FISIOLOGÍA CELULAR, LAS MOLÉCULAS EN ACCIÓN

Transcripción

1 FISIOLOGÍA CELULAR, LAS MOLÉCULAS EN ACCIÓN

2 INTRODUCCIÓN El metabolismo es un circuito integrado de reacciones químicas la célula transforma los nutrientes captados en: Nuevas moléculas Energía (ATP) Moléculas de recambio Trabajo mecánico Síntesis de bio-macromoléculas Transporte activo

3 Todos los seres vivos necesitan materia y energía para vivir Renovarse Crecer 3

4 TIPOS DE NUTRICIÓN AUTÓTROF Fuente de carbono: CO2 Fuente de energía : luz Fuente de energía : reacciones redox FOTOSÍNTESIS QUIMIOSÍNTESIS HETERÓTROF Fuente de carbono y energía: moléculas orgánicas 4

5 ORGANISMO FUENTE DE CARBONO FUENTE DE ENERGÍA EJEMPLOS FOTOLITÓTROFO CO 2 Luz Células vegetales, algas verdes, bacterias fotosintéticas FOTOORGANÓTROFO Compuesto s orgánicos Luz Bacterias púrpura no sulfuradas QUIMIOLITÓTROFO CO 2 Reacciones redox QUIMIORGANÓTROFO Compuesto s orgánicos Reacciones redox Bacterias desnitrificantes del hierro y del azufre Animales, hongos y m.o.

6 METABOLISMO Reducción Oxidación NH3, CO2, Urea Polisacáridos, lípidos, proteínas,... 6

7 Reacciones exergónicas NADPH2 Reacciones endergónicas NADP 7

8 8

9 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES Las reacciones metabólicas están acopladas energéticamente mediante el ATP ADP ATP!

10 Fosforilación a nivel de sustrato: se forma un compuesto intermedio rico en energía Ac.1,3 dip glicérico Ac.3P glicérico ADP ATP Fosforilación en el transporte de electrones Los coenzimas reducidos NADH, FADH y NADPH ceden los electrones a otras moléculas hasta la molécula final aceptora. La energía transferida a una cadena de electrones es utilizada por la ATPasa, para la síntesis de ATP. La fosforilación oxidativa (O2 último aceptor de e-) membrana interna mitocondrial La fosforilación fotosintética (luz impulsa el transporte de e-) membrana tilacoidal de cloroplastos

11 Las reacciones metabólicas son reacciones de óxido-reducción Los coenzimas transportan H + y electrones de alto potencial energético desde las reacciones catabólicas a las anabólicas Compuesto orgánico reducido Deshidrogenación Catabolismo Compuesto orgánico oxidado NADP,NAD,FMN NADPH2, NAD+H+, FMNH2 Compuesto biosintético reducido Anabolismo Hidrogenación Compuesto biosintético oxidado

12 Las reacciones metabólicas están ligadas entre sí y catalizadas por enzimas RUTAS METABÓLICAS: sucesión de reacciones encadenadas ( el producto de una es el sustrato de otra) en las cuales se producen metabolitos y cada una está catalizada por una enzima diferente!

13 Las rutas catabólicas son convergentes Las rutas anabólicas son divergentes Ruta anfibólica: aquella que se puede utilizar tanto con fines anabólicos y catabólicos (C. de Krebs) FASE III FASE II FASE I En rojo: rutas anabólicas En negro. rutas catabólicas

14 Las reacciones metabólicas están compartimentadas La gran cantidad de reacciones simultáneas que tienen lugar en la célula ocurren en compartimentos diferentes, de esta manera se aumenta la eficacia enzimática ( más fácil que E y S interactúen) - En el citoplasma: glucolisis, gluconeogénesis - En la mitocondria: ciclo de Krebs, beta oxidación de ac.grasos - En el R.E.: síntesis de lípidos y proteínas - En el núcleo: duplicación y transcripción 14

15 TIPOS DE CATABOLISMO Respiración celular El dador es un compuesto orgánico y el aceptor final de electrones un compuesto inorgánico O2, NO3, SO4 Síntesis de ATP en la cadena de transporte de electrones (fosforilación oxidativa) Oxidación total (hasta CO 2). Se libera mucha energía R. Aerobia: aceptor de hidrógenos es el O2 R Anaerobia: aceptor es S, NO3, SO4,...

16 Fermentación Dador y aceptor final de electrones una molécula orgánica pequeña (ac. pirúvico) Oxidación parcial, se libera poca energía Síntesis de ATP a nivel de sustrato. No hay cadena de trasnporte de electrones, ni fosforilación oxidativa. Levaduras, bacterias y células animales y vegetales en condiciones especiales

17 Tipos de células según su catabolismo Células aerobias Necesitan el O2 para realizar la respiración aeróbica Células anerobias estrictas El O2 es tóxico. Realizan las fermentaciones y respiración anaerobia Células anerobias facultativas Pueden vivir con y sin O2. Pueden hacer fermentaciones y 17 respiración aerobia según la disponibilidad del O2

18 CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS Reacciones para producir energía, tienen carácter oxidativo

19 GLUCOLISIS Reacción anaeróbica,catabólica oxidativa. La glucosa proviene de la digestión, de las reservas almacenadas en el organismo o de la fotosíntesis No requiere oxígeno Proporciona 6 precursores metabólicos, 2 ATP y poder reductor Tiene lugar en el hialoplasma de las células La llevan a cabo todos los seres vivos (aerobios y anaerobios) Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2ATP + 2 NADH + 2H+ + 2H 2 O

20 1º Etapa de activación: La glucosa se rompe en dos triosas: se gastan 2 ATP 1 2º Etapa de degradación.mediante reacciones de oxidación se transforma en dos moléculas de ac. pirúvico. El coenzima NAD+ se reduce a NADH +H+. La energía liberada se utiliza para fabricar ATP (4 moléculas) Para que el proceso no se detenga hay que aportar continuamente glucosa o algún compuesto intermedio y oxidar el NADH

21 La glucosa reacciona con el ATP y se forma glucosa 6-fosfato

22 La glucosa 6-fosfato se isomeriza a fructosa 6-fosfato

23 La fructosa 6-fosfato reacciona con el ATP y da fructosa 1,6 difosfato

24 La fructosa 1, 6-difosfato se rompe y da lugar al aldehído 3, fosfoglicérico y la dihidroxiacetonafosfato

25 El aldehído 3 fosfoglicérico se oxida gracias al coenzima NAD+ y se fosforila por el ácido fosfórico dando ácido 1,3 difosfoglicérico

26 El ácido 1,3 difosfoglicérico reacciona con el ADP para dar ATP y y ácido 3 fosfoglicérico Fosforilación a nivel de sustrato

27 El ácido 3- fosfoglicérico reacciona con el ADP y se forma ATP y ácido pirúvico

28 BALANCE GLOBAL DE LA GLUCOLISIS Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2ATP + 2 NADH+ 2H+ + +2H 2 O

29 GLUCOSA DESTINO DEL PIRUVATO Oxidación vía glucolisis Condiciones aerobias R.AEROBIA PIRUVATO FERMENTACIONES Condiciones anaerobias ACETIL CoA LACTATO CO2 + H2O ETANOL + CO2

30 FERMENTACIÓN Vía catabólica anaerobia Citosol o hialoplasma El H + es cedido a un sustrato orgánico La oxidación es parcial, se obtiene poca energía(2atp/glc) Los productos finales son ac. orgánicos y etanol La síntesis de ATP a nivel de sustrato Es propia de microorganismos (bacterias y levaduras) y cuando no hay suficiente O 2 en las células musculares

31 FERMENTACIÓN LÁCTICA Lactobacillus sp Streptococcus sp Se utiliza a nivel industrial para la obtención de yogurt, quesos, Las bacterias fermentan la lactosa y la bajada de ph desnaturaliza la caseína que precipita

32 Citosol 2 2

33 Cuando no llega suficiente O 2 a las células musculares, La glucosa se degrada a ac.láctico

34 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA El ac. pirúvico se transforma en alcohol etílico o etanol. Proceso llevado a cabo por levaduras del género Saccharomyces. Se utiliza para la fabricación de bebidas alcohólicas (cerveza, vino, sidra,...) En la fabricación del pan la fermentación del almidón de la harina hace que el pan sea esponjoso por las burbujas de CO2. El alcohol producido desaparece durante el tiempo de cocción. La fermentación alcohólica tiene el mismo objetivo que la fermentación láctica: la recuperación del NAD+ en condiciones anaeróbicas (acetaldehído) 2

35 Citosol

36 RESPIRACIÓN AEROBIA DESTINO DEL PIRUVATO Tiene lugar en la mitocondrias. Las enzimas de la cadena respiratoria se localizan en la membrana interna Glucosa Ribosa 5-P NADPH Glucolisis(hialoplasma) Oxidación vía pentosas fosfato (mitocondria) 2 Piruvato Descarboxilación oxidativa 2 Ac.acetil-CoA Transporte de electrones (Membrana interna mitocondrial) Ciclo de Krebs Matriz mitocondrial

37 Descarboxilación oxidativa Vía de las pentosas fosfato 37

38 Formación del acetil CoA (Descarboxilación oxidativa) 2 2 Piruvato descarboxilasa 2 2 CO2 2 Piruvato + NAD+ + HS-CoA > Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

39 CICLO DE KREBS O CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

40 CICLO DE KREBS CO2 CO2 Fosforilación a nivel de sustrato

41 1) El acetil-coa se une al ácido oxalacético y forma el ácido cítrico. en este proceo se recupera el CoA-SH

42 2) El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico

43 3) Descarboxilación del ácido isocítrico que se transforma en ac. alfa-cetoglutárico, liberándose CO2 y NADH

44 4) Descarboxilación del ac. alfa-cetoglutárico, se libera CO2, NADH + H + y se forma 1 GTP (ATP). El ac. alfa cetoglutárico se transforma en ac. succínico

45 5) Oxidación del ac. succínico a ac. fumárico. Se forma un doble enlace. Los electrones son transferidos al FAD que se reduce a FADH2.

46 6) Adición de agua al doble enlace formándose el ac. málico.

47 7) Oxidación del alcohol del ac. málico a ac. oxalacético. EL NAD+ se reduce a NADH. el ciclo se completa

48 Acetil CoA C2 CoA Ac. Oxalacético NADH 2 C4 C6 Ac. cítrico NADH 2 FADH 2 GTP C. de KREBS CO 2 CoA C4 Succinil CoA C5 Ac. Α cetoglutárico ATP CO 2 NADH 2

49 Balance global del Ciclo de Krebs Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O > 2CO2 + CoA-SH + 3(NADH + H+) + FADH2 + GTP Acetil CoA 2CO 2 ATP 3 NADH 2 FADH 2 Electrones de alta energía ATP Oxígeno CoA Cadena transporte de electrones v Intermediarios metabólicos Biosintéticas precursores Rutas

50 CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES - Se sitúa en la membrana i n t e r n a m i t o c o n d r i a l (c.eucariotas) Los electrones y los H+ de los coenzimas reducidos (NADH2 y FADH2 ) se transfieren a uno de los complejos proteicos que f o r m a n l a c a d e n a transportadora de electrones, hasta llegar al O2 Son reacciones REDOX, en las cuales intervienen dos constituyentes de diferente potencial redox. Los electrones van desde la molécula con menor potencial redox a la molécula con mayor potencial redox.

51 ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA DE LAS CRESTAS MITOCONDRIALES La membrana de las crestas mitocondriales tiene la estructura de membrana de mosaico fluido. Empotradas en la doble bicapa lipídica se encuentran las proteínas transportadoras de los electrones. Forman tres grandes complejos:. Complejo I (NADH deshidrogenasa) - Complejo II (citocromo bc1) - Complejo III (citocromo oxidasa)

52 El transporte de electrones comienza cuando el NADH + H+ cede los e- al complejo I y a través del Co Q, pasan al complejo II. CÓMO El FADH2 SE PRODUCE EL TRANSPORTE (menor potencial redox) DE los ELECTRONES? cede directmente al complejo II. Luego se tranfieren a través del citocromo C al complejo II y por último son aceptados por el oxígeno (mayaor potencial redox)que se reduce a agua. 2H+ + 1/2 O2 + 2e - H2O

53 Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación del NADH y síntesis de ATP

54 Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación del FADH2 y síntesis de ATP

55 HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA Acoplamiento de los procesos redox y trasnporte de H+ A la vez que se realiza el transporte de electrones se genera un transporte de protones por parte de los complejos I, II y III desde la matriz hacia el espacio intermembranoso Como la membrana interna es impermeble a los H+, se genera un gradiente electroquímico entre el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial,que es aprovechado por la bomba ATP-asa para devolver de nuevo los protones y generar ATP( por cada dos protones que retornan se sintetiza un ATP). Se calcula que el NADH cede 2 electrones y en su transporte se libera energía para bombear 6H+ ( por cada FADH2 se bombean 4 H+). De manera que : 1NADH+H+/3ATP 1 FADH2/2ATP

56 La hipótesis que explica el acoplamiento de los procesos redox y el transporte de H+ es la hipótesis quimiosmótica, y su resultado es la fosforilación oxidativa.

57 BALANCE EN MOLES DE ATP EN LA RESPIRACIÓN CELULAR ( Una molécula de glucosa) EUCARIOTAS PROCARIOTAS Proceso Coenzimas reducidos y ATP Moles de ATP (totales) Moles de ATP (totales) Glucolisis 2 NADH 4 ATP 6 ATP 2 ATP 2 ATP 2 ATP Descarboxilación del ac. pirúvico 2 NADH 6 ATP 6 ATP C. de Krebs 6 NADH 2 FADH2 2 GTP 18 ATP 4 ATP 2 ATP 18 ATP 4 ATP 2 ATP Balance global 36 ATP 38 ATP

58 QUÉ SUCEDE CON EL NADH DE ORIGEN HIALOPLASMÁTICO EN LOS EUCARIOTAS? Hemos visto que por cada NADH que ingresa en la cadena de electrones se obtienen 3 ATP. En los organismos eucariotas, el NADH que se origina en la glucolisis (hialoplasma) por cada glucosa sólo puede originar 2 ATP. Esto es debido a que el NADH no puede atravesar directamente la membrana mitocondrial y utiliza una lanzadera que cede los electrones al FAD que hay en el interior de la mitocondria, reduciéndose a FADH2. Esto no sucede en procariotas.

59 BALANCE DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA DE 1 GLUCOSA (c.eucariota) Proceso Sustancia inicial Sustancia final Glucolisis Glucosa 2 ac. pirúvico coenzimas reducidos y ATP 2 NADH 2 ATP Moles de ATP (totales) 4 ATP 2 ATP Descarboxilación del ac. pirúvico 2 ac. pirúvico 2 acetil- CoA 2 NADH 6 ATP 2 CO2 C. de KREBS 2 acetil- CoA 4 CO2 6 NADH 2 FADH2 2 GTP 18 ATP 4 ATP 2 ATP Balance global Glucosa 6 CO2 36 ATP C6H12O6 + 6O ADP O2 + 36Pi 6 H2O 6CO2 + 6H2O + 36 ATP

60 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LOS PROCESOS DE RESPIRACIÓN CELULAR ATP NADH CO 2

61 2 NADH2 2NADH2 6NADH2 2FADH

62 Si comparamos ambos procesos: catabolismo aeróbico y fermentación vemos que el rendimiento del primero es mayor ( 38 ATP por molécula de glucosa) que el del segundo (2 ATP por mol. de glucosa). Evolutivamente, el mayor rendimiento energético de los organismos aeróbicos fue muy importante ya que les permitó conquistar todos los ambientes, produciéndose una gran variedad de formas de vida, cada una adaptada a un nicho ecológico determinado, es lo que se llama radiación adaptativa.

63 RESERVA DE GLÚCIDOS La concentración de glucosa en sangre debe permanecer constante. El exceso de glucosa se acumula en hígado y músculo (animales) en forma de glucógeno. Al completarse esta reserva el resto de glucosa se almacena en forma de grasa. - El glucógeno del músculo aporta el combustible a las células musculares para su contracción. - El glucógeno hepático suministra glucosa al resto de los tejidos ( en ayuno esta reserva se agot en menos de 24h). La principal reserva energética la proporcionan los lípidos que se almacenan en el tejido adiposo (9Kcal/g)

64 CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS

65 En los animales los ac. grasos se almacenan en el tejido adiposo en forma de triglicéridos y se movilizan gracias a las lipasas. Lipasas Matriz mitocondrial Citoplasma Ingresa en la glucolisis como gliceraldehído 3 P

66 Citoplasma R-COOH + CoA- SH Ac. Graso Membran externa mitocondrial 1 ATP 1 AMP - 1 P+ 1Pi Acil-CoA sintetasa R-COS- CoA AcilCoA Para atravesar la membrana mitodcondrial utiliza como lanzadera la carnitina C. de Krebs n Acetil-CoA Cadena transporte de electrones e- H + Ac. graso (18 C) e- H + FADH 2 NADH 2 Hélice de Lynen (8 vueltas) En los animales constituyen la principal reserva energética β- Oxidación ó Hélice de Lynen (Matriz mitocondrial y peroxisomas). Vegetales: peroxisomas 146 ATP

67 CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS!

68 Proteínas de la dieta Proteínas corporales Transaminación Α-cetoglutarato -NH 2 AMINOÁCIDOS C. KREBS Transaminasas Biosíntesis Coenzima B 6 Nucleótidos Coenzimas Preferentemente en el hígado Neurotransmisores Hormonas Desaminación Porfirinas oxidativa Oxidación de la cadena carbonada Glutamato dh NH 3 Ac. úrico NH 3 Ciclo de la urea Urea Hígado y riñones Hígado (citosol y mitocondrias) Esqueleto carbonado C. de Krebs CO 2, H 2 O energía GLUCOSA ÁCIDOS GRASOS

69 POLISACÁRIDOS LÍPIDOS PROTEÍNAS 1º Pentosas Ac grasos Aminoácidos Hexosas Glicerina 3º Catabolismo 2º Acetil-CoA 2º Anabolismo 3º H y e- CO 2 1º ATP H 2 O Transportadores de electrones O 2 NH 3

70 ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO NADH CO2