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Metabolismo celular
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 con el fin de obtener materia y energía para
llevar a cabo las tres funciones vitales (nutrición, relación y
reproducción)
 La materia se utiliza para crecer, desarrollarse o renovar la estructura
propia de cada organismo.
 La energía se almacena en los enlaces químicos de las sustancias de
reserva energética o se transforma en distintos tipos de energía:
mecánica (movimiento), calorífica (mantener la temperatura), eléctrica
(impulsos nerviosos), luminosa (emitir luz),…
+
+
+

Catabolismo (metabolismo destructivo): es la transformación de
moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas,
proporcionando a la célula precursores metabólicos, energía (se
almacena en los enlaces fosfato del ATP) y poder reductor
(NADP/NADPH). Fase degradativa del metabolismo.

Anabolismo (metabolismo constructivo): síntesis de moléculas
orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas,
para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces
fosfato del ATP. Fase constructiva del metabolismo
CATABOLISMO
ANABOLISMO
Son reacciones de degradación
Son reacciones de síntesis
Son reacciones de oxidación
Son reacciones de reducción
Desprenden energía
Precisan energía
Es un conjunto de vías metabólicas
convergentes: a partir de muchos
sustratos diferentes se forman casi
siempre los mismos productos,
principalmente dióxido de carbono,
ácido pirúvico y etanol
Es un conjunto de vías metabólicas
divergentes: a partir de unos pocos
sustratos se pueden formar muchos
productos diferentes
Tipos de metabolismo
FUENTE DE
FUENTES DE ENERGÍA
CARBONO
Luminosa
Química
Materia
orgánica
Fotoheterótrofos o
fotoorganótrofos:
bacterias purpúreas no sulfúreas.
Quimioheterótrofos o
quimioorganótrofos:
animales, protozoos, hongos y
casi todas las bacterias.
Inorgánico
(CO2)
Fotoautótrofos o fotolitótrofos:
vegetales superiores, algas,
cianobacterias.
Quimioautótrofos o
quimiolitótrofos:
bacterias nitrificantes, del
azufre...
Adenosín trifosfato
(ATP)

Nucleótido que actúa en el
metabolismo como molécula
energética.

Almacena y cede energía gracias
a sus dos enlaces éster-fosfóricos
(cada uno es capaz de almacenar
7,3 Kcal/mol)

Se considera la moneda
energética de la célula, pues
almacena energía de uso
inmediato.

Composición química:
 Base nitrogenada
(adenina)
 Ribosa
 Tres moléculas de ácido
fosfórico.

Proceso de desfosforilación:


ATP + H2O
ADP + H2O
ADP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol)
AMP + Pi + Energía (7,3 Kcal/mol)
 La síntesis de ATP
(fosforilación) puede realizar de
dos formas:
Fosforilación a
nivel de
sustrato
Gracias a la energía liberada de una •
biomolécula al romperse algunos de sus •
enlaces ricos en energía
•
Glucolisis
Ciclo de Krebs
Fermentaciones
Reacción
enzimática
con ATPsintetasa
Estas enzimas sintetizan ATP cuando el •
interior de las crestas mitocondriales y
tilacoides de los cloroplastos es
atravesado por un flujo de protones (H+)
Cadena transporte
de electrones en
respiración celular
y fotosíntesis
Energética de las reacciones químicas

Variación de energía libre (G )
 G < 0  Reacción espontánea. Libera energía 
exergónica.
 G > 0  Reacción no espontánea. Requiere energía 
endorgónicas.
 G = 0  El sistema está en equilibrio y no hay tendencia a que
se produzca la reacción.
Acoplamiento energético
Los acoplamientos más comunes son con reacciones de fosforilación
y desfosforilación de ATP que es capaz de almacenar energía por
periodos reducidos de tiempo (moneda energética).

Reacciones redox
CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES REDOX
REACCIONES DE OXIDACIÓN
REACCIONES DE REDUCCIÓN
Eliminación de hidrógeno
Adición de hidrógeno
Eliminación de electrones
Adición de electrones
Liberación de energía
Almacenamiento de energía

En las reacciones redox la transferencia de electrones suele
hacerse en forma de átomo de hidrógeno (un electrón y un protón).
Estos átomos de hidrógeno van acompañados de la gran cantidad
de energía que estaba almacenada en los enlaces de los que
formaban parte.

Los trasportadores suelen ser nucleótidos como:
NAD+  NADH
NADP+  NADPH FAD+  FADH
Captan los átomos de
hidrógeno liberados por las
moléculas oxidadas y los
transfieren a las moléculas
aceptoras, que se reducen
Catabolismo

Es la transformación de moléculas orgánicas complejas
en otras más sencillas, proporcionando a la célula
precursores metabólicos, energía (se almacena en los
enlaces fosfato del ATP) y poder reductor
(NADP/NADPH)
+
+
+
Características del catabolismo




Reacciones de degradación
Producción de energía
Reacciones redox
Liberación gradual de energía
Es posible por:



Reacciones sucesivas: ocurren una después de otra. Cada una
catalizada por enzimas distintas
Transporte de hidrógenos: los electrones viajan junto a protones
(átomos de hidrógeno), que pasan a una coenzima que actúa como
transportador de hidrógenos.
NAD+ + 2 e- + 2H+
NADH + H+
Cadena transportadora de electrones: La coenzima NADH pasa
sus electrones a una cadena transportadora de electrones y
finalmente son transferidos a átomos de oxígeno (O) a los que se
unen H+ libres y se forma agua (H2O). La energía que se libera al
pasar los electrones a una posición inferior se utiliza para fosforilar
el ADP y formar ATP (gracias al enzima ATP-sintetasa)
Tipos de catabolismo
Respiración
Fermentación
Interviene la cadena transportadora de
electrones
Los electrones procedentes de la materia
orgánica inicial son transferidos a un
aceptor final que es un compuesto
inorgánico
No interviene la cadena
transportadora de electrones
Impide transferir los electrones de
la materia orgánica inicial a un
compuesto inorgánico
El producto final siempre es un
compuesto orgánico
Respiración
aeróbica
Respiración
anaeróbica
El agente oxidante
es el O2.
Al reducirse y
aceptar electrones
y protones forma
H2O
El agente oxidante no
es el O2, sino iones
como el ión nitrato
que al reducirse forma
el ión nitrito
Procesos de degradación
Glucosa  GLUCÓLISIS
Ácidos grasos  -OXIDACIÓN
Como resultado final se obtiene acetil CoA, que
entran en el CICLO DE KREBS y en la
CADENA RESPIRATORIA para obtener:
CO2, H2O y ATP
Proteínas y ácidos nucleicos se descomponen y dan lugar a distintos intermediarios que
realizan otras funciones, rara vez se utilizan como combustibles
Glucólisis
Cadena respiratoria
LOCALIZACIÓN
RUTA
METABÓLICA
Célula procariota
Célula eucariota
Glucólisis
citosol
citosol
-oxidación
citosol
Matriz mitocondrial
Ciclo de Krebs
citosol
Matriz mitocondrial
Cadena respiratoria
Membrana plasmática
Membrana de crestas
mitocondriales (MMI)
Glucólisis
Tiene lugar en el citoplasma celular
 Consiste en una serie reacciones, cada
una catalizada por una enzima
determinada, que permite transformar una
molécula de glucosa en dos moléculas de
ácido pirúvico
 Fosforilación a nivel de sustrato

Glucólisis

Primera fase o fase de consumo
de energía:



Se consumen 2 ATP
Se forman dos gliceraldehído-3fosfato
Segunda fase o fase de
producción de energía:
Por cada gliceraldehído-3-fosfato se
forman:
 2 ATP
 1 ácido pirúvico
 1 NADH

Balance global de la glucólisis :




2 ácido pirúvico
2ATP
2 NADH
La glucólisis se produce en la
mayoría de las células vivas, tanto
en procariotas como en las
eucariotas
Balance energético de la
glucólisis
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+
2 Ácido pirúvico + 2ATP +
2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Etapas claves en la glucólisis
Punto crucial de la glucólisis: si el NADH producido no
vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. Su oxidación
depende de la disponibilidad de oxígeno:

En condiciones aerobias: el NADH pasa a la cadena
transportadora de electrones y allí se producirá H2O y se
regenerará el NAD+ que se reutilizará en la glucólisis. El
ácido pirúvico pasará al ciclo de Krebs previa
transformación en acetil CoA. (respiración celular)

En condiciones anaerobias: (bacterias o eucariotas en
anoxia). El NADH se oxida mediante la reducción del
ácido pirúvico por procesos llamados fermentaciones
Respiración de los glúcidos


1
Ocurre en procesos
consecutivos e
interrelacionados:
Descarboxilación
oxidativa del ácido
pirúvico

2
Ciclo de Krebs

3
Cadena respiratoria



Transporte de
electrones
Quimiósmosis
Fosforilación
oxidativa
1
2
3
Descarboxilación oxidativa
del ácido pirúvico

El ácido pirúvico llega a la matriz
mitocondrial

El complejo multienzimático
piruvato-deshidrogenasa lo
transforma en Acetil-CoA

Se pierde un grupo carboxilo
(descarboxilación) que sale en
forma de CO2 y dos hidrógenos
(deshidrogenación) que son
aceptados por un NAD+ que
pasa a NADH + H+

Por cada molécula de glucosa:
2 Ácido pirúvico + 2 CoA + 2 NAD+
2 Acetil-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2H+
Ciclo de Krebs
(ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico)

El Acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs transfiriendo su grupo
acetilo al ácido oxalacético, que al aceptarlo forma un ácido cítrico.

Se producen una serie de transformaciones en las que se degrada
completamente el grupo acetilo en dos moléculas de CO2 y el ácido
oxalacético se recupera para volver a formar parte del ciclo.

Por cada molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo de
Krebs.

Los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones
se utilizan para formar NADH Y FADH2, que luego entrarán en la
cadena transportadora de electrones
BALANCE ENERGÉTICO
Por vuelta se produce:
Por molécula de glucosa
(2 vueltas):
- 1 GTP (equivale a un ATP)
- 3 NADH
- FADH2
- 2 GTP
- 6 NADH
- 2 FADH2
Cadena
respiratoria
1.
Transporte de
electrones
2.
Quimiósmosis
3.
Fosforilación
oxidativa
1. Transporte de electrones
Los electrones y protones almacenados en el NADH y el FADH2 pasan por una serie de
transportadores
La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros de
forma espontánea, hasta llegar al último aceptor: el O2, que uniéndose con los H+ del
medio forma agua
membrana
interna de las
mitocondrias
seis grandes complejos
enzimáticos cuyo
conjunto recibe el
nombre de cadena
respiratoria
Se reducen y oxidan
2. Quimiósmosis

La energía perdida por
los electrones se utiliza
en tres puntos
concretos de la cadena,
para bombear protones
al espacio
intermembranoso.

Cuando su
concentración es muy
elevada vuelven a la
matriz mitocondrial a
través de unos canales
internos con ATPsintetasa.
3. Fosforilación oxidativa
Cuando los protones fluyen por el canal
interior de las ATP-sintetasas
producen la unión de un ADP y un
grupo fosfato generando así un ATP.
BALANCE ENERGÉTICO
GLOBAL
La oxidación
en la cadena
respiratoria de una molécula
de:


1NADH  3 ATP
1FADH2  2 ATP
PROCESO
CITOPLASMA
GLUCOLISIS
2 ATP
2 NADH
RESPIRACIÓN
MATRIZ
MITOCONDRIAL
Ácido pirúvico
a acetilCoA
2 x (1 NADH)
Ciclo de krebs
2 x (1 ATP)
2 x (3 NADH)
2 x (1 FADH2)
TRANSPORTE
ELECTRÓNICO
TOTAL
2 x (3 ATP)
2 ATP*
6 ATP**
2 x (3 ATP)
6 ATP**
6 x (3 ATP)
2 x (2 ATP)
2 ATP*
18 ATP**
4 ATP**
Balance energético global por cada molécula de glucosa
38 ATP
Fermentaciones

Degradación anaeróbica de la glucosa en el que el
aceptor final de electrones es una molécula orgánica.

Se produce en el citosol

Características:




Proceso anaerobio
El aceptor final es un compuesto orgánico, susceptible de
seguir oxidándose (Por ello son poco rentables energéticamente
hablando). Este producto final es el que caracteriza la
fermentación y le da nombre.
La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato. No intervienen
las ATP-sintetasas. Sólo produce 2 ATP.
Las fermentaciones más importantes ocurren en el
mundo de los microorganismos aunque en organismos
pluricelulares también se pueden dar, siempre en
condiciones de anaerobiosis.
Fermentación alcohólica

Transformación de una molécula de glucosa en dos de etanol (alcohol
etílico) y dos de CO2

El proceso de degradación de la glucosa es común hasta la obtención de
ácido pirúvico (glucólisis), pero a partir de aquí, éste se descarboxila
pasando a acetaldehído que posteriormente se reduce a etanol.

La reacción global es la siguiente:
Glucosa + 2Pi + 2 ADP
2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP

También se producen otras sustancias orgánicas denominadas productos
secundarios (glicerina o ácido acético)

Vinculada a vegetales, hongos y bacterias, porque la enzima fundamental
del proceso, la piruvato descarboxilasa, sólo parece encontrarse en estos
organismos. Entre las levaduras Saccharomyces cerevisiae es la más
conocida y se utiliza industrialmente en la fabricación de bebidas
alcohólicas
Fermentación láctica

Transformación de una molécula de glucosa en dos de ácido
láctico

Los microorganismos que pueden llevarla a cabo son bacterias del
género Lactobacillus y Streptococcus principalmente, obteniéndose
de ella productos derivados de la leche como el queso y el yogurt.

También se puede producir en las células musculares, cuando hay
falta de oxígeno.
Respiración aerobia de los
ácidos grasos

Los ácidos grasos almacenan una gran cantidad de energía química
en sus enlaces (son moléculas muy reducidas)

Esta energía se libera mediante un proceso de respiración aerobia
que se inicia con su activación y continúa con la β-oxidación, que
convierte a los ácidos grasos en moléculas de acetil-CoA.
Ácido graso

β-oxidación
acetil-CoA
A partir de aquí el proceso oxidativo continúa mediante etapas
similares a la respiración aerobia de la glucosa: ciclo de Krebs,
cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
Anabolismo (metabolismo constructivo)

Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras
biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía,
proporcionada por los enlaces fosfato del ATP
Anabolismo
autótrofo
Anabolismo
fotosintético o
fotosíntesis
Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas
sencillas utilizando la energía luminosa
Anabolismo
quimiosintético o
quimiosíntesis
Paso de moléculas inorgánicas a orgánicas
sencillas utilizando la energía
procedente de reacciones de oxidación
de compuestos inorgánicos
Anabolismo
Es la transformación de moléculas orgánicas sencillas en otras de
heterótrofo
mayor complejidad, como almidón, grasas, proteínas,…
+
+
+
La fotosíntesis

Proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de
clorofila y otros pigmentos, captan energía luminosa procedente del
sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos
reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO2 en
compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando
oxígeno:
6 CO2 + 12 H2O + Energía luminosa

GLUCOSA + 6 O2 + 6 H2O
La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido
en el proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los
bioelementos necesarios, como nitrógeno y azufre, además de
carbono, para formar materia viva.
MITOCONDRIAS
METABOLISMO
Mitocondria
Fosf. Oxidativa,
Cresta
Matriz
Membrana interna
Membrana externa
Espacio
intermembranoso
ADN desnudo
(matriz)
Mitorribosomas
Duplicación
(matriz)
Transcripción
Traduccion
Síntesis de
proteínas
mitocondriales
ATP
TAMAÑO Y MICROSCOPIA OPTICA
DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO
DISTRIBUCIÓN Y NÚMERO
Crestas
mitocondriales
PartÍcula F1
Variantes morfológicas
Crestas mitocondriales
Pueden tener diferente orientación en
diferentes el tipos celulares
Cuando ms demanda de ATP mayor
número de crestas
(Las mitocondrias de una célula
muscular cardíaca tienen tres veces mas
crestas que las de otros tipos celulares)
Variantes
fisiológicas
Estados
ortodoxo y
condensado
Las mitocondrias pueden aislarse mediante
fraccionamientos subcelulares clásicos
Estos estudios permiten realizar la caracterización bioquímica
de las membranas y compartimientos mitocondriales. Además
permiten estudiar las reacciones complejas que ocurren en cada
uno.
Membrana externa :
Permeable a solutos del citosol
Presencia de Porinas : proteínas que forman poros que dejan pasar
moléculas de hasta 5000 Daltons
Membrana interna:
Presencia de Cardiolipina ( hace impermeable la membrana)
Proteínas transportadoras de iones, proteínas de fosforilación
oxidativa y cadena respiratoria
Matriz Mitocondrial complejo piruvatodeshidrogenasa
(Decarboxilación oxidativa)
Enzimas del ciclo de Krebs ( Salvo la succunatodeshidrogenasa )
Enzimas de la beta oxidación ácidos grasos. ADN. ARNs. Ribosomas.
Cardiolipina: fosfolípido “doble” de la membrana mitocondrial interna
1. Respiración celular, formación
de ATP
Oxigeno (O2)
Por difusión
entra a la
mitocondria
Fosforilación oxidativa.
Membrana
interna, se
genera
ATP
Por difusión sale al citosol
Descarboxilación del piruvato y
formación de acetil-CoA
NADH
NAD
Acetil-Co A
piruvato
co2
Decarboxilación oxidativa
.
Complejo multienzimático
que actúa:
Piruvatodeshidrogenasa
El acetil CoA entra en el ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs
Por cada vuelta del ciclo se
obtienen.
2 CO2
1 ATP
3 NADH
1FADH
succinato
*
Fumarato
*succinatodeshidrogenasa
en la membrana
interna
Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde NADH
Teoría quimiosmótica: Transporte de electrones desde FADH
Teoría quimiosmótica: Gradiente electroquímico de protones
Teoría quimiosmótica: Estructura de la enzima ATP sintasa
Transporte de metabolitos a través de la membrana mitocondrial interna
2. MITOCONDRIA Y ALMACENAMIENTO DE CALCIO
3. Mitocondria y la
esteroidogénesis

Participa en el pasaje de colesterol a
pregnenolona y en la última etapa de la
síntesis de hormonas esteroides.
5. PARTICIPACION DE LA MITOCONDRIA EN LA MUERTE
CELULAR PROGRAMADA O APOPTOSIS
Mediante la liberación de citocromo C y de la
Proteína SMAC/diablo.
La primera forma el apoptosoma que estimula el pasaje de procaspasa 3
a caspasa 3.
La segunda inhibe a la proteína IAP
(Proteína Inhibitoria de la Apoptosis).
TEORIA SIMBIÓTICA DEL ORIGEN
DE LAS MITOCONDRIAS
EVIDENCIAS








1. ADN circular y desnudo.
(Excepciones al código genético universal).
2.El ADN no está rodeado por una envoltura.
3. Características de las membranas.
4. Homología Mesosomas-crestas.
5. Presencia de ribosomas con menor S.
6. Mecanismo de división.
7. Inhibición de síntesis proteica por
cloranfenicol.