Oxidación aeróbica del metabolismo de la glucosa.
Esta etapa es similar a la glucólisis y ocurre en el citoplasma. El piruvato produce ácido láctico en condiciones hipóxicas. En condiciones aeróbicas, el piruvato ingresa a las mitocondrias para producir acetil-CoA, que luego ingresa al ciclo del ácido tricarboxílico.
2. La descarboxilación oxidativa del piruvato produce acetil-CoA.
En condiciones aeróbicas, el piruvato ingresa a las mitocondrias desde el citoplasma. La descarboxilación oxidativa es catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa. El δ g' 0 de esta reacción es -39,5 kJ/mol y la reacción es irreversible (Figura 6-6). El complejo de piruvato deshidrogenasa es un complejo multienzimático compuesto por tres enzimas, que incluyen piruvato deshidrogenasa, dihidrolipoato acetiltransferasa y dihidrolipoato deshidrogenasa. La acetiltransferasa es el núcleo, rodeada por la piruvato deshidrogenasa y la dihidrolipoato deshidrogenasa. Las coenzimas involucradas son TPP, ácido lipoico, FAD, NAD+ y coenzima a. Hay un proceso de reacción en cadena estrechamente relacionado en el complejo multienzimático. La reacción se completa rápidamente y la eficiencia catalítica es alta. Descarboxila y deshidrogena el piruvato. acetil coenzima a y NADH+H+.
3. Ciclo del ácido tricarboxílico
El acetil-CoA producido por la descarboxilación oxidativa del piruvato debe oxidarse por completo. Este proceso de oxidación es el ciclo del TCA. El ciclo de los ácidos tricarboxílicos fue descubierto por Krebs en 1937. Por eso, también se le conoce como ciclo de Krebs. Debido a que el primer producto intermedio del ciclo es el ácido cítrico, también se le llama ciclo del ácido cítrico. El acetil-CoA se condensa con oxaloacetato para producir ácido cítrico que contiene tres grupos carboxilo, que luego se convierte nuevamente en oxaloacetato mediante una serie de reacciones para completar un ciclo, en el que el hidrógeno eliminado por la reacción de oxidación se transfiere a través de la cadena respiratoria en el interior. membrana de las mitocondrias para generar agua. Luego la fosforilación oxidativa genera ATP; el dióxido de carbono producido por la descarboxilación se transporta al sistema respiratorio y se excreta a través de la sangre, que es la principal fuente de dióxido de carbono en el cuerpo.
1. El proceso de reacción del ciclo del ácido tricarboxílico;
(1) La acetil coenzima A y el oxalacetato se condensan para formar ácido cítrico.
Esta reacción está catalizada por la citrato sintasa, que es una enzima clave en el ciclo del ácido tricarboxílico y un importante punto regulador. Debido a que se libera más energía libre cuando se hidroliza el enlace tioéster de alta energía, δ g' 0 = -32,2 kJ/mol, la reacción es irreversible.
⑵ El ácido cítrico genera ácido isocítrico a través del ácido aconítico.
Esta reacción es catalizada por la aconitasa, se deshidrata el ácido cítrico y se añade agua para formar isocitrato.
⑶ β-oxidación y descarboxilación de isocitrato para generar α-cetoglutarato.
Esta reacción es la deshidrogenación y descarboxilación bajo la acción de la isocitrato deshidrogenasa, que es la primera descarboxilación oxidativa del ciclo del ácido tricarboxílico. La isocitrato deshidrogenasa es la enzima limitante de la velocidad del ciclo del ácido tricarboxílico y es el punto regulador más importante. La coenzima es NAD+. El NADH+H+ generado por la deshidrogenación se transporta a través de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna para generar agua, que se fosforila oxidativamente para generar 3 moléculas de ATP. El isocitrato se deshidrogena a ácido oxalosuccínico, que luego se descarboxila a α-cetoglutarato. δG ' 0 =-20,9 kilojulios/mol.
(4) La descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato genera succinil coenzima a.
Catalizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, esta reacción se deshidrogena y descarboxila para generar succinil-CoA, que es la segunda descarboxilación oxidativa del ciclo del ácido tricarboxílico. El complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa es una enzima clave del ciclo del ácido tricarboxílico y es el tercer punto regulador. El complejo alfa-cetoglutarato deshidrogenasa es un complejo multienzimático cuya composición y patrones de reacción son similares a los del complejo piruvato deshidrogenasa. Las tres enzimas que contiene son alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (TPP); lipoato succinil transferasa (requiere ácido lipoico y coenzima a); dihidrolipoato deshidrogenasa (requiere FAD y NAD+). La deshidrogenación genera NADH+H+, que es transportado a través de la membrana interna mitocondrial y la cadena respiratoria para generar agua, y la fosforilación oxidativa genera 3 moléculas de ATP.
Debido a la reordenación energética interna en la reacción, el producto succinil-CoA contiene un enlace tioéster de alta energía y es irreversible. δG ' 0 = -33,5 kj/mol .
5] La succinil coenzima a se convierte en ácido succínico.
Esta reacción está catalizada por la succinato deshidrogenasa (succinil-CoA sintetasa).
El enlace tioéster de alta energía en la succinil-CoA libera energía, que puede transferirse a ADP (o PIB) para formar ATP (o GTP). Hay dos isoenzimas en las células, una forma ATP y la otra forma GTP. Esto se debe a que la succinato deshidrogenasa está compuesta de subunidades α y β, y la subunidad α tiene un residuo de histidina fosforilada y un sitio de unión para CoA. Tanto el ATP como el GTP pueden unirse a la subunidad β. El GTP formado puede transferir grupos fosfato de alta energía a ADP bajo la catálisis de la nucleósido difosfato quinasa para generar ATP. Esta es la única fosforilación a nivel de sustrato en el ciclo de Krebs, que produce 1 molécula de ATP.
[6] La deshidrogenación del ácido succínico produce ácido fumárico.
Esta reacción está catalizada por la succinato deshidrogenasa, y la coenzima es la FAD. Después de la deshidrogenación, se genera FADH2, que se transfiere a través de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna para generar agua, y luego se fosforila oxidativamente para generar 2 moléculas de ATP.
Una vez el ácido fumárico se convierte en ácido málico.
Esta reacción es catalizada por la enzima fumarasa, y se añade agua para producir ácido málico.
(8) El ácido málico se deshidrogena a oxalacetato.
Esta reacción está catalizada por la malato deshidrogenasa, y la coenzima es NAD+. Después de la deshidrogenación, se genera NADH+H+, que se transfiere a través de la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna para generar agua, y luego se fosforila oxidativamente para generar 3 moléculas de ATP.
Características del ciclo del ácido tricarboxílico:
⑴El ciclo del ácido tricarboxílico es un proceso de oxidación completo de la acetil coenzima A. El ácido oxálico no cambia infinitamente antes y después de la reacción. El oxooxalato en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos proviene principalmente de la carboxilación directa del piruvato.
⑵El ciclo de los ácidos tricarboxílicos es un proceso de generación de energía. A través del TCA, 1 molécula de acetil-CoA sufre cuatro deshidrogenaciones (tres deshidrogenaciones a NADH+H+ y 1 deshidrogenación a FADH2), dos descarboxilaciones a CO2, 1 fosforilación de sustrato, * *para generar 12 moléculas de ATP.
⑶El complejo de citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa es la enzima clave y el punto regulador de la reacción en el ciclo del ácido tricarboxílico.
3. El significado fisiológico del ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
⑴El ciclo de los ácidos tricarboxílicos es la vía metabólica final del azúcar, las grasas y las proteínas. Los azúcares, lípidos y proteínas se metabolizan en el cuerpo y eventualmente generan acetil-CoA, que luego ingresa al ciclo del ácido tricarboxílico y se oxida completamente y se descompone en agua, CO2 y energía.
⑵El ciclo de los ácidos tricarboxílicos es el centro del metabolismo del azúcar, las grasas y las proteínas. La función principal de la oxidación aeróbica del azúcar es proporcionar energía. La mayoría de los tejidos y células del cuerpo humano obtienen energía a través de la oxidación aeróbica del azúcar. En el cuerpo, L moléculas de glucosa se oxidan completamente para generar 38 (o 36) moléculas de ATP. Durante la oxidación completa de la glucosa en CO2 y H2O, δ G' 0 = -2840 kJ/mol, se generan 38 moléculas de ATP, 38×30,5 kJ/mol = 1159 kJ/mol, y la eficiencia de producción de energía es aproximadamente del 40%. .
En la oxidación aeróbica del azúcar se obtienen 34 (ó 32) moléculas de ATP mediante fosforilación oxidativa, y se producen 6 moléculas de ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. En tejidos como el hígado, los riñones y el corazón, la oxidación completa de L moléculas de glucosa puede generar 38 moléculas de ATP, mientras que en el músculo esquelético y el tejido cerebral solo se pueden generar 36 moléculas de ATP. La razón de esta diferencia es que la reacción de conversión de glucosa en piruvato se lleva a cabo en el citoplasma. La coenzima NADH+H+ de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa debe fosforilarse oxidativamente en las mitocondrias, por lo que NADH+H+ pasará a través del sistema. las mitocondrias y finalmente obtiene la cantidad de ATP debido a diferentes sistemas de lanzadera. A partir del residuo de glucosa del glucógeno, se pueden formar 39 (o 37) moléculas de ATP a partir de cada molécula de oxidación de glucógeno. En la oxidación aeróbica de azúcares, la regulación del piruvato por la glucosa es la misma que en la glucólisis. La discusión principal aquí es la regulación del complejo piruvato deshidrogenasa y el ciclo del ácido tricarboxílico.
Regulación del complejo piruvato deshidrogenasa
Existen dos tipos de complejo piruvato deshidrogenasa: regulación alostérica y regulación de valencia. Los inhibidores de la regulación alostérica incluyen ATP, acetil coenzima a, NADH, ácidos grasos, etc. Los activadores son ADP, CoA, NAD+ y Ca2+. Cuando [ATP]/[ADP], [NADH]/[NAD+], [acetil coenzima A]/[CoA] es muy alto, indica energía suficiente y el complejo de piruvato deshidrogenasa es inhibido por la actividad alostérica.
También existe un mecanismo regulador para la **modificación de la valencia en el complejo piruvato deshidrogenasa: el residuo de serina en la piruvato deshidrogenasa, uno de los componentes, puede ser fosforilado por una fosfoquinasa específica para producir acetona. La ácido deshidrogenasa se inactiva ; la fosfatasa correspondiente puede desfosforilar la piruvato deshidrogenasa fosforilada y restaurar su actividad. Esta fosfoquinasa específica es activada alostéricamente por el ATP: cuando la concentración de ATP es alta, la fosfoquinasa específica se activa alostéricamente, fosforilando la piruvato deshidrogenasa e inhibiendo su actividad.
Regulación del ciclo del ácido dicarboxílico
Los tres puntos reguladores del ciclo del ácido tricarboxílico son: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y complejo α-cetoglutarato Deshidrogenasa, el punto regulador más importante es el isocitrato deshidrogenasa, seguida del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa; los factores reguladores más importantes son las concentraciones de ATP y NADH; Cuando [ATP]/[ADP] y [NADH]/[NAD+] están altos, significa que hay suficiente energía y las actividades de las tres enzimas limitantes de la velocidad están inhibidas, por el contrario, las actividades de estas tres enzimas limitantes de la velocidad; Se activan las enzimas. Además, la falta de los sustratos acetil-CoA y oxalacetato y la sobreproducción de los productos citrato y ATP inhiben la citrato sintasa. El efecto Pastor significa que la oxidación aeróbica del azúcar inhibe la glucólisis anaeróbica del azúcar en condiciones aeróbicas. Este efecto fue descubierto por Pastor al estudiar la fermentación de la glucosa en la levadura: en condiciones anaeróbicas, la tasa y cantidad de ATP producida por la glucólisis anaeróbica del azúcar es mucho mayor que la de la oxidación aeróbica, y es la principal forma de producir ATP. Sin embargo, en condiciones aeróbicas, se inhibe la glucólisis de la levadura. Este fenómeno también ocurre en los músculos: cuando el tejido muscular está completamente oxigenado, la oxidación aeróbica inhibe la glucólisis anaeróbica, produciendo una gran cantidad de energía para la actividad del tejido muscular. En ausencia de oxígeno, la glucólisis anaeróbica del azúcar es el método principal.
En algunos tejidos normales y células tumorales con metabolismo intenso, la glucólisis anaeróbica sigue siendo la vía principal para producir ATP incluso en condiciones aeróbicas. Este fenómeno se denomina efecto Craltli o efecto Anti-Pasteur. En las células de los tejidos con efecto Craltli, la actividad de las enzimas glicolíticas anaeróbicas de la glucosa (hexoquinasa, fructosa-6-fosfato quinasa 1, piruvato quinasa) es fuerte, mientras que la actividad de las enzimas productoras de ATP en las mitocondrias es baja. La fosforilación oxidativa está debilitada y. La energía es producida principalmente por enzimas glicolíticas anaeróbicas de glucosa.