METABOLISMO: CATABOLISMO DE GLÚCIDOS Y LÍPIDOS

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1 METABOLISMO: CATABOLISMO DE GLÚCIDOS Y LÍPIDOS

2 METABOLISMO: GENERALIDADES (I)
1 METABOLISMO: GENERALIDADES (I) Conjunto todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula y que le proporcionan la energía y materia necesarias para mantener y regenerar sus estructuras y realizar sus funciones vitales. 2 Tipos de reacciones químicas: REACCIONES EXERGÓNICAS: Espontáneas (ΔG < 0) Reacciones de degradación. Liberan energía. REACCIONES ENDERGÓNICAS: No espontáneas (ΔG ˃ 0) Reacciones de síntesis. Requieren aporte de energía que puede provenir de: Energía solar. Energía liberada en las reacciones exergónicas.

3 METABOLISMO: GENERALIDADES (II)
3 Las reacciones químicas están catalizadas por enzimas diferentes y ligadas, pues frecuentemente el producto de una es el sustrato de otra u otras. Se originan así secuencias de reacciones que reciben el nombre de rutas metabólicas (lineales, cíclicas o ramificadas), interconectadas en una compleja red. Dichas rutas se reúnen en dos grupos, catabólicas y anabólicas.

4 METABOLISMO: GENERALIDADES (III)
4 Reacciones redox (oxidación-reducción) en las células: Oxidación: Degradación de moléculas orgánicas complejas en sencillas o inorgánicas. Son exergónicas pues liberan energía. Se ceden electrones y H+. Reducción: Síntesis de moléculas complejas a partir de sencillas o inorgánicas. Son endergónicas pues necesitan energía. Se captan electrones y H+. Siempre que una molécula se oxida, cede electrones, otra los capta, se reduce, por lo que se dice que ambos procesos están acoplados.

5 METABOLISMO: GENERALIDADES (IV)
5 CLASIFICACIÓN DE LOS ORGANISMOS EN FUNCIÓN DE SU METABOLISMO FUENTE DE ENERGÍA LUZ SUSTRATO OXIDABLE (Reacciones redox) FOTÓTROFOS QUIMIÓTROFOS FUENTE DE CARBONO ORGÁNICO HETERÓTROFOSU ORGANÓTROFOS. FOTOORGANÓTROFOS, HETERÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS, FOTOHETERÓTROFOS. Bacterias rojas no sulfúreas. QUIMIOORGANÓTROFOS, HETERÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOS, QUIMIOHETERÓTROFOS. Animales, hongos, protozoos, mayoría de bacterias. INORGÁNICO AUTÓTROFOS O LITÓTROFOS. FOTOLITÓTROFOS, AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS, FOTOAUTÓTROFOS. Plantas, algas, bacterias rojas y verdes del azufre. QUIMIOLITÓTROFO, AUTÓTROFO QUIMIOSINTÉTICO, QUIMIOAUTÓTROFO. Bacterias del hidrógeno, incoloras del azufre, nitrificantes, férricas.

6 TRANSPORTADORES METABÓLICOS
T. DE ENERGÍA ATP-ADP (1*), y otros como GTP T. DE ELECTRONES NAD+- NADH (2*) NADP+- NADPH FMN – FMNH2 FAD – FADH2 T. DE GRUPOS CoA

7 (1*) TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (I)
Los enlaces entre los grupos fosfatos de los nucleótidos di y trifosfato son ricos en energía ( pues la necesitan para contrarrestar las fuerzas de repulsión entre las cargas negativas de los fosfatos) Cuando la célula necesita energía, estos enlaces se rompen, liberando dicha energía. Destacan el ATP, ADP, GTP y GDP. La energía liberada puede utilizarse para: Anabolismo: síntesis de biomoléculas. Trabajo mecánico como movimiento. Transporte activo a trvés de la membrana. Transmisión del impulso nervioso. Producción de otras formas de energía (calor, bioluminiscencia)

8 TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (II)
(1) Reacción de síntesis de ATP acoplada a una reacción exergónica (libera energía) (2) Reacción de hidrólisis de ATP acoplada a una reacción endergónica (necesita energía) (1) (2) Síntesis de ATP en la célula: A nivel de sustrato, el grupo fosfato y la energía provienen de la hidrólisis de compuestos fosforilados, por ejemplo en la glucolisis. Acoplada al transporte de electrones en las cadenas formadas por proteínas y coenzimas. Los electrones pierden energía que es utilizada por la ATP-asa para sintetizar el ATP. Se llama fosforilación oxidativa en la mitocondria (respiración), y fotofosforilación en el cloroplasto (fotosíntesis)

9 TRANSPORTADORES DE ENERGÍA (III)
HO — P — O — P — O — P — O — H CH2 OH Adenina ATP ATP + H2O → ADP + Pi + energía (7,3 kcal/mol) O HO — P — O — P — O — H CH2 OH Adenina ADP ADP + H2O → AMP + Pi + energía (7,3 kcal/mol) O HO — P — O — H CH2 OH Adenina AMP

10 (2*) TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
Intervienen en las, reacciones metabólicas de oxidación-reducción, transportando electrones, pudiendo encontrarse en su forma oxidada y reducida

11 DIFERENCIAS ENTRE CATABOLISMO Y ANABOLISMO
Fase degradativa: moléculas complejas y reducidas son degradadas a sencillas y oxidadas. Reacciones exergónicas, liberan energía, utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP + Pi. Reacciones de oxidación, liberan electrones y H+ , que se transportan en moléculas que actúan como transportadores electrónicos. Rutas convergentes, muchos compuestos iniciales se transforman en pocos productos finales. Fase de síntesis: moléculas sencillas y oxidadas se transforman en complejas y reducidas. Reacciones endergónicas, necesitan energía. Reacciones de reducción, moléculas que ganan electrones y H+ , cedidos por los transportadores elctrónicos. Rutas divergentes, pocos compuestos iniciales se transforman en muchos finales.

12 CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
Clasificación celular según el aceptor final de electrones en la respiración AEROBIA: oxígeno ANAEROBIA ESTRICTA: Compuesto orgánico (oxígeno nocivo) ANAEROBIA FACULTATIVA: Oxígeno, si escasea compuesto orgánico

13 CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
Glucosa, principal combustible pues: Fácil de degradar, no deja residuos. Fácil de almacenar, ocupa poco espacio. PROCEDENCIA GLUCOSA AUTÓTROFOS Fotosíntesis Almidón Gluconeogénesis (hasta de ácidos grasos) HETERÓTROFOS Alimento Glucógeno (1*) Gluconeogénesis (excepto de ácidos grasos)

14 Degradación del glucógeno a glucosa en el citosol.
(1*) GLUCOGENOLISIS Degradación del glucógeno a glucosa en el citosol. Intervienen tres enzimas: GLUCÓGENO FOSFORILASA: rompe enlaces O-glucosídicos del extremo no reductor mediante fosforilisis. Se obtienen glucosas-1-fosfato. α(1→6) GLUCOSIDASA, dos actividades: Transferasa: transfiere 3 glucosas a un extremo no reductor. Desramificante: rompe la ramificación α(1→6) FOSFOGLUCOMUTASA: convierte la glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato. 1 Glucógenofosforilasa 2 a 3 b) fosfoglucomutasa

15 CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
Glucólisis

16 OXIDACIÓN GLUCOSA (a*)Paso Ácido pirúvico a AcetilCoA
GLUCÓLISIS (1*) (2*) RESPIRACIÓN AEROBIA: Oxidación total (a*)Paso Ácido pirúvico a AcetilCoA (b*) Ciclo Krebs (c*) Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa (3*) FERMENTACIÓN: Oxidación parcial

17 (1*) GLUCÓLISIS (VÍA DE EMBDER-MEYERHOF) (I)
Proceso catabólico. En el citoplasma. Común a la respiración y fermentación. Dos fases: Fase A, preparatoria o de 6 C: activación de la glucosa que se convierte en Gliceraldehído-3-P ( 2 moléculas) con consumo de ATP (2 moléculas) 1 Glucosa + 2 ATP → 2 Gliceraldehído-3-P + 2 ADP Fase B, de beneficios o de 3 C: el Gliceraldehído-3-P se convierte en Ácido Pirúvico, con producción de 1 NADH, 2 ATP, 1 H2O por cada uno. 2 Gliceraldehído-3-P + 2 NAD+ + 2 Pi + 4 ADP → 2 Ácido Pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2H2O + 4 ATP

18 GLUCÓLISIS (VÍA DE EMBDER-MEYERHOF) (II)
Fosforilación a nivel de sustrato (1*) (1*) 10 1 9 2 8 GLUCÓLISIS 3 Fosforilación oxidativa 7 (1*) 4 5 6 (1*) Un sustrato que contiene grupo fosfato se lo cede al ADP formándose ATP (reacciones 7 y 10)

19 GLUCÓLISIS (VÍA DE EMBDER-MEYERHOF) (III)
1 2 3 4 5 Fosforilación oxidativa 6 NADH + H+ + Pi 7 ADP 8 9 10

20 REACCIÓN GLOBAL DE LA GLUCÓLISIS (IV)
2NADH+2H+ + 2 H2O + 2 Pi

21 (2*) RESPIRACIÓN AEROBIA: FASES
Glucólisis (citosol procariotas y eucariotas) 1 Descarboxilación oxidativa del ácidopirúvico a acetilCoA (matriz mitocondrial eucariota, citosol procariota) Ciclo de Krebs (matriz mitocondrial eucariota, citosol procariota) Transporte electrónico en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa (membrana plasmática procariotas, crestas mitocondriales eucariotas) NADH + H+ y FADH2 1 2 2 NADH + H+ Acetil-CoA 3 A 3

22 (a*) DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO PIRÚVICO
Piruvatodescarboxilasa-oxidasa + H+ Debido a la elevada estabilidad del AcetilCoA no se oxida directamente en la célula sino que lo hace mediante el ciclo de Krebs.

23 (b*) CICLO DE KREBS (I) El acetilCoA que penetra en el ciclo de Krebs es un punto de conexión de diferentes rutas catabólicas ya que proviene de la degradación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.

24 CICLO DE KREBS (II) H2O

25 CICLO DE KREBS (III) Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. En la matriz mitocondrial. Oxidación total del acetilCoA. Dos fases, por cada acetilCoA (se producen 2 por glucosa): Descarboxilativa, se producen dos descarboxilaciones oxidativas, con desprendimiento de dos CO2 y producción de 2 NADH Regenerativa, se regenera el ácido oxalacético y se produce 1 NADH, 1 FADH2 y 1 ATP. En resumen: Entra un grupo acetilo con 2C y salen dos CO2 3 NAD+ se reducen a NADH 1 FAD se reduce a FADH2 Se genera 1 GTP que se transforma en ATP. Se regenera el ácido oxalacético de la matriz mitocondrial. REACCIÓN GLOBAL CICLO KREBS (Por cada acetilCoA) AcetilCoA + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3NADH + 3 H+ + FADH2+ATP + CoA-SH

26 CICLO DE KREBS (IV): Carácter anfibólico
CARÁCTER ANFIBÓLICO: actúa a nivel catabólico y anabólico, así: Función catabólica: el AcetilCoA que penetra en el ciclo procede de la degradación de la glucosa, la β-oxidación de los ácidos grasos y la degradación de aminoácidos. Función anabólica: punto de partida de reacciones de biosíntesis al producir intermediarios: Ácido oxalacético: aminoácidos y glucosa. Ácido α-cetoglutárico: purinas y aminoácidos. Ácido cítrico: ácidos grasos. SuccinilCoA: grupos hemo. Ácido succínico: glúcidos en glioxisomas.

27 (c*) CADENA RESPIRATORIA
El FADH2 y NADH producidos en las otras fases de la respiración por cada molécula de glucosa: Glucólisis: 2 NADH Paso de pirúvico a acetilCoA: 2 NADH Ciclo de Krebs: 2 FADH2 y 6 NADH Poseen un elevado poder reductor, es decir, baja afinidad por los electrones por lo que los van a conducir hasta el oxígeno a través de una serie de transportadores electrónicos situados en la cadena respiratoria y agrupados en 6: Complejos proteicos I, II, II y IV: Complejo I: NADH-deshidrogenasa Complejo II: Succinato-deshidrogenasa Complejo III: Citocromo b-c1 Complejo IV: Citocromo oxidasa Ubiquinona, de naturaleza lipídica Citocromo C, de naturaleza proteica

28 CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO
2H+ + 2e- + ½ o2 MATRIZ El NADH reduce al complejo I, le cede electrones, y el FADH2 al complejo II. La ubiquinona transporta los electrones del complejo I y II hasta el III. El citocromo C los transporta hasta el IV. El complejo IV se los cede al oxígeno formando H2O.

29 ATP-ASA Durante la cadena de transporte electrónico:
El paso de los electrones de un complejo a otro conlleva una disminución de su nivel energético. Se libera energía que se va a utilizar para la síntesis de ATP o FOSFORILACIÓN OXIDATIVA según la hipótesis quimiosmótica. H+ ADP + Pi ATP Espacio intermembrana Matriz HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA: La energía liberada en las reacciones redox es utilizada por los complejos I, III y IV (el II no) para bombear protones al espacio intermembrana Se crea un gradiente electroquímico de H+ Al regresar a la matriz a favor de gradiente lo hacen a través del complejo ATP-asa. La energía liberada es utilizada por la ATP-asa para fosforilar el ADP a ATP, FOSFORILACIÓN OXIDATIVA . ATP-asa:  con una parte integrada en la bicapa lipídica (Fo) y otra periférica (F1)

30 OXIDACIÓN DEL NADH + H+ 10 H+ 4 H+ 4 H+ 2 H+ 10 H+

31 OXIDACIÓN DEL FADH2 6 H+ 4 H+ 2 H+ H+ 6 H+

32 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (II) (teórico)
/4ATP (1*) Glucolisis /4ADP Paso pirúvico a acetilCoA /32ATP /36 ATP

33 (1*) LANZADERAS DE H+ Los dos NADH de la glucolisis originados en el citosol deben llegar a la matriz para intervenir en la cadena respiratoria. Pero la membrana mitocondrial interna es impermeable a estos NADH. Solución: lanzaderas que trasladan los protones en forma de moléculas reducidas. Dos lanzaderas: LANZADERA DE MALATO, en corazón, riñón e hígado. Sigue siendo el NADH el dador de protones por lo que rinde 3 ATP por NADH. LANZADERA DE GLICEROL FOSFATO, en músculo y cerebro. Cede los protones al FADH2 por lo que rinde solo 2 ATP por cada NADH

34 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (I) (teórico)
36-38

35 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (III) (teórico)
Balance de los procesos de la respiración aerobia Proceso Sustancia inicial Sustancia final Coenzimas reducidas y ATP ATP totales Glucolisis Glucosa 2 Ácido pirúvico 2 NADH 2ATP 6 ATP / 4 ATP (c.t.e) 2 ATP Descarboxila-ción del ácido pirúvico 2 Acetil Co-A 2 CO2 6 ATP (c.t.e) Ciclo de Krebs 2 Acetil-Co A 4 CO2 6NADH 2FADH2 2GTP 18 ATP (c.t.e) 4 ATP (c.t.e) Balance global 6 O2 6 CO2 6H2O 38 ATP procariota 36/38 ATP eucariota

36 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN COMPLETA DE LA GLUCOSA (IV) (más realista)
Glucólisis: 2 ATP. Ciclo de Krebs: 2 ATP Resto de moléculas de ATP se generan en la fosforilación oxidativa: Se necesita que pasen 4 H+  hacia la matriz a través de la ATP sintetasa para producir la síntesis de 1 ATP. Cuando los electrones del NADH se mueven a través de la cadena de transporte se bombean 10 H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana, por lo que cada NADH resulta en 2.5 ATP, aproximadamente, (10 H+/4 H+) = 2,5 ATP Los electrones del FADH2, que se incorporan a la cadena en una etapa posterior, impulsan el bombeo de solo 6 H+ , lo que lleva a la producción de casi 1.5 ATP, (6 H+/4 H+) = 1,5 ATP

37 del citoplasma FERMENTACIÓN 3 1 2 5 4 Organismos que la utilizan:
Proceso catabólico Aceptor final de electrones molécula orgánica No cadena de transporte electrónica Degradación parcial de la glucosa Rendimiento energético: 2 ATP de la glucólisis Regenera el NAD+ del citoplasma FERMENTACIÓN 3 1 2 5 4 Organismos que la utilizan: Anaerobios estrictos, única vía. Anaerobios facultativos, si hay oxígeno utilizan la respiración aerobia pues: Los enzimas de la cadena respiratoria son más afines al NADH que los de la fermentación, por lo que el NADH seguirá la vía airobia. El rendimiento energético de la respiración aerobia es más ventajoso (38/36 ATP) frente al de la fermentación (2ATP)

38 FERMENTACIÓN LÁCTICA El ácido pirúvico procedente de la glucólisis se reduce a ácido láctico, siendo el dador de electrones el NADH + H+ El enzima que actúa es la lactatodeshidrogenasa. Se obtienen 2 ATP procedentes de la glucolisis. Células que la llevan a cabo: Fibras musculares: en ejercicios intensos con bajo aporte de oxígeno, este es insuficiente para la respiración aerobia, se produce la fermentación láctica y la consiguiente producción de ácido láctico que provoca la disminución del pH, interfiere en la contracción muscular provocando las dolorosas agujetas. Cuando el ácido láctico llega al hígado se transforma en glucosa (gluconeogénesis). Bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus, que al fermentar la leche producen sus derivados como yogur o queso.

39 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
El ácido pirúvico, procedente de la glucólisis, se descarboxila perdiendo una molécula de CO2 y se transforma en acetaldehído. El acetaldehído se reduce a etanol siendo el NADH + H+ la molécula reductora. Piruvatodescarboxilasa Alcoholdeshidrogenasa (acetaldehído) La llevan a cabo levaduras del género Saccharomyces. Se producen bebidas alcohólicas como cerveza, vino, etc y pan (el CO2 y el alcohol se eliminan en su cocción)

40 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
FERMENTACIÓN LÁCTICA

41 ECUACIONES GLOBALES DE LAS DIFERENTES VÍAS DE DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA Y RENDIMIENTO ENERGÉTICO
(38/36 ATP)

42 CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS: Β-OXIDACIÓN O HÉLICE DE LYNEN
(A) En el citosol el ácido graso se activa uniéndose a la CoA formándose el AcilCoA, se consume ATP que se hidroliza a AMP por lo que energéticamente se considera el consumo de 2 ATP. (B) El acilCoA penetra en la matriz mitocondrial ayudado por la carnitina (derivado de la lisina) que se libera. En la matriz mitocondrial el acilCoA sufre la β-oxidación que comprende 4 reacciones enzimáticas que se repiten hasta la oxidación total del acilCoA. En cada β-oxidación se producen: 1 AcetilCoA que se incorpora al ciclo de Krebs donde se obtiene 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH2 1 FADH2 1 NADH . Todos los FADH2 y NADH pasan a la cadena respiratoria. En definitiva se obtienen 17 ATP por cada β-oxidación . Secuencia repetida de β-oxidaciones que van separando del ácido graso fragmentos de 2C en forma de acetilCoA. Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. (A) 2 (B) 3 1 2 3 1

43 Β-OXIDACIÓN ÁCIDO PALMÍTICO

44 Β-OXIDACIÓN ÁCIDO PALMÍTICO: RENDIMIENTO ENERGÉTICO
El ácido palmítico posee 16C, luego va a sufrir (16/2) – 1 = 7 β-oxidaciones . Por cada β-oxidación, 17 ATP de: 1 acetilCoA que en el ciclo de Krebs y cadena de transporte electrónico produce 12 ATP (1ATP + 3NADH ( 3x3= 9ATP) + 1 FADH2 (1x2=2ATP)) 1 NADH x 3 ATP =3ATP 1 FADH2 x 2 ATP= 2 ATP El último acetilCoA ingresa en el ciclo de Krebs luego otros 12 ATP. Restar los 2 ATP de la activación inicial en el citosol. Total: (17 x – 2) ATP = 129 ATP