Apuntes de Universidad sobre el Catabolismo y procesos metabólicos

Conceptos Importantes del Catabolismo

1. Conceptos importantes:
1. Metabolismo
2. Catabolismo
3. Anabolismo
4. Oxidación
5. Reducción
6. Acoplamiento
7. Poder reductor
8. Organismos autótrofos
9. Organismos heterótrofos
10. Fosforilación
11. Fosforilación a nivel de sustrato
12. Fotofosforilación
13. Acetil-CoA
14. Fermentación
15. Respiración aerobia
16. Respiración anaerobia
2. Conceptos básicos: además del concepto de metabolismo (conjunto de reacciones que tienen lugar en el interior de la célula) en este apartado se estudian las características de las reacciones metabólicas, es un apartado para leer y recordar los enunciados: reacciones secuenciales, semejantes en todos los seres vivos, se clasifican en catabólicas y anabolicas, reacciones catalizadas y una gran parte son reacciones de oxidación - reducción. A partir de estos enunciados es fácil recordar el significado.

Procesos Metabólicos: Catabolismo y Anabolismo

1. Procesos metabólicos: en este apartado son importantes los conceptos de catabolismo y anabolismo que se pueden ver en el esquema:

Catabolismo (degradación): Moléculas orgánicas complejas Oxidación Moléculas más sencillas + ENERGÍA Reducción Anabolismo (biosíntesis): Moléculas sencillas + ENERGÍA Moléculas orgánicas complejas (macromoléculas) El primer esquema de la página 2 de los apuntes es otra forma de expresar los conceptos de catabolismo y anabolismo. Recordad: la energía liberada en el catabolismo se utiliza en diversos procesos como son el anabolismo, el transporte activo a través de membrana, el trabajo mecánico (contracción muscular) o la generación de calor.

Importancia del ATP en el Metabolismo

1. Importancia del ATP en los procesos metabólicos: de este apartado tenemos que saber que el ATP es una molécula de acumulación temporal de energía (los seres vivos almacenamos energía en forma de almidón, glucógeno y, sobre todo, grasa), que la hidrólisis de una molécula de ATP libera 7,3 Kcal/mol y que para regenerar el ATP a partir de los productos de hidrólisis se necesitan 7,3 Kcal/mol.

ATP + H20 -> ADP + P¡ + 7,3 kcal/mol (AGº'= - 7,3 Kcal/mol). ADP + Pi + 7,3 kcal/mol -> ATP + H20 (AGº'= +7,3 Kcal/mol). Entended el concepto de acoplamiento: si para pasar de un reactivo A a un producto B se necesitan 3 Kcal/mol será necesario acoplar la hidrólisis de una molécula de ATP para que la reacción tenga lugar.

ATP + H2O ADP + Pi A B Página 1 de 8Si cada vez que se hidroliza una molécula de ATP se libera energía y para sintetizar ATP se necesita energía, ¿de dónde procede esta energía? De la proporcionada de los nutrientes, cuando se oxida por completo una molécula de glucosa se liberan 686 Kcal/mol con los que se pueden sintetizar 36 - 38 moléculas de ATP.

Clasificación de Organismos

1. Clasificación de los organismos: es importante, especialmente los conceptos de heterotrofo y autotrofo.

Heterótrofos: organismos que utilizan como fuente de energía y de carbono compuestos orgánicos; obtienen la energía de compuestos orgánicos (oxidando compuestos orgánicos) y su fuente de carbono también son compuestos orgánicos. Autótrofos: organismos que utilizan como fuente de energía la luz y como fuente de carbono CO2.

Poder Reductor y Reacciones Redox

1. Poder reductor: Para entenderlo debemos tener claro los conceptos de oxidación y reducción:

Oxidación: pérdida o cesión de electrones. Reducción: ganancia de electrones. Se utiliza el término poder reductor referido a las moléculas NADH + H+, NADPH + H+ y FADH2 para indicar que tienen la capacidad de ceder electrones a otras moléculas que al aceptarlos quedarán reducidas. En los apuntes podemos ver las fórmulas de las moléculas anteriores y como actúan en los procesos de oxidación - reducción ¿que tenemos que saber de esta parte? Es conveniente reconocer las moléculas, tenemos que saber que el par NAD+/NADH + H+ (oxidado/reducido) interviene fundamentalmente en las rutas catabólicas mientras que el par NADP+/NADPH + H+ lo hace fundamentalmente en las rutas anabolicas y también el significado de las siglas NAD, NADP y FAD. En las páginas 5 y 6 se explica con ejemplos en qué consiste y cómo se determina la oxidación y reducción. Nos va a interesar la oxidación/reducción del carbono, no tenéis que estudiar estos procesos en otros átomos (N, O, F). Respecto a la oxidación del carbono ¿de qué carbono nos interesa saber si se ha oxidado o reducido? La respuesta es clara, de aquel en el que se produce algún cambio. Fijaos en el siguiente ejemplo:

O NAD+ NADH + H+ S-Co A 1 C=o + CO2 2C=0 CH3 3 CH3 Piruvato Acetil-CoA En el C3 (CH3) no hay cambios, está igual en el piruvato y en el Acetil-CoA. El C2 del piruvato está unido a oxígeno (C = O) y a CO2, en el Acetil-CoA está unido a oxígeno (C = O) y a un azufre (el C1 no nos interesa porque es el que sale como CO2), por tanto, tenemos que saber si el C2 se ha oxidado o reducido. En química orgánica, el estado de oxidación de cada átomo de carbono se obtiene agregando los siguientes valores para cada uno de sus cuatro enlaces:

Por cada enlace con: Número que se agrega H -1 C 0 Heteroátomo (O, N, S, etc.) +1 Aplicando esta regla el estado de oxidación del C2 del piruvato es +2 (dos enlaces con otros C, cero; dos enlaces con oxígeno, +2) mientras que en el Acetil-CoA el estado de oxidación de ese carbono es +3 (dos enlaces con oxígeno y uno con azufre). Recuerda: heteroátomo es cualquier átomo que no sea hidrógeno o carbono. Si tenemos esto claro, averiguar si se ha producido una oxidación o una reducción es sencillo: si aumenta el número de oxidación ha tenido lugar una oxidación, si disminuye se ha producido una reducción. En el ejemplo , el nº de oxidación ha aumentado de +2 a +3, por tanto, oxidación.

Oxidación Cesión de electrones, aumento del número de oxidación, adición de oxígeno o heteroátomos, pérdida de hidrógenos. Página 2 de 8

1C-O + HS-CoA

Reducción Ganancia de electrones, disminución del número de oxidación, pérdida de oxígeno o heteroátomos, adición de hidrógenos. En este cuadro se resumen los casos de oxidación y reducción, pero con la variación del nº de oxidación no os equivocaréis nunca.

Finalidad del Catabolismo

1. Catabolismo: hay que saber que la finalidad es proporcionar:

1) ATP 2) Poder reductor: capacidad para ceder electrones acumulados en los nucleótidos reducidos NADH y NADPH. 3) Precursores metabólicos: doce moléculas orgánicas a partir de las cuales se lleva a cabo la biosíntesis de compuestos celulares.

Rutas Catabólicas Clave

1. Rutas catabólicas: a este respecto, las instrucciones de la CiUG dicen: explicar e localizar glucolise, ciclo de Krebs, ß-oxidación, cadea respiratoria e fosforilación oxidativa. Compre recoñecer a) con que composto empeza e con cal remata, b) onde teñe lugar, c) que se xera (sen aprender a cuantitativa) e d) para que serven.

En resumen: es importantísimo saber muy bien el cuadro de Rutas catabolicas que podéis ver en el Aula Virtual (apuntes tercera parte), es lo más importante de este tema. Si os fijáis, esto es lo que se recoge en la tabla que tenéis al final del resumen.

Glucólisis: Proceso y Características

1. Glucólisis: además de lo recogido en el cuadro de rutas catabólicas, recordad que podemos dividirla en tres etapas: fosforilación, oxidación y restitución del ATP consumido en la primera etapa (basta con saber los enunciados). El ATP se obtiene exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato (importante el concepto). Una aclaración importante: como sabéis en la glucolisis (también se emplea el término glicolisis) no interviene el oxígeno ¿podemos afirmar que es una ruta anaeróbica? No es tan sencillo porque el oxígeno es el aceptor final de los electrones acumulados en el NADH si sigue hasta el final el proceso de la respiración celular (oxidación de la glucosa), como es un concepto un poco complejo y veo muchos errores en libros y webs, lo mejor es que no mencionemos si es aeróbica o anaeróbica, diremos que la glucolisis es una ruta en la que no interviene el oxígeno y nos evitamos problemas. Recordad que el piruvato puede entrar en el ciclo de Krebs, pero también puede seguir la ruta de las fermentaciones.

Ciclo de Krebs y Descarboxilación Oxidativa

1. Ciclo de Krebs: ojo con los otros nombres del ciclo de Krebs: ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT). Siempre que mencionéis el ciclo de Krebs es importante que aclaréis que el compuesto de inicio es el acetil-CoA, pero que este procede del piruvato obtenido en la glucolisis o de Grupo acetilo S-Co A la ß-Oxidación de los ácidos grasos (también de la degradación de los aminoácidos, pero es =0 menos importante saber esto).

¿Qué es la descarboxilación oxidativa del piruvato? Proceso oxidativo en el que el piruvato se transforma en acetil-CoA liberando CO2 (descarboxilación), en este proceso se obtiene NADH (poder reductor). La descarboxilación oxidativa del piruvato es imprescindible para que el producto resultante, el acetil-CoA entre en el ciclo de Krebs.

0 NADH + H* S-Co A -0- + HS-COA C=0 + CO2 C= CH3 Piruvato Acetil-CoA En el ciclo consta de una serie de reacciones que producen la oxidación completa del grupo acetilo hasta CO2 ¿qué es el grupo acetilo? Es el resto unido al CoA (ver imagen).

ß-Oxidación de Ácidos Grasos

1. ß-Oxidación de ácidos grasos: además de lo recogido en el cuadro de rutas, conviene que sepáis que la degradación de los ácidos grasos proporciona la célula el doble de moléculas de ATP por unidad de peso que la glucosa y que para introducir los ácidos grasos en la mitocondria se necesita una molécula transportadora que es la carnitina.

Catabolismo de Proteínas y Aminoácidos

1. Catabolismo de proteínas y aminoácidos: atendiendo a las recomendaciones de la CiUG recogidas en un punto anterior, podemos prescindir de estudiar este apartado, en todo caso, echadle un vistazo a lo siguiente:

Situaciones en las que se utilizan en rutas catabólicas: ayuno, diabetes, etc. Etapas en el catabolismo de los aminoácidos: 1. Eliminación del grupo amino: transaminación (transferencia del grupo amino a una molécula aceptora) y desaminación de esa molécula para regenerar el aceptor (no es necesario saber los nombres ni las fórmulas). Es necesario saber cómo se clasifican los animales en función de la eliminación del NH3 (amoniotélicos, ureotélicos y uricotélicos).

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CH3 NAD* 1 CH3

2. Oxidación de la cadena carbonada: es suficiente saber que la molécula obtenida en el paso anterior se puede emplear para obtener piruvato, acetil-CoA, glucosa y ácidos grasos.

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

1. Catabolismo de ácidos nucleicos: no estudiar.
2. Cadena respiratoria: además de lo recogido en el cuadro de rutas recordad que el producto final es agua (el aceptor final de los electrones del del NADH y FADH2 es el oxígeno que se reduce a agua). Es importante reconocer y explicar brevemente estos esquemas.

Resumen de la hipótesis quimiosmótica de Mitchel: en el tránsito de electrones desde el NADH + H+ y FADH2 hasta el oxígeno intervienen cuatro complejos de transporte y tienen lugar reacciones de oxidación - reducción en las que se libera energía (la energía liberada en la oxidación es mayor que la consumida en la reducción), esta energía es utilizada para bombear protones (H+) al espacio intermembranal gracias a bombas de H+ asociadas a los complejos I, III y IV.

1. Fosforilación oxidativa: hay que explicarla de forma resumida a partir de la imagen que debéis reconocer:

La acumulación de H+ en el espacio intermembranal causa un desequilibrio quimiosmótico, para restablecer el equilibrio los H+ regresan a la matriz mitocondrial y lo hacen a través de la ATP sintasa ya que el resto de la membrana es impermeable. Cuando se disipa el gradiente se libera la energía que se empleó en su formación y esa energía es aprovechada por la ATP sintasa para sintetizar ATP. Recordad que la enzima es ATP sintasa porque aquí actúa en la síntesis de ATP, por tanto, es un error poner ATPasa.

Fermentación: Aspectos Generales

1. Fermentación: muy importante (lo han preguntado muchas veces). Hay que saber los aspectos generales: proceso de oxidación incompleta de compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno. La síntesis de ATP tiene lugar exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato. La fermentación es un proceso típico de microorganismos que viven en hábitats en los que no hay oxígeno (metabolismo anaeróbico). Algunos organismos superiores también GLUCOSA GLUCOSA pueden realizar la fermentación en situaciones concretas en 2 NAD* 2 NAD+ las que las células no tienen suficiente suministro de oxígeno. Hay que saber muy bien los esquemas de la >2 NADH + H* 2 ADP 2 NADH + H+ fermentación alcohólica y láctica y explicarlos. 2 ADP Fijaos bien en los esquemas y reparad que desde glucosa a piruvato es la ruta de la glucolisis y, a continuación, tiene lugar la fermentación alcohólica o láctica.

Metabolismo Respiratorio: Aeróbico y Anaeróbico

1. Metabolismo respiratorio: muy importantes los conceptos de respiración aeróbica y anaeróbica y añado que estoy desesperado con este asunto porque hay una confusión generalizada entre respiración anaeróbica y fermentación.

4H* 2H A 4H Cyt c Intermembrane space + Q III II Fumarate 202 + 2H+ * Succinate ADP + Pis NADH + H+ NAD+ F Matrix F1 ATP 0.3 Complejo I Ojo Membrana mitocondrial externa 2H+ 4H. A Cvt c Espacio Inter membrana H' Complejo III + H e e III mitocondrial interna - II Complejo IV HOO + 0.8 FAD 202+ 2H* Matriz Mitocondrial FADH2 1/2 O2 NADH + H+ NAD+ H,O + + + + + IV Q A POTENCIAL DE OXIDO-REDUCCIÓN FADH2 Complejo II FAD NADH + H* NAD I 2 NAD 2 Lactato 2 ETANOL 2 ATP + 2 PIRUVATO 2 CO2 2 PIRUVATO 2 ACETALDEHÍDO 2 NADH + H* 2 NADH + H* 2 NAD+ Respiración aerobia: respiración de los glúcidos y de los ácidos grasos, es un proceso oxidativo en el que el aceptor final de electrones es el oxígeno, punto (.). Respiración anaerobia: el aceptor final de electrones no es el oxígeno sino otro compuesto como NO3, compuestos orgánicos o hierro. Se da en algunos tipos de bacterias. Página 4 de 8

2 ATP- + + + Q Membrana