TEMA 7. METABOLISMO CELULAR NUTRICIÓN CELULAR. CONCEPTO
NUTRICIÓN CELULAR: CONCEPTO •
La célula viva es esencialmente dinámica y el continuo aporte de energía y de nutrientes es el requisito indispensable para asegurar su propia supervivencia o mantener su elevado grado de complejidad. Esto significa:
1. 1.
Obtener Obtener energía energía necesaria necesaria para para su su funcionamiento funcionamiento y la consigue consigue mediante mediante la degradación de de moléculas moléculas orgánicas: orgánicas: es es el el catabolismo. catabolismo. 2. 2. Renovar Renovar continuamente continuamente sus sus estructuras estructuras celulares celulares yy para para ello ello necesita necesita fabricar fabricar los los glúcidos, glúcidos, lípidos, lípidos, proteínas proteínas yy ácidos ácidos nucleicos nucleicos que que son son componentes componentes moleculares moleculares de de dichas dichas estructuras: estructuras: es es el el anabolismo anabolismo
NUTRICIÓN CELULAR
NUTRICIÓN NUTRICIÓN CELULAR. CELULAR. • La nutrición celular comprende los siguientes procesos: • 1.Ingestión y digestión.• Ingestión es la penetración de sustancias en las células, para lo cual han de atravesar la membrana plasmática mediante los mecanismo de transporte estudiados. • Digestión, es realizada por la acción de las enzimas hidrolíticas contenidas en los lisosomas. • 2. Metabolismo. • Conjunto de reacciones químicas enzimáticas que sufren los nutrientes en el interior de las células. • Las moléculas contienen energía química, almacenada en forma de enlaces, de modo que las reacciones metabólicas implican conjuntamente, transformaciones de materia y energía, cada una de ellas está catalizada por una enzima específica. • 3. Excreción y secreción. • En ambos procesos, la célula elimina al exterior productos del metabolismo para lo cual ha de atravesar la membrana plasmática. • En la excreción los productos de desecho proceden del catabolismo y en la secreción las sustancias eliminadas proceden del anabolismo y tienen utilidad para la propia célula o para otras.
NUTRICIÓN CELULAR: PROCESOS
NUTRICIÓN CELULAR: CELULAR: TIPOS TIPOS SEGÚN SEGÚN LA LA FUENTE FUENTE DE DE NUTRICIÓN MATERIA YY ENERGÍA ENERGÍA QUE QUE SE SE UTILIZA UTILIZA MATERIA
• Toda célula necesita del exterior alguna forma de energía que pueda aprovechar, así como alguna forma de materia a partir de la cual construya su materia propia. Existen diferentes tipos de metabolismo atendiendo a estas necesidades.
CRITERIO DE CLASIFICACIÓN
Según el tipo de materia que deben tomar del exterior.
Según el tipo de energía que pueden aprovechar
TIPOS DE METABOLISMO
CARACTERÍSTICAS
AUTOTRÓFO O LITOTROFO
Sólo necesitan tomar materia inorgánica a partir de la cual construyen materia orgánica propia, utilizando la energía lumínica (fotosíntesis) o la energía química procedente de la oxidación de algún compuesto (quimiosíntesis)
HETERÓTROFO U ORGANOTROFO
Necesitan tomar materia orgánica del exterior que transforman en materia orgánica propia y energía.
FOTOTROFO
Son capaces de utilizar energía luminosa del exterior
QUIMIOTROFO
Sólo son capaces de aprovechar energía química almacenada en moléculas que toman del exterior
TIPO DE METABOLISMO
CARACTERISTICAS
SERES VIVOS QUE LO PRESENTAN
Fotolitrotofo (autrotrofo fotosintético)
Necesitan tomar materia inorgánica del exterior (CO 2 , agua, sales minerales) a partir de la cual, con energía luminosa, son capaces de sintetizar su materia órganica.
Células vegetales fotosintéticas. Cianobacteria. La mayoría de las bacterias fotosintéticas.
Quimiorganotrofo (heterótrofo)
Necesitan tomar materia orgánica del exterior, de la cual obtienen energía y que, además, utilizan para formar materia orgánica propia.
Células animales Células de hongos La mayoría de las bacterias.
Fotoorganotrofo (Heterotrofo fotosintético)
Obtienen el carbono de otros compuestos orgánicos y la fuente de energía es la luz .
Unas cuantas bacterias fotosintéticas, bacterias rojas no sulfúreas.
Quimiolitotrofo (Autotrofo quimiosintético)
Son capaces de tomar materia inorgánica del exterior (CO 2 , agua, sales minerales) para sintetizar materia orgánica propia. Obtienen la energía, no de la luz, sino de la oxidación de moléculas inorgánicas que toman del exterior.
Algunas bacterias del azufre, hierro y nitrógeno.
METABOLISMO METABOLISMO CONCEPTO, CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES
METABOLISMO CELULAR
SABÍAS QUÉ…
• BIOLUMINISCENCIA EN UN HONGO
• La célula viva es una fábrica química en miniatura, en la que miles de reacciones ocurren dentro de un espacio microscópico. • Los azúcares pueden convertirse en aminoácidos que se unen para forman proteínas cuando es necesario, y las proteínas se pueden disgregar en aminoácidos que pueden convertirse en azúcares cuando los alimentos se digieren. • Pequeñas moléculas se ensamblan para formar polímeros que pueden hidrolizarse con posterioridad, cuando las necesidades de las células cambian. • En los organismos multicelulares muchas células exportan productos químicos que se emplean en otras partes del organismo. El proceso conocido como respiración celular dirige la economía celular extrayendo la energía almacenada en los azúcares y otros combustibles. • Las células aplican esta energía para llevar a cabo varios tipos de trabajo, como el transporte de solutos a través de la membrana plasmática. • En un ejemplo más exótico, las células del hongo convierte la energía almacenada en ciertas moléculas orgánicas en luz, un proceso conocido como bioluminiscencia ( el brillo puede atraer a los insectos lo que ayuda al hongo a dispersar sus esporas) • La bioluminiscencia y cualquier actividad metabólica llevada a cabo por una célula están controladas y coordinadas de forma precisa. Por su complejidad, su eficiencia, su integración y su respuesta a cambios sútiles, la célula es una fábrica química sin comparación.
CONCEPTO DE METABOLISMO • El metabolismo es un circuito altamente integrado de reacciones químicas, mediante las cuales la célula transforma los materiales captados del medio en energía, en moléculas de recambio para sustituir las gastadas, y en nuevas moléculas necesarias para el crecimiento. • El metabolismo es una propiedad emergente de la vida que surge de las interacciones de las moléculas dentro del ambiente organizado de la célula.
RUTA O VÍA METABÓLICA. • La ruta o vía metabólica consiste en una sucesión de reacciones encadenadas en las que se generan intermediarios metabólicos o metabolitos, donde cada reacción está catalizada por una enzima diferente y específica, ayudada en numerosas ocasione por cofactores y coenzimas. Unas rutas conducen a la degradación de las moléculas (catabolismo) y otras a su biosíntesis (anabolismo). • Unas rutas metabólicas son lineales y permiten obtener productos finales a expensas de moléculas precursoras. • Otras son cíclicas, ya que parten de dos moléculas precursoras, una de las cuales se regenera tras el proceso cíclico y la otra experimenta diversas transformaciones.
CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS DEL DEL METABOLISMO METABOLISMO • Una característica de los organismos vivos es su interrelación con el exterior. Ningún organismo es autosuficiente, y para sobrevivir necesita tomar nutrientes del exterior. Estos nutrientes sufren una serie de transformaciones químicas en las células, que reciben el nombre genérico de metabolismo . • El metabolismo comprende dos tipos de rutas o vías metabólicas:
RUTAS O VIAS METABOLICAS • El catabolismo es la degradación enzimática, mediante reacciones de oxidación, de moléculas nutritivas relativamente grandes, como glúcidos, lípidos y proteínas, procedentes del medio externo o de sus propios depósitos de reservas nutritivas, hasta transformarlas en una serie de moléculas más sencillas como ácido láctico, ácido acético, CO2, amoníaco o urea. • El catabolismo va acompañado de una liberación de energía inherente a la compleja estructura de las grandes moléculas orgánicas, la cual se conserva en forma de la energía del enlace fosfato del ATP.
• El anabolismo es la síntesis enzimática de los componentes moleculares de las células, como polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, a partir de precursores sencillos. • Como los procesos sintéticos provocan un aumento de la complejidad de las estructuras y, por tanto, un descenso de la entropía, se requiere energía libre, que es proporcionada por la energía del enlace fosfato del ATP.
CARACTERISTICAS DEL METABOLISMO • Tanto el catabolismo como el anabolismo son dos procesos simultáneos e interdependientes que pueden estudiarse por separado. • Cada uno de los procesos comprende una secuencia de reacciones enzimáticas, mediante las cuales se degrada o sintetiza el esqueleto covalente de una determinada biomolécula. • Las rutas catabólicas y anabólica no son enzimáticamente idénticas y se encuentran, generalmente, en diferentes partes de la célula.
CATABOLISMO Se diferencian varios tipos de catabolismo, seg煤n el aceptor final de electrones y el grado de oxidaci贸n del compuesto.
Fermentación
Respiración aeróbica.
Respiración anaeróbica.
Proceso catabólico en que el aceptor final de electrones es una molécula orgánica pequeña como, por ejemplo, el ácido pirúvico.
Proceso catabólico en que el aceptor final de electrones, es el oxígeno molecular.
Proceso catabólico en que el aceptor final de electrones no es el oxígeno molecular, sino un compuesto inorgánico como el ion nitrato, sulfato o carbonato que se reducirá, respectivamente a nitrito, azufre o metano.
La oxidación del compuesto orgánico es parcial y únicamente se libera una pequeña cantidad de energía.
La oxidación del compuesto orgánico es total, hasta CO 2 y H 2 O.
La fosforilación del ADP sólo se produce a nivel de sustrato, pues no actúa la cadena respiratoria. Este proceso es utilizado con frecuencia por microorganismos como levaduras y bacterias, pero
La fosforilación del ADP se produce a nivel de sustrato, pero la mayor parte se obtiene en la cadena respiratoria.
La oxidación del compuesto orgánico, es total, hasta CO 2 .
La fosforilación del ADP se produce a nivel de sustrato y en la cadena respiratoria, al igual que en la respiración aeróbica.
FUNCIONES DEL METABOLISMO • Obtener energía química del entorno, sea de elementos orgánicos nutritivos o de la luz solar. • Convertir los elementos nutritivos externos, en los precursores de los componentes macromoleculares de las células. • Sintetizar las macromoléculas y otras biomoléculas celulares necesarias. • Formar y degradar aquellas biomoléculas necesarias para las funciones específicas celulares.
EL PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO El adenosín-trifosfato o ATP es un nucleótido de enorme importancia en el metabolismo, ya que puede actuar como molécula energética, al ser capaz de almacenar o ceder energía gracias a sus dos enlaces fosfoanhídrido que son capaces de almacenar, cada uno de ellos, 7,3 kcal/mol. Al hidrolizarse se rompe el último enlace fosfato (desfosforilación) produciéndose ADP (adenosín-difosfato) y una molécula de ácido fosfórico ( Pi ) liberándose además 7,3 kcal/mol.
EL PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO • El ATP es la moneda energética de la célula, pues representa la manera de tener almacenado un tipo de energía de pronto uso. • En todas las reacciones metabólicas en las que se necesita energía para la biosíntesis de moléculas se utiliza el ATP, como también en la contracción muscular, en el movimiento celular, ciliar y flagelar, en el transporte activo a través de las membranas, etc. En ocasiones son utilizado para el mismo fin otros nucleótidos como el GTP, UTP y CTP. • Las células extraen energía del alimento a través de una serie de reacciones que presentan variaciones de energía libre negativa, para que resulte eficaz, la célula degrada las moléculas poco a poco, de manera gradual y controlada, mediante la intervención de enzimas, liberando una pequeña cantidad de energía en cada paso. • La ventaja de esta serie de reacciones escalonadas consiste, pues, en que pueden acoplarse desde el punto de vista energético y, en algunos casos, la energía liberada se transforma en enlaces fosfato de alta energía que representa una forma de almacenamiento de esta energía. • Gran parte de la energía libre liberada no se disipa como calor sino que es capturada en enlaces químicos formados por otras moléculas para ser utilizada por la célula.
EL PAPEL DEL ATP EN EL METABOLISMO • ATP + H2 O Pi + energía
ADP + (7,3 kcal/mol).
• El ADP es capaz de ser hidrolizado también, rompiéndose el otro enlace fosfoanhídrido con lo que se liberan otras 7,3 kcal/mol y se producen AMP (adenosín-monofosfato) y una molécula de ácido fosfórico. • ADP + H2 O + energía
AMP + (7,3 kcal/mol).
Pi
SINTESIS DE ATP La síntesis de ATP puede realizarse por dos vías: • Fosforilación a nivel de sustrato. • Es la síntesis de ATP gracias a la energía que se libera de una biomolécula (sustrato) al romperse alguno de sus enlaces ricos en energía, como ocurre en algunas reacciones de la glucólisis y del ciclo de Krebs. Las enzimas que regulan estos procesos se denominan quinasas. Mediante enzimas del grupo de las ATPsintetasas. • Es la síntesis de ATP mediante las enzimas ATPasas existentes en las crestas de las mitocondrias o en los tilacoides de los cloroplastos, cuando dichas enzimas son atravesadas por un flujo de protones (H+ ).
ATP
TRANSPORTADORES DE ELECTRONES PAPEL EN EL METABOLISMO DE LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES EN EL METABOLISMO • Las reacciones catabólicas provocan la oxidación de los sustratos, por deshidrogenación, y las enzimas que catalizan estas reacciones son deshidrogenasas ligadas a los coenzimas NAD, NADP y FAD, principalmente. Las formas reducidas de estos coenzimas cederán sus electrones de alto potencial a otras moléculas, hasta llegar a una molécula aceptora final de electrones. • Los electrones liberados por la molécula que se oxida ocuparán, en la molécula aceptora, niveles de menor energía; es esta pérdida de energía la que se utiliza para fosforilar el ADP y formar una molécula de ATP. •
Pero no toda la energía desprendida se utiliza para formar ATP. Un segundo camino para transportar la energía de las reacciones de oxidorreducción del catabolismo es en forma de NADPH, coenzima que transporta dos electrones de alto potencial y sirve como dador de hidrógeno y de electrones en las biosíntesis reductoras.
• Así pues, el NADP actúa como transportados de electrones ricos en energía, desde las reacciones catabólicas hasta las reacciones anabólicas que las necesitan.
COENZIMAS
CONCEPTOS PREVIOS PARA ENTENDER EL METABOLISMO LEE, ENTIENDE Y ASIMILA….APLÍCALOS EN EL METABOLISMO
CONCEPTO CONCEPTO DE DE ENERGÍA ENERGÍA La energía es la capacidad de producir cambios
FORMAS DE DE ENERGÍA ENERGÍA FORMAS Energía cinética, asociado al movimiento relativo de los objetos. Energía térmica o calor, es energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y de las moléculas. Energía potencial, es la energía que posee la materia por su localización o su estructura. Energía química, las moléculas almacenan energía por la disposición de sus átomos, en la energía potencial disponible para liberarse en una reacción química.
LAS LEYES DE LA TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA • El estudio de las transformaciones de la energía que se producen en un conjunto de materia se denomina termodinámica. • Dos leyes de la termodinámica gobiernan las transformaciones energéticas en los organismos y en todo el resto de los conjuntos de materia.
LA PRIMERA LEY DE TERMODINÁMICA La energía del universo es constante, la energía puede transferirse y transformarse, pero no puede ser creada o destruida. La primera ley también se conoce como el principio de conservación de la energía,
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Cada transferencia o transformación de energía incrementa la entropía del universo. Para que un proceso ocurra de forma espontánea debe incrementar la entropía del universo
LE 8-3
Heat
Chemical energy
La primera ley de termodinรกmica
CO2 H2 O
Segunda ley de la termodinรกmcia
Las dos leyes de la termodinámica • La primera ley de la termodinámica: la energía puede transferirse o transformarse, pero nunca crearse o destruirse. Por ejemplo, la energía química (potencial) de los alimentos se convertirá en la energía cinética del movimiento del guepardo en .
• Segunda ley de la termodinámica, cada transferencia o transformación de energía incrementa el desorden (entropía) del universo. Por ejemplo se añade desorden al entorno del guepardo en la forma de calor y de las pequeñás moléculas que son subproductos del metabolismo.
EL CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE DE UNA REACCIÓN NOS DICE SI ÉSTA OCURRE DE FORMA ESPONTÁNEA • Cambio de energía libre, ΔG. • La energía libre mide la porción de energía de un sistema que puede realizar trabajo cuando la temperatura y la presión son uniformes en todo el sistema, como ocurre en una célula viva. • El cambio de energía libre, ΔG, puede calcularse para cualquier reacción química específica con la siguiente fórmula: • ΔG = ΔH – TΔS • ΔH simboliza el cambio en la entalpía del sistema (en los sistemas biológicos, es equivalente a la energía total) • ΔS es el cambio en la entropía del sistema, T es la temperatura absoluta en grados Kelvín (K) . • Únicamente los procesos con una ΔG negativa son espontáneos, por lo tanto, para que un proceso ocurra de forma espontánea, el sistema debe o bien entregar entalpía( H debe disminuir), ceder orden (TS debe aumentar) o ambos. • Cuando los cambios en H y TS se computan, ΔG debe tener un valor negativo • ΔG <0 esto implica que cada proceso espontáneo disminuye la energía libre del sistema. Los procesos que tienen una ΔG positiva o igual a cero, nunca son espontáneos.
ENERGÍA ENERGÍA LIBRE, LIBRE, ESTABILIDAD ESTABILIDAD YY EQUILIBRIO EQUILIBRIO
Podemos pensar en la energía libre como una medida de la inestabilidad de un sistema, su tendencia a cambiar a un estado más estable. Los sistemas inestables ( G más alta) tiende a cambiar de modo que se transforman en más estables (G más baja).
RELACIÓN ENTRE LA ENERGÍA LIBRE Y LA ESTABILIDAD, LA CAPACIDAD DE TRABAJO Y EL CAMBIO ESPONTÁNEO
MOVIMIENTO GRAVITATORIO
DIFUSION
REACCION QUIMICA
Cambio espontáneo • Los sistemas inestables son ricos en energía libre, o G. • Tienen tendencia a cambiar espontáneamente a un estado más estable y es probable aprovechar este cambio “cuesta abajo” para realizar trabajo.
LE 8-6a
Energía libre
Reactivos CANTIDAD DE ENERGÍA LIBERADA (∆G < 0)
Energia Productos
Progresode la reacción Reacción exergónica: energía
LE 8-6b
Energía libre
Productos
Energia Reactivos
Progreso de la reacción Reacción endergónica: energía requerida
Cantidad De energía liberada (∆G > 0)
REPASA EL CONCEPTO DE ENZIMA
FUENTES: EDUCASTUR, BIOLOGIA CAMPBELL, BRUﾃ前, SANTILLANA