Metabolismo celular: catabolismo y anabolismo, ciclo de Krebs y cadena respiratoria

Metabolismo Celular: Catabolismo y Anabolismo

BLOQUE 2: La célula. Morfología y fisiología celular TEMA 12: METABOLISMO; Catabolismo y anabolismo La nutrición celular abarca todo el conjunto de procesos que permiten a las células conseguir la materia y energía que necesitan para llevar a cabo sus funciones vitales.

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que suceden en las células para llevar a cabo la nutrición.

El metabolismo presenta dos componentes: El catabolismo y el anabolismo.

El catabolismo consiste en la oxidación de moléculas orgánicas ricas en energía, con el objetivo de obtener ATP. Es pues un proceso exergónico y común a todos los seres vivos. Si se lleva a cabo en presencia de oxígeno, se habla de respiración aerobia. Si se realiza en ausencia de oxígeno, es anaerobio y se conoce como fermentación (solo lo llevan a cabo de forma natural algunas bacterias y algunos hongos). En la respiración, se oxida totalmente la materia orgánica, mientras que en las fermentaciones la oxidación no es total, quedando restos orgánicos (ácido láctico, etanol, etc)

Es la etapa "destructiva" del metabolismo.

El anabolismo consiste en la fabricación de moléculas orgánicas ricas en energía a partir de: A .- moléculas inorgánicas (anabolismo autotrofo) y B .- moléculas orgánicas sencillas (anabolismo heterótrofo). El anabolismo autótrofo puede ser por fotosíntesis, si utiliza energía luminosa (propio de vegetales y algas) o bien puede ser por quimiosíntesis si utiliza la energía desprendida en la oxidación de compuestos inorgánicos (solo lo realizan algunas bacterias). En todos los casos es un proceso endergónico, pues consume ATP.

Es la etapa "constructiva" del metabolismo.

Como podemos observar, son tres los mecanismos que permiten obtener ATP:

1. Por catabolismo (propio de todos los reinos de seres vivos).
2. Por fotosíntesis (propio de los vegetales, algas y algunas bacterias).
3. Por quimiosíntesis (exclusivo de algunas bacterias, como las del azufre, del hierro, .. etc.).

Los tipos de metabolismo, se pueden clasificar atendiendo a la forma de conseguir la materia (heterótrofos u organótrofos)/ (autótrofos o litótrofos) y la energía (por fotosíntesis) o (por Quimiosíntesis)

Clasificación del Metabolismo por Fuente de Carbono y Energía

Fuente de Carbono Fuente de Energía (carbono inorgánico) Autótrofo/Litotrofo (carbono orgánico) Heterótrofo/Organótrofo Fotosíntesis (Energía luminosa) Fotoheterótrofo Fotoorganotrofo Fotoautotrofo/Fotolitotrofos Vegetales, algas y algunas bacterias. Solo algunas bacterias (muy poco frecuentes) Quimiosíntesis (Energía resultado de oxidación de compuestos) : Solo algunas bacterias Quimioautótrofas: "oxidan compuestos inorgánicos". Quimioheterótrofos o quimioorganotrofos. "oxidan compuestos orgánicos"(catabolismo) .- Inorgánicos. .- Orgánicos. .- B del nitrógeno. .- B. del azufre. .- B. del hidrógeno. .- B. del metano

Animales, hongos y la mayoría de las bacteriasTipos de organismos según su metabolismo Origen de la energía Origen del carbono Ejemplos Fotolitótrofos (o fotoautótrofos) Luz CO2 Plantas superiores, algas, cianobacterias, bacterias purpúreas del azufre y bacterias verdes del azufre Fotoorganótrofos (o fotoheterótrofos) Luz Orgánico Bacterias purpúreas no sulfúreas Quimiolitótrofos (o quimioautótrofos) Reacciones químicas CO2 Bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre Quimioorganótrofos (o quimioheterótrofos) Reacciones químicas Orgánico Animales, hongos, protozoos y muchas bacterias

Catabolismo: Vías Aerobia y Anaerobia

CATABOLISMO Consiste en la oxidación de compuestos orgánicos ricos en energía con el fin de obtener ATP. Es pues un proceso exergonico que realizan todos los seres vivos. Puede llevarse a cabo por dos vías:

1. Vía aerobia (con oxígeno): se habla entonces de catabolismo respiratorio. Se utiliza como sustrato cualquier compuesto orgánico: glúcidos, lípidos, proteínas etc.
2. Vía anaerobia (sin oxígeno) se habla entonces de catabolismo anaerobio o fermentaciones. Se utiliza como sustrato glúcidos (glucosa) y en alguna ocasión proteínas (hablándose de putrefacciones).

Catabolismo Respiratorio de Glúcidos

CATABOLISMO RESPIRATORIO DE GLÚCIDOS O HIDRATOS DE CARBONO Los glúcidos son la primera fuente de energía de todos los seres vivos. Para su oxidación deben convertirse en glucosa. A partir de ese momento, la glucosa sufrirá una serie de etapas que la oxidarán en su totalidad.

Etapas:

1. Glucolisis
2. Descarboxilación oxidativa del ácido piruvico o piruvato
3. Ciclo de Krebs
4. Cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones.

Glucólisis: Proceso y Balance

1 .- GLUCÓLISIS Sucede en el hialoplasma y en ausencia de oxígeno. En la glucólisis, una molécula de glucosa se oxida, para dar lugar a dos moléculas de ácido piruvico o piruvato, dos moléculas de ATP (por fosforilación a nivel de sustrato) y dos moléculas de NADH + H+.

ESQUEMA DE LA GLUCOLISIS ATP ADP+P ATP ADP+P Glucosa Glucosa-6-P Fructosa-6-P Fructosa-1-6-di-P a la cadena respiratoria energía útil Dioxicetona-3-P 2 NAD.H2 2 NAD 4 ATP 4 ADP+P 'pool C3' 2 Piruvato Gliceraldehído-3-P (secuencia 'redox')El balance global sería: Glucosa (6C) + 2 ADP + Pi + 2 NAD+ > 2 ácido piruvico (3C) + 2ATP + 2NADH + H+

*Para ampliación ver documento Glucólisis*

En presencia de oxígeno, el piruvato se sigue oxidando en la mitocondria, donde tendrán lugar las tres etapas restantes:

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

2 .- DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO El ácido pirúvico o piruvato (3C), se oxida, se descarboxila (libera CO2), transformándose en Acetil - Co A (2C).

El ácido pirúvico se une a transportadores específicos de membrana para poder atravesar la doble membrana de la mitocondria y llegar hasta la matriz mitocondrial. Allí se produce la descarboxilación oxidativa, activándose la forma de acetil-CoA (2 átomos de carbono).

Los glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos, para ser aprovechados energéticamente por la célula, tienen que llegar a convertirse en grupos acetilo, en forma de acetil-CoA, para poder entrar en ciclo de Krebs y ser oxidados hasta CO2 y H2O.

Esta fase se realiza en varias etapas:

• Pérdida del grupo carboxilo del piruvato, liberado en forma de CO2 (descarboxilación) con el primer carbono y dos oxígenos.
• El grupo carbonilo del piruvato se oxida (descarboxilación oxidativa) y cede sus electrones a un NAD+ que se reduce a NADH, formando un grupo acetilo (CH3-CO-).
• El grupo acetilo se esterifica con el grupo -SH de la coenzima A. Se forma el acetil- CoA que entrará en el ciclo de Krebs.

En esta reacción se reduce una molécula de NAD+ formándose 1 NADH. Como se habían obtenido dos moléculas de piruvato de cada molécula de glucosa, se obtienen 2 NADH en esta etapa.

Recordando los procesos vistos hasta ahora, la molécula de glucosa se ha oxidado a dos moléculas de CO2 y dos grupos acetilo (Acetil CoA), formándose además cuatro moléculas de NADH (dos en la glucólisis y dos en la oxidación del ácido pirúvico).

Ácido pirúvico CH3-CO-COOH CoA-SH NAD+ NADH + H+ CO2 CH3-CO-SCOA Acetil CoenzimaA

Ciclo de Krebs: Ruta Metabólica

3 .- CICLO DE KREBS El Acetil - Co A se oxidara en una ruta metabólica conocida como ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico, que sucede en la matriz de la mitocondria.

El ciclo de Krebs ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.

El catabolismo glucídico y lipídico (a través de la glucolisis y la beta oxidación) produce acetil- CoA, un grupo acetilo enlazado al coenzima A. El acetil-CoA (2C) constituye el principal sustrato del ciclo. Su entrada consiste en una condensación con oxalacetato (4C), al generar citrato (6C). Al término del ciclo mismo, los dos átomos de carbono introducidos por el acetil-CoA han sido oxidados en dos moléculas de CO2, regenerando de nuevo oxalacetato capaz de condensar con acetil-CoA.

La producción relevante desde el punto de vista energético, sin embargo, se produce a partir de una molécula de GTP (utilizada inmediatamente para regenerar una molécula de ATP), de tres moléculas de NADH y una de FADH2.

Los cofactores reducidos, NADH y FADH2, se comportan como intermediarios óxido/reductores. Cuando están reducidos, son capaces de transportar electrones a energía relativamente alta (por ejemplo sustraída a los sustratos oxidados en la glucolisis o en el mismo ciclo de Krebs), hasta la cadena respiratoria mitocondrial. Cerca de tal cadena se reoxidan a NAD+ y a FAD, y ceden los electrones a la cadena misma, que será así capaz de regenerar moléculas de ADP y ATP.

Membrana externa CH3-CO-COOH Ácido pirúvico (3 C) Membranas mitocondriales NAD CoA-SH SISTEMA PIRUVATO DESHIDROGENASA NADH + H* * CO2 Membrana interna CH3-CO-S-CoA Acetil-S-CoA (2 C) MATRIZ MITOCONDRIAL H2O 1 - CoA-SH Ácido oxalacético (4 C) (6 C) Ácido cítrico NADH + H+ 2 8 NAD+ Ácido málico (4 C) (6 C) Ácido isocítrico 1 3 & NADH + H+ H2O Ácido fumárico (4 C) (5 C) Ácido «-cetoglutárico 4 CoA-SH FADH2+ NAD+ 6 CO2 CoA - SH ^ NADH + H+ (4 C) Ácido succínico Succinil CoA (4 C) GTP GDP + Pi NAD+ CICLO DE KREBS CO2 1 FAD 5 CITOPLASMA

Reacciones y Balance del Ciclo de Krebs

Sustrato Coenzima Enzima Tipo de reacción Inhibidor Activador Producto 1 Oxalacetato Acetil-CoA, agua Citrato sintasa Condensación Citrato, NADH, Succinil-COA Citrato 2a Citrato Deshidratación Aconitasa 2b cis-Aconitato Agua Hidratación Isocitrato 3a Isocitrato NAD+ Oxidación Isocitrato NADH, ATP Ca2+, ADP 3b Ossalsuccinato +H Descarboxilación a-cetoglutarato, CO2 4 a-Cetoglutarato NAD+, CoA-SH a-cetoglutarato deshidrogenasa Descarboxilación oxidativa NADH, Succinil-COA Ca2+ Succinil-CoA, NADH, CO2 5 Succinil-CoA GDP, Fosfato Succinil-COA sinte tasa Trasferencia de fosfato Succinato, GTP, CoA-SH 6 Succinato FAD Succinato deshidrogenasa Oxidación Fumarato, FADH2 7 Fumarato Agua Fumarasa Hidratación L-Malato 8 L-Malato NAD+ Malato deshidrogenasa Oxidación Oxalacetato, NADH

El balance o reacción neta del ciclo de Krebs es: Acetil - Co A + 3 NAD++ GDP+ Pi + FAD -> 2 CO2 + 3 NADH + H++ GTP + FADH2

Acetil-CoA 3 NAD+ GTP 3 NADH GDP Ciclo de Krebs 2 CO2 FADH2 FAD

El ciclo de Krebs es una ruta común a todos los procesos catabólicos aerobios. Incluso muchos procesos anabólicos se inician en el ciclo de Krebs.

cis-Aconitato, acqua Oxalsuccinato, NADH deshidrogenasa