Catabolismo de los glúcidos (un ejemplo del uso de LYX/LATEX en Biologı́a) Ma José Góngora Luque Resumen Práctica final del curso Software Libre y Educación: Guadalinex (Thales-Cica 2004-05). Estudio de la degradación total de la glucosa en la respiración aerobia y balance energético del proceso. Para un nivel de 2o de bachillerato. Introducción Los disacáridos o polisacáridos ingeridos por los seres vivos deben ser hidrolizados hasta monosacáridos para poder ser utilizados por las células. Esta hidrólisis se lleva a cabo en el interior del tubo digestivo mediante enzimas hidrolı́ticas. Una vez hidrolizados, los monosacáridos obtenidos serán degradados para obtener la energı́a acumulada en sus enlaces. El principal monosacárido es la glucosa, por lo que vamos a ver la energı́a que se obtiene en la degradación total de una molécula de glucosa. El catabolismo de la glucosa puede llevarse a cabo mediante fermentación o respiración (que a su vez puede ser aerobia o anaerobia). Vamos a ver las fases de la degradación en la respiración aerobia: glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria. 1. Glucólisis (ruta de Embden-Meyerhof ) En esta fase la glucosa se degrada en dos moléculas de ácido pirúvico. Es una fase totalmente anaerobia y transcurre en el citoplasma celular. CH2 OH H H T OH HO T H OH T T H OH CH2 OH–P ATP −−−−−−−−−−−−−−→ Hexoquinasa OH H H T OH HO T H Glucosa OH T T H OH + ADP OH Glucosa-6-P P–HOH2 C "Ob CH2 O–P P–HOH2 C "Ob CH2 OH " b " b " b " b ATP Glucosa-PH OH OH −− → T TH ← −− −− −− −− −− −− −− − − isomerasa HT OH HT −−−−−−−−−−−−−−→ OH ADP OH OH H H Fructosa-1,6-diP Fructosa-6-P 1 2 Ciclo de Krebs 2 CHO H Aldolasa −−−−−−−−−→ C CH2 O–P OH C + CH2 O–P O CH2 O Gliceraldehı́do-3-P Dihidroxiacetona-P Al llegar a este punto la Dihidroxiacetona-P (6) se transforma en Gliceraldehı́do-3-P (5) con la intervención de la Triosa-fosfato-isomerasa, y será este último el que continue la transformación en pirúvico. COO–P CHO H H NAD+ OH ← − − → −− −− −− −− −− −− −− −− −− −− − − Gliceraldeh-3PCH2 O–P desh. C C CH2 O–P COOH OH Ác. 3-fosfoglicérico CH2 O–P C H O–P CH2 OH Enolasa −− → ← −− −− −− −− −− −− −− − − Ác. 2-fosfoglicérico COOH COOH C Fosfogliceratoquinasa COOH Fosfoglicero+ATP mutasa − − → ← −− −− −− −− −− −− −− −− −− −− − − CH2 O–P C +NADH+H − → ← −− −− −− −− −− −− −− −− −− −− − − +− Ác. 1,3-difosfoglicérico Gliceraldehı́do-3-P H ADP OH ADP −−− → −− −− −− −− −− −− − − +H2 O←− Piruvatoquinasa PEP C O +ATP CH3 Ác. pirúvico Balance final de la glucólisis: 1glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2P → 2ácpirúvico + 2NADH + H+ + 2ATP 2. (1) Ciclo de Krebs El ácido pirúvico obtenido en la glucólisis atraviesa la membrana mitocondrial y, en la matriz mitocondrial, se transforma en Acetil-S-CoA. En este proceso se requiere la participación de un complejo enzimico, el sistema de la piruvato deshidrogenasa. El Acetil-S-CoA se incorpora al ciclo de Krebs1 donde, mediante una serie de reacciones sucesivas, se degrada completamente. A través del ciclo de Krebs se produce la oxidació total de los distintos metabolitos obtenidos por la célula. El esquema es el siguiente: 1 En el ciclo de Krebs no sólo se degradan los monosacáridos, sino que se pueden incorporar otras moléculas producto de la degradación de los aminoácidos o los ácidos grasos. G-Linex 05 Ma José Góngora 2 Ciclo de Krebs 3 Ác. Pirúvico NAD+ Citoplasma CoA-SH CO2 NADH+H+ Acetil-S-CoA Matriz mit. CoA-SH 1 NADH+H+ Ác. Oxalacético Ác. Cı́trico H2 O 8 2 NAD+ Ác. Málico Ác. Isocı́trico CO2 NAD+ 3 7 H2 O NADH+H+ Ác. αcetoglutárico Ác. Fumárico NAD+ CoA-SH FADH2 CO2 6 CoA-SH 4 NADH+H+ FAD Succinil-CoA Ác. Succı́nico GTP 5 GDP+P 1. Condensación del acetil-S-CoA (2C) con el ác. oxalacético (4C) para formar una molécula de 6C (ác. cı́trico). Interviene la citrato sintetasa. 2. Isomerización del ác. cı́trico en isocı́trico mediante la aconitasa. 3. Descarboxilación y deshidrogenación del ác. isocı́trico formándose ác. α-cetoglutárico (5C). El enzima que interviene es la isocitrato deshidrogenasa. 4. Se produce una nueva descarboxilación y deshidrogenación, formándose succinil-CoA (4C). Actua la cetoglutarato deshidrogenasa. 5. Eliminación del CoA para dar lugar al ác. succı́nico, en presencia de la succinil-CoA sintetasa. G-Linex 05 Ma José Góngora 3 Cadena respiratoria 4 6. Interviene la succinato deshidrogenasa y el ác. succı́nico se oxida a fumárico. 7. Hidratación del ác. fumárico. Actua la fumarasa. 8. Mediante la malato deshidrogenasa el ác. málico se transforma en ác. oxalacético, que vuelve a iniciar el ciclo. Balance final del ciclo de Krebs: 1pirúvico + 2H2 O + 4NAD+ + FAD + GDP + P → 3CO2 + 4NADH + 4H+ + FADH2 + GTP (2) En el ciclo de Krebs penetra un compuesto de 2C (acetil-S-CoA) que queda totalmente degradado con las dos descarboxilaciones que se producen en los pasos 3 y 4. Como en la glucólisis se obtienen dos moléculas de ác. pirúvico, son necesarias dos vueltas del ciclo para degradar una molécula de glucosa. 3. Cadena respiratoria En las membranas de las crestas mitocondriales se encuentran una serie de moléculas que se encargan del transporte de protones y electrones mediante una serie de reacciones acopladas de oxidación y reducción. Los protones y electrones se transfieren desde el sustrato (NADH+H + y FADH2 ) hasta el oxı́geno, que se reduce formándose agua. Como el aceptor final es el oxı́geno, hablamos de respiración aerobia. H+ H+ H+ Esp. interm. c CoQ Fe-S M. interna NADH-desh a c1 ATPsint a3 b ADP+P NAD+ O2 NADH+H+ H+ H+ ATP O2 − H+ H+ Matriz H2 O La transferencia de electrones provoca, en tres puntos de la cadena respiratoria (llamados lugares de acoplamiento), la salida de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal, induciendo la formación de gradientes electroquı́micos a través de la membrana interna. La vuelta a la matriz de los protones debido al gradiente produce, a nivel de los oxisomas, la activación de la G-Linex 05 Ma José Góngora A Estructura de los compuestos quı́micos 5 ATP-sintetasa formándose ATP y H2 O. A la formación de moléculas de ATP mediante la energı́a de óxidorreducción se le llama fosforilación oxidativa. Balance: 4. 1NADH + H+ → 3ATP (3) 1FADH2 → 2ATP (4) Balance energético de la respiración aerobia En la glucólisis, por cada molécula de glucosa que se degrada, obtenemos (véase 1): 2ác. pirúvico + 2NADH + H+ + 2ATP Por cada molécula de ác. pirúvico que se incorpora al ciclo de Krebs (véase 2): 3CO2 + 4NADH+4H+ + FADH2 + GTP Luego por las dos moléculas de ác. pirúvico tendremos: 6CO2 + 8NADH+8H+ + 2FADH2 + 2GTP Las coenzimas reducidas penetran en la cadena respiratoria originando ATP (ver 3 y 4). El balance final de la degradación total de una molécula de glucosa será: Glucólisis Ciclo Krebs 10 NADH 2 FADH2 Total A. 2 ATP 2 GTP = 2 ATP 30 ATP 4 ATP 38 ATP Estructura de los compuestos quı́micos A.1. Glucólisis CH2 OH–P HOH2 C "Ob H " b " b H OH T HT CH2 OH OH H fructosa OH H fructosa-1,6-difosfato OH CH2 O–P Ácido 1,3-difosfoglicérico G-Linex 05 OH H fructosa-6-fosfato CHO H C CH2 O–P OH C CH2 O–P Gliceraldehı́do-3-fosfato COO–P C P–HOH2 C "Ob CH2 OH " b " b H OH T HT OH H OH glucosa-6-fosfato P–HOH2 C "Ob CH2 O–P " b " b H OH T HT OH H OH T T H OH H H T OH HO T CH2 O Dihidroxiacetona-fosfato COOH H C OH CH2 O–P Ácido 3-fosfoglicérico O COOH H C O–P CH2 OH Ácido 2-fosfoglicérico Ma José Góngora A Estructura de los compuestos quı́micos COOH COOH C C O–P O CH3 CH2 PEP A.2. 6 Ácido pirúvico Ciclo de Krebs COOH COOH CH2 CH2 H C COOH HO C H CH2 COOH COOH Figura 1: Ác. cı́trico Figura 5: Ác. succı́nico COOH COOH CH2 CH2 H C COOH HO C H CH2 COOH COOH Figura 2: Ác. isocı́trico Figura 6: Ác. fumárico COOH CH2 HO CH2 C COOH C H CH2 O COOH COOH Figura 7: Ác. málico Figura 3: Ác. alfa-cetoglutárico COOH CH2 C CH2 CH2 CO-S-CoA Figura 4: Succinil-CoA G-Linex 05 COOH O COOH Figura 8: Ác. oxalacético Ma José Góngora