Bioquímica-Glucólisis-Problemario y notas.pptx

IDEAS PARA DESARROLLAR:

1. La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula.
2. Inicia cuando la glucosa, un monosacárido de seis carbonos, entra a través de la membrana celular. Este proceso utiliza difusión facilitada.
3. La primera parte de la glucólisis agrega fosfato a los azúcares para evitar que la glucosa siga entrando a la célula.
4. La sucesión de 10 reacciones químicas reorganiza los seis carbonos para poder romper el azúcar en dos moléculas con tres carbonos, el ácido pirúvico (piruvato).
5. La regulación enzimática depende de inhibición alostérica y retroalimentación.
6. El proceso final libera dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa y la formación de dos moléculas de la nicotinamida adenina dinucleótido-reducida (NADH2).
7. El piruvato tiene dos destinos: en la ruta anaeróbica produce lactato o etanol; en la ruta aeróbica se oxida en dióxido de carbono.

1. Glucólisis Metabolismo celular Micrografía electrónica de la levadura Kazachstania humilis , una de las levaduras que forman parte de la masa madre Dr Omar Rafael Regalado Fernández 1

2. Introducción Dr Omar Rafael Regalado Fernández 2

3. Introducción Dr Omar Rafael Regalado Fernández 3

4. Introducción a) Sugiere el tipo de reacción que elimina un grupo fosfato de una molécula de ATP. La fosforilación de la glucosa (primer parte del diagrama donde la glucosa se transforma en hexosa fosfato). Hidrólisis de ATP (ruptura del ATP en ADP y un grupo fosfato usando agua). ATP glucosa fosforilación hidrólisis P P P Dr Omar Rafael Regalado Fernández 4

5. Introducción b) ¿Dónde tiene lugar la ruta glucolítica? En el citosol (citoplasma) de cada célula. c) ¿Qué compuestos corresponden a las letras D, E y F? D, segundo ATP E, NAD F, piruvato Dr Omar Rafael Regalado Fernández 5

6. Introducción d) En condiciones anaeróbicas, el compuesto F no procede hacia Ciclo de Krebs. Describe el destino del compuesto F durante la respiración anaeróbica en una célula animal y explica la importancia de esta reacción. El piruvato se puede fermentar en lactato produciendo 2 NAD + , que luego se puede usar en la última etapa de la glucólisis y seguir produciendo energía (ATP). Dr Omar Rafael Regalado Fernández 6

7. Introducción Dr Omar Rafael Regalado Fernández 7

8. Energía de activación (E a ) Energía Avance de la reacción Sustratos Productos Sin enzima Con enzima E a sin enzima E a con enzima Energía liberada Dr Omar Rafael Regalado Fernández 8

9. Introducción a) Indica en qué parte de la célula se llevaría a cabo esta etapa. El diagrama representa la glucólisis (de glucosa a piruvato) que ocurre en el citoplasma.   b) Sugiere una explicación para los cambios de energía entre t y t 1 , y entre t 1 y t 2 . i. Tiempo 0 y T 1 : la glucosa es fosforilada por la adición de ATP; el enlace con fósforo se considera un enlace de alta energía. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 9

10. Introducción   ii . Tiempo T 1 a T 2 : el compuesto B (con 6 carbonos) es partido en dos moléculas de tres carbonos (compuesto C). Los compuestos C y D liberan energía al pasarla a moléculas de ATP y NADH. El piruvato es el compuesto final producido después de remover enlaces de alta energía de la glucosa. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 10

11. Introducción   c) ¿Cuál es, en términos de estructura química, la principal diferencia entre los productos intermedios A y B y entre C y D? Los productos intermedios A y B tienen seis carbonos, mientras que los intermedios C y D tienen tres carbonos. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 11

12. Introducción d) El gráfico corresponde a los procesos descritos en la siguiente vía: i) Explica por qué las moléculas de ATP se utilizan en la primera etapa de la glucólisis. El ATP proporciona energía de activación y hace que la glucosa sea más reactiva. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 12

13. Introducción   ii ) ¿Qué tipo de reacción química ocurre en la conversión de triosa fosfato en piruvato? Una reacción oxido-reducción (redox): Deshidrogenación del piruvato u oxidación del piruvato o reducción de NAD. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 13

14. Reacciones enzimáticas Dr Omar Rafael Regalado Fernández 14

15. Reacciones enzimáticas Etapa Descripción Enzimas Reactivos  productos Activación de la glucosa Dos moléculas de ATP son usadas para incorporar dos fosfatos inorgánicos en la molécula de glucosa, lo que la hace más reactiva ya que la energía de activación es reducida. Hexoquinasa (1x) Glucosa  Glucosa-6-fosfato Glucosa-6-fosfato isomerasa (1x) Glucosa-6-fosfato  Fructosa-6-fosfato Fosfofructoquinasa Fructosa-6-fosfato  fructosa-1,6-bisfosfato La glucólisis es una secuencia de diez reacciones que se pueden entender en cuatro etapas. En general, la glucólisis rompe la glucosa en dos moléculas con el mismo número de átomos, pero en diferente arreglo, lo que hace que una secuencia de reacciones tenga nueve pasos y otra, diez. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 15

16. Reacciones enzimáticas Etapa Descripción Enzimas Reactivos  productos Ruptura Las moléculas de hexosa (azúcar de seis carbonos) fosforiladas se rompen en dos triosas (azúcar de tres carbonos). Las dos triosas son diferentes, por lo que este paso requiere una reacción extra para isomerizar una de las triosas. Aldolasa (1x) Fructosa-1,6-bisfosfato  gliceraldehído-3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato Triosafosfato isomerasa (1x) Dihidroxiacetona fosfato  gliceraldehído-3-fosfato Oxidación de las triosas Átomos de hidrógeno son removidos de cada molécula de fosfotriosas hacia el acarreador NAD para producir NADH (o NAD reducido). Gliceradehído-3-fosfato deshidrogenasa (2x) Gliceraldehído-3-fosfato  1,3-bisfosfoglicerato Dr Omar Rafael Regalado Fernández 16

17. Reacciones enzimáticas Etapa Descripción Enzimas Reactivos  productos Producción de energía Las fosfotriosas son convertidas en piruvato, removiendo los fosfatos del azúcar hacia el ATP. Las quinasas siempre mueven fosfatos de una molécula a otra. Una mutasa mueve fosfatos de un átomo a otro dentro de la misma molécula. Fosfoglicerato quinasa (2x) 1,3-bisfosfoglicerato  3-fosfoglicerato + ATP Fosfoglicerato mutasa (2x) 3-fosfoglicerato  2-fosfoglicerato Fosfopiruvato hidratasa (enolasa) (2x) 2-fosfoglicerato  fosfoenolpiruvato Dr Omar Rafael Regalado Fernández 17

18. Regulación enzimática Sustrato Inhibición no competitiva Inhibición alostérica Activación alostérica Inhibición competitiva Inhibidor Enzima 1 Sitio activo Sustrato Inhibidor Sitio alostérico Sitio activo alterado Enzima 2 Enzima 3 Activador Sitio alostérico Sitio activo alterado Sustrato Dr Omar Rafael Regalado Fernández 18

19. Regulación enzimática Glucosa Bromopiruvato Hexoquinasa Sitio activo Fotografía de células de Trypanosoma brucei (teñidas en púrpura), causante de la enfermedad tripanosomiasis de la enfermedad del sueño, entre los eritrocitos (glóbulos rojos, descoloridos). El bromopiruvato puede ser usado como tratamiento al detener la glucólisis en los protozoarios. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 19

20. Regulación enzimática Glucosa Sitio alostérico Hexoquinasa Sitio activo alterado Glucosa-6-fosfato Glucosa-6-fosfato Producto La hexoquinasa se inhibe alostéricamente por su producto, glucosa-6-fosfato. Cuando la glucosa-6-fosfato se eleva por encima de su nivel normal, la hexoquinasa es inhibida temporal y reversiblemente. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 20

21. Regulación enzimática Glucosa Sitio alostérico Hexoquinasa Sitio activo alterado Fosfato inorgánico Cuando el ATP es utilizado por la célula y se convierte en ADP y fosfatos inorgánicos (P i ), por lo que su concentración incrementa. El fosfato inorgánico funciona como un activador alostérico que indica que hay un déficit de ATP. ATP P P P ADP Dr Omar Rafael Regalado Fernández 21

22. Reacciones enzimáticas Dr Omar Rafael Regalado Fernández 22

23. Reacciones enzimáticas Dr Omar Rafael Regalado Fernández 23

24. Reacciones enzimáticas a) Con base en la información anterior: i. Nombra el proceso mediante el cual la glucosa entra a las células: difusión facilitada o co-transporte, ya que la glucosa entra a la célula al mismo tiempo que iones positivos ii . Identifica en dónde ocurre el transporte de glucosa: en la membrana celular iii . ¿Por qué la glucólisis es un proceso importante en los eritrocitos de la sangre? Los eritrocitos no tienen mitocondrias, por lo que dependen enteramente de la glucólisis Dr Omar Rafael Regalado Fernández 24

25. Reacciones enzimáticas b) Con base en la información anterior: i. Explica las ventajas energéticas de que el primer paso de la glucólisis sea la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato. La fosforilación reduce la energía de activación, lo que hace que la glucosa sea más reactiva. Además, el fosfato cambia la estructura molecular de la glucosa, por lo que no puede entrar al canal GLUT e impide que la glucosa salga de la célula ya que la membrana celular no tiene canales para glucosa-6-fosfafato. Ya que la glucosa se mueve utilizando difusión facilitada, un tipo de transporte pasivo, la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato permite que la concentración de glucosa dentro de la célula se mantenga baja causando que la glucosa continúe moviéndose en la dirección de su gradiente de concentración. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 25

26. Reacciones enzimáticas Dr Omar Rafael Regalado Fernández 26

27. Reacciones enzimáticas a) ¿Qué es la isomerización? Es una reacción donde se cambia la estructura molecular conservando la misma fórmula molecular.   b) Sugiere una razón por la que ocurre la isomerización de la glucosa a fructosa. Usa la siguiente imagen para argumentar tu respuesta. glucosa fructosa Dr Omar Rafael Regalado Fernández 27

28. Reacciones enzimáticas La fructosa tiene un arreglo de carbonos simétrico, mientras que la glucosa no, ya que un átomo de oxígeno forma parte del anillo del azúcar. Como la aldolasa (enzima que rompe la glucosa en dos) requiere cortar el compuesto en dos con tres carbonos, un arreglo simétrico requerirá menos energía. c) ¿Cuál es la importancia de la etapa de deshidrogenación en la vía? Producir NAD + reducido (NADH, NADH 2 ) , que puede ser utilizado y oxidado de nuevo en otras vías donde se sintetiza ATP, o para ser utilizado para construir otros polímeros, como las proteínas. glucosa fructosa Dr Omar Rafael Regalado Fernández 28

29. Reacciones enzimáticas d) Dependiendo de los organismos, el ácido pirúvico (piruvato) tendrá diferentes destinos. i. Explica por qué las levaduras a veces pueden respirar para producir alcohol, pero en otras ocasiones sólo producen dióxido de carbono y agua. La levadura respira, lo que implica la producción de dióxido de carbono y agua mediate la vía aeróbica cuando hay oxígeno disponible. Cuando falta oxígeno, el NADH 2 debe oxidarse de nuevo sin el uso de respiración aeróbica. Esto se hace descarboxilando el ácido pirúvico (eliminando el CO 2 del ácido pirúvico) para formar etano. Este se hidrogena (reduce) a etanol utilizando NADH 2 y produciendo en NAD + . Fotografía de células de levadura Saccharomyces cerevisiae , utilizada en la producción de pan, vino y cerveza. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 29

30. Reacciones enzimáticas ii . ¿Por qué algunas bacterias, como Lactobacillus, producen ácido láctico? Los lactobacilos toman el NADH 2 y lo oxidan, hidrogenando (reduciendo) el ácido pirúvico a ácido láctico.   iii . El fluoruro es un inhibidor de la enzima enolasa, la penúltima enzima de la glucólisis que remueve un fosfato del piruvato ¿Por qué es ventajoso agregar flúor a la pasta de dientes y al agua potable? Las bacterias producen ácido láctico a partir de ácido pirúvico. El ácido láctico puede causar caries del esmalte en los dientes; si se inhibe la enolasa, entonces las bacterias no pueden producir el ácido láctico a partir del ácido pirúvico de la glucólisis. Además, si las bacterias no producen ácido pirúvico, se reduce la eficiencia energética de la glucólisis . Dr Omar Rafael Regalado Fernández 30

31. Regulación de la glucólisis Reacciones Reactivos Enzimas Productos Fosforilación Activación alostérica Inhibición alostérica ATP ADP NAD + NADH Alqueno Alcano Sitio activo Fructosa-1,6-bifosfatasa Fosfofructoquinasa Deshidrogenasa Enolasa ADP ATP NAD NADH Alqueno Alcano La hexoquinasa fosforila la glucosa usando ATP , creando una molécula de glucosa que no puede cruzar la membrana plasmática. La fosfofructoquinasa es la principal enzima que controla el flujo de la glucólisis. Cuando la célula no consume suficiente ATP , el ATP inhibe la fosfofructoquinasa ; mientras que cuando la célula consume energía, los niveles de ADP incrementan y activan la enzima. La glucólisis es regulada por activación alostérica e inhibición alostérica . Dr Omar Rafael Regalado Fernández 31

32. Regulación de la glucólisis Reacciones Reactivos Enzimas Productos Fosforilación Activación alostérica Inhibición alostérica ATP ADP NAD + NADH Alqueno Alcano Sitio activo Fructosa-1,6-bifosfatasa Fosfofructoquinasa Deshidrogenasa Enolasa ADP ATP NAD NADH Alqueno Alcano El fosfoenolpiruvato es un alqueno , ya que tiene un doble enlace de carbono, por lo tanto, la enolasa cataliza la ruptura de un enlace doble. El fosfoenolpiruvato tiene el enlace fosfato con más energía en los organismos (un mol de enlace libera 61.9 kilo Joules de energía), sin embargo, en la glucólisis este no es el principal paso de generación de energía, sino la producción de 1,3-bisfosfoglicerato catalizada por una deshidrogenasa ; en este paso, electrones de alta energía son removidos hacia los acarreadores de electrones, NAD + , que puede ser usado para producir energía en otras rutas. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 32

33. Regulación de la glucólisis Reacciones Reactivos Enzimas Productos Fosforilación Activación alostérica Inhibición alostérica ATP ADP NAD + NADH Alqueno Alcano Sitio activo Fructosa-1,6-bifosfatasa Fosfofructoquinasa Deshidrogenasa Enolasa ADP ATP NAD NADH Alqueno Alcano La energía liberada por la oxidación de la glucosa se almacena como ATP y NADPH . Para cada molécula de glucosa convertida en piruvato en la vía glucolítica se utilizan inicialmente 2 moléculas de ATP y se producen 4 moléculas de ATP para un rendimiento general de 2 moléculas de ATP por glucosa. La inhibición alostérica ocurre cuando el producto de una reacción inactiva la enzima al unirse a otro sitio de la enzima y cambiar la forma del sitio activo . Además, la fructosa-2,6-bisfosfato (F2,6P) inhibe la fructosa-1,6-bifosfatasa , pero activa la fosfofructoquinasa . Dr Omar Rafael Regalado Fernández 33

34. Casos de estudio Dr Omar Rafael Regalado Fernández 34

35. Casos de estudio Dr Omar Rafael Regalado Fernández 35

36. Casos de estudio El receptor de insulina envía una señal a las vesículas que transportan los canales Glut4. Cuando el receptor envía esta señal, la vesícula se fusiona con la membrana plasmática y permite que la célula absorba glucosa a través del canal Glut4. Si no todos los canales se translocan a la membrana celular, no toda la glucosa se oxidará y la producción de ATP y la energía disponible disminuirán. La glucosa no utilizada en el torrente sanguíneo se transportará al hígado y se transformará en glucógeno. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 36

37. Casos de estudio Dr Omar Rafael Regalado Fernández 37

38. Casos de estudio Después del ejercicio, la mayoría de los músculos se habrán sometido a anoxia (demandan más energía que oxígeno disponible) y dependerán de la respiración anaeróbica para producir energía. La fermentación del piruvato en lactato produce NAD + que luego puede alimentar la glucólisis para seguir produciendo energía. El lactato se acumula en la sangre y produce acidosis (una reducción en el pH de la sangre). Después del ejercicio, la producción de lactato aumenta muchas más veces que antes del ejercicio, empeorando los síntomas de acidosis. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 38

39. Referencias Clark, M. A., Douglas, M., & Choi, J. (2018). Cellular Respiration. In Biology 2e . OpenStax. https://openstax.org/books/biology-2e/pages/7-introduction Toole , G. (2020). AQA Biology: A level student book. Oxford University Press. Bermúdez et al. (2007) Biología molecular de los transportadores de glucosa: clasificación, estructura y distribución. Archivos Venezolanos de Farmacología y Terapéutica . 26(2): 76-86. Dr Omar Rafael Regalado Fernández 39

40. Créditos Diapositiva 19: fotografía de Trypanosoma brucei , tomada por Alan R. Walker , 2012. CC BY SA 3.0. Diapositivas 27-28: diagramas de la glucosa y fructosa. Imagen tomada de Anatomy & Physiology , Connexions Website , OpenStax College. CC BY SA 3.0 Diapositivas 35-36: Imagen tomada y traducida de Biology 2e, OpenStax . CC BY SA 3.0 Dr Omar Rafael Regalado Fernández 40