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TRABAJO PRÁCTICO N° 8
METABOLISMO INTERMEDIO. CONVERSIÓN ENERGÉTICA y MITOCONDRIAS 2022
OBJETIVOS
− Analizar los procesos globales de Glucólisis y Respiración en las células. − Interpretar el rol de las moléculas transportadoras de energía. − Conocer la estructura y función mitocondrial. − Visualizar la posición de la mitocondria en un esquema general del flujo de la materia y de la energía.
UNIDAD DE CONOCIMIENTO
VOCABULARIO ESPECÍFICO DEL TEMA
Glucosa - Glucógeno - Respiración - Fermentación - Aeróbico - Anaeróbico – Metabolismo intermedio - Anabolismo - Catabolismo - Ciclo - Simbionte - Coenzima - Gradiente electroquímico – Oxidación/Reducción - Potencial redox - Transportador - Inhibidor – Desacoplante -Ionóforo - Fuerza Protón-motriz.
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS Principios de bioenergética. Tipos de energías y diagramas de flujo de las mismas. Reacciones acopladas. Nucleótidos: estructura y funciones. Mecanismos de transporte a través de membranas. Sistemas de endomembranas.
TEMARIO Glucosa como fuente de energía. Glucólisis: ubicación celular de dicho proceso. Sustratos y productos de la vía. Rendimiento energético. Fermentación láctica y alcohólica: su importancia biológica. Respiración celular. Nucleótidos transportadores de poder reductor. Ciclo de Krebs: ubicación celular y características generales. Sustratos y productos de la vía. Su relación con otras vías del metabolismo intermedio: entrada al ciclo de ácidos grasos y aminoácidos. Estructura de la mitocondria. Membranas interna y externa: características estructurales y composición. Permeabilidad. Principales sistemas de intercambio localizados en estas membranas. Teoría endosimbiótica. Comparación de la mitocondria con la célula procarionte. Matriz: constituyentes. Proteínas importadas del citosol: mecanismos de importación. Mitorribosomas y ADN mitocondrial: estructuras e implicaciones biológicas. Cadena de transporte electrónico; membrana mitocondrial interna como asiento de dicho proceso. Complejos enzimáticos y transportadores intermediarios entre ellos; características generales de sus estructuras y funciones. Destino final de los electrones. Regulación de la vía. Control respiratorio. Inhibidores metabólicos; mecanismos de acción de los principales tipos.
Fosforilación oxidativa: estructura y función de la ATP sintetasa. Acoplamiento de la fosforilación a la transferencia de electrones. Fuerza protomotriz. Rendimiento energético; diferencias con los procesos anaeróbicos. Factores desacoplantes: definición, mecanismos de acción y ejemplos. Diferencia con los inhibidores metabólicos. Función biológica de desacoplantes naturales: grasa parda.
BIBLIOGRAFÍA
- Alberts, B. y otros. Biología molecular de la célula. Editorial Omega. Barcelona, 2004. (Cap. 2 pág. 68 –108, Cap. 12 pág. 678-686, Cap. 14 pag. 767-793).
- De Robertis, Edward M. &Hib, J. “Biología Celular y Molecular”. Editorial Promed, 2012.
- Lehninger, A. “Bioquímica’. Editorial.Omega.
- Blanco, A. “Química Biológica”. 8a Edición. Editorial El Ateneo. 2015
MATERIAL MULTIMEDIA SUGERIDO: Generalidades y respiración celular: https://www.youtube.com/watch?v=51o8szLbFfI Respiración celular: https://www.youtube.com/watch?v=-xgn0PQK3eQ https://www.youtube.com/watch?v=4Eo7JtRA7lg Ejercicios interactivos: https://www.cerebriti.com/juegos-de-ciencias/partes-de-una-mitocondria
UNIDAD DE ACCION Se pretende que el estudiante, en su casa, realice la guía de estudio utilizando la bibliografía seleccionada, y que en clase resuelva los ejercicios de aplicación con ayuda de los conceptos teóricos y la colaboración del docente.
CUESTIONARIO GUÍA DE ESTUDIO
1-. Respecto a la glucólisis: a) ¿En que compartimiento celular se produce? b) ¿Cuál es su función en organismos aeróbicos y cuál en anaeróbicos? c) ¿Qué entiende por proceso redox y qué ejemplo de ello encuentra en la glucólisis?
2-. Respecto al Ciclo de Krebs: a) ¿Cuál es la ubicación celular de dicho proceso? b) ¿En qué consiste la decarboxilación oxidativa del piruvato? ¿Cuál es su objetivo? ¿Forma parte dicho proceso del Ciclo de Krebs? ¿Dónde ocurre? c) ¿Mediante qué otras vías se pueden obtener intermediarios para el Ciclo de Krebs? d) ¿Cuál es el rendimiento energético de este proceso? e) ¿Cuál es la finalidad de este ciclo?
3- a) Esquematice una mitocondria y nombre todas las estructuras que la componen. b) Compare el esquema anterior con la estructura de una célula procariota. Utilice los resultados obtenidos para resolver el ítem c)
1- Observe el siguiente esquema del metabolismo intermedio: a) Complete el esquema con los siguiente términos y referencias: glucosa, aminoácidos, ácidos grasos, glucólisis, piruvato, acetilCoA, matriz mitocondrial, espacio intermembrana, citoplasma, ciclo de Krebs, transpotadores de electrones, cadena respiratoria, fosforilación oxidativa, membrana mitocondrial interna, membrana mitocondrial externa. b) Agregue al esquema los siguientes transportes a través de la membrana mitocondrial interna i- O 2 , ii-ATP/ADP, iii- Piruvato, iv- Fosfato inorgánico (Pi) v- CO 2. Explique de qué tipo de transporte se trata en cada caso y de dónde se obtiene la energía para impulsarlos en caso de ser necesario.
2. a) Escriba las ecuaciones generales que describen a cada uno de los siguientes procesos: i- glucólisis (partiendo de glucosa); ii- decarboxilación oxidativa del piruvato; iii- Ciclo de Krebs; iv- cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa. b) ¿Por qué si la oxidación desde un compuesto A hasta otro B libera la misma cantidad de energía independientemente del número de pasos intermedios
entre ambos estados, la célula degrada sus combustibles a través de una serie tan compleja de reacciones enzimáticas (recordar el alto costo de la síntesis proteica) y no en un solo paso?
3- Se midió la cantidad de ácido láctico que producen dos cultivos celulares que utilizan glucosa como única fuente de carbono y energía, observándose que en la célula A la producción es de 100:1 con respecto a la célula B. ¿Cómo puede interpretar esta diferencia si encuentra que ambas células consumen idéntica cantidad de glucosa por minuto? ¿Cómo será la producción de energía y el consumo de oxígeno de la célula A con respecto a la B?
4- Señale la premisa correcta y justifique su respuesta. i- La glucólisis es un proceso: A) que tiene lugar en el citosol B) a través del cual se oxida glucosa en ausencia de oxígeno C) en el cual se generan 4 moléculas de ATP/molécula de glucosa D) A y B son correctas E) TODAS son correctas
ii- La fermentación alcohólica: A) se realiza a nivel de Matriz mitocondrial B) es un proceso mediante el cual a partir de una molécula de piruvato se generan 1 etanol y 1 CO 2 y se sintetiza una molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato C) es un proceso que permite regenerar NAD+^ en condiciones anaeróbicas. D) B y C son correctas E) NINGUNA es correcta
iii- En la matriz mitocondrial se encuentran enzimas A) del ciclo de Krebs B) que permiten la transcripción y traducción del ADN mitocondrial C) de la β-oxidación D) de la decarboxilación oxidativa del piruvato E) TODAS son correctas
iv- En el ciclo de Krebs A) se produce la oxidación completa del grupo acetilo del acetil-CoA B) la mayor parte de la energía liberada se almacena bajo la forma de ATP C) se consume oxígeno D) A y B son correctas E) A y C son correctas
v- La ATP sintetasa A) cataliza la síntesis de ATP utilizando la energía de la disipación del gradiente de protones existente a través de la membrana mitocondrial externa. B) puede bombear protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana utilizando la energía de la hidrólisis de ATP C) Es un enzima que se puede encontrar en la membrana plasmática bacteriana D) A y C son correctas E) B y C son correctas
¿Podría utilizar alguno de los anteriores como marcador sérico de la enfermedad? ¿Cuál? ¿Por qué? d) Se observó que en la familia de este niño existían casos de la enfermedad en parientes de la línea materna. ¿Qué podría decir acerca de la localización del gen que codifica a la proteína en cuestión teniendo en cuenta que durante la fecundación prácticamente la totalidad del citoplasma del cigoto es aportado por el oocito. ¿Cuál es el riesgo hipotético de que el niño pueda transmitir la enfermedad a su progenie?
LECTURA COMPLEMENTARIA: Las enfermedades denominadas mitocondriales suelen presentarse tanto en etapa pediátrica como adulta, siendo progresivas y multisistémicas. El mayor daño es ocasionado a las células de órganos con una alta demanda energética tales como el cerebro, corazón, hígado, músculo esqueleto, riñón así como alteraciones en los sistemas endócrino y respiratorio. Dependiendo de qué células resulten afectadas, los síntomas pueden incluir pérdida de control motor, debilidad muscular y dolor; desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; crecimiento deficiente, enfermedades cardiacas, del hígado, diabetes, complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones.
6- En el siguiente cuadro se presentan algunos agentes que interfieren con la fosforilación oxidativa:
TIPO DE INTERFERENCIA
COMPUESTO MODO DE ACCION O COMPLEJO BLANCO AFECTADO Cianuro Monóxido de carbono Azida sódica
Inhiben el complejo de la citocromo oxidasa Antimicina Inhibición de la Carboxina Inhiben el complejo citocromos bc transferencia de electrones
Myxotiazol Rotenona Ptericidina Amital Demerol
Inhiben el complejo NADH deshidrogenasa
Inhibición de la ATP sintasa
Oligomicina DCCD Venturicidina
Bloquean el flujo de protones a través de F 0
Desacoplantes
Valinomicina Termogeninas
2,4 Dinitrofenol (DNP) Dicumarol
Ionóforo para K+ Moléculas que generan poros en la membrana interna de las mitocondrias Moléculas hidrofóbicas transportadoras de protones a través de la membrana Inhibidores indirectos
Atractilósido Ouabaina
Inhibe la traslocasa de ATP/ADP Inhibe la Bomba Na+/K+
a) Para cada tipo de agente describa detalladamente la secuencia de eventos que conducen finalmente a la inhibición de la fosforilación oxidativa. b) Teniendo en cuenta sus mecanismos de acción, complete el siguiente cuadro indicando el efecto que tendrá la adición de los compuestos indicados sobre los parámetros celulares presentados en la primera columna.
Efecto de la adición de: CIANURO ()* (^) 2,4-DNP ()*
Síntesis lípidos Absorción de aminoácidos en células del epitelio intestinal Consumo de O 2
Producción de CO 2
Concentración H+^ en matriz Concentración H+^ en espacio intermembrana
Gradiente de concentración de H+
Producción de NADH + H+ Degradación de acetil-CoA en ciclo de Krebs
(*) indique su efecto sobre los parámetros celulares en términos de: aumenta – disminuye – no cambia)
c) Considerando lo respondido en el ítem anterior respecto a los efectos de los compuestos indicados en el cuadro sobre el gradiente de concentración de H+, ¿cree usted que habrá síntesis de ATP si se aumenta experimentalmente (in vitro) la concentración de H+^ en el espacio intermembrana?
d) Realice un esquema para comprender cómo se modifica el estado redox si se produjera la inhibición de la cadena respiratoria a nivel de cada uno de los complejos. ¿Qué ocurrirá con el estado redox en presencia de un desacoplante? Justifique en cada caso su respuesta.
7- a) ¿Qué efecto tendrá la utilización de ouabaina sobre la respiración celular? ¿Por qué a este proceso se le denomina inhibición indirecta? b) ¿De qué manera se altera el consumo de oxígeno en una célula donde la actividad de la bomba Na+/K+^ se encuentra incrementada? c) Si se destruyeran todas las partículas elementales de las mitocondrias, ¿qué efecto podría tener sobre dicha bomba? ¿Qué consecuencias traería aparejada dicha situación sobre el volumen celular? Justifique.
8- Un laboratorio está estudiando la producción de una vacuna contra la bacteria AHK27. El cultivo celular de dicha bacteria requiere el gaseado con una mezcla de O 2 /CO 2 95/5% así como el agregado de glucosa como nutriente. a) Si con el agregado de 1 mol de glucosa por litro de medio de cultivo, éste sobrevive 12 días, ¿cuál será el consumo de ATP por litro de cultivo y por día? b) Si Ud. reemplaza el O 2 por N 2 , ¿puede sacar alguna conclusión respecto a sí su bacteria es aeróbica estricta o anaeróbica facultativa? ¿Cómo? c) ¿Cuál será el rendimiento de ATP por mol de glucosa en cada caso?
9- Ud. es un estudiante de medicina amante del deporte y como además es un ferviente seguidor de su equipo de fútbol, siempre comienza a leer el periódico por la sección deportiva. Para su sorpresa encuentra la siguiente nota periodística que combina sus dos pasiones el deporte y la medicina:
