metabolismo parte 1

METABOLISMO

• Heterótrofos

– Dependen de la energía química contenida en las

moléculas orgánicas sintetizadas por las plantas

– Sus células no pueden utilizar directamente la energía

de las moléculas orgánica.

• Transformación a energía utilizable en forma de ATP,

a través de Glucólisis y Respiración Celular.

METABOLISMO

Complementariedad entre fotosíntesis y respiración celular

CATABOLISMO DE LA GLUCOSA

• OBTENCIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE

COMPUESTOS ORGÁNICOS.

– CÉLULAS VEGETALES

– CÉLULAS ANIMALES

VÍAS DEL CATABOLISMO

• Autótrofos fijan energía solar como energía

química presente en:

• Permite la vida de los heterótrofos.

Respiración Celular

• Transporte de O2 desde el medio

ambiente a la mitocondría celular.

– Donde se realiza la respiración celular.


• Transferencia de sustratos reducidos

que cederán H+ y posteriormente

electrones hasta el O2 como aceptor

final.


• Proceso usado por células animales y

vegetales.

– Degradación de biomoléculas (glucosa,

lípidos, proteínas)

• Producción de energía.


• Células requieren un continuo

suministro de energía para:

–Síntesis de moléculas complejas

–Ejecución de trabajo mecánico

–Transporte de sustancias a través de

sus membranas.

VÍAS DEL CATABOLISMO

• Respiración celular aerobia y las

fermentaciones.

• Usadas para obtener energía contenida en

las sustancias orgánicas.

• Ambas vías, tienen una primera fase común:

la glucolisis.

• La respiración celular se divide en

distintas rutas con presencia o ausencia

de O2.

• Son la fuente de energía que se usa como

combustibles para llevar a cabo el metabolismo

celular. Están formadas por:

– Adenina

– Ribosa

– 3 grupos fosfatos

ATP

Hidrólisis del ATP

Captación

de energía

Liberación

de energía


• Oxidación de glucosa = fuente principal de

energía en la mayoría de las células.

• Degradación enzimática de la glucosa

– Liberación de energía contenida en la

molécula

• Captación energética por los enlaces

fosfato del ATP.

• ¿Las necesidades de ATP de las células

podrían ser cubiertas suministrándolo ATP

desde el exterior por ejemplo, por ingestión

o inyección?.


• En reposo, un adulto consume 40 kg de

ATP/día

• Con ejercicio intenso el gasto puede llegar a

500g/min.

• Costo de 1g de ATP purificado: U$20.

• Mantener a un adulto en reposo por suministro

exógeno de ATP costaría 800.000 dólares por

día

– Más U$10.000 por min. de actividad física intensa.


• Los sistemas vivos son expertos en

conversiones energéticas.

• Su organización les permite atrapar

esta energía libre, para el trabajo

célular.

Respiración celular• Una serie de reacciones mediante las cuales las

célula degrada moléculas orgánicas y produce

energía.

Respiración celular

• Glucolisis.

– Conjunto de reacciones enzimáticas que

convierten a la glucosa en piruvato

– Vía metabólica llevada a cabo por todas las

células del cuerpo humano.


• Glucolisis.

– Presente en MO simples

– Se considera la ruta metabólica más antigua

que usaron los seres vivos cuando aún en la

atmósfera había poco O2.


• Glucolisis.

• Existe fase anaerobia y aerobia.

– Las reacciones de la glucólisis son las

mismas.

– En ambas condiciones se produce ATP a

expensas de la energía química potencial

contenida en la glucosa


• Glucolisis.

– El rendimiento en condiciones anaeróbicas <

aerobiosis.

– A igual producción de energía, mayor

consumo de glucosa en fase anaeróbica que

aeróbica


• Glucolisis.

–No obstante, la característica de

proporcionar ATP en ausencia de

oxígeno es de gran importancia

biomédica


• Glucolisis.

–Ejemplo: músculo esquelético

• Tejidos con capacidad de realizar

glucólisis en anaerobiosis, sobreviven

a episodios de anoxia.


• Glucolisis:


• Glicolisis


• Glucolisis.– Piruvato

• Continua su degradación en la mitocondria,

produciendo mayor cantidad de energía.

• Es una fase preparativa, para la completa

oxidación del piruvato en CO2 y H2O en el ciclo

de Krebs


• Glucolisis

• ATP: fuente de energía universal de la célula.

• NADH y H+

• Otorgan capacidad de reducción de

compuestos de otras vías metabólicas

• Facilita la síntesis de ATP.

.


• Glucolisis: Reacciones glucolíticas

–Enzimas participantes se encuentran

libres en el citosol.

–La glucólisis ocurre en 3 fases principales.


• Glucolisis: Reacciones glucolíticas

1) Fase de preparación:

Glucosa + 2 ATP Fructosa-1,6-difosfato + 2ADP

2) Fase de partición o lisis:

Fructosa-1,6-difosfato 2 gliceraldehído 3-fosfato

3) Fase de oxidorreducción-fosforilación:2 gliceraldehído-3-fosfato + 3 ADP 2 Piruvato + 4ATP

GLUCOLISIS

• 1 Glucosa = 2 ácido pirúvico.

– Gasto: 2 ATP

– Producción: 4 ATP

– El H+ y e- se unen a una

coenzima NAD+ (nicotín

adenín dinucleótido ) y

forma NADH.

– Ocurre en el citoplasma.

– Es anaeróbica.

Fosforilación

1er ATP consumido

•Unión del fosfato mediante un

enlace fosfoéster

•La glucosa-6-P no pueda

volver a salir por la membrana

porque la fosforilación carga

negativamente a la molécula

Transformación de aldosa a la forma cetosa

Reacción reversible.

Fosfoglucosa isomerasa

Fosforilación

2do ATP consumido

La fructosa-1,6-difosfato es completamente simétrica. Reacción irreversibleEs la etapa más lenta de la glucólisis, producto de la acción enzimática.

Fosfofructocinasa

Son Isómeras

5%

95%

Equilibrio

Hasta ahora, se ha producido energía, y se han consumido dos moléculas de ATP.

La glucólisis se da a partir del gliceraldehido-3-P.

La desaparición continua de G3P transforma la DHAP en G3P.

Todo acaba siendo G3P.

Gliceraldehído - 3 - P

Fructosa 1,6-difosfsfatoAldolasa

Triosafosfato Isomerasa

2x

Estamos aquí!!!

Cada molécula de glucosa dará 2 moléculas de 1,3-DPGA y dos de NADH+H+.

Ocurre una oxidación del aldehído a ácido carboxilo

Produce un enzima que es capaz de incorporar un fosfato proveniente de 1 molécula de

Ácido fosfórico (H3PO4) al ácido carboxílico, del 1,3- difosfoglicérico

Formándose una molécula con alto contenido energético.

Gliceraldehido-3-Fosfatodeshidrogenasa

2x 2x

Di

Tri

Ácido – 3-fosfoglicerico

1er ATP producido

2x 2x

En un momento hay dos fosfatos, pero luego, se lo quita de la posición 3.Acción típica de mutasasSe hace para liberar el OH en la posición 3.

Ácido – 3-fosfoglicerico Ácido – 2-fosfoglicerico

Fosfogliceromutasa

2x2x

•Se produce la deshidratación del 2-fosfoglicérico

•Se transforma el alcohol en enol, por la enolasa.

•Es parecido a Pyruvato, pero con enol y un fosfato.

•Enolasa convierte al fosfato de la posición 2 a un estado de mayor energía,

formándose : fosfoenolpiruvato


Enolasa

Fosfoenolpiruvato

2x

2x

Piruvatocinasa

PyruvatoFosfoenolpiruvato

2x 2x

GLUCÓLISIS

ANÁLISIS ESTEQUIOMÉTRICO

Glucosa + 2Pi + 2 ADP + 2 NAD+ 2 Pyr + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

FASES DE LA GLICOLISIS

FASE I:

FASE II:

G 2 G3P

2 G3P 2P

2ATP

2 ADP

2 Pi 4 ADP

4 ATP

BALANCE ATPs:

C6 2 C3P

2 C3P 2 C3

-2 ATP

+4 ATP

NETO : +2 ATP

Tres destinos del piruvato producido en

glucolisis

Fermentación

Láctica

Fermentación

Alcohólica

Aeróbio

(Oxidación)

CARACTERÍSTICAS Y SIGNIFICADO

BIOLÓGICO DE LA GLUCOLISIS

• Se realiza tanto en procariotas como en

eucariotas.

– En eucariotas se realiza en el hialoplasma.

• Degradación parcial de la glucosa.

CARACTERÍSTICAS Y SIGNIFICADO

BIOLÓGICO DE LA GLUCOLISIS

• Se obtienen 2 ATP por mol de glucosa.

• Proceso anaerobio

– Obtención de energía a partir de compuestos

orgánicos en ausencia de oxígeno.

VÍAS DEL CATABOLISMO DEL

ÁCIDO PIRÚVICO

• Para evitar que se detenga la Glicolisis:

– Exceso Ác. Pirúvico y NADH + H+

– Déficit de NAD+

• Vías alternativas:

– Eliminación de productos obtenidos

– Recuperar sustratos imprescindibles

CATABOLISMO DEL ÁCIDO

PIRÚVICO

• Vías alternativas:

–Respiración aerobia

–Fermentación

Respiración celular aeróbica

• Es el conjunto de reacciones en las cuales el

acido piruvico producido por la glucólisis se

transforma en CO2 y H2O.

• En el proceso se producen 36 moléculas de ATP.

Respiración celular aeróbica

• En células eucariotas ocurre en la

mitocondria en dos etapas:

–Ciclo de Krebs

–Cadena de transporte de electrones.


• Glucolisis


(catabolismo aerobio)

• Descarboxilación oxidativa del piruvato

• El NADH+H+ y otras coenzimas

reductoras obtenidas son oxidadas

– Los electrones son transportados hacia el O2,

recuperándose el NAD+ y obteniéndose H2O.

RESPIRACIÓN CELULAR:

DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA

DEL ÁCIDO PIRÚVICO

• Con presencia de O2 ácido pirúvico

(glucolisis u otros procesos catabólicos)

penetra la matriz mitocondrial

– Va a sufrir un proceso químico de

descarboxilación oxidativa

• Producido por piruvato deshidrogenasa

– Descarboxilación: Pérdida de COO- y se va como CO2

– Oxidativa: Pérdida de 2 H+ (deshidrogenación), que

son captados por el NAD+, que se reduce a NADH.


DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL

ÁCIDO PIRÚVICO

El piruvato se transforma en un radical acetilo (ácido

acético sin OH) que es captado por el coenzima A (que

pasa a acetil-CoA), que es el encargado de transportarlo al

ciclo de Krebs

Este proceso se repite dos veces, una para cada molécula de piruvato

en que se escindió la glucosa.


DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO

PIRÚVICO

RESPIRACIÓN CELULAR

MITOCONDRIAS:

• Aspecto:

– Son orgánulos muy pequeños

– Difíciles de observar al microscopio óptico

– Son orgánulos permanentes de la célula

– Se forman a partir de otras mitocondrias

preexistentes

RESPIRACIÓN CELULAR

Forma y número:

Hasta 20000 por cada célula

Suelen tener forma elíptica

Filamentosas u ovoides

Longitud de 1 a 7 um

Diametro de 0,5 um

La forma y tamaño dependen de las condiciones fisiologicas de la celula

•Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del citrato.

•Incorpora el Acetil del Acetil Co-Enzima-A sobre un

oxaloacetato

Ciclo de Krebs

•Reducciones: NAD a NADH y de FAD a FADH.

•Es un proceso central en el metabolismo de carbohidratos y

de lípidos y de muchos aminoácidos.

Ciclo de Krebs

RESPIRACION CELULAR

FASE I

FASE II

FASE III

Producción:

4 CO2, 6NADH, 2FADH y 2 ATP por

cada molecula inicial de glucosa

Oxaloacetato + acetil CoA Citrato + CoA

Ciclo de Krebs

Enzimas :

1. Citrato sintasa

2. Aconitasa

3. Isocitrato deshidrogenasa

4. -cetoglutarato deshidrogenesa

5. Succinil-S-CoA sintetasa

6. Succinato deshidrogensa

7. Fumarasa

8. Malato deshidrogenasa

CICLO

DE

KREBS

Ciclo de Krebs

Reacciones del Ciclo de Krebs

Carácter

anfibólico del

ciclo

Intermediarios del ciclo de Krebs

• Citrato Ácidos grasos

• α – ketoglutarato Aminoácidos

• Malato Glucosa

• Oxaloacetato Malato

• Succinil CoA Porfirinas

Intermediarios del ciclo de Krebs• Existen 4 lugares principales en donde los

esqueletos de carbono nuevos entran el ciclo deKrebs

– Fumarato

– Oxaloacetato

– α – ketoglutarato

– Succinil CoA

• Algunos precursores: Aa, ácidos grasos, etc.

Rutas anapleróticas

• Definición: rellenar (“to fill up”)

– Son reacciones catalizada por enzimas que permite

reponer intermediarios del ciclo de Krebs

– Importancia: mantienen el balance metabólico

Vías anapleróticas

Reacciones anapleróticasPEP carboxilasa

Convierte PEP a oxaloacetato utilizando una

molécula de CO2

Ejemplos:

Salmonella typhimurium Escherichia coli

Reacciones anapleróticas

Piruvato carboxilasa

Convierte piruvato a oxaloacetato utilizando ATP y Biotina

Ejemplos:

Arthrobacter globiformis Sacharomyces cerevisiae

Rutas anapleróticas

• Enzima Málica

– Convierte piruvato a malato y el ciclo de Krebs lo lleva hasta oxaloacetato

Ciclo de Krebs: procesos anapleróticos

• Piruvato carboxilasa:

– Enzima de la gluconeogénesis que cataliza la

carboxilación de piruvato a oxalacetato:


• Fosfoenolpiruvato carboxilasa:

– Ruta alternativa de generar OAA en plantas y

bacterias


• Malato deshidrogenasa o enzima málica:

– Depende de NADP+

– Carboxila y reduce el piruvato, transformándolo en

malato:


• El oxalacetato es el intermediario con mayor

demanda del ciclo de krebs.

• Existen momentos con alta demanda de oxalacetato

para formar compuestos fuera del ciclo:

– Aa aspartato, o fosfoenolpiruvato

(gluconeogénesis)

Incorporación de Aa al ciclo de Krebs:Desaminación oxidativa y formación de GABA

• Ácido gama-aminobutírico (GABA):

– Formado por descarboxilación del ácido glutámico

– Proviene de la transaminación del a-cetoglutarato.

• Es un Neurotransmisor inhibidor

• Formado en una vía colateral al ciclo de Krebs

– Presente en neuronas inhibidoras del cerebro


ActividadActividad

acidosis pirúvicacongénita

Convulsiones

Caso clínico:

• Paciente femenina de 4 años de edad:

– Retraso somático y psicomotor profundo con

problemas de deglución

– Convulsiones con frecuencia de varias crisis al día

– Atrofia cortical y subcortical (microcefalia)

– Antecedentes de hipoxia neonatal prolongada con

cianosis

Caso clínico:


– Niveles Inferior a lo normal de biotina en plasma

– Nunca ha tenido manifestaciones clínicas ni

químicas de acidosis metabólica ni cetosis.

Caso clínico:


– Estudios metabólicos demostraron

elevación anormal, en plasma y orina, de

alanina y ácidos pirúvico y láctico.

Caso clínico:

• Comentarios:

– Inicialmente se pensó en una deficiencia de

piruvato deshidrogenasa

• Se prescribió una dieta cetogénica (60% de las

calorías provistas por grasas) y dosis altas de

tiamina (300-mg/día).

Caso clínico:

• Comentarios:

– Se cree que una dieta cetogénica se asocia a

mejoría clínica y bioquímica en pacientes con

deficiencia de PDH, al proveer de acetil-CoA a

través de una vía (beta-oxidación) que no está

bloqueada.

Caso clínico:

• Comentarios:

– No se observó mejoría bioquímica o clínica

– Se decidió administrar dosis altas de biotina (10 mg

al día) cofactor de la piruvato carboxilasa

– Suplemento de ácidos aspártico y glutámico con

objeto de proveer sustratos adicionales al ciclo de

Krebs.

Caso clínico:

Dieta

Biotina

Caso clínico:

Caso clínico tomado de: Velázquez, A y cois.

Piruvato carboxilasa deficiente que responde a biotina.

Reunión reglamentaria de la Asociación de Investigación

Pediátrica, A. C. Pg. 248-265, 1990,

Vías anapleróticas

Ciclo de glioxilato

• Definición: variante del ciclo de Krebs para la

conversión neta de acetato a succinato y

eventualmente la producción de carbohidratos

– Requerido por bacterias aeróbicas para crecer con

ácidos grasos y acetato

– Presente en plantas y protozoos; ausente en

animales

Ciclo de Krebs y ciclo de glioxilato

• Los pasos de las descarboxilaciones no se

llevan acabo

• Un acetato adicional es utilizado

Ciclo de Krebs y ciclo de glioxilato

Ciclo de Krebs y ciclo de glioxilatoEnzimas exclusivas del ciclo de glioxilato

Ciclo de glioxilato

Ciclo de glioxilato

Reacción neta:

Importancia: Produce glucosa partiendo de acetato, permitiendo a las células crecer

en ambientes bien míninos


• Cadena transportadora de electrones

Cadena de transporte de

electrones

• Fosforilación Oxidativa

–Última etapa del catabolismo

–Ocurre en la membrana mitocondrial

interna o cresta mitocondrial.


electrones

• Fosforilación Oxidativa

– Las coenzimas reducidas: NADH y FADH2 (glucólisis,

acetilación y ciclo de Krebs)

• Son oxidados, entregando sus electrones a los

componentes de la cadena transportadora de

electrones.

• El último aceptor de los electrones es el oxígeno

con quienes se une para formar agua.


electrones

• Conjunto de moléculas transportadoras de electrones

presentes a nivel de las crestas mitocondriales.

• La circulación de electrones por la cadena respiratoria

se produce mediante reacciones Redox, ordenadas en

serie.

• El potencial electroquímico proporciona al complejo ATP

sintetasa la energía necesaria para la formación de ATP.

[Membranas Mitocondriales]


electrones

• El NADH y FADH ponen en marcha la cadena

transportadora de electrones y la fosforilación

oxidativa.

1 NADH = 3 ATP

1 FADH = 2 ATP

Cadena transportadora de electrones en la Mitocondria

FMN: flavina mononucleótido

CoQ: coenzima Q

Citocromos b, c, a y a3


NADH

FMN cede los electrones al CoQ

FMN vuelve así a su forma oxidadaListo para recibir otro par de electrones

ENERGÍA


NADH

CoQ pasa los electrones al siguiente aceptor, y vuelve a su forma oxidada

ENERGÍA

Cadena transportadora de electrones

¿Porqué el FADH2 produce menos ATP que el NADH?

Cadena transportadora de electrones

• Los electrones

transportados por el

FADH2 entran más

abajo en la cadena de

transporte, a la altura

de la CoQ.

FADH2

Cadena de transporte de electrones

• El NADH transfiere iones H+ y electrones dentro de la

cadena transportadora de electrones.


• Los protones son translocados a través de la

membrana, desde la matriz hasta el espacio

intermembranal.


• Los electrones son transportados a lo largo de la

membrana, por medio de una serie de proteinas

transportadoras.


• Oxigeno:

– Aceptor final del electrón

– Combinación con electrones e iones H+ = H2O


• Si NADH proporciona mas H+ y e- a la Cadena

Transportadora de electrones:

– Incremento del gradiente de protones

• H+ se mantienen externamente a la membrana

interna de la mitocondria, y los OH- dentro.

La cadena de transporte de electrones

• El gradiente de protones se produce producto de la entrada

de NADH a la cadena transportadora de electrones .

• Los protones se acumulan en el espacio intermembranal

– Gradiente de concentración utilizado para producir ATP


• Los Protones entran nuevamente en la matriz mitocondrial a

través de los canales que forma el complejo enzimático de

la ATP sintetasa.

• Síntesis de ATP a partir de ADP y Fosfato (Pi)

[Membranas Mitocondriales]

Membranas Mitocondriales


electrones• El ultimo aceptador de electrones de la

cadena de O2.

• En la cadena se producen 34 moléculas

de ATP a partir de una molécula inicial de

glucosa.


• Producción de ATP por cada glucosa:

– Cadena transportadora de e-: 34 moléculas de

ATP

– Glucólisis: 2 ATP

– Ciclo del ácido cítrico: 2 ATP

Ganancia neta de 36 ATP por cada glucosa que

se degrada en CO2 y H2O.

Esquema general de la degradación de la glucosa: Glucólisis,

Ciclo de Krebs y Cadena transportadora de electrones.


electronesVía Trayecto Citosol Matriz

mitocondrialTransporte electrónico

Total

Glucólisis Glucosa a Ácido

piruvico

2ATP 6 ATP 2 ATP

2 NADH 6 ATP


Ácido pirúvico a acetil CoA

2 x (NADH) 2x (3 ATP) 6 ATP

Ciclo de Krebs

2 x (1ATP) 2 x (9 ATP) 2 ATP

2x (NADH) 2 x (2 ATP) 18 ATP

2 x (FADH2) 4 ATP

•El balance de 36 ó 38 ATP depende de la célula:

•Células hepáticas generan 36 ATP

•Células musculares 38 ATP.

Fosforilación

IMPORTANTE:

Almacenarse como glucógeno

Degradarse vía piruvato

Convertirse en ribosa-5-fosfato

•Cuando se requiere que el hígado libere glucosa, interviene la glucosa-6-

fosfatasa

•Presente mayoritariamente en hígado y menor grado en el riñón.

•Solo el hígado es capaz de liberar glucosa a expensas de glucógeno.

•La fosforilación en el cerebro no fluctúa con los niveles de glucosa sanguínea

•Tiene asegurado un aporte constante de glucosa-6-fosfato.

IMPORTANTE:

•La enolasa es inhibida por el F-, bloquea la glucólisis.

•Reduce la acidogénesis (descensos de pH).

•Disminución de los productos metabólicos de la glucolisis


Enolasa

Fosfoenolpiruvato

F-

Pyruvato

Piruvatocinasa

Fosfoenolpiruvato

Aplicaciones: Anemia hemolítica.

•Déficit de piruvato cinasa

•Defecto genético más común de la vía glucolítica•Producción de ATP en eritrocitos maduros depende sólo de la glucólisis.•ATP es necesario para:

•Isotonicidad del eritrocito (bombas Na+, K+, ATPasa)•Mantienen forma bicóncava que los desliza por los capilares.

Efecto:Sin ATP que expulse Na+, las células se hinchan y se lisan.La anemia por destrucción excesiva de eritrocitos = Anemia hemolítica.

Isotonicidad

• Relación Isotonicidad / Osmolaridad

– Osmolaridad: intercambio de agua a través de una

membrana permeable, donde los solutos no lo

pueden atravesar.

– Isotonicidad: Concentracion de solvente en ambos

lados de la membrana se iguala por el intercambio

de agua

Aplicaciones: Otros casos de anemia hemolítica.

• Deficiencia de:

•Glucosa-6-P deshidrogenasa

•Hexosafosfatoisomerasa

•Fosfofructocinasa-1

•Triosafosfatoisomerasa

•2, 3-difosfogliceromutasa

•Fosfogliceromutasa

•Fosfoglicerato cinasa.

Con excepción de la deficiencia de piruvato cinasa, todas las demás

son extremadamente raras.

Piruvato

• Opciones celulares:

– Descarboxilación oxidativa: acetil-CoA (mitocondrias)

– Puede transaminarse y formar el aminoácido alanina.

– Por carboxilación el piruvato se transforma en

oxalacetato lo cual constituye una de las etapas de la

gluconeogénesis. (vía anaplerótíca del ciclo de

Krebs).

Piruvato

• Opciones celulares:

– En las levaduras, el ácido pirúvico puede

continuar anaeróbicamente hasta etanol y

CO2.

PiruvatoOpciones celulares:

• Desde el punto de vista de la glucólisis

– Transformación en lactato, catalizada por la

deshidrogenasa láctica (LDH).

– Aporta el NAD+ oxidado para la reacción de Aldehído

3-fosfoglicerico a 1,3-difosfoglicerato (Continuidad

glucolítica).

Continuidad de

la glucólisis

NOTA: La glucólisis en los

eritrocitos, aun en

condiciones aeróbicas,

termina siempre en

lactato porque carecen

de mitocondrias para

la oxidación aerobia del

piruvato.

metabolismo parte 1

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