Metabolismo celular

1. UNIVERSIDADDE ORIENTE
NÚCLEOSUCRE
ESCUELADE CIENCIAS
DEPARTAMENTODE BIOANÁLISIS
BIOQUÍMICAGENERAL(200 - 2645)
SemestreII–2021
Profesora: Licda. HellenBruzual

2. CICLO DE KREBS
• En 1937, Sir Hans Krebs y W.A. Johnson mostraron que
el citrato es derivado del piruvato y del oxaloacetato
completando lo que se conoce como el ciclo del ácido
cítrico.

3. CICLO DE KREBS
• El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en
eucariotas y en el citoplasma de procariotas.

4. CICLO DE KREBS
• El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico
o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una serie de
reacciones químicas de gran importancia, que forman
parte de la respiración celular en todas las células
aerobias, es decir, que utilizan oxígeno.
• En organismos aeróbicos, es parte de la vía catabólica
que realiza la oxidación de hidratos de carbono, ácidos
grasos y aminoácidos hasta producir CO2 y agua,
liberando energía en forma utilizable (poder reductor y
ATP).
• El ciclo de Krebs también proporciona precursores para
muchas biomoléculas tales como ciertos aminoácidos.
Por ello se considera una vía anfibólica, es decir,
catabólica y anabólica al mismo tiempo.

6. CICLO DE KREBS
 En condiciones anaerobias, las células animales
reducen el piruvato a lactato, en las levaduras a etanol.
 En condiciones aerobias, el piruvato ingresa a la matriz
mitocondrial y es convertido a acetil-Coenzima A
(AcCoA) para llevar estos Carbonos a su estado de
oxidación total en el ciclo del ácido cítrico.

7. CICLO DE KREBS: TRANSFORMACIÓN DEL
PIRUVATO EN ACETIL-CoA
 Los grupos acetilo entran en el ciclo en forma de acetil-
CoA. Es este el producto común de la degradación de
carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos
 El grupo acetilo esta unido al grupo sulfhidrilo del CoA
por un enlace tioéster

8. CICLO DE KREBS: TRANSFORMACIÓN DEL
PIRUVATO EN ACETIL-CoA
 El acetil-CoA se forma por descarboxilación oxidativa del
piruvato, por la acción del complejo enzimático piruvato
deshidrogenasa.

9. CICLO DE KREBS
 El trabajo acoplado
del ciclo del ácido
cítrico y la cadena
de transporte de
electrones es la
mayor fuente de
energía metabólica.
 El metabolismo
aerobio del piruvato
por el ciclo del ácido
cítrico y la cadena
de transporte de
electrones produce
mucha mas energía
que la simple
conversión aerobia
del piruvato a
lactato o etanol .

10. CICLO DE KREBS
 La reacción neta de ciclo del ácido cítrico también produce
tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una molécula
del compuesto trifosfato de guanosina (GTP) altamente
energético (en algunos organismos es directamente ATP)
por cada molécula de AcCoA oxidada.
 Las moléculas de NADH y FADH2 son oxidadas en la
cadena de transporte de electrones con la formación de
ATP en la fosforilación oxidativa.

12. BALANCE ENERGETICO DEL CICLO DE KREBS
 El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación
oxidativa.
 Este proceso extrae la energía en forma de electrones de alto
potencial de las moléculas de NADH y FADH2, regenerando
NAD+ y FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs puede
continuar.
 La glucosa origina 2 moléculas de piruvato y por ende 2
moléculas de AcetilCoA, lo que nos da lugar a 24 moléculas
de ATP.
 Si hacemos un análisis de rendimiento de ATP por molécula
de glucosa, tendríamos lo siguiente:
 Glucólisis = 8 ATP
 Piruvato a AcCoA = 6 ATP
 Ciclo de Krebs = 24 ATP
TOTAL = 38 ATP

13. BALANCE ENERGETICO DEL CICLO DE KREBS
REACCIÓN
CATALIZADA POR:
MÉTODO DE
PRODUCCIÓN DE
FOSFATOS
NÚMERO DE ATP
FORMADOS
Isocitrato
deshidrogenasa
Ox. del NADH en la
Cad.Respiratoria
3
α-cetoglutarato
deshidrogenasa
Ox. del NADH en la
Cad.Respiratoria
3
Succinato tionasa Ox.a nivel del
Sustrato
1
Succinato
deshidrogenasa
Ox. del FADH en la
Cad.Respiratoria
2
Malato
deshidrogenasa
Ox. del NADH
Cad.Respiratoria
3
TOTAL NETO 12 ATP / MOL Acetil
CoA

15. GLUCÓLISIS: BALANCE ENERGETICO
REACCIÓN CATALIZADA
POR:
MÉTODO DE
PRODUCCIÓN DE
FOSFATOS
NÚMERO DE ATP
FORMADOS
Gliceraldehido-3-
fosfato
deshidrogenasa
Ox. De 2 NADH en la
Cad.Respiratoria
6
Fosfoglicerato
cinasa
Ox.a nivel del
Sustrato
2
Piruvato cinasa Ox.a nivel del
Sustrato
2
TOTAL 10
Consumo de 2 ATP Nivel de Hexocinasa
y fosfofructocinasa
-2
TOTAL NETO 8 ATP / MOL
glucosa

16. IMPORTANCIA BIOMÉDICA
 La función principal de Ciclo del Ácido Cítrico es actuar como
vía común final de la oxidación de carbohidratos, lípidos y
proteínas.
 Esto se debe a que estos son metabolizados a acetil-CoA o a
intermediarios del ciclo.
 Interviene en forma principal en:
 Gluconeogénesis
 Transaminación
 Desaminación
 Lipogénesis
Algunos de estos procesos se llevan a cabo en los tejidos pero
el hepático es el único donde ocurren todos, por lo que una
Cirrosis o una Hepatitis aguda afecta este proceso.

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18. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
• Son moléculas que actúan como transportadores de
electrones, es decir, pueden captar y ceder electrones a
otras moléculas.
• Generalmente son proteínas en cuya composición
participan grupos o iones que son los que participan en
estas reacciones de oxidación-reducción como flavinas,
hierro, azufre,...
• Los componentes de la cadena de transporte de
electrones se organizan en cuatro grandes complejos
proteicos denominados complejos I, II, III y IV.

19. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
• Además, hay otras dos proteínas, la ubiquinona y el
citocromo C, que transfieren electrones entre estos
complejos. Todas estas proteínas son proteínas de
membrana, por lo que esta cadena de electrones se
localiza en la membrana interna de la mitocondria, en las
crestas mitocondriales.
• La cadena de electrones está organizada de tal forma que
los electrones, cuando pasan de una proteína a otra, van
perdiendo energía potencial hasta llegar a un aceptor final
de electrones, que cuando es el O2, se reduce para
formar H2O.

20. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
La cadena de transporte de electrones puede iniciarse de dos formas;
bien con una molécula de NADH o bien con una molécula de FADH2,
ambos originados en el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico y en otras
rutas metabólicas de la célula

21. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
• En el caso del NADH los electrones pasan por los siguientes complejos:
• El NADH cede los electrones al complejo I (o NADH-deshidrogenasa
o NADH: ubiquinona oxidoreductasa), que capta dos electrones del
NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado
ubiquinona (Q).
• El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol
(QH2) puede difundir libremente por la membrana. El flujo de
electrones ocurre de la siguiente forma: el NADH es oxidado a NAD+,
y reduce al FMN a FMNH2 en un único paso que implica a dos
electrones.
• El siguiente transportador de electrones del complejo es un centro
Fe-S que solo puede aceptar un electrón y transferirlo a la ubiquinona
generando una forma reducida, denominada semiquinona.
• Esta semiquinona vuelve a reducirse con el otro electrón que
quedaba, generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro
protones se translocan a través de la membrana interna mitocondrial,
desde la matriz hacia el espacio intermembrana y produce un
gradiente de protones.

24. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
• En el caso del FADH2 los electrones pasan por los siguientes
complejos:
• La ruta es idéntica a la anterior, con la excepción de que la
molécula que acepta los electrones no es el complejo I sino el
complejo II (o succinato-deshidrogenasa); es la única enzima del
ciclo de Krebs asociado a membrana y antes de que este
complejo actúe, es necesario formar el FADH2, que ocurre durante
la conversión de succinato en fumarato en el ciclo de Krebs.
• A continuación los electrones son transferidos por medio de
unaserie de centros FeS hacia la ubiquinona. EL glicerol-3-fosfato
y el acetil-CoA también transfieren electrones a la ubiquinona
mediante vías diferentes en que participan flavoproteínas.
• A partir de esta molécula, los procesos de oxidación-reducción
que se producen son exactamente iguales que en el caso del
NADH.
• Otra diferencia importante es que el paso de electrones del
complejo II a la ubiquinona no supone un paso de protones de la
matriz mitocondrial al espacio intermembranoso, por lo que el
rendimiento es algo menor.

25. LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

26. NADH Y FADH2
• El NADH es muy bueno donando electrones en reacciones redox (o
sea que sus electrones están en un nivel de energía alto), por lo que
puede transferir sus electrones directamente al complejo I y se
transforma otra vez en NAD+. El movimiento de los electrones a
través del complejo I en una serie de reacciones redox libera
energía, la cual el complejo usa para bombear protones desde la
matriz hacia el espacio intermembranal.
• El FADH2 no es tan buen donador de electrones como el NADH (o
sea que sus electrones se encuentran en un nivel de energía más
bajo), por lo que no puede transferir sus electrones hacia el
complejo I. En su lugar, introduce los electrones a la cadena de
transporte a través del complejo II, el cual no bombea protones a
través de la membrana. Debido a esto, las moléculas de FADH2
producen un menor bombeo de protones (y contribuyen menos al
gradiente de protones) comparadas con las de NADH.

27. FUNCIONES DE LA CADENA DE ELECTRONES
• La cadena de transporte de electrones tiene las siguientes dos
funciones básicas:
1. Regenera los acarreadores de electrones.
• El NADH y el FADH2 donan sus electrones a la cadena de
transporte de electrones y se convierten otra vez en NAD+ y
FAD. Esto es importante porque las formas oxidadas de los
acarreadores de electrones se utilizan en la glucólisis y en el
ciclo de Krebs, así que deben estar disponibles para mantener
estos procesos en funcionamiento.
2. Forma un gradiente de protones.
• La cadena de transporte genera un gradiente de protones a
través de la membrana interna de la mitocondria: en el espacio
intermembranal hay una concentración más alta de H+ mientras
que en la matriz hay una concentración más baja. Este
gradiente es una forma de energía almacenada que, como
veremos, se puede utilizar para generar ATP.

28. BALANCE DE LA CADENA DE TRANSPORTE DE
ELECTRONES
• Hay que entender que la reducción de cada molécula de
O2 por los e- aportados por 2 NADH hasta formar 2 H2O,
requiere 4 e- y produce la translocación de 20 H+ al
espacio intermembranoso a través de la membrana
mitocondrial por los complejos I, III y IV; estos complejos
funcionan como bombas de protones.
• Por tanto, la energía libre liberada por las reacciones
redox se almacena en el gradiente de H+ acumulado en
el espacio intermembranoso, que será usado en la
fosforilación oxidativa para la producción de energía.

29. UNIVERSIDADDE ORIENTE
NÚCLEOSUCRE
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30. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
• La última etapa de la respiración aerobia es la etapa en la que la
célula obtiene el mayor rendimiento en forma de moléculas de ATP
en un proceso diferente a la fosforilación a nivel de sustrato vista
anteriormente y que es la fosforilación oxidativa.

31. TEORÍA QUIMIOSMÓTICA
• En 1961, Peter Mitchell propuso, para explicar la síntesis de ATP en la
mitocondria un mecanismo conocido como teoría quimiosmótica de
acoplamiento, en la cual, como hemos visto, la energía del transporte
de la cadena de electrones impulsa un sistema de transporte activo
(los complejos I,III y IV), que bombea protones fuera de la matriz
mitocondrial, lo cual genera un gradiente de H+ o fuerza protón-motriz
con un potencial electroquímico que posibilita la síntesis de ATP
mediante la activación de la ATP-sintasa.
• Esta hipótesis se basa en:
• La existencia de una fuerza protón-motriz con dos componentes
electro-químico. Se genera una diferencia de potencial (voltaje)
transmembrana y un gradiente de pH, pH Matriz > pH
intermembrana.
• Un sistema de membrana interna intacta. El uso experimental de
los agentes desacoplantes, de los inhibidores y/o de los ionóforos
fueron apoyos adicionales para comprobar esta hipótesis. Estos
agentes son sustancias que disminuyen la fuerza protón-motriz,
disminuyendo el gradiente de H+ en la membrana interna
mitocondrial, como por ejemplo dinitrofenol y los compuestos
ionóforos (permiten el paso de iones a través de membranas).

32. ALGUNOS INHIBIDORES DE LA CADENA DE TRANSPORTE DE
ELECTRONES Y LUGAR EN EL QUE ACTÚAN

33. LA ATP-SINTASA
• Como muchos otros iones,
los protones no pueden
atravesar directamente la
bicapa de fosfolípidos de la
membrana interna de la
mitocondria debido a que
esta es muy hidrofóbica en
su interior.
• Por ello, los iones H+ solo
pueden moverse por su
gradiente de concentración
con la ayuda de proteínas
de canal que forman
túneles hidrofílicos a través
de la membrana.

34. LA ATP-SINTASA
• En la membrana interna de la
mitocondria, los iones de H+
solamente cuentan con un canal
disponible: una proteína
transmembranal conocida como
ATPsintasa.
• Cuando se produce el flujo de
protones que regresan a la matriz
mitocondrial a través de la ATP-
sintasa, esta enzima se activa y y
sintetiza ATP mediante la unión de
fósforo inorgánico a ADP.
• Esta enzima tiene dos unidades
con estructuras diferentes:
• Unidad o factor F0, de forma
esférica, dirigida hacia la matriz
mitocondrial, que actúa a modo de
rotor y que está formada por las
subunidades a, b2 y c12.
• Unidad o factor F1, integrado en la
membrana interna mitocondrial,
que consta de las subunidades
%α3, β3, γ, δ y ε.

35. CAMBIOS DE CONFORMACIÓN DE LA ATP-SINTASA
• La ATP-sintasa es una proteína integrada en la membrana interna de la
mitocondria que es activada por el gradiente de protones creado por las bombas
de protones de la cadena de transporte de electrones. Este flujo de protones
causa que la ATP sintasa gire y catalice la adición de un fosfato a ADP, con lo
que captura la energía del gradiente de protones en forma de ATP.
• Las 3 unidades β de la ATP sintasa no son equivalentes, y el giro de γ y ε las
cambia la conformación. Según va girando el complejo por el paso de H+ las
unidades β cambian de conformación y adquieren estas tres formas a la vez que
producen la síntesis de ATP a partir del ADP:
• L: une ADP y Pi.
• T: sintetiza ATP.
• O: libera ATP.
• Cada bombeo de protones de los complejos de la cadena de transporte de
electrones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso supone la
síntesis de una molécula de ATP, por lo que la entrada de un NADH en esta
cadena conduce a la síntesis de 3 ATP.

36. CAMBIOS DE CONFORMACIÓN DE LA ATP-SINTASA
• El paso de dos electrones del NADH al oxígeno va acompañado por una
gran disminución en la energía libre, que podría hacer factible la síntesis de
7,5 moles de ATP, si se asume una energía libre de hidrólisis para el ATP de
7,3 Kcal*mol-1 o 30,5 KJ/mol ( 52,7/7,0 =7,5 ATP) o 220,286 / 30,5 = 7,3
ATP. Sin embargo, el rendimiento de la fosforilación oxidativa será sólo de
aproximadamente un 41%, puesto que se sintetizan de hecho 3 ATP
(aproximadamente).
2NADH ⟶ 4- ⟶ O2 ⟶ H2O | 20 H ⟶ 6 ATP | 1 NADH ⟶ 10 H+ ⟶ 3 ATP
• Si es FADH2 el que inicia la cadena son dos los ATP sintetizados.
2 FADH2 ⟶ 4 e- ⟶ O2 ⟶ H2O | 12 H+ ⟶ 4 ATP | 1 FADH2 ⟶ 2 ATP

37. CAMBIOS DE CONFORMACIÓN DE LA ATP-SINTASA

38. SISTEMA DE LANZADERAS
• La glucolisis y otras vías metabólicas oxidativas, catabólicas,
generan en el citosol cofactores reducidos, NADH, FADH2, que allí
no pueden oxidarse a NAD+ y FAD para seguir actuando como
coenzimas en las oxidaciones metabólicas de las nutrientes,
catalizadas por las deshidrogenadas.
• La membrana interna de la mitocondria resulta ser impermeable a
los iones y estas moléculas reducidas que se producen, por lo que
no pueden por si solas atravesar la membrana y llegar a la matriz
mitocondrial para iniciar la cadena de transporte de electrones.
• El traspaso de este poder reductor [H] desde el citosol hacia la
mitocondria para convertirlo en energía, ATP, se efectúa con
reacciones soportadas en dos sistemas de lanzaderas:

39. LANZADERA DE GLICEROL-3-FOSFATO
• Se basa fundamentalmente en la enzima
glicerol-fosfato-deshidrogenasa. La glicerol-
3-P deshidrogenasa es una flavo-proteína
de membrana tipo complejo II.
• Esta proteína enzimática toma los e- del
NADH citoplasmático, regenerando allí el
NAD+ necesario para el metabolismo
citosólico y los pasa a la CoQ,
transportador móvil en la membrana interna
mitocondrial.
• La glicerol-P deshidrogenasa es una
flavoproteína, su cofactor redox es el FAD
⟶ FADH2. Estos 2e- en su paso por los
complejos III y IV bombearán sólo 6H+ y
por tanto la fuerza protón-motriz generada
servirá para sintetizar 2 ATP.
• Funciona en las células del tejido muscular
y cerebro.

40. LANZADERA DEL MALATO-ASPARTATO
• La lanzadera malato-aspartato se basa en la función de varias proteínas:
transportadoras de membrana y proteínas enzimas solubles.
• Entre las primeras se encuentran los sistemas de transporte de compuestos iónicos
a través de la membrana interna mitocondrial y entre las segundas las enzimas
malato deshidrogenasa, MDH, glutamato, oxalacetato transaminasa y GOT.
• Los NADH citosólicos ceden sus e- al oxalacetato, que se reduce a malato y entra a
la mitocondria. Los 2e- del NADH citosólico que entran con el malato acaban como
NADH mitocondriales que descargan en la cadena de transporte electrónico y
bombearán 10 H+ y rendirán el potencial suficiente para sintetizar 3ATP.
• Funciona en las células del hígado y del corazón.

41. NÚCLEO TEMÁTICO N. 5