Metabolismo celular.

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1 Metabolismo celular

2 Metabolismo Conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras con el fin de obtener materia y energía para llevar a cabo las tres funciones vitales (nutrición, relación y reproducción) La materia se utiliza para crecer, desarrollarse o renovar la estructura propia de cada organismo. La energía se almacena en los enlaces químicos de las sustancias de reserva energética o se transforma en distintos tipos de energía: mecánica (movimiento), calorífica (mantener la temperatura), eléctrica (impulsos nerviosos), luminosa (emitir luz),… +

3 Catabolismo (metabolismo destructivo): es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas, proporcionando a la célula precursores metabólicos, energía (se almacena en los enlaces fosfato del ATP) y poder reductor (NADP/NADPH). Fase degradativa del metabolismo.

4 Anabolismo (metabolismo constructivo): síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP. Fase constructiva del metabolismo

5 CATABOLISMO ANABOLISMO
Son reacciones de degradación Son reacciones de síntesis Son reacciones de oxidación Son reacciones de reducción Desprenden energía Precisan energía Es un conjunto de vías metabólicas convergentes: a partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos, principalmente dióxido de carbono, ácido pirúvico y etanol Es un conjunto de vías metabólicas divergentes: a partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes

6 Tipos de metabolismo FUENTE DE CARBONO FUENTES DE ENERGÍA Luminosa
Química Materia orgánica Fotoheterótrofos o fotoorganótrofos: bacterias purpúreas no sulfúreas. Quimioheterótrofos o quimioorganótrofos: animales, protozoos, hongos y casi todas las bacterias. Inorgánico (CO2) Fotoautótrofos o fotolitótrofos: vegetales superiores, algas, cianobacterias. Quimioautótrofos o quimiolitótrofos: bacterias nitrificantes, del azufre...

7 Adenosín trifosfato (ATP)
Nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética. Almacena y cede energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos (cada uno es capaz de almacenar 7,3 Kcal/mol) Se considera la moneda energética de la célula, pues almacena energía de uso inmediato. Composición química: Base nitrogenada (adenina) Ribosa Tres moléculas de ácido fosfórico.

8 Proceso de desfosforilación:
ATP + H2O ADP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol) ADP + H2O AMP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol) La síntesis de ATP (fosforilación) puede realizar de dos formas: Fosforilación a nivel de sustrato Gracias a la energía liberada de una biomolécula al romperse algunos de sus enlaces ricos en energía Glucolisis Ciclo de Krebs Fermentaciones Reacción enzimática con ATP-sintetasa Estas enzimas sintetizan ATP cuando el interior de las crestas mitocondriales y tilacoides de los cloroplastos es atravesado por un flujo de protones (H+) Cadena transporte de electrones en respiración celular y fotosíntesis

9 Energética de las reacciones químicas
Variación de energía libre (G ) G < 0  Reacción espontánea. Libera energía  exergónica. G > 0  Reacción no espontánea. Requiere energía  endorgónicas. G = 0  El sistema está en equilibrio y no hay tendencia a que se produzca la reacción. Acoplamiento energético Los acoplamientos más comunes son con reacciones de fosforilación y desfosforilación de ATP que es capaz de almacenar energía por periodos reducidos de tiempo (moneda energética).

10 CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES REDOX REACCIONES DE REDUCCIÓN
REACCIONES DE OXIDACIÓN REACCIONES DE REDUCCIÓN Eliminación de hidrógeno Adición de hidrógeno Eliminación de electrones Adición de electrones Liberación de energía Almacenamiento de energía

11 NAD+  NADH NADP+  NADPH FAD+  FADH
En las reacciones redox la transferencia de electrones suele hacerse en forma de átomo de hidrógeno (un electrón y un protón). Estos átomos de hidrógeno van acompañados de la gran cantidad de energía que estaba almacenada en los enlaces de los que formaban parte. Los trasportadores suelen ser nucleótidos como: NAD+  NADH NADP+  NADPH FAD+  FADH Captan los átomos de hidrógeno liberados por las moléculas oxidadas y los transfieren a las moléculas aceptoras, que se reducen

12 Catabolismo Es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas, proporcionando a la célula precursores metabólicos, energía (se almacena en los enlaces fosfato del ATP) y poder reductor (NADP/NADPH) + + +

13 Características del catabolismo
Reacciones de degradación Producción de energía Reacciones redox Liberación gradual de energía Es posible por: Reacciones sucesivas: ocurren una después de otra. Cada una catalizada por enzimas distintas Transporte de hidrógenos: los electrones viajan junto a protones (átomos de hidrógeno), que pasan a una coenzima que actúa como transportador de hidrógenos. NAD+ + 2 e- + 2H NADH + H+ Cadena transportadora de electrones: La coenzima NADH pasa sus electrones a una cadena transportadora de electrones y finalmente son transferidos a átomos de oxígeno (O) a los que se unen H+ libres y se forma agua (H2O). La energía que se libera al pasar los electrones a una posición inferior se utiliza para fosforilar el ADP y formar ATP (gracias al enzima ATP-sintetasa)

14 Tipos de catabolismo Respiración Fermentación Respiración aeróbica
Interviene la cadena transportadora de electrones Los electrones procedentes de la materia orgánica inicial son transferidos a un aceptor final que es un compuesto inorgánico No interviene la cadena transportadora de electrones Impide transferir los electrones de la materia orgánica inicial a un compuesto inorgánico El producto final siempre es un compuesto orgánico Respiración aeróbica Respiración anaeróbica El agente oxidante es el O2. Al reducirse y aceptar electrones y protones forma H2O El agente oxidante no es el O2, sino iones como el ión nitrato que al reducirse forma el ión nitrito

15 Procesos de degradación
Glucosa  GLUCÓLISIS Como resultado final se obtiene acetil CoA, que entran en el CICLO DE KREBS y en la CADENA RESPIRATORIA para obtener: CO2, H2O y ATP Ácidos grasos  -OXIDACIÓN Proteínas y ácidos nucleicos se descomponen y dan lugar a distintos intermediarios que realizan otras funciones, rara vez se utilizan como combustibles Glucólisis Cadena respiratoria

16 Célula procariota Célula eucariota
RUTA METABÓLICA LOCALIZACIÓN Célula procariota Célula eucariota Glucólisis citosol -oxidación Matriz mitocondrial Ciclo de Krebs Cadena respiratoria Membrana plasmática Membrana de crestas mitocondriales (MMI)

17 Glucólisis Tiene lugar en el citoplasma celular
Consiste en una serie reacciones, cada una catalizada por una enzima determinada, que permite transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico Fosforilación a nivel de sustrato

18 Glucólisis Primera fase o fase de consumo de energía:
Se consumen 2 ATP Se forman dos gliceraldehído-3-fosfato Segunda fase o fase de producción de energía: Por cada gliceraldehído-3-fosfato se forman: 2 ATP 1 ácido pirúvico 1 NADH Balance global de la glucólisis : 2 ácido pirúvico 2ATP 2 NADH La glucólisis se produce en la mayoría de las células vivas, tanto en procariotas como en las eucariotas

19 Balance energético de la glucólisis
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 Ácido pirúvico + 2ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

20 Etapas claves en la glucólisis
Punto crucial de la glucólisis: si el NADH producido no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. Su oxidación depende de la disponibilidad de oxígeno: En condiciones aerobias: el NADH pasa a la cadena transportadora de electrones y allí se producirá H2O y se regenerará el NAD+ que se reutilizará en la glucólisis. El ácido pirúvico pasará al ciclo de Krebs previa transformación en acetil CoA. (respiración celular) En condiciones anaerobias: (bacterias o eucariotas en anoxia). El NADH se oxida mediante la reducción del ácido pirúvico por procesos llamados fermentaciones

21 Respiración de los glúcidos
Ocurre en procesos consecutivos e interrelacionados: Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico Ciclo de Krebs Cadena respiratoria Transporte de electrones Quimiósmosis Fosforilación oxidativa 1 1 2 3 2 3

22 Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico
El ácido pirúvico llega a la matriz mitocondrial El complejo multienzimático piruvato-deshidrogenasa lo transforma en Acetil-CoA Se pierde un grupo carboxilo (descarboxilación) que sale en forma de CO2 y dos hidrógenos (deshidrogenación) que son aceptados por un NAD+ que pasa a NADH + H+ Por cada molécula de glucosa: 2 Ácido pirúvico + 2 CoA + 2 NAD Acetil-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2H+

23 Ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico)
El Acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs transfiriendo su grupo acetilo al ácido oxalacético, que al aceptarlo forma un ácido cítrico. Se producen una serie de transformaciones en las que se degrada completamente el grupo acetilo en dos moléculas de CO2 y el ácido oxalacético se recupera para volver a formar parte del ciclo. Por cada molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs. Los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones se utilizan para formar NADH Y FADH2, que luego entrarán en la cadena transportadora de electrones

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25 BALANCE ENERGÉTICO Por vuelta se produce: Por molécula de glucosa
1 GTP (equivale a un ATP) 3 NADH FADH2 2 GTP 6 NADH 2 FADH2

26 Cadena respiratoria Transporte de electrones Quimiósmosis
Fosforilación oxidativa

27 membrana interna de las mitocondrias
1. Transporte de electrones Los electrones y protones almacenados en el NADH y el FADH2 pasan por una serie de transportadores La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros de forma espontánea, hasta llegar al último aceptor: el O2, que uniéndose con los H+ del medio forma agua membrana interna de las mitocondrias seis grandes complejos enzimáticos cuyo conjunto recibe el nombre de cadena respiratoria Se reducen y oxidan

28 2. Quimiósmosis 3. Fosforilación oxidativa
La energía perdida por los electrones se utiliza en tres puntos concretos de la cadena, para bombear protones al espacio intermembranoso. Cuando su concentración es muy elevada vuelven a la matriz mitocondrial a través de unos canales internos con ATP-sintetasa. 3. Fosforilación oxidativa Cuando los protones fluyen por el canal interior de las ATP-sintetasas producen la unión de un ADP y un grupo fosfato generando así un ATP.

29 BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL
La oxidación en la cadena respiratoria de una molécula de: 1NADH  3 ATP 1FADH2  2 ATP PROCESO CITOPLASMA MATRIZ MITOCONDRIAL TRANSPORTE ELECTRÓNICO TOTAL GLUCOLISIS 2 ATP 2 NADH 2 x (3 ATP) 2 ATP* 6 ATP** RESPIRA-CIÓN Ácido pirúvico a acetil- CoA 2 x (1 NADH) Ciclo de krebs 2 x (1 ATP) 2 x (3 NADH) 2 x (1 FADH2) 6 x (3 ATP) 2 x (2 ATP) 18 ATP** 4 ATP** Balance energético global por cada molécula de glucosa 38 ATP

30 Fermentaciones Degradación anaeróbica de la glucosa en el que el aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Se produce en el citosol Características: Proceso anaerobio El aceptor final es un compuesto orgánico, susceptible de seguir oxidándose (Por ello son poco rentables energéticamente hablando). Este producto final es el que caracteriza la fermentación y le da nombre. La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato. No intervienen las ATP-sintetasas. Sólo produce 2 ATP. Las fermentaciones más importantes ocurren en el mundo de los microorganismos aunque en organismos pluricelulares también se pueden dar, siempre en condiciones de anaerobiosis.

31 Fermentación alcohólica
Transformación de una molécula de glucosa en dos de etanol (alcohol etílico) y dos de CO2 El proceso de degradación de la glucosa es común hasta la obtención de ácido pirúvico (glucólisis), pero a partir de aquí, éste se descarboxila pasando a acetaldehído que posteriormente se reduce a etanol. La reacción global es la siguiente: Glucosa + 2Pi + 2 ADP Etanol + 2 CO2 + 2 ATP También se producen otras sustancias orgánicas denominadas productos secundarios (glicerina o ácido acético) Vinculada a vegetales, hongos y bacterias, porque la enzima fundamental del proceso, la piruvato descarboxilasa, sólo parece encontrarse en estos organismos. Entre las levaduras Saccharomyces cerevisiae es la más conocida y se utiliza industrialmente en la fabricación de bebidas alcohólicas

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33 Fermentación láctica Transformación de una molécula de glucosa en dos de ácido láctico Los microorganismos que pueden llevarla a cabo son bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus principalmente, obteniéndose de ella productos derivados de la leche como el queso y el yogurt. También se puede producir en las células musculares, cuando hay falta de oxígeno.

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35 Respiración aerobia de los ácidos grasos
Los ácidos grasos almacenan una gran cantidad de energía química en sus enlaces (son moléculas muy reducidas) Esta energía se libera mediante un proceso de respiración aerobia que se inicia con su activación y continúa con la β-oxidación, que convierte a los ácidos grasos en moléculas de acetil-CoA. Ácido graso acetil-CoA A partir de aquí el proceso oxidativo continúa mediante etapas similares a la respiración aerobia de la glucosa: ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. β-oxidación

36 Anabolismo (metabolismo constructivo)
Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP Anabolismo autótrofo Anabolismo fotosintético o fotosíntesis Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas sencillas utilizando la energía luminosa Anabolismo quimiosintético o quimiosíntesis Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas sencillas utilizando la energía procedente de reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos Anabolismo heterótrofo Es la transformación de moléculas orgánicas sencillas en otras de mayor complejidad, como almidón, grasas, proteínas,… + + +

37 La fotosíntesis Proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan energía luminosa procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando oxígeno: 6 CO H2O + Energía luminosa GLUCOSA + 6 O2 + 6 H2O La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido en el proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los bioelementos necesarios, como nitrógeno y azufre, además de carbono, para formar materia viva.

38 MITOCONDRIAS

39 Mitocondria METABOLISMO Fosf. Oxidativa, ATP Cresta Matriz
Membrana interna Membrana externa Espacio intermembranoso ADN desnudo (matriz) Mitorribosomas (matriz) Duplicación Transcripción Traduccion Síntesis de proteínas mitocondriales

40 TAMAÑO Y MICROSCOPIA OPTICA

41 DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO

42 DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO

43 Crestas mitocondriales

44 PartÍcula F1

45 Crestas mitocondriales
Variantes morfológicas Crestas mitocondriales Pueden tener diferente orientación en diferentes el tipos celulares Cuando ms demanda de ATP mayor número de crestas (Las mitocondrias de una célula muscular cardíaca tienen tres veces mas crestas que las de otros tipos celulares)

46 Variantes fisiológicas
Estados ortodoxo y condensado

47 Las mitocondrias pueden aislarse mediante fraccionamientos subcelulares clásicos
Estos estudios permiten realizar la caracterización bioquímica de las membranas y compartimientos mitocondriales. Además permiten estudiar las reacciones complejas que ocurren en cada uno.

48 Membrana externa : Permeable a solutos del citosol Presencia de Porinas : proteínas que forman poros que dejan pasar moléculas de hasta 5000 Daltons Membrana interna: Presencia de Cardiolipina ( hace impermeable la membrana) Proteínas transportadoras de iones, proteínas de fosforilación oxidativa y cadena respiratoria Matriz Mitocondrial complejo piruvatodeshidrogenasa (Decarboxilación oxidativa) Enzimas del ciclo de Krebs ( Salvo la succunatodeshidrogenasa ) Enzimas de la beta oxidación ácidos grasos. ADN. ARNs. Ribosomas.

49 Cardiolipina: fosfolípido “doble” de la membrana mitocondrial interna

50 1. Respiración celular, formación de ATP
Oxigeno (O2) Por difusión entra a la mitocondria Fosforilación oxidativa. Membrana interna, se genera ATP Por difusión sale al citosol

51 Catabolismo de los hidratos de carbono.
1-Glucólisis Glucosa a piruvato (en el citosol ) Ocurren en las mitocondrias 2-Decarboxilación oxidativa. 3-Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) 4-Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

52 Descarboxilación del piruvato y formación de acetil-CoA
NADH NAD piruvato Acetil-Co A co2 Decarboxilación oxidativa . Complejo multienzimático que actúa: Piruvatodeshidrogenasa El acetil CoA entra en el ciclo de Krebs

53 *succinatodeshidrogenasa
Por cada vuelta del ciclo se obtienen. 2 CO2 1 ATP 3 NADH 1FADH Ciclo de Krebs succinato * Fumarato *succinatodeshidrogenasa en la membrana interna

54 Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde NADH

55 Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde FADH

56 Teoría quimiosmótica: Gradiente electroquímico de protones

57 Teoría quimiosmótica: Estructura de la enzima ATP sintasa

58 Transporte de metabolitos a través de la membrana mitocondrial interna

59 2. MITOCONDRIA Y ALMACENAMIENTO DE CALCIO

60 3. Mitocondria y la esteroidogénesis
Participa en el pasaje de colesterol a pregnenolona y en la última etapa de la síntesis de hormonas esteroides.

61 5. PARTICIPACION DE LA MITOCONDRIA EN LA MUERTE
CELULAR PROGRAMADA O APOPTOSIS Mediante la liberación de citocromo C y de la Proteína SMAC/diablo. La primera forma el apoptosoma que estimula el pasaje de procaspasa 3 a caspasa 3. La segunda inhibe a la proteína IAP (Proteína Inhibitoria de la Apoptosis).

62 TEORIA SIMBIÓTICA DEL ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS

63 EVIDENCIAS 1. ADN circular y desnudo.
(Excepciones al código genético universal). 2.El ADN no está rodeado por una envoltura. 3. Características de las membranas. 4. Homología Mesosomas-crestas. 5. Presencia de ribosomas con menor S. 6. Mecanismo de división. 7. Inhibición de síntesis proteica por cloranfenicol.