Bioquímica de Enzimas, Carbohidratos y Metabolismo Energético

Control Enzimas 08.05.17

12.101. Definición y Propiedades

Las enzimas son proteínas cuya actividad o función es catalizar reacciones bioquímicas intracelulares y/o extracelulares. Las enzimas son biocatalizadores (aumentan la velocidad de una reacción química determinada). Las propiedades más importantes de estos biocatalizadores (iones, átomos y/o moléculas) son: [Tipos de catalizadores: Orgánicos y Biológicos]

• Disminuir la energía de activación requerida para que ocurra la reacción.
• Poseer una alta especificidad (estereoespecificidad) por el o los sustratos.
• Actúan en bajas concentraciones (Su concentración en la reacción es mucho menor que la de los reactantes)
• Incrementar la velocidad de la reacción entre 10³ – 10⁶ veces.
• No alteran el equilibrio de la reacción catalizada (no modifican la constante de equilibrio).
• No sufrir modificación química durante la reacción.

Disminución de Energía de Activación

Toda reacción química, aunque ésta sea de carácter exergónica, requiere de una determinada cantidad de energía, denominada energía de activación de la reacción, correspondiente a la diferencia entre el contenido energético (E) de los reactantes (estado inicial) y el contenido energético máximo del intermediario formado durante la reacción (estado de transición) y se define como (DE = [E intermediario] – [E reactantes]).

Es una barrera de energía que se debe superar para que los reactantes se transformen en producto. En el caso de las reacciones catalizadas por una enzima esta energía requerida es menor, dado que en el estado de transición se forma el intermediario “enzima-sustrato” (ES), que es más estable y de menor contenido energético que el intermediario que se formaría en el estado de transición en la reacción no enzimática.

En consecuencia, el incremento en la velocidad de la reacción catalizada se debe a que es menor la energía de activación requerida y es mayor la probabilidad de colisión de los reactantes en la orientación correcta.

Alta Especificidad

La formación del complejo enzima-sustrato, en toda reacción catalizada por enzimas, implica que el sustrato interacciona físicamente con la enzima, a través de la unión de ambas estructuras. Por lo anterior, las enzimas deben presentar una alta especificidad por el sustrato para poder unirse a él, la cual – en algunos casos- es estereoespecífica cuando una enzima es capaz de discriminar entre una molécula levógira y dextrógira de un mismo compuesto. **(Poseen estructura 3D / No todos los sustratos tienen la misma forma y tamaño)

Baja concentración requerida (Actúan en bajas concentraciones en relación a las concent. de sustrato)

Las moléculas de enzimas al NO experimentar modificación química y física en su estructura, al participar en la reacción que catalizan, una vez que se libera el producto, la enzima puede interaccionar con otra molécula de sustrato y transformarla en producto, así una y otra vez, por lo que las concentraciones que se requieren del catalizador es mucho menor que la concentración de sustrato a transformar en producto. E+SES->E+P->

Incremento de la velocidad de reacción Mientras los catalizadores inorgánicos incrementan las velocidades de reacción en 10 a 1000 veces como máximo, las enzimas incrementan las velocidades de reacción entre 1000 y 1 millón de veces, y aún más en algunos casos determinados.

No alteran el equilibrio de la reacción Las enzimas no alteran el equilibrio de la reacción química, por lo tanto la constante de equilibrio de una reacción catalizada no varía, lo que implica a la vez que la termodinámica de la reacción tampoco se modifica. Las enzimas solo aceleran la reacción que catalizan, de modo que se alcance el equilibrio en menor tiempo.

No se modifican durante el proceso catalítico La estructura química y física de las enzimas no sufren alteración alguna durante la catálisis, por lo que una vez que participan en la transformación de un sustrato en producto, la molécula de enzima queda disponible para interactuar con otra molécula de sustrato y transformarlo en producto.

Sitios en la molécula de Enzima

1. Sitio de unión: Sitio de la enzima, compuesto por residuos de AA, al que la molécula de sustrato se une en una determinada orientación.

2. Sitio activo o catalítico: Sitio o campo formado por residuos de AA, que tiene la función de estabilizar el sustrato y de producir la transformación química del sustrato en producto. **Constante Catalítica o N° de recambio: N° de moléculas de sustrato convertidas en producto por 1 molécula de enzima por segundo.

Apoenzima: Enzima inactiva, No funcional, debido a que no posee un cofactor no proteico esencial para su actividad como catalizador. El término apoenzima se aplica a la porción proteica de una holoenzima.

Holoenzima: Enzima funcional que posee todos los factores no proteicos necesarios para actuar como un biocatalizador.

Coenzima: Es un Cofactor. Molécula orgánica necesaria para que la enzima actúe catalíticamente. Las coenzimas están débilmente unidas a la enzima y están directamente involucradas en la reacción catalítica. Además, la mayoría de las coenzimas son moléculas derivadas de vitaminas.

Cofactores: Moléculas no proteicas esenciales para que una apoenzima se transforme en una holoenzima o enzima catalíticamente activa. También, el término se aplica a todo factor esencial para la función de una proteína. La naturaleza química de los cofactores puede ser orgánica (coenzimas y grupos proteicos) o inorgánica (iones metálicos).

Complejos multienzimáticos: Unidad catalítica compuesta de más de una enzima, que catalizan reacciones sucesivas en una ruta metabólica. Las enzimas en el complejo pueden estar unidas entre sí en forma covalente o no covalente. En los complejos multienzimáticos, los sitios activos de las enzimas integrantes del complejo están físicamente muy cercanos, de modo que los productos formados en una reacción no difunden fuera del complejo, sino que quedan disponibles como sustratos para que una segunda enzima lo transforme en un nuevo producto y así sucesivamente.

Constante de Michaellis- Menten (K_M) Parámetro cinético que caracteriza la interacción de una enzima con su sustrato y corresponde a una relación entre aquellas constantes cinéticas microscópicas de velocidad involucradas en la formación y ruptura del complejo enzima-sustrato. En la práctica, “el valor de K_M equivale a la concentración de sustrato necesaria para que la reacción catalizada por la enzima alcance la mitad de la velocidad máxima”. Los valores de K_M para los sustratos naturales de las enzimas están en el rango de 10^-2 a 10-7 M. El valor de K_M de una enzima para un determinado sustrato proporciona un criterio de afinidad de la enzima por ese sustrato. Mientras menor sea el valor de la K_M para un sustrato, mayor será su afinidad por éste (se requiere menor concentración del sustrato para alcanzar la mitad de la Vmax). Se debe tener presente que los valores de K_M y Vmax pueden ser influenciados por el pH, la temperatura, la concentración de iones (fuerza iónica) y otras condiciones que pueden ser distintas en la célula o in vitro.

Ensayo enzimático: La determinación experimental in vivo o in vitro de la actividad catalítica de una enzima se realiza mediante la aplicación de un ensayo enzimático, en el que se cuantifica la desaparición de sustrato o la formación de producto, en un tiempo determinado bajo condiciones experimentales pre-establecidas.

Los componentes y condiciones un ensayo enzimático:

Solución amortiguadora, de concentración y pH determinado. / Solución de sustrato, cuya concentración debe ser saturante. / Solución de la enzima. / Agua destilada o desionizada. / Temperatura de incubación. / Tiempo de incubación. / Solución del agente inactivador (para detener la reacción). / Soluciones de reactivos para la determinación de sustrato o producto.

Los ensayos enzimáticos in vitro proporcionan información que permite la caracterización de la enzima y de la reacción que cataliza. Los ensayos enzimáticos in vivo proporcionan información sobre la velocidad de la reacción individual pero también permiten interpretarla en contexto de una ruta metabólica en el org. vivo.

Expresiones de la actividad de las enzimas

Unidad de enzima: Cantidad de enzima que produce la liberación de un micromol de producto formado por minuto (U).

Actividad enzimática: Micromoles de producto formado por minuto y por ml de enzima (U/ml).

Actividad específica: Micromoles de producto formado por minuto y por miligramo de proteínas (U/mg).

Actualmente, la Comisión de Nomenclatura de la Union Internacional de Bioquímica ha recomendado el uso de la unidad Katal en vez de Unidad de enzima. 1 Kat corresponde a la conversión de un mol de sustrato por segundo.

Grupo prostético: Cofactor. Molécula orgánica que se une a una enzima o proteína, siendo esencial para que ésta realice su rol fisiológico. Generalmente, los grupos prostéticos están fuertemente unidos a la apoproteína o apoenzima. Ejemplo de grupo prostético es el grupo hemo que se une no covalentemente a la hemoglobina y la capacita para unir eficientemente oxígeno molecular (O₂); en el citocromo c, el grupo hemo está unido covalentemente y permite que la proteína participe en reacciones metabólicas de óxido-reducción.

Iones metálicos: Se encuentran unidos a la enzima o a los sustratos para estabilizar sus moléculas.

Isoenzimas (isozimas): Son enzimas que catalizan la misma reacción, existiendo dos o más formas moleculares de ella en el mismo organismo. El caso más estudiado es el de la enzima láctico deshidrogenasa, LDH, de la cual existen 2 formas: M, encontrada principalmente en el músculo esquelético y H, encontrada principalmente en el músculo cardíaco. Estas formas son productos de 2 genes relacionados, cada uno de los cuales codifica una cadena polipeptídica de PM 35000. La enzima LDH activa consiste en 4 de estas cadenas, de PM de 140000 para la proteína oligomérica. Las diferentes formas de una isoenzima pueden estar presentes en un mismo tejido o localizarse preferentemente en tejidos diferentes.

Metaloenzima: Enzima que posee un ion metálico localizado en el sitio activo, con la función de actuar como un centro electrofílico (afinidad por grupos ricos en electrones) durante la catálisis, formando un complejo de coordinación con el sustrato. Ejemplos: Fe⁺² ; Co⁺² ; Cu⁺² ; Zn⁺² .

Número de recambio: Es el número de moles de sustrato convertidos en producto por un mol de enzima en un segundo. El N° de recambio, o constante catalítica de la enzima por un sustrato, se expresa como: k_cat = Vmax / [E] , por lo que su unidad dimensional es seg^-1. La mayoría de las enzimas presentan un número de recambio alrededor de 10⁴ por segundo, siendo la isoenzima II de la anhidrasa carbónica una de las enzimas más eficientes que se han descrito, con un valor de k_cat cercano a 10⁶ por segundo.

Proenzima: Polipéptido precursor de una enzima. Presenta un tamaño mayor al de la enzima funcional. La proenzima se transforma en enzima activa después de ser sometida a la acción de una o más proteasas, liberándose el o los segmentos adicionales de la cadena polipeptídica (péptido señal), y plegándose para adquirir la conformación nativa o funcional.

Reacción acoplada: Dos o más reacciones enzimáticas se encuentran acopladas cuando el producto de la primera reacción es el sustrato para la siguiente reacción.

Velocidad inicial: Experimentalmente, la velocidad inicial (v_o) de la reacción enzimática corresponde a la pendiente, proyectada a tiempo cero de incubación, de una curva de progreso o avance de la reacción, que se construye graficando producto formado (o desaparición de sustrato) en función del tiempo.

Velocidad máxima: Velocidad que alcanza una reacción catalizada por una cantidad fija de enzima saturada con su sustrato. En velocidad máxima, todas las moléculas de enzima están formando el complejo enzima-sustrato (ES) y todos los sitios activos están ocupados.

Zimógeno: Forma inactiva o proenzima en que son sintetizadas las enzimas proteolíticas en una célula.

12.103. Clasificación de Enzimas

La Unión Internacional de Bioquímica (IUB) estableció seis clases de enzimas (cada una con sus sub-clases correspondientes), en base al tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidoreductasas: Catalizan reacciones de oxidoreducción y requieren de coenzimas (NAD⁺, NADP⁺, FAD, ác. Lipoico). Los nombres vulgares de estas enzimas son deshidrogenasa, oxidasa, peroxidasa y reductasa. 2. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos tales como amino, carboxilo, carbonilo, metilo, acilo, glucosilo. 3. Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces entre un átomo de carbono y otro distinto mediante la adición de agua. 4. Liasas: Catalizan la rotura de los enlaces carbono- carbono, carbono- sulfuro y algunos carbono- nitrógeno (excluyendo el enlace peptídico). 5. Isomerasas: Catalizan la racemización de isómeros ópticos o geométricos y ciertas reacciones de oxidoreducción intramolecular. 6. Ligasas: Catalizan la formación de enlaces entre átomos de carbono y oxígeno, azufre, nitrógeno y otros átomos.

Control Carbohidratos 22.05.17

14.104. Rol de los Carbohidratos

Rol biológico:

• Almacenador de energía.
• Elemento estructural.
• Participación en moléculas complejas y vitales para el organismo.
• Componentes de paredes celulares de bacterias.

Se debe considerar que:

• Los carbohidratos son la principal fuente de energía para los organismos vivos.
• La principal fuente de carbohidratos es el almidón, polisacárido vegetal en la alimentación de animales.
• En los animales, el polisacárido de reserva es el glicógeno, que se encuentra en la mayoría de los tejidos, pero principalmente a nivel de la musculatura esquelética en un 60% y del hígado en un 40%.
• La glucosa se forma a partir de la degradación de almidón y de glicógeno.
• La glucosa es utilizada por organismos aeróbicos como anaeróbicos.
• A través de la glicolisis, la degradación de glucosa se realiza sin consumo de oxígeno.
• En el proceso evolutivo, los organismos aeróbicos, han retenido la glicolisis, pero al ser capaces de utilizar oxígeno, han desarrollado mecanismos para degradar y oxidar completamente la molécula de glucosa a CO2 y H2O.

14.105. Metabolismo de Carbohidratos: GLICOLISIS

GLICOLISIS: Secuencia de 10 reacciones enzimáticas que degradan 1 molécula de glucosa a 2 moléculas de ácido pirúvico, con la producción neta de 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH. Todos los organismos, a excepción de las algas azul-verdes, tienen la maquinaria enzimática para realizar este metabolismo.

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ à 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2 H⁺

En la mayoría de las células, la glicólisis es la ruta catabólica más importante para la degradación de glucosa (y de otros monosacáridos derivados de disacáridos como lactosa, sacarosa y maltosa) y le permite al organismo generar energía en la forma de ATP (fosforilación a nivel de sustrato), independiente de la presencia o ausencia de oxígeno.

En anaerobiosis, Piruvato es convertido en lactato (en animales), en etanol (en levaduras) u otro producto (en bacterias), en reacciones enzimáticas que utilizan NADH, por lo que estas transformaciones permiten reoxidar NADH, de modo que la glicólisis pueda proseguir en ausencia de oxígeno. En presencia de oxígeno, piruvato es degradado hasta CO2 y H2O, en un conjunto de reacciones catalizadas por enzimas que conforman el Ciclo de Krebs.

Termodinámicamente, la transformación de glucosa en piruvato es un proceso exergónico, con variación de la energía libre DG° = -8,44 kcal por mol; así, la glicólisis, como un proceso global, es unidireccional.

Las 10 reacciones enzimáticas de la vía glicolítica, en cuya dilucidación participaron, entre otros investigadores, Embden, Meyerhof, Robinson, Neuberg, Cori, Lipmann, Parnas, Warburg, son las sgts:

Reacción 1 hexoquinasa

Hexosa + ATP à Hexosa-6-P + ADP

La reacción es irreversible (DG°= – 4.000 cal/mol), siendo catalizada por dos enzimas denominadas.

– Hexoquinasa: Está presente en células que utilizan glucosa, es un dímero de 110000Da en levaduras y cada subunidad presenta un sitio catalítico, mientras que la enzima encontrada en animales es un monómero de 100000Da. La enzima requiere Mg²⁺ y es inhibida por producto. La afinidad de la Hexoquinasa hepática por sus 4 sustratos se puede deducir de los valores de las constantes de Michaelis

KMglucosa = 0,01 mM KMATP = 0,1 mM KMglucosa-6-P = 80 mM KMADP = 3 mM.

– Glucoquinasa: (glucosa + ATP è glucosa-6-P + ADP) Se localiza esencialmente en el tejido hepático donde participa en la remoción de la glucosa sanguínea para su almacenaje en la forma de glicógeno.

Reacción 2 glucosa-6-P isomerasa

glucosa-6-P fructosa-6-P

Esta enzima en humanos es un dímero de 130.000Da, con subunidades idénticas y requiere de Mg2+ como cofactor. La reacción está prácticamente en el equilibrio, con un valor de DG°= + 400 cal / mol.

Reacción 3 fosfofructoquinasa

fructosa-6-P + ATP à fructosa-1,6-bisfosfato + ADP

La enzima del músculo esquelético es un tetrámero de 360.000Da, con 4 subunidades idénticas. La reacción es exergónica e irreversible (DG°= – 3.400 cal / mol). Esta enzima presenta regulación alostérica: ATP y citrato son efectores negativos, mientras que ADP, AMP, fructosa-6-P y fructosa-2,6-bisfosfato estimulan la actividad de la enzima. En consecuencia, esta reacción es la etapa limitante de la glicólisis en la mayoría de las células de mamíferos.

–>

Reacción 4 aldolasa

fructosa-1,6-bisfosfato dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehído-3-P

Esta reacción posee una Keq de 10^-4 M y, por lo tanto, un valor de DG°= + 5.700 cal / mol. Esto indica que la reacción progresa en el sentido de la formación de la hexosa bisfosfato. Sin embargo, uno de los productos de la reacción, gliceraldehído-3-P, es sustrato para una reacción posterior de la glicólisis, lo que hace que la concentración de ese compuesto disminuya, con la consecuente alteración del equilibrio de la reacción catalizada por la aldolasa (ley de acción de masas) y, por lo tanto, permitiendo que la reacción progrese hacia la derecha.

Reacción 5 triosa fosfato isomerasa

dihidroxiacetona fosfato gliceraldehído-3-P

La reacción posee una Keq de 5 x 10-2 (DG°= +1.830 cal / mol), por lo que se favorece la transformación de la cetona en aldehído. Sin embargo, gliceraldehído-3-P es el sustrato de la siguiente reacción glicolítica, de modo que al disminuir su concentración, el equilibrio de la reacción catalizada por la isomerasa se desplaza hacia la formación del gliceraldehído-3-P.

Reacción 6 gliceraldehído-3-P deshidrogenasa

gliceraldehído-3-P + Pi + NAD+ 1,3-bisfosfoglicerato + NADH + H+

La enzima es un tetrámero de 150.000Da, con subunidades idénticas y cataliza la oxidación del grupo aldehído a nivel de un grupo carboxílico y, simultáneamente, permite la incorporación de un grupo fosfato inorgánico a la molécula. La reacción es reversible, con una Keq de + 0,08 (DG°= + 1.500 cal / mol). La enzima es dependiente de la coenzima oxidada NAD+, que es reducida durante la reacción. En consecuencia, para que la degradación de una nueva molécula de glucosa pueda proceder, el NADH producido en esta etapa debe ser reoxidado.

La secuencia de la reacción enzimática es:

R-CHO + HS- ENZ R-HCOH-S-ENZ

R-HCOH-S-ENZ + NAD+ R-CO-S-ENZ + NADH + H+

R-CO-S-ENZ + Pi R-CO-OPO3H2 + ENZ-SH

El anión arseniato es tóxico y químicamente análogo al fosfato. En presencia de arseniato, la enzima cataliza la formación de 1-arseno-3-fosfoglicerato, el que es rápidamente hidrolizado a 3-fosfoglicerato. Como consecuencia de la sustitución de fosfato inorgánico por arseniato en la reacción catalizada por la enzima gliceraldehído-3-P deshidrogenasa, la célula morirá, dado que la glicólisis no generará una producción neta de ATP.

–>

Reacción 7 fosfoglicerato quinasa

1,3-bisfosfoglicerato + ADP 3-fosfoglicerato + ATP

Esta reacción presenta una variación de energía libre negativa de 4.500 cal / mol, por lo que procede hacia la formación de ATP. Además, la síntesis de ATP en esta etapa permite compensar el gasto de ATP de las primeras etapas de la glicólisis. La enzima requiere Mg²⁺

Reacción 8 fosfoglicerato mutasa

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

La Keq de la reacción es de 0,17 por lo que la reacción es reversible con un DG°= + 1.050 cal / mol. La enzima requiere el cofactor Mg2+, y la del músculo esquelético es un dímero de 54.000Da.

Reacción 9 enolasa

2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato + H2O

La reacción es reversible, con Keq = 3 y DG°= – 650 cal / mol. La enzima es un dímero y cada subunidad requiere de Mg²⁺ para mantener la estructura apropiada del sitio activo y de Mn²⁺ que participa directamente en la remoción de la molécula de agua. La enzima es inhibida por fluoruro.

Reacción 10 piruvato quinasa

fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP

La Keq de la reacción es alta (3 x 104) y la variación de la energía libre es de – 6.100 cal / mol, por lo que es irreversible, favoreciéndose la formación de ATP. La enzima es un tetrámero de subunidades idénticas (165.000 a 240.000Da, dependiendo del tejido), requiere los cofactores Mg²⁺ y K⁺. La enzima es regulada alostéricamente por AMP, fructosa-2,6-bisfosfato (efectores +) y ATP, alanina, Acetil CoA (efectores -).

Consumo y producción de ATP

Consumo

Glucosa + ATP glucosa-6-fosfato + ADP

Fructosa-6-fosfato + ATP fructosa-1,6-bisfosfato + ADP

Formación

2 1,3-bisfosfoglicerato 2 3-fosfoglicerato

+ 2ADP + 2ATP

2 PEP + 2 ADP 2 piruvato + 2ATP

Así, la molécula de glucosa al ser transformada en dos moléculas de piruvato, se generan dos moléculas de la coenzima reducida NADH y dos moléculas de ATP (4-2).

Eficiencia de la glicolisis

A partir de datos termodinámicos se puede realizar el siguiente análisis:

a)  En tubo de ensayo: C6H12O6 ® 2 CH3CHOHCOOH DG¢= – 47.000 cal       
b)  En la célula:
     C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4            ® 2 CH3CHOHCOOH + 2 ATP + 2 H2O       DG¢= – 32.400 cal

–>–>

Dado  que  2  ATP  representan una conservación de 14.600 cal., el DG¢  para  la  ecuación b) es menor: [-47000-(-14600)]= 32400. El  concepto  de  eficiencia  se  relaciona  con el ATP producido en la glicolisis (-14600), lo que correeponde a un 31% (14600/47000).
Ya  que  la  concentración  intracelular  de  la  coenzima  oxidada  NAD⁺  es  limitada,  para que la glicólisis prosiga  en la célula, es  necesario que NADH sea  reoxidado. La estrategia metabólica que la célula utiliza para reoxidar el NADH,  producido  durante la glicólisis, dependerá  del  tipo de célula  y si  las condiciones son aeróbicas o anaeróbicas:
Bajo condiciones anaeróbicas: La denominada ruta fermentativa o fermentación transforma la molécula de piruvato en lactato, etanol u otros compuestos, dependiendo del organismo (ver Ciclo de Cori para estudiar la conversión de lactato muscular en glucosa):
                                                     lactato deshidrogenasa
                                                      (músculo esqueletico)
                             piruvato  +  NADH  +  H⁺    à      lactato  +  NAD⁺
                                                     piruvato decarboxilasa
                                                              (levaduras)
                                                   piruvato         à     acetaldehído  +  CO₂
                                                     alcohol deshidrogenasa
                                                                (levaduras)
                       acetaldehído  +  NADH  +  H⁺    à    etanol  +  NAD⁺

Bajo condiciones aeróbicas: Piruvato  es  degradado  por  las  enzimas  del  Ciclo  de  Krebs  y  el NADH citoplasmático,  producido  durante  la   glicólisis,  es  oxidado  por  medio  de  dos  tipos  de  reacciones  o “lanzaderas”  (shuttle)  que  permiten  conectar  la  oxidación  de  NADH  en  el  citoplasma  con  la cadena transportadora de electrones en la mitocondria y la generación de ATP.
14.106. REGULACION  DE LA GLICOLISIS
Efecto Pasteur: La  actividad  del  metabolismo  de  la  glicolisis se ve  disminuido  en ambiente oxigenado (dado que se supone mayor disponibilidad de ATP por fosforilación oxidativa.

Regulación enzimática.

Fructosa 2,6-bisfosfato: La  actividad  de  la enzima fosfofructoquinasa es inhibida ante un incremento de la  [fructosa 2,6-bisfosfato]. Cuando  los  niveles de [glucosa] sanguínea disminuyen, glucagón se libera del páncreas  dirigiéndose  al  hígado  donde  estimula  la  glicogenolisis,  restableciendo  de  esta  manera los niveles  de  glucosa en la sangre. La liberación de la  señal hormonal se produce por una disminución de la [fructosa 2,6-bisfosfato],  dada  la  inactivación  de  la  enzima  que  lo  sintetiza.  La  enzima que cataliza la formación  e  hidrolisis  de  la  Fructosa  2,6-bisfosfato es la misma proteína, sólo difiere si se encuentra no fosforilada (quinasa) y fosforilada (fosfatasa).          
14.110. Vía Metabolica de las Pentosa fosfato.

Conocida también como ruta del fosfogluconato o ruta de las hexosas monofosfato, es una ruta secundaria del  metabolismo  (catabolismo)  de  la  glucosa  que  le  permite  a  la  célula sintetizar el cofactor reducido NADPH   (necesario  para  la  biosíntesis  de  ácidos  grasos  y  esteroides) y  la  pentosa  ribosa-5-fosfato (requerida para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucléicos). La ruta puede ser dividida en:
Etapa oxidativa: En la que glucosa-6-P es decarboxilada oxidativamente, produciendose dos moléculas de NADPH por molécula de glucosa catabolizada.
                                                 glucosa-6-P deshidrogenasa
                glucosa-6-fosfato  +   NADP+            6-fosfogluconato + NADPH

                                                 P-gluconato deshidrogenasa
             6-P-gluconato  +   NADP+            ribulosa-5-fosfato + NADPH + CO2
Etapa no-oxidativa: En  la  que ribulosa-5-fosfato  puede  dar origen a ribosa-5-fosfato o transformarse en intermediarios del proceso glicolítico: gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato.

–>–>

Tejidos tales como el adiposo, hepático, glándula mamaria y corteza suprarrenal, en los que la biosíntesis de ácidos grasos es de gran importancia, la ruta de las pentosas fosfato puede consumir hasta el 10% de la glucosa total. En otros tejidos, como el esquelético, la ruta del fosfogluconato está prácticament ausente. Las necesidades o demandas metabólicas de la célula determinarán el destino metabólico de la glucosa (y glucosa-6-fosfato); por ej: Si la demanda anabólica por NADPH y ATP son altas, estas son suplidas por la producción de NADPH (etapa oxidativa) y por la transformación de ribulosa-5-P en gliceraldehído-3-P y fructosa-6-P (etapa no-oxidativa), que mediante la glicolisis se transformarán en piruvato, el que será degradado completamente en las mitocondrias, con la producción de ATP por fosforilación oxidativa y fosforilación del sustrato; Si la demanda de NADPH es mayor que la demanda por ribosa-5-P, la célula utiliza la etapa oxidativa de la ruta del fosfogluconato para cubrir las necesidades de NADPH y la ribulosa-5-P resultante es tomada por enzimas que transforman 6 moléculas de ribulosa-5-P en 5 moléculas de glucosa-6-P; Si la demanda de ribosa-5-P es muy alta y no se requiere NADPH (Ej: síntesis acelerada de nucleótidos), la ruta de las pentosas fosfato no es utilizada por la célula, sino que usa enzimas que permiten la transformación de 5 molé de glucosa-6-P en 6 moléc de ribosa-5-P, sin generación de NADPH.

BIOENERGETICA
13.000 Metabolismo y Bioenergetica La fuente primaria de energíaen nuestro planeta es el sol. La energía radiante es atrapada por los organismos fotosínteticos y utilizada para convertir CO₂ en carbohidratos, proteínas y lípidos, y en menor cantidad,  ácidos nucleicos, vitaminas, coenzimas y otros compuestos.

Algunos de estos productos de la fotosíntesis como carbohidratos y lípidos son utilizados por organismos no fotosintéticos, como los animales como fuente de energía para el crecimiento, desarrollo y reproducción. Ciertos compuestos esenciales que no pueden sintetizar los animales (algunos aminoácidos, acidos grasos y vitaminas) son también provistos por organismos fotosintéticos.

El metabolismo comprende la totalidad de las reacciones enzimáticas que le permiten a la célula obtener energía y sintetizar sus biomoléculas, en forma organizada y regulada, a través de rutas metabólicas.

El conjunto de reacciones catalizadas por enzimas, en que una macromolécula es degradada hasta productos químicamente más simples se denomina catabolismo y las moléculas sintetizada a partir de precursores químicamente más sencillos, se denomina anabolismo.

De acuerdo a la organización y finalidad de estas reacciones enzimáticas, que constituyen el metabolismo, se definen rutas:

• Lineales: Secuencia de reacciones en que el producto de la ruta es consecuencia de reacciones en las que el producto de la reacción anterior es el sustrato para la siguiente. Una forma especial en que se pueden organizar algunas rutas lineales es el caso de las rutas ramificadas o divergentes, las que son secuencias lineales de reacciones, pero el precursor puede ser convertido en dos o más productos.
• Cíclicas: Secuencia de reacciones que se inicia con un metabolito el que es regenerado en la reacción final.
• Espirales: El o los productos de la ruta se originan de un grupo de reacciones repetitivas.

El termino metabolito se aplica a toda molécula que participa como sustrato o producto de una reacción metabólica, y el de intermediario metabólico a aquella molécula que conecta o es compartido por rutas metabólicas diferentes. 

En las células los procesos de biosíntesis (anabólico) y degradativos (catabólico) ocurren en forma simultánea, de modo que la energía liberada producto de la degradación de algunos compuestos puede ser utilizada en la sintesis de otros componentes celulares.

Un rol clave en estos ciclos de energía es la participación del sistema ATP-ADP, ADP es capaz de aceptar un grupo fosfato de otro compuesto producido durante el metabolismo, transformándose en ATP. El ATP a su vez, participa en un sin número de reacciones celulares. 

La termodinámica es el área de las ciencias que estudia los intercambios de energía en un sistema, en base a una descripción cuantitativa de las variaciones del contenido calórico y energético entre los estados inicial y final de tal sistema, o mejor dicho, las variaciones en el contenido energético entre el estado inicial y el estado de equilibrio del sistema. La Bioenergética es una rama de la Bioquímica que estudia los procesos de transformación (transferencia y utilización) de la energía en los organismos vivos.

La descripción o estado termodinámico de un sistema es definido por funciones de estado o variables termodinámicas, las que son independientes de la ruta o camino tomado por un proceso de transformación desde el estado inicial al final (por ej, temperatura, presión, concentración, energía interna, entalpía, entropía).

La primera ley de la termodinámica establece que:

“La energía de un sistema y su entorno es constante”, o en otras palabras, “que la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sólo puede ser transformada en calor y trabajo”.

El calor puede ser absorbido por un sistema desde el medio ambiente o puede ser producido por un sistema y ser absorbido por el medio que rodea al sistema. El trabajo es realizado por el sistema sobre el medio ambiente. La primera ley postula que existe una función de energía interna (E), la cual es dependiente sólo del estado actual del sistema y es una función de estado. La expresión matemática de la primera ley es:

                    DE = E _(productos)  – E _(reactantes)  =  Q  –  W

Donde Q es el calor absorbido por el sistema, W es el trabajo realizado por el sistema y DE es la variación de energía interna del proceso.

A presión constante, el trabajo realizado por el sistema es, W  =  P DV , de modo que la expresión anterior puede ser planteada como:   Q  =  DE  +  PDV ; indicando que el calor consumido o desprendido por un proceso a presión constante dependerá de tres variables termodinámicas: la variación de energía interna, la presión y la variación de volumen. La energía calórica del sistema a presión constante se denomina entalpía (H) del sistema y es otra función de estado.  Así, la variación de entalpía del sistema se expresa como:

DH  =  DE  +  PDV

Al ser una función de estado, la variación de entalpía dependerá del contenido calórico de los estados inicial y final del sistema y no del camino por el que ocurre la transformación. Una variación negativa de entalpía implica que el sistema cede energía (calor) al medio o entorno, por lo que es un proceso exotérmico (lo contrario se aplica a un proceso endotérmico).

 Bajo condiciones estándares, la variación de entalpía del sistema se abrevia  DHº’ (concentración 1 M, 25º C, pH 7, 1 atmósfera de presión).

La Segunda ley de la termodinámica establece  que:

                       “En todo proceso, el desorden total del universo aumenta”, o en otras palabras, “la entropía del universo tiende a un valor máximo en el equilibrio”.

El término “entropía” (S) es una medida del “desorden” y es una función de estado. La variación de entropía de un sistema se expresa como:

          DS _proceso   =   DS _sistema  –   DS _entorno

La variación de entropía de todo proceso es positiva, aún cuando la variación de entropía de un sistema (por ejemplo, una célula) puede disminuir, pero a expensas de de un incremento de entropía en el entorno. Ya que un sistema alcanzará el equilibrio con su entorno cuando su entropía alcance un valor máximo, se puede concluir que la entropía es la fuerza motríz que conduce a los sistemas a alcanzar el equilibrio con sus entornos, pero si el sistema es un organismo vivo y ha alcanzado el equilibrio con su entorno, dicho organismo está muerto.

La combinación de la 1ª y 2ª leyes de la termodinámica, mediante el concepto de energía libre (G), permite predecir la dirección natural de cualquier proceso y, como resultado, pronosticar la situación de equilibrio.

La Tercera ley de la termodinámica establece que : “que la entropía de una sustancia pura, perfectamente cristalina, es cero en el cero absoluto de temperatura”. La tercera ley sólo se aplica a las sustancias puras cristalinas.

Un sistema termodinámico (por ejemplo, una reacción, un organismo, etc.) es aquella parte del universo físico que se encuentra en estudio y está definido en el espacio por una frontera que lo separa del resto del universo o el medio exterior (el resto del universo). Un sistema cerrado es aquel que puede intercambiar energía con el exterior pero no intercambia materia. Un sistema abierto es aquel en que existe transferencia de materia y energía entre  el sistema y el medio externo. Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar energía ni materia con el exterior.

La energía libre de Gibbs es un concepto termodinámico que permite determinar cuantitativamente los cambios de la energía interna de un sistema, considerando en su ecuación  G = H – TS o  DG = DH – TDS, las variables de estado entalpía y entropía.

Los contenidos de energía libre (G) de las sustancias que participan en una reacción química (reactantes y productos) no pueden ser determinados experimentalmente, pero sí es posible determinar el cambio o variación de la energía libre (DG) de la reacción. Esta variación corresponde a la cantidad máxima de energía disponible cuando A es convertido a B.

Si el contenido de energía libre del producto B es G_B y el contenido de energía libre del reactante A es G_A entonces, para toda reacción  A  «  B , la variación de energía libre queda expresada como: DG  =  G_B  –  G_A

De manera que cuando,

G_A  >  G_B        Þ        DG    0           \     reacción exergónica (espontánea)

G_A  G_B        Þ        DG  >   0            \     reacción endergónica (no espontánea)

G_A  =  G_B        Þ        DG  =   0            \     reacción en equilibrio

La variación de energía libre estándar en Bioquímica corresponde al cambio de energía libre que ocurre cuando los reactantes y productos de una reacción están presentes en “condiciones estandares”; esto es, a una concentración 1 M, a 25º C y pH 7, y corresponderá a la perdida o ganancia de energía libre, en calorías, cuando un mol de reactante se transforma en un mol de producto, bajo las condiciones estandares.

La variación de energía libre estándar de una reacción química, A  «  B , está directamente relacionada con la constante de equilibrio de la reacción, según la siguiente ecuación : DGº’  =  – RT ln K_eq                        

Si bajo condiciones estándares, el valor de  Keq es mayor que 1, se puede concluir que el valor de DGº’ será negativo (disminución de la energía libre) y la reacción es espontánea. Si la constante Keq tiene un valor inferior a 1, la reacción tenderá a producirse hacia la izquierda y el valor de DGº’ será positivo.

La ecuación puede aplicarse cuando los valores de Keq. se encuentren entre 0.001 y 1000

“En una reacción catalizada por una enzima, la enzima no altera el equilibrio de la reacción y, en consecuencia, no altera el valor ni el signo de DGº’ y sólo acelera la reacción para que alcance el equilibrio (en ausencia de la enzima, la reacción demoraría más en alcanzar el equilibrio)”.

“Que una reacción sea espontánea no significa esta se desarrollará con rapidez o por sí misma, sino que se desarrollará en la dirección en que la variación de energía libre estándar sea negativa.”

En las condiciones intracelulares, los reactantes y productos de las reacciones no se encuentran bajo condiciones estándares de concentración, por lo que la variación de energía libre de una reacción química en condiciones distintas a las estándares (DG) se puede calcular haciendo uso de la siguiente expresión:

DG = DGº’  +  RT ln [ B ]

[ A ]

Debiéndose conocer las concentraciones iniciales de los reactantes y productos y el valor de la variación de energía libre estándar de la reacción (DGº’).

Si la reacción es una reacción de óxido-reducción, el valor de la variación de la energía libre bajo condiciones no-estándares puede obtenerse conociendo la diferencia  de potencial de óxido-reducción o potencial redox (DE₀)de los reactantes en la reacción:

DE’₀  =  [E’_o  del agente oxidante]  –  [E’_o del agente reductor]

La diferencia de potencial redox está relacionado con la variación de energía libre por medio de la ecuación:

DG’  =  – n F DE’₀

n: número de electrones transferidos en la reacción de óxido reducción;

F: constante de Faraday (23.063 cal / V equivalentes)

DE’₀ : diferencia en el potencial de reducción entre los agentes oxidantes y reductores. 

En toda reacción de óxido-reducción participa un agente reductor (dador de electrones y protones) y un agente oxidante (aceptor de electrones y protones). Por otra parte, dichas reacciones redox se pueden subdividir en dos semi-reacciones:

la semireacción de reducción             A  +  e^–   «    A^–

la semireacción de oxidación            B            «    B⁺  +  e^– 

Así, la reacción redox neta es la suma de las dos semireacciones

A  +  B   «  A^– +  B⁺

La capacidad o potencialidad de un compuesto para transferir electrones se denomina potencial de reducción ( Eo ) de dicha sustancia. En la reacción redox anterior, se puede concluir que la sustancia A posee un potencial de reducción mayor que el de B, ya que es capáz de reducir a B.

El potencial de reducción de un compuesto (la semi-reacción de reducción) puede determinarse cuantitativamente en una celda electroquímica, con el compuesto en estudio en una semi-celda de reducción a la concentración de 1M, pero en relación a una celda de semi-reacción de oxidación de referencia, preparada con protones a una concentración 1M, gás hidrógeno a 1 atm de presión y a pH = 0, a la cual se le asigna un Eo = 0,000 volts. Si se demuestra que hay flujo de electrones de la semi-celda de reducción hacia la semi-celda de referencia, el potencial de reducción del compuesto en estudio tendrá un valor negativo y viceversa, con respecto al valor 0,0 de la semi-celda de referencia

H⁺ + e^–   Õ ½ H₂                   Eo = 0.000 V              a  pH= 0  y  [H] = 1 M

H⁺ + e^–   Õ ½ H₂       Eo’ = – 0.420 V          a pH = 7

Las condiciones biológicas estándares se refieren a pH 7, por lo que el potencial de reducción de los compuestos se denomina potencial estándar de reducción (DEo’). 

Mientras más negativo sea el valor del potencial estándar de reducción, mayor será la capacidad reductora de una sustancia.

Si consideramos que un alto número de reacciones bioquímicas de la células son reacciones redox, es importante relacionar DEo’ con la variación de energía libre estándar de la reacción (DG^o’), y poder estimar si la reacción redox es exotérmica o endotérmica.   Las siguientes expresiones permiten dicha relación:

      DG^o’  =  – n F DEo’  

Considerando que DG^o’ = – RT ln Keq ,

DEo’  =  RT  ln Keq  =  0,059 log Keq      

                                      nF                      n  

Donde, n  = Nº electrones transferidos en la reacción redox,  F = cte. de Faraday (23 kcal V^-1 mol^-1),

DEo’= diferencia de potencial estándar de reducción de las especies oxidadas y reducidas

R  = cte. de los gases (1,99 cal K^-1 mol^-1) T  = temperatura en ºK. A 25º C, T= 298º K

DG^o’= variación estándar de energía libre de la reacción redox,  Keq = cte. de equilibrio de la reacción redox.

E = Eo + 2.303 RT log ( Oxi )          

                           ( Red )

La molécula de adenosina trifosfato, ATP, está  formada por una base nitrogenada (adenina), la que se encuentra unida a una pentosa fosfato (ribosa-5-fosfato), cuyo grupo fosfato se encuentra esterificado con una molécula de pirofosfato.  A pH 7 y en solución acuosa, los grupos fosfatos del ATP están ionizados, proporcionando una carga neta de – 4. En el interior de la célula, la molécula de ATP forma un complejo divalente con una molécula de Mg⁺². Así, la molécula biológicamente activa es el complejo ATP-Mg que posee carga neta -2. La molécula de ATP es considerada como uno de los compuestos “ricos en energía”, ya que durante su hidrólisis se produce una gran disminución de energía libre (DG’ = – 7.300 cal/mol). Desde un punto de vista energético, la molécula de ATP es de gran importancia para el metabolismo celular debido a que la disminución de energía libre producida durante su hidrólisis o durante la transferencia de uno de sus grupos fosforilos, permite que reacciones energéticamente desfavorables se acoplen y se lleven a cabo. Además, el ATP es la fuente de energía primaria para diversas actividades fisiológicas tales como, movimiento, trabajo, secreción, absorción y conducción eléctrica.

Respecto a la molécula de ATP debe tenerse encuenta ciertas consideraciones:

a) en  1941, Lipman sugirió  que el ATP es un compuesto de “alta energía”, dado que relacionó la reactividad cinética del ATP con la variación de energía libre.

b) no existe prueba de que se produzca “ in vivo” la fisión hidrolítica del ATP. Además, si este compuesto ha de cumplir un rol en el metabolismo intermediario, precisamente es necesario que no se produzca su hidrolisis, por lo que decir que el ATP es un compuesto de “alta energía” wn base al valor de DG° para la reacción de hidrolisis no parece ser de lo más acertado.

c) los valores de la energía libre de Gibbs están relacionados a procesos, no a compuestos

d) deben considerarse las siguientes suposiciones incorrectas:

     Que la dirección en que se efectua una reacción “in vivo” puede predecirse a partir      de valores de DG

·    Que la eficacia de los procesos “in vivo” puedan discutirse partiendo de cambios de energía libre ( K_eq ) Correspondientes a las etapas unitarias que se presenten en sistemas cerrados

·    Que en base a simples consideraciones termodinámicas pueda visualizarse lo que sucede “in vivo”

·    Que siempre que el ATP está implicado en alguna actividad celular, su papel es de proveedor universal de energía.

e) El ATP  tiene importancia para explicar los mecanismos y secuencias de las actividades celulares  y ser intermediario clave (no energético ) entre los procesos oxidativos y las actividades celulares

f)  La oxidación de las sustancias alimenticias está engranado por el ATP

g) El ATP interviene en biosíntesis, producción de urea, síntesis de purinas y pirimidinas de nucleotidos, ácidos grasos, isoprenoides, etc.

h) El ATP interviene, pero nunca involucra su hidrolisis. Por ejemplo, la siguiente reacción

            XOH   +   YH   +   ATP    «    XY   +   ADP   +   H₃PO₄

Es el resultado de dos reacciones quimicamente acopladas

XOH          +     ATP      «    XOPO₃H₂      +   ADP

                                 XOPO₃H₂      +     YH      «     XY      +    H₃PO₄   

Si se llevara a cabo la hidrolisis de la molécula de ATP, se tendría:

                                XOH      +       YH              «                  XY         +      H₂O

                                ATP       +      H₂O              «                  ADP       +      H₃PO₄ 

Donde XY depende solo de K₁ ( que es desfavorable) y sería indpendiente de la cantidad de ATP hidrolizado. Esta última ecuación carece de sentido bioquímico.

La carga energética, propuesta por Atkinson para describir el estado energético de la célula,  corresponde a:

                        carga energética   ₌  [ATP]  + 1/2 [ADP]      

                                                           [ATP]  +  [ADP]  +  [AMP]

La carga energética de la célula varía entre 0 (sólo AMP estándo presente) y 1 (todo el AMP y el ADP se han transformado en ATP). Mediciones realizadas en una variedad  de células y tejidos han demostrado que el valor de la carga energética normalmente fluctúa entre 0,75 y 0,90. La carga energética de una célula juega un rol clave en la regulación del metabolismo celular, ya que ATP, ADP y/o AMP pueden actuar como efectores alostéricos sobre algunas enzimas regulatorias. 3 mecanismos en la célula por los cuales se sintetiza ATP:

a) Fosforilación a nivel de sustrato, corresponde al proceso de formación o síntesis de ATP través de una reacción química entre compuestos fosforilados y el ADP. Dos buenos ejemplos son las reacciones que experimentan los metabolitos de la glicólisis, el ácido 1,3-bisfosfoglicérico y el ácido fosfoenolpirúvico, con ADP para formar ATP, como uno de los productos de la reacción.

b) Fosforilación oxidativa, corresponde al proceso de síntesis de ATP, acoplada al transporte de electrones en la membrana interna de la mitocondria (y membrana citoplasmática en bacterias), catalizado por la enzima ATP sintesasa. El mecanismo aceptado hoy en día para tal acoplamiento es explicado por la teoría quimiosmótica de Mitchell en 1961.

c) Fotofosforilación, corresponde al proceso de síntesis de ATP luz-dependiente que se produce en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos, que es catalizado por la enzima ATP sintetasa y está acoplado a la cadena transportadora de electrones fotosintética. Los eventos moleculares que acoplan la fotofosforilación con el transporte de electrones son similares a los que ocurren durante la fosforilación oxidativa y son explicados por la teoría quimiosmótica de Mitchell.

Compuesto fosforilado.

Todo compuesto orgánico que posee un grupo fosfato en su estructura se denomina “compuesto fosforilado”. Ya que durante el proceso de fosforilación (incorporación del grupo fosfato al compuesto), el grupo fosfato entrante pierde un grupo -OH , lo que verdaderamente se incorpora al compuesto es un grupo “fosforilo”.

   O ^–                                       O ^–

   ½                                         ½

    ^– O ¾ P ¾ O ^–                                 ¾ P ¾ O ^–

║║

  OO

GRUPO FOSFATO            GRUPO FOSFORILO

El rol de los compuestos fosforilados es participar en un gran número de reacciones del metabolismo celular, además se encuentran en gran cantidad y variedad. Una función importante es la de intermediar  procesos catabólicos y anabólico, al participar como sustratos en reacciones enzimáticas de transferencia de grupos fosforilos. 
Por otra parte, un gran número de eventos celulares son regulados por ciclos de fosforilación-defosforilación de biomoléculas claves, lo que se traduce en activación o inactivación de ellas.

Control Metabolismo Oxidativo 19.06.17

15.101. Ciclo de Krebs.

Se denomina Ciclo de Krebs, ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, al conjunto de 8 reacciones enzimáticas, en la matriz mitocondrial de las células eucarióticas, que permiten la oxidación (degradación) completa de una molécula de acetil-CoA, en condiciones aeróbicas, de acuerdo con la siguiente reacción global:

Acetil-CoA  +  3 NAD⁺  + FAD  + GDP  +  Pi  + 2 H₂O 

è   CoA  + 3 NADH  + FADH₂  + GTP  + 2 CO₂  + 3 H⁺

En resumen, por cada molécula de Acetil-CoA que es degradada (oxidada) completamente a Dióxido de Carbono por las enzimas del Ciclo de Krebs, se reducen 3 moléculas de la coenzima NAD⁺ y 1 molécula de la coenzima FAD, formándose además una molécula de GTP (que es convertible en ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato).

El Ciclo de Krebs es la ruta central del metabolismo aeróbico celular, por dos razones:

Es la ruta degradativa final de biomoléculas que dan origen a Piruvato o Acetil-CoA en su proceso degradativo, tales como los hidratos de carbono, los ácidos grasos y la mayoría de los aminoácidos.

Es fuente de intermediarios metabólicos requeridos para procesos de biosíntesis:

alfa-cetoglutarato      é  glutamato ý aminoácidos y nucleótidos de purinas

succinil-coa               é  porfirinas

fumarato                    é  aspartato  ý  aminoácidos y nucleótidos de pirimidinas

oxalacetato                é  gluconeogénesis

                                                   aminoácidos aromáticos, serina, glicina y cisteina

                                                   aspartato ý pirimidinas

 En condiciones aeróbicas, la Glicólisis y el Ciclo de Krebs se conectan mediante el Piruvato que se genera durante la glicólisis y entra a la matriz mitocondrial, donde es descarboxilado oxidativamente por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa, siendo convertido en acetil-CoA en células de mamíferos. Este complejo multienzimático es regulado por medio de modificaciones covalentes, es decir, la fosforilación de un componente del complejo inactiva la piruvato deshidrogenasa, en cambio, la desfosforilación la activa. La enzima quinasa involucrada en la inactivación es activada alostéricamente por ATP y NAH.

 El complejo Piruvato deshidrogenasa cataliza la siguiente reacción:

 complejo piruvato deshidrogenasa

 Piruvato  +  NAD⁺  +  CoA     è    Acetil-CoA  +  CO₂  +  NADH  +  H⁺

 Las 8 reacciones que se producen en el Ciclo de Krebs son:

 Acetil-CoA  +  3 NAD⁺  + FAD  + GDP  +  Pi  + 2 H₂O  

è   CoA  + 3 NADH  + FADH₂  + GTP  + 2 CO₂  + 3 H⁺

La enzima nucleótido Difosfato Quinasa  de la matriz mitocondrial cataliza la reacción reversible de transferencia de un grupo fosfato del GTP a una molécula de ADP, por lo que es válido, pero no estrictamente correcto, señalar que el Ciclo de Krebs es una fuente de atp para la célula:

nucleótido difosfato quinasa

                                                                GTP  +  ADP   ATP  + GDP

El Ciclo de Krebs está sometido a una estricta regulación, siendo la enzima alostérica Isocitrato Deshidrogenasa la enzima regulatoria clave. La enzima de mamíferos es inhibida alostéricamente por NADH y ATP, y es activada alostéricamente por ADP y AMP. Además, el control de la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa contribuye a la regulación del Ciclo de Krebs al modular la concentración de Acetil-CoA en la matriz mitocondrial.

Finalmente, el Ciclo de Krebs no es una ruta que directamente proporciona energía en la forma de ATP a la mitocondria y la célula, sino que al degradar completamente el grupo “acetilo” del Acetil-CoA, incrementa el nivel de coenzimas reducidas, NADH y FADH₂, las que al ser reoxidadas por la cadena transportadora de electrones, en la membrana interna de la mitocondria, se sintetizan 2,5 y 1,5 moléculas de ATP por cada molécula de NADH y FADH₂, respectivamente, que se oxidan.

15.201. Cadena transportadora de electrones.

La membrana interna de las mitocondrias y la membrana citoplasmática de bacterias posee un complejo sistema de proteínas y enzimas, denominado cadena transportadora de electrones, encargada de oxidar las coenzimas reducidas FADH₂ y NADH y transportar los electrones hasta el oxígeno molecular, que actúa como aceptor final de los electrones. El O₂ se reduce y se combina con protones para formar H₂O en la matriz mitocondrial; en consecuencia, durante el transporte de electrones hay consumo de oxígeno, la que se denomina respiración mitocondrial (cerca del 90% del consumo celular de oxígeno molecular es debido a la actividad de la citocromo c oxidasa). la composición parcial e identificación de los complejos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3.3.  Complejos proteicos de la cadena transportadora de electrones.

 Nombre                                                          Peso molecular         Cofactores

NADH-ubiquinona reductasa                       850.000 da                       FMN

(NADH deshidrogenasa o complejo I)                                                      Fe-s

 succinato-ubiquinona reductasa                125.000 da                       FAD

(succinato deshidrogenasa o complejo II)                                           citocromo b

                                                                                                                  Fe-s

ubiquinona-citocromo c reductasa              250.000 da                       Fe-s

(complejo citocromo b-c o complejo III)                                               citocromos b y c

citocromo c reductasa                                   300.000 da                  citocromos a y a₃

(citocromo oxidasa o complejo IV)                                                              Cu⁺⁺

Así, la cadena transportadora de electrones está constituida por cuatro complejos proteicos que transfieren los electrones provenientes de las coenzimas reducidas, en un sentido vectorial hacia el O₂ , según lo muestra el siguiente esquema:

 Esquema del flujo de electrones entre los complejos de la cadena transportadora

   NADH  ø  complejo i    —-> 

                                                          complejo iii  —->  complejo iv  –>    O₂

  FADH₂  ø  complejo ii  —-> 

Los cofactores “Fe-S”, mencionados en la tabla anterior, se refieren a centros sulfoférricos existentes en algunas proteínas sulfoférricas (con estequimetría Fe₂S₂ o Fe₄S₄, según la proteína), en los que el átomo de hierro puede presentar estados de oxidación 2⁺ y 3⁺. Además, el transporte de electrones entre los complejosI II y IIIII es efectuado por la ubiquinona reducida y el transporte entre los complejos IIIIV es efectuado por citocromo c reducido, al ser ambas moléculas pequeñas y de fácil difusión a través de la membrana interna de la mitocondria.

Las reacciones de las etapas más importantes del transporte de electrones son:

Aún cuando las reacciones no lo evidencian:

• 4 protones son bombeados por el complejo i desde la matriz al espacio intermembranas;
• 4 protones son bombeados por el complejo iii desde la matriz al espacio intermembranas;
• 3 protones son bombeados por el complejo iv desde la matriz al espacio intermembranas

En consecuencia, solo 3 de los 4 complejos de la cadena transportadora de electrones contribuyen a generar la gradiente de protones entre el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial, lo que proporcionará la fuerza protomotriz requerida para la síntesis de ATP en la fosforilación oxidativa. 11 protones son bombeados cuando NADH es oxidado y 7 protones lo son cuando FADH₂ es oxidado. Planteado de otra manera, a partir de NADH, se bombean 11 H⁺ para que se consuma 1 átomo de oxígeno, y a partir de FADH₂, se bombean 7 H⁺ para que se consuma un átomo de oxígeno.

Una variedad de sustancias químicas son altamente tóxicas a consecuencia de su acción inhibitoria sobre algún componente de la cadena transportadora de electrones. Por ejemplo, el cianuro y el monóxido de carbono son inhibidores del complejo IV (citocromo oxidasa), de modo que en presencia de uno de estos inhibidores, la cadena transportadora de electrones de la mitocondria se detendrá, no habrá consumo de oxígeno ni fosforilación oxidativa, y la célula (y el organismo) morirá por falta de ATP.

 Ejemplos de algunos inhibidores de la cadena transportadora de electrones.

15.301. Fosforilación oxidativa.

 Proceso bioenergético que permite la biosíntesis de ATP, en una reacción catalizada por una ATP sintetasa, utilizando la fuerza protomotríz o potencial electroquímico de protones que se produce durante la oxidación de las coenzimas reducidas NADH y FADH₂ por la cadena respiratoria transportadora de electrones de la membrana interna de la mitocondria o de la membrana citoplasmática de organismos procariotes. en consecuencia, la fosforilación oxidativa está acoplada al transporte de electrones. 

 La ATP sintetasa se localiza en la membrana interna de las mitocondrias, en la membrana citoplasmática de bacterias y en las membranas tilacoides de los cloroplastos. La enzima está constituida de dos componentes: la porción hidrofÍlica F₁ o CF₁ (factor de acoplamiento), localizada en la superficie interna de la membrana interna de la mitocondria (expuesta a la matriz) y que contiene las subunidades catalíticas, y la porción hidrofóbica Fo o CFo, cuyos polipéptidos se localizan al interior de la membrana interna, conformando un canal iónico hipotético denominado “canal de protones”. Se ha determinado en la enzima ATP sintetasa purificada de escherichia coli, que la fracción Fo posee 3 subunidades (a, b y c) y la fracción F₁ posee 5 subunidades (, , , , ). La enzima de eucariontes es más compleja y su estructura no está aún claramente determinada.  La reacción catalizada por la ATP sintetasa es: ADP  +  Pi  +  n H⁺(int)   è  ATP  +  H₂O  +  n H⁺(ext)

Donde n H⁺ (int)(ext), corresponden a la cantidad de protones involucrados en el proceso y que se localizan en el interior o espacio intermembrana de la mitocondria, en el exterior o matriz mitocondrial. Durante la oxidación de una molécula de NADH, 11 protones son bombeados, desde la matriz al espacio intermembranas, por 3 de los 4 complejos proteicos de la cadena transportadora, y sólo 7 protones son bombeados cuando FADH₂ es oxidado, ya que la oxidación de una molécula de NADH permite la síntesis de 3 moléculas de ATP por fosforilación oxidativa y la oxidación de fadh₂ permite la síntesis de sólo 2 moléculas de ATP, se puede concluir que la relación p / o (nº de ATP por átomo de oxígeno consumido) es de 3, y una p/o igual a 2 se obtiene para el caso del FADH₂. La acción de los inhibidores de la cadena transportadora de electrones tiene como consecuencia que la fosforilación oxidativa no ocurra ya que no hay fuerza protomotriz necesaria para la síntesis de ATP. Sin embargo, otro tipo de sustancias conocidas como agentes desacoplantes (2,4-dinitrofenol) impiden que la fosforilación oxidativa se realice, pero sin inhibir el transporte de electrones que continúa sin problemas. Estos agentes desacoplantes “disipan” (destruyen) la gradiente de pH y, en consecuencia, no hay síntesis de ATP por fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa permite recuperar gran parte de la energía química potencial de la molécula de glucosa durante su degradación en condiciones aeróbicas: en la etapa glicolítica se sintetizan 4 moléculas de ATP y, por fosforilación oxidativa, se generan otras 34 moléculas de ATP extra, de un total de 40 moléculas de ATP. Las 2 moléculas de ATP faltantes corresponden a 2 moléculas de GTP generadas durante el Ciclo de Krebs, por fosforilación a nivel de sustrato, que se transforman en ATP por acción de la enzima nucleótido difosfato quinasa. 

 La mejor explicación disponible acerca del acoplamiento de la fosforilación oxidativa (y la fotofosforilación en organismos fotosintéticos) y la cadena transportadora de electrones se resume en la teoría quimiosmótica de mitchell, del año 1961. Esta teoría propone que la energía química de óxido-reducción que se libera durante el transporte de electrones, inicialmente provenientes de la oxidación de NADH y FADH₂ en la mitocondria, es conservada parcialmente en la forma de energía electroquímica de protones (gradiente de protones), debido a la traslocación de los protones hacia el espacio intermembrana.  Esto es, durante el transporte de electrones, protones de la matriz mitocondrial son traslocados (traspasados) al espacio intermembranas, de modo que el pH del espacio intermembrana disminuye y el pH de la matriz aumenta, generándose una gradiente de pH, dado que la membrana interna de la mitocondria es impermeable a estos. Debido a la gradiente de concentración, los protones fluyen de vuelta hacia la matriz a través de un canal de protones que se formaría en la porción Fo de la enzima ATP sintetasa, la cual utilizaría la energía disponible durante el paso de protones por el canal, para catalizar la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.

 La gradiente de concentración de protones entre el lado exterior y lado interior de la membrana interna genera una diferencia de potencial de membrana (), dado que es una especie química ionizada, y una diferencia de potencial químico que corresponde a una diferencia de ph (pH), los que al combinarse permiten expresar la diferencia de energía libre (G) asociada a la traslocación de los protones, denominada fuerza protomotriz (p), de la siguiente forma:

G   =   p   =      +    59  pH(en milivolts)

 Esta forma de expresar la fuerza protomotriz generada durante el transporte de electrones, permite cuantificar la cantidad de energía disponible por la enzima atp sintetasa para la síntesís de atp (fosforilación oxidativa).

15.401. Lanzaderas de poder reductor de citosol a mitocondria.

Lanzadera del glicerol fosfato.

Este sistema se localiza en los músculos involucrados en el vuelo de los insectos y otros tejidos con alto requerimiento energético, utilizando la misma enzima pero localizada en compartimentos distintos. A consecuencia de las 2 reacciones siguientes, el NADH producido durante la glicólisis, es oxidado en el citoplasma y el glicerol-3-fosfato producido es transportado al interior de la mitocondria, donde es reoxidado a dihidroxiacetona fosfato con la generación de una molécula de FADH₂ por cada molécula de NADH oxidado. De este modo, la cadena transportadora de electrones mitocondrial dispone de una molécula de FADH₂ con la cual de generarán 2 moléculas de ATP por fosforilación oxidativa:

                                                glicerol fosfato deshidrogenasa citoplasmática

dihidroxiacetona fosfato  +  NADH  +  H⁺   è    glicerol-3-fosfato  +  NAD⁺

                                               glicerol fosfato deshidrogenasa mitocondrial

                        glicerol-3-fosfato  +  FAD   è   dihidroxiacetona fosfato  +  FADH₂

Lanzadera malato-aspartato.

 Este sistema presente en mamíferos, permite que una molécula de NADH citoplasmático (producido durante la glicólisis) sea oxidado a NAD⁺ y se obtenga una molécula de NADH en el interior de la mitocondria, la cual, al ser oxidada por el sistema de transporte de electrones producirá 3 moléculas de ATP por fosforilación oxidativa. La molécula de malato producida en el citoplasma es transportada al interior de la mitocondria donde es oxidada a oxalacetato con la producción de NADH:

                                                malato deshidrogenasa citoplasmática

                                     oxalacetato  +  NADH  +  H⁺     è     malato  +  NAD⁺

           malato deshidrogenasa mitocondrial

                                     malato  +  NAD⁺     è      oxalacetato  +  NADH  +  H⁺

METABOLISMO DE PROTEINAS Y AA

METABOLISMO DE PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS

Los animales para nutrirse de aminoácidos, especialmente de aquellos que son esenciales, deben consumir  proteínas, las que se obtienen de los alimentos carneos y vegetales. Estas proteínas deben ser degradadas, para lo cual los organismos cuentan con un conjunto de proteasas que actúan sobre las proteínas.

LAS PROTEASAS son enzimas que catalizan la hidrólisis exergónica de los enlaces peptídicos de proteínas y péptidos. Estas enzimas son las responsables de la degradación y recambio de proteínas, encontrándose ampliamente distribuidas en el organismo. Altas concentraciones de proteasas se encuentran en el tracto digestivo y en los lisosomas (catepsinas), lugares en los que se degradan las proteínas de la dieta y las proteínas celulares, respectivamente.

Las proteasas se clasifican en endopeptidasas y exopeptidasas, dependiendo del sitio del polipeptido donde se produce el ataque enzimático. Las endopeptidasas catalizan la hidrólisis de los enlaces dentro de la cadena peptidica, generandose peptidos de diferente tamaño. Dependiendo de su pH óptimo de catalisis, se subdividen en endopeptidasas ácidas, neutras y básicas. Las exopeptidasas catalizan la remoción hidrolítica de sólo los aminoácidos terminales desde una cadena polipeptidica. Se clasifican en exopeptidasas N-terminal, aminopeptidasas,  y exopeptidasas C-terminal, carboxipeptidasas A, B, etc.

LAS PEPTIDASAS se secretan en forma inactiva (zimogenos) y de mayor tamaño molecular, que al perder ciertos segmentos de la proteína sintetizada se transforman en enzimas activas.

La enzima pepsina requiere de un pH óptimo de catalisis de 1 o 2, mientras que el pH óptimo tripsina y quimotripsina es de 8.

Existen otras peptidasas en otros organismos como bacterias que reconocen los aminoácidos e hidrolizando de manera de dejar su grupo amino libre (termolisina)

La acción de proteasas sobre una determinada proteína genera, dependiendo de la constitución aminoacídica y de las enzimas peptidasas utilizadas, una serie de peptidos de diferente tamaño, los que pueden separarse mediante electroforesis bidimensional, obteniendose lo que se denomina un mapa peptídico.

RECAMBIO METABÓLICO DE PROTEÍNAS TISULARES. Consiste en el continuo desdoblamiento de proteínas. Schoenheimer, realizó un experimento que consistió en proporcionar una dieta de aminoácidos marcados con  ¹⁵ N a ratas de laboratorio, en las que analizó a diferentes tiempos el contenido de ¹⁵ N en las proteínas tisulares.

Pudo determinar  que el 60 % de los aminoácidos marcados ingeridos en la dieta se encontraban en ellas. Estos resultados, le permitieron concluir que se producía un recambio metabólico.

Un individuo adulto está continuamente desdoblando las proteínas musculares y sintetizandolas de tal manera que su nivel de proteína no cambia. Este concepto de recambio está basado en la idea de que la velocidad de síntesis es igual a la velocidad de degradación.  No todos los tejidos tienen la misma velocidad de recambio. La velocidad de recambio en la especie humana es de 1.2 g de proteínas /Kg peso día.

CATEPSINA. Se denominan a las proteasas intracelulares que presentan actividad endopeptidasa, localizadas principalmente en los  lisosomas. En órganos ricos en proteasas como higado, bazo y riñón, existen diversas catepsinas denominadas A, B, C, D, E y L , que se diferencian entre sí en el pH óptimo de catalisis, peso molecular y caracter de enzima-SH. En células intactas, la actividad proteolítica esta regulada y se produce a nivel de los lisosomas en un proceso denominado autofagia; mientras que en células dañadas, la ruptura de los lisosomas libera las catepsinas produciéndose el fenomeno de autolisis.       

BALANCE NITROGENADO. Concepto aplicado en la especie humana para referirse a la cantidad de nitrógeno que se ingiere y a la cantidad de nitrógeno que se excreta. Un hombre adulto y sano presenta un balance  nitrogenado en equilibrio (entrada de N₂ = salida de N₂). Un balance nitrogenado positivo se produce en ciertos estados de desarrollo o fisiológicos, tales como en la infancia, en el embarazo y en el periodo de lactancia. Un balance nitrogenado negativo se produce en estados de inanición y ante una dieta deficitaria en aminoácidos esenciales, ya que la célula debe aumentar la tasa de degradación de las proteínas ya existentes para disponer de los aminoácidos esenciales que se requieren para construir las nuevas proteínas.

AMINOÁCIDO ESENCIAL. Un aminoácido es esencial para un organismo, cuando éste no puede sintetizarlo o bien la velocidad de síntesis es muy baja para los requerimientos de la célula. La especie humana y otros animales superiores presentan la incapacidad de sintetizar el esqueleto carbonado (residuo de aminoácido), de un determinado número de aminoácidos, por lo que éstos pasan a ser esenciales. En la especie humana, y también en las ratas albinas, los aminoácidos esenciales son diez: leucina, histidina, lisina, fenilalanina, metionina, arginina, isoleucina, treonina, triptofano y valina, los que deben ser ingeridos en la dieta alimenticia. Las moléculas que aportan el esqueleto carbonado de los aminoácidos son metabolitos del ciclo de Krebs, glicolisis y vía de las pentosas. En E. coli, los 20 L- aminoácidos que se requieren en la construcción de las proteínas son sintetizados por el organismo, mientras que en la especie humana sólo algunos de ellos son sintetizados, el resto debe ingerirse en la dieta alimenticia, por lo que desde este punto de vista los aminoácidos se clasifican en esenciales y no esenciales. 

BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS Los 20 AA necesarios para la síntesis de proteínas se pueden dividir en seis familias biosintéticas de acuerdo al origen de los átomos de carbono que componen a los aminoácidos.

AMINOÁCIDO CETOGÉNICO. Se denomina aminoácido cetogénico a todo aminoácido, cuyos productos de degradación son acetil-CoA o ácido acetoacético, generándose en última instancia los cuerpos cetónicos. Los aminoácidos leucina y lisina son cetogénicos, además de, fenilalanina, tirosina y triptofano que también tienen carácter glucogénico.

AMINOÁCIDO GLUCOGÉNICO. Se denomina aminoácido glucogénico a todo aminoácido, cuyos productos de degradación son moléculas precursoras de glucosa y/o glicógeno. Todos los aminoácidos proteicos son glucogénicos,  con excepción de leucina y lisina.

REACCIONES DE AMINOACIDOS. Los aminoácidos pueden experimentar tres tipos de reacciones circunscritas al Ca: Transaminaciones, desaminaciones y descarboxilaciones. 

TRANSAMINACIÓN.  Es una reacción de transferencia reversible de grupos aminos, que se produce entre dos aminoácidos y sus respectivos cetoácidos, catalizada por las enzimas transaminasas. Estas enzimas tienen gran importancia en el metabolismo de aminoácidos, dado que participan en la primera etapa del catabolismo de aminoácidos cuando estos se encuentran en exceso.

TRANSAMINASAS Son enzimas que catalizan la transferencia reversible del grupo amino de un aminoácido a un cetoácido específico, formándose un nuevo aminoácido. Estas enzimas, también denominadas aminotransferasas, requieren para su actividad catalitica la coenzima piridoxal 5´-fosfato (PLP), la que se une a la apoenzima por condensación de su grupo a-carboxilo  con el grupo e-amino de un residuo de lisina de la proteína.

De especial importancia son las enzimas glutamico amino transferasa y alanina amino transferasa. La enzima glutamico amino transferasa es específica para ácido glutamico y ácido a-cetoglutarico, aunque también cataliza la reacción de transminación, a velocidades menores, teniendo como sustrato otros aminoácidos. De igual manera, la enzima alanina amino transferasa es específica para alanina y ácido piruvico, pero cataliza la reaccion con casi todos los otros aminoácidos.

Las reacciones catalizadas por transaminasas tienen una constante de equilibrio de aproximadamente 1.0, por lo tanto las reacciones son totalmente reversibles.

DESAMINACIÓN.La desaminación de aminoácidos consiste en la remoción del  grupo a-amino de un aminoácido. Es una reacción de caracter catabólica, que puede ser de tipo oxidativa o no oxidativa, si la reacción de desaminación va o no acompañada de una oxido-reducción.

Ejemplos de desaminaciones oxidativas:

                           Glutamato deshidrogenasa

a)         L-glutamico + NAD⁺ + H₂O                  a-cetoglutarato + NADH + H⁺ + NH₃ 

DECARBOXILACIÓN DE AMINOÁCIDOS. Las enzimas que catalizan las reacciones de descarboxilación de aminoácidos se encuentran ampliamente distribuídas en la naturaleza y requieren de piridoxal fosfato (PLP) como cofactor. Muchas de las aminas producto de la decarboxilación de los aminoácidos tienen importantes efectos fisiológicos. A continuación algunos ejemplos de ellos:

Enzima:           glutamico decarboxilasa

Reacción:        L-glutamato ® g-aminobutírico

Producto:        g-aminobutirico: neurotransmisor

Enzima:           histidina decarboxilasa

Reacción:        histidina ® histamina

Producto:        histamina: vasodilatador

Enzima:           3,4-dihidroxifenilalanina decarboxilasa

Reacción:        3,4-dihidroxifenilalanina  ® dopamina

Producto:        dopamina: intermediario de la epinefrina

Enzima:           5-hidroxitriptofano decarboxilasa

Reacción:        5-hidroxitriptofano ® serotonina

Producto:        serotonina: neurohumoral

METABOLISMO DE AMINOÁCIDO

Los aminoácidos participan

a) en la síntesis de peptidos y proteínas,

b) como fuente de átomos de nitrógeno (vía transaminación) para la síntesis de otros aminoácidos, y

c) en la síntesis de otros compuestos nitrogenados y no nitrogenados.

Todo aminoácido que se encuentre en cantidades que excedan los requerimientos para estas tres actividades será degradado por desaminación (o bién vía descarboxilación), siendo el esqueleto carbonado metabolizado. El NH₃liberado será eliminado si se encuentra en exceso.

En la tabla siguiente se listan los aminoácidos y los productos terminales de su degradación. Si se observa con detención, la degradación de la mayoría de los aminoácidos da origen a intermediarios del ciclo de Krebs o piruvato, por lo que estos a su vez pueden ser convertidos en glucosa (aminoácidos glucogenicos). Los aminoácidos cuyos productos de degradación son ácido acetoacético y acetil CoA, dan lugar a los cuerpos cetonicos (aminoácidos cetogénicos).

Tabla     Productos terminales del metabolismo de aminoácidos

EXCRECIÓN DE NITRÓGENO. La eliminación o excreción nitrógeno proteico se realiza vía desaminación de aminoácidos, cuyo producto es el amoniaco. Dado que el amoniaco es un compuesto altamente tóxico para algunas especies, estas han debido originar vías metabólicas para transformarlo en un compuesto de desecho, pero que no sea tóxico para la especie. De manera que los organismos animales se pueden clasificar en:

– ORGANISMO AMONIOTÉLICO Se refiere a organismos que excretan el nitrógeno en forma de amonio, el que se forma producto de la desaminación oxidativa de amioácidos. Los peces, los crustaceos y, en general, los organismos acuaticos, cuyo habitat es el agua eliminan el nitrógeno proteico en forma de amonio, sin verse afectados por su toxicidad, ya que esta especie química se diluye rápidamente. La eliminación del amoniaco en los organismos amoniotélicos se realiza a través de la enzima glutamina sintetasa.

– ORGANISMO UREOTÉLICO Se refiere a organismos que excretan el nitrógeno en forma de urea, molécula que se sintetiza a través del ciclo de la urea. Los animales, los anfibios y los peces marinos cartilaginosos eliminan el nitrógeno proteico como urea.

– ORGANISMO URICOTÉLICO Se refiere a organismos que excretan el nitrógeno en forma de ácido úrico, en cuya síntesis están involucrados los procesos biosintéticos y degradativos de purinas. Las aves, los insectos y los reptiles terrestres eliminan el nitrógeno proteico como ácido úrico.

CICLO DE LA UREA. En 1932, Krebs y Henseleit propusieron que la formación de urea, en cortes de higado, se realizaba  través de un proceso ciclico al que se denomino ciclo de la urea.   

2 NH₃ + CO₂ + 3 ATP + 3 H₂O                               urea + 2 ADP + AMP + 4 PPi

La molécula de urea ( H₂N-CO-NH₂ ) contiene dos átomos de nitrogeno, los que provienen de dos moléculas de ácido glutamico que ceden sus grupos aminos. Al interior de la mitocondria se produce la desaminación de una molécula de ácido glutamico, reacción catalizada por la enzima glutamico deshidrogenasa, generándose el amonio que se combina con bicarbonato para formar carbamil fosfato (carbamil fosfato sintetasa), el que transfiere su grupo carbamilo a la ornitina generandose citrulina (ornitina carbamil transferasa). La citrulina formada en la mitocondria sale al citoplasma y reacciona con una molécula de aspartato (formado por la reacción de transaminación entre la segunda molécula de glutamico y oxalacetato) generando la molécula de arginosuccinato (arginosuccinato sintetasa).

La siguiente reacción consiste en el rompimiento de la molécula arginosuccinato en arginina y fumarato (enzima que rompe arginosuccinato). La arginina es hidrolizada por la enzima arginasa produciendo urea y ornitina, que entra a la mitocondria para comenzar un nuevo ciclo

TOXICIDAD DE AMONIACO. En las células nerviosas se produce el mayor efecto tóxico del amoniaco, ya que al ser su concentración muy alta,  la reacción catalizada por la enzima glutamico deshidrogenasa se desplaza hacia la formación de glutamato.

NH₃ + a-cetoglutarico + NADH + H⁺                                glutamato + NAD⁺ + H₂O

Esta reacción implica carencia de a-cetoglutarato e inhibición de la respiración

a) disminución de la concentración del a-cetoglutarato

b) al disminuir la [a-cetoglutarato], disminuye la actividad del ciclo de Krebs

c) disminuye la concentración de NADH disponible

d) no se dispondrá de oxigeno.