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METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Concepto de 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 . Las distintas reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas y las moléculas que en ellas intervienen metabolitos. Catabolismo: transformación de moléculas orgánicas complejas en otras sencillas con liberación de energía que se almacena en los enlaces fosfato de ATP. Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas a partir de otras sencillas , para lo cual se necesita suministrar energía. Las moléculas de ATP pueden proceder de las reacciones catabólicas, de la fotosíntesis y quimiosíntesis. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato CLASES DE ORGANISMOS SEGÚN SU TIPO DE NUTRICIÓN Tipo Fuente Fuente carbono ener gía Fuente H Ejemplos vegetales, algas cianofíceas, bact. rojas del S Fotoautótrofos CO2 Luz H2O, SH2 Quimioautotrofos CO2 Reacc redox NH3,H2,SH2 bact.desnitrif.; incol. del S, Fe, Fotoheterótrofos c. orgánicos Luz c. orgánicos bacterias purpúreas nosulfúreas c. orgánicos Reacc redox c. orgánicos animales, hongos, protozoos, resto de bacterias Quimioheterótrofos METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Existen dos mecanismos para sintetizar ATP: Fosforilación a nivel de sustrato: se forma un compuesto intermediario rico en energía y en la siguiente reacción se utiliza la energía liberada por la hidrólisis de este compuesto fosforilado que recoge el ADP para formar ATP. Fosforilación en el transporte de electrones. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato PAPEL DEL ATP COMO TRANSPORTADOR DE ENERGÍA El ATP almacena energía y actúa como “moneda de cambio energético”. ADP Desfosforila ción del sustrato Fosforilación Desfosforila ción ATP Fosforilación del sustrato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato UTILIZACIÓN CELULAR DE LA ENERGÍA PARA: 1. Síntetizar biomoléculas y macromoléculas a partir de precursores simples. 2. Transportar activamente iones y moléculas a través de su membrana. 3. Realizar trabajo mecánico en la contracción muscular y en otros movimientos celulares. 4. Producir calor para mejorar las reacciones METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Catabolismo: Las moléculas orgánicas complejas se transforman en sencillas y se libera energía en forma de ATP. Las reacciones que tienen lugar en el metabolismo son reacciones redox, en las que unos compuestos ganan electrones y se reducen y otros los ceden y se oxidan. Las enzimas que intervienen en estas reacciones son las deshidrogenasas. Una molécula cuando pierde hidrógenos pierde electrones y se oxida y cuando los gana se reduce. H---e ¯ + H+. Los hidrógenos desprendidos antes de llegar a la molécula final aceptora de hidrógenos son captados por NAD, NADP, FAD, que son coenzimas de las deshidrogenasas. Los protones van por una vía y los electrones por otra. Los electrones son captados por los citocromos que se van oxidando y reduciendo según ceden y captan los electrones y los protones suelen ser bombeados en determinados puntos acoplados al transporte de electrones y por tanto , se forma ATP, cuando los protones son captados por la ATP sintetasa. Existen dos tipos de catabolismo: fermentación y respiración. En la fermentación el aceptor y dador de electrones son compuestos orgánicos . En la respiración el dador de electrones es un compuesto orgánico y el aceptor es un compuesto inorgánico, si es el oxígeno sería respiración aerobia y si es el ión nitrato, sulfato la respiración es anaerobia. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato ACOPLAMIENTO ENERGÉTICO ENTRE REACCIONES La energía desprendida en una reacción exergónica, puede aprovecharse para que se produzcan reacciones energéticamente desfavorables. FOSFORILACIÓN DE LA GLUCOSA MEDIANTE ATP ATP Glucosa + Pi Glucosa-6-P ATP + H2O Glucosa-6~P ADP + Pi Glucosa +ATP + H2O Glucosa-6-P + ADP G= -7,3kcal/mol G= +3 kcal/mol G= -7,3 kcal/mol G= -4,3 kcal/mol G= +3kcal/mol La hidrólisis del ATP (proceso exergónico) se acopla a la fosforilación de la glucosa (proceso endergónico). Glucosa ADP Hexoquinasa El proceso global es favorable energéticamente. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato RUTAS METABÓLICAS DEL CATABOLISMO AEROBIO Aminoácidos Glúcidos Grasas Desaminación Glucólisis ß -oxidación Ácido pirúvico Acetil -CoA Cadena respiratoria CO2, H2O y ATP METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Catabolismo de la glucosa: Glucolísis en el citosol Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial Cadena de transporte electrónico o cadena respiratoria, en la membrana interna mitocondrial. METABOLISMO Glucolisis, paso de glucosa a ácido pirúvico. El paso de glucosa a glucosa 6 fosfato es necesario para que la glucosa atraviese la membrana celular. La DHAP tiene que isomerizar a gliceraldheído 3 fosfato que es el único que puede servir de sustrato para la siguiente reacción. Biología. 2º Bachillerato Fosforilación a nivel de sustrato. Fosforilación a nivel de sustrato. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Balance de la glucolísis: Glucosa+2NAD⃰+2ADP+2P---2 ac.pirúvico+2NADH+2H⃰ +2ATP Si queremos que el proceso de la glucolísis no se detenga deberemos aportar nuevas moléculas de glucosa y oxidar el NADH para que pueda ser reutilizado nuevamente en forma de NAD⃰. La oxidación del NADH se puede realizar en células anaeróbicas mediante las fermentaciones y en células aeróbicas siguiendo la vía del ciclo de Krebs y cadena respiratoria. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO 2 Coa - SH 2 CO2 COMPLEJO DE LA Piruvato deshidrogenasa 2 CH 3 CO 2 CH COOH 3 Ácido pirúvico CO SCoA Acetil - CoA 2 NAD + 2 NADH + 2 H+ METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Ciclo de Krebs GDP-GTP METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato EL CICLO DE KREBS (UNA VUELTA) Glucosa Acetil-CoA Ácidos grasos 8 Coenzima A 1 Ácido oxalacético H2O 7 Ácido málico NAD + H2O NADH Ácido cítrico 2 Ácido fumárico FADH2 6 NAD + FAD SHCoenzima A NADH NADH SHCoenzima A Ácido succínico NAD + 3 Ácido isocítrico 5 4 GTP ADP H2O ATP CO2 GDP Succinil-CoA CO2 Ácido -cetoglutárico METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Balance global del ciclo de Krebs. Ac. Pirúvico+2H2O+4NAD⃰+FAD+GDP+P— 3CO2+4NADH+4H⃰+FADH2+GTP METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICA O CADENA RESPIRATORIA. - 0,4 NADH NAD + + H+ 2e- + 2H+ FMN 2e- + 2H+ FMN 0 FADH2 2e- CoQ + 2H+ 2H+ CoQ FAD Cit b 2e- Cit b Cit c 2e+ 0,4 Cit c Cit c 2eCit c a3 2e- 2H+ + 1/2 O2 a3 + 0,8 Voltios 2e- 2e- H2O METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa sistemaI: complejo NADH deshidrogenasa Sistema II: complejo cit b-C1 Sistema III .complejo citocromo oxidasa ATP H+ Matriz mitocondrial ADP Espacio intermembrana H+ Matriz mitocondrial NAD NADH FAD + _ FADH2 H+ 2 F1 H2O _ _ H+ + 1/2 O2 F0 _ 2e2e- CoQ Cit c Sistema I Sistema II H+ H+ Espacio intermembrana H+ Sistema III H+ H+ H+ H+ H+ METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato EL CATABOLISMO COMPLETO DE LA GLUCOSA RUTA: INTERVIENEN: PRODUCTOS: GLUCOLÍSIS (en hialoplasma) C6H12O6 2 NAD+ 2 CH3-C0-COOH 2 (NADH + H+) 2 (ADP + Pi) 2 ATP PIRUVATO DESHIDROGENASA (en matriz mitocondrial) 2 SH-CoA 2 CH3-C0-COOH 2 NAD+ 2 CH3-C0-S-CoA CICLO DE KREBS (2 VUELTAS) (matriz mitocondrial) 2 CH3-C0-S-CoA 6 H2O, 6 NAD+, 2 FAD, 2 (ADP + Pi) 2 SH-CoA, 4 CO2, 6 (NADH + H+), 2 FADH2, FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (membrana interna mitocondrial) 10 (NADH + H+) 2 FADH2 12 H2O , 34 ATP 34 (ADP + Pi) , 6 O2 2 CO2 2 (NADH + H+) 2 ATP 10 NAD+ 2 FAD Balance final: C6H12O6 + 6 H2O +6 O2 + 38 (ADP+Pi) 6 CO2 + 38 ATP + 12 H2O METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL 2 NADH Glucosa 2 NADH Glucólisis 2 ATP Ácido pirúvico 6 NADH AcetilCoA Ciclo de Krebs Cadena respiratoria 2 FADH2 2 ATP 38 ATP METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Se produce cuando levaduras qué están catabolizando mediante respiración un líquido rico en azúcar agotan el O2 disponible y continúan el catabolismo mediante fermentación. Fermentación alcohólica. La realizan levaduras del género Sacharomyces que son anaerobias facultativas. Dependiendo de la especie de levadura se puede obtener cerveza (S. cerevisiae), vino (S. ellypsoideus) ,sidra (S. apiculatus), pan, variedad purificada de (S. cerevisiae). METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FERMENTACIÓN ETÍLICA Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G3P Ácido 1,3bifosfoglicérico NAD + CH3 - CH2OH Etanol NADH 2 ATP CH3 - CO - COOH Ácido pirúvico CH3 - CHO Acetaldehído CO2 METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FERMENTACIÓN LÁCTICA Dihidroxiacetona fosfato Glucosa G6P Ácido 1,3bifosfoglicérico G3P NAD + CH3 - CHOH - COOH Ácido láctico NADH Láctico deshidrogenasa 2 CH3 - CO - COOH Ácido pirúvico ATP METABOLISMO Fermentación láctica:se forma ácido láctico a partir de la degradación de la glucosa. Se suele producir cuando determinados m. inician la fermentación de la lactosa de la leche, lo que produce el agriamiento de ésta y la coagulación de la proteína caseína. Agujetas. L. casei, L. bulgaricus Streptococcus lactis Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato ANABOLISMO. Es la vía constructiva del metabolismo, es decir la ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de sustancias sencillas. Si las moléculas son inorgánicas (nitrato, CO2)….se denomina anabolismo autótrofo y si son orgánicas (glucosa, aa…) anabolismo heterótrofo. Anabolismo autótrofo: Fotosíntesis, gracias a la energía luminosa. Lo realizan las plantas , algas, cianobacterias y bacterias fotosintéticas Quimiosíntesis, por medio de la energía desprendida de las reacciones de oxidación-reducción. Algunas bacterias. Anabolismo heterótrofo: Se da en todos los organismos y es muy similar en todos ellos. Su objeto es la síntesis de reservas energéticas y crear estructuras para que el organismo pueda crecer o renovar estructuras determinadas. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Fotosíntesis: es la conversión de energía luminosa en energía química estable. La primera molécula en la que queda almacenada esa energía química es el ATP La fotosíntesis se lleva a cabo gracias a unos pigmentos ( antena y diana) que se encuentran en los fotosistemas y a una cadena de transporte de electrones, donde hay diferentes moléculas que se van oxidando y reduciendo , según ceden o reciben los electrones. Se distinguen dos tipos de procesos fotosintéticos: Fotosíntesis oxigénica: propia de las plantas superiores, algas y cianobacterias, en la que el dador de electrones es el agua y se desprende oxígeno. Fotosíntesis anoxigénica: propia de las bacterias púrpuras y verdes de azufre en las que el dador de electrones es elSH2, por lo que no se desprende oxígeno sino S. Fotosíntesis oxigénica. Consta de dos partes una fase luminosa , en la que se obtiene ATP y poder reductor en forma de NADPH y la fase oscura en la que se obtiene la materia orgánica. El aparato fotosintetizador se encuentra en los cloroplastos , en la membrana de los tilacoides y está formado por: •Fotosistema I •Fotosistema II •Cadena de transporte de electrones •ATP asas METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Fotosistema I: •Pigmentos antena: clorofila a, una pequeña proporción de clorofila b, proteínas y β carotenos. •Centro de reacción: molécula diana, clorofila a (700 nm). Abundan en los tilacoides del estroma. Fotosistema II: •Pigmentos antena. Clorofilas a y b y xantofilas. Proteínas. •Centro de reacción: molécula diana clorofila b (680nm). Abundan en tilacoides de los grana. METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FOTOSISTEMAS Contiene dos moléculas de clorofila a y los electrones que liberan son enviados a la cadena de transporte electrónico. Centro de reacción Fotón Moléculas antena Cuando una molécula se excita transfiere energía a las cercanas por un proceso de resonancia y así hasta el centro de reacción. Atrapan fotones de diferente longitud de onda. Localización Fotosistema I (PSI) Fotosistema II (PSII) Membranas de tilacoides no apilados Grana Absorción maxima del centro de reacción 700 nm 680 nm METABOLISMO Pigmentos antena Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato ESTRUCTURA DE LA CLOROFILA Anillo de porfirina Su función es absorber la luz Cola de fitol Los dobles enlaces alternativos permiten la descolocación de los electrones favoreciendo la pérdida de uno hacia un aceptor. Mantiene la clorofila integrada en la membrana fotosintética METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Ao pheo Z Fase luminosa Z-dador primario al P680 Cf-plastocianina METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA H+ Luz Fe eCit b6f PS I Pc H+ METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato ECUACIÓN GENERAL DE LA FOTOSÍNTESIS DEL CARBONO 6 CO2 +12 H2O -------> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O 1) FASE LUMINOSA O PRIMERA ETAPA: 12 H2O + 12 NADP+ 18 (ADP +Pi) + LUZ --> --->... 6 O2 + 12 (NADPH + H+) + 18 ATP 2) FASE OSCURA O SEGUNDA ETAPA: 6 CO2 + 12 (NADPH + H+) +18 ATP --> ---> C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP+ +18 (ADP +Pi) METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato 1. Fijación de CO2 2. Reducción del CO2 fijado 3. Regeneración de la ribulosa 1-5 didfosfato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato 6 (12) 6 6 (12) METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Factores que influyen en la fotosíntesis: •Concentración de CO2 •Concentración de O2 •Escasez de agua •Temperatura •Intensidad de la luz METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO El aumento de CO2 incrementa el rendimiento de la fotosíntesis. 200 R.. 180 .foto 160 sint 140 etic 120 o 100 80 60 40 20 0 0 123 lux 21,9 lux 6,31 lux 1,74 lux 0,407 lux 5 10 15 20 25 30 Concentración de CO2 (mol/l) El aumento de O2 disminuye la eficacia de la fotosíntesis. R . f o t o s i n t e t i c o 100 0,5% O2 80 20% O2 60 40 20 0 0 10 20 Intensidad de la luz 30 (x104 erg/cm2/seg) 40 50 METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO Escasez de agua: disminuye el rendimiento fotosintético, ante la falta de agua se cierran los estomas para evitar la desecación y aumenta la fotorrespiración. El rendimiento fotosintético aumenta con la temperatura hasta un punto máximo (Tª óptima de actividad enzimática). R.f oto sin tet ico 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 Temperatura 10 (oC) 20 30 40 METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO La fotosíntesis es proporcional a la intensidad de luz hasta un punto en el que su rndimiento se estabiliza. Intensidad fotosintética FOTOSINTÉTICO Planta de sol Planta de sombra Intensidad luminosa METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Quimiosíntesis:formación de materia orgánica a partir de materia inorgánica con la energía de reacciones de oxidación-reduccción. 1. Se obtiene ATP y NADH 2. Se emplea el ATP y NADH para sintetizar compuestos orgánicos a partir de CO2, sulfatos… METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato METABOLISMO Biología. 2º Bachillerato Ejemplos de bacterias quimiosintéticas: Bacterias del nitrógeno: oxidan el amoníaco que procede de la descomposición de animales, cadáveres, restos vegetales y lo transforman en nitratos. Bacterias nitrosificantes: pasan el amoníaco en ión nitrito. Genéro Nitrosomonas Bacterias nitrificantes: pasan el ión nitrito a nitrato. Género Nitrobacter Bacterias incoloras del S, oxidan el sulfuro de hidrógeno a sulfitos y sulfatos. Bacterias del hierro; oxidan los compuestos ferrosos a férricos.