METABOLISMO CELULAR Se denomina METABOLISMO al conjunto de todas las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células. La finalidad del metabolismo es: 1. Obtención de energía química 2. Transformación de sustancias químicas externas en moléculas utilizables por la célula .3.Síntesis de materia orgánica propia a partir de los precursores (la energía y moléculas obtenidas en los puntos anteriores) Características de las reacciones del metabolismo: -Están catalizadas por enzimas -El metabolismo está perfectamente regulado y ajustado a las necesidades de la célula con el principio de máxima economía -Las reacciones son secuenciales de forma que el producto de una de ellas constituye el sustrato de la reacción siguiente. (Estas secuencias de reacciones se llaman vías o rutas metabólicas) Reacciones endergónicas y exergónicas: las endergónicas requieren energía para que puedan efectuarse y las reacciones exergónicas liberan energía. Las reacciones de síntesis reciben el nombre de anabólicas y las de degradación: catabólicas. Las células utilizan constantemente la energía liberada en las reacciones exergónicas del catabolismo para producir las reacciones endergónicas del anabolismo.El transporte de esta energía se puede llevar a cabo en forma de ATP, que transporta grupos fosfatos o en forma de transportadores de electrones, en ambos casos moléculas ricas en energía Así el metabolismo comprende dos tipos de procesos: catabolismo y anabolismo. Ambos procesos suceden simultáneamente y son interdependientes Las sustancias de unos se utilizan en el otro El catabolismo es el metabolismo de degradación en el que las moléculas complejas se transforman en moléculas sencillas con liberación de energía. El anabolismo es el metabolismo de construcción de sustancias complejas a partir de sustancias sencillas con necesidad de energía en el proceso
CATABOLISMO . Es la fase degradativa del metabolismo. Las moléculas orgánicas complejas se oxidan transformándose en moléculas más sencillas liberando la energía almacenada en los enlaces de sus moléculas. Debe existir una última molécula que capte los electrones o los hidrógenos desrendidos 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. Finalidad del catabolismo Obtención de energía (ATP) que se utilizará para las funciones vitales: biosíntesis, transporte activo, movimiento. Otras: Obtención de coenzimas reducidos (NADH,NADPH, FADH2) que aportarán los electrones necesarios para la reducción de sustratos en el anabolismo. - Obtención de algunos precursores metabólicos necesarios para la síntesis de algunas moléculas orgánicas en el anabolismo. ETAPAS DEL CATABOLISMO DE LA GLUCOSA: GLICOLISIS La glicólisis es una ruta catabólica común a todas las células (bacterias, plantas y animales). Se realiza en condiciones anaerobias (sin necesidad de oxígeno) y tiene lugar en el hialoplasma celular .Se obtiene dos moléculas de pirúvico (molec.de 3 at.de carbono) y energía en forma de NADH y ATP.
Y ATP. Resumen de las reacciones de la glucólisis: - Las reacciones que se producen en la glicólisis tienen lugar en dos etapas sucesivas: 1- la glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato. Para ello se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. 1
Glucosa + 2ATP ---> 2 gliceraldehido-3-P + 2ADP 2.-- Las dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato son oxidadas por el NAD+ (el coenzima pasa a la forma reducida NADH) y convertidas en pirúvico.La energía liberada en el proceso es utilizada para sintetizar cuatro moléculas de ATP. Por tanto el rendimiento energético de la glicólisis es de dos ATP por molécula de glucosa. El balance final de la glucólisis es: 1 Glucosa+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2P 2 ácido pirúvico+2NADH + H+ + 2 ATP
Para que nuevas moléculas de glucosa puedan seguir oxidándose en la glicólisis, es necesario que el NAD+ que se consume en la oxidación de la glucosa se regenere a partir del NADH producido. Por otra parte el destino del pirúvico obtenido en la glicólisis dependerá del tipo de célula y de la disponibilidad de oxígeno. El pirúvico puede seguir degradándose: Vía FERMENTACIÓN en condiciones anaerobias 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 fermentación y ocurren en el citosol o hialoplasma RESPIRACIÓN en condiciones aerobias 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 glucólisis. Así, en estas condiciones el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transformará en Acetil-CoenzimaA que ingresará en la respiración celular
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RESPIRACIÓN CELULAR AERÓBICA Consiste en la oxidación completa de la materia orgánica hasta formar CO2 y H2O. El oxígeno actúa como último aceptor de electrones de una serie de reacciones de oxido-reducción en las que intervienen las moléculas que constituyen la cadena respiratoria. • La respiración celular se realiza en las mitocondrias de las células eucariotas y en la membrana plasmática de algunas procariotas, •
Si partimos de la glucosa la respiración de la glucosa sería el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis se degrada a CO2 y H2O y se producen 36 ATP. •
Comprende cuatro etapas: 1. Transformación del ácido pirúvico en acetil Co.A (Descarboxilación oxidativa del pirúvico) – 2. Ingreso del Acetil CoA en el ciclo de Krebs. – 3. Transporte de electrones a través de la cadena respiratoria. En estas reacciones de oxido-reducción se libera energía que la célula utiliza para bombear protones al interior del espacio intermembrana. – 4.Fosforilación oxidativa, la salida de H+ hacia la matriz mitocondrial se hace a través de las ATP asas, produciéndose la fosforilación del ADP+ Pi ---> ATP •
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- Si el aceptor final es el oxígeno, la respiración es aerobia; si se trata de una sustancia distinta del oxígeno, se dice que es anaerobia. DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVICO 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 un NADH y se forma un grupo acilo (CH3-CO).. 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. CICLO DE KREBS También llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico. Balance: AcetilCoA+ 3NAD+ +1FAD+ +1GDP+1P --<( Co.A + 2 CO2 + 3NADH +H+ 1FADH2
+ 1
El ciclo de Krebs consiste en una serie de reacciones mediante las cuales se produce la oxidación total del acetil CoA obteniéndose CO2, NADH y FADH2 y un GTP que equivale a 1 ATP Se realiza en la matriz mitocondrial por tanto en condiciones aerobias GTP Como por cada molécula de glucosa se obtienen dos de acetil Co.A, son necesarias dos vueltas del ciclo de Krebs para su degradación completa Como el ciclo necesita de NAD+ y FAD+ , y estos, se regeneran en la cadena respiratoria cuando el NADH y el FADH2 cedan sus e- al O2 , el ciclo de Krebs solamente se realizará en condiciones aerobias. Procedencia del acetil CoA: El Acetil CoA procede del catabolismo de glúcidos (glicólisis) lípidos (ácidos grasos B-oxidación) y aminoácidos 3
Se podría definir el ciclo de Krebs como una serie de reacciones mediante las cuales se produce la oxidación de la mayoría de los combustibles metabólicos (monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos). Aunque el objeto del ciclo de Krebs es eminentemente catabólico, de el parten también importantes rutas anabólicas. Algunos de los compuestos intermediarios de este ciclo pueden servir de precursores para diferentes procesos anabólicos que ocurren en el hialoplasma. Por ejemplo síntesis de aminoácidos no esenciales, síntesis de ácidos grasos. CADENA RESPIRATORIA O CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Los electrones presentes en el NADH y FADH2 son transportados a lo largo de moléculas asociadas a la membrana interna mitocondrial, pasándolos de unas a otras hasta llegar al oxígeno que actúa como aceptor final de los electrones. al unirse los e- y los H+ al O2 se formará agua. Los electrones al pasar por los transportadores van liberando energía( Han pasado de estar en moléculas altamente energéticas a estar en el agua) .Esta energía liberada se acoplará a la síntesis de ATP en la fosforilación oxidativa (hipótesis quimiosmótica).
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ACOPLADA A LA CADENA RESPIRATORIA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: HIPOTESIS QUIMIOSMÓTICA DE MITCHELL
La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP asociada a la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria *La mayor parte de energía liberada en el transporte de e- a lo largo de la cadena transportadora se utiliza en bombear protones H+ (en contra del gradiente) desde la matriz al espacio intermembrana donde se acumulan creando un gradiente electroquímico de protones. Los protones H+ vuelven a la matriz a favor del gradiente a través ATP- asa liberando energía que es utilizada para fosforilar al ADP y obtener ATP Por cada NADH + H+ que llega a la cadena se sintetizan 3 ATP Por cada FADH2 “ ” 2 ATP
DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LA GLUCOSA FERMENTACIONES 4
La fermentación es un proceso anaeróbico. Consiste en la oxidación parcial de las moléculas orgánicas, obteniéndose ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato.En condiciones anaerobias , no hay oxígeno que actúe como aceptor de los e- del NADH, por ello en la fermentación el aceptor final de los e- es un compuesto orgánico generado por la propia ruta metabólica, de esta manera se regenera el NAD+ . En la fermentación alcohólica el pirúvico obtenido en la glucólisis es transformado en alcohol etílico (etanol) y CO2 regenerándose el NAD+ Esta fermentación la realizan levaduras del género Saccharomyces
En la fermentación láctica el pirúvico es transformado en ácido láctico regenerándose NAD+ La realizan las células del músculo esquelético cuando el aporte de oxígeno es insuficiente, (en caso de ejercicio intenso). La realizan también muchas bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus, responsables de formación de productos derivados de la leche
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La B- OXIDACIÓN consiste en la oxidación de los ácidos grasos, dando lugar a moléculas de acetil Co A(molec. de 2 at, de carbono) y poder reductor: NADH y FADH2 .Se realiza en la matriz mitocondrial. En el interior de la matriz la cadena carbonada de los ácidos grasos experimenta un ciclo de reacciones, que va liberando fragmento de dos átomos de carbono en forma de acetil Co A a partir del extremo carboxilo Previamente a la oxidación el ácido graso ha de se activado es decir transformado en acil-CoA . En cada vuelta se libera un acetíl Co.A. ,coenzimas reducidos NADH y FADH2 y un acil CoA con dos carbonos menos que reinicia el ciclo.El proceso se repite varias veces hasta la degradación total del acil-.Co.A hasta acetil. 5
Co.A (En la última vuelta el ácido graso activado resultante debe ser ya un acetil Co.A.
El acetil Co A obtenido en la B-oxidación se puede oxidar en el ciclo de Krebs y los FADH2 y NADH se oxidan en la cadena respiratoria. Las moléculas de ATP se obtienen cuando NADH y FADH2 obtenidos en la B-oxidación y los obtenidos al oxidar el acetil CoA en el ciclo de Krebs cedan sus electrones a la cadena transportadora
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