TEMA 8. El metabolismo (catabolismo)

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1 TEMA 8. El metabolismo (catabolismo)
2º Bachillerato - Biología Pachi San Millán IES Muriedas

2 ÍNDICE: El metabolismo (catabolismo)
Introducción Aspectos energéticos Catabolismo y Anabolismo Tipos de metabolismo El catabolismo: La respiración celular aerobia Degradación de los polisacáridos hasta la glucosa. Glucolisis: la glucosa se descompone en 2 moléculas de ácidos pirúvico (piruvato). Ciclo de Krebs, si hay O2, o fermentación si no lo hay. Cadena respiratoria, solo en la respiración celular. Balance energético La respiración celular anaerobia Las fermentaciones Catabolismo de los Lípidos Catabolismo de los prótidos Interconexiones de la rutas catabólicas

3 El Metabolismo celular
INTRODUCCIÓN Concepto de: Metabolismo: procesos bioquímicos integrados en la función de nutrición Función de nutrición: Intercambio de materia y energía  mantenimiento de la vida Condiciones del metabolismo: Tª, pH, leyes termodinámica, medio acuoso, sistemas multienzimáticos. ASPECTOS ENERGÉTICOS Leyes de la termodinámica: 1ª Conservación de la energía, 2ª Entropía Energía libre  “trabajo” Oxidación : cesión de e-  oxidante: compuesto que acepta e- Reducción : aceptación de e-  reductor: compuesto que cede e-

4 CATABOLISMO Y ANABOLISMO
Catabolismo Degradación de moléculas orgánicas (Rutas convergentes)  Procesos exergónicos Finalidad : ATP Poder reductor (NADPH y NADH) 12 precursores bioquímicos Catabolismo aerobio (O2 ) y anaerobio (No O2 ) Anabolismo  Síntesis de moléculas orgánicas complejas (Rutas divergentes)  Procesos endergónicos Simultaneidad y Sincronización Conservación evolutiva de las rutas centrales (análisis general) Participación de metabolitos intermediarios (Catabolismo-anabolismo): Papel de ATP/ADP (“moneda” o “vector” de energía) Papel de NADH, NADPH, FADH2 (poder reductor) Fuente indirecta de energía Fuente de materia (H+ y e- ) Para la síntesis

5 CATABOLISMO Y ANABOLISMO
Conservación evolutiva de las rutas centrales (análisis general)

6 CATABOLISMO Y ANABOLISMO
Participación de metabolitos intermediarios (Catabolismo- anabolismo): Papel de ATP/ADP (“moneda” o “vector” de energía) Papel de NADH, NADPH, FADH2 (poder reductor) Fuente indirecta de energía Fuente de materia (H+ y e- ) Para la biosíntesis

7 Tipos de organismos en función de su metabolísmo
TIPOS DE METABOLISMO Tipos de organismos en función de su metabolísmo Fuente de energía Luminosa Fotótrofos Oxidación de compuestos químicos Quimiotrofos Quimioorganotrofos (c. orgánicos) Quimiolitotrofos (c. inorgánicos) de Carbono CO2 Autótrofos Compuestos orgánicos Heterótrofos

8 “RECICLADO DE COENZIMAS”
EL CATABOLISMO INTRODUCCIÓN: Procesos oxidativos (deshidrogenasas  NAD+ o FAD ) Tipos: Respiración celular: Fosforilación oxidativa y Fosforilación a nivel de sustrato Aerobia Anaerobia Fermentaciones: Fosforilación a nivel de sustrato “RECICLADO DE COENZIMAS”

9 EL CATABOLISMO ESQUEMA GENERAL
Membrana externa Membrana interna Espacio intermembranal Matriz mitocondrial Cresta mitocondrial

10 EL CATABOLISMO: LA RESPIRACIÓN CELULAR AEROBIA
Localización de las distintas rutas: Glucolisis: Citoplasma C. Krebs y - oxidación : Matriz mitocondrial Fosforilación oxidativa: Membrana interna (crestas mitocondriales)

11 CATABOLISMO DE LOS GLUCIDOS: LA RESPIRACIÓN CELULAR AEROBIA
Fases y Localización : Glucogenolisis: POLÍMEROS  MONÓMEROS Glucógeno  n glucosa - 1P A partir de glucosa: Proceso general:    C6H12O6 + 6O2      6CO2 + 6H2O kcal /mol Glucolisis: Citoplasma C. Krebs: Matriz mitocondrial Fosforilación oxidativa: Membrana interna (crestas mitocondriales)

12 1- LA GLUCOLISIS: PROCESO GENERAL

13 1- LA GLUCOLISIS: ETAPAS

14 1- LA GLUCOLISIS: 10 REACCIONES
Activación: Consumo de 2 ATP : Glucosa  GAL3P Oxidación: Aldheido a Ácido: GAL3P  3 PG Restitución: Produce 2 ATP: 3 PG  P

15 GLUCOLISIS

16 LA GLUCOLISIS Concepto : Etapas:
1Glucosa + 2 NAD++ 2ADP + 2 Pi  2 Ac. Pirúvico + 2 ATP + 2 NADH +2H+ Etapas: Activación: Consumo de 2 ATP : Glucosa  GAL3P Oxidación: Aldheido a Ácido: GAL3P  3 PG (GAL 3P-deshidrogenasa  2 NADH + 2 ATP ) Restitución: Produce 2 ATP: 3 PG  P

17 1- LA GLUCOLISIS

18 2 - DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO
2 Piruvato NAD+ + 2 CoA-SH  2 Acetil CoA + 2 CO NADH + 2H + Piruvato deshidrogenasa-descarboxilasa “Acetil CoA  Punto de encuentro de las encrucijadas metabólicas”

19 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

20 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

21 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

22 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

23 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

24 3- EL CICLO DE KREBS o DE LOS AC. TRICARBOXÍLICOS

25 4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Sistemas Ia, Ib, II, III: complejos multienzimáticos Cadena redox: Aceptor final : O2  H2O Reciclado de Coenzimas  NADH NAD+ (COENZIMA RECICLADO) ATP ½ O2 Cadena de transporte Electrónico (redox) H2O

26 4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

27 4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

28 4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Sistemas Ia, Ib, II, III, + ATPasa (V) Nota: El sistema I puede desglosarse en dos, los complejos NADH deshidrogenasa y FADH2 Succinato deshidrogensa, en este caso tendríamos 5 sistemas principales. (En la PAU ha caído así)

29 4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Teoría Quimiosmótica
Caída electrónica  energía libre para transporte activo de H+ ATPasa  síntesis de ATP (fosforillación oxidativa

30 BALANCE ENERGÉTICO: 36/38 ATP
PROCESO GLOBAL: Glucosa + 6 O2  6 CO H2O + 38 ATP (máximo)

31 FASE AEROBIA DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
OBJETIVOS: C.Krebs: Poder reductor (NADH y FADH2) 4 precursores metabólicos 1 GTP. Cadena de transporte: ATP Reciclado de Coenzimas (NAD+, FAD)

32 Lanzaderas

33 LA RESPIRACIÓN CELULAR AEROBIA

34 LA RESPIRACIÓN CELULAR ANAEROBIA
Aceptor final diferente al oxígeno Ej: SO H2S Fosforilación oxidativa ATP NADH NAD+ (COENZIMA RECICLADO) SO42- Cadena de transporte Electrónico (redox) H2S + O2

35 Incremento de Energía libre entre reactivos y productos
LAS FERMENTACIONES CONCEPTO Localización: Citoplasma Fosforilación: A nivel de sustrato Aceptor de electrones: Compuesto orgánico Oxidación incompleta RENDIMIENTO ENERGETICO Balance de ATP: 4 – 2 = 2ATP Rendimiento comparado: 11 % Glucolisis (2 ATP) 40 % Respiración (38 ATP) Nº de ATP Incremento de Energía libre entre reactivos y productos Glucolisis 2 x 7,3 Kcal/mol= 14,6 Kcal/mol - 137 Kcal/mol. Rendimiento = 11% Respiración 38 x 7,3 Kcal/mol = 277,4 Kcal/mol - 686 Kcal/mol. Rendimiento = 40 %

36 Fermentaciones

37 LA FERMENTACION ALCOHÓLICA
Concepto: Glucosa (C6) + 2 (ADP + Pi) + 2 NADH + 2H Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 NAD+ Aceptor final: acetaldehído (reciclado de coenzimas) Importancia: cerveza, vino, pan, ron (Saccharomyces)

38 LA FERMENTACION LÁCTICA
CONCEPTO: Glucosa (C6) + 2 (ADP + Pi) + 2 NADH + 2H+ 2 Ácido láctico (C3) + 2 ATP + 2 NAD+ Aceptor final: Piruvato (reciclado de coenzimas) Importancia: prod. lacteos: mantequilla, queso, yogur, “músculo”  “agujetas” (Lactobacillus bulgáricus, streptococus termophilus, Lactococcus, etc.)

39 LA FERMENTACION LÁCTICA

40 Esquema general de las VIAS DEGRADATIVAS DE LA GLUCOSA

41 CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
Grasas: Hidrólisis (lipasas)  Ac. Grasos + Glicerol Ac. Grasos: -oxidación  n Acetil CoA  C. Krebs (ej. Palmitico 16C  8 AcetilCoA) Glicerol  GAL3P  Piruvato  Acetil CoA  C. Krebs Objetivos: 1 precursor metabólico (acetil CoA) Poder reductor: Cada -oxidación: 1FADH2 y 1NADH Energía : (ejemplo ac. Palmítico  130 ATPs )

42 CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
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43 CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
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44 CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS
Proteínas  Aminoácidos (digestión x hidrólisis) Aminoácidos: Desaminación o transaminación  - NH2 (excreción o transaminación) A) Oxidación de la cadena carbonada  c. De Krebs, AcetilCoA, Piruvato B) Glucogénesis o Cetogénesis Cetogénesis o Glucogénesis

45 CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS
B) Glucogénesis o Cetogénesis A) Oxidación de la cadena carbonada

46 INTERCONEXIONES DE LAS RUTAS CATABÓLICAS

47 TEMA 6 TEST DE REPASO

48 ¿De qué manera obtienen energía los seres vivos que viven en una atmósfera pobre en oxígeno?.
Por respiración celular anaerobia o por los distintos tipos de fermentaciones. Relación entre el ciclo de Krebs y la glicólisis. ¿Qué papel juega cada uno/a en el metabolismo? . Son rutas degradativas consecutivas necesarias para la oxidación total de la glucosa. Glucolisis: Fase anaerobia objetivo: 2ATP, poder reductor (2NADH) y 6 precursores metabólicos. C. Krebs: Fase aerobia ( no se produciría en ausencia de oxígeno) objetivo: GTP, 4 precursores metabólicos y poder reductor (3NADH y 1FADH2 )

49 Proceso global: Glucosa + 6 02 => 6 CO2 + 6H2O
Indica con un esquema la procedencia de los productos de la degradación total de la glucosa en la respiración celular aerobia, incluido el balance de ATPs, excluído las moléculas de H2O. Proceso global: Glucosa => 6 CO2 + 6H2O Nota: El balance de H2O no se representa debido a que se escapa a lo exigible en este curso.

50 Glucosa + 6 O2 ------> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
Qué doble finalidad tiene el metabolismo en los seres vivos? Razona la respuesta y pon un ejemplo de cada una de ambas facetas. (Anabolismo): Biosíntesis de moléculas complejas (orgánicas) (Catabolismo): Obtención de energía (ATP, etc.), precursores metabólicos y poder reductor. Indica, por orden de actuación, las rutas metabólicas que intervienen en el siguiente proceso, señalando que finalidad tiene cada una en el metabolismo. Glucosa O > 6 CO H2O ATP Todas degradar m. orgánica por oxidación. OBJETIVOS: 1ºglucolisis: -  (6 precursores metabólicos) -  Produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato. (objetivo, energía) -  Genera poder reductor en forma de 2 NADH. (objetivo) 2º Descarboxilación del Piruvato: - Precurso: Acetil-CoA. Poder reductor: NADH + H+ 3ºC. Krebs: - Poder reductor en forma de 3 NADH y 1 FADH2. -  4 precursores metabólicos . -  Energía en forma de 1 GTP (convertible y equiparable al ATP) 4º Transporte de e- y fosforilación Oxidativa: - Generar ATP - NAD+ y FAD reciclados (oxidados) para volverlos a utilizar, de otra manera se colapsaría el sistema

51 Citocromo C: transportador de e- en cadena respiratoria
Indica que papel juegan en el metabolismo las siguientes moléculas: NADH, citocromo C, Acetil CoA, ADP NADH (Fuente de H para biosíntesis y fuente indirecta de ATP por fosforilación oxidativa) Citocromo C: transportador de e- en cadena respiratoria Acetil CoA: Punto de encuentro de muchas rutas metabolícas: biosíntesis (ej de ácidos grasos, aminoácidos, etc.), producto intermediario en la degradación de glúcidos, lípidos, prótidos, etc. ADP: (vector energético ATP). ¿En qué punto del metabolismo convergen las rutas catabólicas de azucares y grasas? ¿en que parte de la célula eucariótica se localiza dichas rutas? ¿cuáles son los productos finales de su degradación? (Suponer presencia de oxigeno) Acetil CoA Matriz mitocondrial (glucolisis + descrboxilación oxidativa del piruvato) y (ß-oxidación). CO2 y H2O ¿De qué forma y en qué parte de la célula se produce el ATP? ¿en qué proceso se consume el ATP? (tanto procesos catabólicos como anabólicos). Glucolisis (F. a nivel de S) en citosol, c. de Krebs GTP  ATP en matriz m., cadena de T. e- (F. oxidativa) en crestas m., (Fotofosforilación) en tilacoides . Consumo: Anabolismo (biosíntesis) + transporte activo (membranas) + contracción muscular.

52 ¿Qué ruta degradativa siguen los ácidos grasos
¿Qué ruta degradativa siguen los ácidos grasos? ¿cuáles son los productos finales de su degradación en presencia de oxígeno? ¿en qué punto conecta esta ruta degradativa con la de los azúcares? Razona la respuesta. -oxidación CO2 + H2O Acetil CoA Breve redacción explicativa Representa mediante un esquema claro las rutas metabólicas generales utilizadas por la célula para oxidar la glucosa en presencia y ausencia de oxígeno respectivamente. ¿Cuáles serán en cada caso los productos finales de dichos procesos? a) Esquema de r. aerobia: (4 etapas) + esquema b) Fermentación: Fase oxidativa= glucolisis F. reductora reciclaje Productos: a) CO2 + H2O b) Sustancia orgánica (ej. lactato)

53 Aunque los aminoácidos de la dieta deberían ser utilizados por el organismo para la formación de proteínas no siempre ocurre así y en muchos casos pueden ser catabolizados. ¿Qué beneficio puede obtener el organismo de la oxidación de un aminoácido? ¿qué productos de desecho se generarían tras la degradación total de los aminoácidos en condiciones aeróbicas? Razona la respuesta: Beneficio: energía (ATP) ante carencia de nutrientes energéticos. Combustible por gluconeogénesis o síntesis de ácidos grasos. NH3 (x desaminación), CO2, H2O (x. degradación de cetoácidos). En ureotélicos el NH3 pasa a urea… Dibuja una célula e indica en qué partes de la misma se localizan las distintas rutas que intervienen en la degradación de los ácidos grasos en presencia de oxígeno. Pon nombre a cada una de ellas. 1º -oxidación 2º c. Krebs 3º cadena de TE (cadena respiratoria)

54 Define el concepto de respiración y fermentación respectivamente, e indica a continuación las principales similitudes y diferencias existentes entre ambos. ¿Cuál es el papel biológico de la fermentación? ¿qué tipo seres vivos dependen de ella exclusivamente para obtener energía?. Pon dos ejemplos concretos. Respiración: Degradación de moléculas orgánicas hasta su oxidación total para la obtención de precursores metabólicos, poder reductor y energía química en forma de ATP. Como aceptor final de electrones actúa el oxígeno u otra sustancia inorgánica como el ión sulfato con el fin de reciclar los coenzimas a su forma oxidada. Fermentación: Degradación de moléculas orgánicas hasta su oxidación parcial para la obtención de precursores metabólicos, poder reductor y energía química en forma de ATP. Como aceptor final de electrones actúa un compuesto orgánico como el piruvato o el acetaldehido con el fin de reciclar los coenzimas a su forma oxidada. Similitudes y diferencias: Aceptores finales , R: oxidación total con fosf. oxidativa y a nivel de sustrato (más ATP) F: oxidación incompleta con fosf a nivel de S.. Papel de Fermentación: reciclaje de coenzimas para permitir nuevas oxidaciones. Anaerobios estrictos ej. Lactobacillus bulgáricus (bacteria) , Sacharomyces cerevisiae (levadura)

55 Define el concepto de glucólisis: indica su localización celular y su función biológica. (o define cualquier otra ruta). Concepto: Ruta catabólica de oxidación parcial de la glucosa a piruvato. Localización: Citosol Función biológica: ATP, NADH, y 6 precursores metabólicos Identificar el proceso que aparece en la figura , indica su localización celular y su función biológica. ¿qué le ocurre a este proceso en ausencia de oxígeno?. Razona la respuesta. 1º Transporte e- y fosforilación oxidativa (ATP) en cadena respiratoria 2º Localización: Crestas mitocondriales. 3º Se colapsan los procesos oxidativos, sin aceptor final no existe reciclaje de coenzimas a su forma oxidada. Y estos no están disponibles para nuevas oxidaciones. Indicar el proceso que aparece en la figura, indica su localización celular y su función biológica anabólica y catabólica. Indica tres posibles orígenes del Aceti-CoA. 1º Ciclo de Krebs 2º Localización: Matriz mitrocondrial 3º Funciones: GTP (catabólica), poder reductor (1FADH2 , 3NADH, anabólica y catabólica), 4 precursores (anabólica). 4ºOrigen Acetil CoA: oxidación de: 1 piruvato, 2 ac. Grasos, 3 aminoácidos.

56 La disminución de grasas en la dieta no reduce necesariamente el riesgo de padecer obesidad si se mantiene alta ingesta de hidratos de carbono. ¿Cómo explicas este comportamiento a nivel metabólico? El exceso de glúcidos no utilizado se transforma en grasas en los hepatocitos del hígado y en los adipocitos. La oxidación parcial (catabolismo) de la glucosa produce precursores metabólicos para la síntesis de glicerol (a partir de 3 fosfoglicerato en la glucolisis) y ácidos grasos ( a partir de Acetil CoA). Elabora un texto coherente (no más de diez líneas) referentes a la respiración aerobia, en el que figuren los siguientes términos: 1º NADH, 4º ATP, 3º O2 , 2º cadena de transporte electrónico. La respiración aerobia constituye un proceso catabólico que permite la degradación, por oxidación total, de sustancias orgánicas. Los electrones y protones desprendidos en el proceso son captados por coenzimas oxidados para dar su forma reducida, como es el caso del NADH, estos coenzimas ceden sus electrones y protones a una cadena de transporte electrónico formada por moléculas transportadoras estratégicamente situados, lo que permite un transporte de e- a favor de gradiente de potencial redox, hasta un aceptor final que en este caso será el O2 para dar H2O. La energía liberada en la caída a niveles energéticos más bajos, es acoplada a la fosforilación del ADP para dar ATP por fosforilación oxidativa.

57 Identifica el proceso que aparece en la figura
Identifica el proceso que aparece en la figura. Indica su localización celular y su función biológica. ¿Qué le ocurre a este proceso en ausencia de oxígeno? ¿Qué papel juega y donde se forma el NADH que interviene en este proceso? a) Transporte electrónico y fosforilación oxidativa (síntesis de ATP) b) Localización y función : En crestas mitocondriales (transporte e-), Síntesis de ATP que acaba en la matriz mitocondrial. c) Si no existe O2 como aceptor final de electrones el sistema se colapsa y los coenzimas reducidos (NADH y FADH2) no se reciclan en sus formas oxidadas (NAD+ y FAD) de manera que no están disponibles para que acepten nuevos electrones en las reacciones oxidativas de la glucolisis, descarboxilación del piruvato, ciclo de Krebs , beta-oxidación etc. y no se puede obtener energía. Cuando esto nos ocurre a algunos aerobios como nosotros, podemos recurrir a mecanismos de obtención de energía alternativos como es la fermentación láctica , proceso menos rentable que utiliza moléculas orgánicas como aceptor final de electrones (ej. piruvato para dar Lactato) d) El NADH, es el principal coenzima reducido y obtiene los electrones (e-) y protones (H+) de la oxidación de moléculas orgánicas, principalmente glucosa a través de las distintas etapas de la respiración celular (glucolisis (citosol), descarboxilación del piruvato (matriz), ciclo de Krebs (matriz)) o ácidos grasos (-oxidación (matriz), ciclo de Krebs (matriz)). El NAD+ acepta protones y electrones que son cedidos a la cadena respiratoria permitiendo la obtención de energía por fosforilación oxidativa.

58 ¿Cuáles pueden ser los posibles orígenes del Acetil CoA con el que funciona el ciclo de Krebs? ¿Cuál es la principal función metabólica de este ciclo?¿En qué parte (estructura/orgánulo) de la célula tiene lugar? Ver gráfico Oxidación del acetil CoA procedente de las distintas rutas degradativas y producción de coenzimas reducidos (poder reductor) En matriz mitocondrial

59 Completa el esquema anterior incluyendo los procesos fermentativos que se dan en ausencia de oxígeno y ampliando en lo posible la información solicitada en la cuestión anterior 59

60 Comenta y razona el concepto y funciones del metabolismo en los seres vivos, poniendo ejemplos concretos en cada caso. ¿puede haber seres vivos sin metabolismo? Razona la respuesta.          El metabolismo celular comprende todas las transformaciones químicas que ocurren en las células para satisfacer sus necesidades de materia y energía, de manera que constituye una parte fundamental de la función de NUTRICIÓN de los seres vivos. No puede haber s. vivos sin metabolismo ya que la vida implica un nivel de entropía bajo mantenible solo a costa de un intercambio de materia y energía con el entorno. Comenta con un esquema el papel del ciclo de Krebs en el metabolismo de los ácidos grasos. (Considerar condiciones aeróbicas). Esquema + explicación del mismo:

61 Metabolismo fermentativo (fermentación), concepto, mecanismo, principales diferencias con el no fermentativo. Pon dos ejemplos de productos de metabolismo fermentativo que tengan interés industrial. Concepto: Son procesos catabólicos anaerobios en los que el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico formado, que al reducirse genera los NAD+ en su forma oxidada (reciclaje) para que el proceso pueda repetirse. Tienen lugar en el citosol y el resultado es una oxidación incompleta de la sustancia. Diferencias con respiración: elaborar cuadro F: anaerobio, fosforilación a nivel de sustrato, aceptor orgánico. bajo rendimiento energético, citosol. R: Aerobio o anaerobio, fsforilación oxidativa y a nivel de sustrato, aceptor inorgánico (O2 u otro), Mayor rendimiento energético, citosol + mitocondrias en eucariotas o mesosomas en procariotas. Ejemplos: vino (f. alcohólica) y yogur (f. láctica). Mecanismo:  esquemas: