TEMA 7: FISIOLOGÍA CELULAR 1

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1 TEMA 7: FISIOLOGÍA CELULAR 1 1. METABOLISMO El metabolismo es el conjunto de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula y que hacen posible la vida. Las clasificamos en dos grandes grupos de reacciones agrupadas en rutas: 1) Catabolismo: conjunto de reacciones metabólicas de degradación, en las que se rompen enlaces C-C y se obtiene su energía, para ser almacenada en forma de ATP. Por tanto, a partir de moléculas grandes se obtienen moléculas sencillas, ATP y moléculas reducidas (NADPH, NADH, FADH 2 ) 2) Anabolismo: conjunto de reacciones metabólicas de síntesis, en las que utilizamos la energía (ATP) y el poder reductor (NADPH, NADH, FADH 2 ) para fabricar moléculas grandes a partir de moléculas sencillas. 2. RESPIRACIÓN 2.1. Glucolisis Es el conjunto de reacciones de rotura de la glucosa hasta obtener ácido pirúvico. Estas reacciones transcurren en el citosol en varias etapas: 1) Fase de activación: tiene lugar mediante la adición de grupos fosfato. 2) Fase de ruptura: del azúcar de 6 C en dos moléculas de 3C (triosas) 3) Oxidación de la triosa y reducción del NAD + 4) Obtención de ATP (fosforilación a nivel de sustrato). La oxidación de una molécula de glucosa da lugar a la formación de dos moléculas de ácido pirúvico y a la síntesis neta de 2 ATP y 2 NADH 2.2. Fermentación Es un proceso de obtención de energía alternativo a la respiración, que tiene lugar en el citosol, y en el que la célula mantiene cíclicamente el proceso de la glucolisis. Para ello debe reducir el ácido pirúvico obtenido y simultáneamente reciclar el NADH en NAD +. En muchos organismos unicelulares no importa el producto final obtenido (etanol, ácido láctico, butírico, etc.) sino el NAD +, para poder seguir con la glucolisis. El rendimiento de la fermentación son por tanto sólo los 2ATP de la glucolisis. 1) Fermentación láctica: en ella el ácido pirúvico es el último aceptor de los electrones del NADH, convirtiéndose en ácido láctico. La realizan las células en ausencia de oxígeno, para poder mantener el proceso de obtención de energía (ATP).

2 2) Fermentación alcohólica 2.3. Oxidación del pirúvico El ácido pirúvico sufre una descarboxilación oxidativa para pasar a Acetil-CoA en la matriz de la mitocondria Ciclo de Krebs Es un ciclo de reacciones denominado también ciclo del ácido cítrico. Cada molécula de Acetil-CoA que entra en el ciclo se oxida totalmente hasta convertirse en CO 2. En cada vuelta del ciclo se obtienen 3 moléculas de NADH, 1 de FADH 2 y 1 de GTP (nucleótido equivalente al ATP a efectos de rendimiento energético). El acetil-coa que entra en el ciclo puede proceder de la glucosa, los ácidos grasos, aminoácidos, etc., por lo que el ciclo es un punto de encuentro de muchas rutas metabólicas. Las sustancias que lo forman también pueden ser usadas en otras rutas (reacciones anapleróticas) Cadena de transporte de electrones Cuando un electrón se encuentra en un orbital externo es capaz de ceder parte de su energía al saltar a un orbital más cercano al núcleo y en consecuencia más estable. La cadena de transporte está formada por 4 complejos proteicos ordenados por potencial de óxido-reducción, situados en la membrana interna. El proceso se inicia cuando el NADH obtenido en la respiración, cede sus electrones al primer complejo proteico (NADH deshidrogenasa). Los pares de electrones pasan de un complejo al siguiente hasta pasar del 4º a una molécula de oxígeno, así van pasando a niveles energéticos inferiores y sucesivamente más estables. En los complejos 1, 3 y 4 al pasar los pares de electrones, se aprovecha la energía del salto para meter protones hacia el espacio intermembranoso. El FADH2 también cede pares de electrones a la cadena, pero lo hace en el

3 complejo 2, como un afluente de la cadena principal, de modo que estos electrones sólo producen entrada de protones en los complejos 3 y 4. A veces los electrones saltan fuera de la cadena hacia el oxígeno y forman radicales libres, muy reactivos, que deterioran la mitocondria Fosforilación oxidativa Según la hipótesis quimiosmótica (P. Mitchell) los protones almacenados en el espacio intermembranoso pasarían a favor de gradiente a través de las partículas F1 (ATP sintasa) produciendo un movimiento rotacional en los tallos de estas partículas. La energía del movimiento se utilizaría para unir ADP a grupos fosfato formándose ATP. Así las moléculas de NADH producirían 3 ATP, mientras las de FADH2 sólo producirían 2 ATP. (Es así porque sólo se aprovecha el 40% de la energía, el resto se pierde como calor. Si la maquinaria fuera perfecta serían 7 ATP/NADH) 3. BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN DE LA GLUCOSA INICIO FIN RENDIMIENTO EQUIV. ATP GLUCOLISIS 1 GLUCOSA 2 PIRÚVICO 2 ATP 2 NADH 2 ATP 6 ATP OXID. PIRÚVICO 2 PIRÚVICO 2 ACETIL-CoA 2 NADH 6 ATP CICLO KREBS 2 ACETIL-CoA 4 CO2 2 GTP 6 NADH 2 FADH2 2 ATP 18 ATP 4 ATP TOTAL: 38 ATP 4. RESPIRACION, FERMENTACIÓN Y DEUDA DE OXÍGENO 1) Respiración: en ella la glucosa se oxida totalmente hasta convertirse en CO2 y H2O, y el NADH y el FADH2 transfieren sus electrones hasta llegar a algún aceptor inorgánico. - Aerobia: el aceptor final es el O2 - Anaerobia: el aceptor final puede ser el NO3-, SO4-, CO2, SH2, 2) Fermentación: la glucosa no se oxida totalmente y el NADH transfiere sus electrones a moléculas orgánicas sencillas como el acetaldehído o el ácido

4 láctico. La fermentación se desencadena en nuestras células cuando no hay oxígeno presente para recoger los electrones de la cadena de transporte; en ese caso las proteínas de la cadena se quedan con sus electrones y no pueden coger los que van a ceder el NADH Y FADH2, por lo que se almacenan estas coenzimas reducidas y paralizan el ciclo de Krebs, esto hace que se acumule el Acetil-CoA y, finalmente el pirúvico, lo que induce la fermentación. 3) Deuda de oxígeno: Se denomina así al esfuerzo respiratorio adicional que se produce cuando acaba el ejercicio. Su función es suministrar una cantidad adicional de oxígeno para hacer frente al reciclaje del ácido láctico formado (va a las células del hígado para reconvertirse en pirúvico o glucosa en el llamado ciclo de Cori) y para fabricar el ATP de reserva celular que se perdió durante el ejercicio (la reserva es de unos 10 9 moléculas de ATP por célula). 5. RESPIRACIÓN CON LÍPIDOS Y AMINOÁCIDOS Las células también pueden obtener energía de los ácidos grasos y los aminoácidos. Pero para ello primero deben ser transformados para poder entrar al ciclo de Krebs β-oxidación de los ácidos grasos o espiral de Lynen Los ácidos grasos se transforman en moléculas de Acetil-CoA en la matriz mitocondrial mediante la β-oxidación, perdiendo en cada ciclo de reacciones 2C de la cadena, que se transforman en Acetil-CoA, después estas moléculas entran al ciclo de Krebs. De esta manera, siempre obtendremos la mitad de moléculas de Acetil-CoA que nº de átomos de C que tenga el ácido graso. En la β-oxidación se obtienen además tantas moléculas de NADH y de FADH 2 como ciclos de reacciones se hayan producido (siempre uno menos que moléculas de Acetil-CoA). Debemos tener en cuenta que la activación de la molécula del ácido graso, que consiste en su unión a la CoA, gasta 2 ATP. Ecuación global (palmitato): CH 3 -(CH 2 ) 14 -CO-CoA + 7FAD + 7H 2 O + 7NAD + 8CH 3 -CO-CoA + 7 FADH 2 + 7NADH + 7H + Ej.: Oxidación del ácido láurico (12 C): - Obtendremos 6 moléculas de Acetil-CoA en 5 ciclos de reacciones y por tanto obtendremos también 5NADH y 5 FADH 2

5 - Las 6 de Acetil-CoA en el ciclo de Krebs producirán 18 NADH, 6 FADH 2 y 6 GTP. INICIO FIN RENDIMIENTO EQUIV. ATP ACTIVACIÓN 1 LÁURICO LAURICIL-CoA -2 ATP -2 ATP β-oxidación LAURICIL-CoA 6 ACETIL-CoA 5 NADH 5 FADH 2 15 ATP 10 ATP CICLO KREBS 6 ACETIL-CoA 12 CO 2 6 GTP 18 NADH 6 FADH Oxidación de aminoácidos 6 ATP 54 ATP 12 ATP TOTAL: 100 ATP Para obtener la energía de los aminoácidos es necesario en primer lugar quitarle el grupo amino, mediante una reacción de desaminación (por la que se convierten en α-cetoácidos como el Pirúvico) o de transaminación. Los grupos amino se transforman en radicales amonio que son tóxicos y deben reciclarse en grupos amino para otros aminoácidos o convertirse en urea para ser eliminados con la orina. Acetil-CoA Intermediarios de la glucolisis CETOÁCIDO Intermediarios del C. de K Pirúvico + AMINOÁCIDO NH 4 NADH Se utiliza para formar otros aminoácidos NAD + Se elimina formándose la urea (1 CO NH + 4 ) 6. GLUCOGENOGÉNESIS Y GLUCOGENOLISIS El glucógeno es el polisacárido de reserva de las células animales. Está formado por cadenas enrolladas en forma de espiral y con bastantes ramificaciones, lo que le permite ser una alternativa de respuesta rápida, pues simultáneamente se pueden extraer glucosas de todos los extremos de las ramas. La glucogenogénesis se produce cuando la glucógeno sintetasa coge la glucosa unida a UDP y la une a la cadena. Cuando hay suficiente número de glucosas en el extremo de la cadena, la enzima ramificante coge un grupo de glucosas y forma una ramificación. La glucogenolisis la realiza la glucógeno fosforilasa, que quita una unidad de glucosa uniéndola a un grupo fosfato.

6 6.1 Regulación de la síntesis y degradación del glucógeno - Si baja la concentración de glucosa aumenta la secreción de adrenalina (que actúa sobre el músculo y el hígado) y glucagón (actúa sobre el hígado) y ambas activan el proceso de degradación del glucógeno para obtener glucosa. - Si sube la concentración de glucosa, aumenta la secreción de insulina y cortisol que inducen la biosíntesis de glucógeno. 7. BIOSÍNTEISIS DE GLUCOSA, LÍPIDOS Y AMINOÁCIDOS 7.1. Gluconeogénesis La gluconeogénesis es el proceso de síntesis de glucosa. Se produce sobre todo en el hígado, mediante una ruta inversa a la glucolisis pero con otras enzimas en algunos pasos, pues en la mayoría son las mismas enzimas actuando en sentido inverso. El proceso necesita energía. Los precursores pueden ser el pirúvico, el PEP (fosfoenolpirúvico), oxalacético o fosfoglicerato Biosíntesis de lípidos Los ácidos grasos se sintetizan por adición de moléculas de Acetil-CoA. Las grasas se forman posteriormente por esterificación de los ácidos grasos con la glicerina. El proceso se inicia con los excedentes de: - Glucosa: en este caso se transforma en pirúvico, que pasa a Acetil-CoA. - Acetil-CoA mediante un proceso contrario al de la β-oxidación Biosíntesis de aminoácidos La formación de nuevos aminoácidos supone la formación de un esqueleto carbonado y la adición de un grupo amino. - Los precursores para formar el esqueleto carbonado son el pirúvico, el PEP, el fosfoglicérico, oxalacético, que se convierten en cetoácidos. - El grupo amino se recupera de aminoácidos que lo almacenan como el ácido glutámico y la glutamina, que lo ceden para formar nuevos aminoácidos.

7 TEMA 8: FISIOLOGÍA CELULAR II 1. FOTOSÍNTESIS Proceso energético que tiene lugar en los cloroplastos, con dos fases: en la fase luminosa se forman ATP y NADPH con ayuda de la luz, y en la fase oscura se emplean el ATP y el NADPH para fabricar azúcares reduciendo el CO FOTOSISTEMAS 1) Funcionamiento y partes de un fotosistema Un fotosistema es un conjunto de cientos de moléculas de pigmentos fotosensibles agrupados en la membrana del tilacoide (clorofilas, carotenoides, xantofilas, etc). Su función es captar fotones de la luz solar. El sol emite muchos más fotones rojos (menos energéticos) que azules (más energéticos), los fotones verdes (intermedios) se encuentran en menor cantidad por lo que las plantas se han adaptado para absorber menos de este tipo. Un fotosistema tiene dos zonas funcionales: - El complejo antena: formado por moléculas de pigmento que atrapan fotones de la luz solar. Cuando atrapan fotones azules,de energía elevada, deben convertirla en una energía menor, por lo que uno de los electrones del pigmento que absorbe luz azul, capta la energía y después la libera para volver a su estado original, entonces la energía es cogida por otro pigmento, así sucesivamente la energía va siendo menor hasta llegar al centro del fotosistema. La disposición ordenada de los pigmentos convierte también en rojos los colores cian, verde y amarillo. - El centro de reacción: formado por una molécula de clorofila a, que sólo puede captar fotones rojos, de baja energía. En el centro de reacción se encuentra el complejo productor de oxígeno, que rompe una molécula de agua. 2) Tipos de fotosistemas - PSI: en su centro de reacción tiene una molécula de clorofila a que absorbe preferentemente luz de 700 nm (P 700 ) y que se encuentra sobre todo en las lamelas estromales - PSII: en su centro de reacción tiene una molécula de clorofila a que absorbe preferentemente luz de 680 nm (P 680 ) y se encuentra sobre todo en las lamelas granales. 2. FASE LUMÍNICA Comprende una serie de reacciones químicas que tienen lugar en la membrana del tilacoide, donde se encuentran embutidas una serie de proteínas que forman una cadena de transporte de electrones y las ATP sintasas, productoras del ATP. Como consecuencia de esta fase se forman el NADPH y el ATP necesarios para la fabricación de azúcares por las plantas en la fase oscura.

8 1) Transporte de electrones. El transporte se inicia cuando los fotones inciden sobre el PSII y excitan un electrón de uno de los pigmentos, las excitaciones se transmiten al centro de reacción y un electrón de la clorofila a (P 680 ) salta cargado de energía hacia la primera proteína de la cadena de transporte. Después va pasando sucesivamente hacia proteínas con más avidez de electrones (Feofitina, Plastoquinona, Citocromo, Plastocianina). El electrón perdido por la clorofila a, lo recupera del agua, cuya molécula se rompe en el complejo productor de O 2, liberando protones, electrones y oxígeno. La energía del paso por la plastoquinona y el Citocromo es aprovechado para pasar protones al espacio tilacoidal, de forma que se va formando un gradiente de protones como en el caso de la mitocondria. El fotosistema 1 (PSI) realiza el mismo proceso en el segundo tramo de la cadena, saltando de su centro de reacción (P 700 ) un electrón cargado de energía, que es repuesto por el que ya había recorrido el primer tramo de la cadena proveniente del PSII. El electrón pasa a la ferredoxina y finalmente pasa a formar el NADPH. 2) Fotofosforilación Según la hipótesis de Mitchell, la salida de los protones del tilacoide a través de las partículas F0-F1 (ATP sintasas) produciría energía que sería aprovechada para unir ADP a un grupo fosfato y formar el ATP, de igual manera que en las mitocondrias. La energía del enlace la produce un rotor del complejo, al girar con el paso de los protones. 3) Transporte cíclico Se produce cuando la ferredoxina móvil coge el electrón del PSI y lo vuelve hacia la plastoquinona, en lugar de destinarlo a formar NADPH. Como consecuencia los electrones entran en un ciclo y no se produce NADPH. En cambio sí se aumenta el gradiente de protones pues estos siguen entrando al tilacoide al paso de los electrones por la plastoquinona y el citocromo. Por tanto este tipo de transporte sólo da lugar a la formación de ATP

9 4) Rendimiento del transporte cíclico y no cíclico En el transporte no cíclico se generan 1 ATP y 1 NADPH por cada molécula de agua que cede sus electrones a la cadena. En cambio en el transporte cíclico se genera sólo la mitad del ATP en cada vuelta. El transporte cíclico sirve pues para proveer de una cantidad adicional de ATP a la célula. La ecuación general que refleja las reacciones de la fase luminosa sería: 12 H 2 O + 12 NADP ADP + 18 P 6 O NADPH + 12 H ATP 3. FASE OSCURA (ciclo de Calvin) En este ciclo de reacciones, una enzima (RUBISCO: ribulosa 1, 5 bisfosfato carboxilasa, oxigenasa) toma la ribulosa y el CO2, gracias a su actividad carboxilasa, y fabrica 2 moléculas de Ácido 3 fosfoglicérico, este compuesto recibe más grupos fosfato del ATP y posteriormente es reducido por el NADPH para poder fabricar azúcares sencillos (triosas como el gliceraldehido 3P) y otras moléculas orgánicas a partir de ellos. La cadena de reacciones se bifurca para poder restaurar la ribulosa, que reinicia el ciclo. 1. Fases del ciclo 1) Carboxilación: Fijación del CO 2 y partición de la molécula de 6C 2) Reducción: Formación del GAP (Gliceraldehido 3P) que es una triosa precursora de la glucosa 3) Regeneración de la ribulosa. 2. Ecuaciones globales La ecuación general de las reacciones de la fase oscura sería: 12 NADPH + 12 H ATP + 6 CO 2 C 6 H 12 O NADP ADP + 18 P + 6 H 2 O Ecuación global de la fotosíntesis: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O 4. FOTORRESPIRACIÓN Proceso energético de función poco conocida que se produce cuando la RUBISCO realiza su actividad oxidasa, catalizando la unión del oxígeno a la ribulosa (en lugar del CO 2 ). De esta manera el proceso consume oxígeno y desprende dióxido de carbono, consumiendo ATP y NADPH, por lo que sería negativo para la economía celular y el crecimiento. La RUBISCO comienza a fotorrespirar cuando la intensidad luminosa aumenta y disminuye la concentración de CO 2, posiblemente en esas condiciones este

10 proceso protege a la membrana tilacoidal de la fotooxidación que se produciría con la producción de mucha energía sin suficiente CO 2 para fijar. 1) diferencias entre fotorrespiración, respiración y fotosíntesis LOCALIZACIÓN CONDICIONES RESPIRACIÓN Mitocondrias Domina cuando la luz es insuficiente para la fotosíntesis FOTOSÍNTESIS Cloroplastos Domina cuando hay suficiente luz FOTORRESPIRACIÓN Cloroplastos, mitocondrias, peroxisomas Se produce con mucha intensidad de luz y baja concentración de CO 2 2) Plantas C3, C4 y CAM

11 Apertura estomas Anatomía mesófilo Enzimas carboxilasas Ecología PLANTAS C3 PLANTAS C4 PLANTAS CAM Gran apertura Pequeña apertura Apertura nocturna Células clorofílicas normales RUBISCO Zonas extratropicales Anatomía de Krantz: células de la vaina clorofílicas y el resto captadoras de CO 2 RUBISCO y PEP carboxilasa Zonas tropicales Anatomía de Krantz vacuolas con málico RUBISCO y PEP carboxilasa Zonas con déficit hídrico 3) Moduladores de la fotosíntesis - La concentración de CO2: si la iluminación es constante, el aumento de concentración del CO2 produce un incremento de la actividad fotosintética más notable en las plantas C3 - La concentración de O2: produce un descenso de la actividad fotosintética debido a la fotorrespiración en las plantas C3, pero en las plantas C4 el efecto es menor - La intensidad luminosa: su incremento produce un aumento de la fotosíntesis, hasta llegar a un máximo, que se alcanza antes en las plantas C3. Las plantas C4 resisten intensidades luminosas más altas - La temperatura: el aumento de temperatura produce un incremento en la actividad fotosintética hasta llegar a un máximo que es menor en las plantas C3. El aumento de temperatura hace más competitivo al oxígeno para su disolución en el mesófilo, por lo que acaba desencadenando la fotorrespiración en las plantas C3 - La humedad: la falta de agua induce el cierre de estomas, por lo que se dificulta la entrada de CO2 en el mesófilo y por tanto dificulta la fotosíntesis. En igualdad de condiciones esto perjudica más a las plantas C3.