METABOLISMO

 

METABOLISMO

 

METABOLISMO 

Definición: Todas las reacciones bioquímicas que ocurren en una célula para poder producir energía.



Las reacciones metabólicas son reacciones químicas que tienen lugar entre moléculas dentro de los organismos vivos. Todos los procesos vitales se llevan a cabo a través de reacciones metabólicas.

 

METABOLISMO 

Las reacciones metabólicas:



Son secuenciales. Es decir, el producto final de una reacción es el origen de la siguiente. Por este motivo también se denominan vías metabólicas o rutas metabólicas. A las sustancias intermedias que intervienen en la reacción r eacción se les denomina Metabolito, Metabolito, mientras que a la inicial, Sustrato y a la final Producto. Pueden ramificarse



Puede ser convergentes o divergentes



Son comunes a la mayoría de los seres vivos. (Lo que





demuestra un origen común). Todas las reacciones metabólicas son catalizadas por Enzimas. Cada reacción es mediada por una enzima diferente.

 

METABOLISMO 

Hay dos tipos de rutas: 

ANABÓLICAS: Son reacciones donde las moléculas sencillas se unen para formar moléculas complejas. Por tanto son constructivas y requieren para ello energía (que se proporciona en forma de ATP). Además reacciones delas reducción (el poder reductorson lo proporcionan coenzimas)



CATABÓLICAS: Son reacciones donde se degradan moléculas complejas y se obtienen las moléculas sencillas de las que se componen. Por tanto son reacciones de destrucción, de rotura de enlaces de desprenden energía química, que se almacena en forma de ATP. También son reacciones oxidativas, donde se liberan electrones y protones que se guardan en las coenzimas.

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. 

Las enzimas son biocatalizadores, es decir, catalizadores biológicos que aumentan la velocidad de las reacciones metabólicas. Químicamente son proteínas.



De acuerdo a su complejidad las enzimas se clasifican como: 

En las proteínas conjugadas podemos distinguir dos partes: 

Apoencima: Parte proteica.

SIMPLES Formadas por una o más cadenas polipeptídicas

CONJUGADAS Contienen por lo menos un grupo no proteico enlazado a la cadena



Cofactor: Parte no proteica llamado también Grupo Prostético. Apoenzima + cofactor = Holoenzima 

Los cofactores pueden ser: 

Iones metálicos: Ejemplos: Fe2+, Mg2+, Cu2+, K+, Na+ y Zn2+



La mayoría de los otrosdecofactores coenzimas cuales generalmente son compuestos orgánicos bajo pesoson molecular, porlas ejemplo, las vitaminas del complejo “B” son coenzimas que se requieren para una respiración celular adecuada.

polipeptídica

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. 

Las características de las enzimas son las siguientes: 

Aceleran la reacción



Se desnaturalizan (al ser proteínas)



Tienen una alta especificidad, ya que sólo reaccionan sobre un sustrato (moléculas a las que se unen). Para cada sustrato hay una enzima diferente



No se consumen en la reacción por lo que pueden actuar repetidamente



Su temperatura óptima de actuación es a la del ser vivo donde se encuentren

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES Mecanismo de las reacciones enzimáticas: 

Una reacción química se produce por la rotura de unos enlaces (del reactivo) y la creación de otros nuevos (del producto). El estado en el que se han roto los enlaces pero todavía no se han formado los nuevos se denomina “estado “estado de transición”. transición”.



Para alcanzar el estado de transición (y para que así se produzca la reacción) se necesita una cantidad de energía denominada Energía de activación. activación.



En ciertas reacciones (espontáneas) esta energía es muy baja. En otras reacciones es muy alta y se necesita aplicar calor para alcanzarla.

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES Una reacción catalizada por enzimas se desarrolla en tres etapas: 1.

Unión del sustrato a la enzima para formar el “complejo enzimasustrato” ([ES]). Esta unión es muy específica. Se debe a la estructura de la enzima (proteína) que tiene una zona física denominada “centro activo” donde seunión acoplaesfísicamente (“Modelo cerradura). Esta reversible, el porsustrato lo que es lenta. llave-

2.

Se lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto. Esta etapa es muy rápida e irreversible.

3.

El producto se libera del centro activo y la enzima queda libre para nuevas reacciones (no se ha consumido).

 

MATABOLISMO:BIOCATALIZADORES CINÉTICA ENZIMÁTICA

Vmax  Todas las enzimas están ocupadas. La etapa ES es la que limita la velocidad.

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 



Concentración del sustrato: A más sustrato mayor velocidad, hasta alcanzar la velocidad máxima El pH. Cada enzima tiene un pH al cuál la velocidad es máxima. Este pH se denomina pH óptimo. Por encima o debajo de este pH, la enzima va más lenta debido a que se desnaturaliza.



La cual Temperatura. Al igual que el Por pH, debajo, hay una la temperatura óptima a la la velocidad es máxima. enzima va más despacio aunque sigue funcionando, pero por encima, la enzima se desnaturaliza y la velocidad se hace cero.

 

METABOLIMO: BIOCATALIZADORES. MECANISMOS PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA ENZIMÁTICA. 



Compartimentación celular: las enzimas están en las membranas de los orgánulos y actúan mejor que si estuvieran sueltas ( y juntas en el citoplasma) Reacciones en cascada: cuando el producto de una reacción actúa de enzima para otra reacción nueva y así sucesivamente, de modo que cada vez hay más moléculas



Complejos multienzimáticos: agrupaciones que llevan a cabo reacciones consecutivas en una de rutaenzimas metabólica 

Existencia de Isozimas. Son enzimas con la misma acción pero distinta velocidad (distinta KM) y se utilizan según se precise una velocidad u otra

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. No siempre interesa que todas las enzimas estén funcionando a la vez, por lo que es necesaria una regulación de su actividad. Esto se hace por varios mecanismos: 1.

Activación enzimática. Se utilizan moléculas conocidas como Activadores, que hacen que enzimas inactivas comiencen a funcionar, desencadenan la catálisis enzimática. Por ejemplo pueden ser cationes como el Mg+2 o Ca+2 , moléculas orgánicas o la presencia pr esencia del propio sustrato.

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. Inhibidor + centro activo

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. No siempre interesa que todas las enzimas estén funcionando a la vez, por lo que es necesaria una regulación de su actividad. Esto se hace por p or varios mecanismos: 2.

Inhibición enzimática: Disminuyen Disminuyen o anulan la actividad enzimática. serfinal. iones, moléculas orgánicas o la presencia delPueden producto

En este último caso se produce un “Feed-back” o retroalimentación, retroaliment ación, ya que al no ser necesario más producto, esté mismo actúa como inhibidor. Los inhibidores competitivos son sustancias, químicamente similares a los se unen al centroesactivo impidiendo quesustratos, se una el que sustrato. El proceso reversible y depende de la cantidad de sustrato y de inhibidor, pues ambos luchan por la enzima.

 sustrato

NO centro activo

Competitiva

Inhibidor + enzima   puente de H. enzima recupera actividad

Reversible No competitiva Inhibidor + otra zona de la enzima centro activo



Irreversible Inhibidor permanentemente con la enzima por enlace covalente

  cambia

sustrato NO centro activo

estructura del

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. No siempre interesa que todas las enzimas estén funcionando a la vez, por lo que es necesaria una regulación de su actividad. Esto se hace por varios mecanismos: 3.

Alosterismo. Las enzimas alostéricas catalizan algunas reacciones importantes, presentan las siguientes características: 1.

Varias subunidades  estructura cuaternaria

2.

Poseen varios sitios para la unión de activadores o inhibidores

3.

Forma o estado R  alta afinidad por sustrato (activadores)

4.

Forma o estado T  baja afinidad por sustrato (inhibidores)

5.

Efecto alostérico: activación activación o inhibición de una  pasa en las demás.

 

METABOLISMO: BIOCATALIZADORES.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. DEFINICIÓN: Conjunto de reacciones de degradación de moléculas orgánicas complejas para obtener energía y poder reductor, además de moléculas sencillas (precursores metabólicos) para el anabolismo. Se libera:  Energía utilizable por la célula. Se producen degradaciones oxidativas (mediante enzimas oxidativas). Al romper enlaces se obtiene su energía química y esta se guarda en forma de ATP (que será utilizada en el anabolismo) 

Poder reductor. Al ser oxidaciones se liberan protones (H+) que se almacenan en moléculas transportadoras de hidrógenos (NAD+ , NADP+ O FAD) que posteriormente las cederán en los procesos de reducción del anabolismo.



Moléculas sencillas. Precursores metabólicos o metabolitos a partir de los cuales se sintetizan otras más complejas en el anabolismo.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. 

Tipos: La oxidación de los compuestos orgánicos puede ser realizada por los seres vivos mediante dos procesos: 

Fermentaciones: se produce una oxidación incompleta de la Fermentaciones: materia orgánica compleja a materia orgánica sencilla (que podría seguir oxidándose), con lo que se obtiene poca cantidad de energía.



Respiración celular: celular: se produce una oxidación completa de la materia orgánica hasta materia inorgánica, (CO2), con lo que se libera toda la energía posible.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. Vías del catabolismo: Los fijan laorganismos energía solarautótrofos en forma de energía química contenida en los compuestos orgánicos, glucosa en particular. Esta energía convenientemente liberada, será utilizada posteriormente por las partes de la planta que no tienen cloroplastos, como suele ser el caso de raíces y tallos no verdes, o por toda la planta cuando falta la energía solar. Es también esta energía la que permite la vida de los organismos heterótrofos. La respiración celular y las fermentaciones son las vías catabólicas más corrientes para la obtención de la energía contenida en las sustancias argónicas. Ambas vías, tienen la primera fase

Glucólisis Dos fases: •

•

Respiración celular o fermentaciones.

común: la glucólisis.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. GLUCÓLISIS. 

Es llevada a cabo por prácticamente todos los seres vivos. Es universal.



Se realiza en el citoplasma celular.

 

Es la ruta previa tanto a respiración como a fermentaciones. Es anaeróbica, con lo que se demuestra que es una de las rutas más antiguas.



Se obtiene ATP y Piruvato.



La obtención de ATP es mediante fosforilaciones a nivel de sustrato (a utiliza partir de unsintetizar compuesto A+P se obtiene otro compuesto A y el P se para ATP a partir del ADP)



El proceso consiste en 10 reacciones metabólicas catalizadas por enzimas.



El rendimiento energético neto es : 2 ATP (4ATP producidos – 2ATP invertidos) y 2 NADH por cada molécula de glucosa. A esto hay que añadir las dos moléculas de Acido Pirúvico finales. Esto es una baja eficiencia energética.

fosfofructocinasa

 

METABOLISMO: CATABOLISMO.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. RESPIRACIÓN AERÓBIA Son los procesos posteriores a la glucólisis en los que se produce la oxidación total del piruvato, producto de la glucólisis. Varias etapas: 1.

Formación del Acetil-Coenzima A o descarboxilación del Piruvato

2.

Ciclo de Krebs

3.

Fosforilación oxidativa

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. RESPIRACIÓN AERÓBIA 1.

Formación del Acetil-Coenzima A o descarboxilación del Piruvato. 

Piruvato  Acetil CoA. Esto ocurre en el interior de la mitocondria por lo que el piruvato debe atravesar las membranas mitocondriales. Es catalizado por la enzima Piruvato-deshidrogenasa Piruvato-deshidrogenasa..



Se produce una descarboxilación oxidativa (pérdida de un C que pasa a formar CO2 y obtención de NADH).



El Acetil CoA terminará oxidándose en la siguiente etapa, el ciclo de Krebs.



Balance:



Dos moléculas de piruvato se convierten en dos moléculas mo léculas de Acetil CoA.



Se liberan dos carbonos como dióxido de carbono



Se generan 2 NADH a partir de NAD+

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. RESPIRACIÓN AERÓBIA 2.

Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos. 

Son una serie de reacciones cíclicas que oxidan completamente el Acetil-CoA hasta CO2.



Los electrones que se liberan en las oxidaciones generan FADH2. poder reductor en forma de NADH y



Ocurre en la matriz mitocondrial. mitocondrial.



Son ocho reacciones que parten del citrato y terminan restaurando el citrato de nuevo.



El rendimiento completo de una vuelta (1 molécula de Acetil-CoA): 

1 molécula de GTP

equivale a ATP



4 moléculas reductoras (3 NADH y 1 FADH2)



2 moléculas de CO2 (que corresponden a los dos carbonos del Acetil-CoA completamente oxidados)

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. RESPIRACIÓN AERÓBIA 3.

Fosforilación oxidativa. 

Mecanismo de síntesis de ATP en la respiración aerobia.



Ocurre en la membrana mitocondrial interna.



Se produce una síntesis de ATP mediante la unión de Pi al ADP más la energía suministrada por el transporte de electrones liberados en las oxidaciones anteriores.



Se produce una reacción oxidativa: NADH + H+ + ½O2  NAD+ + H2O + ENERGÍA



Esta oxidación del NADH no tiene lugar de forma sencilla.



Los electrones



La cadena está localizada en la membrana mitocondrial interna. La energía se va liberando a “saltos” desde un transportador a otro. La energía liberada se emplea para bombear protones desde la matriz mitocondrial  espacio intermembranoso (Teoría Quimiosmótica) en contra de gradiente quimiosmótico.



 mediados

por proteínas transportadoras  Oxígeno.

La vuelta los protones a la matriz a favordedelasgradiente seF), realiza a través delde complejo ATP sintetasa (enzima partículas que se

•

•

Rendimiento energético: 1 NADH oxidado  3 moléculas de ATP 1 FADH oxidado  2 moléculas de ATP

activa y forma ATP a partir del ADP.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO RENDIMIENTO ENERGÉTICO MÁXIMO OBTENIDO POR LA OXIDACIÓN COMPLETA DE UNA MOLÉCULA DE GLUCOSA.

 

METABOLISMO: CATABOLISMO FERMENTACIONES  

Condiciones anaerobias  primeros organismos de la Tierra Bacterias y levaduras de ambientes anoxigénicos  actualidad



Algunas eucariotas cuando no tienen suficiente oxígeno  agujetas



Oxidación incompleta  no se libera toda la energía que contienen.



Síntesis de ATP  fosforilación a nivel de sustrato, NO fosforilación oxidativa.



Comienza con la glucólisis y según el producto final:

1. 2.

Fermentación láctica Fermentación alcohólica RENDIMIENTO ENERGÉTICO 1 GLUCOSA  2 ATP

 

METABOLISMO: CATABOLISMO FERMENTACIONES. 1.

Poder reductor

FERMENTACIÓN LÁCTICA. 

Generos Lactobacillus y Lactococcus



Células musculares en ausencia de oxígeno

 agujetas



Glucosa  2piruvato + 2ATP + 2NADH (Glucólisis) 

2Piruvato + 2NADH  2lactato + 2NAD

Proceso aprovechado por la industria para fabricar queso, yogurt…

 

METABOLISMO: CATABOLISMO. FERMENTACIONES 2.

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA  Levaduras como Sacharomyces cerevisiae 

Glucosa  2Piruvato + 2ATP+ 2NADH



2Piruvato  2Acetaldehído + 2CO2 2Acetaldehído + 2NADH  2etanol



 

METABOLISMO: ANABOLISMO. ANABOLISMO: conjunto de procesos bioquímicos mediante los cuales las células sintetizan las sustancias (biomoléculas) que las forman. Necesitan: 

Aporte de energía (ATP  ADP + P + E)



Aporte de electrones y protones (NADH y NADPH  NAD+ y NADP+



Dos tipos: 

Fotosíntesis: energía solar



Quimiosíntesis: energía química

 

FOTOSÍNTESIS.

METABOLISMO: ANABOLISMO.

Proceso anabólico que consiste en transformar la energía solar en energía química (ATP) con la que sintetizar moléculas orgánicas a partir de inorgánicas.   

MI  Productores primarios   MO Fotosíntesis  aparición del oxígeno atmosférico y el cierre del ciclo de la materia. Tipos:

Oxigénica: libera O2 procedente del agua. Plantas y cianobacterias. (la que vamos a estudiar) 2. Anoxigénica: no agua, no O2. Bacterias. 1.



OXIGÉNICA 

Fase lumínica: Se realiza en los tilacoides de los cloroplastos. Necesita luz (fotorreceptores). Se obtiene ATP y NADPH



Fase oscura: No necesita luz (pero puede realizarse en su presencia). Síntesis de compuestos orgánicos a partir de CO2, utilizando el ATP y el NADPH. Tiene lugar en el estroma del cloroplasto.

 

MATABOLISMO: ANABOLISMO. FOTOSÍNTESIS

 

MATABOLISMO: ANABOLISMO. FOTOSÍNTESIS 1.

FASE LUMÍNICA. Tres procesos:



A.

Captación de la energía luminosa

B.

Transporte de electrones dependiente de la luz

C.

Síntesis de ATP o fosforilación.

CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA LUMINOSA. 

Luz  pigmentos de la membrana tilacoidal (ficobilinas, ficoeritrinas y ficocianinas en bacterias y clorofilas y carotenoides en plantas. 

Clorofilas: clorofila a y clorofila b



Carotenoides: b-carotenos y xantofilas

Estos pigmentos se encuentran asociados a proteínas formando los complejos antena, captan la luz y la pasan al centro de reacción o Fotosistema. Hay dos Fotosistemas: fotosistema I, fotosistema II

 

MATABOLISMO: ANABOLISMO. FOTOSÍNTESIS 1.

FASE LUMÍNICA. Tres procesos:



A.

Captación de la energía luminosa

B.

Transporte de electrones dependiente de la luz

C.

Síntesis de ATP o fosforilación.

TRANSPORTE DE ELECTRONES DEPENDIENTE DE LA LUZ. 



Los electrones procedentes del dador de electrones e lectrones (H2O) son impulsados por la energía de la luz (fotones) hacia niveles energéticos más altos. H2O  fotólisis del agua  cede electrones, protones y libera oxígeno.



Los electrones excitados  proteínas transportadoras (membranas tilacoidales) tilacoidales)



Los electrones van descendiendo del nivel energético ener gético hasta un aceptor final, que es el poder reductor  NADPH



Este flujo de electrones puede ser:

 

MATABOLISMO: ANABOLISMO. ABIERTO: Intervienen los dos fotosistemas (I y II), el dador de electrones es el agua y el aceptor el NADPH. Se libera oxígeno y poder reductor.

CERRADO: Interviene solo el fotosistema I, no hay agua como dador de electrones y por tanto no se libera oxígeno y tampoco se genera podersereductor, únicamente ATP. (Este último da cuando la célula requiere una mayor demanda de ATP)

 

MATABOLISMO: ANABOLISMO. FOTOSÍNTESIS 1.

FASE LUMÍNICA. Tres procesos:



A.

Captación de la energía luminosa

B.

Transporte de electrones dependiente de la luz

C.

Síntesis de ATP o fosforilación.

SÍNTESIS DE ATP O FOTOFOSFORILACIÓN. 

La energía que se va perdiendo por el descenso de los electrones cadenadel de agua transporte para “bombear”por los la protones desde se el utiliza estroma hacia el espacio interior del tilacoide, creando un gradiente de protones.



Para equilibrar de nuevo el gradiente, los protones tienden a salir del espacio tilacoidal, pero lo hacen por las ATPasas, que se ponen en marcha y generan ATP

METABOLISMO: ANABOLISMO

 

2.

Fase oscura.



En el estroma de los cloroplastos.



CO2  glucosa



Fijación del CO2  el C se incorpora a la materia orgánica.



Ciclo de Calvin  poder reductor + ATP de la fase lumínica para sintetizar compuestos orgánicos.



Tres fases: 

Fijación del CO2. Se incorpora un átomo de C del CO2 a la pentosa Ribulosa 1-5- bifosfato, catalizado por la enzima Ribulosa 1-5-bifosfato- carboxilasa (Rubisco). Esta enzima es la más abundante del planeta. Se obtienen dos moléculas de 3- fosfoglicerato.



Reducción del C procedente del CO2. Primero ocurre una fosforilación, con gasto de 2 ATP, obteniéndose moléculas Después tiene lugar reducción propiamente dicha,2con el gastode de1,3-bifosfoglicerato. 2 NADPH y obteniéndose 2 moléculas de la gliceraldehido 3-P. Estas moléculas siguen dos caminos. Por un lado se obtiene 1 C para la creación de 1 hexosa (Fructosa concretamente) y por otro lado los 5 C restantes sirven para regenerar la Ribulosa 1,5-bifostato.



Regeneración de la Ribulosa 1,5-bifosfato para cerrar el ciclo. Se produce por la adicción de una molécula de ATP.



Para crear una hexosa (6C) se necesitan 6 vueltas.

 

METABOLISMO: ANABOLISMO

Cada 6 vueltas del Ciclo de Calvin

 6CO2

+ 12 NADPH + 18 ATP

 

METABOLISMO: ANABOLISMO



Si la concentración de CO2 en la planta es baja y la de O2 es alta, Rubisco actúa como oxigenasa, generándose CO2 + H2O.  FOTORESPIRACIÓN



Principalmente en climas cálidos donde las plantas tienen que cerrar estomas para evitar la evapotranspiración hacen que descienda la concentración de CO2 descienda y por tanto realizan fotorrespiración en lugar de fotosíntesis. Para solucionar este problema se han adaptado modificando sus hojas, endureciéndolas o incluso transformándolas en espinas. Estas plantas adaptadas se conocen como plantas C4.

 

METABOLISMO: ANABOLISMO. 

Factores que influyen en la fotosíntesis

A.

Luz. . Cada planta se adapta a una intensidad lumínica y a una longitud de onda de la luz, dependiendo de su hábitat. A mayor intensidad lumínica, mayor intensidad fotosintética.

B.

Concentración de CO2. Al aumentar la misma, aumenta la fotosíntesis, hasta la saturación de la Rubisco

C.

Humedad. Si hay baja humedad, la planta cierra los estomas y entonces baja la concentración de CO2 y se produce por tanto fotorrespiración.

D.

Temperatura. Cada especie tiene una temperatura óptima donde la actividad fotosintética se máxima. Por debajo o por encima es menor y si se supera cierta temperatura se paraliza la fotosíntesis debido a la desnaturalización de las enzimas.

E.

Concentración de O2. Si ésta es muy alta, la fotosíntesis baja debido a la fotorrespiración.