels protons, que depèn de: - Del potencial químic (lo de dintre es alcalí) Potencial elèctric (lo de dintre es negatiu).
El model quimiosmòtic descriu l’acoblament de la cadena de transport electrònic i la síntesi de ATP. La energia que serveix per crear ATP prové de la diferencia de concentració i de carrega.
ESTRUCTURA DE L’ATP SINTASA La ATP sintasa esta formada per diferents subunitats de dos dominis multimèrics diferents: - - F1 → matriu. Complex perifèric de la membrana al costat de la matriu. Si s’allibera de la matriu hidrolitza ATP. Està format per diferents cadenes proteiques: 3 α, 3 β (proteiques), i una γ que actua com a eix, es allargat. La γ la connecta amb la F0. A cadascuna de les subunitats es podran unir ATP i ADP. Cal poca energia per sintetitzar ATP a partir d’ADP i Pi. Quan cal molta energia es per desenganxar l’ATP del F1.
F0 → MMI. Complex integral de membrana amb un porus que permet el pas de protons. Si no hi ha F0 no es forma el gradient de protons. Actua com a canal pel transport d’electrons i fa girar el F1.
La subunitat F1, és el domini que uneix ATP - Estructura α3ß3γ Té 3 centres d’unió d’ATP/ADP ATP s’uneix 107 cops més fort que ADP → l’alliberament del producte requereix E de la translocació de protons.
Les subunitats β són les que sintetitzen l’ATP. L’ADP + Pi s’uneix a una subunitat, es produeix un canvi conformacional (pel pas de protons, que fan girar la subunitat γ) que canvia l’afinitat, i fa que es produeixi ATP de manera espontània. Quan torni a produir-se un canvi conformacional, l’ATP es desprendrà, i això succeeix a la vegada de manera alterna entre les 3 subunitats β: una té ATP, l’altre ADP + PI i l’altra està buida. Doncs, cada hexàmer té tres conformacions possibles, que van rotant.
Cada parella α-β te una conformació diferent. La conformació de les proteïnes varia en funció si tenen unit ADP, ATP o no res. Cadascuna de les proteïnes pot presentar les tres conformacions possibles. Cada parella α i β en el mateix moment te una conformació, les dues a la vegada. Van girant: - Passen 3 protons, gira, canvi comformacional i l’ATP surt.
Passen 3 protons, gira, canvi comformacional i s’uneix ADP i Pi Passen 3 protons, gira, canvi comformacional es forma ATP Passen 3 protons, gira, canvi comformacional i s’allibera ATP.
Es la subunitat γ la que gira i la que provoca canvis conformacionals a les altres subunitats.
A mes hi ha uns canals que per que entre ADP i Pi i que surti ATP perquè continuen sintetizant-se ATP. L’ATP surt cap al EI per sortir al citosol.
La catàlisi rotacional es va demostrar mitjançant estudis unint una molècula d’actina marcada amb una sonda fluorescent. Quan ficaven molts protons els que detectaven era la fluorescència del filament de actina que havien unit a la ATP sintasa. El filament va girant. Gira 120º de manera molt rapida: catàlisi rotacional, que permet sintetitzar ATP a traves de la ATP sintasa.
BALANÇ GLOBAL DEL METABOLISME OXIDATIU DE LA GLUCOSA REGULACIÓ DE LES VIES PRODUCTORES D’ATP La velocitat de la fosforilació oxidativa depèn dels requeriments de síntesi d’ATP, és a dir, que ve regulat pels nivells d’ADP (principalment).
El que estimula la activitat de la ATP sintasa con concentracions elevades d’ADP.
Si hi ha molt ADP poc ATP i al revés. Si afegim ADP el consum de O2 augmenta, però hi ha un moment que es gasta tot el ADP i per tant ja no es consumeix mes oxigen. A més, la velocitat de la fosforilació oxidativa depèn dels requeriments de la síntesi de ATP.
FOTOSÍNTESI CO2 + H2O (donador d’electrons) → (llum) → O2 + (CH2O)n Aquest procés consta de: - Fase lluminosa: depenent de la llum. Genera ATP i poder reductor en forma de NADPH.
Fase fosca: no depèn de la llum. S’assimila carboni (CO2) i es sintetitzen carbohidrats.
Les plantes i els organismes fotosintètics poden captar l’energia del sol i transformar-la en energia química, que és la font ultima de tota l’energia biològica. Hi ha un balanç molt gran entre organismes fotosintètics i heteròtrofs, però cada cop hi ha menys organismes fotosintètiques, i pot ser que arribi un moment en el que el balanç es trenqui.
Energia de la llum es converteix en energia química. La font última es la llum. Reacció redox. L’aigua, a diferencia del NADH, es un mal donador d’electrons i per tant cal molta mes energia, la llum. Hi ha un balanç entre fotòtrofs i heteròtrofs perquè l’O 2 que produeixen uns l’utilitzen els altres, al igual que els carbohidrats.
En els eucariotes la fotosíntesi es localitza en el cloroplast, un orgànul subcel·lular membranós.
- Membrana tilacoïdal → fase lluminosa. S’acumula en els grana.
Estroma → fase fosca. Envolta els tilacoides.
Els cloroplasts tenen DNA i es pensa que provenen de procariotes que es van unir en simbiosi amb un procariota. El DNA cloroplàstic codifica per algunes proteïnes dels cloroplasts. Alguns dels enzims i transportadors d’e- son sintetitzats per DNA nuclear o cloroplàstic.
[Les malalties mitocondrials són aquelles causades pel DNA del mitocondri. Aquest DNA muta molt més fàcilment amb els radicals lliures que el DNA nuclear. Els mitocondris s’hereten de la mare, però les malalties mitocondrials no.] Els pigments fotosintètics són substàncies indispensables per la fotosíntesi.
- Les clorofil·les a i b tenen la capacitat d’absorbir la llum gràcies als dobles enllaços (en rosa). S’assemblen a l’anell tetrapirròlic del gruo hemo, però tenen Mg, no Fe. Trobem estructures capaces de absorbir llum.
També trobem altres pigments com els carotens (no absorbeixen al taronja), xantofil·les (luteïna) i ficoeritrobilina (bacteris i algues vermelles).
Els pigments fotosintètics capten la energia lumínica. A la llum visible hi ha diferents λ que van des del violeta al vermell. λ es inversa a la energia de la llum. Dintre de la llum visible trobem pigments que absorbeixen a diferents λ, així poden aprofitar al màxim la llum visible.
Absorbeixen la llum a longituds d’ona diferents per tal d’abastir tot l’espectre d’absorció. La màxima d’activitat fotosintètica coincideix amb la màxima longitud d’ona d’absorció de les clorofil·les.
ORGANITZACIÓ DELS FOTOSISTEMES EN LES MEMBRANES TILACOIDALS Els pigments es troben a les membranes dels tilacoides, formant uns complexes anomenats fotosistemes. Estan formats per: - Un centre de reacció, on es troben les clorofil·les. Aquí, els electrons van passant d’una molècula a una altra.
Pigments antena que absorbeixen la energia i la transfereixen al centre de reacció.
EXCITONS I TRANSFERÈNCIA D’ELECTRONS Parlarem d’excitons com a unitat d’energia que s’ha transferir d’una molècula excitada a una altra. La llum excita una molècula antena (clorofil·la o un pigment accessori) portant un electró a un nivell energètic superior. Després, el pigment excitat transfereix l’energia a una altra molècula, excitant-la, i aquesta torna al seu nivell energètic: transferència d’energia per ressonància. La energia es transfereix al centre de reacció excitant-lo. El centre de reacció excitat passa l’electró a un acceptor d’electrons. El buit que deixa l’electró en el centre es regenera gràcies a un donador d’electró. Dintre del mateix centre tenim diferent càrrega.
La llum excita un pigment i un electró d’aquest pigment passa a un nivell d’excitació superior, l’energia passa a una altra molècula antena.
Esta energia en forma de electrons va saltant d’un pigment a altre fins arribar al centre de reacció fotoquímica del fotosistema. Aquí també excita un electró, i hi ha donadors i acceptors d’electrons. L’acceptor fa que es creï una diferencia de carrega i per tant, el donador en dona un altre (electró ¿?) al centre de reacció fotoquímica perquè torni a quedar tot igual.
La transferència de energia d’un electró de baixa energia a una de alta energia és una transferència d’energia per ressonància.
CENTRES DE REACCIÓ FOTOSINTÈTICS DE BACTERIS El centre de reacció fotosintètic dels Bacteris és més senzill que els dels Organismes fotosintètics com les plantes, etc.
a) Bacteris porpres: tenen el pigment 870, que quan s’excita, transfereix els electrons al complexe feofitina, aquesta a Q, i després al complexe Cytocrom bc1 y citocrom c2.
La llum excita els electrons del centre de reacció a traves dels pigments antena, els electrons s’exciten i s´´on transferits mitjançant transportadors d’electrons. El transportador es la feofitina, que els cedeix a Q → citocrom bc1 i citocrom c2. També permet crear un gradient de protons a traves de la membrana. Els protons serviran per crear ATP per fosforilació.
b) Bacteris verds del sofre: es un procés semblant. Tenen el pigment 840 que s’excita i transfereix els electrons o bé de la manera anterior i també pot cedir electrons a Fd i es podrà obtenir NADH.
Aquests bacteris tenen un pigment que s’excita i dona els electrons a Q i a bc1, que podrà bombejar protons en contra de gradient. Però a diferencia dels anteriors, una part dels electrons poden anar a traves de la ferrodoxina fins a la Fd-NAD reductasa, per reduir el NAD+ a NADH. Com es recuperen tot els electrons? Per oxidació del sulfur, ja que alguns dels electrons se’ls ha quedat el NADH.
FOTOSISTEMES I i II En els organismes més evolucionats (plantes vasculars) trobem la combinació de dos fotosistemes, el fotosistema 1 i el 2, que formen una cadena de transport d’e- en forma de Z, ja que la transferència d’electrons entre ells segueix el que s’anomena esquema en zeta.
2 H2O → 4 H+ + 4e- + O2 2 NADP + 2H+ → 2 NADPH - FSII: s’oxida l’H2O i s’inicia el transport d’eFSI: Transport d’e-, es recupera e- de FSII, reducció del NADP Els fotosistemes que tenen pigments P680 o P700 actuen de manera complementària.
- - - P-680 → per acció de la llum els electrons s’exciten → feofitina → Q → cit bf (semblant al de transport electrònic), que bombeja protons.
Els electrons a traves de la plastocianina passen al fotosistema I. En P-700, els electrons també necessiten llum per excitar-se, i un cop excitat passen per proteïnes ferro-S, ferrodoxina, Fd:NAD reductasa i s’acaba reduint el NADH.
El regenerador dels electrons és a traves de la oxidació de l’aigua.
Primer de tot el FSII s’excita per acció de la llum i transferirà els electrons de la feofitina fins el citocrom b6f que permet que es formi un gradient de protons. Hi ha plastocianina que permet passar els electrons des de FSII al FSI, que com s’haurà excitat necessitarà regenerà els electrons. P680 es regenerat per la hidròlisi de l’aigua, que li cedirà els electrons i es formarà oxigen. P700 s’excita i els electrons passen per una sèrie d’acceptors entre els quals les proteïnes F-S que cediran els electrons per formar NADPH a partir de NADP.
Parlarem de fotosíntesi oxigènica, a diferencia de la dels bacteris (que només tenen 1 fotosistema), que no són capaços de produir oxigen.
Per tant, al final de la fase lluminosa obtindrem: Per cada electró que s’excita calen dos fotons. Doncs, per 4 electrons calen 8 fotons. Passa en cianobacteris i plantes vasculars.
FOTOFOSFORILACIÓ La fotofosforilació consisteix en la pas de protons a través de la membrana des de l’estroma cap al lumen, que genera una diferència de càrrega i de protons. Augmenta la concentració de protons en el lumen que permet la sortida de protons a favor de gradient a través d’una ATPasa.
2 H2O + 8 fotons + 2 NADP+ + ~3 ADP + ~Pi → O2 + ~3 ATP + 2 NADPH El gradient de protons a banda i banda de la membrana tilacoidal induït per la llum (~3,5 unitats de pH) és la força protó–motriu que utilitzarà l’ATPsintasa per formar ATP. Hi haurà una diferència de carrega i de concentració de protons per crear ATP. Encara que es processos són semblants, ara s’anomena fotofosforilació.
- El mitocondri els protons van des de la matriu fins a l’espai intermembrana, i des d’allà passaran a favor de gradient per l’ATPasa.
En el cloroplast els protons van des de l’estroma cap al lumen del tilacoide i des d’allà passaran a favor de gradient per l’ATPasa.
En els bacteris els protons van des del citosol cap a l’espai intermembrana, i des d’allà passaran per l’ATPasa.
La producció d’ATP es a la matriu i a l’estroma (mitocondri i cloroplast respectivament) però en els bacteris al citosol.
ASSIMILACIÓ DE CO2 EN BIOMASSA DE LES PLANTES La fase fosca es un procés anabòlic però molt relacionat amb la fase lluminosa perquè necessita ATP i NADPH reduït que se’l transmet per poder-se produir. Els organismes fotosintètics poden produir carbohidrats a partir de la fase fosca.
Les plantes, gracies a l’ATP i al NADH, sintetitzaran el primer producte de l’assimilació de carboni → trioses. I a partir d’aquí les hexoses i hexoses-P. Després el mido o cel·lulosa, i ho transportaran als diferents llocs de la planta a traves de la sucrosa, gracies a la síntesi de pentoses-P i àcids nucleics.
CICLE DE CALVIN O FIXACIÓ DE CO2 Fixació o assimilació del carboni: S’assimila en el cicle de Calvin (1950-Calvin). Es realitza en els cloroplasts per enzims que es troben localitzats en l’estroma dels cloroplasts o dels amiloplasts (es troben en l’arrel de les plantes que emmagatzemen molt de midó). Té una primera part de fixació de CO2 sobre una molècula de 5 carbonis per formar i intermediari de 6 que es dividiran en dos molècules de tres carbonis. En la segona, de reducció, s’incorpora poder reductor i energia per reduir la molècula. En la tercera fase es regenera la ribulosa 1,5-bifosfat.
A partir de 3 molècules de 5 carbonis + 3CO2 es formen 6 molècules de 3 carbonis, i després 3 molècules de 5. Consta de tres fases principals: a) Fixació del CO2: RU-DP → 2 molècules C3. L’acceptar es la RuDP, que es capaç d’acceptar una molècula de CO2.
b) Reducció de l’intermediari. 3 fosfoglicerat (el carboni 1 es el CO2) → gliceraldehid 3 fosfat. Al final tindrem 6 molècules de 3C. Una d’elles va a la formació de midó, glucosa... i les altres 5 passen al tercer pas.
c) Regeneració del acceptor: Ru-DP (5C). Gliceraldehid → Ru-DP.
Més detalladament tenim les tres passes o etapes: 1. 1ª etapa: Fixació de CO2. Activitat carboxilasa de la Rubisco Ribulosa 1,5-bisfosfatcarboxilasa/oxigenasa = Rubisco. És un enzim que està format per 8 subunitats iguals codificades pel genoma del cloroplast. Té a més 8 subunitats més petites codificades per gens que es troben en el genoma nuclear.
La massa relativa és de 550.000D i una concentració de 250mh/ml: representa el 50% de la proteïna soluble del cloroplast. Però és molt ineficient perquè li costa molt activar-se.
Una de les formes en les que la rubisco s’activa implica la formació del complexe carbamat-Mg, en el grup amino d’una lisina en el lloc actiu de l’enzim, alliberantse dos protons. La activació és estimulada per l’augment de la concentració de magnesi i pH majors com a conseqüència de la llum.
Per tant, aquesta etapa està catalitzada per la rubisco, l’enzim principal que regula la via. Esta format per 8 subunitats grans que contenen el centre actiu i que estan codificades pel genoma del cloroplast. Però conté també unes altres 8 cadenes mes petites que estan codificades per genoma nuclear. Perquè sigui funcional s’han d’unir les 16 cadenes. La seva activitat es molt lenta, te una activitat de 3 molècules de CO2 per segon a 25ºC. S’ha vist que cal que hi hagi molt.
Per aquest motiu, el 50% del pes del pes del cloroplast es rubisco. A mes uneix Mg a traves de una lisina del centre actiu, que ajuden a posicionar la RU-BP al centre actiu.
2. 2ª Etapa del cicle de Calvin: Reducció del 3-fosfoglicerat a gliceraldehid 3-fosfat El cofactor que es fa servir és el NADPH. La majora de les molècules de gliceraldehid tres fosfat es fan servir per regenerar la ribulosa, però la producció extra pot: - Transformar- se en sucrosa Emmagatzemar-se en forma de midó Ser degradat a la glucòlisi Per tant, un cop format el 3-fosfoglicerat es donen un parell de reaccions fins al gliceraldehid-3-P, dues reaccions inverses a la glicòlisi. Els enzims que intervenen i els de la glicòlisi són isoenzims, tenen la mateixa funció per estan codificats per gens diferents (citosol i cloroplast). Les reaccions són les mateixes que la glicòlisi però inverses. En canvi, el donador de poder reductor es el NADP. A partir del G3P es pot convertir en dihidroxicetona-P i sortir al citosol i allà per les mateixes reaccions de la gluconeogènesi es sintetitzarà sucrosa. Si el que cal es energia, se’n anirà a glicòlisi. Si cal emmagatzemar midó, es farà directament al cloroplast.
Un intermediari clau es la F6P ja que la trobem en totes les vies: formació de mido, sucrosa... Aquest intermediari servirà per la regeneració de la Ru-BP.
3. 3ª etapa del cicle de Calvin: Regeneració de la Ru-1,5-BP → Interconversió de trioses fosfat en pentoses fosfat A través d’una sèrie d’intermediaris de la via de les pentoses fosfat tornem a regenerar la ribulosa 1,5-bifosfat.
Tenim que es donen reaccions que participen alguns carbohidrats de diferent nombre de carbonis. Trobem enzims de la via de les pentoses fosfat → transcetolasa i transaldolasa, ja que intervenen en reaccions d’aquesta via. A partir d’aquestes reaccions es regenerarà la ribulosa-1,5-difosfat.
La fructosa-1,6-bifosfatasa controla aquesta via.
Balanç del cicle de Calvin: REGULACIÓ DE LA FOTOSÍNTESI El cicle de Calvin necessita pel seu funcionament ATP provinent de la fase lluminosa, que té lloc en els tilacoides. La fase fosca es dóna en l’estroma del cloroplast. L’entrada de protons al tilacoide provoca un augment de pH, que a més es veu afavorit per la sortida de magnesi.
El pH i el Mg augmenten a l’estroma, que faran que s’activin els enzims del cicle com a conseqüència de que l’etapa lluminosa avança. Els enzims són la rubisco (1ª etapa) o fructosa 1,6 bifosfatasa (3º). Altres enzims com la ribulosa 5 fosfoquinasa (3ª), sedeheptulosa 1,7-bifosfat (3ª) o la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa (2ª etapa). Totes les etapes del cicle tenen algun enzim crític regulat per la llum.
S’activa el fotosistema per acció de la llum, que permet el pas d’electrons per proteïnes i en últim terme redueixen 2 Cys del centre actiu de tots aquets enzims i en aquest moment és quan l’enzim esdevé actiu. En el moment d’oxidarse, quan no hi ha llum, s’inactiven.
Si ho hi ha llum, o es podrà assimilar CO2: - - Quan hi ha llum, el que hi ha es la transferència de electrons i el pas de protons a través de la membrana, des de l’estroma al tilacoide. La concentració de protons al estroma disminuirà i es farà més basic. Açò va acompanyat de la sortida del Mg al estroma, que el necessiten la rubisco, transcetolases i transaldolases. A traves del pH i la concentració de Mg, es regula la activitat dels enzims.
La llum activa els fotosistemes. La Fd reduïda pot anar per altres transportadors de electrons que també es reduiran. La trioredoxina pot reduir enzims (activats) de la fotosíntesi. A més, el poder reductor activa els enzims.
Regulació a nivell dels sucres: La llum activa els enzims crítics d’aquesta via. La síntesi de fructosa 2,6-bifosfat està inactivada per la llum perquè es pot obtenir molta energia a través de la fotosíntesi i no te sentit que es degradi la glucosa (en la glucòlisi) per obtenir energia. Per això la glicòlisi es realitza de nit perquè no tenen un mecanisme més eficient d’obtenir energia. També es relaciona amb la gluconeogènesi: quan la glicòlisi disminueix augmenta la gluconeogènesi i a la inversa.
TEMA 14 – METABOLISME DELS LÍPIDS És més eficient i obtindrem més energia de la oxidació d’un àcid gras que d’un carbohidrat del mateixa mida. Els triacilglicerols s’emmagatzemen en forma de gotetes lipídiques en el teixit adipós. Químicament són inerts, i no alteren la osmolaritat del teixit to i que n’hi hagi molt. Alhora de ser transportats quan un teixit el necessita per obtenir energia necessiten un transportador, una proteïna, tal com les lipoproteïnes, ja que la seva insolubilitat constitueix un greu problema. A més, al ser tant estables, s’han d’activar abans de ser oxidats.
- - Els teixits com el múscul, el cor o el fetge fan servir la meitat de l’energia provinent de triacilglicerols.
Els lípids son insolubles en aigua, i s’acumularan en els adipòcits sense augmentar la osmolaritat.
Son inerts, i per tant caldrà que s’activin a les vies metabòliques (CoA) i primer s’han d’emulsionar per ser degradats per les lipases.
A la sang cal que vagin acompanyats per proteïnes transportadores.
Al múscul permeten obtenir molta energia, per que els ocells paguin volar centenars de km sense parar a menjar. Els vertebrat obtenen energia dels greixos que obtenen de la dieta. El 30% de la dieta haurien de ser greixos.
Es poden emmagatzemar per tindre energia per prèvia mobilització.
Els greixos poden tindre origen a partir de una gran quantitat de sucres.
Els àcids grassos estan molt reduïts i mitjançant la seua oxidació es pot obtindré molta energia.
Hi ha molts animals, com els que hivernen, tota la energia prové dels greixos. O per exemple les plantes no utilitzen greixos, sols els olis de les llavors. Mes del 50% de la energia del múscul esquelètic s’obté dels greixos.
Hi ha diverses fonts de triacilglicèrids: - Emmagatzemat al teixit adipós Rebuts de la dieta Es sintetitzen en un òrgan i s’utilitzen un altre Però aquestes fonts no són presents a tots els organismes ni tampoc totes tenen la mateixa importància. Moltes vegades es reben més de la dieta, es mobilitzen poc i més s’emmagatzemen. Això crea problemes d’obesitat. Els animals que hibernen fan servir l’energia dels triacilglicèrids que han emmagatzemat en el teixit adipós.
Les plantes, tenen greixos a les llavors, que necessiten energia per desenvolupar-se.
Els greixos que s’absorbeixen a la dieta s’han d’emulsionar i ser digerits. Aquests lípids no poden ser digerits directament per ser tant estables, i per això han d’emulsionar. Les als biliars són els que els emulsionen. Aquestes, que es sintetitzen en el fetge, són alliberades a l’intestí prim i permeten solubilitzar els triacilglicèrids i que les micel•les de lípids que es formin siguin més accessibles als enzims que els degradaran, anomenats lipases, i els transformaran en glicerol i àcids grassos. Un cop s’han format aquests àcids grassos poden travessar la mucosa intestinal, i a al sang, utilitzen uns transportadors, les lipoproteïnes, per poder arribar al teixit que els necessiti.
Els lípids també es poden mobilitzar. Trobem unes gotes lipídiques protegides per la perilipina, que fa que sigui una gota inert. Es necessita una hormona (com el glucagó o l’adrenalina). Per mitjà d’un missatger secundari, l’AMP cíclic, que s’activa per l’adenil ciclasa, i que activarà a una PKA, s’activa una lipasa (fosfolirant-la) que permet la sortida d’àcids grassos de la gota. Els àcids grassos poden sortir a la sang, i conjugar-se amb albúmines o lipoproteïnes fins arribar al teixit que les necessiten.
El glicerol també pot ser degradat i obtenir energia (un 5%). Es podrà metabolitzar gràcies a una kinasa, que l’activa a glicerol 3 fosfat, que es troba en equilibri amb la forma dihidroxicetona fosfat, i passarà a D-gliceraldehid-3-fosfat que es un intermediari de la glucòlisi.
Doncs, la primera font de greixos és la pròpia dieta. Han de ser primer emulsionats per ser digerits al intestí. El que els emulsionen són les sals biliars, que es guarden a la vesícula biliar. A l’intestí prim els triacilglicerols formen micel·les, que degradaran els lípids en àcids grassos i glicerol. Travessen la membrana i es tornaran a condensar unint colesterol i proteïnes per formar lipoproteïnes.
Els àcids grassos lliures poden travessar la membrana de la mucosa intestinal i tornar-se a ajuntar en triglicèrids per colesterol i proteïnes especifiques per formar apoproteïnes (quilomicrons). Quan els quilomicrons passen pel sistema limfàtic i un cop als capil·lars, les proteïnes especifiques poden activar les lipases, que tornaran a trencar els triglicèrids per que puguin entrar als adipòcits per emmagatzemar-se.
La segona font de lípids són les gotes lipídiques dels adipòcits, envoltades per pirilipina, que fa que la gota lipídica sigui inerta. Quan cal mobilitzar els greixos, el adipòcits rep una senyal que arriba via hormona, com el glucagó. Els receptor serpentina, a través d’una proteïna activa la adenil-ciclasa → AMPc → PKA: - Fosforila una lipasa sensible a hormona, que podrà actuar sobre els lípids accessibles per trencar-los en AG i glicerol.
Fosforila la pirilipina, s’obrirà i sortiran els lípids.
Quan els lípids surten de la cèl·lula, entraran a unes altres perquè es degraden per obtenir energia. El 95% de l’energia dels triglicèrids prové de la degradació dels àcids grassos.
ACTIVACIÓ D’ÀCIDS GRASSOS (citosol) Entraran a la mitocòndria per a que es produeixi la B-oxidació, tot i que s’inicia al citosol, ja que és on s’activa l’acid gras. S’activen gràcies al coenzim A i amb ATP, amb el que es formarà acil-CoA, gracies a l’acil-CoA-sintasa que es troba a la membrana externa del mitocondri. És una reacció exergònica, ja que va acoblada a la hidròlisi de l’ATP i la del pirofosfat.
Al costat extern de la membrana mitocondrial els enzims poden ser transportats a la matriu a través de la carnitina.
Acil-CoA s’uneix a la carnitina, i es desprèn el coenzim-A, per acció d’una carnitina acil transferasa I per donar a l’acil carnitina que entra a través d’un transportador. A la matriu, l’àcid gras es separa de la carnitina i es torna a unir a coenzim A. L’entrada d’àcids grassos és el pas limitant de la velocitat de la β-oxidació.
Doncs, un cop han arribat a les cèl·lules, hauran de entrar a la β-oxidació, a les mitocòndries. Hauran d’activar-se unint CoA.
Ho regula la acil-CoA-sintasa, que es troba a la MME. Es necessita ATP per obtenir AMP i pirofosfat, que es degradarà. És una reacció molt favorable, ja que es trenquen dos enllaços del P. Al final s’obté acil-CoA.
La inorgànic fosfatasa és un enzim de la MME en el citosol ¿?. La primera reacció de activació consisteix en la unió de dos Pi.
Un àcid gras entra a la matriu a traves de una llançadora de carnitina (aa que no forma part de les proteïnes), que podrà unit l’AG. Aquesta reacció d’unió està catalitzada per un enzim anomenat acil-carnitina transferasa. Són dos isoenzims, un a la MME i un a la matriu. La acil-carnitina pot travessar la MME i a la matriu a traves de la carnitina llançadera. Va transportant grups acil dintre del mitocondri. El CoA s’allibera i es queda al citosol, i servirà després per altres reaccions. Un cop la carnitina amb l’acil ha arribat a la matriu, s’alliberarà de la carnitina i tornarà a unir-se a un CoA per formar acil-CoA i que el AG s’activi. La carnitina que s’allibera, torna a través del transportador a la MME per tornar a unir acil. La entrada del AG a la matriu delimita la velocitat de la β-oxidació dels àcids grassos.
ETAPES DE LA β-OXIDACIÓ L’acil coenzim A es va oxidant en molècules de 2 carbonis, a partir del c carboxílic. Les molècules de 2C són d’àcid acètic. L’àcid acètic activat per continuar la seva oxidació anirà al cicle de l’àcid cítric. I per últim, es produirà la fosforilació oxidativa i la cadena de transport d’electrons.
Per exemple, en la β-oxidació de l’àcid palmític tenim els següents passos: - - Es produeix el trencament de l’enllaç entre el carboni α i el β. Tenim una deshidrogenació de l’enllaç per l’acilCoA deshidrogenasa i s’obté FADH2.
S’hidrata mitjançant l’enoil-CoA hidratasa.
S’obté NADH gràcies a β-hidroxil-CoA deshidrogenasa Per últim l’enllaç es trenca per l’acil coa acetiltransferasa (una tiolasa) i l’entrada de CoA-SH i s’obté acetil-coA i un àcid gras de 14 C → farà la β-oxidació 7 vegades més.
A més, en total tenim: 1. β-oxidació. Acid palmític (16C) → 8 acil-CoA. Caldran fer 7 β-oxidacions. El carboni α es el que esta mes prop del carboxílic.
a) Primera oxidació de l’àcid gras: enzim acil-CoA deshidrogenasa.
b) Hidratació. Entra aigua. Incorpora un H en el c α u un OH en el β.
c) Altra oxidació de C β i obtenció de poder reductor en forma de NADH.
d) Tiolasa que trenca l’enllaç del C α i β. Queda un àcid gas de 2C menys (14C) i un acetil-CoA.
2. Cicle de Krebs.
3. Cadena de transport d’electrons.
Rendiment de la ß-oxidació: A partir d’un àcid gras com el palmític, de 16 carbonis, es van hidrolitzant de 2 en 2 formant acetil-CoA que anirà al cicle de l’àcid cítric. A més, per cada oxidació es forma NADH i FADH2. Com que teníem 16 carbonis, s’obtindran 7 NADH + 7H+ i 7 FADH2 (7 oxidacions) i 8 acetil-CoA (a l’última s’obtenen 2 acetil-CoA). El FADH2 i el NADH aniràn a la cadena de transport d’electrons i s’obtindrà electrons a partir de la fosforilació oxidativa Al final, s’obtenen 108 molècules d’ATP, ja que per cada NADH s’obté 3,5 i per cada FADH2 1,5 ATP. Però el balanç final es de 106 ATP perquè necessitem 2 ATP per activar el palmític-CoA.
Els àcids grassos tenen un nombre parells de carbonis, però alguns un nombre senar (com els dels organismes marins o els que trobem a l’estómac d’alguns rumiants). Si tenen un nombre senar, en algun moment ja no es podrà formar la molècula de 2 C. Per exemple, una molècula de 13: carbonis, realitza el cicle de la B-oxidació normal durant 5 cops.
Per tant, al final obtenim 5 molècules d’acetil CoA i una de propionil-CoA (3 carbonis). Aquesta molècula de propionilCoA que està activada, anirà per una sèrie de passos diferents a la β-oxidació.
1. Descarboxilació: es forma una molècula de 4 carbonis (metilmalonil-CoA), per propionil-CoA descarboxilasa.
2. Isomerització: canvi de posició en els carboxils per una epimerasa.
3. Al final s’obté succinil-CoA, un intermediari del Cicle de Krebs, per una mutasa. La B-oxidació dels àcids grassos de nombre parell de carbonis resulta energèticament més eficient que els àcids grassos amb un nombre senar.
EXPORTACIÓ D’ACETAT HEPÀTIC: FORMACIÓ I UTILITZACIÓ DE COSSOS CETÒNICS L’acetil-CoA pot anar al cicle dels àcids tricarboxílics o bé pot anar a la formació de cossos cetònics. Quan hi ha manca de carbohidrats el cicle de Krebs no es pot realitzar ja que manquen intermediaris. Aquest cicle dels cossos cetònics es realitza en cas de dejú, etc. Es realitza al fetge.
BIOSÍNTESI D’ÀCIDS GRASSOS Els lípids no només son importants per obtenir energia, també tenen altres funcions: - Constituents de la membrana Formació de pigments Cofactors (vitamina K) Detergents (sals biliars) Emmagatzemen E Transportadors Hormones sexuals Missatgers Qualsevol síntesi necessita precursors, energia i poder reductor. El precursor inicial de la biosíntesi d’àcids grassos és el malonil-CoA (3 C), un inhibidor de la llançadera carnitina (regulació de la via de manera recíproca). A la biosíntesi, hi ha un enzim de la fase preparatòria i un altre, un complex.
El malonil-CoA és una molècula de 3C que es forma a partit del acetil-CoA. Aquest últim, s’ha de sintetitzar gracies al acetil-CoA carboxilasa: - Transporta biotina → cofactor.
Biotina carboxilasa: biotina uneix un àtom de carboni. La carboxilasa activa el carboni perquè es pugui unit al malonil. La primera reacció uneix ATP.
Transcarboxilasa: el centre actiu catalitza el trencament de l’enllaç i la unió al CoA. Es formarà malonil-CoA.
El malonil inhibeix la llançadora de carnitina. Açò permet que les dues reaccions actuen de forma coordinada.
La etapa preparatòria consisteix en la síntesi del malonil-CoA. Hi participa un enzim, la acetil-CoA carboxilasa. La reacció es produeix en dos pasos irreversibles, gràcies a la funcionalitat de l’enzim: 1. Té una part que actua de transportador de BIOTINA.
2. La biotina carboxilasa uneix CO2 a la BIOTINA. requereix ATP.
3. A partir de la Transcarboxilasa: entrada d’acetil-CoA i tranferència de CO2 per formar la molècula de malonilCoA.
L’altre enzim que és un complexe multi enzimàtic és l’àcid gras sintasa: - En procariotes esta format per 7 subunitats però en eucariotes es un dímer format per 2 cadenes peptídiques de 250 kD amb vàries activitats enzimàtiques en cada cadena Els intermediaris es troben units covalentment al grup –SH (sulfhídric) de la proteïna transportadora d’acils (ACP) (també part del complex àcid gras sintasa).
Canalització a nivell de substrat: evita que el substrat sigui agafat per altres enzims.
Les reaccions que es donen en l’àcid gras sintasa són les següents: 1. Reacció d’encebat → l’acetil-CoA s’uneix a un grup –SH d’una Cys de la cetoacil‐ ACP sintasa (KS, l’acFvitat condensadora).
La transferència la catalitza la acetil-CoAACP-transacilasa (AT).
2. Entrada del 1er malonil‐CoA → El malonilCoA s’uneix al grup –SH de la ACP. La transferència la catalitza la Malonil‐CoA‐ ACP transferasa (MT).
1. Reacció de condensació → l’acetil (2C) es condensa amb els dos C del malonil (3C) que es descarboxil·la. La condensació la cataliza la cetoacil‐ACP sintasa (KS).
2. Reducció del grup β-ceto → el NADPH redueix el C β del β-cetobutiril‐ACP. La reducció la catalitza la β-cetoacil‐ACP reductasa (KR).
3. Deshidratació del β-hidroxibuFril‐ACP → L’eliminació de OH en β i de H en α crea un doble enllaç trans. La deshidratació la catalitza la β-hidroxiacil‐ACP deshidratasa (HD).
4. Reducció del doble enllaç entre α i β → el NADPH és el donador d’electrons. La reducció la catalitza la enoil‐ ACP reductasa (ER).
Final 1a seqüència de reaccions → translocació del butiril des d’ACP fins la Cys de la KS. La cadena en creixement deixa lliure l’ACP per què pugui entrar un nou malonil‐CoA. La translocació la catalitza la aceFl‐CoA‐ACP transacilasa (AT).
Inici repetició seqüencia reaccions: 2n Malonil‐ CoA. És una condensació (catalitzada per KS) del carbonil de la cadena en creixement amb el C β del malonil que es descarboxila. En cada repetició, els dos nous carbonis de la cadena creixent són els que van units a l’ACP.
Per tant, partir d’aquí, pot entrar un nou malonil (al braç llarg) i es pot fer de nou un cicle, unint-se 2 carbonis més. Quan té la mida que interessa, s’hidrolitza, i l’àcid gras es desprèn del braç curt. Doncs, a partir de la 2ª volta només ens entra malonil.
Fi de la síntesi: 3. Quan la cadena s’ha allargat fins 16C (palmitil-ACP) s’allibera de l’enzim per hidròlisi.
Palmitil-ACP + H2O → Palmitat + ACP-SH 4. La reacció la catalitza una activitat tioesterasa de l’àcid gras sintasa.
BALANÇ FINAL DE LA BIOSÍNTESI DEL PALMITAT (C16) COMPARACIÓ DE ß-OXIDACIÓ I BIOSÍNTESI D’ÀCIDS GRASSOS La β-oxidació i la biosíntesi també es poden comparar perquè son com la inversa una de la altra.
SÍNTESI DE L’ÀCID PALMÍTIC La biosíntesi i degradació dels àcids grassos es dóna per vies diferents. Són catalitzades per conjunts d’enzims diferents i en compartiments diferents de la cèl·lula.
β-oxidació Té lloc en la mitocòndria Intermediaris lligats covalentment al CoA Els enzims implicats són independents Oxidants: NAD i FAD Biosíntesi Té lloc en el citosol Intermediaris units a grups sulfhidrils de la ACP (Proteïna transportadora de Grups Acil) Els enzims implicats estan integrats en una única cadena polipeptídica La cadena s’allarga de 2 en 2 C, el donador és el malonil-CoA.
L’elongació està dirigida per l’eliminació de CO2.
Reductor: NADPH L’elongació s’atura en el palmitat. Més C o la insaturació té lloc en altres sistemes enzimàtics.
Com podem hi ha diferencies entre les dues vies: 5. Es duen a terme en compartiments cel·lulars diferents.
6. Són vies diferents.
7. Conjunts d’enzims diferents. En la β-oxidació son 4 enzims diferents. En la síntesi és un únic complex multienzimàtic.
8. β-oxidació→ l’acetil s’activa amb el CoA. En la biosíntesi s’uneix a la proteïna transportadora d’acils.
9. En la biosíntesi, s’arriba fins al palmitat, per a mes llargs, hi ha altres processos enzimàtics. En la β-oxidació, els molts llargs, comencen a oxidar-se als peroxisomes.
TRANSPORT D’ACETAT AL CITOSOL A la matriu mitocondrial s’obté l’acetil-CoA, que haurà de passar al citosol. Però això ho ha de fer en forma de CITRAT, en el primer pas del cicle de Krebs. Per tornar, ho farà a través del MALAT o el PIRUVAT a la matriu.
L’acetil-CoA no és el mateix que s’obtenia a la β-oxidació, sinó que es el que s’obté de la glicòlisi o del la degradació de l’esquelet carbonatat dels aminoàcids. El malonil es un inhibidor de la llançadora de carnitina.
REGULACIÓ DE LA SÍNTESI D’ÀCIDS GRASSOS 10. Regulada perquè el malonil inhibeix la llançadora citrat.
11. Si augmenta el citrat, s’activa la síntesi d’àcids grassos. També pot ser per acció de la insulina.
12. Es inhibida pel producte, o hormones com l’adrenalina o el glucagó.
Per tant: - Bàsicament es regula per l’enzim que sintetitza malonil-CoA. Es un enzim regulat per fosforilació o de manera al·lostèrica però hormones i també pel mateix producte.
Si no hi ha glucosa, s’allibera glucagó o adrenalina. La insulina activa la síntesi, efecte contrari al glucagó.
Hi ha intermediaris del cicle de Krebs que serveixen per la síntesi de AG.
CICLE DEL TRIACILGLICEROL Per anar des del teixit adipós a la sang o a altres teixits, els triacilglicèrid han de passar a àcids grassos.
TEMA 15 – METABOLISME DELS COMPOSTOS NITROGENATS La fracció d’energia metabòlica que s’obté dels aminoàcids depèn de cada organisme, ja que és més difícil obtindré energia dels compostos nitrogenats de de la glucosa o els àcids grassos per exemple. Però els carnívors poden obtenir fins a un 90% de la energia dels aminoàcids. Els aminoàcids no s’emmagatzemen, sinó que tant s’ingereixen, tan se’n degraden. Per tant, les vies que veurem seran vies de animals carnívors.
DIGESTIÓ I ABSORCIÓ DE PROTEÏNES DE LA DIETA Els organismes carnívors fan servir una part important d’energia a partir del metabolisme dels aminoàcids. Però hi ha organismes que el fan servir molt menys, com les plantes, ja que fan servir l’energia que obtenen de la fotosíntesi. La síntesi i la degradació d’àcids nucleics o de compostos derivats nitrogenats està molt regulada.
Quan aquests aminoàcids siguin degradats, l’energia sols s’obtindrà del esquelet carbonatat. Per tant, com el N pot arribar a ser tòxic, cal eliminar-los amb un petit esforç.
Els animals i els homes són capaços d’obtenir proteïnes de: - La dieta → les proteïnes ingerides en la dieta son font d’aminoàcids per a la síntesi de noves proteïnes. Es al tracte intestinal.
La síntesi d’aminoàcids → les proteïnes també serviran com a font de N per la síntesi de altres aminoàcids i de compostos nitrogenats (àcids nucleics, ATP...).
Cal a dir que els aminoàcids no s’emmagatzemen, i que a partir de la seva oxidació es pot obtenir molta energia. La degradació de proteïnes es realitza en èpoques de dejú, àcid acètic distribuït per cossos cetònics que van al cicle dels àcids tricarboxílics. En els humans, s’obtenen les proteïnes de la dieta. Es degraden a aminoàcids en el tracte gastrointestinal a través d’una sèrie d’enzims.
- - Els primers es troben a la paret de l’estómac: o Gastrina (per la mucosa gàstrica).
o Cèl·lules principals (secreten pepsinogen).
o Cèl·lules parietals (secreten HCl). El medi àcid ajuda a l’activació de proenzims com el pepsinogen → pepsina, i també a desnaturalitzar proteïnes.
A l’intestí prim, on el pH és més alt (gràcies al carbonat secretar per pàncrees) i a la tripsina s’absorbeixen els aminoàcids.
Un cop ingerim la carn, un cop arriben a l’estomac, les cèl·lules secreten HCl (H+ i Cl- per separat), que baixa el pH i desnaturalitza les proteïnes. Açò permet que els enzims puguin anar trencant els aminoàcids que formen les proteïnes. Seguidament, quan el bolus passa a l’intestí, el pH àcid estimula a traves de la secretina la secreció de altres peptidases a través del pàncrees exocrí. Totes les peptidases es secreten en forma de zimògens (inactius), i nomes s’activen en el lloc que han de realitzar la funció. Finalment, els aminoàcids lliures podran travessar les cèl·lules de la mucosa intestinal i passar a la sang.
ABSORCIÓ DELS PRODUCTES DE LA DIGESTIÓ DE PROTEÏNA DE LA DIETA: AMINOÀCIDS I POLIPÈPTIDS Molècules simples (aminoàcids i dipèptids i tripèptids) entren als capil·lars. Però en els enteròcits moltes vegades son acabats de degradar per dipeptidases o tripeptidases.
DEGRADACIÓ DE PROTEÏNES ENDÒGENES En les cèl·lules no només hi arriben proteïnes de la dieta. Les endògenes, s’han de degradar, al proteosoma (tant les funcionals com les mal degradades). S’obtenen aminoàcids que poden ser reutilitzats. La vida mitja d’alguns enzims: - HMG-CoA reductasa < 2 hores Acetil-CoA carboxilasa 9 - 40 hores Lactat deshidrogenasa 41-200 hores Hemoglobina > 200 hores Aquests enzims tenen una vida molt curta → es degraden després de fer la seva funció. Les proteïnes danyades o innecessàries es marquen per la seva destrucció amb ubiqüitina i son degradades al proteosoma gràcies a l’aport d’ATP. Però i ha proteïnes que duren més, com per exemple, la proteïna del cristal·lí, que dura la vida sencera del individu.
A més, si els aminoàcids, si no es necessiten, també hauran de ser degradats al fetge.
CATABOLISME D’AMINOÀCIDS Hi ha una separació del grup amino dels aminoàcids, i s’obté a més, esquelets carbonats. El grup amino és tòxic, i es degradarà a través del cicle de la urea. L’esquelet del carbonat, podrà entrar al cicle de l’àcid tricarboxílic, i s’obtindrà energia gràcies a la fosforilació oxidativa i a la cadena transportadora d’electrons.
A través d’intermediaris es pot obtenir de nou glucosa per la via de la gluconeogènesi.
Al fetge, es dona el catabolisme del grup amino. Els aminoàcids arriben a l’hepatòcit, on es separen per donar el grup amino i l’esquelet de carbonat (α-ceto àcid). Es una reacció de TRANSAMINACIÓ, perquè el grup amino del carboni alfa del traspassat a una molècula de alfacetoglutarat (5C) per donar el glutamat.
No importa quin aminoàcid es desamini, ja que sempre s’obtindrà l’aminoàcid GLUTAMAT. La reacció es catalitzada per l’enzim aminotransferasa. A més, es necessita un cofactor, PLP: piroxidal fosfat. Actua unit covalentment a la proteïna, ja que s el seu grup prostètic. (vist a la formació del glicogen). En definitiva, es la transferència del grup α-amino de l’aminoàcid al carboni α del αcetoglutarat.
Per tant, el catabolisme d’aminoàcids té lloc al fetge.
Aquests no es poden emmagatzemar i els excedents s’utilitzen com a combustible. S’elimina el grup amino i l’esquelet carbonat es converteix en intermediari metabòlic.
El grup amino es tòxic. S’elimina en el cicle de la urea o s’incorporarà en reaccions de síntesi de altres compostos nitrogenats.
- L’esquelet carbonat dels aminoàcids entra al cicle de Krebs. Krebs també va descobrir el cicle de la urea i la connexió amb dels dos cicles.
Es duen a terme una sèrie de reaccions bioquímiques per poder separar el grup amino dels aminoàcids. Tenim les proteïnes que provenen de la sang o de les pròpies cèl·lules. Per la reacció de transaminació catalitzada per una transaminasa el grup amino passa a la α-ketoglutarat, i dona lloc a un altre aminoàcid, el glutamat. Doncs, es forma un cetoàcid. El glutamat pot passar el grup amino a un altre glutamat per formar glutamina o al cicle de la urea per degradar-lo. La glutamina pot anar a uns altres teixits.
- A més, l’alanina, per transaminació passarà el grup amino al glutamat per una transaminació. Però el glutamat té càrrega negativa i no pot anar per la sang.
- Glutamat → donador de grups amino a les vies biosintètiques. El grup amino no esta mai lliure Transaminases = aminotranferases → enzims als hepatòcits que participen en el cicle de la urea.
Quan capta el grup amino, s’obté piridoxamina fosfat.
Però el glutamat no pot transportar-se a través de la sang, ja que té càrrega, i l’ió amino es tòxic. Per això, hi ha una transferència del grup amino per donar lloc a la GLUTAMINA: - L’ió amoni és tòxic, s’ha de transformar abans de ser exportat al fetge per convertir-se en urea - En la majoria de teixits l’ió amoni es converteix a Gln per acció de la glutamina sintetasa La Gln és neutra, a diferència del Glu, i travessa lliurament la membrana El NH4+ prové no solament dels aminoàcids, sinó també de la degradació de nucleòtids Els aminoàcids alliberen l’amoni captat pel glutamat: formen glutamina i també alanina. L’esquelet carbonat prové de la degradació de la glucosa. Al fetge es forma glucosa a través de la gluconeogènesi i pesarà a la sang cap al múscul, on es degradarà per la glicòlisi, donant piruvat. A és, l’amino de l’alanina és degradat amb el cicle de l’urea.
Per tant, el grup amino es transfereix del glutamat al cetoglutarat. Les transferases tenen com a grup prostètic al pirodoxal fosfat, que quan uneix un grup amino, es transforma en piridoxamina fosfat. Esta unit al enzim covalentment a una lisina del centre actiu de la transaminasa a traves de una base de shift. Doncs, s’obté el glutamat.
L’ió amoni es tòxic sobretot pel SNC. Doncs no pot viatjar lliurement per la sang, que abans de eliminar-se pel cicle de la urea, ha d’arribar al fetge. L’ió amino es transfereix a la glutamina. A traves de una reacció catalitzada per glutamina sintetasa, s’afegeix un fosfat i un grup amino. Es forma glutamat i el amoni es ficarà al cicle de la urea.
Si no queda glucosa ni lípids, es degraden proteïnes que poden ser funcionals.
Però l’amoni no dona energia. S’acumula molt amoni a les cèl·lules musculars, que l’accepta el glutamat i el transfereix a la glutamina. Ara va glicòlisi, genera piruvat, que per transaminació → alanina. La alanina es una altre transportador de amoni a la sang fins el fetge, on per acció reversa, dona el grup amino al glutamat i hi ha piruvat, que es resintetitzarà en glucosa, que s’enviarà una altra vegada al múscul.
Els dos cicles estan molt relacionats. Serveixen per traure els productes del catabolisme del múscul.
CICLE DE CORI El cicle de cori està molt relacionat amb la comunicació del múscul amb el fetge. Per poder reciclar el poder reductor, el múscul realitza la fermentació làctica. El lactat que pot acidificat el múscul, ha de sortir, i passant per la sang, anar al fetge, on serà transformat en glucosa i d’allà, retornarà al múscul. El fetge serveix per poder recuperar el teixit muscular que ha sofert un treball intens.
DESAMINACIÓ OXIDATIVA DEL GLUTAMAT (GLUTAMAT DESHIDROGENASA) L’acció seqüencial de les aminotransferases per generar Glu i de la glutamat deshidrogenasa per generar amoni s’anomena: transdesaminació. Com hem vist, es forma glutamat gràcies a que un aminoàcid cedeix el seu grup amino a un alfacetoglutarat (i s’obté, a més, l’alfa-cetoàcid). El glutamat, per acció de la glutamat deshidrogenasa, allibera l’amoni i s’obté l’α-cetoglutarat. Es requereix poder reductor.
Quan la alanina o glutamina arriben al fetge es transformen en glutamat, que passarà el grup amino al cicle de la urea.
Els grups amino queden lliures → desaminació oxidativa. Glutamat → α-cetoglutarat + ió amino. El poder reductor es recupera a traves de NADH o NADPH.
La glutamat deshidrogenasa es regula al·lostèricament per concentracions de GTP/ATP i GDP/ADP. Aquest enzim es troba a dintre del mitocondri dels hepatòcits.
EXCRECIÓ DE NITROGEN I CICLE DE LA UREA - - - El cicle de la urea només es dóna en hepatòcits (es dona al mitocondri i al citosol).
És el primer cicle metabòlic descobert (Krebs, 1932): observà que l’addició d’ornitina, arginina i citrul·lina a trossos de fetge, estimulava la producció d’urea.
La urea és molt hidrosoluble, passa a sang i ronyó. Aquest cicle permet que a partir de l’amoni poder secretar urea de manera innòcua.
Els vertebrats no poden eliminar l’amoni, caldria molta aigua perquè no fos tòxic. Per això cal el cicle de la urea.
El primer amino que entra prové de la glutamina o del glutamat. Aporten el primer grup amino. Té lloc mitjançant la síntesi de la carbomil-fosfat per acció de la Carbomil fosfat sintasa I. Després, es produeix la condensació amb una molècula d’ornitina per formar citrul·lina. La citrul·lina surt al citosol i s’uneix a l’aspartat. L’aspartat aporta el 2n grup amino (el procés requereix energia). Es forma l’arginina succinat. L’enzim que catalitza la reacció és l’arginina succinat.
A partir de l’arginina succinat tenim que es tallada a FUMARAT i ARGININA. Únic pas reversible del cicle de la urea. El fumarat és la cadena carbonada de l’aspartat. L’arginina s’hidrolitza per l’arginasa en forma d’ornitina (que serà reciclada) i allibera una molècula de urea.
La transaminació es fa al citosol. El glutamat i la glutamina entraran al mitocondri, on es farà la desaminació del glutamat. Obtindrem α-cetoglutarat i amoni lliure, que caldrà eliminar per cicle de la urea. L’amoni s’uneix a bicarbonat, provinent del CO2 de la respiració mitocondrial. La reacció esta catalitzada per la carbamoïl fosfat sintetasa.
El cicle de la urea consta de 4 reaccions.
És un cicle compartit per mitocondri i citosol. L’acceptor serà el carbamil fosfat. Per tant, al principi de tot es produeix carbamil fosfat, que conte amino, C i P. La reacció gasta dos ATP: per que sigui favorable i unir un Pi.
1. El carbamil fosfat i la ornitina a través de la ornitina transcarbaminasa generen la citrul·lina.
2. La citrul·lina surt del mitocondri al citosol. Els tres següents enzims estan molt junts per funcionar a nivell de canalització de substrat i ser molt eficients.
Obtenim argininosuccinat a través de la seva sintetasa a partir de la citrul·lina i aspartat → el segon amoni de la urea ve de l’aspartat.
És una condensació de la citrul·lina amb l’aspartat, que pot venir de la transaminació de altres aminoàcids.
3. Arginina succinasa → formació de arginina. Surt una molècula de 4C, el fumarat, un intermediari del cicle de Krebs.
4. Es forma urea i es regenera l’acceptor, la ornitina. Aquesta reacció està catalitzada per la arginasa. La ornitina tornarà a entrar al mitocondri per acceptar carbamil fosfat i la urea serà excretada a la sang.
REGULACIÓ DEL CICLE DE LA UREA El cicle de la urea es regulat per la dieta i per la inanició (no menjar carbohidrats). Això provoca: - Augment de síntesi dels 4 enzims del cicle de la urea.
Augment de síntesi de la carbamil fosfat sintetasa A més, també hi ha una regulació al·lostèrica de la carbamil fosfat sintetasa I. El N-acetil glutamat és un regulador positiu d’aquest enzim, és a dir, l’activa. Si hi ha molt glutamat i CoA, es formarà Nacetilglutamat. La arginina facilita la síntesi del activador de la sintasa de N-acetilglutamat.
RELACIÓ ENTRE EL CICLE DE LA UREA I EL CICLE DE KREBS 1. A través del FUMARAT es pot realitzar el cicle dels àcids tricarboxílics. Entrarà al mitocondri través de la llançadora malat.
2. 2ª relació: a través de l’ASPARTAT → “Connexió del cicle de l’àcid cítric i l’aspartat-argininosuccinat.” El fumarat es forma al citosol i cal que torni al mitocondri, i per això es transforma en malat i entra a través de la llançadera de malat. El pas de malat a oxalacetat genera poder reductor. L’OAA equival al esquelet carbonat de l’aspartat, que és una altra molècula que entra al cicle de la urea.
La llançadora aspartat-argininosuccinat és la connexió dels dos cicles.
COST ENERGÈTIC DE LA SÍNTESI D’UREA - La síntesi de carbamil fosfat en la mitocòndria requereix la hidròlisi de 2 ATP a 2 ADP + 2 Pi La síntesi de argininosuccinat requereix la hidròlisi de 1 ATP a AMP + PPi ( ATP) Equació global: 2NH4+ + HCO3- + 3ATP + H2O → Urea + 2ADP + AMP + 4Pi De 3 ATP es passa a 2 ADP + AMP. És a dir, s’han trencat 4 enllaços rics en energia La síntesi d’urea també implica: - Conversió d’oxalacetat a fumarat Reoxidació del fumarat a oxalacetat en el cicle dels àcids tricarboxílics (mitocondrial) - Es genera NADH + H+ en la reacció de la malat deshidrogenasa → reducció del cost energètic de la síntesi d’urea, ja que anirà a CTE i s’obtindrà 2,5 ATP.
AMINOÀCIDS ESSENCIALS Els aminoàcids essencials són els que l’organisme no pot sintetitzar per si mateix i per tant, s’han d’ingerir en la dieta.
Com que es necessiten, es reutilitzen en el cicle de la urea.
Alguns essencials depenen de l’estat metabòlic (en algunes etapes). En condicions normals el cos dels vertebrats només obté entre un 10 i un 15% de l’energia a partir del metabolisme dels aminoàcids.
CATABOLISME D’AMINOÀCIDS Els aa provenen de la dieta o de la degradació de proteïnes. Es poden fer servir per sintetitzar aminoàcids diferents, noves proteïnes o altres compostos nitrogenats.
Primer es separa el esquelet carbonat del grup amino (tòxic quan esta lliure). Si no s’aprofita, es degrada pel cicle de la urea (als vertebrats). Després l’esquelet carbonat es separa per transaminases i s’en va al cicle de Krebs per fer oxidació completa i generar energia, crear altres carbohidrats o altres macromolècules a traves de vies biosintètiques.
Quan els aminoàcids s’han de degradar per obtenir energia, s’obté l’esquelet hidrocarbonat dels aminoàcids. Podem dividir els aminoàcids en funció de si el seu esquelet pot fer-se servir per sintetitzar. Si hi ha excés d’aminoàcids, poden ser degradats completament o servir com a intermediaris per a obtindré altres compostos - Rosa → el seu esquelet pot usar-se per sintetitzar glucosa. Són tots menys la leucina (molt comú a la majoria de les proteïnes) i la lisina.
Blau → els aminoàcids poden donar aceitil-CoA, per sintetitzar cossos cetònics, que son molt importants en processos específics: vaga de fam, condicions de inanició, diabetis... Serviria com a font d’energia per altre teixits. Tots els aminoàcids són cetogènics.
Podrem sintetitzar glucosa i àcids cetònics. Hi ha aminoàcds que es troben a les dues bandes. La leucina i la lisina són exclusivament cetogènics, es demés són tant glucogènics com cetogènics. La leucina es molt abundant en totes les proteïnes, doncs, la formació de cossos cetònics a traves d’aquest aminoàcids es una via molt activa en cas de diabetis.
Així, parlem de aminoàcids glucogènics i aminoàcids cetogènics. Els primers entren al cicle de Krebs i a partir d’alguna molècula es pot obtenir glucosa.
D’aquesta manera, l’organisme pot metabolitzar aminoàcids per obtenir energia en casos molts necessaris. Els cetònics, poden donar a lloc a acetilCoA i acetoacetil-CoA que donarà a lloc a altres cossos cetònics (tals com B-hidroxibutirat i acetona).
Hi ha una gran quantitat important de malalties o defectes genètics humans deguts a deficiències enzimàtiques d’enzims que participen en el catabolisme d’aminoàcids. Totes tenen amb poca incidència ja que son malalties genètiques. Moltes cursen en neurodegeneració o retard mental, com la fenilcetonuria.
- Albinisme → falla la síntesi de melanina.
Fenilcetonúria → deficiència en la fenilalanina hidroxilasa. La fenilalanina no es podrà convertir en tirosina, doncs s’acumula i es converteix en compostos que son neurotòxics.
SÍNTESI D’AMINOÀCIDS Els aminoàcids no essencials son els que l’organisme pot sintetitzar. A partir de la via de les pentoses podem sintetitzar una gran quantitat d’aminoàcids.
- A partir de glucosa-6-fosfat: histidina 3-fosgoglicerat: Serina → glicina i cisteïna Piruvat: alanina, valina, isoleucina i leucina Fosfoenolpiruvat: triptòfan, tirosina, fenilalanina α-cetoglutarat: glutamat Oxalacetat: espartat A més, l’esquelet carbonat es pot sintetitzar a traves de intermediaris de 3 vies principals: - Glicòlisi → alanina, seriana, glicina, cisteïna...
Intermediaris de la via de les pentoses fosfat → histidina, tirosina, fenilalanina...
Cicle de Krebs → aspartat, metionina, treonina, lisina...
El glutamat, al que se li incorpora l’amoníac, es transforma en glutamina per una reacció de transaminació i s’obtenen molts aminoàcids.
La síntesi d’aminoàcids es fa mitjançant la glutamina sintasa, que permet formar glutamina a partir del glutamat. Si hi ha molts aminoàcids (o altres) s’inhibeix la reacció. És una inhibició concertada. Cadascun dels productes inhibeix una mica la glutamina sintasa. És una inhibició important si hi ha molts productes.
Per tant, la síntesi ha d’estar molt ben regulada, ja que nomes es sintetitzen quan fan falta. Ve regulada per la glutamina sintetasa, que cedirà el grup amoni. Reacció que necessita ATP. Molts compostos que inhibeix la acció de aquest enzim (inhibició al·lostèrica).
CICLE DEL NITROGEN El nitrogen no es troba en excés en la natura, sinó que es troba en forma de gas, N2, que es molt inert (costa molt d’incorporar a l’organisme). El nitrogen atmosfèric pot ser fixat gràcies a organismes nitrificants (rizhobium…), bacteris capaços de fixar-lo. Pot ser incorporat a aminoàcids o altres compostos. Els bacteris nitrificants el passen de nitrit a nitrat, que podrà tornar a nitrogen atmosfèric o amoni. A partir dels aminoàcids que s’han incorporat a l’organisme per ser aprofitat pes altres i quan l’organisme mori tornarà a l’atmosfera.
El N l’obtenim a través de l’amoni que obtenim dels aminoàcids de la dieta. Però en realitat prové del N2 atmosfèric, que els bacteris nitrificants el fixen en amoni, que serà incorporat a proteïnes per bacteris o plantes.
Els bacteris viuen en simbiosi en nòduls en les arrels, ja que l’enzim només funciona en condicions anòxiques.
L’enzim es molt sensible a la pressió parcial de O2, per això els bacteris que el tenen es trobem a les arrels de les lleguminoses. A més esta protegit per una substancia que evita que l’O2 entri. La reacció necessita poder reductor, molta energia d’activació.
L’enzim responsable és la Nitrogenasa, que té doble activitat: - Reductasa→ vida mitja de 30 minuts en presència d’oxigen. És un dímer de proteïnes Fe-S (4 i 4) formant un cub. Els centres Fe-S transporten electrons fins arribar a la reductasa.
Activitat nitrogenasa → vida mitja de 30 minuts en presència d’oxigen. En el centre actiu també te proteïnes Fe-S. Són com dos proteïnes Fe-S com les d’abans. Conté molibdè, un metall que també es troba al centre actiu. Els 6 electrons serviran per reduir el N a amoni, i 2 per reduir H 2.
D’altra banda el nitrogen atmosfèric és molt estable, i necessita molta energia per poder-se fixar. Es necessiten al laboratori temperatures d’entre 400 a 500º. A partir del nitrogen atmosfèric s’obtenen 2 molècules d’amoni que requereixen l’aport de 8 protons i 8 electrons que pesen 1 a 1 a través de la reductasa, i es gasten 2 ATP (al final 16 ATP). Doncs, s’ha intentat produir amoni de manera artificial però es massa costos. També s’han intentat crear plantes transgèniques amb la nitrogenasa per no utilitzar les lleguminoses, però no s’aconsegueix protegir l’enzim del O 2.
METABOLISME DE BASES NITROGENADES Les bases nitrogenades són molt importants ja que són els precursors de RNA i DNA i com a transportadors d’energia.
A més participen com a cofactors: NADH, NADPH, FADH2... Són mediadors biosintética activats. També poden actuar com a missatgers secundaris: AMPc.
Quan una cèl·lula s’ha de dividir, ha de sintetitzar-se nous nucleòtids, ja que no hi ha de reserva. Ha d’estar molt ben regulada, millor que la β-oxidació, glicòlisi ,gluconeogènesi...
Síntesi de novo → es parteix de la ribosa activada i després la base es sintetitza a partir d’ací. La base sovint prove d’algun aminoàcid, que aporta el N i també C.
- Via de recuperació → SNC. Les neurones sintetitzen pocs nucleòtids. En recuperen a partir de alguns que no es poden usar.
Ambdós processos parteixen de la PRPP (fosforibosil pirofosfat).
- Hi ha dos tipus de bases nitrogenades: - Purines: A i G Pirimidines: C, T i U.
En la biosíntesi de novo cada àtom de les purines té origen diferent: - N1 → aspartat.
C2 i C8 → àcid fòrmic.
N3 i N9 → glutamina.
C4, C5 i N7 → glicina.
C6 → bicarbonat procedent de la respiració mitocondrial (CO2).
A partir de l’anell de purina, obtindrem l’IMP (inositol monofosfat) i a partir d’aquí es podran seguir dues vies: - IMP → ATP → dATP IMP → GTP → dGTP La ribosa 5 fosfat s’activa i es transforma en PRPP (fosforibosil pirofosfat) i aquest en IMP (inositol monofosfat). Ara es produeix la modificació de la base nitrogenada per arribar a AMP o a GMP. Totes aquestes reaccions necessiten energia. L’energia per crear ATP vindrà del GTP, i viceversa.
- El forma tot sencer el nucleòtid. Comença per l’activació de la R5P.
La glutamina aminotransferasa ve regulada per producte.
REUTILITZACIÓ DE LES BASES NITROGENADES Les neurones reciclen les bases o nucleòtids que ja no s’utilitzen. Les endonucleases els trenquen en oligonucleòtids i un altre enzim en mononucleòtids fosfat. Les base nitrogenades perden el grup fosfat, és a dir, es queden en nucleòsids, i els nucleòsids poden perdre la ribosa i quedarà la base. Es degrada o d’unir a una altra vegada al PRPP (ribosa activada).
VIA DE RECUPERACIÓ DE LES PURINES L’àcid úric s’ha excretar. Un excés en aquest àcid dona lloc a la gota, una malaltia relacionada amb una ingesta massiva de carn.
També tenim el síndrome de Lesch-Nyhan, degut al enzim HPRT, el qual permet recuperar les purnes al SNC. És una malaltia hereditària recessiva del X poc freqüent. Si es poc greu causa gota, però si l’activitat de l’enzim HPRT es nul·la, els afectats tenen alteracions en el comportament → automutilació.
També trobem la deficiència d’adenosina desaminasa, deguda a mutacions en el gen que codifica aquest enzim. Afecta a les cèl·lules T → nens bombolla, ja que no tenen sistema immunitari.
CATABOLISME PURINES DE LES El primer que fan els purines en el moment del seu catabolisme és perdre el fosfat. Doncs, ara serà un nucleòsid. Després es perd la ribosa. Ara tindrem guanina. A la adenina a més hi ha una desaminació després de la desfosforilació → tindrem hipoxantina. Ara per les dues vies tindrem xantina i després àcid úric. És un procés al revés que la biosíntesi.
BIOSÍNTESI DE PIRIMIDINES Les pirimidines són més senzilles que les purines, sols tenen un anell en la seua estructura. Es comença pel bicarbonat i l’amoni, i mitjançant 2 ATP dona el carbamil fosfat (principi del cicle de la urea). L’enzim II es un isoenzim de l’enzim I (mitocondri) que es troba al citosol. Un cop format açò, s’aporta l’aspartat i ja tenim la base de l’anell de la pirimidina.
S’uneix la ribosa i després encara es modifica la base. Tindrem al uridina monofosfat, i després l’UTP. I a partir d’aquí passarem a CTP o a TTP.
CARBAMIL SINTETASA II Aquest enzim té tres centres actius: per tres reaccions diferents: - Fosforilació del bicarbonat Hidrolitzar la glutamina per obtenir el grup amoni.
Fosforilació de l’àcid carbòamic.
El substrat va passant de centre a centre actiu per dintre de l’enzim, el que permet una canalització.
CATABOLISME DE PIRIMIDINES A partir de la timina, es dona una reducció, es trenca un enllaç per obrir-ho i tindrem una molècula semblant a un aminoàcid. Després hi ha una desaminació i una descarboxilació. Seguidament temin una altra pareguda a un aminoàcid. Finalment tindrem el metilmalonil-semialdehid, un intermediari de la síntesi de la valina, que serà degradat posteriorment a Succinil-CoA per anar al cicle de Krebs.
DE RIBONUCLEÒTIDS A DESOXIRIBONUCLEÒTIDS Cal substituir L’OH per un H. Els H que s’han d’aportar els aporta el NADPH en últim terme. Aquesta recció està catalitzada per la ribonucleòtid reductasa. Es poden seguir dues vies: - Tioredoxina → grup SH de cisteïnes, que poden estar reduït u oxidats.
Sistema del glutatió.
Açò necessita una regulació molt fina entre el nombre de dA i aT o de dG i dC. A més, està molt ben coordinada sobre tot entre bases que s’aparellen → dA i dT – dC i dG.
ANÀLEGS DE NUCLEÒTIDS A) FÀRMACS CONTRA EL CÀNCER Aquests fàrmacs tenen aplicacions en biomedicina pel tractament del càncer. Actuen en les vies de síntesi de nucleòtids de cèl·lules canceroses, molt mes actives que les cèl·lules que no es divideixen. En quimioteràpia es fan servir inhibidors dels enzims per formar desoxinucleòtids.
El tetrahidrofolat es un cofactor per passar de dUMP a dTMP. La hidrofolat reductasa catalitza el pas de dihidrofolat a tetrahidrofolat. El tetrahidrofolat es l’actiu.
B) FÀRMAC CONTRA LA SIDA El virus de la SIDA entra dintre de la cèl·lula i ha de retrotranscriure el seu RNA a DNA, i aquest s’ha d’integrar al DNA de l’hoste. Aprofitarà la maquinaria del hoste per sintetitzar les seues proteïnes.
El AZT es una deoxitimidina que en C3’ no de un OH, sinó que te 3N. Així no es pot unir la següent ribosa ni formar RNA. Com a efectes secundaris es que afecten al sistema immunitari, a la divisió de les cèl·lules T.
...