Metabolismo celular

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras con el fin de obtener materia y energía para llevar a cabo las tres funciones vitales (nutrición, relación y reproducción)

La materia se utiliza para crecer, desarrollarse o renovar la estructura propia de cada organismo.

La energía se almacena en los enlaces químicos de las sustancias de reserva energética o se transforma en distintos tipos de energía: mecánica (movimiento), calorífica (mantener la temperatura), eléctrica (impulsos nerviosos), luminosa (emitir luz),…

+ + +

Catabolismo (metabolismo destructivo): es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas, proporcionando a la célula precursores metabólicos, energía (se almacena en los enlaces fosfato del ATP) y poder reductor (NADP/NADPH). Fase degradativa del metabolismo.

Anabolismo (metabolismo constructivo): síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP. Fase constructiva del metabolismo

CATABOLISMO ANABOLISMO

Son reacciones de degradación Son reacciones de síntesis

Son reacciones de oxidación Son reacciones de reducción

Desprenden energía Precisan energía

Es un conjunto de vías metabólicas convergentes: a partir de muchos

sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos,

principalmente dióxido de carbono, ácido pirúvico y etanol

Es un conjunto de vías metabólicas divergentes: a partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos

productos diferentes

FUENTE DE CARBONO

FUENTES DE ENERGÍA

Luminosa Química

Materia orgánica

Fotoheterótrofos o fotoorganótrofos:

bacterias purpúreas no sulfúreas.

Quimioheterótrofos o quimioorganótrofos:

animales, protozoos, hongos y casi todas las bacterias.

Inorgánico (CO2)

Fotoautótrofos o fotolitótrofos: vegetales superiores, algas,

cianobacterias.

Quimioautótrofos o quimiolitótrofos:

bacterias nitrificantes, del azufre...

Tipos de metabolismo

Adenosín trifosfato (ATP)

Nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética.

Almacena y cede energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos (cada uno es capaz de almacenar 7,3 Kcal/mol)

Se considera la moneda energética de la célula, pues almacena energía de uso inmediato.

Composición química: Base nitrogenada

(adenina) Ribosa Tres moléculas de ácido

fosfórico.

Proceso de desfosforilación:

ATP + H2O ADP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol) ADP + H2O AMP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol)

Fosforilación a nivel de sustrato

Gracias a la energía liberada de una biomolécula al romperse algunos de sus enlaces ricos en energía

• Glucolisis• Ciclo de Krebs• Fermentaciones

Reacción enzimática con ATP-sintetasa

Estas enzimas sintetizan ATP cuando el interior de las crestas mitocondriales y tilacoides de los cloroplastos es atravesado por un flujo de protones (H+)

• Cadena transporte de electrones en respiración celular y fotosíntesis

La síntesis de ATP (fosforilación) puede realizar de dos formas:

Energética de las reacciones químicas

Variación de energía libre (G ) G < 0 Reacción espontánea. Libera energía exergónica. G > 0 Reacción no espontánea. Requiere energía

endorgónicas. G = 0 El sistema está en equilibrio y no hay tendencia a que

se produzca la reacción.

Acoplamiento energético Los acoplamientos más comunes son con reacciones de fosforilación

y desfosforilación de ATP que es capaz de almacenar energía por periodos reducidos de tiempo (moneda energética).

Reacciones redox

CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES REDOX

REACCIONES DE OXIDACIÓN REACCIONES DE REDUCCIÓN

Eliminación de hidrógeno Adición de hidrógeno

Eliminación de electrones Adición de electrones

Liberación de energía Almacenamiento de energía

En las reacciones redox la transferencia de electrones suele hacerse en forma de átomo de hidrógeno (un electrón y un protón). Estos átomos de hidrógeno van acompañados de la gran cantidad de energía que estaba almacenada en los enlaces de los que formaban parte.

Los trasportadores suelen ser nucleótidos como:

NAD+ NADH NADP+ NADPH FAD+ FADH

Captan los átomos de hidrógeno liberados por las moléculas oxidadas y los transfieren a las moléculas aceptoras, que se reducen

Catabolismo

Es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas, proporcionando a la célula precursores metabólicos, energía (se almacena en los enlaces fosfato del ATP) y poder reductor (NADP/NADPH)

+ + +

Características del catabolismo

Reacciones de degradación Producción de energía Reacciones redox Liberación gradual de energía

Es posible por: Reacciones sucesivas: ocurren una después de otra. Cada una

catalizada por enzimas distintas Transporte de hidrógenos: los electrones viajan junto a protones

(átomos de hidrógeno), que pasan a una coenzima que actúa como transportador de hidrógenos.

NAD+ + 2 e- + 2H+ NADH + H+

Cadena transportadora de electrones: La coenzima NADH pasa sus electrones a una cadena transportadora de electrones y finalmente son transferidos a átomos de oxígeno (O) a los que se unen H+ libres y se forma agua (H2O). La energía que se libera al pasar los electrones a una posición inferior se utiliza para fosforilar el ADP y formar ATP (gracias al enzima ATP-sintetasa)

Respiración FermentaciónInterviene la cadena transportadora de electronesLos electrones procedentes de la materia orgánica inicial son transferidos a un aceptor final que es un compuesto inorgánico

No interviene la cadena transportadora de electronesImpide transferir los electrones de la materia orgánica inicial a un compuesto inorgánicoEl producto final siempre es un compuesto orgánicoRespiración

aeróbicaRespiración anaeróbica

El agente oxidante es el O2. Al reducirse y aceptar electrones y protones forma H2O

El agente oxidante no es el O2, sino iones como el ión nitrato que al reducirse forma el ión nitrito

Tipos de catabolismo

Glucosa GLUCÓLISIS Como resultado final se obtiene acetil CoA, que entran en el CICLO DE KREBS y en la CADENA RESPIRATORIA para obtener: CO2, H2O y ATP

Ácidos grasos -OXIDACIÓN

Proteínas y ácidos nucleicos se descomponen y dan lugar a distintos intermediarios que realizan otras funciones, rara vez se utilizan como combustibles

Procesos de degradación

Glucólisis

Cadena respiratoria

RUTA METABÓLICA

LOCALIZACIÓN

Célula procariota Célula eucariota

Glucólisis citosol citosol

-oxidación citosol Matriz mitocondrial

Ciclo de Krebs citosol Matriz mitocondrial

Cadena respiratoria Membrana plasmática Membrana de crestas mitocondriales (MMI)

Glucólisis

Tiene lugar en el citoplasma celular Consiste en una serie reacciones, cada

una catalizada por una enzima determinada, que permite transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico

Fosforilación a nivel de sustrato

Glucólisis Primera fase o fase de consumo

de energía: Se consumen 2 ATP Se forman dos gliceraldehído-3-

fosfato

Segunda fase o fase de producción de energía:

Por cada gliceraldehído-3-fosfato se forman:

2 ATP 1 ácido pirúvico 1 NADH

Balance global de la glucólisis : 2 ácido pirúvico 2ATP 2 NADH

La glucólisis se produce en la mayoría de las células vivas, tanto en procariotas como en las eucariotas

Balance energético de la glucólisis

Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+

2 Ácido pirúvico + 2ATP +

2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Etapas claves en la glucólisis

Punto crucial de la glucólisis: si el NADH producido no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. Su oxidación depende de la disponibilidad de oxígeno:

En condiciones aerobias: el NADH pasa a la cadena transportadora de electrones y allí se producirá H2O y se regenerará el NAD+ que se reutilizará en la glucólisis. El ácido pirúvico pasará al ciclo de Krebs previa transformación en acetil CoA. (respiración celular)

En condiciones anaerobias: (bacterias o eucariotas en anoxia). El NADH se oxida mediante la reducción del ácido pirúvico por procesos llamados fermentaciones

Respiración de los glúcidos Ocurre en procesos

consecutivos e interrelacionados:

Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico

Ciclo de Krebs

Cadena respiratoria Transporte de

electrones Quimiósmosis Fosforilación

oxidativa

1

2

3

1

2

3

Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico El ácido pirúvico llega a la matriz

mitocondrial El complejo multienzimático

piruvato-deshidrogenasa lo transforma en Acetil-CoA

Se pierde un grupo carboxilo (descarboxilación) que sale en forma de CO2 y dos hidrógenos (deshidrogenación) que son aceptados por un NAD+ que pasa a NADH + H+

Por cada molécula de glucosa:2 Ácido pirúvico + 2 CoA + 2 NAD+ 2 Acetil-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2H+

Ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico)

El Acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs transfiriendo su grupo acetilo al ácido oxalacético, que al aceptarlo forma un ácido cítrico.

Se producen una serie de transformaciones en las que se degrada completamente el grupo acetilo en dos moléculas de CO2 y el ácido oxalacético se recupera para volver a formar parte del ciclo.

Por cada molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs.

Los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones se utilizan para formar NADH Y FADH2, que luego entrarán en la cadena transportadora de electrones

Por vuelta se produce: Por molécula de glucosa (2 vueltas):

- 1 GTP (equivale a un ATP)- 3 NADH - FADH2

- 2 GTP- 6 NADH- 2 FADH2

BALANCE ENERGÉTICO

Cadena respiratoria

1. Transporte de electrones

2. Quimiósmosis

3. Fosforilación oxidativa

1. Transporte de electronesLos electrones y protones almacenados en el NADH y el FADH2 pasan por una serie de

transportadores La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros de

forma espontánea, hasta llegar al último aceptor: el O2, que uniéndose con los H+ del medio forma agua

seis grandes complejos enzimáticos cuyo conjunto recibe el

nombre de cadena respiratoria

membrana interna de las mitocondrias

Se reducen y oxidan

2. Quimiósmosis La energía perdida por

los electrones se utiliza en tres puntos concretos de la cadena, para bombear protones al espacio intermembranoso.

Cuando su concentración es muy elevada vuelven a la matriz mitocondrial a través de unos canales internos con ATP-sintetasa. 3. Fosforilación oxidativa

Cuando los protones fluyen por el canal interior de las ATP-sintetasas producen la unión de un ADP y un grupo fosfato generando así un ATP.

BALANCE ENERGÉTICO

GLOBAL La oxidación en la cadena

respiratoria de una molécula de: 1NADH 3 ATP 1FADH2 2 ATP

PROCESO CITOPLASMA MATRIZ MITOCONDRIAL

TRANSPORTE ELECTRÓNICO

TOTAL

GLUCOLISIS 2 ATP2 NADH 2 x (3 ATP)

2 ATP*6 ATP**

RESPIRA-CIÓN

Ácido pirúvico a acetil- CoA

2 x (1 NADH) 2 x (3 ATP) 6 ATP**

Ciclo de krebs 2 x (1 ATP)2 x (3 NADH)2 x (1 FADH2)

6 x (3 ATP)2 x (2 ATP)

2 ATP*18 ATP**4 ATP**

Balance energético global por cada molécula de glucosa 38 ATP

Fermentaciones Degradación anaeróbica de la glucosa en el que el

aceptor final de electrones es una molécula orgánica.

Se produce en el citosol

Características: Proceso anaerobio El aceptor final es un compuesto orgánico, susceptible de

seguir oxidándose (Por ello son poco rentables energéticamente hablando). Este producto final es el que caracteriza la fermentación y le da nombre.

La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato. No intervienen las ATP-sintetasas. Sólo produce 2 ATP.

Las fermentaciones más importantes ocurren en el mundo de los microorganismos aunque en organismos pluricelulares también se pueden dar, siempre en condiciones de anaerobiosis.

Fermentación alcohólica Transformación de una molécula de glucosa en dos de etanol (alcohol

etílico) y dos de CO2

El proceso de degradación de la glucosa es común hasta la obtención de ácido pirúvico (glucólisis), pero a partir de aquí, éste se descarboxila pasando a acetaldehído que posteriormente se reduce a etanol.

La reacción global es la siguiente:

Glucosa + 2Pi + 2 ADP 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP

También se producen otras sustancias orgánicas denominadas productos secundarios (glicerina o ácido acético)

Vinculada a vegetales, hongos y bacterias, porque la enzima fundamental del proceso, la piruvato descarboxilasa, sólo parece encontrarse en estos organismos. Entre las levaduras Saccharomyces cerevisiae es la más conocida y se utiliza industrialmente en la fabricación de bebidas alcohólicas

Fermentación láctica

Transformación de una molécula de glucosa en dos de ácido láctico

Los microorganismos que pueden llevarla a cabo son bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus principalmente, obteniéndose de ella productos derivados de la leche como el queso y el yogurt.

También se puede producir en las células musculares, cuando hay falta de oxígeno.

Respiración aerobia de los ácidos grasos

Los ácidos grasos almacenan una gran cantidad de energía química en sus enlaces (son moléculas muy reducidas)

Esta energía se libera mediante un proceso de respiración aerobia que se inicia con su activación y continúa con la β-oxidación, que convierte a los ácidos grasos en moléculas de acetil-CoA.

Ácido graso acetil-CoA

A partir de aquí el proceso oxidativo continúa mediante etapas similares a la respiración aerobia de la glucosa: ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

β-oxidación

Anabolismo (metabolismo constructivo)

Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP

Anabolismo autótrofo

Anabolismo fotosintético o fotosíntesis

Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas sencillas utilizando la energía luminosa

Anabolismo quimiosintético o quimiosíntesis

Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas sencillas utilizando la energía procedente de reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos

Anabolismo heterótrofo

Es la transformación de moléculas orgánicas sencillas en otras de mayor complejidad, como almidón, grasas, proteínas,…

+ + +

La fotosíntesis

Proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan energía luminosa procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando oxígeno:

6 CO2 + 12 H2O + Energía luminosa GLUCOSA + 6 O2 + 6 H2O

La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido en el proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los bioelementos necesarios, como nitrógeno y azufre, además de carbono, para formar materia viva.

MITOCONDRIAS

Mitocondria

CrestaMatriz Membrana interna

Membrana externa

Espacio intermembranoso

ADN desnudo

(matriz)

Mitorribosomas

(matriz)

Fosf. Oxidativa, ATP

Síntesis de proteínas mitocondriales

Duplicación

Transcripción

Traduccion

METABOLISMO

TAMAÑO Y MICROSCOPIA OPTICA

DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO

DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO

Crestas mitocondriales

PartÍcula F1

Crestas mitocondriales

Pueden tener diferente orientación en diferentes el tipos celulares

Cuando ms demanda de ATP mayor número de crestas

(Las mitocondrias de una célula muscular cardíaca tienen tres veces mas crestas que las de otros tipos celulares)

Variantes morfológicas

Estados ortodoxo y condensado

Variantes fisiológicas

Las mitocondrias pueden aislarse mediante fraccionamientos subcelulares clásicos

Estos estudios permiten realizar la caracterización bioquímicade las membranas y compartimientos mitocondriales. Además permiten estudiar las reacciones complejas que ocurren en cada uno.

Membrana externa :

Permeable a solutos del citosol

Presencia de Porinas : proteínas que forman poros que dejan pasar moléculas de hasta 5000 Daltons

Membrana interna:

Presencia de Cardiolipina ( hace impermeable la membrana)

Proteínas transportadoras de iones, proteínas de fosforilación oxidativa y cadena respiratoria

Matriz Mitocondrial complejo piruvatodeshidrogenasa (Decarboxilación oxidativa)

Enzimas del ciclo de Krebs ( Salvo la succunatodeshidrogenasa )

Enzimas de la beta oxidación ácidos grasos. ADN. ARNs. Ribosomas.

Cardiolipina: fosfolípido “doble” de la membrana mitocondrial interna

1. Respiración celular, formación de ATP

Fosforilación oxidativa.

Oxigeno (O2)

Por difusión sale al citosol

Por difusión entra a la mitocondria

Membrana interna, se genera

ATP

Descarboxilación del piruvato y formación de acetil-CoA

piruvato Acetil-Co A

co2

NAD NADH

Decarboxilación oxidativa

.

Complejo multienzimático que actúa:

Piruvatodeshidrogenasa

El acetil CoA entra en el ciclo de Krebs

Ciclo de KrebsPor cada vuelta del ciclo se obtienen.

2 CO2

1 ATP

3 NADH

1FADH

succinato

Fumarato

*

*succinatodeshidrogenasa

en la membrana interna

Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde NADH

Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde FADH

Teoría quimiosmótica: Gradiente electroquímico de protones

Teoría quimiosmótica: Estructura de la enzima ATP sintasa

Transporte de metabolitos a través de la membrana mitocondrial interna

2. MITOCONDRIA Y ALMACENAMIENTO DE CALCIO

3. Mitocondria y la esteroidogénesis Participa en el pasaje de colesterol a

pregnenolona y en la última etapa de la síntesis de hormonas esteroides.

5. PARTICIPACION DE LA MITOCONDRIA EN LA MUERTE CELULAR PROGRAMADA O APOPTOSIS

Mediante la liberación de citocromo C y de la Proteína SMAC/diablo.

La primera forma el apoptosoma que estimula el pasaje de procaspasa 3 a caspasa 3.

La segunda inhibe a la proteína IAP(Proteína Inhibitoria de la Apoptosis).

TEORIA SIMBIÓTICA DEL ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS

EVIDENCIAS

1. ADN circular y desnudo. (Excepciones al código genético universal). 2.El ADN no está rodeado por una envoltura. 3. Características de las membranas. 4. Homología Mesosomas-crestas. 5. Presencia de ribosomas con menor S. 6. Mecanismo de división. 7. Inhibición de síntesis proteica por

cloranfenicol.