Nutrición celular CATABOLISMO METABOLISMO. Nutrición Incorporación de materia y energía, transformarla y eliminar los residuos. Se utiliza para crecimiento,

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1 Nutrición celular CATABOLISMO METABOLISMO

2 Nutrición Incorporación de materia y energía, transformarla y eliminar los residuos. Se utiliza para crecimiento, renovación y para la realización de cualquier actividad. Materia Energía inorgánicaorgánica luz fotolitotrofosfotoorganotrofos química quimiolitotrofosquimioorganotrofos

3 Tipos de nutrición Autótrofa: los nutrientes son sustancias inorgánicas y los productos sustancias orgánicas. Requiere aporte energético. Según éste: fotosíntesis (luz). Necesitan pigmentos como la clorofila. diferentes bacterias, protoctistas (algas) y plantas quimiosíntesis (energía química). Sólo la realizan algunos grupos de bacterias. Heterótrofa: incorporan materia orgánica. Materia y energía se obtienen al mismo tiempo. Lo realizan muchos grupos de bacterias, algunos protoctistas, hongos y células animales. Los heterótrofos necesitan a los autótrofos. Los autótrofos son los productores y los heterótrofos los consumidores y descomponedores.

4 Etapas de la nutrición I Incorporación de nutrientes: En autótrofas:agua por ósmosis gases por difusión simple iones por transporte mediado; pasivo o activo En heterótrofas: las sustancias inorgánicas del mismo modo. Las orgánicas:orgánicas sencillas por transporte mediado orgánicas complejas por endocitosis. En algunos casos la digestión es externa.

5 Etapas de la nutrición II Conjunto de reacciones en el interior de la célula o metabolismo. Hay dos tipos: catabolismo y anabolismo Catabolismo XY X+Y energía 2H(2H + + 2e - ) X+Y XY Anabolismo XY moléculas reducidas, X e Y moléculas oxidadas. Catabolismo, produce energía a través de la oxidación. Anabolismo, produce materia orgánica mediante la reducción. Requiere energía. Hay otras formas que no necesitan reducción

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7 Características de las reacciones metabólicas Las reacciones metabólicas están acopladas energéticamente a través del ATP. El ATP se puede sintetizar de tres formas diferentes: fosforilación a nivel de sustrato fosforilación oxidativa: membrana interna de mitocondrias fotofosforilación: transformación de la energía lumínica en las membranas de los tilacoides. X-P ADP ATP X

8 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. OXIDACIÓNREDUCCIÓN Pérdida de e -, conlleva aumento del número de oxidación: Cu + Cu 2+ Ganancia de e -, conlleva disminución del número de oxidación: Cu 2+ Cu + Pérdida de hidrógeno: R-H RIncorporación de hidrógeno: R R-H Incorporación de oxígeno: R R-OPérdida de oxígeno: R-O R

9 Las reacciones metabólicas están encadenadas, compartimentadas y son catalizadas por enzimas El producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Los productos intermedios se denominan metabolitos. Las vías pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas. Distintas reacciones se llevan a cabo en orgánulos diferentes. Las enzimas que actúan son específicas y las condiciones pueden ser diferentes en los distintos compartimentos. Todo lo anterior implica una mayor regulación y una mayor economía en el proceso.

10 Diferencias entre células autótrofas y heterótrofas Las células autótrofas presentan dos secuencias: en primer lugar anabolismo autótrofo (fotosíntesis y quimiosíntesis) y en segundo lugar anabolismo heterótrofo (síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas sencillas). Las células heterótrofas sólo tienen anabolismo heterótrofo. El catabolismo es idéntico en ambos tipos de células. Eliminación de productos de desecho Proceso denominado excreción celular. En células heterótrofas mediante exocitosis. En células autótrofas se acumulan en el interior de vacuolas.

11 Catabolismo. Características y tipos Conjunto de reacciones de transformación de moléculas orgánicas en otras moléculas orgánicas más simples o en moléculas inorgánicas. Son reacciones de oxidación y exergónicas. Dos tipos: respiración y fermentación. Respiración: da lugar a productos inorgánicos respiración aerobia: presenta O 2 como último aceptor de e - al unirse con los hidrógenos liberados en la oxidación. Rinde H 2 O. La realizan las células eucariotas y muchas procariotas. respiración anaerobia: presenta como último aceptor de e - sustancias inorgánicas diferentes del O 2. Exclusivo de células procariotas. Fermentación: catabolismo parcial. El último aceptor de e - es una molécula orgánica, y los productos finales son sustancias orgánicas. Son reacciones anaerobias y liberan poca energía. La realizan células procariotas y algunas eucariotas como levaduras y células musculares de animales. Las células pueden clasificarse en aerobias, anaerobias facultativas y anaerobias estrictas

12 Respiración aerobia Catabolismo total de cualquier forma de molécula orgánica que se oxida hasta CO 2, libera energía e hidrógenos que son captados por el O 2 para rendir H 2 O. Generalmente los sustratos son glúcidos y lípidos. La glucosa es la molécula más utilizada y la reacción global sería: C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + energía Esta reacción no se lleva a cabo directamente, pues se perdería la mayor parte de la energía en forma de calor. A continuación vamos a ver las reacciones catabólicas de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

13 Incorporación de glúcidos Polisacáridos Glucosa 1- P Glucógeno (n glucosas) Glucosa 1-P + glucógeno (n-1) glucosas Glucógeno fosforilasa  Glucosa

14 Glucólisis Glucosa Glucosa 1-P Glucosa 6-P Fosfoglucomutasa (isomerasa) ATP ADP Hexoquinasa Fructosa 6-P isomerasa Fructosa 1,6 diP ATP ADP fosfofructoquinasa GA3P DHAP isomerasa 2 ác. 2 fosfoenolpirúvico 2 ác. 2 fosfoglicérico 2H 2 O 2 ác. 1,3 fosfoglicérico 2H 2 O 2 Pi 2 NAD 2 NADH 2 Fosfogliceraldehido deshidrogenasa 2 ác. 3 fosfoglicérico 2 ADP2 ATP quinasa isomerasa 2 ADP2 ATP quinasa aldolasa enolasa 2 ác. pirúvico

15 Requerimientos y productos de la GLUCÓLISIS GLUCOSA 2 ATP 2 Pi 2 NAD 2 ÁC. PIRÚVICO 4 ATP 2 NADH 2 RENDIMIENTO: 2 ATP 2 NADH 2 CITOSOL O HIALOPLASMA

16 Destino del Ác. Pirúvico Anaerobiosis (sin O 2 ) en el citosol Aerobiosis (con O 2 ) en la mitocondria FermentaciónRespiración

17 Fermentación: características No requieren O 2 como último aceptor de e -. El aceptor final es una molécula orgánica. Es un catabolismo parcial. Rendimiento energético escaso

18 Fermentación. Ejemplos lactosa Glucosa Galactosa 2 ác. pirúvico 2 ATP 2 NADH 2 2 ác. láctico 2 NAD Glucosa 2 ATP 2 NADH 2 2 ác. pirúvico Piruvato descarboxilasa 2 acetaldehido 2 CO 2 2 etanol 2 NAD Fermentación láctica: Lactobacillus bulgaricus Streptococcus lactis Fermentación alcohólica: Saccharomyces Otras fermentaciones: butírica, propiónica,... Fermentación pútrida o putrefacción: con proteínas; producen sustancias de mal olor como cadaverina, escatol, etc. Fermentación acética: oxidación de etanol a ác. Acético. Acetobacter.

19 Descarboxilación oxidativa Descarboxilación oxidativa entrada en la mitocondria (con O 2 ) ác. pirúvico NAD CoA-SH NADH 2 CO 2 Piruvato deshidrogenasa acetil CoA

20 Ciclo de Krebs, ciclo del ác. cítrico o ciclo de los ác. Tricarboxílicos (matriz mitocondrial) acetil CoA ác. oxalacético ác. cítrico ác.cisaconítico ác. isocítrico ác. oxalsuccínico ác. α- cetoglutáricosuccinil CoA ác. succínico ác. fumárico CoA-SH H2OH2O H2OH2O NAD NADH 2 CO 2 CoA-SH NAD NADH 2 CO 2 GDP+Pi GTP CoA-SH FADFADH 2 ác. L - málico H2OH2O NAD NADH 2 H2OH2O H2OH2O

21 Rendimiento del Ciclo de Krebs Acetil CoA 3 H 2 O 3 NAD 1 FAD 1 GDP + Pi 2 CO 2 1 H 2 O 3 NADH 2 1 FADH 2 1 GTP Se ha transformado la materia orgánica en inorgánica. Los electrones han sido recogidos como ( H 2 ) por coenzimas transportadoras de electrones (NAD y FAD). Se ha sintetizado una molécula de GTP, análoga al ATP.

22 Fosforilación Oxidativa Cadena respiratoria y transporte de electrones (Crestas Mitocondriales) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Potencial Redox (mV) Dirección del flujo de electrones Energía libre (Kcal) NADH 2 NAD C.I ox C.I H 2 CoQ H 2 CoQ C.III 2- C.III C 2- C C. IV 2- C. IV 2H + + 1/2O 2 H 2 O FAD FADH 2 C. II C. IIH 2 0,27 volt. 12,2 Kcal. 0,22 volt. 9,9 Kcal. 0,53 volt. 23,8 Kcal. C. I. flavoproteína y otras proteínas. Ubiquinona o CoQ. C. III. : citocromos b y c 1. C = citocromo c. C. IV.: citocromos a y a 3.

23 Fosforilación oxidativa: Teoría quimiosmótica NADH 2 (2H + + 2e - ) NAD H+H+ H+H+ H+H+ C. IV. 3H + F ADP+ Pi ATP H+H+ C. I. CoQC. III. C 2H + 2e - 1/2O 2 O 2- H2OH2O citosol membrana externa mitocondrial mb. interna mitocondrial matriz mitocondrial espacio intermembranoso

24 Catabolismo de lípidos. Ácidos grasos Triglicérido glicerol Gliceraldehido-P NAD Pi NAD.2H a la glucolisis... Ácidos grasos a la β-oxidación o hélice de Lynen en la mitocondria

25 β-oxidación o hélice de Lynen en la mitocondria R-CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 -COOH CoA-SHCarnitinaEntrada en la mitocondria R-CH 2 –CH 2 –CH 2 –CH 2 -CO-SCoA R-CH 2 –CH 2 –CH=CH-CO-SCoA FAD FAD2H R-CH 2 –CH 2 –CHOH-CH 2 -CO-SCoA H2OH2O R-CH 2 –CH 2 –CO-CH 2 -CO-SCoA NAD NAD2H CH 3 -CO-SCoA R-CH 2 –CH 2 -COOH H2OH2O R-CH 2 –CH 2 -CO-SCoA CoA-SH 2 ATP 2 ADP + Pi

26 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 Rendimient o del Ciclo de Krebs Rendimiento de la fosforilación oxidativa Ácido graso de N carbonos N/2 - 1N/21 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 TOTAL menos 1 ATP gastados para entrar= 45 ATP

27 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.

28 Catabolismo de proteínas ProteínasAminoácidos Proteasas internas y externas Renovación molecular energética Desaminación oxidativa: alanina, oxalacético... NAD2HNAD NH 3 Pirúvico, acetil CoA,... Transaminación transaminasas aa 1 cetoácido aa 2 cetoácido Ciclo de Krebs descarboxilación amina En vegetales se reutiliza, en animales debe eliminarse: amoniotélicos, ureotélicos y uricotélicos.