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Citric Acid Cycle II Lecture by Omar Delannoy November 1st, 2013 Three Stages of Cellular Respiration Stage 1: Acetyl-CoA Oxidation • Generates some: – ATP – NADH – FADH2 Three Stages of Cellular Respiration Stage 2: Acetyl-CoA Production • Generates more: – NADH – FADH2 – and one GTP (or ATP) Three Stages of Cellular Respiration Stage 3: Oxidative Phosphorylation • Generates a lot of ATP Overview of the Citric Acid Cycle One Turn of the Citric Acid Cycle CAC intermediates are amphibolic Biotin is a CO2 carrier Biotin is a CO2 carrier Biological tethers allow flexibility Regulation of the Citric Acid Cycle NADH Regulation of the Citric Acid Cycle • Regulated at highly thermodynamically favorable and irreversible steps – PDH, citrate synthase, IDH, and KDH • General regulatory mechanism – Activated by substrate availability – Inhibited by product accumulation – Overall products of the pathway are NADH and ATP • Affect all regulated enzymes in the cycle • Inhibitors: NADH and ATP • Activators: NAD+ and AMP Regulation of Pyruvate Dehydrogenase • Also regulated by reversible phosphorylation of E1 – Phosphorylation: inactive – Dephosphorylation: active • PDH kinase and PDH phosphorylase are part of mammalian PDH complex – Kinase is activated by ATP • High ATP phosphorylated PDH less acetyl-CoA • Low ATP kinase is less active and phosphorylase removes phosphate from PDH more acetyl-CoA Additional Regulatory Mechanisms • Citrate synthase is also inhibited by succinyl-CoA – α-ketoglutarate is an important branch point for amino acid metabolism – Succinyl-CoA communicates flow at this branch point to the start of the cycle • Regulation of isocitrate dehydrogenase controls citrate levels – Aconitase is reversible – Inhibition of IDH leads to accumulation of isocitrate and reverses aconitase – Accumulated citrate leaves mitochondria and inhibits phosphofructokinase in glycolysis Glyoxylate Cycle Glyoxylate Cycle • Found in plants and some microorganisms • Net production of 2 acetyl-CoA oxaloacetate – Allows net conversion of acetyl-CoA to glucose, which animals cannot accomplish • Compartmentalized in the glyoxysome – Part of the citric acid cycle – Bypasses the decarboxylation with two different enzymes • Isocitrate lyase • Malate synthase Compartmentation of Glyoxylate Cycle http://www.fractalposter.com/images/cytoplasmm-brodt_1939_720_480.jpg FOSFORILACIÓN OXIDATIVA LA CULMINACIÓN DE LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA METABÓLICA EN ORGANISMOS AERÓBICOS TEORÍA QUIMIOSMÓTICA DIFERENCIAS TRANSMEMBRANALES EN CONCENTRACIÓN DE PROTONES SON LA RESERVA DE ENERGÍA EXTRAÍDA DE OXIDACIONES BIOLÓGICAS ENERGÍA DE OXIDACIÓN GUÍA LA SÍNTESIS DE ATP 1. FLUJO DE ELECTRONES POR UNA CADENA DE TRANSPORTADORES EN LA MEMBRANA ENERGÍA LIBRE DE OXIDACIONES CONSERVADA EN EL POTENCIAL ELECTROQUÍMICO DE LA MEMBRANA FLUJO DE PROTONES A FAVOR DEL GRADIENTE POR CANALES ESPECÍFICOS PROVEE LA ENERGÍA PARA LA SÍNTESIS DE ATP 2. 3. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ENERGÍA DE OXIDACIÓN GUÍA LA SÍNTESIS DE ATP http://teacherweb.com/CA/NogalesHighSchool/mespinoza/fig13respiration.JPG LA MITOCONDRIA: CENTRO ENERGÉTICO DE LA CÉLULA CRESTAS MITOCONDRIALES CANTIDAD Y DENSIDAD DE EMPAQUE VARÍA EN BASE A EXIGENCIAS METABÓLICAS CARGADORES DE ELECTRONES EN LA CADENA RESPIRATORIA NUCLEÓTIDOS DE NICOTINAMIDA (NAD+ Y NADP+) NUCLEÓTIDOS DE FLAVINA (FMN Y FAD) FUERTEMENTE ENLAZADOS A FLAVOPROTEINAS http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondrial_electron_transport_chain—Etc4-es.svg PASO DE ELECTRONES A TRAVÉS DE CARGADORES EN LA MEMBRANA UBIQUINONA O COENZIMA Q: BENZOQUINONA SOLUBLE EN LÍPIDOS CON LARGA CADENA ISOPRENOIDE PEQUEÑA E HIDRÓFOBA: TRANSPORTA H+ Y e- LIBREMENTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PASO DE ELECTRONES A TRAVÉS DE CARGADORES EN LA MEMBRANA CITOCROMOS: GRUPOS PROSTÉTICOS HEMO CON HIERRO CITOCROMO C DEL MITOCONDRIO ES SOLUBLE PASO DE ELECTRONES A TRAVÉS DE CARGADORES EN LA MEMBRANA CENTROS HIERRO-AZUFRE CENTROS HIERRO-AZUFRE RIESKE: Fe COORDINADO POR HIS POTENCIAL DE REDUCCIÓN DEPENDE DEL MICROAMBIENTE QUE SE ENCUENTRA Fe DENTRO DE LA PROTEÍNA CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO SUPRAMOLECULAR EN LA MEMBRANA INTERNA DEL MITOCONDRIO CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO SUPRAMOLECULAR EN LA MEMBRANA INTERNA DE LA MITOCONDRIA CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO I + II : PASO DE ELECTRONES DE NADH, SUCCINATO Y PRODUCTOS DE OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS A UBIQUINONA CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO I : NADH:UBIQUINONA OXIDORREDUCTASA O NADH DESHIDROGENASA (NADH UBIQUINONA + TRANSPORTE VECTORIAL DE PROTONES) BOMBA DE PROTONES GUIADA POR LA ENERGÍA DE LA TRANSFERENCIA DE ELECTRONES FLAVOPROTEINAS CON FMN Y AL MENOS 6 CENTROS Fe-S CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO AGENTES QUE INTERFIEREN CON FOSFORILACIÓN OXIDATIVA CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO II : SUCCINATO DESHIDROGENASA (SUCCINATO UBIQUINONA) ÚNICA ENZIMA DEL CÍCLO DE ÁCIDO CÍTRICO ENLAZADA A LA MEMBRANA FAD, 2Fe-2S, HEMO b (Protección contra ROS) CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO III : UBIQUINONA:CITOCROMO c OXIDOREDCUTASA (UBIQUINONA CITOCROMO c + TRANSPORTE VECTORIAL DE PROTONES) CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO III : UBIQUINONA:CITOCROMO c OXIDOREDCUTASA (UBIQUINONA CITOCROMO c + TRANSPORTE VECTORIAL DE PROTONES) CÍCLO Q CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO IV : CITOCROMO OXIDASA (CITOCROMO c O2) CuA Y CuB: CENTRO BINUCLEAR DE COBRE (CU-S DE CYS) + HEMO a, HEMO b CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO COMPLEJO IV : CITOCROMO OXIDASA (CITOCROMO c O2) Cyt c CuA HEMO a HEMO a3-CuB O2 INTERMEDIARIOS SE ASOCIAN FUERTEMENTE A LA ENZIMA PARA EVITAR REDUCCIÓN INCOMPLETA CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO RESPIRASOMAS: COMBINACIÓN FUNCIONAL DE DOS O MÁS DIFERENTES COMPLEJOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES MODELO: PASO DE ELECTRONES POR UN ESTADO SÓLIDO CARGADORES DE ELECTRONES FUNCIONAN EN UN COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO LOS CUATRO COMPLEJOS DE LA CADENA RESPIRATORIA FORMACIÓN DE ESPECIES REACTIVAS DE OXÍGENO (ROS) DURANTE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA MECANISMOS ALTERNOS PARA OXIDAR NADH EN PLANTAS MODELO QUIMIOSMÓTICO DIFERENCIAS TRANSMEMBRANALES EN CONCENTRACIÓN DE PROTONES SON LA RESERVA DE ENERGÍA EXTRAÍDA DE OXIDACIONES BIOLÓGICAS ENERGÍA DE OXIDACIÓN GUÍA LA SÍNTESIS DE ATP
