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FISIOLOGÍA CELULAR, LAS MOLÉCULAS EN
ACCIÓN
INTRODUCCIÓN
• El metabolismo es un circuito integrado de reacciones químicas la célula transforma los nutrientes captados en:
Energía (ATP)Moléculas de recambio
Nuevas moléculas
Trabajo mecánico
Transporte activoSíntesis de bio-macromoléculas
3
Crecer
Renovarse
Todos����������� ������������������ los����������� ������������������ seres����������� ������������������ vivos����������� ������������������ necesitan����������� ������������������ materia����������� ������������������ y����������� ������������������ energía����������� ������������������ para����������� ������������������ vivir
4
TIPOS DE NUTRICIÓN
AUTÓTROF
HETERÓTROF
Fuente����������� ������������������ de����������� ������������������ carbono:����������� ������������������ CO2
Fuente����������� ������������������ de����������� ������������������ carbono����������� ������������������ y����������� ������������������ energía:����������� ������������������ moléculas����������� ������������������ orgánicas
FOTOSÍNTESISQUIMIOSÍNTESIS
Fuente����������� ������������������ de����������� ������������������ energía����������� ������������������ :����������� ������������������ luz Fuente����������� ������������������ de����������� ������������������ energía����������� ������������������ :����������� ������������������ ����������� ������������������ reacciones����������� ������������������ redox
ORGANISMO FUENTE DE
CARBONO
FUENTE DE
ENERGÍA
EJEMPLOS
FOTOLITÓTROFO CO2 Luz Células vegetales, algas verdes, bacterias fotosintéticas
FOTOORGANÓTROFO Compuestos orgánicos
Luz Bacterias púrpura no sulfuradas
QUIMIOLITÓTROFO CO2 Reacciones redox
Bacterias desnitrificantes del hierro y del azufre
QUIMIORGANÓTROFO Compuestos orgánicos
Reacciones redox
Animales, hongos y m.o.
6
METABOLISMO
NH3,����������� ������������������ CO2,����������� ������������������ Urea
Oxidación
Polisacáridos,����������� ������������������ lípidos,����������� ������������������ proteínas,...
Reducción
7!
Reacciones
exergónicas
Reacciones
endergónicas
NADPNADPH2
8
CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES
ADP ATP
Las reacciones metabólicas están acopladas
energéticamente mediante el ATP
!
Fosforilación a nivel de sustrato: se forma un compuesto intermedio “rico en energía”
Ac.1,3 diP glicérico Ac.3P glicérico
• Fosforilación en el transporte de electronesLos coenzimas reducidos NADH, FADH y NADPH ceden los
electrones a otras moléculas hasta la molécula final aceptora. La energía transferida a una cadena de electrones es utilizada por la ATPasa, para la síntesis de ATP.
La fosforilación oxidativa (O2 último aceptor de e-) membrana interna mitocondrial
La fosforilación fotosintética (luz impulsa el transporte de e-) membrana tilacoidal de cloroplastos
ADP ATP
NADP,NAD,FMN NADPH2, NAD+H+, FMNH2
Compuesto orgánico reducido
Compuesto orgánico oxidado
Compuesto biosintético reducido
Compuesto biosintético oxidado
Catabolismo
Anabolismo
Los coenzimas transportan H+ y electrones de alto potencial energético desde las reacciones catabólicas a las anabólicas
Las reacciones metabólicas son reacciones
de óxido-reducción
Deshidrogenación
Hidrogenación
RUTAS METABÓLICAS: sucesión de reacciones encadenadas ( el producto de una es el sustrato de otra) en las cuales se producen metabolitos y cada una está catalizada por una enzima diferente
Las reacciones metabólicas están ligadas
entre sí y catalizadas por enzimas
!
FAS
E II
FAS
E I
FAS
E II
I
Las rutas catabólicas son convergentes
Las rutas anabólicas son divergentes
Ruta anfibólica: aquella que se puede utilizar tanto con fines
anabólicos y catabólicos (C. de Krebs)
En rojo: rutas anabólicas En negro. rutas catabólicas
14
Las reacciones metabólicas están
compartimentadas
La gran cantidad de reacciones simultáneas que tienen lugar en la célula ocurren en compartimentos diferentes, de esta manera se aumenta la eficacia enzimática ( más fácil que E y S interactúen)
- En el citoplasma: glucolisis, gluconeogénesis
- En la mitocondria: ciclo de Krebs, beta oxidación de ac.grasos
- En el R.E.: síntesis de lípidos y proteínas
- En el núcleo: duplicación y transcripción
Respiración celular
El dador es un compuesto orgánico y el aceptor final de electrones un compuesto inorgánico O2, NO3, SO4
Síntesis de ATP en la cadena de transporte de electrones (fosforilación oxidativa)
Oxidación total (hasta CO2) . Se libera mucha
energía R. Aerobia: aceptor de hidrógenos es el O2
R Anaerobia: aceptor es S, NO3, SO4,...
TIPOS DE CATABOLISMO
Fermentación
Dador y aceptor final de electrones una molécula orgánica pequeña (ac. pirúvico)
Oxidación parcial, se libera poca energía
Síntesis de ATP a nivel de sustrato. No hay cadena de trasnporte de electrones, ni fosforilación oxidativa.
Levaduras, bacterias y células animales y vegetales en condiciones especiales
17
Tipos de células según su catabolismo
Células aerobias
Células anerobias estrictas
Células anerobias facultativas
El O2 es tóxico. Realizan las fermentaciones y respiración
anaerobia
Pueden vivir con y sin O2. Pueden hacer fermentaciones y
respiración aerobia según la disponibilidad del O2
Necesitan el O2 para realizar
la respiración aeróbica
CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS
Reacciones para producir energía, tienen carácter oxidativo
GLUCOLISIS
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 Piruvato + 2ATP + 2 NADH + 2H+ + 2H2 O
Reacción anaeróbica,catabólica oxidativa. La glucosa proviene de la digestión, de las reservas almacenadas en el organismo o de la fotosíntesis
No requiere oxígeno
Proporciona 6 precursores metabólicos, 2 ATP y poder reductor
Tiene lugar en el hialoplasma de las células
La llevan a cabo todos los seres vivos (aerobios y anaerobios)
1º Etapa de activación: La glucosa se rompe en dos triosas: se gastan 2 ATP
2º Etapa de degradación.Mediante reacciones de oxidación se transforma en dos moléculas de ac. pirúvico. El coenzima NAD+ se reduce a NADH +H+. La energía liberada se utiliza para fabricar ATP (4 moléculas)
Para que el proceso no se detenga hay que aportar continuamente glucosa o algún compuesto intermedio y oxidar el NADH
1
2
2
2
2
2
La glucosa reacciona con el ATP y se forma glucosa 6-fosfato
La glucosa 6-fosfato se isomeriza a fructosa 6-fosfato
La fructosa 6-fosfato reacciona con el ATP y da fructosa 1,6 difosfato
La fructosa 1, 6-difosfato se rompe y da lugar al aldehído 3, fosfoglicérico y la dihidroxiacetonafosfato
2 2
2
2
El aldehído 3 fosfoglicérico se oxida gracias al coenzima NAD+ y se fosforila por el ácido fosfórico dando ácido 1,3 difosfoglicérico
2 2
2
2
El ácido 1,3 difosfoglicérico reacciona con el ADP para dar ATP y y ácido 3 fosfoglicérico
Fosforilación a nivel de sustrato
2 2
2
2
El ácido 3- fosfoglicérico reacciona con el ADP y se forma ATP y ácido pirúvico
BALANCE GLOBAL DE LA GLUCOLISIS
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi
2 Piruvato + 2ATP + 2 NADH+ 2H+ + +2H2 O
GLUCOSA
PIRUVATO
Oxidación����������� ������������������ vía����������� ������������������ glucolisis
Condiciones����������� ������������������ ����������� ������������������ aerobias
Condiciones����������� ������������������ ����������� ������������������ anaerobias
CO2 + H2O
LACTATO
ETANOL + CO2
ACETIL CoA
FERMENTACIONES
DESTINO DEL PIRUVATO
R.AEROBIA
El H+ es cedido a un sustrato orgánico
La oxidación es parcial, se obtiene poca energía(2ATP/glc)
Los productos finales son ac. orgánicos y etanol
La síntesis de ATP a nivel de sustrato
Es propia de microorganismos (bacterias y levaduras) y cuando no hay suficiente O2
en las células musculares
FERMENTACIÓNVía catabólica anaerobia Citosol o hialoplasma
FERMENTACIÓN LÁCTICA
✴Se utiliza a nivel industrial para la obtención de yogurt, quesos,…
✴Las bacterias fermentan la lactosa y la bajada de pH desnaturaliza la caseína que precipita
2 2
2 2
Lactobacillus sp
Streptococcus sp
2 2
Citosol
Cuando no llega suficiente O2 a las células musculares,
La glucosa se degrada a ac.láctico
2
2
2
2 2
2
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
(acetaldehído)
El ac. pirúvico se transforma en alcohol etílico o etanol. Proceso llevado a cabo por levaduras del género Saccharomyces. Se utiliza para la fabricación de bebidas alcohólicas (cerveza, vino, sidra,...) En la fabricación del pan la fermentación del almidón de la harina hace que el pan sea esponjoso por las burbujas de CO2. El alcohol producido desaparece durante el tiempo de cocción. La fermentación alcohólica tiene el mismo objetivo que la fermentación láctica: la recuperación del NAD+ en condiciones anaeróbicas
2
2 22
Citosol
Glucosa 2 PiruvatoDescarboxilación����������� ������������������ ����������� ������������������ oxidativa
Ciclo de KrebsTransporte de electrones
2 Ac.acetil-CoA
Glucolisis(hialoplasma)
(mitocondria)
Matriz����������� ������������������ mitocondrial(Membrana����������� ������������������ interna����������� ������������������ mitocondrial)
Ribosa 5-P NADPH
RESPIRACIÓN AEROBIA
Tiene lugar en la mitocondrias. Las enzimas de la cadena respiratoria se localizan en la membrana interna
DESTINO DEL PIRUVATO
Oxidación����������� ������������������ vía����������� ������������������ pentosas����������� ������������������ fosfato
Descarboxilación oxidativa
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Vía de las
pentosas fosfato
Formación del acetil CoA (Descarboxilación oxidativa)
2 CO2
2
2
2
2
Piruvato����������� ������������������ descarboxilasa
Piruvato + NAD+ + HS-CoA ------> Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
CICLO DE KREBS O CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
CICLO DE KREBS
Fosforilación a nivel de sustrato
CO2
CO2
1) El acetil-CoA se une al ácido oxalacético y forma el ácido cítrico. en este proceo se recupera el CoA-SH
2) El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico
3) Descarboxilación del ácido isocítrico que se transforma en ac. alfa-cetoglutárico, liberándose CO2 y NADH
4) Descarboxilación del ac. alfa-cetoglutárico, se libera CO2, NADH + H + y se forma 1 GTP (ATP). El ac. alfa cetoglutárico se transforma en ac. succínico
5) Oxidación del ac. succínico a ac. fumárico. Se forma un doble enlace. Los electrones son transferidos al FAD que se reduce a FADH2.
6) Adición de agua al doble enlace formándose el ac. málico.
7) Oxidación del alcohol del ac. málico a ac. oxalacético. EL NAD+ se reduce a NADH. el ciclo se completa
C4 C6
C5C4
NADH2
FADH2
GTP
NADH2
CO2
CO2 NADH2
C2
C. de KREBS
Ac. OxalacéticoAc. cítrico
Ac. Α cetoglutáricoSuccinil CoA
Acetil CoA CoA
CoA
ATP
Balance global del Ciclo de Krebs
Acetil CoA
2CO2 ATP 3 NADH2 FADH2
Electrones de alta energía
Oxígeno
Cadena transporte de electronesATP
v Intermediarios metabólicos Rutas Biosintéticas
precursores
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O --------> 2CO2 + CoA-SH + 3(NADH + H+) + FADH2 + GTP
CoA
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
- Se sitúa en la membrana i n t e r n a m i t o c o n d r i a l (c.eucariotas) Los electrones y los H+ de los coenzimas reducidos (NADH2 y FADH2 ) se transfieren a uno de los complejos proteicos que f o r m a n l a c a d e n a transportadora de electrones, hasta llegar al O2
Son reacciones REDOX, en las cuales intervienen dos constituyentes de diferente potencial redox. Los electrones van desde la molécula con menor potencial redox a la molécula con mayor potencial redox.
ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA DE LAS CRESTAS MITOCONDRIALES
La membrana de las crestas mitocondriales tiene la estructura de membrana de mosaico fluido. Empotradas en la doble bicapa lipídica se encuentran las proteínas transportadoras de los electrones. Forman tres grandes complejos:
. Complejo I (NADH deshidrogenasa) - Complejo II (citocromo bc1) - Complejo III (citocromo oxidasa)
2H+ + 1/2 O2 + 2e - H2O
El transporte de electrones comienza cuando el NADH + H+ cede los e- al complejo I y a través del Co Q, pasan al complejo II. El FADH2 (menor potencial redox) los cede directmente al complejo II. Luego se tranfieren a través del citocromo C al complejo II y por último son aceptados por el oxígeno (mayaor potencial redox)que se reduce a agua.
¿CÓMO SE PRODUCE EL TRANSPORTE DE ELECTRONES?
Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación del NADH y síntesis de ATP
Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación del FADH2 y síntesis de ATP
Acoplamiento de los procesos redox y trasnporte de H+ A la vez que se realiza el transporte de electrones se genera un transporte de protones por parte de los complejos I, II y III desde la matriz hacia el espacio intermembranoso Como la membrana interna es impermeble a los H+, se genera un gradiente electroquímico entre el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial,que es aprovechado por la bomba ATP-asa para devolver de nuevo los protones y generar ATP( por cada dos protones que retornan se sintetiza un ATP). Se calcula que el NADH cede 2 electrones y en su transporte se libera energía para bombear 6H+ ( por cada FADH2 se bombean 4 H+). De manera que :
1NADH+H+/3ATP 1 FADH2/2ATP
HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
La hipótesis que explica el acoplamiento de los procesos redox y el transporte de H+ es la hipótesis quimiosmótica, y su resultado es la fosforilación oxidativa.
EUCARIOTAS PROCARIOTAS
Proceso Coenzimas reducidos y ATP
Moles de ATP (totales)
Moles de ATP (totales)
Glucolisis 2 NADH 2 ATP
4 ATP 2 ATP
6 ATP 2 ATP
Descarboxilación del ac. pirúvico
2 NADH 6 ATP 6 ATP
C. de Krebs 6 NADH 2 FADH2 2 GTP
18 ATP 4 ATP 2 ATP
18 ATP 4 ATP 2 ATP
Balance global 36 ATP 38 ATP
BALANCE EN MOLES DE ATP EN LA RESPIRACIÓN CELULAR ( Una molécula de glucosa)
¿QUÉ SUCEDE CON EL NADH DE ORIGEN HIALOPLASMÁTICO EN LOS EUCARIOTAS?
Hemos visto que por cada NADH que ingresa en la cadena de electrones se obtienen 3 ATP. En los organismos eucariotas, el NADH que se origina en la glucolisis (hialoplasma) por cada glucosa sólo puede originar 2 ATP. Esto es debido a que el NADH no puede atravesar directamente la membrana mitocondrial y utiliza una lanzadera que cede los electrones al FAD que hay en el interior de la mitocondria, reduciéndose a FADH2. Esto no sucede en procariotas.
Proceso Sustancia inicial
Sustancia final
coenzimas reducidos
y ATP
Moles de ATP
(totales)
Glucolisis Glucosa 2 ac. pirúvico
2 NADH 2 ATP
4 ATP 2 ATP
Descarboxilación del ac. pirúvico
2 ac. pirúvico
2 acetil-CoA 2 CO2
2 NADH 6 ATP
C. de KREBS 2 acetil-CoA
4 CO2 6 NADH 2 FADH2 2 GTP
18 ATP 4 ATP 2 ATP
Balance global Glucosa 6 O2
6 CO2 6 H2O
36 ATP
BALANCE DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA DE 1 GLUCOSA (c.eucariota)
C6H12O6 + 6O2 + 36ADP + 36Pi 6CO2 + 6H2O + 36 ATP
CO2
ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LOS PROCESOS DE RESPIRACIÓN CELULAR
22
2
4
6
6
36
ATPNADH2
616 6
2 NADH2
2NADH2
6NADH2
2FADH2
Si comparamos ambos procesos: catabolismo aeróbico y fermentación vemos que el rendimiento del primero es mayor ( 38 ATP por molécula de glucosa) que el del segundo (2 ATP por mol. de glucosa).
Evolutivamente, el mayor rendimiento energético de los organismos aeróbicos fue muy importante ya que les permitó conquistar todos los ambientes, produciéndose una gran variedad de formas de vida, cada una adaptada a un nicho ecológico determinado, es lo que se llama radiación adaptativa.
La concentración de glucosa en sangre debe permanecer constante. El exceso de glucosa se acumula en hígado y músculo (animales) en forma de glucógeno. Al completarse esta reserva el resto de glucosa se almacena en forma de grasa. - El glucógeno del músculo aporta el combustible a las células musculares para su contracción. - El glucógeno hepático suministra glucosa al resto de los tejidos ( en ayuno esta reserva se agot en menos de 24h). La principal reserva energética la proporcionan los lípidos que se almacenan en el tejido adiposo (9Kcal/g)
RESERVA DE GLÚCIDOS
CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
En los animales los ac. grasos se almacenan en el tejido adiposo en forma de triglicéridos y se movilizan gracias a las lipasas.
Lipasas
Ingresa en la glucolisis como gliceraldehído 3 P
Citoplasma
Matriz mitocondrial
R-COOH + CoA- SH R-COS- CoA Ac. Graso AcilCoA
1 ATP 1 AMP - 1 P+ 1Pi
Acil-CoA sintetasa
β- Oxidación ó Hélice de Lynen
n Acetil-CoA
NADH2
FADH2
C. de Krebs
Cadena transporte de electrones
e- H+
e- H+
Ac. graso (18 C) 146 ATPHélice de Lynen (8 vueltas)
(Matriz mitocondrial y peroxisomas). Vegetales: peroxisomas
En los animales constituyen la principal reserva energética
Membran externa mitocondrial Para atravesar la membrana
mitodcondrial utiliza como lanzadera la carnitina
Citoplasma
CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS
!
Tran
sam
inac
ión
Α-cetoglutaratoTransaminasas Coenzima B6
-NH2
Desaminación oxidativa
Glutamato dh
AMINOÁCIDOS
Proteínas de la dieta
Proteínas corporales
Nucleótidos Coenzimas Neurotransmisores Hormonas Porfirinas
Esqueleto carbonado
GLUCOSA
ÁCIDOS GRASOS
NH3
Ciclo de la urea C. de Krebs
Urea CO2 , H2 O energía
Hígado (citosol y mitocondrias)
Ac. úrico
NH3
C. KREBS Biosíntesis
Oxidación de la cadena carbonada
Preferentemente en el hígado
Hígado y riñones
POLISACÁRIDOS LÍPIDOS PROTEÍNAS
Pentosas Ac grasos Aminoácidos Hexosas Glicerina
Acetil-CoA
CO2
H y e-
Transportadores de electronesO2
ATP
H2O
Cat
abol
ism
o
1º
2º
3º
Anabolism
o
3º
2º
1º
NH3
NADH
CO2
ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO
