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Metabolismo Catabolismo Glúcidos Glucólisis Lípidos Recursos Prótidos Activación del ácido grasos β-oxidación de los Ácidos Grasos Fermentación Obtención Acetil Co A Respiración celular Ciclo de Krebs Balance energético Cadena transportadora de electrones Fosforilación Recursos ESQUEMA El metabolismo celular Diferencia Anabolismo Catabolismo Fases del catabolismo Tipos de catabolismo según el aceptor final de electrones El destino del ácido pirúvico (piruvato) Rendimiento energético de la glucosa Rendimiento energético del catabolismo de un ácido graso Estructura ATP asas El catabolismo por respiración. Células eucariotas Fermentación Láctica Fermentación Etílica Fermentación Acética Metabolismo Conjunto de procesos químicos que se producen en la célula, catalizados por enzimas y que tienen como objetivo la obtención de materiales y energía para sustentar las diferentes funciones vitales ESQUEMA Metabolismo CATABOLISMO ANABOLISMO Son reacciones de degradación. Son reacciones de biosíntesis. Transforman compuestos complejos en simples. Transforman compuestos simples en complejos. Liberan energía. Son reacciones exergonicas. Son reacciones endergonicas Son reacciones de oxidación Son reacciones de reducción. Necesitan energía. ESQUEMA Catabolismo ESQUEMA Es el conjunto de reacciones metabólicas que tienen por objeto obtener energía a partir de compuestos orgánicos complejos que se transforman en otros más sencillos. Ejemplos: • Respiración celular aerobia • Fermentaciones. • Fermentación láctica. • Fermentación acética. • Glucólisis. • Beta-oxidación de los ácidos grasos. • Ciclo de Krebs, etc. Fases del catabolismo ESQUEMA • Fase I, fase inicial o preparatoria: Las grandes moléculas se degradan • Polisacáridos a monosacáridos. • Lípidos a ác. grasos y glicerina. • Proteínas a aminoácidos). • Fase II o fase intermedia: Los productos de la fase I, son convertidos en una misma moléculas, más sencillas el Acetil-coenzima A (acetil Co A). • Fase III o fase final: El acetil-Co A (se incorpora al ciclo de Krebs) da lugar a moléculas elementales CO2 y H2O. Tipos de catabolismo según el aceptor final de electrones • Fermentación. El dador y el aceptor final de electrones son compuestos orgánicos. • Respiración celular. El aceptor final de electrones es inorgánico, por ejemplo: O2, NO3-, SO42-, y el dador suele ser un compuesto orgánico. • Respiración aerobia, cuando es el O2 el que acepta los hidrógenos. • Respiración anaerobia, cuando la sustancia que se reduce es diferente del oxígeno, por ejemplo: iones nitrato (NO3-), iones sulfato (SO4 2-), etc. ESQUEMA Catabolismo de glúcidos • Glucólisis: Forma ácido piruvico • Degradación anaerobia del ácido pirúvico. • Fermentación • Láctea • Etilica • Degradación aerobia del ácido pirúvico (Respiración celular) • Descarboxilación del ácido pirúvico • Ciclo de Krebs. • Cadena transportadora de electrones. • Fosforilación oxidativa. ESQUEMA Glucólisis La glucólisis o vía de Embdem-Meyerhof es un conjunto de reacciones anaerobias que tienen lugar en el hialoplasma celular, en la cual se degrada la glucosa (C6), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (C3). Ubicación: Hialoplasma Es una ruta anaerobia Sustrato inicial: Glucosa Producto final: 2 Ácido pirúvico (o Piruvato), 2 ATP, 2 NADH + 2 H+ Sirve para: Obtener energía Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi ▬►2 Ác. pirúvico + 2 NADH+ 2 H+ + 2 ATP ESQUEMA Animación Glucólisis ESQUEMA El destino del ácido pirúvico (piruvato) Fermentación ESQUEMA Hialoplasma En ausencia de O2 Ác. Pirúvico En presencia de O2 Respiración celular Mitocondria Fermentación La mayoría de las fermentaciones son anaerobias, y su finalidad es que no se bloquee completamente el catabolismo en ausencia de oxígeno, permitiendo al organismo obtener energía, aunque sea poca, en esas condiciones ● Son un conjunto de rutas metabólicas, que se realizan en el hialoplasma, por las cuales se obtiene energía por la oxidación incompleta de compuestos orgánicos. ● Los electrones liberados en esta oxidación son aceptados por un compuesto orgánico sencillo que es el producto final de la fermentación. ESQUEMA ● El rendimiento energético es bajo. CONCEPTO • Procesos: Anaerobios • Localización: Hialoplasma • Oxidación incompleta • Aceptor de electrones: Compuesto orgánico • Rendimiento energético: Bajo Tipos de fermentación ESQUEMA Fermentación láctica El producto final es ácido láctico o Lactato, (fermentación homoláctica) unido, en ocasiones, a otros compuestos (heteroláctica). La realizan bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus (utilizadas para la obtención productos lácteos (yogur, queso,…) y las células musculares cuando el aporte de oxígeno es insuficiente. ESQUEMA Fermentación etílica o alcohólica En la que se obtiene alcohol etílico (etanol). La realizan ciertas levaduras (género Saccharomyces) utilizadas para fabricar gran variedad de bebidas alcohólicas (vino, cerveza, ron, etc.) a partir de diversos azúcares (de uva, de cereales, etc.). ESQUEMA Fermentación acética Fermentación oxidativa. Requieren oxígeno (son aerobias) pero éste no actúa como último aceptor de electrones sino como oxidante del sustrato. La más conocida es la fermentación acética (se produce vinagre a partir del vino) y en la cual, el alcohol etílico es oxidado a ácido acético mediante el oxígeno. ESQUEMA Respiración celular ESQUEMA ● Se realiza en la matriz de las mitocondrias ● Obtención de energía de las células aerobias. ● Supone la oxidación del ácido pirúvico hasta formar CO2 y H2O. ● El oxígeno actúa como último aceptor de electrones. Etapas de la respiración celular 1. Transformación del ácido pirúvico en acetil CoA. ESQUEMA 2. El acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs 3. Cadena transportadora de electrones a través de la cadena respiratoria. 4. Fosforilación oxidativa. ATPasas, (ADP + Pi -> ATP) Resumen ESQUEMA Primera etapa: obtención del acetil Co A ► A partir del ácido pirúvico En condiciones aeróbicas el ác. Pirúvico obtenido de la glucólisis entra en las mitocondrias y sufre una descarboxilación oxidativa, en presencia del Coenzima A (CoA), se oxida hasta Acetil-CoA (CH3CO-S-CoA), liberándose CO2 y reduciéndose una molécula de NAD+ a NADH + H+. ESQUEMA El acetil-Co A está formado por un grupo acetilo de dos átomos de carbono unido al grupo transportador CoA. Segunda etapa: El ciclo de Krebs • Ciclo del ácido cítrico o del ácido tricarbonxílico • Se desarrolla: matriz mitocondrial • Sustrato inicial: acetil-Co A • Unión del acetil-CoA (2 C) con una molécula de 4 C (el ácido oxalacético), para formar una de 6 C (ácido cítrico). • Se genera: 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP + 1 Co A-SH ESQUEMA El ciclo de Krebs ESQUEMA Balance del Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs ESQUEMA Su función es oxidar el grupo acetilo del acetil-Co A a CO2, al mismo tiempo que se reducen los transportadores de electrones NAD+ y FAD a NADH y FADH2. Consta de ocho reacciones que se realizan en la matriz mitocondrial. En cada vuelta del ciclo: Acetil-CoA+3H2O+3NAD++FAD +ADP+Pi 2CO2+1CoA-SH +3NADH +3H+ +FADH2+ATP A continuación, el NADH y el FADH2 se oxidan mediante la cadena de transporte electrónico mitocondrial generando ATP. Tercera etapa: Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones ESQUEMA Las moléculas que forman esta cadena están situadas en la membrana interna de la mitocondria La cadena se inicia cuando los NADH y FADH2 liberan H+ y epara oxidarse y regenerar el NAD+. Los protones quedan en la matriz y los electrones son transferidos al primero de los transportadores que forman la cadena respiratoria. En esta fase los e- tienen una alta energía que va disminuyendo conforme van pasando a través de los más de 15 transportadores. Finalmente los e- llegan al O2 (último aceptor de los e-), que se reduce a H2O. Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones ESQUEMA - 0,4 Los electrones se transfieren desde el NADH hasta el O2, a través de una cadena de transporte de electrones, también llamada cadena respiratoria. NADH NAD + + H+ 2e- + 2H+ FMN + 2H+ FMN 2e- 0 CoQ + 2H+ CoQ FADH2 2e- FAD + 0,4 2H+ Cit b 2eCit b Cit c 2eCit c Cit c 2eCit c 2e- a3 2H++ 1/2 O2 a3 + 0,8 Voltios 2e- 2e- H2O Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones ESQUEMA Cuarta etapa: Fosforilación oxidativa Según la hipótesis quimiosmótica: ESQUEMA En la membrana interna de las mitocondrias se va realizando un transporte de electrones desde el NADH o el FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte de electrones va a generar un transporte de protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor de gradiente, los H+ sólo pueden atravesarla a través de las ATP sintetasas. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H+ para, a partir de ADP + Pi obtener ATP. Por cada NADH se obtienen 3 ATP y por cada FADH2 2 ATP Fosforilación oxidativa ESQUEMA Matriz mitocondrial H+ ATP Espacio intermembrana Matriz mitocondrial NAD NADH _ FAH2 H+ H+ FAD + 2 ADP H2O H+ + 1/2 O2 F1 F0 _ _ _ 2e2e- CoQ Sistema I Sistema II H+ Espacio intermembrana H+ Cit c H+ H+ H+ H+ H+ Sistema III H+ Estructura de las ATPasas Partículas F de la membrana mitocondrial interna ESQUEMA Rendimiento energético de la glucosa ESQUEMA 1. Glucólisis (De 1 C6 2 C3) 1 Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP 2. Del ácido pirúvico al acetil CoA (De 2 C3 2 Ác. pirúvico + 2 HS-CoA+ 2 NAD+ 2 C2) 2 CO2 + 2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ 3. Ciclo de Krebs. 2(Acetil-CoA+H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi) 4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2ATP+2SH-CoA _____________________________________________________________________ Glucosa+2H2O+10NAD++FAD+4ADP+4Pi 6CO2 + 10NADH +10H+ +2FADH2+ 4 ATP (x 3ATP) 4. Cadena respiratoria: (x 2ATP) 30 ATP + 4 ATP 34 ATP TOTAL: 38 ATP Rendimiento energético de la glucosa ESQUEMA Catabolismo de los lípidos Los lípidos se usan como sustancias de reserva energética. Principalmente los triacilgliceridos o grasas. Lipasa Triglicerido ▬►glicerina + 3 ác. grasos R1 CO O CH2 R2 CO O CH + 3 H2O Lipasa R3 CO O CH2 Triacilglicerol R1 Grasa COOH + HO CH2 R2 COOH + HO CH R3 COOH + HO CH2 Lipasa Ácidos grasos + Glicerina ESQUEMA Resumen ESQUEMA Catabolismo de los lípidos Los ácidos grasos son degradados a acetil-CoA mediante una ruta metabólica denominada b-oxidación, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. Los ácidos grasos deben ser previamente activados a acil-Co A y transportados desde el citosol al interior de la mitocondria. Activación de los ácidos grasos En la membrana mitocondrial externa, los ácidos grasos se activan por unión con la Co A para dar acil-Co A, al mismo tiempo que el ATP se rompe en AMP y pirofosfato. ESQUEMA A continuación, los acil-Co A son transportados a través de la membrana mitocondrial interna. Activación del ácido grasos Los ácidos grasos saturados entran en la mitocondria al mismo tiempo que se unen a una molécula de coenzima A, el ácido graso quedará activado, formando un Acil-Co A, para ello se requiere la energía de un ATP que pasa a AMP. ESQUEMA β-Oxidación de los ácidos grasos 1. Oxidación entre los carbonos α y β, proceso catalizado por una FAD. 2. Hidratación, con rotura del doble enlace del enol formado. ESQUEMA 3. Oxidación del carbono β, por una NAD+. 4. Rotura del enlace entre los carbonos β y gamma por una nueva molécula de CoA. Se libera un acetil-CoA y queda un resto de ácido graso activado con dos átomos de carbono menos, que reinicia el “ciclo”. Balance energético del catabolismo de un ácido graso Por ejemplo el Ácido Palmítico (16 C): ESQUEMA + 8 HS-Co A Ác. Palmítico,16 C (H. Lynen ▬►8 Acetil-CoA 8AcetilCoA(C.deKrebs) + 7 NADH+7H+ + 7 FADH2 ▬►8HS-CoA+16CO2+ 24 NADH+24H++ 8 FADH2 + 8 ATP ______________________________________________________________________ Ác. palmítico, (16 C) ▬▬▬▬► 16 CO2+ 31 NADH+31H ++ 15 FADH2 + 8 ATP (x 3ATP) (x 2ATP) ↓ Cadena respiratoria: (Activación del ácido graso): 93 ATP ↓ + 30 ATP ▬► 131 ATP -2 ATP TOTAL:129 ATP Recordar que : • La oxidación de cada NADH en la cadena respiratoria produce 3 ATP • La oxidación del FADH2 da lugar a 2 ATP. Catabolismo de las proteínas Las proteínas no se usan como fuente de energía, pero los aminoácidos que sobran tras la síntesis de proteínas pasan a ser usados como combustible celular. La primera etapa de la degradación de los aminoácidos es la desaminación o eliminación del grupo amino con el fin de excretar el exceso de nitrógeno (excretados con la orina) y degradar el esqueleto carbonado resultante que se incorporan en diversos momentos del catabolismo y son degradadas hasta CO2 en la respiración mitocondrial. ESQUEMA Catabolismo de las proteínas y aminoácidos ESQUEMA Resumen ESQUEMA Resumen ESQUEMA ESQUEMA Metabolismo RECURSOS Catabolismo Glúcidos Glucólisis Fermentación Respiración celular Obtención Acetil Co A Ciclo de Krebs Lípidos Anabolismo Fase luminosa Activación del ácido grasos β-oxidación de los Ácidos Grasos Balance energético Cadena transportadora de electrones Quimiosíntesi s Fotosíntesis Prótidos Fosforilación Fase oscura Quimiosíntesi s del nitrógeno Captura de energía luminosas Quimiosíntesi sdel azufre Transporte de electrones Quimiosíntesi s del hierro Fotolisis del agua Quimiosíntesi s del hidrógeno Fotofosforilación acíclica Fotofosforilación cíclica