El metabolismo celular I: el catabolismo, Ies Alfonso Vi, Apuntes

El metabolismo celular I: El catabolismo

Introducción al metabolismo

TEMA 9 EL METABOLISMO CELULAR I. EL CATABOLISMOA IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

Índice del catabolismo

• 1. Concepto de metabolismo. Catabolismo, anabolismo e intercambios de energía asociados a ellos.
• 2. Catabolismo de glúcidos: Lugares en que se producen la degradación de glucosa y visión global del proceso aerobio de obtención de energía.
• 2.1. Glucólisis: descripción somera de la ruta (compuestos y tipos de enzimas más importantes) y piruvato deshidrogenasa. Balance global
• 2.2. Vía aerobia de la Respiración celular.
• 2.2.1. Descarboxilación oxidativa del piruvato
• 2.2.2. Ciclo de Krebs (compuestos, tipos de reacciones y tipos de enzimas).
• 2.2.3. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
• 2.2.4. Rendimiento energético del catabolismo aerobio de la glucosa. Balance global.
• 2.3. Vía anaerobia de la Fermentación: concepto, tipos (fermentación alcohólica y láctica) y balance global. - Fermentación alcohólica - Fermentación láctica
• 2.4. Catabolismo de lípidos

Hans A Krebs. Premio Nobel de Medicina (1953) Página | 1CATABOLISMO BLOUE D. METABOLISMO Biología 2º Bachillerato A IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid

Concepto de metabolismo: catabolismo y anabolismo

1. Concepto de metabolismo: catabolismo y anabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras; mantienen, por tanto, la vida de la célula. Estas transformaciones metabólicas de unas moléculas en otras no suelen producirse directamente sino mediante compuestos intermediarios. Las distintas reacciones químicas que permiten ir desde una molécula precursora hasta un producto final constituyen una ruta o vía metabólica y las moléculas que intervienen se denominan metabolitos. Cada reacción está catalizada por una enzima específica ayudada frecuentemente por cofactores y coenzimas. Los procesos metabólicos se pueden clasificar en dos tipos:

• Catabolismo. Es el conjunto de reacciones de ATP CATABOLISMO + + degradación o descomposición de moléculas molécula compleja moléculas simples complejas en otras más simples (se rompen los enlaces de moléculas complejas). Tienen tres finalidades: - Suministrar energía (al romperse los enlaces químicos) que se almacena en los enlaces fosfato del ATP. - Obtener poder reductor (NADH, FADH2, etc) - Aportar pequeñas moléculas o metabolitos sencillos, para los procesos de síntesis (anabolismo).
• Anabolismo. Es el conjunto de reacciones de ATP síntesis de moléculas grandes a partir de ANABOLISMO + + moléculas simples molécula compleja moléculas sencillas. En estas reacciones se crean nuevos enlaces químicos gracias a la energía del ATP, el poder reductor, y metabolitos sencillos. Permiten el crecimiento, la regeneración de estructuras o el empaquetamiento y almacén de sustancias de reserva.

Reacciones catabólicas y anabólicas

REACCIONES CATABÓLICAS REACCIONES ANABÓLICAS - Son reacciones de degradación - Son reacciones de oxidación - Desprenden energía - A partir de sustancias diferentes se forman casi siempre los mismos productos - Son reacciones de síntesis - Son reacciones de reducción - Precisan energía - A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes. Página | 2A IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

Clasificación de organismos según fuente de energía y carbono

Desde el punto de vista del metabolismo, los organismos se clasifican en función de la fuente de energía y la fuente de carbono que utilizan.

Interdependencia de anabolismo y catabolismo

El anabolismo y el catabolismo no son, por tanto, procesos aislados e independientes, sino que existe una dependencia mutua y un acoplamiento entre ambos. ATP LUZ 02 Ac. Nucleidos Fotosíntesis Respiración Celular Glúcidos CO2 + H20 Compuestos Orgánicos Simples - Lípidos Compuestos Orgánicos Simples CO2 + H20 Proteínas Sales Minerales Sales Minerales Otras moléculas ANABOLISMO CATABOLISMO HETERÓTROFOS . AUTÓTROFOS . Página | 3A IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

El ATP como moneda energética celular

La "moneda energética" de la célula es el ATP o adenosín-trifosfato, (adenina, ribosa y 3 grupos fosfatos). Contiene enlaces de alta energía entre los grupos fosfato que al romperse (hidrólisis), liberan la energía almacenada. ATP+H2O - ADP+ Pi + energía (7,3 kcal/mol) Desfosforilación P ATP H,O ADP NH, NH H- H CHI O CH 0 H H H H H2O OH OH P OH OH Fosforilación El ATP representa el modo de tener almacenada energía necesaria para la biosíntesis de moléculas, así como para procesos como la contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos, transporte activo a través de la membrana, etc.

Mecanismos de síntesis de ATP

En las células se utilizan dos mecanismos para sintetizar ATP:

• Fosforilación a nivel de sustrato: Se utiliza la energía liberada en una reacción química. Sucede en algunas reacciones de la glucolisis y el ciclo de Krebs y las enzimas que regulan estos procesos se denominan quinasas.
• Fosforilación en el transporte de electrones: se produce mediante las enzimas ATP-sintetasas en la mitocondria y el cloroplasto, al ser atravesados por un flujo de protones (H+). Cuando ocurre en las mitocondrias se denomina fosforilación oxidativa y si ocurre en los cloroplastos fosforilación fotosintética o fotofosforilación. membrana externa H H H Cyt c ATP sintasa 200 NAD++H+ ATP ADP + P I Matriz Succinato O2 Fumarato H2O membrana interna I H Espacio intermembranal Página | 4 02 H,O NADH Ciclo del ácido cítrico INAZ IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

Catabolismo de glúcidos

Reacciones oxidativas y poder reductor

Las reacciones del catabolismo son oxidativas: Recuerda que: · Un compuesto se oxida cuando pierde electrones (e ) y/o protones (H+) y se reduce cuando los acepta. Por eso las reacciones de oxidación se producen de forma simultánea con reacciones de reducción (reacciones de óxido-reducción). · Cuando en estas reacciones se produce la pérdida simultánea de e y de H* se denominan deshidrogenaciones y están catalizadas por enzimas deshidrogenasas y sus coenzimas (NAD, NADP o FAD). · Se llama poder reductor a las coenzimas o nucleótidos reducidos NADH, NADPH y FADH2, puesto que al liberase de los hidrogenos podran reducir al compuesto que los acepte. Las reacciones de óxido-reducción características del catabolismo precisan: - Sustratos donadores de e (son los glúcidos, ácidos grasos, ... ) - Sustratos aceptores de e (son las coenzimas como NAD+ que se reduce a NADH + H+ o FAD que se reduce a FADH2). NAD+ NADH H H. H NH2 NH2 O OH OH NH2 N. N N O=P -O V .O. OH OH OH OH Cuando el sustrato oxidado desprende dos átomos de hidrógeno, es decir, 2H* y Ze, el NAD+ se reduce a NADH y queda otro H+ en el medio donde transcurre la reacción. De entre todas las rutas catabólicas destacan por su importancia la respiración celular y las fermentaciones que difieren en el aceptor final de e.

Respiración celular y fermentación

• Respiración celular. El aceptor final de e es un compuesto inorgánico y puede ser: - Aerobia si el aceptor es el O2, que se reduce a H2O - Anaerobia si el aceptor es otro compuesto inorgánico (NO3", que se reduce a NO2- , CO2 que se reduce a metano).
• Fermentación. El aceptor final de e- es un compuesto orgánico y se produce una oxidación incompleta. Es un proceso anaerobio, aunque en algunos casos se produce en presencia de O2. Página | 5 O OH OH NH2 N O= NA IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOQUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

Rutas catabólicas y ciclo de Krebs

Los procesos catabólicos se pueden iniciar a partir de glúcidos, lípidos y proteínas, pero son los glúcidos las biomoléculas más utilizadas como combustible por las células. No obstante, las diferentes rutas catabólicas confluyen en el ciclo de Krebs, y los e- liberados en el proceso pasan a la cadena respiratoria para formar ATP por fosforilación oxidativa. Glúcidos POLISACÁRIDOS GLUCOSA ADP Glucolisis Lípidos ATP Proteínas PIRUVATO GLICEROL FERMENTACIÓN ADP AC. GRASOS ATP AMINOACID OS ACETIL-COA 2 - CICLO DE KREBS 1/2 O2 (+ 2H+ ) NH3 e e H29 Cadena H+ respiratoria ADP + Pi CO- H+ ATP Esquema del catabolismo: Al tiempo que los compuestos orgánicos se descomponen en CO2 y H2O, los e- son transferidos a lo largo de la cadena respiratoria impulsando la fosforilación oxidativa. Los glúcidos se consideran nutrientes energéticos (1g de glúcidos aporta aproximadamente 4 kcal.) En el tubo digestivo de los animales y mediante los procesos digestivos, los polisacáridos y disacáridos, son hidrolizados y convertidos en monosacáridos. También, en los animales, el glucógeno acumulado en las células hepáticas o en las fibras musculares se va hidrolizando por un proceso de glucogenólisis para dar lugar a moléculas de glucosa. Posteriormente, la glucosa entra en una secuencia de reacciones en las que será degradada y convertida en energía. Estos procesos son:

Glucólisis: ruta de Embden-Meyerhoff

2.1. GLUCÓLISIS Se llama también ruta de Embden-Meyerhoff. Consiste en la degradación de la glucosa en una ruta de 10 reacciones consecutivas que tienen lugar en el citosol, y que rompe la glucosa en 2 moléculas de ácido pirúvico o piruvato. Página | 6A IES Alfonso VI Olmedo - Valladolid Biología 2º Bachillerato BLOUE D. METABOLISMO CATABOLISMO

Fases de la glucólisis

En la glucólisis se diferencian dos fases: Glucosa ATP quinasa ADP Glucosa-6-fosfato Fosfofructoisomerasa Fructosa-6-fosfato ATP Fosfofructoquinasa ADP + Fructosa-1,6-bifosfato Aldosa Isomerasa Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehído-3-fosfato (G3P) NAD+ NAD+ NADH + Triosa fosfato deshidrogenasa + NADH 1,3-bifosfoglicerato (BPG) 1,3-bifosfoglicerato (BPG) ADP ADP ATP +ATP 3-fosfoglicerato (3PG) 3-fosfoglicerato (3PG) Fosfogliceromutasa 2-fosfoglicerato (2PG) 2-fosfoglicerato (2PG) Enolasa H2O 4 +H20 Fosfoenolpiruvato (PEP) ADP Fosfoenolpiruvato (PEP) ADP ATP Piruvato quinasa ATP Piruvato Piruvato O C-OH C = 0 1 H* CH3 ácido pirúvico piruvato (Recuerda que los ácidos debido al pH del interior celular, se encuentran en forma de aniones por lo que se utiliza el término piruvato en lugar de ácido pirúvico).

Reacciones de la glucólisis

Reacciones de la glucólisis: 1ª. Fosforilación de la glucosa gracias al ATP, formándose glucosa-6-fosfato. Enzima: quinasa 2ª. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato. Enzima: isomerasa 3ª. Mediante ATP, la fructosa-6-fosfato se fosforila y pasa a fructosa-1,6-difosfato Enzima: isomerasa 4ª. La fructosa-1,6-difosfato se rompe en dos moléculas: el gliceraldehído-3-fosfato (PGAL) y la dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Enzima: Aldolasa 5ª. Ambas sustancias son isómeras y se transforman espontáneamente una en otra. Enzima: isomerasa. (Por eso, a partir de aquí, multiplicamos todo por dos). 6ª El gliceraldehido-3-fosfato (PGAL) se oxida produciendo la reducción del NAD+ a NADH; al mismo tiempo se produce una fosforilación en la que interviene un fosfato inorgánico formándose 1,3-difosfoglicerato. Enzima: deshidrogenasa

Fase preparatoria de la glucólisis

a) Fase preparatoria. Se consumen 2 moléculas de ATP para transformar una molécula de glucosa en 2 de gliceraldehido 3-fosfato (PGAL).

Fase de beneficio de la glucólisis

b) Fase de beneficio. Se obtienen 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, formándose al final de la glucólisis 2 moléculas de piruvato. Fosfogliquinasa (Como la DHAP se isomeriza en PGAL, se forman 2 PGAL a partir de una glucosa, por lo que todas las reacciones de la fase de beneficio se multiplican por dos). CH3 Página | 7