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Mecanismos de bioquímica · Metabolic pathways

Glucólisis y ciclo del ácido cítrico

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

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Lo que aprenderás

  • Draw the phosphoryl transfers of hexokinase, phosphoglycerate kinase, succinyl-CoA synthetase and pyruvate kinase as in-line attacks on phosphorus.
  • Draw the enediol isomerisations, the aldolase Schiff-base retro-aldol and the enolase and fumarase eliminations and additions with the acid and base the active site supplies.
  • Explain how glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and isocitrate dehydrogenase couple hydride transfer to NAD⁺ with thioester formation or decarboxylation.
  • Draw the citrate synthase condensation and the aconitase dehydration–rehydration, and explain why each step's electrophile, nucleophile and stereochemistry are what they are.
  • Calculate ATP yields, ΔG from ΔG°′ and concentrations, and ΔG°′ from reduction potentials for glycolysis and the citric acid cycle.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

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Glycolysis: invest two ATP, then split

Glycolysis turns one glucose into two pyruvate. In the first half the cell spends two ATP. Hexokinase phosphorylates the 6-OH of glucose: the oxygen, deprotonated by an aspartate, attacks the terminal (γ) phosphorus of Mg²⁺-ATP in line with the bond to ADP, which leaves. The phosphate traps glucose in the cell as an anion and starts its activation. Phosphoglucose isomerase converts the aldose glucose 6-phosphate into the ketose fructose 6-phosphate, phosphofructokinase-1 adds a second phosphate at C1, and aldolase cuts fructose 1,6-bisphosphate (shown) between C3 and C4 into two three-carbon phosphates: dihydroxyacetone phosphate (C1–C3) and glyceraldehyde 3-phosphate (C4–C6). Hexokinase closes around glucose before it transfers phosphate; that induced fit keeps water out, so ATP is not simply hydrolysed.

Enediols and Schiff bases: carbonyl chemistry in an active site

Enzymes use the same carbonyl chemistry as the flask, with a carboxylate as the base and a protonated histidine or lysine as the acid. An isomerase removes the proton α to a carbonyl while an acid protonates the carbonyl oxygen, giving a cis-enediol (the triose phosphate isomerase intermediate is shown). Returning a proton to the other carbon moves the carbonyl one carbon along: aldose becomes ketose, or dihydroxyacetone phosphate becomes glyceraldehyde 3-phosphate. The enediol can also expel the neighbouring phosphate to give toxic methylglyoxal, which triose phosphate isomerase prevents by closing a loop over the intermediate. Class I aldolase first condenses a lysine with the C2 ketone of fructose 1,6-bisphosphate to give a protonated Schiff base (an iminium ion). The iminium is a far better electron sink than a ketone, so when a base removes the C4 hydroxyl proton the C3–C4 bond breaks, releasing glyceraldehyde 3-phosphate and leaving an enamine that is protonated on carbon. Sodium borohydride reduces this iminium to a stable amine and kills the enzyme, the classic evidence for the Schiff base.

Oxidation through a thioester

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase cannot take a hydride from the aldehyde directly, because nothing would push it off. A cysteine thiolate first adds to the aldehyde to give a thiohemiacetal; its oxygen lone pair then re-forms C=O and pushes the C–H hydride to C4 of the nicotinamide ring of NAD⁺, giving NADH and a thioester. The oxidation energy is kept in that thioester instead of being lost to a free carboxylic acid. Inorganic phosphate then attacks the thioester carbonyl, and the tetrahedral intermediate expels the cysteine to give the acyl phosphate 1,3-bisphosphoglycerate (shown). Arsenate can replace phosphate here, but the acyl arsenate hydrolyses at once, so the following ATP-forming step is bypassed.

Phosphoryl-transfer potential and the payoff phase

A phosphate can be passed to ADP only by a donor whose hydrolysis is more exergonic than that of ATP (ΔG°′ ≈ −30.5 kJ/mol). The acyl phosphate of 1,3-bisphosphoglycerate (≈ −49.3 kJ/mol) gives its phosphate to ADP on phosphoglycerate kinase, leaving the carboxylate of 3-phosphoglycerate. Phosphoglycerate mutase moves the phosphate to C2 through 2,3-bisphosphoglycerate, using a phosphohistidine. Enolase removes the C2 proton with a lysine, forming an aci-carboxylate (enolate) held by Mg²⁺, and a glutamate protonates the C3 hydroxyl as it leaves: an E1cB dehydration that gives phosphoenolpyruvate (shown). PEP (≈ −61.9 kJ/mol) is the strongest donor because the product it leaves, enolpyruvate, tautomerises to the far more stable keto form; pyruvate kinase transfers the phosphate to ADP and then protonates the enolate on carbon. Per glucose: −2 ATP (hexokinase, phosphofructokinase-1), +2 (phosphoglycerate kinase) and +2 (pyruvate kinase), so 2 ATP net and 2 NADH.

The citric acid cycle: condense, isomerise, decarboxylate

Citrate synthase joins acetyl-CoA to oxaloacetate. An aspartate removes a proton from the acetyl methyl group while a histidine supports the oxygen, giving the enol; the enol carbon adds to the ketone carbonyl of oxaloacetate, which a second histidine protonates. That is an aldol-type addition onto a ketone, not a Claisen attack on the thioester. Oxaloacetate binds first and creates the acetyl-CoA site, so acetyl-CoA is not hydrolysed wastefully; hydrolysis of the citryl-CoA thioester then makes the reaction strongly exergonic. Citrate (shown) is achiral, but its two CH₂CO₂⁻ arms are enantiotopic, and aconitase works only on the arm that came from oxaloacetate. Aconitase dehydrates citrate by E1cB (a serine alkoxide removes the CH₂ proton, a histidine protonates the leaving hydroxyl) to cis-aconitate, which flips by 180° in the active site; the same residues then add water the other way round, giving (2R,3S)-isocitrate. Isocitrate dehydrogenase oxidises the secondary alcohol to a ketone with NAD⁺, which turns the middle carboxylate into a β-keto acid that loses CO₂; a tyrosine protonates the enolate to give α-ketoglutarate.

Regenerating oxaloacetate and counting the energy

α-Ketoglutarate dehydrogenase releases the second CO₂ and makes succinyl-CoA. Succinyl-CoA synthetase lets phosphate attack the thioester to give succinyl phosphate, passes the phosphoryl group to a histidine and then to GDP (or ADP): the cycle's one substrate-level phosphorylation. Succinate dehydrogenase uses a covalently bound FAD, because the fumarate/succinate couple (E°′ ≈ +0.031 V) is far too positive to reduce NAD⁺ (E°′ ≈ −0.320 V). Fumarase adds water anti across fumarate through an aci-carboxylate (carbanion) intermediate, giving only L-(S)-malate. Malate dehydrogenase oxidises malate to oxaloacetate with NAD⁺ although ΔG°′ ≈ +29.7 kJ/mol; citrate synthase keeps oxaloacetate so scarce that ΔG in the cell is near zero. Use ΔG = ΔG°′ + RT ln Q and ΔG°′ = −nFΔE°′ (F = 96.485 kJ mol⁻¹ V⁻¹) for the numbers. With about 2.5 ATP per NADH and 1.5 per FADH₂, one acetyl-CoA gives 3 × 2.5 + 1.5 + 1 = 10 ATP equivalents.

What to carry forward

Every step of glycolysis and the citric acid cycle is ordinary carbonyl, enol and phosphoryl chemistry: find the electron sink (C=O, iminium, thioester, carboxylate), identify which residue removes or donates each proton, and track where phosphate, hydride and CO₂ go. Then the energy bookkeeping follows from ΔG°′, concentrations and reduction potentials.

Problemas de práctica (40)

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Dibuja el mecanismo 18

Ciclo del ácido cítrico: química del carbono

  • Aconitasa: deshidratación E1cB de citrato a cis-aconitatoDibuja la desprotonación del citrato mediada por serina hasta un aci-carboxilato y la pérdida del hidroxilo en C3 asistida por histidina que da cis-aconitato.
  • Aconitasa: rehidratación de cis-aconitato a isocitratoDibuja la adición conjugada de agua al cis-aconitato y la protonación del aci-carboxilato que da (2R,3S)-isocitrato.
  • Citrato sintasa: enolización del acetil-CoA y adición al oxaloacetatoDibuja la enolización del acetil-CoA por el par aspartato–histidina y la adición del carbono del enol a la cetona del oxaloacetato que da citril-CoA.
  • Citrato sintasa: hidrólisis del citril-CoA a citratoDibuja la adición de agua asistida por base al tioéster del citril-CoA, la pérdida del tiolato de CoA y la transferencia de protón que da citrato y coenzima A.
  • Isocitrato deshidrogenasa: oxidación, descarboxilación y protonación del enolatoDibuja la transferencia de hidruro del isocitrato al NAD⁺, la descarboxilación del β-cetoácido oxalosuccinato y la protonación del enolato que da α-cetoglutarato.

Glucólisis: inversión y ruptura

  • Aldolasa de clase I: ruptura retroaldólica de la base de Schiff de fructosa 1,6-bisfosfatoDibuja la ruptura C3–C4 de la imina de la aldolasa desencadenada por base, que libera gliceraldehído 3-fosfato y la enamina, y luego la C-protonación que da la imina de dihidroxiacetona fosfato.
  • Aldolasa de clase I: formación de la base de Schiff con fructosa 1,6-bisfosfatoDibuja la adición de la amina de la lisina a la cetona en C2 de la fructosa 1,6-bisfosfato, las transferencias de protón hacia la carbinolamina y la pérdida de agua que da la base de Schiff protonada.
  • Hexocinasa: transferencia de fosforilo del ATP a la glucosaDibuja el ataque en línea del 6-hidroxilo de la glucosa sobre el γ-fósforo del ATP, desprotonado por un aspartato, que da glucosa 6-fosfato y ADP.
  • Fosfoglucosa isomerasa: glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato a través de un enodiolDibuja la formación catalizada por base del cis-enodiol a partir de la glucosa 6-fosfato de cadena abierta y su colapso a la cetosa fructosa 6-fosfato, con el glutamato trasladando el protón del C2 al C1.
  • Triosa fosfato isomerasa: dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehído 3-fosfatoDibuja el mecanismo del enodiol por el cual la triosa fosfato isomerasa convierte la dihidroxiacetona fosfato en D-gliceraldehído 3-fosfato.

Glucólisis: fase de rendimiento

  • Enolasa: deshidratación E1cB del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvatoDibuja la desprotonación del 2-fosfoglicerato mediada por la lisina para dar su aci-carboxilato y la pérdida del hidroxilo de C3 asistida por el glutamato que da fosfoenolpiruvato.
  • Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa: fosforólisis del tioésterDibuja la adición de fosfato al tioéster acil-enzima y el colapso del intermediario tetraédrico que libera 1,3-bisfosfoglicerato y el tiolato de cisteína.
  • Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa: formación del tiohemiacetal y transferencia de hidruro al NAD⁺Dibuja la adición de la cisteína al gliceraldehído 3-fosfato y la transferencia de hidruro desde el tiohemiacetal al NAD⁺ que da el tioéster acil-enzima y NADH.
  • Fosfoglicerato cinasa: transferencia de fosforilo desde el 1,3-bisfosfoglicerato al ADPDibuja el ataque del ADP sobre el fósforo del acil-fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato que produce ATP y 3-fosfoglicerato.
  • Piruvato cinasa: transferencia de fosforilo del PEP al ADP y cetonizaciónDibuja la transferencia de fosforilo desde el fosfoenolpiruvato al ADP y la protonación en carbono del enolato de piruvato que da piruvato.

Ciclo del ácido cítrico: captura de energía

  • Fumarasa: hidratación del fumarato a L-malatoDibuja la adición de agua al fumarato asistida por base a través de un intermediario aci-carboxilato y su protonación a L-malato.
  • Malato deshidrogenasa: oxidación de L-malato a oxaloacetatoDibuja la eliminación concertada del protón hidroxílico por la histidina y la transferencia de hidruro desde el L-malato al NAD⁺ que da oxaloacetato.
  • Succinil-CoA sintetasa: de tioéster a acil-fosfato, a fosfohistidina y a GTPDibuja cómo la energía del tioéster del succinil-CoA pasa por el succinil fosfato y una fosfohistidina hasta formar GTP.

Predice el producto 6

Citric acid cycle: carbon chemistry

  • What does aconitase release?Predict the product aconitase forms when it rehydrates cis-aconitate.

Glucólisis: inversión y ruptura

  • ¿Qué produce la aldolasa?Predice las dos triosas fosfato que se forman cuando la aldolasa escinde la fructosa 1,6-bisfosfato entre C3 y C4.

Glucólisis: fase de rendimiento

  • ¿Qué produce la enolasa?Predice el producto de la deshidratación de 2-fosfoglicerato catalizada por la enolasa.
  • El intermediario de la fosfoglicerato mutasaPredice el intermediario bisofosfato de la fosfoglicerato mutasa dependiente de fosfohistidina.

Ciclo del ácido cítrico: captura de energía

  • ¿Qué malato produce la fumarasa?Predice la configuración del malato que se forma por la hidratación del fumarato aquiral catalizada por la fumarasa.

Ciclo del ácido cítrico: química del carbono

  • Ordena los intermediarios del cicloOrdena seis intermediarios del ciclo del ácido cítrico según la secuencia en que se forman, empezando por el citrato.

Clasificar 1

  • La fosforilación a nivel de sustrato del cicloClasifica qué enzima del ciclo del ácido cítrico produce un nucleósido trifosfato por fosforilación a nivel de sustrato.

Comparar 2

Glucólisis: fase de rendimiento

  • Ordena el potencial de transferencia de fosforiloOrdena los compuestos fosfatados de la glucólisis según su potencial de transferencia de fosforilo y decide cuáles pueden fosforilar el ADP.

Ciclo del ácido cítrico: captura de energía

  • ¿Por qué FAD y no NAD⁺ para el succinato?Compara los potenciales de reducción para explicar por qué la succinato deshidrogenasa usa FAD en lugar de NAD⁺.

Calcular 5

Glucólisis: inversión y ruptura

  • ¿La etapa de la aldolasa es cuesta abajo en la célula?Calcula ΔG para la reacción de la aldolasa a partir de ΔG°′ y las concentraciones, incluido el efecto de que un sustrato dé dos productos.

Glucólisis: fase de rendimiento

  • ATP neto de la glucólisis con arseniatoCalcula el rendimiento neto de ATP de la glucólisis cuando el arseniato reemplaza al fosfato en la etapa de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.
  • ATP neto de la glucólisisCuenta el ATP que se gasta y se produce en la glucólisis para obtener el rendimiento neto por glucosa.

Ciclo del ácido cítrico: captura de energía

  • Equivalentes de ATP por acetil-CoACalcula los equivalentes de ATP producidos por una vuelta del ciclo del ácido cítrico a partir de sus transportadores reducidos y del GTP.
  • ΔG°′ de oxidar succinato con NAD⁺Calcula ΔG°′ de una oxidación hipotética del succinato acoplada al NAD⁺ a partir de los potenciales estándar de reducción.

Encuentra el error 2

Ciclo del ácido cítrico: química del carbono

  • Encuentra el error en un mecanismo de la citrato sintasaDiagnostica una propuesta para la citrato sintasa en la que el nucleófilo y el electrófilo están invertidos.

Glucólisis: fase de rendimiento

  • Encuentra el error en un mecanismo de la GAPDHDiagnostica por qué no se puede quitar un hidruro del gliceraldehído 3-fosfato antes de que se adicione la cisteína.

Interpreta la evidencia 2

Glucólisis: inversión y ruptura

  • ¿Qué demuestra el experimento con borohidruro?Interpreta el experimento de atrapamiento con borohidruro de sodio como evidencia de una base de Schiff con lisina en la aldolasa de clase I.

Ciclo del ácido cítrico: química del carbono

  • ¿A dónde va la marca del C4 de la glucosa?Sigue el carbono marcado de la glucosa a través de la glucólisis y la piruvato deshidrogenasa hasta el paso que lo libera como CO₂.

Trabaja hacia atrás 1

  • ¿Qué sustrato da DHAP y gliceraldehído?Deduce, a partir de los productos de una ruptura C3–C4 por la aldolasa, la cetohexosa fosforilada que se fragmentó.

Explica por qué 3

Ciclo del ácido cítrico: química del carbono

  • ¿Cómo distingue la aconitasa los brazos del citrato?Explica cómo una enzima distingue los dos brazos enantiotópicos del citrato, que es aquiral.

Glucólisis: inversión y ruptura

  • ¿Por qué se fosforila primero la glucosa?Explica por qué la glucólisis comienza gastando ATP para fosforilar la glucosa en C6.
  • Por qué la xilosa hace que la hexoquinasa hidrolice ATPUsa el experimento con xilosa para explicar cómo el ajuste inducido protege el ATP de la hidrólisis en la hexoquinasa.

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