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METABOLISMO CELULAR Un cambio que hace posible la vida.

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1 METABOLISMO CELULAR Un cambio que hace posible la vida

2 La fuente primaria de energía para la vida sobre la Tierra es el Sol. Esta energía es utilizada por los seres vivos por medio de la fotosíntesis (seres autótrofos fotosintéticos), que convierten la energía solar en energía química, mediante la formación de biomoléculas, a las que utilizan seguidamente como combustibles para proporcionar los requerimientos energéticos necesarios para los procesos vitales. Los seres heterótrofos no pueden utilizar la energía solar, por lo tanto se sustentan de las biomoléculas ricas en energía, creándose de esta manera un flujo de energía biológica en los ecosistemas, que pasa de la energía solar a los seres autótrofos y de estos a los heterótrofos. INTRODUCCIÓN

3 La vida es el resultado de un conjunto complejo de reacciones químicas, que, en definitiva permiten llevar a cabo las funciones vitales (nutrición, relación, reproducción). Estas reacciones que constituyen la base de los procesos vitales reciben el nombre de metabolismo (cambio). La célula (unidad vital) es dinámica y requiere un continuo aporte de energía y nutrientes. –Obtiene energía necesaria para el mantenimiento de sus funciones mediante la degradación de moléculas orgánicas (CATABOLISMO) –Renueva sus estructuras, por lo que tiene que sintetizar nuevas moléculas orgánicas (ANABOLISMO)

4 Metabolismo celular: conjunto de todas las reacciones químicas que posibilitan el mantenimiento de la vida de la célula. El metabolismo comprende dos tipos de procesos diferentes. –Por una parte, existen reacciones destructivas o catabólicas, que transforman moléculas grandes en otras más pequeñas y cuya finalidad básica es la producción de energía. –Por otra, hay reacciones constructivas o anabólicas en las que se sintetizan moléculas complejas a partir de otras sencillas, para lo cual se precisa energía. Ambos procesos son interdependientes. Concepto de metabolismo

5 El metabolismo se lleva a cabo a través de complejas reacciones encadenadas, en las que se generan productos intermedios o intermediarios metabólicos (metabolitos). En estas rutas metabólicas el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Cada reacción está catalizada por una enzima diferente, que en muchas ocasiones está ayudada por cofactores o coenzimas (parte no proteica de las enzimas) Hay rutas catabólicas y anabólicas, ambas pueden ser lineales o cíclicas.

6 El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo y su finalidad es la obtención de energía. Las moléculas orgánicas son transformadas en otras más sencillas que intervendrán en otras reacciones metabólicas hasta transformarse en los productos finales del catabolismo, que son expulsados de la célula. Son los llamados productos de excreción (CO2, NH3, urea, ácido úrico, etc.). La energía liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP y posteriormente podrá ser reutilizada. El catabolismo es un proceso de degradación oxidativo que produce: Moléculas que actúan como precursores para las reacciones anabólicas Moléculas que actúan como carburantes metabólicos, que producen energía (ATP, NADH, NADPH). Catabolismo (degradación)

7 Oxidación= pérdida de electrones Reducción= ganancia de electrones. Las reacciones de óxido-reducción, cuando se producen con pérdida simultánea de electrones y protones se llaman deshidrogenaciones. Las deshidrogenaciones están catalizadas por unas enzimas denominadas deshidrogenasas. Se requiere: –Sustratos que se oxidan (dan electrones) moléculas orgánicas que actúan como carburantes. –Sustratos que se reducen (cogen electrones) coenzimas de las deshidrogenasas (NAD+, FAD) Reacciones de oxido-reducción

8 Son reacciones de oxidación y pueden ser: 1.Mediante la pérdida de átomos de hidrógeno que se encuentran unidos al carbono (deshidrogenación). 2.Por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación ). Las reacciones del catabolismo Oxigenación. Una molécula orgánica se oxida al incorporar átomos de oxígeno. (por ejemplo, en la molécula anterior podría ser así): CH3-CH2-CH BO CH3-CH2 - CH O H B Oxigenación. Una molécula orgánica se oxida al incorporar átomos de oxígeno. (por ejemplo, en la molécula anterior podría ser así): CH3-CH2-CH BO CH3-CH2 - CH O H B Deshidrogenación. Una molécula orgánica se oxida al perder átomos de hidrógeno (por ejemplo, estableciéndose un doble enlace entre dos carbonos). CH3-CH2-CH B CH3-CH = CH BH2 Deshidrogenación. Una molécula orgánica se oxida al perder átomos de hidrógeno (por ejemplo, estableciéndose un doble enlace entre dos carbonos). CH3-CH2-CH B CH3-CH = CH BH2

9 Las reacciones catabólicas son reacciones redox. En ellas unos compuestos se oxidan y otros se reducen. En la materia orgánica, para que una molécula pueda deshidrogenarse, ha de haber otra que acepte esos hidrógenos (molécula aceptora de hidrógeno). Los átomos de hidrógeno desprendidos en las reacciones de oxidación son captados los transportadores de hidrógeno, (NAD+, NADP+ y FAD), hasta que finalmente son traspasados a la molécula aceptora final de hidrógeno, que se reduce. AH 2 + FAD A + FADH 2 B + FADH 2 BH 2 + FAD Se reduce la molécula B Se reduce el FAD

10 Tipos de catabolismo Según sea la naturaleza del aceptor final de electrones, se distinguen dos tipos de catabolismo: 1.Respiración aerobia 2.Respiración anaerobia En la respiración la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico, por ejemplo O 2, NO 3 -, SO 4 2-, etc. Si es el oxígeno (O 2 ) se denomina respiración aeróbica, y si es una sustancia distinta del oxígeno, por ejemplo, el NO 3 -, SO 4 2-, etc, se denomina respiración anaeróbica Las fermentaciones son oxidaciones incompletas en los que los productos resultantes todavía tienen energía y el aceptor final es una molécula orgánica (etanol, ácido láctico)

11 Catabolismo Respiración Aerobia Aceptor final el O2 Anaerobia (ciertos microorganismos Aceptor final molécula inorgánica distinta del O2 (ion nitrato, ion sulfato) Oxidación total de la materia orgánica. Los productos de reacción no contienen energía. Se libera toda la energía. Fermentación Láctica Alcohólica Oxidación parcial de la materia orgánica. Los productos de reacción contienen todavía energía. Se libera poca energía El aceptor final de electrones es una molécula orgánica.

12 Aminoácidos Acido pirúvico Grasas Glúcidos Desaminación oxidación Glucólisis Acetil coA Ciclo de Krebs Cadena respiratoria Procesos catabólicos aerobios

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14 Catabolismo de glúcidos

15 En animales, mediante los procesos digestivos, los polisacáridos ingeridos son hidrolizados y convertidos en monosacáridos (glucosa, fructosa o galactosa). Las reservas de glucógeno del tejido muscular de los animales o las reservas de almidón de los vegetales también pueden ser hidrolizadas, cuando se requiere energía, en glucosa. En la degradación total de la glucosa, hasta el aprovechamiento completo de toda la energía liberada, se distinguen dos fases: la glucólisis y la respiración. En la respiración se distinguen dos procesos, el ciclo de Krebs y el transporte de electrones en la cadena respiratoria. El catabolismo de los glúcidos

16 Compartimento celular: citosol. Enzima: glucógeno fosforilasa. Da lugar a la liberación de glucosa 1-fosfato. Glucosa 1-fosfato se transforma en glucosa 6- fosfato y se incorpora a la glucolisis (degradación de la glucosa) GLUCOGENOLÍSIS (degradación del glucógeno) GLUCOGENOLÍSIS (degradación del glucógeno)

17 GLUCÓGENO GLUCOSA 1-P GLUCOSA 6-P GLUCOLISIS GLUCOGENOLISIS Glúcógeno fosforilasa

18 Compartimento: citosol La glucólisis ("rotura de glucosa") es la secuencia de reacciones (10 reacciones) que convierten 1 molécula de glucosa (seis carbonos) en 2 moléculas de piruvato o ácido pirúvico (tres carbonos) produciendo ATP. Cada reacción es regulada por una enzima específica y en el proceso total hay una ganancia neta de dos moléculas de ATP. La formación de moléculas de ATP se realiza por medio de la fosforilación a nivel de sustrato (un grupo fosfato es transferido al ADP para formar ATP, en una única reacción química). La glucólisis no requiere de oxígeno y puede realizarse en condiciones aerobias o anaerobias. GLUCOLISIS (Degradación de glucosa) GLUCOLISIS (Degradación de glucosa)

19 FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO FOSFORILACIÓN A SOCIADA A UN GRADIENTE QUIMIOSMÓTICO

20 1ª fase: fase de preparación. 2ª fase: fase de oxidación 3ª fase: fase de fosforilación FASES DE LA GLUCOLÍSIS

21 Son 5 reacciones. Consiste en la conversión de 1 molécula de glucosa en 2 moléculas de gliceraldehido 3- fosfato. Para que la escisión del esqueleto carbonado pueda producirse, es preciso activar la molécula de glucosa mediante fosforilaciones. Para ello se consumen 2 moléculas de ATP. PRIMERA FASE. Fase preparatoria

22 Glucosa (2) Gliceraldehído 3-P 2 ATP glucogenolisis

23 Las moléculas de gliceraldehído 3-P son oxidadas produciendo 1,3 difosfoglicerato. Esta etapa requiere la incorporación de un grupo fosfato inorgánico, en esta reacción catalizada por la enzima gliceraldehído-3- fosfato-deshidrogenasa (es una deshidrogenasa que tiene como coenzima al NAD+, que es el que se reduce, obteniéndose poder reductor). SEGUNDA FASE. Fase de oxidación

24 GLICERALDEHÍDO 3-P 1,3 DIFOSFOGLICERATO 2 NAD+ 2 NADH 2P

25 Las 2 moléculas de 1,3 difosfoglicerato, se transforman en piruvato. –El (2) 1,3 difosfoglicerato se transforma en (2) 3- fosfoglicerato, produciéndose una fosforilación a nivel de sustrato y por tanto generando 2 ATP –El (2) 3-fosfoglierato se transforma en (2) 2-fosfoglicerato. –El (2) 2-fosfoglicerato se transforma en (2) fosfoenolpiruvato. –El (2) fosfoenolpiruvato se transforma en (2) piruvato. Se generan otros 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato. TERCERA FASE. Fase de fosforilación

26 (2) 1,3 difosfoglicerato (2) 3 fosfoglicerato (2) 2 fosfoglicerato (2) fosfoenolpiruvato (2) piruvato 2 ATP

27 Fase preparatoria Fase de beneficio

28 Glucosa Balance energético de la glucólisis 2 piruvato 2 NAD+ 2 NADH 2 ATP 4 ATP

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30 o El aceptor final de electrones es algún compuesto de naturaleza orgánica. o Los procesos fermentativos liberan una menor cantidad de energía que la respiración aerobia, debido a que la oxidación del sustrato no es completa. o No es necesaria la presencia de oxígeno, (no actúa como aceptor final de electrones). o Las fermentaciones las realizan varias bacterias y levaduras y tienen una gran importancia por sus aplicaciones industriales (fabricación de cerveza, vino, yogur, etc.). o Dentro de las fermentaciones se puede incluir el proceso de putrefacción, que es la fermentación de las proteínas. Fermentaciones

31 La fermentación es un proceso catabólico donde no interviene la cadena respiratoria. El aceptor final de protones y de electrones es un compuesto orgánico. Entre sus productos finales siempre hay algún compuesto orgánico. Es siempre un proceso anaeróbico. Sólo hay síntesis de ATP a nivel de sustrato. Tienen una baja rentabilidad energética (sólo 2 ATP) Las coenzimas reducidas (NADH) que se forman al oxidarse el sustrato en las fermentaciones, deben reoxidarse para evitar el bloqueo del proceso por falta de coenzimas oxidadas (NAD+). Las fermentaciones son propias de los microorganismos (ciertas levaduras y bacterias), aunque alguna, como la fermentación láctica, puede realizarse en los músculos de animales cuando no llega suficiente oxígeno a las células. El catabolismo por fermentación

32 Existen dos tipos principales de fermentación de la glucosa: –Fermentación láctica –Fermentación alcohólica FERMENTACIONES de la glucosa

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34 Oxidación parcial de la materia orgánica. Los productos de reacción contienen todavía energía. Se libera poca energía ( 2 ATP) El aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Fermentaciones Alcohólica Levaduras, bacterias Alcohol Láctica Bacterias Lactato Acética Bacterias Ac. Acético Butírica Bacterias, hongos Butírico Es erróneo llamarla fermentación

35 En ocasiones se denomina erróneamente fermentación a procesos en los que interviene el oxígeno, por ejemplo, la mal llamada fermentación acética, mediante la que se obtiene ácido acético (vinagre) a partir del vino y del aire cuando en realidad es una respiración aeróbica de oxidación incompleta. Ello se debe a la costumbre en la industria de denominar fermentación a todo proceso que se realiza en un aparato denominado fermentador, y que da como producto final un compuesto orgánico, tanto si se realiza en ausencia de oxígeno (fermentación o respiración anaeróbica) como si hay que insuflar aire para que se produzca (respiración aeróbica). CH 3 -CH 2 OH CH 3 COOH + H 2 O CULTURILLA

36 El metabolismo anaerobio es muy ineficiente porque el combustible sólo se oxida en parte. El alcohol, producto final de la fermentación, contiene una gran cantidad de energía (puede utilizarse como combustible para automóviles). El lactato, compuesto de tres carbonos, contiene aún más energía que el alcohol de dos carbonos. La ineficiencia del metabolismo anaerobio requiere de un gran suministro de glucosa. Las células que funcionan en anaerobiosis degradan rápidamente muchas moléculas de combustible para compensar la poca energía que obtienen de cada una de ellas.

37 El ácido pirúvico (piruvato) procedente de la glucolísis se transforma en ácido láctico (lactato), por acción de la coenzima NADH. El aceptor final de electrones es el ácido pirúvico, que coge los electrones del NADH y por tanto este se oxida y el piruvato da lugar a ácido láctico. Fermentación láctica

38 En esta fermentación se forma ácido láctico a partir de la degradación de la glucosa. Esta fermentación se da cuando determinados microorganismos inician la fermentación de la lactosa de la leche, lo que produce el agriamiento de ésta y la coagulación de la proteína caseína. También se produce en las células musculares de los animales cuando no hay suficiente oxigeno para efectuar un sobreesfuerzo físico y el ácido pirúvico procedente de la glucólisis no puede oxidarse de manera aerobia y se transforma en ácido láctico. Si el sustrato es la lactosa, primero se hidroliza en una molécula de glucosa y otra de galactosa, la cual posteriormente se transforma en glucosa. Luego, las dos glucosas continúan el proceso antes descrito para las células musculares. Fermentación láctica

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40 C 6 H 12 O 6 ATP NADH 2 lactato electrones, hidrógeno froma NADH 2 NAD ADP 2 piruvato 2 4 cosecha inversión glucólisis lactate fermentation 2 ATP netos Fig. 8-11, p.133 Fermentación Láctica

41 Lactobacillus bulgaricus, Streptococos casei utilizan la lactosa como sustrato para la obtención de energía. Esto es la base para la producción de yogurt. Se acidifica la leche y se precipita la caseina. La fermentación láctica la llevan a cabo microorganismos de la leche. Son organismos anaerobios aerotolernates La fermentación láctica la llevan a cabo microorganismos de la leche. Son organismos anaerobios aerotolernates

42 Los microorganismos que realizan esta fermentación son las bacterias de distintas especies, obteniéndose de ello productos derivados de la leche como el queso, el yogur y el kéfir.

43 Las células musculares en condiciones de ejercicio físico intenso (condiciones anaerobias), hidroliza el glucógeno almacenado, obteniéndose glucosa. La glucosa se transforma en piruvato (GLUCOLISIS). Como el aporte de oxígeno es insuficiente para degradar el piruvato por el ciclo de Krebs, la célula obtiene energía a través de la fermentación, produciendo ácido láctico y generando fatiga muscular.

44 Ciclo de Cori o de la glucosa-lactato Fermentación láctica

45 HomolácticaSolo producen acido láctico Lactobacillus lactis L. bulgaricus Leche fermentada Yogur Queso HeterolácticaAcido láctico + otras sustancias Lactobacillus brevis Leuconostoc

46 La fermentación de la glucosa comienza con la glucolisis, dando lugar a 2 moléculas de piruvato En la fermentación el ácido pirúvico se transforma en etanol y CO 2. este proceso tiene lugar en dos etapas. PRIMERA ETAPA: descarboxilación del ácido pirúvico. El acído pirúvico se transforma en acetaldehído y se libera CO2 SEGUNDA ETAPA: reducción del acetaldehído. La molécula de acetaldehído actúa como aceptor final de electrones, reduciéndose a etanol. El NADH, se oxida a NAD+. Fermentación alcohólica

47 La fermentación alcohólica se realiza gracias a enzimas contenidas en levaduras del género Saccharomyces, que son anaerobias facultativas.

48 C 6 H 12 O 6 ATP NADH 2 acetaldehído NADH 2 NAD+ 2 2 ADP 2 piruvato 2 4 cosecha inversión glucólisis forma etanol 2 ATP netos 2 etanol 2 H 2 O 2 CO 2 NAD+

49 Dependiendo de la especie de levadura se puede llegar a obtener cerveza, ron (S. cerevisiae), vino (S. ellypsoideus), sidra (S. apiculatus) y pan (variedad purificada de S. cerevisiae)


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