El metabolismo (catabolismo) 2º Bachillerato - Biología

El Metabolismo celular INTRODUCCIÓN Concepto de Metabolismo: Es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos que ocurren en una célula y en el organismo. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vidaa escala molecular, y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc. Condiciones del metabolismo: Tª, pH, leyes termodinámica, medio acuoso, sistemas multienzimáticos. ASPECTOS ENERGÉTICOS Leyes de la termodinámica: 1ª Conservación de la energía, 2ª Entropía Concepto de: Energía libre  “trabajo” Oxidación : cesión de e-  oxidante: compuesto que acepta e- Reducción : aceptación de e-  reductor: compuesto que cede e-

Las reacciones metabólicas son reacciones de oxidorreducción Una molécula se oxida si pierde electrones al tiempo que otra molécula gana esos electrones y se reduce. El potencial redox indica la facilidad o dificultad en ceder o captar electrones. Un potencial redox muy electronegativo indica mucha facilidad para ceder electrones, es decir para oxidarse. Así se libera energía que es captada para formar ATP. OXIDACIÓN REDUCCIÓN Pérdida de e-, conlleva aumento del número de oxidación: Cu+ Cu2+ Ganancia de e-, conlleva disminución del número de oxidación: Cu2+ Cu+ Pérdida de hidrógeno: R-H R Incorporación de hidrógeno: R R-H Incorporación de oxígeno: R R-O LIBERACIN DE ENERGÍA Pérdida de oxígeno: R-O R ALMACENAMIENTO DE ENERGIA

CATABOLISMO Y ANABOLISMO Catabolismo Degradación de moléculas orgánicas (Rutas convergentes)  Procesos exergónicos Finalidad : ATP Poder reductor (NADPH y NADH) 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 síntesis

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

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: GLUCIDOS Glucolisis: Citoplasma Respiración aerobia Formación Acetil-CoA y Ciclo de Krebs Matriz mitocondrial Fosforilación oxidativa: Membrana interna (crestas mitocondriales) Fermentación LIPIDOS - oxidación

1- LA GLUCOLISIS Activación: Consumo de 2 ATP : Glucosa  GAL3P Oxidación: Aldheido a Ácido: GAL3P  3 PG Produce 2 ATP 2 NADH Restitución: Produce 2 ATP: 3 PG  Piruvato

LA GLUCOLISIS Concepto : Etapas: 1Glucosa + 2 NAD++ 2ADP + 2 Pi  2 Piruvato + 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  Piruvato

1- LA GLUCOLISIS

2 - DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO 2 Piruvato + 2 NAD+ + 2 CoA-SH  2 Acetil CoA + 2 CO2 + 2 NADH + H + Complejo multienzimatico: Piruvato deshidrogenasa-descarboxilasa “Acetil CoA  Punto de encuentro de las encrucijadas metabólicas” El proceso, que se había iniciado en el citosol con la glucólisis, continúa en la mitocondria El piruvato penetra en la mitocondria y se descarboxila oxidativamente formando acetil – Co A y CO2 Es una reacción irreversible que dirige al piruvato hacia su oxidación total en el ciclo de Krebs.

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

RENDIMIENTO DE 1 MOLECULA DE GLUCOSA Glucolisis: 2 ATP…………………………. 2ATP 2 NADH………x3ATP……….4 o 6 ATP Descarboxilación Piruvatos (2): 2 NADH………x3ATP……….6 ATP Ciclo de Krebs: 2 GTP…………………………2 ATP Fosforilación oxidativa: transporte de electrones 6 NADH………..X 3ATP…….18ATP 2 FADH2………X 2 ATP…….4 ATP ________________ Glucosa + 6 O2  6 CO2 + 6H2O + 36 o 38 ATP

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 Cadena de transporte Electrónico (redox) NADH NAD+ (COENZIMA RECICLADO) SO42- H2S + O2 ATP

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 - 137 Kcal/mol. Rendimiento = 11% Respiración 38 x 7,3 Kcal/mol.= 277,4 - 686 Kcal/mol. Rendimiento = 40 %

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

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

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 )

Rendimiento de la β-oxidación de ácidos grasos. Ej. ácido caproico 6C Nº de vueltas Nº de moléculas de acetil CoA producidas Moléculas reducidas por vuelta Rendimiento del Ciclo de Krebs Rendimiento de la fosforilación oxidativa Ácido graso de N carbonos N/2 - 1 N/2 1 NAD2H y 1 FAD2H/vuelta TOTAL (N/2-1) NAD2H (N/2-1) FAD2H Cada acetil CoA rinde 3 NAD2H 1 FAD2H y 1 GTP 1 NAD2H rinde 3 ATP y 1 FAD2H rinde 2 ATP Ácido caproico(6C, igual que la glucosa) 2 3 2 NAD2H 2 FAD2H 9 NAD2H 3 FAD2H 3 GTP 33 ATP 10 ATP 3ATP menos 1 ATP gastados para entrar= 45 ATP

Glucosa 38 ATP, Ácido caproico 44 ATP ¿Por qué se prefieren los glúcidos? Movilización más rápida de glúcidos, antes glucógeno que grasas. Algunos tejidos sólo utilizan glucosa (nervioso, eritrocitos...) En anaerobiosis no funciona el ciclo de Krebs. En animales, los ácidos grasos no se transforman en glúcidos. Son insolubles y necesitan moléculas transportadoras. Tejido adiposo: Células blancas sólo producen ATP y células pardas que tienen desacoplada la cadena respiratoria por lo que producen en su oxidación más calor que ATP, fundamental en animales hibernantes y recién nacidos.

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 42

CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS Proteínas  Aminoácidos (digestión) Aminoácidos: Desaminación . - NH2 (excreción o transaminación) Oxidación de la cadena carbonada  c. De Krebs, AcetilCoA, Piruvato Glucogénesis o Cetogénesis Cetogénesis o Glucogénesis

CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS

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.

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. 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

Indica que papel juegan en el metabolismo las siguientes moléculas: NADH, citocromo C, Acetil CoA, ADP ¿En qué punto del metabolismo convergen las rutas catabólicas de azucares y grasas? ¿en que parte de la célula eucariótica se localiza dicha ruta? ¿cuáles son los productos finales de su degradación? (Suponer presencia de oxigeno) ¿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).

¿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 aminácido? ¿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.

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 Ac ¿Cuáles pueden ser los posibles orígenes del Ac. 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?

En un determinado proceso enzimático, una concentración fija de enzima "E" transforma un sustrato "S" en un producto "P" a una velocidad máxima de 35 mMol / min. Si en esta etapa del proceso añadimos cierta cantidad de sustancia "X" -de estructura similar a la de "S"- reconocida también por el centro activo de "E", pero no transformable en producto, se observa que la V.max. del proceso desciende un 50%. Representa gráficamente el fenómeno (velocidad frente a concentración de sustrato) e indica porqué la adición de "X" ha reducido la velocidad máxima. ¿Cómo harías en este caso para recuperar nuevamente el valor de Vmax. sin retirar "X" del medio? ¿Qué le ocurriría a la Km de la enzima en cada uno de estos supuestos? Razona las respuestas.