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

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

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-

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

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

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

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

“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”

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

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)

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 + 686 kcal /mol Glucolisis: Citoplasma C. Krebs: Matriz mitocondrial Fosforilación oxidativa: Membrana interna (crestas mitocondriales)

1- LA GLUCOLISIS: PROCESO GENERAL

1- LA GLUCOLISIS: ETAPAS

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

GLUCOLISIS

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

1- LA GLUCOLISIS

2 - DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO 2 Piruvato + 2 NAD+ + 2 CoA-SH  2 Acetil CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2H + Piruvato deshidrogenasa-descarboxilasa “Acetil CoA  Punto de encuentro de las encrucijadas metabólicas”

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

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

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

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

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

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

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

4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

4- TRANSPORTE ELECTÓNICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

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)

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

BALANCE ENERGÉTICO: 36/38 ATP PROCESO GLOBAL: Glucosa + 6 O2  6 CO2 + 6H2O + 38 ATP (máximo)

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)

Lanzaderas

LA RESPIRACIÓN CELULAR AEROBIA

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

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 %

Fermentaciones

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

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.)

LA FERMENTACION LÁCTICA

Esquema general de las VIAS DEGRADATIVAS DE LA GLUCOSA

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 )

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 42

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 43

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

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

INTERCONEXIONES DE LAS RUTAS CATABÓLICAS

TEMA 6 TEST DE REPASO

¿De qué manera obtienen energía los seres vivos que viven en una atmósfera pobre en oxígeno?. Relación entre el ciclo de Krebs y la glicólisis. ¿Qué papel juega cada uno/a en el metabolismo? .

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. Nota: El balance de H2O no se representa debido a que se escapa a lo exigible en este curso.

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 + 6 O2 ------> 6 CO2 + 6 H2O + 36 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

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.

¿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. 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?

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: 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.

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: Fermentación: Similitudes y diferencias:

Define el concepto de glucólisis: indica su localización celular y su función biológica. (o define cualquier otra ruta). 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. 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.

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? 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.

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?

¿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?

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

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.          Comenta con un esquema el papel del ciclo de Krebs en el metabolismo de los ácidos grasos. (Considerar condiciones aeróbicas).

Metabolismo fermentativo (fermentación), concepto, mecanismo, principales diferencias con el no fermentativo. Pon dos ejemplos de productos de metabolismo fermentativo que tengan interés industrial. Concepto: Diferencias con respiración: Ejemplos: Mecanismo: