METABOLISMO CELULAR Metabolismo celular ruta vía metabólica ANABÓLICAS CATABÓLICAS

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1 METABOLISMO CELULAR Metabolismo celular: conjunto de reacciones químicas que se producen en la célula y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras con el fin de obtener materia (nuevas biomoléculas) y energía, necesaria para llevar a cabo las funciones vitales. Las reacciones encadenadas que permiten ir desde una molécula precursora hasta el producto final constituyen una ruta o vía metabólica. Las moléculas que intervienen en el proceso se llaman metabolitos. Cada reacción está catalizada por una enzima diferente y específica. Las rutas metabólicas pueden ser: ANABÓLICAS: biosíntesis de moléculas. Se forman enlaces. Permite renovar estructuras celulares y crecimiento. Conjunto de reacciones anabólicas: ANABOLISMO CATABÓLICAS: degradación de moléculas. Se rompen enlaces. La célula obtiene energía. Conjunto de reacciones catabólicas: CATABOLISMO 1

2 Comparación catabolismo y anabolismo CATABOLISMO Son reacciones de degradación Son reacciones de oxidación Desprenden energía A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos ANABOLISMO Son reacciones de síntesis Son reacciones de reducción Precisan energía A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes. Es un conjunto de vías convergentes Es un conjunto de vías divergentes

3 Conjunto de reacciones metabólicas de degradación de moléculas orgánicas. Se rompen enlaces de moléculas orgánicas complejas para transformarse en otras más sencillas. En todos los organismos. Finalidad: -Obtención de energía en forma de ATP. Degradación oxidativa de moléculas orgánicas. -Poder reductor que se empleará en anabolismo. NADH, NADPH, FADH2. -Precursores metabólicos: para la síntesis de componentes. Moléculas orgánicas complejas Moléculas sencillas ATP NADH, NADPH, FADH2 PRECURSORES METABÓLICOS 3

4 Molécula reducida AH2 A Molécula oxidada 2H + + 2e- NAD+ NADH + H + Oxidación implica: -Ganancia de átomos de oxígeno -Pérdida de átomos de hidrógeno -Pérdida de electrones Las reacciones de oxidación se producen a la vez que reacciones de reducción. El compuesto que se oxida cede el hidrógeno o los electrones al compuesto que se reduce. Forma oxidada Forma reducida En catabolismo, compuesto que se oxida cede átomos de hidrógeno a las coenzimas de óxidoreducción: NAD+, NADP+ y FAD. Estos los ceden al compuesto que se reduce (aceptor final). 4

5 Oxidación en seres vivos mediante dos rutas catabólicas: -Fermentación Oxidación incompleta: aceptor final de electrones es otro compuesto orgánico. En ausencia de oxígeno. ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Citoplasma Compuesto P Compuesto ADP ATP Fosforilación a nivel de sustrato 5

6 -Respiración celular Oxidación completa de compuestos orgánicos. Aceptor final de electrones es un compuesto inorgánico. Si es oxígeno: respiración aerobia Si es otro compuesto: respiración anaerobia ATP se forma por fosforilación asociada a gradiente quimiosmótico: fosforilación oxidativa. En mitocondria 6

7 CATABOLISMO DE GLÚCIDOS Los glúcidos son las moléculas más utilizadas por las células para obtener energía. De ellos, la glucosa es la más importante. El catabolismo o degradación de la glucosa puede hacerse por: -Respiración celular -Fermentación Los dos procesos se inician con la glucólisis o glucolisis. GLUCOSA PIRUVATO GLUCOLISIS 02/16/12 RESPIRACIÓN CELULAR FERMENTACIÓN

8 Glucolisis: (lisis= rotura, descomposición) Ruta metabólica de diez reacciones catalizadas por enzimas. Una molécula de glucosa es degradada en el citosol para formar dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato). Se sintetiza ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Etapa común a distintas rutas del catabolismo de la glucosa (fermentación y respiración). ETAPAS: 1. Consumo de energía. Por cada glucosa se consumen dos ATP y se forman dos moléculas de gliceraldehído-3-p 2. Producción de energía: se forman poder reductor (NADH + H + ) y energía en forma de ATP. Se obtiene dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato). 8

9 ENZIMAS 1. Fosfotransferasa 2. Isomerasa 3. Fosfotransferasa 4. Liasa (rompe enlace C-C) 5 (4a). Isomerasa 6 (5). Reacción de deshidrogenación. Deshidrogenasa 7 (6). Fosfotransferasa. Fosforilación a nivel de sustrato. 8 (7). Isomerasa 9 (8). Liasa. Deshidratación 10 (9). Fosfotransferasa. Fosforilación a nivel de sustrato. 9

10 Glucosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2 H 2 O CLAVES Citoplasma. ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Baja eficacia energética. Genera poder reductor ( 2 NADH + 2H + ). Suministra precursores metabólicos. No necesita oxígeno. Ruta metabólica muy antigua. Universal. RENDIMIENTO ENERGÉTICO Dos moléculas de ATP. Dos moléculas de NADH + H + 10

11 - Eucariotas y muchos procariotas. - Ruta metabólica que oxida completamente el piruvato obtenido en la glucólisis. - Electrones de la glucosa (piruvato) van inicialmente a NAD + y FAD. - Estos los ceden a transportadores electrónicos. - Finalmente al O 2 ETAPAS: 1. Formación de Acetil-CoA. (descarboxilación oxidativa piruvato) 2. Ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. 3. Fosforilación oxidativa: - Transporte electrónico - Formación gradiente quimiosmótico. - Síntesis ATP 11

12 Todas las moléculas que la célula utiliza para obtener energía en el catabolismo, confluyen en acetil-coa. Este se incorpora al ciclo de Krebs y se oxida completamente a CO 2 y H 2 O. 12

13 - Piruvato obtenido en glicolisis entra en mitocondria. - En la matriz ocurre la descarboxilación oxidativa. - Catalizada por piruvato deshidrogenasa. * Grupo carboxilo se pierde como CO 2 * Oxidación del piruvato. * Se une CoA (CoA-SH). * Se produce NADH + H + 13

14 Ruta cíclica que oxida el acetil-coa a CO 2. Los electrones son cedidos a NAD + y FAD obteniéndose poder reductor. El acetil-coa puede proceder de la glucosa, o de la oxidación de los ácidos grasos o de los aminoácidos. En la matriz mitocondrial (eucariotas). FUNCIONES: - Obtención de poder reductor. (NADH + H + y FADH 2 ) - Obtención de precursores metabólicos. - Obtención energía: GTP por fosforilación a nivel de sustrato. 14

15 02/16/12

16 En una vuelta completa se obtienen: - 1 GTP (ATP) - 3 NADH + 3H CO 2 El ciclo de Krebs es una ruta anfibólica: - A él se incorporan moléculas procedentes de otras rutas catabólicas. - Es punto de partida de rutas anabólicas (biosintéticas). - Es clave en procesos anabólicos y catabólicos. 16

17 -Síntesis de ATP en respiración celular. - Membrana interna mitocondrial. - ATP sintasa: enzima translocadora de protones. - Síntesis de ATP es endergónica. Energía es aportada por transporte electrónico y gradiente de protones y posterior entrada de estos protones a la matriz mitocondrial a favor de gradiente electroquímico. 17

18 Los electrones contenidos en el FADH 2 y en el NADH + H +. son cedidos a la cadena de transporte electrónico. Complejos proteicos que están en la membrana interna mitocondrial que transportan los electrones hasta el oxígeno, último aceptor, formándose H 2 O. 18

19 CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES - Formada por complejos proteicos asociados a la membrana interna mitocondrial. -Tienen capacidad de reducirse y de oxidarse: aceptan electrones y los ceden. -Moléculas pransportadoras colocadas según gradientes de potenciales de óxido-reducción. - Sus componentes fundamentales son: Complejo I (NADH deshidrogenasa). Acepta un par de e- de NADH + H+ y los cede a la Coenzima Q. Con átomo de Fe. - Ubiquinona o coenzima Q: liposoluble. - Complejo II (Succinato deshidrogenasa). También hierro. Interviene en ciclo de Krebs, paso succinato a fumarato. Recoge electrones de FADH 2 y los cede a coenzima Q. - Complejo III (citocromo b-c 1 ). Grupos hemo. - Complejo IV (citocromo oxidasa). Cu. Transfiere electrones a oxígeno molecular. 19

20 FORMACIÓN GRADIENTE QUIMIOSMÓTICO La energía liberada en transporte electrónico se emplea para bombear protones desde matriz a espacio intermembranoso. Potencial electrico. Membrana interna como condensador electrico, carga + a un lado; - a otro. A un lado y otro de la membrana interna hay gradiante electroquímico de protones (diferencia de cargas y de concentración). FUERZA PROTÓN MOTRIZ Por cada molécula de NADH + H+ que cede e- se forman 3ATP. Por cada FADH2, se forman 2ATP 20

21 21

22 Formada por una cabeza con varias subunidades orientada a la matriz mitocondrial (F1). Otra parte (F0) integrada en la membrana interna mitocondrial. Ambas unidas por un pedúnculo. F0 es un canal de protones. F1 lleva a cabo la síntesis de ATP. Motor más pequño que se conoce. 20 nm de longitud. El pedúnculo gira a 100 vuelta/s junto con las 12 subunidades que forman F0. La rotación genera cambios de conformación en las subunides de F1 que provocan que el ADP se una a P y se forme ATP. 22

23 vídeo 23

24 1. Glucólisis 1 Glucosa + 2 NAD ADP + 2 Pi 2 Ác. pirúvico + 2 NADH + 2 H ATP 2. Del ácido pirúvico al acetil CoA 2 Ác. pirúvico + 2 HS-CoA+ 2 NAD + 2 CO NADH + 2 H Acetil-CoA 3. Ciclo de Krebs. 2(Acetil-CoA+3H 2 O+3NAD + +FAD+ADP+Pi) 4CO 2 +6NADH+6H + +2FADH 2 +2ATP+2SH-CoA Glucosa+6H 2 O+10NAD + +FAD+4ADP+4Pi 6 CO NADH +10H FADH ATP (x 3 ATP) (x 2 ATP) 4. Cadena respiratoria: 30 ATP + 4 ATP = 34 ATP 12 H 2 O 10 H 2 O 2 H 2 O TOTAL = 38 ATP 24

25 El balance puede ser también de 36 ATP. Depende de los trasportadores (lanzaderas) que emplee el NADH citosólico para entrar en la mitocondria. Esto a su vez depende del tipo celular. En células musculares y del sistema nervioso se emplea la lanzadera glicerol-3-p y en hígado, riñón y corazón se emplea la malato-aspartato. NADH + H + + FAD Citoplasmático Mitocondrial NADH + H + + NAD + Citoplasmático Mitocondrial NAD + + FADH 2 Citoplasmático Mitocondrial Lanzadera glicerol 3 - P Balance: 36 ATP NAD + + NADH + H + Citoplasmático Mitocondrial Lanzadera malato-aspartato Balance: 38 ATP

26 Oxidación parcial de la glucosa. No necesita oxígeno (a veces tiene lugar en su presencia). Último aceptor de los electrones es una molécula orgánica. Síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Realizada por: - Bacterias anaerobias estrictas y bacterias anaerobias facultativas. - Algunas células eucariotas (musculares) Además de glucosa, el sustrato puede ser: - polisacáridos origen vegetal (almidón y celulosa). BUTÍRICA. Descomposición restos vegetales del suelo. Compost - proteínas. PÚTRIDA. Productos orgánicos malolientes (indol, escatol, cadaverina). Cadáveres de animales y de vegetales. Olor quesos. 26

27 ETAPAS - OXIDACIÓN (glucólisis). Forma NADH + H + - REDUCCIÓN: piruvato se reduce y se regenera NAD + TIPOS Fermentación láctica Fermentación alcohólica 27

28 - Glucólisis - Reducción piruvato a lactato. Enzima: lactato deshidrogenasa. Bacterias lácticas: Lactobacillus, Lactococcus. Anaerobias aerotolerantes. Queso, yogur, kéfir. Conservación productos vegetales o cárnicos. 28

29 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA - Glucólisis - Reducción piruvato se escinde en CO2 y acetaldehído, que se reduce a etanol.. Enzima: alcohol deshidrogenasa. Levaduras: Saccharomyces cerevisiae. Fermenta en anaerobiosis y respira si hay oxígeno en medio. Efecto Pasterur. Producción de pan y bebidas alcohólicas. 29

30 Solo en bacterias. Respiración anaerobia Aceptor final no es oxígeno sino nitrato, hierro o un compuesto orgánico Síntesis de ATP por fosforilación oxidativa. Respiración quimiolitótrofa Se oxidan compuestos inorgánicos (NH3, azufre, hierro). Son los dadores de electrones. El aceptor final es el oxígeno. ATP por fosforilación oxidativa. Son autótrofos. 30

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