Discusión n°3: glucólisis, Ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones

DISCUSIÓN N°3: GLUCÓLISIS, CICLO DE KREBS Y CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES

1.Explicar la importancia de la glucólisis en el metabolismo, detallando sus etapas y las transformaciones que experimenta la glucosa en cada una de ellas.

La glucólisis es fundamental en el organismo porque es la vía metabólica principal para generar energía (ATP) a partir de la glucosa, actuando como fuente de energía universal para las células, incluso en condiciones de baja o nula oxigenación. Es crucial para el funcionamiento de tejidos como los glóbulos rojos (que dependen exclusivamente de ella), el cerebro y los músculos durante el ejercicio intenso. Además, sus intermediarios tienen funciones de señalización celular, y es un paso clave en el metabolismo de otros compuestos. 

La conversión de glucosa a piruvato ocurre en dos etapas: Fase de inversión de energía y fase de generación de energía.

• Generación de energía (ATP): 

Se forma una red de dos moléculas de ATP por fosforilacion a nivel del sustrato.

Es el proceso inicial para obtener energía de la glucosa. Descompone una molécula de glucosa en dos de piruvato, produciendo una ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos de NADH. 

• Suministro energético en condiciones de poca o nula oxigenación (fase de inversión de energía):

Se sintetizan las formas fosforiladas de los intermediarios a expensas del ATP.

En ausencia de oxígeno (hipoxia), la glucólisis se acelera y produce lactato para seguir generando ATP, siendo vital para tejidos como los músculos esqueléticos que demandan mucha energía y los glóbulos rojos, que no tienen mitocondrias y solo pueden realizar glucólisis. 

2.Describir el papel de las enzimas clave en la glucólisis, incluyendo gliceraldehído-3P deshidrogenasa, glucocinasa, hexocinasa, fosfofructocinasa y piruvato deshidrogenasa, señalando sus diferencias funcionales, reacciones catalizadas, cofactores y productos.

Las enzimas clave de la glucólisis controlan pasos reguladores y la producción de energía. La hexocinasa y glucocinasa fosforilan la glucosa, la fosfofructocinasa es un punto de control principal, la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa produce NADH, y la piruvato cinasa (o piruvato deshidrogenasa en el paso posterior) genera el último ATP y piruvato. 

Papel de las enzimas clave en la glucólisis

• Hexocinasa y Glucocinasa:

• Función: Fosforilan la glucosa, transformándola en glucosa-6-fosfato. Esto "atrapa" la glucosa dentro de la célula y la prepara para el siguiente paso. 

• Regulación: La hexocinasa se inhibe por la glucosa-6-fosfato, mientras que la glucocinasa en el hígado no se inhibe y solo actúa cuando los niveles de glucosa son altos, proporcionando un control adicional. 

• Fosfofructocinasa:

• Función: Es el principal punto de control de la vía. Cataliza un paso irreversible de la glucólisis, convirtiendo la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bifosfato. 

• Regulación: La velocidad de la reacción está regulada por las necesidades energéticas de la célula, acelerándose o frenándose según sea necesario. 

• Gliceraldehído-3-fosfato Deshidrogenasa:

• Función: Cataliza el sexto paso, que es una reacción de óxido-reducción y fosforilación. Convierte el gliceraldehído-3-fosfato en 1,3-bisfosfoglicerato, reduciendo NAD a NADH. 

• Importancia: Es un paso clave para la generación de poder reductor (NADH), que se puede utilizar para producir más ATP en la cadena de transporte de electrones. 

• Piruvato Cinasa (y el papel de la Piruvato Deshidrogenasa):

• Función: La piruvato cinasa es la enzima que finaliza la glucólisis. Cataliza un paso final de fosforilación, transfiriendo un grupo fosfato del fosfoenolpiruvato al ADP para formar ATP. 

• Papel de la Piruvato Deshidrogenasa: Después de la glucólisis, el piruvato producido entra en la mitocondria. Allí, la enzima piruvato deshidrogenasa cataliza la conversión de piruvato a acetil-CoA, el siguiente paso para el ciclo de Krebs. 

3.Diferenciar entre la glucólisis aeróbica y anaeróbica, destacando el destino de los equivalentes de reducción en presencia y ausencia de oxígeno.

• Glucólisis anaerobica: se genera una cantidad neta de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa qué se ha convertido en dos moléculas de lactato. No hay producción ni consumo neto de NADH.
• Glucólisis aerobica: la generación de ATP es la misma que en la glucólisis anaerobica (es decir, una ganancia neta de dos ATP por molécula de glucosa). También se producen dos moléculas de NADH por molécula de glucosa. La glucólisis aerobica continua requiere la oxidacion de la mayor parte de este NADH por la CTE, lo cual produce tres ATP por molécula de NADH que entra en la cadena.

4.Explicar la regulación y el control metabólico de la glucólisis, considerando la función de las enzimas clave y el impacto de las condiciones celulares en el flujo de esta ruta metabólica.

La regulación de la actividad de las enzimas glucoliticas irreversibles por activación/inhibición alosterica o fosforilacion covalente es a corto plazo (es decir,  los efectos se presentan durante minutos u horas). Superpuestos sobre estos efectos en la actividad de moléculas enzimáticas preexistentes se encuentran los efectos hormonales a largo plazo sobre el número de nuevas moléculas enzimaticas. Estos efectos hormonales pueden resultar en aumentos de 10 a 20 veces en la síntesis enzimática que tipicamente ocurre en lapsos de horas a días.  El consumo regular de comidas ricas en carbohidratos o la administración de insulina inician un incremento en la cantidad de glucocinasa,  PFK-1 y PK en el hígado. El cambio refleja un aumento en la transcripción de genes, que resulta en el incremento de la síntesis enzimática. El aumento en la disponibilidad de estas tres enzimas favorece la conversión de glucosa en piruvato, una característica del estado de absorción. De manera inversa, la expresión de genes de las tres enzimas se reduce cuando el glucagon del plasma es elevado y la insulina es baja.

5.Explicar la reacción de acople entre la glucólisis y el ciclo de Krebs, incluyendo los componentes enzimáticos del complejo de la piruvato deshidrogenasa, los cofactores requeridos y la regulación de este proceso.

La reacción de acople entre la glucólisis y el ciclo de Krebs es la oxidación del piruvato, catalizada por el complejo de la piruvato deshidrogenasa, que convierte dos moléculas de piruvato de tres carbonos en dos moléculas de acetil-CoA de dos carbonos y libera dos moléculas de [pic 1]𝐶𝑂2 y dos de NADH. Este complejo enzimático utiliza cinco cofactores: la tiamina pirofosfato (TPP), el ácido lipoico, la coenzima A (CoA), el dinucleótido de flavina y adenina (FAD) y el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+). La regulación ocurre principalmente a través de la inhibición por producto (NADH y acetil-CoA) y la activación por sustrato (piruvato), junto con la regulación alostérica del propio complejo. 

Complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa

Este complejo está formado por tres enzimas distintas que trabajan en secuencia para catalizar la reacción: 

• Piruvato deshidrogenasa (E1): 

Descarboxila el piruvato y transfiere el grupo acetilo a la hidroxietiltiaina pirofosfato.

• Dihidrolipoil transacetilasa (E2): 

Transfiere el grupo acetilo del TPP al ácido lipoico y luego a la coenzima A.

• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3): 

Transfiere los electrones de la forma reducida del ácido lipoico al FAD y luego al NAD+ para producir NADH.

Co-factores requeridos

Cinco cofactores son esenciales para que el complejo funcione: 

• Tiamina pirofosfato (TPP): Se une al grupo acetilo del piruvato. 
• Ácido lipoico: Acepta los electrones y el grupo acetilo de la tiamina. 
• Coenzima A (CoA): Recibe el grupo acetilo para formar acetil-CoA. 
• Dinucleótido de flavina y adenina (FAD): Actúa como aceptor de electrones en la transferencia de electrones del ácido lipoico. 
• Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+): Acepta los electrones del FADH2 y se reduce a NADH. 

Regulación del proceso

La reacción de la piruvato deshidrogenasa es una vía de doble sentido que se regula estrictamente para controlar la producción de acetil-CoA. 

• Inhibición por producto: 

El NADH y el acetil-CoA inhiben la enzima piruvato deshidrogenasa, ralentizando la producción de más acetil-CoA.

• Activación por sustrato: 

El propio sustrato, el piruvato, activa la enzima, lo que asegura que el proceso se lleve a cabo cuando sea necesario.

• Regulación alostérica: 

Las concentraciones altas de ATP inhiben la enzima, mientras que las bajas concentraciones de ATP (altas concentraciones de ADP) la activan, actuando como un indicador de las necesidades energéticas de la célula.

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