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CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE METABOLISMO:
El metabolismo comprende una serie de transformaciones químicas y procesos energéticos que ocurren en el ser vivo. Para que sucedan cada una de esas transformaciones se necesitan enzimas que originen sustancias que sean a su vez productos de otras reacciones. El conjunto de reacciones químicas y enzimáticas se denomina ruta o vía metabólica.
El catabolismo es el metabolismo de degradación de sustancias con liberación de energía.
El anabolismo es el metabolismo de construcción de sustancias complejas con necesidad de energía en el proceso.
Actividad 1
Actividad 2
En las rutas metabólicas se necesitan numerosas y específicas enzimas que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas. Pero, además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables para su desarrollo final:
1. metabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas),
2. nucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los metabolitos),
3. moléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía),
4. moléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico).
Actividad 1 de investigación: Moléculas de una ruta
Introducción: En toda ruta metabólica hay productos iniciales, productos intermedios y productos finales. También deben existir un conjunto de sustancias que permitan la realización de todos y cada uno de los pasos de la ruta general de metabolismo. Estas sustancias que facilitan las reacciones son los metabolitos, los enzimas, los nucleótidos, las moléculas energéticas y las moléculas externas ambientales. En esta actividad analizaremos una ruta cualquiera metabólica y, sin entrar en su análisis pormenorizado, clasificaremos las sustancias que intervienen en la misma y su misión concreta metabólica.
Tarea: Elige de tu cuaderno de biología de 2º de bachillerato una ruta metabólica (anabólica o catabólica) y luego busca en las web información sobre ellas. Una vez seleccionada la información, identifica y clasifica al menos tres sustancias que actúen en la ruta seleccionada como metabolitos, enzimas, nucleótidos, moléculas energéticas y moléculas ambientales. Señala cuáles son los productos iniciales y finales de la ruta y su finalidad.
Descripción: Sólo debes estudiar la ruta en las distintas páginas seleccionadas para este fin y, después, realizar una presentación en PowerPoint. Esta presentación consistirá en un cuadro de síntesis en el cual muestres al resto de la clase (de forma individual) las conclusiones y tus productos seleccionados.
Recursos:
Reacciones Químicas. Estequiometría. Composición y reacciones químicas. Las reacciones químicas.Reacciones químicas. Reacciones químicas. El flujo de energía.ENZIMAS. Reacciones de transferencia de electrones.
Evaluación: Se evaluará la corrección y elegancia en la presentación del cuadro y el
criterio considerado para la elección de los distintos elementos integrantes de la ruta metabólica. Debe indicarse además: dónde se produce la ruta elegida, en qué tipo de seres vivos, qué metabolitos iniciales y finales se obtienen, que nucleótidos se emplean, que moléculas energéticas se usan y algunos de los productos ambientales imprescindibles para su desarrollo (oxígeno, dióxido de carbono, fosfato, etc.).
Actividad 3
EL CATABOLISMO:
El catabolismo comprende el metabolismo de degradación oxidativa de las moléculas orgánicas, cuya finalidad es la obtención de energía necesaria para que la célula pueda desarrollar sus funciones vitales. Debe existir una última molécula que capte los electrones o los hidrógenos desprendidos en las reacciones de oxidación. Si el aceptor de electrones es el oxígeno molecular la ruta o el catabolismo es aeróbico y si es otra molécula es catabolismo anaeróbico.
Actividad de investigación 2: Reacciones Redox
Introducción: Todas las transformaciones moleculares que desprenden energía en los procesos catabólicos son reacciones de oxidación. En ellas se transfieren electrones de un átomo o molécula a otro. Toda oxidación requiere una reducción; por ello las reacciones se llaman redox. En los procesos metabólicos existen secuencias de reacciones redox en las que se transfieren átomos de hidrógeno o su electrón de un compuesto a otro.
Tarea: Analiza la información que te hemos seleccionado para esta actividad y elige una ruta metabólica concreta (o parte de una ruta) en la que se manifiesten cuales son los metabolitos oxidados y los reducidos y su ganancia o pérdida de átomos de hidrógeno.
Descripción: Realiza un esquema gráfico (con el programa que más te guste) en el cual queden claras las características de las reacciones redox. Elige una reacción química (perteneciente a una ruta metabólica concreta) y desarrolla, paso a paso, las sucesivas oxidaciones y reducciones con las consiguientes pérdidas o ganancias de átomos de hidrógeno. Explica, en los distintos pasos de cada ruta, cuáles son los metabolitos oxidados y cuáles los reducidos. Indica en su caso los transportadores de hidrógeno (nucleótidos) que intervienen en la reacción.
Recursos: Consulta algunas de las páginas web que te sugerimos para realizar tu trabajo:
Reacciones Químicas.Estequiometría.Composición y reacciones químicas. Las reacciones químicas.Reacciones químicas.Reacciones químicas. El flujo de energía.ENZIMAS.Reacciones de transferencia de electrones .
Evaluación: Se evaluarán los siguientes aspectos: la elección de la ruta metabólica más correcta; la capacidad de síntesis en la confección de las características que definen una ruta redox; el nivel de precisión en el desarrollo; y exposición de la ruta que servirá como ejemplo de explicación de los metabolitos reducidos y oxidados, así como de las moléculas que transfieren los átomos de hidrógeno.
2.1- El catabolismo aerobio
El catabolismo aerobio está formado por varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP. Estas moléculas de ATP más tarde serán imprescindibles para dar energía en las rutas anabólicas. La energía que no se usa se disipará en forma de calor.
Glucolisis:
La glucolisis o ruta de Embden-Meyerhof, ocurre en el citosol de la célula. No necesita oxígeno para su realización y se trata simplemente de una secuencia de más o menos nueve etapas. A lo largo de estas una molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico.
Se produce en todas las células vivas, desde procariotas hasta eucariotas animales y vegetales. Se necesita la energía de 2 moléculas de ATP para iniciar el proceso, pero una vez iniciado se producen 2 moléculas de NADH y 4 de ATP por lo que el balance final es de: 2 NADH y 2 ATP por molécula de glucosa:
Glucosa + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD+ ==>2 Acido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 Agua
Actividad 5
Actividad de investigación 3: Glucolisis
Introducción: La glucolisis es un proceso común a todas las células. En él la glucosa se degrada en el citosol, sin necesidad de oxígeno, obteniéndose energía en forma de NADH y ATP.
Tarea: Para la correcta comprensión de esta etapa catabólica de los azúcares es interesante el estudio y análisis de diversas páginas web que tratan con profundidad estos contenidos y la extracción de los procesos y metabolitos más importantes de la ruta. Una vez que se tenga clara la idea biológica del proceso metabólico mostraremos gráficamente y paso a paso las sucesivas reacciones químicas que se producen, sus metabolitos iniciales y finales y las sustancias derivadas y sintetizadas en el proceso.
Descripción: Los alumnos, en grupos de tres, realizarán un póster en cartón pluma que represente todas y cada una de las fases de la glucólisis con todos los productos iniciales, finales e intermedios, con las moléculas ambientales y las que facilitan los procesos redox. Al final, en un recuadro, deben quedar claros los productos iniciales y finales de esta fase del catabolismo de los glúcidos.
Recursos:
Balanceo de ecuaciones químicas.Glucolisis.La glucolisis.Degradación de la glucosa.Regulación glucólisis.La glucolísis es la primera vía metabólica que se describió.Transformación de la glucosa en piruvato. Apuntes de todo tipo: Biología..Glucólisis .Bioenergética.Nutrición - Monografías .com.Glucolisis y citoplasma celular.
Evaluación: Se evaluarán los pasos siguientes: la presentación del proceso, la complejidad y el nivel de corrección de todas y cada una de las etapas y la explicación del balance energético final. En la exposición oral, debe quedar clara la misión biológica del proceso, el lugar donde se desarrolla y las condiciones ambientales en que se produce.
En condiciones aerobias, las moléculas de NADH ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónica, que los llevará hasta el oxígeno, produciéndose agua y regenerándose NAD+ que se reutilizará en la glucolisis. Así, en estas condiciones el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transformará en Acetil-CoenzimaA que ingresará en la respiración celular.
En condiciones anaerobias, sin oxígeno, el NADH se oxida a NAD+ mediante la reducción del ácido pirúvico. Así se produce energía de forma anaeróbica, denominándose fermentaciones y ocurren en el citosol.
- Respiración celular: ciclo de Krebs.
Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico formado en la glucólisis se oxida completamente a CO2 y agua en presencia de oxígeno. Se desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, asociada a la fosforilación oxidativa.
En las células eucariotas el ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria en presencia de oxígeno. La membrana mitocondrial externa es permeable a la mayoría de las moléculas de pequeño tamaño, sin embargo la interna tiene una permeabilidad selectiva y controla el movimiento de iones hidrógeno.
La cadena respiratoria acontece en las crestas mitocondriales, donde se encuentran las enzimas necesarias y específicas que permiten el acoplamiento energético y la transferencia de electrones. Para este proceso se necesita oxígeno en la célula.
Lo primero que ocurre tras la glucólisis es que el ácido pirúvico pasa desde el citoplasma a la matriz mitocondrial, atravesando las membranas. El ácido pirúvico sufre una oxidación, se libera una molécula de CO2 y se forma un grupo acilo (CH3-CO). En esta reacción se forma una molécula de NADH. Como en la glucólisis el producto final eran dos moléculas de ácido pirúvico, lógicamente se formarán ahora dos de NADH por cada molécula de glucosa.
Cada grupo acilo se une a un Coenzima A y se forma acetilCoenzimaA. En este momento empieza el ciclo de Krebs.
Actividad 6
Actividad de investigación 4: El ciclo de Krebs
Introducción: La respiración celular es un complejo proceso de reacciones químicas que tienen como finalidad la obtención de energía, a partir de compuestos orgánicos como la glucosa. Consta de diversas fases, pero la mayor cantidad de nucleótidos con valor energético se obtiene en la fase de la llamada respiración celular o ciclo de Krebs.
Tarea: Se trata de realizar una presentación en Power Point o una presentación en mural con un procesador de textos en la cual se puedan ver y distinguir los principales pasos de la respiración celular desde el citoplasma hasta la matriz mitocondrial. En la presentación debe aparecer el lugar de la célula donde sucede cada proceso, así como los metabolitos intermediarios y los nucleótidos e iones que intervienen en cada paso del ciclo.
Descripción: Una vez analizada la información de las webs disponibles y seleccionadas para esta actividad se estudiará y comprenderá el ciclo de Krebs y se representará gráficamente el mismo de la forma más atractiva posible. En el esquema deben detallarse todos y cada uno de los pasos del ciclo, con sus productos y metabolitos, los coenzimas que intervienen y el balance energético final que esta ruta origina.
Recursos:
Ciclo de Krebs. Glicolisis y ciclo de Krebs. Ciclo de Krebs - ciclos metabólicos. El ciclo de Krebs. Diagrama del Ciclo de Krebs.Catabolismo en la mitocondria.Biología y metabolismo.Biología celular.Célula Viva. Una mirada al interior de la célula viva.
Evaluación: Se valorará no solo la calidad de la presentación gráfica sino la exposición oral del mismo, la capacidad de síntesis y de análisis del proceso, poniendo especial hincapié en la finalidad energética de dicha ruta.
La molécula de glucosa que inició la glucólisis está completamente oxidada. Parte de su energía se ha invertido en la síntesis de ATP. Sin embargo, la mayor parte de la energía está en los electrones capturados por el NAD+ y el FAD.
Los electrones procedentes de la glucólisis, de la oxidación del ácido pirúvico y del ciclo de Krebs se encuentran en un nivel energético aún muy alto. En el transporte de electrones éstos son conducidos a través de una cadena con múltiples y sucesivos aceptores. Cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel ligeramente inferior al precedente. Los transportadores pueden existir en dos estados de oxidación próximos, pasando del uno al otro según acepten o desprendan electrones.
Cada par redox sólo puede recibir electrones de otro par que tenga potencial de reducción
más negativo y solo puede cederlos al par que lo tenga menos negativo. El potencial mas negativo de la cadena respiratoria es el NAD+ con -0,32 voltios. En el otro extremo está el agua con +0,82 voltios.
Actividad 7
Cuando los electrones se mueven por la cadena transportadora salen a niveles energéticos inferiores y van liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP, a partir de ADP, en el proceso de fosforilación oxidativa.
Por cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 moléculas de ATP. Por cada dos electrones que pasan desde el FADH2 al oxígeno forman 2 de ATP. El mecanismo por el cual se produce ATP se explica por la teoría del acoplamiento quimiosmótico.
Actividad de investigación 5: Acoplamiento quimiosmótico
Introducción: El transporte de electrones, a través de la membrana mitocondrial, produce una liberación de energía imprescindible para la síntesis de las moléculas energéticas como el ATP a nivel de unas ezimas llamadas ATPsintetasas. Este ATP es el que después se usará en las distintas reacciones bioquímicas de la célula que requieran un aporte energético.
Tarea: Busca en la red información sobre Peter Michell (1950) y sobre el mecanismo de fosforilación oxidativa. Recopila textos, imágenes y esquemas y analiza la información. Intenta comprender, paso a paso, el complejo mecanismo del acoplamiento quimiosmótico.
Descripción: Una vez analizada la información seleccionada para esta actividad en el apartado de recursos, realiza una presentación en power point o un mural en cartón pluma que describa de forma sintética y precisa: dónde, cómo, a través de qué pares redox, y con qué elementos químicos se produce la síntesis de moléculas de ATP. Explica la localización y estructura de las ATPsintetasas y su importancia metabólica. Define correctamente los términos: gradiente electroquímico, partículas F de la membrana mitocondrial y acoplamiento quimiosmótico.
Recursos: Quimiosmósis . Bioenergética.
Bioquímica. La respiración.Fosforilación oxidativa.La fosforilación oxidativa.Cadena transportadora de electrones.Síntesis de ATP en membrana.
Evaluación: Se valorará la capacidad de síntesis del proceso y, sobre todo, la explicación acerca de la finalidad biológica del proceso, su lugar exacto de desarrollo y su explicación físico-química.
La célula viva es más eficaz que cualquier motor. Cerca del 40% de energía liberada de la combustión de la glucosa se emplea en convertir ADP en ATP. Resumiendo todo lo anteriormente explicado podemos hacer un balance energético global de los procesos de catabolismo de los azúcares:
La glucólisis produce 2 moléculas de ATP y 2 de NADH.
En la cadena transportadora de electrones cada molécula de NADH se convierteen 3 de ATP (2 NADH x 3 = 6 ATP).
La conversión de acido pirúvico en AcetilCoA en la matriz mitocondrial da 2 de NADH por cada molécula de glucosa. (2 NADH x 3 ATP= 6 ATP).
En el ciclo de Krebs entran 2 moléculas de acetil-CoA y dan dos de GTP y 6 de NADH y 2 de FADH2:
2 GTP= 2 ATP6 NADH X 3 ATP= 18 ATP2 FADH X 2 ATP= 4 ATP
Total de moléculas de ATP en ciclo de Krebs: 24 ATP.
La suma de todas las moléculas de ATP, formadas en el mecanismo de oxidación completa de una molécula de glucosa, arroja un balance de 36 moléculas de ATP sintetizadas.
Cuando el catabolismo se realiza en condiciones anaeróbicas, es decir cuando el último aceptor de hidrógenos o electrones no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla, las
rutas de degradación de la glucosa se llaman fermentaciones.
En un mismo organismo pluricelular pueden darse rutas aeróbicas o anaeróbicas, según las condiciones ambientales de la célula. Por ejemplo, la célula muscular puede funcionar con oxígeno hasta que éste llega con dificultad al tejido. Trabaja entonces en condiciones anaerobias produciendo ácido láctico.
Oxidación de los ácidos grasos: ß-oxidación de los ácidos grasos.
Los ácidos grasos son moléculas que suponen importantes depósitos de energía para la célula. En un primer término los triglicéridos deben ser hidrolizados en el citoplasma por la acción de las lipasas, originándose glicerol y sus correspondientes ácidos grasos. Los ácidos grasos inmediatamente son degradados en la mitocondria en la ß-oxidación y el glicerol pasa a la ruta catabólica glucolítica.
Antes de ser oxidados, los ácidos grasos reaccionan con acetilCoA en la membrana de la mitocondria. Una vez han penetrado en la matriz mitocondrial, los ácidos grasos se degradan secuencialmente eliminando dos carbonos en cada vuelta del ciclo de la llamada Hélice de Lynnen.
Actividad de investigación 7: ß-oxidación de los ácidos grasos
Introducción: En los seres vivos las grasas tienen una gran importancia como combustibles orgánicos por su alto valor calórico: la degradación de un gramo de grasa puede dar 9,5 Kcal mientras que los glúcidos aportan 4,2 Kcal por gramo.
Tarea: El alumno debe buscar información sobre el trayecto completo de la ruta degradativa de las grasas desde su activación en el citoplasma hasta su degradación completa, perdiendo dos carbonos en cada vuelta de ciclo y analizando, posteriormente, el balance energético a partir de los coenzimas NADH y FADH2 desprendidos en la ruta.
Descripción: Realiza un póster en cartón pluma, con toda la información extraída de la red, sobre la degradación de las grasas. Indica la ruta a seguir por glicerol (desprendido de la separación del triglicérido) y por los ácidos grasos desprendidos. Señala el lugar de la célula donde suceden estos procesos, así como los metabolitos intermediarios y los coenzimas desprendidos en la reacción. Suma las moléculas energéticas producidas y su equivalencia en moléculas de ATP y compara el rendimiento energético del catabolismo de las grasas con el de los azúcares.
Recursos:
Ácidos grasos.Oxidación de los ácidos grasos.BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR. Ciencias del Deporte.Beta oxidación de ácidos grasos.Carnitina.Cómo producen energía las células.
Evaluación: Se evaluará la claridad en la explicación del proceso y la importancia de su significado biológico, así como las partes de la célula implicadas en el proceso y la relación de esta ruta metabólica con otras rutas degradativas (catabolismo de azúcares con el glicerol).
Actividad 10
Para que los ácidos grasos activados pasen a través de la membrana de la mitocondria hasta la matriz mitocondrial interviene la carnitina. Ésta actúa como una lanzadera a través de la membrana interna por la acción de una translocasa.
Actividad 11
2.7.- Oxidación de los aminoácidos.
Las proteínas tienen fundamentalmente misiones biológicas distintas a las energéticas. Sin embargo, en caso de necesidad, los aminoácidos son oxidados y los derivados de las oxidaciones pueden entrar en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria. Existen tres mecanismos de oxidación de aminoácidos: transaminación, desminación oxidativa y descarboxilación.
Los aminoácidos excedentes no pueden almacenarse y tampoco pueden excretarse. Por ello los aminoácidos excedentes se utilizan como combustible para obtener energía. El grupo amino se separa convirtiéndose en urea, mientras que el resultante de la cadena carbonatada da origen a intermediarios metabólicos, que se incorporan a las principales rutas metabólicas.
