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Metabolismo I.
CATABOLISMO
• Son el conjunto de reacciones bioquímicas que se dan en
la célula con el fin de obtener las biomoléculas y la
energía necesarias para los procesos vitales y la utilizan
para mantener sus concentraciones iónicas y regenerar
continuamente las moléculas y estructuras que degradan.
• Las reacciones metabólicas forman rutas metabólicas
ramificada, con intermediarios metabólicos y productos
finales:
AB C D E

F G
• Las reacciones metabólicas están reguladas
mediante enzimas: proteínas que, en cantidades
pequeñas, sin intervenir en la reacción, facilitan
la reacción que, de otro modo, no se daría a las
temperaturas del cuerpo.
• Los productos obtenidos se ajustan a las
necesidades del organismo
Principios de bioenergética
• La bioenergética o termodinámica bioquímica, es el estudio de los
cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas.
• Proporciona los principios que explican por qué algunas reacciones
pueden producirse en tanto que otras no. Los sistemas no biológicos
pueden utilizar la energía calorífica para realizar trabajo, pero los
sistemas biológicos son isotérmicos y emplean la energía química para
impulsar los procesos vitales.
• La energía química de un compuesto está representada por el
movimiento y posición relativa de los átomos y partículas componentes;
por los enlaces y atracciones y a menudo el contenido energético de las
moléculas involucradas disminuye o aumenta. El curso de cualquier
reacción química es determinado por el contenido de energía del
sistema en consideración y por el intercambio de energía libre entre el y
su entorno.
ENERGÍA EN EL METABOLISMO
Una reacción exergónica discurre de forma
espontanea . Se libera energía porque los
productos son menos energéticos que los
reactivos. Son procesos de degradación.
CATABOLISMO
Una reacción endergónica (también llamada
reacción desfavorable o no espontánea) es
una reacción química en donde el incremento
de energía libre es positivo, o sea los
productos son más energéticos que los
reactivos. ANABOLISMO
En las rutas metabólicas se necesitan numerosas y específicas enzimas
que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas.
Pero, además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables
para su desarrollo final:
• metabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o
para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas),
• nucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los
metabolitos),
• moléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o
desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía),
• moléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se
encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico).
LA OXIDACIÓN REDUCCIÓN EN EL METABOLISMO
Muchas reacciones del metabolismo son procesos redox u
oxidorreducción, es decir, una molécula se oxida y otra se reduce. Como
un átomo de hidrógeno está formado por un electrón, perder un electrón
equivale a perder un átomo de hidrógeno, y reducirse a ganarlo.
Hay una relación entre el contenido de hidrógenos de una molécula y
la cantidad de energía que se puede obtener de ella. Cuanto mayor sea el
contenido en hidrógeno de un compuesto (cuánto más reducido esté)
mayor es su contenido energético y más energía se puede sacar de él.
Cuanto más oxidada esté una sustancia menos energía contiene. La energía
de una molécula está en sus enlaces.
Así, los ácidos grasos (CH3-(CH2)14-COOH suministran mucho más
energía que la glucosa (C6H1206) y ésta mucho más que el CO2 (sin
hidrógenos, es la forma más oxidada del carbono).
En otras palabras….
• Las reacciones de oxido-reduccioón (Redox) estan asociada con la transferencia
de energía en la célula.
• El oxígeno raramente interviene directamente.
• Las reacciones de oxidacíon siempre están acopladas con reacciones de
reducción.
Definiciónes:
Pérdida de electrón = Oxidación.
Ganancia de electrón =Reducción
Ejemplo:
Fe++ ---> Fe+++ + e- (ocurre en los citocromos de la cadena respiratoria)
La pérdida de hidrógeno también es una oxidación, ejemplo:
ácido succínico ----> ácido fumárico + [2H]
Las reacciones Redox siempre ocurren en pares ; cuando una sustancia se oxida,
otra se reduce.
Anabolismo
Catabolismo

Fabrica biomoléculas

Degrada biomoléculas

Consume energía (ATP)

Produce energía (ATP)

Es un proceso
energéticamente “cuesta
arriba”

Supone procesos de
reducción



Supone rutas divergentes
Ejemplos: síntesis de
proteínas, fotosíntesis

Es un proceso
energéticamente “cuesta
abajo”
Supone procesos de
oxidación

Implica rutas convergentes
Ejemplos: glucólisis, ciclo
de Krebs, cadena
respiratoria

Catabolismo
CATABOLISMO
•FASE I: Las grandes macromoléculas se degradan en
sus monómeros con enzimas específicos Ocurre fuera
de la célula, como en la digestión.
•FASE II: Los monómeros son degradados por procesos
específicos hasta Acetil-CoA. Se produce algo de ATP.
Glucólisis, b-oxidación, transaminación.
•FASE III: El Acetil-CoA es oxidado hasta CO2 y
H2O,originando gran cantidad de NADH (PODER
REDUCTOR) y ATP. Ocurre en la mitocondria . También
se genera ATP en la fosforilación oxidativa.
Son rutas convergentes.
Anabolismo
ANABOLISMO
Comienza en la fase III por los
pequeños compuestos originados
en la fase III del catabolismo. En
la fase II se forman los
monómeros y en la fase I se
forman los polímeros.
Por tanto son rutas divergentes.
Las principales rutas anabólicas
son:
•De glúcidos: gluconeogenésis y
glucogenogenesis.
•De lípidos: síntesis de ácidos
grasos, glicerina y triglicéridos.
•De proteínas: traducción.
•De ácidos nucleicos: replicación
y transcripción.
Ambos
El catabolismo y anabolismo son
simultáneos y son interdependientes,
pero NO SON exactamente las mismas
reacciones en sentido contrario, debido
a varios motivos:
•Muchas reacciones catabólicas son
irreversibles, es decir, no hay
posibilidad de que ocurran en sentido
contrario.
•Las rutas catabólicas y anabólicas
pueden localizarse en distintos
compartimentos
•La regulación enzimática es distinta en
casi todas los procesos.
Nucleótidos coenzimáticos
•
•
•
Un coenzima es una molécula no proteica que
interviene en reacciones enzimáticas.
No son especificas de un tipo de sustrato
Los más importantes son:
Nucleótidos de flavina
• FAD y FMN
Nucleótidos de piridina
• NAD y NADP
Coenzima A
En las células se utilizan dos mecanismos básicamente distintos, para sintetizar ATP:
· Fosforilación a nivel de sustrato.
Se realiza en dos etapas. En la primera se forma un compuesto intermedio “rico en
energía” y en la segunda se utiliza la energía liberada por la hidrólisis de este
compuesto para la fosforilación de ADP a ATP. Veremos ejemplos de fosforilación a
nivel de sustrato al estudiar el ciclo de Krebs y la glucolisis.
· Fosforilación en el transporte de electrones. En este caso las células utilizan un
mecanismo muy especial para sintetizar ATP: el transporte de electrones, a través de
proteínas ubicadas en la membrana de las mitocondrias o de los cloroplastos, libera
energía que es utilizada por una enzima, la ATP–sintetasa, para acoplar la fosforilación
del ADP a ATP. Se denomina fosforilación fotosintética si se produce en el cloroplasto y
fosforilación oxidativa si tiene lugar en la mitocondria. NADH+= 3 ATP; FADH+= 2 ATP
1. GLUCOLISIS
2. FORMACIÓN DE ACETIL - COENZIMA A
3. CICLO DEL ACIDO CITRICO O CICLO DE KREBS
4. CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES y FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA
CATABOLISMO DE
AZÚCARES
Es la primera fase del Catabolismo de los azúcares,
tiene lugar en el citoplasma de la célula y no
necesita la presencia de Oxígeno = Es un proceso
Anaerobio.
Lo realizan todas las células vivas ,
PROCARIONTES Y EUCARIONTES
Ciclo de Krebs
El producto más importante de la degradación de los carburantes
metabólicos es el acetil-CoA, (ácido acético activado con el coenzima A), que
continúa su proceso de oxidación hasta convertirse en CO2 y H2O, mediante
un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs punto central
donde confluyen todas las rutas catabólicas de la respiración aerobia. Este
ciclo se realiza en la matriz de la mitocondria
El ciclo de krebs
Ciclo de Krebs
Reacción 1
Reacción 2
Reacción 3
Reacción 4
Reacción 5
Reacción 6
Reacción 7
Reacción 8
Naturaleza anfibólica del Ciclo de Krebs: Intermediarios
de la vía sirven de precursores para la biosíntesis de
otros compuestos
La cadena transportadora de electrones:
fosforilación oxidativa.
LA CADENA TRANSPORTADORA DE
ELECTRONES
Las enzimas de la cresta mitocondrial transportan los H hasta el Oxigeno
formándose agua.
Hipótesis quimiosmótica
1.
La ATP sintetasa es un gran complejo
proteico con canales para protones que
permiten la re-entrada de los mismos.
2.
Los protones son transferidos a través de
la membrana, desde la matriz al espacio
intermembrana, como resultado del
transporte de electrones que se originan
cuando el NADH cede un hidrogeno. (Ver
la animación transporte de electrones.) La
continuada producción de esos protones
crea un gradiente de protones.
3.
La síntesis de ATP se produce como
resultado de la corriente de protones
fluyendo a través de la membrana:
ADP + Pi ---> ATP
Fermentación: características
•
•
•
•
No requieren O2 como último aceptor de e-.
El aceptor final es una molécula orgánica.
Es un catabolismo parcial.
Rendimiento energético escaso
Fermentación
vs Respiración
Oxidación total
Respiración
Mucha energía
(36-38 ATP)
Con oxígeno
En la
mitocondria
Oxidación parcial
Fermentación
Poca energía
(2 ATP)
Sin oxígeno
En el citoplasma
Fermentaciones
Fermentaciones
Fermentaciones
Fermentaciones
Fermentación. Ejemplos
lactosa
Glucosa
2 ATP
2 NADH2
Glucosa
Galactosa
2 ác. pirúvico
2 ATP
2 NADH2
Piruvato
descarboxilasa
2 ác. pirúvico
2 CO2
2 acetaldehido
2 NAD
2 NAD
2 ác. láctico
Fermentación láctica:
2 etanol
Fermentación alcohólica:
Lactobacillus bulgaricus
Saccharomyces
Streptococcus lactis
Otras fermentaciones: butírica, propiónica,... Fermentación pútrida o putrefacción: con
proteínas; producen sustancias de mal olor como cadaverina, escatol, etc.
Fermentación acética: oxidación de etanol a ác. Acético. Acetobacter.
GLUCOGENOLISIS
61
CATABOLISMO DE
LOS ACIDOS GRASOS
OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS
b - OXIDACIÓN
• Las grasas son unos importantes depósitos
energéticos.
– Más eficaces que los azúcares: lípidos 9 kcal/g y
azúcares 4 kcal/g.
– No necesitan acumularse con agua (el glucógeno
sí). Si almacenásemos todo en forma de glucógeno
nuestro peso > 30 kg.
– Las plantas acumulan en azúcares. (ppal/)
• Se acumulan en los adipocitos
63
CATABOLISMO DE LÍPIDOS
En el citoplasma los triglicéridos son
hidrolizados por las lipasas en Glicerina+
Ácidos Grasos.
La glicerina se transforma en Gliceraldehido 3P
y se incorpora a la Glucolisis.
Los Ácidos Grasos van liberando fragmentos de
2 carbonos en la matriz mitocondrial en forma
de Acetil CoA en un proceso llamado:
VISIÓN GENERAL
• Fase I : obtención de poder
reductor y AcCoA.
• Fase II: AcCoA va al ciclo de
Krebs.
• Fase III :Cadena respiratoria.
Recepción de electrones de
moléculas reducidas de fase
I y II.
65
FASE I
b – OXIDACIÓN DEL ÁCIDO GRASO ACTIVADO
Ac. CoA
NADH + H+ , FADH2
FASE II
CICLO DE KREBS o CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
FASE III
CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL
66
DESTINO DEL GLICEROL
• Paso 1: fosforilación a
glicerol-3-P
• Paso 2: reducción a
dihidroxiacetona fosfato.
• A la glucólisis.
• Tb. gluconeogénesis.
67
DESTINO ÁCIDOS GRASOS
• Activación antes de entrar en la
mitocondria: se forma un AcilCoA.
Enzima: acilCoA sintetasa Esto
sucede en la membrana
mitocondrial externa.
• Transporte en la membrana
mitocondrial interna:
– Unión a la CARNITINA
– Transportador de ACIL CARNITINA
68
b - OXIDACIÓN
69
Las siete vueltas del
palmitoilCoA
CATABOLISMO DE
PROTEÍNAS
No se utilizan normalmente como
fuente de energía.
1.Hidrólisis de la proteína
produciendo aminoácidos libres.
2.Desaminación : el NH2 se elimina
de diversas formas.
3.Esqueleto carbonado: Acetil CoA
CATABOLISMO DE PROTEÍNAS
Las proteínas se degradan a lo largo del tubo digestivo dando lugar a
aminoácidos que normalmente sirven como monómeros para los procesos
anabólicos de la célula, pero en casos excepcionales, como una ingesta abusiva de
proteínas, los aa se incorporan a rutas catabólicas para producir energía.
El grupo amino de los aa tras una serie de transformaciones va a dar lugar a la urea
u otras sustancias que contienen el ión amonio y que son excretadas como
producto de desecho.
• Organismos amoniotélicos: excretan directamente el amoniaco
• O. ureotélicos: lo transforman en urea y lo excretan por la orina
• O. uricotélicos: transforman el amoniaco en ácido úrico, que se puede almacenar
hasta ser excretado.
El resto de la cadena carbonada de los aa se transforma en unos casos en ac.
pirúvico y en otros en productos intermedios del ciclo de Krebs y son degradados a
través de estas vías.
CATABOLISMO DE A. NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos se destruyen en el tubo digestivo y la hidrólisis total
produce moléculas de pentosas, que son degradadas a través del catabolismo
normal de los glúcidos, y bases nitrogenadas. El catabolismo de las bases púricas
y pirimidínicas es distinto, pero en ambos casos lleva a la formación de urea o
amoniaco que serán excretados.
76
¿ Como se produce la transferencia de energía desde la Cadena Transportadora de Electrones (
Complejos I, II, III y IV ) hasta el Complejo V ( F0F1 ATPasa )?.
Como ya hemos señalado anteriormente, la Cadena Transportadora de Electrones se comporta
como un gran sistema de bombeo de protones, de tal forma que tres de los cuatro complejos ( I,
III y IV ) se comportan como Bombas de protones.
cit C
I
Q
II
III
IV
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
El
Por
Complejo
cada
electrones
IV
transportados
el NADH
Cuatro
de2ellos
III bombea
son bombeados
2 protones
por eldesde
Complejo
I hasta el O2, se bombean 10 H+
H+
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cit C
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III
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II
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H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado N
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
¿ Como son bombeados los otros dos protones ?
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Lado P
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H+
H+
H+eQH+e-
I
CICLO Q, sitios Q0 y Qi
H+
H+
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Q
H+
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QH+
III
II
H+ H+
H+ H+
Lado N
H+
H+
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo I : Rotenona, Amital
H+
H+
H+
H+
Lado P
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
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cit C
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H+ H+
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ee-
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Lado N
H+
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H+
H+
ROTENONA , AMITAL
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo II : Carboxina
H+
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H+
Lado P
H+
H+
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Q
I
H+
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cit C
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CARBOXINA
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IV
II
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Lado N
H+
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Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo III : Antimicina
H+
H+
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H+
Lado P
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H+
Q
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cit C
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IV
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H+
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H+
ANTIMICINA
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H+
Lado N
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
Inhibidores del Transporte de electrones del Complejo IV : CN- , azida, CO
H+
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H+
H+
Lado P
H+
H+ H+
H+
H+
H+
Q
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cit C
H+
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IV
II
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Lado N
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H+
H+
CN- , AZIDA, CO
Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid
http://www.terravivida.com/vivida/diygly/
http://www.terravivida.com/vivida/