bioenerg tica-mecanismos de reaccion 1c 2012

5/20/2018 Bioenerg Tica-mecanismos de Reaccion 1C 2012

1/90

QUMICA BIOLGICA

Mecanismos de reaccin en

Julio Caramelo

Laboratorio de Biologa Estructural y CelularFundacin Instituto Leloir

[email protected]


2/90

Porqu vemos esta clase?

FSICA

QUMICA BIOLOGA

MATEMTICA

Si bien dividimos al conocimiento en reas, a la naturaleza no le importa.Un fenmeno biolgico abarca diversas escalas temporales y espaciales,operando en paralelo fenmenos que se estudian en disciplinas diversas.

FSICA

QUMICA BIOLOGA

MATEMTICA


3/90

Ya dentro de la Qumica y la Biologa tendemos a lo mismo:

QUMICA INORGNICA ORGANICA

FISICOQUMICA

BIOLGICA

ANALTICA

BIOLOGA CELULAR

MOLECULAR

GENTICA

MICROBIOLOGA

FISIOLOGA

ZOOLOGA

BOTNICA EVOLUCIN


4/90

Hay dos campos que estn ntimamente vinculados:

QUMICA ORGNICA

QUMICA BIOLGICA


5/90

El objetivo de esta clase es que integren los conocimientos dequmica orgnica con las vas metablicas que va a ver en la materiay con sus conocimientos de estrutura de protenas:

QUMICA ORGNICA

QUMICA BIOLGICA

BIOLOGAESTRUCTURAL

La idea es que cuando vean los ciclos metablicos cuenten conherramientas para pensar en los mecanismos qumicos subyacentes,

y vean las cosas desde una perpectiva ms amplia y no como unacaja negra.


6/90

En una clula ocurrencientos de reacciones

qumicas, sin embargo lamayora siguen un nmerolimitado de mecanismos


7/90

Existen algunas diferencias: la qumica orgnica permite usarcondiciones experimentales que no son compatibles que la vida, y la

qumica biolgica utiliza cientos de enzimas que son incompatibles conmuchas de las condiciones experimentales empleadas en qumica orgnica.

QUMICA ORGNICA

QUMICA BIOLGICA

Muchos solventes posibles (DMF,

cloroformo, eter, ciclohexano, H2O, etc) Muchos formas de activar molculas(ej. organometales) Amplio rango de T

Solvente acuoso Enzimas T fisiolgica


8/90

Todos los seres vivos estn sujetos a las leyes de la termodinmica,en particular para cualquier proceso:

SUNIVERSO 0 (2da ley termodinmica)

En este caso: SUNIVERSO = SHOMERO + SENTORNO 0

Como SHOMERO < 0, necesariamente SENTORNO > 0


9/90

Como medimos SUniverso?

En un sistema a P y T constantes lo hacemos con GSistema

Resulta que: GSistema = -TSistema. SUniverso

En el fondo

GSistema es una forma de medir SUniverso a travs de losparmetros de mi sistema (P, T, composicin)

El criterio de espontaneidad de un proceso es que: GSistema < 0

Recuerden que: GSistema = HSistema T.SSistema

Bueno, resulta que:

O sea, el calor que intercambia mi sistema con el entorno es usado por elentorno para cambiar su entropa.

Con lo cual decir que GSistema

< 0 equivale a decir que SUniverso

> 0

El criterio de espontaneidad de cualquier proceso termodinmico es:

SUniverso > 0 (2da

ley Termodinmica)

-TSistema.SEntorno


10/90

Para generar orden necesitamos energa:

Sintetizar biomolculas (protenas, ADN, ARN, lpidos, etc) Generar movimiento (muscular, movimiento de organelas, etc) Generar gradientes qumicos: potenciales de accin, sistemasde transporte facilitado, etc (el cerebro consume cerca de

de nuestra energa. Una neurona gasta cerca del 80 % de suenerga en mantener el gradiente Na+/K+) Generar calor

Para todo esto necesitamos: ATP

ATP: adenosina trifosfato


11/90

Veamos algunos nmeros:Tenemos unos 100 g de (ATP + ADP)

En condiciones sedentarias consumimos cerca de 40 kg de ATP en 24

hs. Si hacemos ejercicio podemos llegar a consumir unos 30 kg de ATPpor hora

O sea que una molcula de ATP se recicla por lo menos unas 400 vecespor da. Por lo cual es necesario disponer de mecanismos para reciclarlo.


12/90

BiosntesisDe cuanto estamos hablando?

Escherichia coli

Volumen: 1 m3

Tiempo de duplicacin:

20 minGenoma: 5.106 pares de basesSuperficie: 6

m2

ENERGA

MATERIAORDEN

2 M


13/90

Un censo molecular de E. coli

Masa total: 1 pgH2O: 70 % p/p

tARN: 2.105

Protenas: 15 % p/pLargo promedio: 300 aaCantidad: 3.1061/3 son de membrana

Ribosomas: Masa: 2.5 MDa1/3 es protena, 2/3 es ARNCantidad: 20.00010 % volumen celular

Lpidos: 2.107

Agua: 2.1010

- + Iones: 6.107

ADN: 5.106 pbmARN: 2.103


14/90

Cuanta glucosa necesitaE. colipara duplicarse?

Costo energtico para sintetizar los componentes principales:

Materiales necesarios para esta sntesis: 2 x 109 glucosas

1010TOTAL3.1 x 107Glicgeno1.7 x 108Peptidoglicano3.8 x 108Lipopolisacrido

3.2 x 109Fosfolpidos1.6 x 109ARN3.5 x 108ADN 4.5 x 10

9

Protenas

ATP condicionesaerbicas

Clase


15/90

De donde salen estos nmeros?Protenas: Largo promedio: 300 aminocidos

Cantidad: 3 x 106 protenas/bacteria Costo promedio de sintetizar 1 aminocido: 1.2 ATP (es muy variable) Hay que tomar en cuenta la abundancia relativa de cada aminocido Costo de hacer una unon peptdica: 4 ATP

En promedio cada aminocido en una protena gasta: 1.2 + 4 = 5.2 ATP Costo total:300 (aa/protena) x 3.106 protenas/bacteria x 5.2 (ATP/aa) = 4.5 109 ATP/bacteria

Noten que es ms costoso hacer la unin peptdica que sintetizar el aminocido.Casi el 80 % de la energa se gasta en hacer la unin peptdica.

AND y ARN:

Costo promedio de sintetizar 1 nucleotido azucar: 10-20 ATP Costo de hacer una unon fosfodiester: 1 ATP Comparado con protenas, ac la polimerizacin es mucho ms barata que lasntesis de los precursores. El 90 % de la energa se gasta en sintetizar los rNTPsy dNTPs.


16/90

De donde obtenemos energa?

CO2 + H2O

Hidratos de carbono

cidos grasos O2


17/90

Cmo obtenemos esta energa?

CO2 + H2O

Hidratos de carbono

cidos grasosO2

ADP ATP


18/90

Cun eficiente es la extraccin de energa?

6 CO2 + 6 H2O

Glucosa: oxidacin por gluclisis y ciclo de Krebs

+ 6 O2G = -2879 kJ/mol

Por cada glucosa se generan unos 38 ATP

G

= 30.5 kJ/mol

Eficiencia = (38 x 30.5 / 2879) . 100 = 40.3 %

Comparemos con un motor trmico operando entre 37

C y 25

C

Eficiencia = [1 (298/310)] . 100 = 3.9 %

Claramente el metabolismo de glucosa es MUY eficiente


19/90

El ATP es la moneda de cambio energtico en la clula:

G = -30.5 kJ/molG (clula) -50 kJ/mol

G = -45.6 kJ/molG (clula) -50 kJ/mol

ATP

ADP

AMP


20/90

Por qu la hidrlisis de ATP es tan favorable?

1) Estabilizacin por resonancia: el Pi tiene mayor estabilizacin porresonancia que el ATP

2) Repulsin electrosttica: a pH 7 el ATP tiene 4 cargas negativas que serepelen. Esta repulsin desaparece luego de la hidrlisis

3) Estabilizacin por hidratacin: el ADP y el Pi se pueden hidratar mejorque el ATP


21/90

En algunos procesos se requieren otros nucleotidos trifosfato(por ej. GTP). Los mismos se generan a partir de los nucletidos

mono- o difosfato y ATP:

NMP + ATP NDP + ADP

NDP + ATP NTP + ADP

Nucletido monofosfatoquinasa

Nucletido difosfatoquinasa


22/90

Reacciones acopladas VS reacciones conectadas:

Reaccon conectada: dos reacciones independientes que tienen algn

reactivo en comn:

G = -13.8 kJ/mol K = [Pi] . [Glc] / [Glc-6Pi] = 262Si Glc-6P total = 1 mM, tenemos que en el equilibrio:

G = -30.5 kJ/mol K = [Pi] . [ADP] / [ATP] = 2.22 105Si ATP total = 1 mM, tenemos que en el equilibrio:

[Glc-6Pi] / [Glc] = 3.8 10-6

[ATP] / [ADP] = 1.5 10-8


23/90

Si calculamos los dos equilibrios en simultneo,cada uno con su constante:

K1 = [Pi] . [Glc] / [Glc-6Pi] = 262K2 = [Pi] . [ADP] / [ATP] = 2.22 105

Balances de masa: partiendo de 1 mM ATP y 1 mM ADP tenemos:

[ATP]total = [ATP] + [ADP] = 1 mM[Glc-6Pi]total= [Glc-6Pi] + [Glc] = 1 mM

[Pi]total = [Pi] + [ATP] + [Glc-6Pi] = 2 mM

Reemplazando las K en el BM de Pi:

[Pi]total = [Pi] . (1 + ([ATP]total/([Pi] + K2)) + ([Glc-6Pi]total/([Pi] + K1)))

Resolviendo numricamente la ecuacin cbica llegamos a:

[ATP]/[ADP] = 9 10-8[Glc-6Pi]/[Glc] = 7.6 10-6


24/90

La hexoquinasa al acoplar las dos reacciones permite que la energalibre que se libera por la hidrlisis del ATP en vez de disiparse en

forma de calor sea utilizada para generar Glc-6Pi

Hexoquinasa

G = -30.5 + 13.8 kJ/mol = -16.7 kJ/molK = [Glc-6Pi].[ADP] / [ATP].[Glc] = 846Si Glc-6P total = 1 mM y ATP total = 1 mM, tenemos que en el equilibrio:

O sea que el cociente creci 3.8 106, casi 7 rdenes de magnitud !!!

[Glc-6Pi] / [Glc] = 29

Reacciones acopladas: debe existir algn agente que haga que las reaccionesse vean mutuamente de forma directa. Si agregamos hexoquinasa:


25/90

Potenciales de transferencia de fosfato: el ATP est en el medio

Fosfoenol piruvato

1,3-bifosfoglicerato

Creatina fosfato

ATP

Glucosa 1-fosfato

Glucosa 6-fosfato

Glicerol 3-fosfato

Pirofosfato

-61.9 kJ/mol

-49.4 kJ/mol

-30.5 kJ/mol

-43.1 kJ/mol

-20.9 kJ/mol

-19.3 kJ/mol

-13.8 kJ/mol

-9.2 kJ/mol


26/90

La generacin de ATP es un proceso medio rebuscado.

CO2

GliclisisKrebs

Glucosa Pirvico Acetil-CoA2 ATP 2 NADH

NADH

CO2HS-CoA

3 NADHFADH2

GTP HS-CoA

1) Oxidando glucosa generamos poder reductor (NADH, FADH2) y un poco

de ATP:

2) Respiracin: reoxidacin de NAD y FAD por reduccion de O2 generacin de H

+

NADH NAD

FADH2 FAD

O2 H2O

e-

e-H+H+

2) Generacin de ATP utilizando el H+

ATP

ADP


27/90

El resultado es bastante diferente a una llama:

+ 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

+ luz

O2NADHFADH2

e- e-

H+ H+

ADP + Pi ATPAhora vamos a ver la qumica de todo esto


28/90

Un repaso de Qumica Orgnica

Electrfilos: sustancia que tiene un tomo con una polarizacin positiva,

pobre en electrones, que puede formar una unin qumica al aceptar enun par de e- de un tomo rico en electrones. Si la reaccin involucra latransferencia de H+ se denomina cido de Lewis

Nuclefilos: sustancia con un tomo con una polarizacin negativa, puede

formar una unin qumica al donarle un par de e- a una sustencia pobreen electrones (un electrfilo). Si la transferencia involucra unatransferencia de H+ se denomina base de Lewis.

Nu: Nu: Nu:

+

Nu+ H Nu+ CH3

+ +

+


29/90

Mecanismo 1: adicin electroflica a C C

O

H

HHH

O

H+

+

HOH

+

Carbocatin msestable

Este se ve en la biosntesis de esteroides y otros terpenoides


30/90

Mecanismo 2: sustitucin nucleoflica unimolecular

Br- H3O+

Sn1: unimolecular

PPi

Geranil difosfato

GeraniolH3O+

Ejemplo:


31/90

Mecanismo 3: sustitucin nucleoflica bimolecular

Sn2: bimolecular

Ejemplo:

HO

Br-

-

Norepinefrina

Epinefrina(Adrenalina)

S-adenosil metionina

S-adenosil homocistena

Prefijo HOMO: usualmente tiene uncarbono extra del compuesto madre

Nu:


32/90

Mecanismo 4: adicin nucleoflica a carbonilo

Aldehdo Cetona

cido Ester Amida

Tioester Acilfosfato

No hay buenos grupos salientes (noestabilizan carga -) unidos al carbonocarbonlico, entonces las reacciones desustitucin son difciles

Hay buenos grupos salientes(estabilizan carga -) unidos al

carbono carbonlico, entonces lasreacciones de sustitucin sonposibles

Distingamos dos clases de compuestos:

-

+

Nuclefilo, reacciona con cidos y electrfilos

Electrfilo, reacciona con bases y nuclefilosLa doble vidadel carbonilo


33/90

+

-

:Nu

H-R3C-

Alcxido tetrahdrico

CarbinolaminaHemiacetal

AcetalImina

(base de Schiff)

RNH2

ROH

sp2

sp3

Alcohol

Luego de la adicin hay varias posibilidades, dependiendo del nuclefilo:

Ej: reduccin decarbonilos por NADH(la vemos ms adelante)

ROH


34/90

Adicin de aminas a carbonilo:Ejemplo: sntesis de Alanina a partir de piruvato:

Piruvato

Piridoxaminafosfato

Imina

+ H2O

d d l h l b l f d l


35/90

Adicin de alcoholes a carbonilo: formacin de acetales

+ H2O

H-A

H-A

H-AA-

A-

A-A-

H-A

Hemiacetal

Acetal

1

2

3

4

5

1) Protonacin del O polariza el C incrementando se electrofilicidad.2) Adicin nucleoflica del alcohol seguida por desprotonacin da el hemiacetal.3) Protonacin del OH lo transforma en un mejor grupo saliente, que se pierde

como agua y da un in oxonio.4) Segunda adicin de alcolhol da el acetal protonado..5) ..el cual se desprotona.

Oxonio


36/90

Esta reaccin es muy comn en los hidratos de carbono, para pasar dela forma abierta (aldehdo o cetona) a la forma cerrada (piranosa ofuranosa):

Glucosa(abierta)

-Glucosa

(-D-glucopiranosa)

-Glucosa

(

-D-glucopiranosa)

M i 5 di i j d (1 4) l fli


37/90

Mecanismo 5: adicin conjugada (1,4) nucleoflicaReaccin de Michael

Adicin (1,2)

Adicin conjugada (1,4)

:Nu-

:Nu-

H+

H+

-

In enolato

Noten que la adicin (1 4) da un resultado similar a una adicin


38/90

Noten que la adicin (1,4) da un resultado similar a una adicinelectroflica a un doble enlace (mecanismo 1), pero el mecanismo es muydiferente. Los alquenos aislados reaccionan con electrfilos y forman carbocationesintermediarios. Los carbonilos ,-insaturados reaccionan con nuclefilos y forman un inenolato como intermediario. La adicin conjugada (1,4) sucede porque el O del carbonilo se llevadensidad electrnica del carbono, hacindolo ms electroflico que undoble enlace de un alqueno:

electroflico

Cetona saturada:

Cetona ,-insaturada:


39/90

Ejemplo: ciclo de Krebs: conversin de fumarato a malato.Es una hidratacin

O

HH

:B

H-A

-

Fumarato Malato

Fumarasa

( fumarato hidratasa)

6 l fl d l


40/90

Mecanismo 6: sustitucin nucleoflica de acilos

:Nu-

:X-

O-H-

Cuando necesito poner energa para una reaccin?


41/90

Cuando necesito poner energa para una reaccin?

ROH

ROH

RNH2

CIL FOSFATO

AMIDA

ESTER

TIOESTER

> REACTIVIDADRSH

RSH

PO43-

H2O

RNH2

CIDO

REACCIN

ESPONTNEA

U j l i t t i d t


42/90

Un ejemplo ya visto: sntesis de protenas

cido RCOO-

AmidaAminocido

Unin peptdica



43/90


A

ATP

PPi

Aminoacil-AMP

tRNA

Aminoacil tRNA

Acil fosfato

Ester

1ra etapa: carga del tRNA: aminoacil-tRNA sintetasa

Pregunta filosfica: Donde est laespecificidad del cdigo gentico? Quin esel verdadero traductor de AND a protenas?

2da etapa: unin peptdica: ribosoma


44/90

2 etapa unin peptdica ribosoma

Cadena naciente

Ester

Amida

Sustitucin nucleoflica

V l l i d


45/90

Veamos la lgica de este proceso:

cido RCOO-

Acil fosfato

Ester

AmidaATP

PPi

Aminocido

Aminoacil AMP

Aminoacil tRNA

Unin peptdica

Mecanismo 7: condensacin carbonlica


46/90

Aldlicas y Condensacin de Claisen

Muy tiles para generar uniones C-C Aldlica: adicin nucleoflica a carbonilo Claisen: sustitucin nucleoflica de acilos

:Base

:Base

Reaccin aldlica: adicin nucleoflica a C=O

Condensacin de Claisen: sustitucin nucleoflica de C=O

-hidroxialdehdo

-ceto ester

La reaccin ocurre porque el el hidrogeno a un carbonilo es ligeramente


47/90

La reaccin ocurre porque el el hidrogeno

a un carbonilo es ligeramentecido, y puedo ser removido por una base para dar un in enolato. Los

enolatos, como otros aniones, son nuclefilos.

:Base

-

Nuclefilo

La acidez del carbono se debe a la estabilizacin por resonancia del inenolato por el grupo carbonilo

pKa


48/90

cido carboxlico

1,3-dicetona

-ceto ester

1,3-diester

Aldehdo

Cetona

Tioester

Ester

Amida

4.7

9

10.6

12.9

17

19.3

2125

30

p

Condensacin aldlica: mecanismo


49/90

m m

:B

-

Generacindel enolato

Adicinnucleoflica a unsegundo aldehdo

Generacin de unalcoxido

H-A Protonacin delalcoxido

-hidroxi cetona

Noten que la reaccin es reversible, un

-hidroxialdehdo o cetona puedefragmentarse para dar dos molculas de aldehdo o cetona (retroaldlica)

Condensacin de steres: es similar a la de aldehdos y cetonas,


50/90

la diferencia es que en vez de dar un producto de adicin da una

sustitucin.:B

-

Generacindel enolato

Adicinnucleoflica a unsegundo ester

Generacin de unalcoxido

Eliminacin de RO-

-hidroxi cetona

Al igual que con la aldlica, la condensacin de Claisen es reversible

Existen muchos ejemplos de condensaciones aldlicas y de Claisen enl t b li


51/90

el metabolismo:

Gliceraldehdo 3-fosfato

Dihidroxiacetona fosfato

Fructosa 1,6-bisfosfato

En gliclisis:

En sntesis de esteroles:

Acetil-CoA Acetil-CoA

Acetoacetil-CoAHS-CoA

La primera reaccin del ciclo del cido ctrico es una aldlica:


52/90

La primera reaccin del ciclo del cido ctrico es una aldlica

Acetil-CoA

Oxalacetato

Citrato

HS-CoA

Mecanismo 8: eliminacionesLa eliminacin de H X para dar un alqueno pueden ocurrir por tres mecanismos que


53/90

La eliminacin de H-X para dar un alqueno pueden ocurrir por tres mecanismos, quedifieren en el momento de la ruptura de las uniones C-H y C-X.

Reaccin E1:

Reaccin E2:

Reaccin E1cB (base conjugada):

B:

B:

B:

+ X-

+ X-

+ X-

+ +B-H

+ +B-H

+ +B-H

Existen ejemplos de los tres mecanismos en diversas rutas metablicas El sustrato ms comn es un alcohol o un alcohol protonado (X = OH +)


54/90

El sustrato ms comn es un alcohol o un alcohol protonado (X = OH2 ) El H eliminado usualmente est adyacente a un grupo carbonilo, lo que

aumenta su acidez y facilita su salida Los productos de condensaciones aldlicas (-hidroxi carbonilos)comunmente se convierten a carbonilos ,-insaturados por eliminacin.

Ejemplo: sntesis de cidos grasos

Fructosa-1,6-bifosfatoDihidroxiacetona fosfatoGliclisis


55/90

CO2

CO2

HSCoA

Ciclo del

cido ctrico

CO2

GlucosaGliceraldehido

fosfato

PiruvatoAcetil-CoA

Oxalacetato

1

Mecanismos:En lnea puntuadas son los procesosreversos de esta lista1: sustitucin nucleoflica a acilo2: adicin nucleoflica a CO3: tautomerizacin ceto-enol4: aldlica (inversa)

5: eliminacin6: Sn2

2 32

1 4

2 2 1

111

51

1 6 2 2

3 2 1

5 52

5 3

3 2 1

1 1

5

5

2

REACCIONES REDOX


56/90

REACCIONES REDOX

CO2 + H2O

Hidratos de carbono

cidos grasos


57/90

Glucosa cido pirvico

Gliclisis

Es sto una redox?

REDOX: estados de oxidacin del C


58/90

REDOX: estados de oxidacin del C

-4 -2 0 +2 +4

-3 -2 -1

Es sto una redox?


59/90

Glucosa cido pirvico

C6O6 2 X C3O3

2 X

No hay prdida de O !!!

Es sto una redox?


60/90

Glucosa cido pirvico-1

00

0 +1-3

+3 +2

C6O6H12 2 X C3O3H4

2 X

Total: 0 Total: 2 x (+2)

En general la redox entre carbonilos y alcoholes est medida por NADo NADP y la conversin entre alcanos y alquenos est mediada por FAD


61/90

(H- H+)

H H

(NAD)

(NADP)

(FAD)

o NADP, y la conversin entre alcanos y alquenos est mediada por FAD

NAD: i i id d i di l idAdenina


62/90

NAD: nicotinamida adenina dinucletido

NADP

FAD: flavin adenina dinucletido

Nicotinamida

Flavina

Adenina

ribitol

Reacciones mediadas por NAD: transferencia de hidruro poradicin nucleoflica (reducciones) o por eliminacin (oxidaciones)


63/90

NAD+(NADP+)

NADH(NADPH)

H-HIDRURO

B: B-H+

Veamos un ejemplo: lactato deshidrogenasa


64/90

NADH

B:B-H+His195

His195

cido pirvico cido lcticoNAD

NADNADH

Lactato deshidrogenasa (pdb 1I0Z)


65/90

NAD

cido oxmico

(fjense que interesante como esta

extensin contacta a la otra subunidad)

Lactato deshidrogenasa: mecanismo de catlisis


66/90

His195H

H

1 2

g

1) Protonacin: transferencia de H+ de His195 al O:2) Adicin nucleoflica: transferencia de H- de NADH a C:

cido oxmico

Cmo se hace esta reaccin en qumica orgnica?


67/90

-

+

+

-

+

H2O

H2O

LiOH

Adicin nucleoflica de H-

La coordinacin del Li+ al Oaumenta la + del C, facilitandoel ataque del H-

Borohidruro de litio

Redox de enlaces dobles: usualmente se usa FAD


68/90

FAD FADH2

FADFADH2

Acil-CoA deshidrogenasa

Uno de los pasos en la oxidacin de cidos grasos.


69/90

(H2)

FAD

FADH2

Acil-CoA deshidrogenasa (pdb: 2UXW)


70/90

FAD

Anlogo deAcil-CoA


71/90RibitolFAD(3)


72/90

B:

OH

1) Un puente hidrgeno del ribitol de la CoA al O aumenta laacidez de carbono alfa al CO

2) Un protn del carbono alfa se transfiere a una base,generando un enolato tioester

3) Se transfiere un H- del carbono beta al FAD, generndose undoble enlace trans

FAD

-

(1)

(2) Enolato tioester

(3)

La base es el Glu462:

P t H t id d l C


73/90

Glu462

Puente H aumenta acidez del C

C

Que le pasa al FAD?Un mecanismo propuesto: transferencia de H- conp t n in d l fl in


74/90

protonacin de la flavina

-

H A

Veamos todo junto en algn proceso:

Degradacin de cidos grasos:

-oxidacin


75/90

Paso 1: La oxidacin a un doble enlace C-C mediada por FAD

Paso 2: Adicin de H2O a un doble enlace vecino a un CO. Es el procesoinverso a una eliminacinPaso 3: Oxidacin del ROH mediada por NAD+Paso 4: Sustitucin nucleoflica a CO. El nuclefilo es HS-CoA

Acil-CoA trans-2-enoil-CoA 3-L-hidroxiacil-CoA

-cetoacil-CoAAcil-CoA(2 C menos)

Acetil-CoA

+


FAD FADH2 H2O

Enoil-CoA hidratasa

NAD+

NADHHidroxiacil-CoAdeshidrogenasa

HS-CoA

-cetoacil-CoAtiolasa

1

2

3

4


FADH

Paso 1:


76/90

Acil-CoA trans-2-enoil-CoAFADFADH2

Acil-CoA deshidrogenasa mitocondrial de hgado de cerdo (pdb: 3MDE):

Paso 1:Acil-CoA

Abstraccin de H+ por una base (Glu376)


77/90

Acil CoA

trans-2-enoil-CoAFAD FADH2

Glu376

Octanoil-CoA

FAD

H

HTransferenciade H-

Transferenciade H-

Abstraccin de H+

Paso 4:+

-cetoacil-CoAtiolasa


78/90

-cetoacil-CoA Acil-CoA Acetil-CoAHS-CoA

Este paso es ms complicado de lo que parece, porque se forma un intermediariocovalente con la enzima. Primero hay una ruptura de Claisen (es la condensacin deClaisen en sentido inverso), en donde se forma un tioester intermediario con la enzima,seguida de una sustitucin nucleoflica del tioester:

Enz-S-

H+

CoA-S- Acetil-CoA

1er ataque nucleoflicopor una Cys desprotonada

Eliminacin del enolato

2do ataque nucleoflicopor CoA-S-Enz-S-

Eliminacin del

tiol de la Cys

Retro Claisen

Sustitucin nucleoflica

Fjense que la beta oxidacin de cidos grasos sigue una lgica idntica ala conversin de succinato a oxalacetato en el ciclo de Krebs

Es una estrategia usual para oxidar alcanos a carbonilos


79/90

Es una estrategia usual para oxidar alcanos a carbonilos

Succinano(alcano)

Fumarato(alqueno)

Malato(alcohol)

Oxalacetato

(cetona)

Deshidrogenacin(oxidacin)

Hidratacin

Oxidacin

FAD

NAD

Veamos la estructura: acetoacil-CoA tiolasa dezooglea ramigera(pdb: 1QFL)


80/90

Tetrmero

Vean el detalle de la zona de interaccin, se forman doshojas beta con una hebra de cada subunidad


81/90

Sitio cataltico: cristal con Cis89 acetilada (intermediario de reaccin covalente)

Cys378


82/90

Cys89 acetilada

His 348: desprotona el tiol de la

Cys89, lo pasa a tiolato yaumenta su nucleofilicidad

HS-CoA

Mecanismo de accin:Retro Claisen


83/90

His348Cys89

Cys378

H+

Activacin delnuclefilo

Activacin delnuclefilo

Sustitucinnucleoflica

Mecanismo principal de generacin de ATPLa oxidacin se acopla indirectamente a la sntesis de ATP


84/90

O2NADHFADH2e- e-

H+ H+

ADP + Pi ATPEn algunos casos la oxidacin se acopla directamente a la sntesis de ATP:Ejemplo: generacin de 1,3-bifosfoglicerato

ADP

ATP

1,3-bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato

Alta energa

La energa para formar la unon de alta energa de acilfosfato vienede la oxidacin de un aldehdo. Como se acoplan estas reacciones?

Gliceraldehdo 3-fosfato


85/90

Fjense bien. Ac estn ocurriendo dos procesos:1) Oxidacin de un aldehdo a cido: muy proceso favorable2) Fosforilacin de un cido: proceso muy desfavorable

1,3-bifosfogliceratoGliceraldehdo 3-fosfato

deshidrogenasa

NAD+Pi

NADHH2O

NAD+

Pi

NADH

H2O

G = -50 kJ/mol

G = +50 kJ/mol

Redox

Hidrlisis

al revs

El acoplamiento de estas dos reacciones se da a travs de unintermediario tio-ester:


86/90

G

Reaccin

G

Reaccin

Reaccin no catalizada

Aldehdo

cido

Acil

fosfato AcilfosfatoAldehdo

Tioester

Reaccin catalizada

Veamos el mecanismo de esta reaccin: Transferencia de H-


87/90

+ +

+

+

Adicin nucleofilica

Intermediariotioester

Hemitioacetal

Intermediariotioester

Fosforlisis(sustitucinnucleoflica)

NAD+

NADH

Estructura: gliceraldehdo 3-fosfato deshidrogenasa detripanosoma cruzi(pdb: 3IDS)


88/90NAD+ Sitio cataltico:


89/90

CIS166

HIS194

Como vieron, existe una continuidad entre ambos campos. Y todo loque vieron en qumica orgnica sigue valiendo en esta materia:


90/90

QUMICA ORGNICA

QUMICA BIOLGICA

Muchos solventes posibles Muchos formas de activar molculas Amplio rango de T

Solvente acuoso

Enzimas T fisiolgica

bioenerg tica-mecanismos de reaccion 1c 2012

Documents