El documento describe los procesos catabólicos aerobios en la célula. La glucólisis y otras rutas degradan moléculas como la glucosa y ácidos grasos en acetil CoA, que alimenta el ciclo de Krebs. Este y la cadena respiratoria en la mitocondria producen electrones que se usan en la fosforilación oxidativa para sintetizar hasta 36 moléculas de ATP por molécula de glucosa inicial.

1. Catabolismo

2. Metabolismo Conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células Catabolismo. Consiste en pasar de moléculas complejas a moléculas simples, liberando energía. Por ejemplo la respiración celular Anabolismo. Consiste en pasar de sustancias simples a complejas. Para ello se necesita un aporte de energía extra. Ej: Síntesis de aminoácidos , de lípidos , fotosíntesis…

3. Funciones Los nucleótidos pueden actuar como: Ácidos nucleicos: ADN y ARN Nucleótidos no nucleicos: están libres en las células e intervienen en el metabolismo celular como activadores de enzimas, aportando energía química en las reacciones y actuando como coenzimas. FAD, ADP, ATP, AMP cíclico…

4. Nucleótidos no nucleicos ADP (difosfato de adenosina) y ATP (trifosfato de adenosina). Los grupos fosfato se unen mediante enlaces ricos en energía. Esta se libera por reacciones de hidrólisis. El ATP es la “ moneda energética ”. Acumula energía en las reacciones exergónicas (las que desprenden energía) y aporta energía para facilitar otras reacciones endergónicas (las que necesitan un aporte energético extra) Además del ATP y ADP también intervienen en otras reacciones el GDP y el GTP

5. Nucleótidos no nucleicos

6. ATP ATP: adenosín trifosfato

7. Nucleótidos no nucleicos AMP cíclico (AMPc) Nucleótido de adenina cuyo ácido fosfórico está esterificado con los carbonos 5´y 3´de la ribosa Se forma por la adenilato ciclasa localizado en la membrana celular Se denomina segundo mensajero ya que transmite y amplifica el interior de la célula señales que llegan mediante hormonas (que serían los primeros mensajeros)

8. AMP cíclico

9. Nucleótidos no nucleicos Coenzimas Son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en reacciones catalizadas enzimáticamente, actuando generalmente como transportadores de energía Nucleótidos de flavina: FMN: flavín-mononucleótido FAD: flavín-adenín-dinucleótido Nucleótidos de piridina: NAD: dinucleótido de nicotinamida y adenina NADP: fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina Coenzima A

10. Nucleótidos energéticos

11. Enzimas Una vez vistos los aceptores y transportadores de electrones, vamos a ver cómo ocurren las reacciones químicas

12. Enzimas Son proteínas que catalizan de forma específica determinadas reacciones químicas, uniéndose a una molécula que se va a transformar (sustrato). E+S= E+P E= Enzima S= Sustrato P= Producto

13. Partes del enzima El centro activo es el lugar en el que se unen enzima y sustrato. Existe un reconocimiento estérico, es decir, relacionado entre espacio y volumen de ambos

14. Reacciones enzimáticas

15. Actuación enzimática

16. Factores que afectan a la velocidad de reacción

17. Cofactores Algunas enzimas son proteínas exclusivamente y otras no y deben unirse a otras moléculas de naturaleza no proteica. Se denominan holoenzimas. Holoenzima= apoenzima + cofactor Apoenzima: parte proteica Cofactor: parte no proteica Los cofactores pueden ser cationes metálicos (Zn, Fe, Mg…) o moléculas orgánicas (vitaminas). En este caso se denominan coenzimas

18. Mitocondria

19. Funciones mitocondriales

20. Catabolismo Comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas, cuyo objetivo es obtener energía para que la célula realice sus funciones vitales Los organismos necesitan un aceptor final de electrones o hidrógenos en sus rutas de oxidación. Dependiendo quien sea el aceptor hablamos de Aerobios. El aceptor final es el oxígeno molecular (O 2 ) Anaerobios. Si el aceptor es otra molécula Todas las reacciones que desprenden energía en procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Toda oxidación requiere una reducción, por lo tanto, hablamos de reacciones redox Las oxidaciones van acompañadas de pérdidas de átomos de hidrógeno (un protón y un electrón por cada átomo de hidrógeno) Las moléculas que ceden átomos de hidrógeno se oxidan, mientras que los que las aceptan se reducen

21. Catabolismo

22. Acoplamiento de reacciones

23. Metabolismo celular

24. Procesos catabólicos en condiciones aerobias Varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP y que podrán usarse en procesos que requieren aporte energético, como rutas anabólicas. La energía no almacenada se disipa en calor La glucosa y los ácidos grasos que entran en la célula son degradados mediante la glucólisis y la beta-oxidación a acetil CoA Las proteínas se descomponen en sus aminoácidos constituyentes. Todos entran en el Ciclo de Krebs y la cadena respiratoria produciendo CO 2 , H 2 O y ATP

25. Catabolismo aerobio de glúcidos

26. Glucólisis I

27. Glucólisis II

28. Glucólisis III

29. Balance final de la glucólisis

30. Condiciones aerobias y anaerobias Un punto crucial de la glucólisis es el 5. Si el NADH extramitocondrial no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. El modo de oxidarse será: Condiciones aerobias. NADH extramitocondrial cede sus electrones mediante la dihidroxiacetona fosfato, que se reduce a glicerol fosfato. Este entra en la mitocondria, se reoxida y sale al citosol como dihidroxiacetona fosfato. A esto se le denomina lanzadera de la dihidroxiacetona Condiciones anaerobias. NADH extramitocondrial se oxida a NAD+ mediante reducción del pirúvico. Estas recaciones permiten la obtención de energía sin oxígeno, denominándose fermentaciones y ocurren en el citosol

31. Respiración celular Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico creado en glucólisis se oxida completamente a CO 2 y H 2 O en presencia de oxígeno mediante dos etapas sucesivas: Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria En eucariotas, el C. de Krebs ocurre en la matriz de la mitocondria, siempre que haya oxígeno La membrana mitocondrial externa es permeable a ciertas sustancias e impermeable a otras y en las crestas mitocondriales se desarrolla la cadena respiratoria ya que ahí están las enzimas que permiten el acoplamiento energético y la transferencia de electrones

32. Oxidación del pirúvico Antes de que el pirúvico entre en el ciclo de Krebs debe ser oxidado El pirúvico es creado en glucólisis (en el citoplasma celular) pasa a la matriz mitocondrial Antes de comenzar el ciclo sufre una oxidación. El primer carbono y los dos oxígenos se separan, liberándose la molécula de CO2 y formándose un grupo acetilo (CH 3 -CO - ). Esto lo realiza la enzima piruvato deshidrogenasa. En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de NAD+ Como de cada glucosa en la glucólisis se obtienen 2 piruvatos, aquí se obtienen dos NADH por cada glucosa Cada grupo acetilo se une a un coenzima A, creando el acetil CoA Se dice, por tanto, que el coenzima A marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs

33. Ciclo de Krebs

34. Balance energético En cada vuelta del ciclo se genera una molécula de GTP, 3 de NADH y una de FADH 2 Cada vuelta del ciclo se consume un grupo acetilo y se regenera un oxalacético que puede iniciar un nuevo ciclo. Se necesitan dos vueltas del ciclo para oxidar al máximo una molécula de glucosa. Por tanto por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se forman dos moléculas de GTP, 6NADH y 2 de FADH 2 . El GTP transfiere su grupo fosfato al ADP, produciendo un ATP En el ciclo de Krebs se obtiene poca energía en forma de moléculas fosforiladas El ciclo no necesita oxígeno directamente. Los electrones y los protones que se mueven por el ciclo son aceptados por el NAD+ y FAD+ Sin embargo sí se necesitan en la siguiente etapa de la respiración, la cadena respiratoria.

35. Cadena respiratoria La molécula de glucosa que inició la glucólisis está ya oxidada. Parte de su energía se usó en síntesis de ATP La mayor parte de la energía se encuentra en electrones aceptados por el NAD+ y FAD. Estos electrones están en un nivel energético alto Durante el transporte electrónico, los electrones pasan por aceptores de distinto potencial de reducción, que reciben electrones del aceptor anterior y los pasan al siguiente El potencial más negativo lo tiene el NAD+ que puede reducir a los demás. El potencial más positivo lo posee el agua

36. Cadena de transporte II Los electrones captados por el NADH entran en la cadena Pasa por los transportadores Los electrones llegan hasta el oxígeno que los acepta y se combina con protones para formar agua que sale de la mitocondria Sin el oxígeno el último miembro no podría volver a oxidarse

37. Esquema general de la respiración celular

38. Fosforilación oxidativa Cuando los electrones van saltando por la cadena de transporte, pasan a niveles energéticos inferiores y paralelamente se libera energía, que se usará para fabricar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Esto es la fosforilación oxidativa Por cada 2 electrones que pasan del NADH al oxígeno se forman 3 ATP Por cada 2 electrones que pasan del FADH2 se forman 2 moléculas de ATP El mecanismo por el que se sintetiza el ATP se denomina acoplamiento quimiosmótico

39. Acoplamiento quimiosmótico

40. Acoplamiento quimiosmótico El bombeo de protones consigue que haya un gradiente elctroquímico entre el espacio intermembrana y la matriz y esto crea una fuerza protomotriz

41. Acoplamiento quimiosmótico

42. Acoplamiento quimiosmótico La partícula F forman los canales a través de los cuales fluyen los protones. Cada partícula F es un complejo enzimático ATP sintetasa con una porción F 0 anclada en la membrana de la cresta y una F 1 que sobresale hacia la matriz

43. Acoplamiento quimiosmótico

44. Acoplamiento quimiosmótico Cuando el flujo de protones pasa hacia la matriz, rota la partícula F y sintetiza ATP en el lado de la matriz. Por cada 3 protones que fluyen a través del complejo ATP sintetasa, se crea una molécula de ATP .

45. Acoplamiento quimiosmótico Como el flujo de protones es impulsado por el gradiente elctroquímico, el proceso tiene carácter quimiosmótico

46. Balance energético global

47. ATP producido por cada molécula de glucosa, en cada etapa de la respiración celular

48. Catabolismo Comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas, cuyo objetivo es obtener energía para que la célula realice sus funciones vitales Los organismos necesitan un aceptor final de electrones o hidrógenos en sus rutas de oxidación. Dependiendo quien sea el aceptor hablamos de Aerobios. El aceptor final es el oxígeno molecular (O 2 ) Anaerobios. Si el aceptor es otra molécula Todas las reacciones que desprenden energía en procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Toda oxidación requiere una reducción, por lo tanto, hablamos de reacciones redox Las oxidaciones van acompañadas de pérdidas de átomos de hidrógeno (un protón y un electrón por cada átomo de hidrógeno) Las moléculas que ceden átomos de hidrógeno se oxidan, mientras que los que las aceptan se reducen

49. Catabolismo anaerobio Cuando el último aceptor de los hidrógenos ( o de los electrones) no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla hablamos de fermentación En un mismo organismo pueden darse tanto rutas aerobias como anaerobias: la fibra muscular estriada en condiciones anaerobias produce ácido láctico (causante de las agujetas) En el mundo de los microorganismos es donde más diversidad de rutas fermentativas nos encontramos

50. Fermentación etílica Fundamental en vegetales, hongos y bacterias porque la enzima fundamental, alcohol deshidrogenasa reduce el acetaldehído a etanol. Saccharomyces cerevisiae (una levadura) es utilizada para la fabricación de bebidas alcohólicas En las levaduras es importante el efecto Pasteur. Inhiben el proceso fermentativo en presencia de oxígeno molecular. Si el oxígeno está disponible lo usan y degradan el pirúvico a CO 2 y agua El balance energético es mucho más favorable a la célula: 36 ATP por mol de glucosa frente a 2ATP obtenidos en la fermentación

51. Fermentación etílica

52. Fermentación Láctica Se origina ácido láctico a partir de pirúvico procedente de la glucólisis Las bacterias fermentativas ( como los “famosos” lactobacilos) se encuentran en la leche, intestino, mucosas animales… Homofermentativas: (sólo producen ácido láctico). Lactbacillus lactis, L.casei … Heterofermentativas: (producen ácido láctico y más cosas). Lactobacillus brevis, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus bifidus …

53. Fermentación Láctica

54. Otras rutas catabólicas El catabolismo consiste en transformar sustancias complejas en otras más simples Además de la degradación de glucosa, vamos a ver la oxidación de los ácidos grasos ( beta oxidación ) y la oxidación de los aminoácidos Ácido graso Aminoácido

55. Oxidación de ácidos grasos Los ácidos grasos suponen importantes depósitos de energía Lo primero es la hidrólisis de los triacilglicéridos en el citoplasma por las lipasas, originando glicerol + 3 ácidos grasos El glicerol se incorpora a la glucólisis tras una transformación Los ácidos grasos deben ser activados para oxidarse y esto lo hace la acil CoA sintetasa que une el ácido graso a la coenzima A El catabolismo de los ácidos grasos tiene lugar en la matriz mitcondrial (beta oxidación) Por tanto los ácidos grasos deben ser transportados , una vez activados a la matriz mitocondrial En el mecanismo de transporte de los ácidos grasos activados a través de la membrana interviene la carrnitina

56. Beta oxidación Oxidación del Acil CoA para formar enoil CoA Hidratación del doble enlace del enoil Oxidación que convierte el grupo hidroxilo en un grupo ceto Tiolisis formando Acetil CoA y un Acil CoA acortado en 2 átomos de carbono

57. Resumen de la beta oxidación A partir de un acil CoA, tras un ciclo de beta oxidación se obtiene: Acetil CoA Acil CoA con 2 átomos de Carbono menos que el inicial Este Acil CoA con 2 átomos menos sufre ciclos de beta oxidación hasta que se oxida completamente liberando tantos acetil CoA como permita su número par de átomos de carbono

58. Oxidación de aminoácidos

59. Fin de la presentación