Bloque 2: Organización y fisiología celular. Función de nutrición 2ª parte

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1 2.- ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR CELULA EUCARIOTICA. FUNCIÓN DE NUTRICIÓN. 2ª PARTE CONTENIDOS Metabolismo Concepto de metabolismo. Catabolismo y anabolismo Aspectos generales del metabolismo: reacciones de oxidorreducción y ATP Estrategias de obtención de energía: energía química y energía solar Características generales del catabolismo celular: convergencia metabólica y obtención de energía Glucólisis Fermentación. ORIENTACIONES 1. Explicar el concepto de metabolismo, catabolismo y anabolismo. Diferenciar entre catabolismo y anabolismo. Realizar un esquema de las fases de ambos procesos. 2. Reconocer y analizar las principales características de las reacciones que determinan el catabolismo y el anabolismo. 3. Destacar el papel de las reacciones de óxido-reducción como mecanismo general de transferencia de energía. 4. Destacar el papel del ATP como vehículo de transferencia de energía. 5. Resaltar la existencia de diversas opciones metabólicas para obtener energía. 6. Definir y localizar la glucólisis indicando sustratos iniciales y productos finales. 7. Comparar las vías anaerobias y aerobias en relación a la rentabilidad energética y los productos finales. Destacar el interés industrial de las fermentaciones. 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 1

2 METABOLISMO Concepto de metabolismo. Catabolismo y anabolismo. Llamamos metabolismo al conjunto de reacciones químicas que continuamente se están realizando en las células. Aunque el metabolismo por su complejidad consta de una enorme cantidad de reacciones, podemos reagrupar éstas en dos grandes tipos: reacciones anabólicas (reacciones metabólicas de síntesis) y reacciones catabólicas (reacciones de degradación). a) Anabolismo. Formación de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas precursoras más sencillas con gasto de energía. - Las reacciones anabólicas tienen las siguientes características: - Son endergónicas, es decir, almacenan energía en los enlaces de las moléculas formadas. A B Ef - Ei > 0 E i=energía inicial E f= energíafinal - Parten de sustancias oxidadas y llegan a sustancias reducidas. b) Catabolismo. Degradación de moléculas orgánicas complejas a moléculas sencillas. Son reacciones de oxidación, en las que si el último aceptor de los electrones es el oxígeno, la célula o el organismo unicelular se dice que es aerobio, mientras que si es otra sustancia la que acepta los electrones, se denomina anaerobio. Las reacciones catabólicas tienen estas características: -Son exergónicas, es decir, liberan energía. La energía que desprenden se almacena en el ATP. A B Ef Ei < 0 -Transforman sustancias reducidas en sustancias oxidadas. Ejemplo: C 6 H 12 O 6 sustancia inicial reducida 6CO H 2 O + Energía química (ATP) productos oxidados 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 2

3 Características de las reacciones metabólicas Están catalizadas por enzimas. El metabolismo está perfectamente regulado y ajustado a las necesidades de la célula. Las reacciones que constituyen el metabolismo son prácticamente iguales en todos los seres vivos Todas las reacciones químicas del metabolismo celular están organizadas en rutas metabólicas, de forma que el producto de una reacción llamado metabolito, es el sustrato de la siguiente y así sucesivamente, lo que permite una gran eficacia para su regulación, además de un gran ahorro energético y la producción de pocos residuos. En el caso del anabolismo, las rutas metabólicas son divergentes, es decir que un mismo sustrato puede tomar caminos diferentes, según las necesidades celulares. En el caso del catabolismo las rutas son convergentes, quiere decir que si partimos de un monosacárido, ácido graso u otro monómero, ingresan en algún nivel de una única ruta que va a constituir la respiración celular o la fermentación. E 1 E 2 E 3 A B C D B, producto de la reacción 1, es el sustrato de la reacción 2, cuyo producto es C, sustrato de la reacción 3, etc. Los desprendimientos de energía están acoplados a la síntesis de ATP. Los consumos de energía están asociados a la hidrólisis de ATP. Las oxidaciones, aunque pueden afectar a un electrón en solitario, van unidas con frecuencia a la pérdida de hidrógenos y se acoplan a la reducción de determinadas coenzimas. Las reducciones van asociadas con frecuencia a la ganancia de hidrógenos y se acoplan a la oxidación de determinadas coenzimas. Cuanto más reducido está un compuesto, mayor cantidad de energía contiene, cuanto más oxidado se halla, menor cantidad de energía tiene. es.geocities.com 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 3

4 Las reacciones de óxido-reducción (redox) y ATP Las células obtienen energía de la oxidación de las moléculas orgánicas. En las reacciones redox, una molécula se oxida cuando cede electrones a otra que se reduce. Frecuentemente en las oxidaciones biológicas la pérdida de electrones va acompañada de pérdida de hidrógenos (protones y electrones). Las reacciones redox, por tanto, precisan de: Un sustrato dador de electrones (monosacárido, ácido graso, etc.). Un aceptor de electrones (NAD +, NADP +, FAD, etc.). No siempre los aceptores de electrones son también de protones (por ejemplo, los citocromos sólo transportan electrones). El ATP El ATP es un intermediario energético en las células de cualquier ser vivo, por lo que se denomina moneda universal energética. Está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfato. Contiene enlaces de alta energía entre los grupos fosfato. La formación de ATP requiere energía y la hidrólisis la desprende. El ATP no es una reserva de energía, es un transportador. La verdadera acumulación de energía se efectúa en las moléculas orgánicas de reserva en forma de glúcidos como el almidón o el glucógeno y de lípidos como las grasas. 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 4

5 La célula produce ATP mediante dos procedimientos básicos: Por fosforilación a nivel de sustrato. Consiste en que algunos compuestos fosfatados pueden ceder grupos fosfato directamente al ADP, es decir, el proceso no está ligado a un transporte de electrones. S-P S ADP ATP Por fosforilación oxidativa. Por activación de una ATP-sintetasa de membrana. La activación de la ATP-sintetasa tiene lugar por un flujo de protones debido a la diferencia de concentración a ambos lados de la membrana. XH 2 X ADP + P i ATP Características generales del catabolismo celular. Resumen del catabolismo de la glucosa. El catabolismo constituye, como ya se ha dicho, el conjunto de procesos de rotura de moléculas orgánicas, cuya finalidad es conseguir energía. Para ello se utilizan ciertas moléculas (glucosa, grasas) denominadas energéticas. Básicamente, estos compuestos se oxidan en una serie de etapas, en las que se van perdiendo electrones que son transferidos a otras moléculas receptoras. Las rutas catabólicas son convergentes, pues confluyen hacia unos pocos productos finales. Estas reacciones catabólicas, productoras de energía, se engloban en el término respiración aerobia (cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno) y en el término fermentación (cuando el aceptor electrónico es una molécula orgánica) Aunque, como ya hemos dicho, existen otros combustibles en las células (aminoácidos, ácidos grasos), vamos a describir las fases del catabolismo refiriéndonos a la glucosa como principal combustible. La oxidación completa de una molécula de glucosa puede resumirse en la siguiente reacción general: C 6 H 12 O O 2 6CO H 2 O + 36 ATP Esta oxidación se realiza en la célula en tres fases bien diferenciadas: 1.- Glucólisis: Se realiza en el citosol de las células, sin intervención del oxígeno. La realizan los seres autótrofos y los heterótrofos. 2.- Oxidación del piruvato 3.- Ciclo de krebs: Esta fase se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. 4.- Cadena de transporte electrónico (Fosforilación oxidativa): Esta fase tiene lugar en las crestas mitocondriales. fai.unne.edu.ar 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 5

6 Glucólisis. La glucólisis es la ruta metabólica que convierte a la glucosa (de 6 átomos de carbono) en dos moléculas de piruvato (de 3 átomos de carbono), con la producción de ATP y poder reductor (NADH). Este proceso lo realizan la mayoría de los organismos. Tiene lugar en condiciones anaerobias. Para algunas células es la única fuente de ATP. La glucólisis se divide en dos etapas generales: - Una primera etapa preparatoria en la que la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (de 3 átomos de carbono). En este proceso se consumen dos moléculas de ATP en activar a la molécula de glucosa para su posterior catabolismo. Glucosa + 2 ATP 2 Gliceraldehído-3-P +2 ADP - Una segunda etapa en la que dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato son oxidadas y convertidas en piruvato. La energía liberada en esta oxidación se emplea en la formación de 4 moléculas de ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. También se genera poder reductor en forma de NADH. 2 Gliceraldehído-3-P + 2 NAD ADP + 2P i 2 piruvato + 2 NADH + 2H ATP+ 2 H 2 O El balance neto de la glucólisis es: Glucosa + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + ---> 2 piruvatos + 2 ATP + 2 (NADH + H + ) 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 6

7 Fermentación Concepto. La fermentación es un proceso de oxidación incompleto, que tiene lugar cuando el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis no ingresa en la mitocondria y se reduce en el citoplasma, hasta una molécula orgánica que le da nombre al proceso. Ej. Ácido láctico, alcohol etílico, etc. El dador de protones para reducir al pirúvico es el NADH formado en la glucólisis. Finalidad. Regenerar el NAD + consumido en la glucólisis a partir del NADH y posibilitar que ésta pueda continuar. En qué células ocurre? En células anaerobias o en algunas que puedan encontrarse circunstancialmente con falta de oxígeno; es decir, en aquellas donde la glucólisis sea la principal fuente de ATP. Tipos de fermentación - Fermentación láctica. En esta fermentación la glucosa se transforma primero en piruvato mediante la glucólisis y a continuación el piruvato se reduce a lactato. Este tipo de fermentación se lleva a cabo en algunas bacterias (Lactobacillus y Streptococcus), responsables de la obtención de productos derivados de la leche (yogur, queso, etc.). También se puede producir en el músculo de los animales, provocando agujetas. - Fermentación alcohólica. En este caso el piruvato obtenido en la glucólisis se descarboxila para formal acetaldehído y CO 2. A continuación, el acetaldehído se reduce a etanol por acción del NADH, regenerándose NAD +. Esta fermentación la realizan levaduras del género Saccharomyces. Se aplica para la obtención de pan (el CO2 que se desprende hace que suba la masa) y para la fabricación de bebidas alcohólicas. fai.unne.edu.ar 2º de Bachillerato A.Mellado, P.Cadenas 7