Universidad de Puerto RicoRecinto Universitario de Mayagüez

Departamento de Biología

Biol4368-040Dr. Carlos Ríos Velázquez

Integrantes:Carlina Román Abrams

Angélica M. Olmo FontánezEileen Soto Ruiz

Lillyann Asencio ZayasMariawy Riollano CruzWillie Bidot Rodríguez

Angélica Rivera GonzálezLourdes Alicea RodríguezNayda Meléndez Cáceres

Tema: Rutas Anapleróticas y Ciclo de Glioxilato

Introducción:

La meta de todo organismo vivo es obtener energía para la regulación de las diversas reacciones bioquímicas que permiten su funcionamiento óptimo. La fotosíntesis, la fermentación y la respiración celular, son sistemas que se caracterizan por realizar reacciones catabólicas y anabólicas para la producción de energía. Esta energía, permite que el organismo crezca, se repoduzca, responda a estímulos y sintetice moléculas, entre otras. A esta unión de diversas reacciones, se le conoce como metabolismo. En términos generales, la respiración celular de microorganismos quimioheterótrofos en presencia de oxígeno, envuelve la oxidación de compuestos orgánicos (carbohidratos, ácidos grasos, lípidos y aminoácidos) para la liberación de CO2, agua, y eventualmente, energía en forma de ATP. La respiración celular se divide en tres etapas: glucólisis, ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. El ciclo de Krebs es uno de los procesos más importantes que forma parte del catabolismo en células aérobicas. Existen dos rutas vinculadas a este ciclo: las rutas anapleróticas y el ciclo de glioxilato. En estas rutas, se induce la síntesis de intermediarios del ciclo de Krebs, y se añade una versatilidad metabólica a cada organismo, respectivamente.

Rutas Anapleróticas:

El ciclo de Krebs genera una serie de intermediarios con dos funciones principales: metabolismo energético y precursores anabólicos. En su función de precursores energéticos, cuatro de los ocho intermediarios se oxidan y la energía se conserva en coenzimas reducidas NADH y FADH2. Lo que posibilita la formación de un gran número de moléculas de ATP, por medio de la fosforilación oxidativa. (1). Por otra parte, en su función de intermediarios biosintéticos, se emplean reacciones anabólicas como: síntesis de ácidos grasos, aminoácidos y eventualmente nucleótidos, entre otros. Por ejemplo: alfa-cetoglutarato, sirve como precursor de glutamato, mientras que succinil-CoA sirve como precursor de porfirinas de los grupos hemos. Debido a la utilización de estos intermediarios para la síntesis de compuestos bioquímicos, se necesitan enzimas catalíticas que generen nuevamente los mismos. Estas reacciones se conocen como rutas anapleróticas.

Las rutas anapleróticas se encargan de reponer los intermediarios oxalacetato y malato, por medio de la carboxilación de: piruvato o fosfoenolpiruvato. Las concentraciones de los intermediarios del ciclo permanecen constantes (2), manteniendo así un equilibrio metabólico. Estas rutas actúan en organismos eucariotas: animales (seres humanos), plantas, hongos como Saccharomyces cerevisiae. También actúan en la gran mayoría de organismos procariotas, como por ejemplo: Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Campylobacter jejuni y Corynebacterium glutamicum. Este último se ha

demostrado que presenta las cuatro rutas anapleróticas (3). La figura no. 1 resume las rutas anapleróticas.

Las reacciones anapleróticas se caracterizan en que pueden ser endergónicas. La adición del grupo carboxilo al piruvato, es una reacción endergónica catalizada por la enzima piruvato carboxilasa. Debido a este sistema de relleno, el ciclo de Krebs se puede volver a restituir y las bio-moléculas producidas por los intermediarios pueden eventualmente, formar parte de fuentes de energía catabolizable. Estas reacciones ocurren bajo condiciones ambientales aerobias. Por otra parte, ya que, la ruta incorpora compuestos orgánicos y no produce energía, la misma es una asimilativa. Aunque, en la reacción donde PEP carboxiquinasa convierte a fosfoenolpiruvato en oxalacetato se genera GTP, esta molécula energética no es fundamental para el metabolismo del microorganismo.

Ciclo de Glioxilato

El Ciclo de Glioxilato es una ruta anabólica asimilativa, donde: no se genera energía y se incorpora la utilización de compuestos orgánicos. La misma es una modificación del Ciclo de Krebs presente en: bacterias, algunas plantas y protozoas. En plantas, este ciclo ocurre en organelos llamados: glioxisomas. Estos son necesarios para la germinación de las semillas en acetato. En el caso de las bacterias, este ciclo se lleva a cabo cuando las fuentes de carbono son muy limitadas. A diferencia del ciclo de Krebs, en el ciclo de glioxilato hay una serie de reacciones, que a través de la eliminación de decarboxilaciones, forman un compuesto de cuatro carbonos; el cual ayuda a la síntesis de glucosa. Este ciclo se caracteriza y se diferencia del Ciclo de Krebs, en que en el mismo se produce glucosa mediante gluconeogénesis, partiendo inicialmente, de ácidos grasos y acetatos El ciclo comienza de manera similar al Ciclo de Krebs: ocurre la unión de dos moléculas de acetil-CoA con una molécula de oxaloacetato hasta producir isocitrato a partir de citrato (Fig. 2). Es este el punto, en donde cada uno de estos ciclos alterna sus vías, ya que el Ciclo de Glioxilato produce succinato y glioxilato a partir de isocitrato. El glioxilato se une a acetil-CoA para producir malato, el cual a su vez, produce oxaloacetato, siendo este último, el encargado de la síntesis de glucosa. Este ciclo tiene dos enzimas características. Estas son: la isocitrato liasa, la cual está encargada de degradar el isocitrato en succinato y glioxilato, y la malato sintasa, la cual cataliza la reacción donde se une glioxilato con acetil-CoA, para producir malato.

La importancia de este ciclo recae en que le da la habilidad a ciertos organismos de crecer en: etanol, acetato, ácidos grasos o compuestos constituído por únicamente dos carbonos. Este ciclo es una manera alterna de sobrevivir en ambientes extremos con limitación de nutrientes, y es regulado según las necesidades celulares de cada organismo. Algunos microoorganismos aeróbicos como: Saccharomyces cerevisiae, Escherichia coli, Haloferax volcanii (halofilico extremo) y Debaryomyces hansenii, llevan a cabo este ciclo.

Resumen del Ciclo Glioxilato:

1. Incorporación de fuentes de carbonos.2. Citrato sintasa cataliza la unión de: Oxaloacetato y Acetil-CoA, para formar citrato.3. Si la célula lo requiere, esta molécula continúa con el Ciclo de Glioxilato.4. Isocitrato liasa, cataliza la conversión de Isocitrato en: Glioxilato y Succinato.5. Succinato entra de nuevo al Ciclo de Krebs y Glioxilato, y Malato sintasa cataliza su

conversión a Malato.6. Malato deshidrogenasa, cataliza la conversión de Malato, en Oxaloacetato.

Literatura Citada y Referencias:

• (1)Nelson, D and Cox, M. 2008. Principles of Biochemistry. 5THED. Chaper 16.2: Reactions of the Citric Acid Cycle, pp620. W.H. Freeman and Company.

• (2)Nelson, D and Cox, M. 2008. Principles of Biochemistry. 5THED. Chaper 16.2: Reactions of the Citric Acid Cycle, pp631. W.H. Freeman and Company.

• (3)Shirai, T. Et al. 2007. Study on roles of anaplerotic pathways in glutamate overproduction of Corynebacterium glutamicum by metabolic flux analysis. Microbial Cell Factories; 6:19. Available from: http://www.microbialcellfactories.com/content/6/1/19

• Moat, A. Et al. 2002. Microbial Physiology; Chapter 8: MICROBIAL STRESS RESPONSES. Copyright by Wiley-Liss, Inc.

• Moat, A. Et al. 2002. Microbial Physiology; Chapter 9 : ENERGY PRODUCTION AND METABOLITE TRANSPORT Copyright by Wiley-Liss, Inc.

• Yang, C. Et al. 2003. Analysis of Escherichia coli anaplerotic metabolism and its regulation mecanysm from the metabolic responses to altered dilution rates and phosphoenolpyruvate carboxykinase knockout. Biotechnol Bioeng; 84(2):129-44

• Rojas, O. Et al.2006. Analisis de Rutas Metabolicas en Pseudomonas auriginosa para la Producción de Polihidroxialcano a Partir de Glucosa Usando Modos Elementales. E-Gnosis Vol4, Art 12

• Velayudhan, J. Et al. 2002. Analysis of gluconeogenic and anaplerotic enzymes in Campylobacter jejuni: an essential role for phosphoenolpyruvate carboxykinase. Microbiology (2002), 148, 685–694

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• Cornah J. E., V. Germain, J. L. Ward, M. H. Beale, S. M. Smith. (2004). “LipidUtilization, Gluconeogenesis and Seedling Growth in Arabidopsis MutantsLacking the Glyoxylate Cycle Enzyme Malate Synthase”. Journal of Biological Chemistry (279): 42916-42923.

• J. A. Serrano Gomicia. (2000). Ciclo del glioxilato en el arquea halófilo Haloferax volcanii:análisis bioquímico, filogenético y transcripcional. Tesis doctoral de la Universidad deAlicante. Alicante, Espana.

• R. Y. Stainer, J. L. Ingraham, M. L. Wheelis, P. R. Painter. Metabolismo microbiano:reacciones de mantenimiento. Microbiología. (1992) Editorial Reverte, S. A. 2daedición. (4): 96-99.

• White, D. 2007. The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes. Oxford University Press. New York, NY. 3th ed. 223-224.