17.- FISIOLOGÍA CELULAR, LAS MOLÉCULAS EN ACCIÓN

FISIOLOGÍA
CELULAR, LAS
MOLÉCULAS EN
ACCIÓN
INTRODUCCIÓN
• El metabolismo es un circuito integrado de
reacciones químicas
la célula transforma los
nutrientes captados en:
Energía (ATP)
Moléculas de recambio
Nuevas moléculas
Trabajo mecánico
Síntesis de bio-macromoléculas
Transporte activo
Todos
los
seres
vivos
necesitan
materia
y
energía
para
vivir
Renovarse
Crecer
3
TIPOS DE NUTRICIÓN
AUTÓTROF
Fuente
de
carbono:
CO2
Fuente
de
energía
:
luz
Fuente
de
energía
:
reacciones
redox
FOTOSÍNTESIS
QUIMIOSÍNTESIS
HETERÓTROF
Fuente
de
carbono
y
energía:
moléculas
orgánicas
4
ORGANISMO
FUENTE
DE
CARBONO
FUENTE
DE
ENERGÍA
EJEMPLOS
FOTOLITÓTROFO
CO2
Luz
Células
vegetales,
algas verdes,
bacterias
fotosintéticas
FOTOORGANÓTROFO
Compuesto
s orgánicos
Luz
Bacterias
púrpura no
sulfuradas
QUIMIOLITÓTROFO
CO2
Reacciones
redox
Bacterias
desnitrificantes
del hierro y del
azufre
QUIMIORGANÓTROFO
Compuesto
s orgánicos
Reacciones
redox
Animales,
hongos y m.o.
METABOLISMO
Reducción
Oxidación
NH3,
CO2,
Urea
6
Polisacáridos,
lípidos,
proteínas,...
Reacciones
exergónicas
NADPH2
!
Reacciones
endergónicas
NADP
7
8
CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES
Las reacciones metabólicas están acopladas
energéticamente mediante el ATP
ADP
!
ATP
Fosforilación a nivel de sustrato: se forma un
compuesto intermedio “rico en energía”
Ac.1,3 diP glicérico
Ac.3P glicérico
ADP
ATP
• Fosforilación en el transporte de electrones
Los coenzimas reducidos NADH, FADH y NADPH ceden los
electrones a otras moléculas hasta la molécula final
aceptora. La energía transferida a una cadena de
electrones es utilizada por la ATPasa, para la síntesis de
ATP.
La fosforilación oxidativa (O2 último aceptor de e-)
membrana interna mitocondrial
La fosforilación fotosintética (luz impulsa el transporte de e-)
membrana tilacoidal de cloroplastos
Las reacciones metabólicas son reacciones
de óxido-reducción
Los coenzimas transportan H+ y electrones de alto potencial
energético desde las reacciones catabólicas a las anabólicas
Compuesto orgánico
Deshidrogenación
reducido
Compuesto orgánico
oxidado
Catabolismo
NADP,NAD,FMN
NADPH2, NAD+H+, FMNH2
Anabolismo
Compuesto biosintético Hidrogenación
reducido
Compuesto biosintético
oxidado
Las reacciones metabólicas están ligadas
entre sí y catalizadas por enzimas
RUTAS METABÓLICAS: sucesión de reacciones
encadenadas ( el producto de una es el sustrato de otra) en las
cuales se producen metabolitos y cada una está catalizada por
una enzima diferente
!
FASE I
Las rutas catabólicas son
convergentes
FASE III
Ruta anfibólica: aquella que se
puede utilizar tanto con fines
anabólicos y catabólicos
(C. de Krebs)
FASE II
Las rutas anabólicas son
divergentes
En rojo: rutas anabólicas
En negro. rutas catabólicas
Las reacciones metabólicas están
compartimentadas
La gran cantidad de reacciones simultáneas que tienen lugar en
la célula ocurren en compartimentos diferentes, de esta manera
se aumenta la eficacia enzimática ( más fácil que E y S
interactúen)
- En el citoplasma: glucolisis, gluconeogénesis
- En la mitocondria: ciclo de Krebs, beta oxidación de ac.grasos
- En el R.E.: síntesis de lípidos y proteínas
- En el núcleo: duplicación y transcripción
14
TIPOS DE CATABOLISMO
Respiración celular
El dador es un compuesto orgánico y el aceptor
final de electrones un compuesto inorgánico O2,
NO3, SO4
Síntesis de ATP en la cadena de transporte de
electrones (fosforilación oxidativa)
Oxidación total (hasta CO2) . Se libera mucha
energía
R. Aerobia: aceptor de hidrógenos es el O2
R Anaerobia: aceptor es S, NO3, SO4,...
Fermentación
Dador y aceptor final de electrones una
molécula orgánica pequeña (ac. pirúvico)
Oxidación parcial, se libera poca energía
Síntesis de ATP a nivel de sustrato. No hay
cadena de trasnporte de electrones, ni
fosforilación oxidativa.
Levaduras, bacterias y células animales y
vegetales en condiciones especiales
Tipos de células según su catabolismo
Células aerobias
Necesitan el O2 para realizar
la respiración aeróbica
Células anerobias estrictas
El O2 es tóxico. Realizan las fermentaciones y respiración
anaerobia
Células anerobias facultativas
Pueden vivir con y sin O2. Pueden hacer fermentaciones y
17
respiración aerobia según la disponibilidad del O2
CATABOLISMO DE LOS
GLÚCIDOS
Reacciones para producir energía, tienen carácter oxidativo
GLUCOLISIS
Reacción anaeróbica,catabólica oxidativa. La
glucosa proviene de la digestión, de las reservas
almacenadas en el organismo o de la fotosíntesis
No requiere oxígeno
Proporciona 6 precursores metabólicos, 2 ATP y
poder reductor
Tiene lugar en el hialoplasma de las células
La llevan a cabo todos los seres vivos (aerobios y
anaerobios)
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi
2 NADH + 2H+ + 2H2 O
2 Piruvato + 2ATP +
1
1º Etapa de activación:
La glucosa se rompe en dos triosas:
se gastan 2 ATP
2º Etapa de degradación.Mediante
reacciones de oxidación se
transforma en dos moléculas de
ac. pirúvico. El coenzima NAD+
se reduce a NADH +H+. La energía
liberada se utiliza para
fabricar ATP (4 moléculas)
Para que el proceso no
se detenga hay que
aportar continuamente
glucosa o algún compuesto
intermedio y oxidar el
NADH
2
2
2
2
2
La glucosa reacciona con el ATP y se forma glucosa 6-fosfato
La glucosa 6-fosfato se isomeriza a fructosa 6-fosfato
La fructosa 6-fosfato reacciona con el ATP y da fructosa 1,6
difosfato
La fructosa 1, 6-difosfato se rompe y da lugar al aldehído 3,
fosfoglicérico y la dihidroxiacetonafosfato
El aldehído 3 fosfoglicérico se oxida gracias al coenzima NAD+ y
se fosforila por el ácido fosfórico dando ácido 1,3 difosfoglicérico
2
2
2
2
El ácido 1,3 difosfoglicérico reacciona con el ADP para dar
ATP y y ácido 3 fosfoglicérico
2
2
2
2
Fosforilación a nivel de
sustrato
El ácido 3- fosfoglicérico reacciona con el ADP y se forma ATP
y ácido pirúvico
2
2
2
2
BALANCE GLOBAL DE LA GLUCOLISIS
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi
2 Piruvato + 2ATP + 2 NADH+ 2H+ + +2H2 O
GLUCOSA
Oxidación
vía
glucolisis
DESTINO DEL
PIRUVATO
PIRUVATO
Condiciones
aerobias
R.AEROBIA
ACETIL CoA
CO2 + H2O
Condiciones
anaerobias
FERMENTACIONES
LACTATO
ETANOL + CO2
FERMENTACIÓN
Vía catabó
lica anaer
obia
Citosol o h
ialoplasm
a
El H+ es cedido a un sustrato orgánico
La oxidación es parcial, se obtiene poca
energía(2ATP/glc)
Los productos finales son ac. orgánicos y
etanol
La síntesis de ATP
a nivel de sustrato
Es propia de microorganismos (bacterias y
levaduras) y cuando no hay suficiente O2
en las células musculares
FERMENTACIÓN LÁCTICA
St
La
ct
ob
ac
ill
to
co us s
cc
us p
sp
rep
✴Se utiliza a nivel industrial para la obtención de yogurt,
quesos,…
✴Las bacterias fermentan la lactosa y la bajada de pH
desnaturaliza la caseína que precipita
2
2
2
2
Citosol
2
2
Cuando no llega suficiente O2 a las células musculares,
La glucosa se degrada a ac.láctico
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
El ac. pirúvico se transforma en alcohol etílico o etanol. Proceso llevado
a cabo por levaduras del género Saccharomyces.
Se utiliza para la fabricación de bebidas alcohólicas (cerveza, vino,
sidra,...)
En la fabricación del pan la fermentación del almidón de la harina
hace que el pan sea esponjoso por las burbujas de CO2. El alcohol
producido desaparece durante el tiempo de cocción.
La fermentación alcohólica tiene el mismo objetivo que la fermentación
láctica: la recuperación del NAD+ en condiciones anaeróbicas
2
2
2
2
(acetaldehído)
2
2
Citosol
2
2
2
2
RESPIRACIÓN
AEROBIA
DESTINO DEL
PIRUVATO
Tiene lugar en la mitocondrias. Las enzimas de la
cadena respiratoria se localizan en la membrana interna
Glucosa
Glucolisis(hialoplasma)
2 Piruvato
Oxidación
vía
pentosas
fosfato (mitocondria)
Ribosa 5-P
NADPH
Descarboxilación
oxidativa
2 Ac.acetil-CoA
Ciclo de Krebs
Transporte de electrones
(Membrana
interna
mitocondrial)
Matriz
mitocondrial
Descarboxilación oxidativa
s
a
l
e
o
d
t
a
a
Ví s fosf
a
s
o
t
n
e
p
37
Formación del acetil CoA
(Descarboxilación oxidativa)
2
2
Piruvato
descarboxilasa
2 CO2
2
2
Piruvato + NAD+ + HS-CoA ------> Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
CICLO DE KREBS O CICLO DEL
ÁCIDO CÍTRICO
CICLO DE KREBS
CO2
CO2
Fosforilación a nivel
de sustrato
1) El acetil-CoA se une al ácido oxalacético y forma el ácido
cítrico. en este proceo se recupera el CoA-SH
2) El ácido cítrico se isomeriza a ácido isocítrico
3) Descarboxilación del ácido isocítrico que se transforma en
ac. alfa-cetoglutárico, liberándose CO2 y NADH
4) Descarboxilación del ac. alfa-cetoglutárico, se libera CO2,
NADH + H + y se forma 1 GTP (ATP). El ac. alfa cetoglutárico
se transforma en ac. succínico
5) Oxidación del ac. succínico a ac. fumárico. Se forma un
doble enlace. Los electrones son transferidos al FAD que se
reduce a FADH2.
6) Adición de agua al doble enlace formándose el ac. málico.
7) Oxidación del alcohol del ac. málico a ac. oxalacético. EL
NAD+ se reduce a NADH. el ciclo se completa
Acetil CoA
C2
CoA
Ac. Oxalacético
C4
NADH2
C6
Ac. cítrico
NADH2
FADH2
C. de KREBS
CO2
GTP
CoA
C4
C5
Ac. Α cetoglutárico
Succinil CoA
ATP
CO2
NADH2
Balance global del Ciclo de Krebs
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O --------> 2CO2 + CoA-SH +
3(NADH + H+) + FADH2 + GTP
Acetil CoA
CoA
2CO2
ATP
3 NADH2
FADH2
Electrones de alta energía
ATP
Cadena transporte
de electrones
Oxígeno
v Intermediarios metabólicos
Biosintéticas
precursores
Rutas
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
- Se sitúa en la membrana
interna mitocondrial
(c.eucariotas)
Los electrones y los H+ de
los coenzimas reducidos
(NADH2
y FADH2 ) se
transfieren a uno de los
complejos proteicos que
forman la cadena
transportadora de electrones,
hasta llegar al O2
Son reacciones REDOX,
en las cuales intervienen
dos constituyentes de
diferente potencial redox.
Los electrones van desde
la molécula con menor
potencial redox a la molécula
con mayor
potencial redox.
ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA DE LAS CRESTAS
MITOCONDRIALES
La membrana de las crestas mitocondriales tiene la estructura
de membrana de mosaico fluido. Empotradas en la doble bicapa
lipídica se encuentran las proteínas transportadoras de los
electrones. Forman tres grandes complejos:
. Complejo I (NADH deshidrogenasa)
- Complejo II (citocromo bc1)
- Complejo III (citocromo oxidasa)
El transporte de
electrones comienza
cuando el NADH + H+
cede los e- al complejo I y a
través del Co Q, pasan al
¿CÓMO
SE2 PRODUCE EL TRANSPORTE
complejo II.
El FADH
(menor potencial redox)
DElos
ELECTRONES?
cede directmente al
complejo II. Luego se
tranfieren a través del
citocromo C al complejo II y
por último son aceptados
por el oxígeno (mayaor
potencial redox)que se
reduce a agua.
2H+ + 1/2 O2 + 2e -
H 2O
Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación
del NADH y síntesis de ATP
Mecanismo de la cadena respiratoria. Oxidación
del FADH2 y síntesis de ATP
HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA
Acoplamiento de los procesos redox y trasnporte de H+
A la vez que se realiza el transporte de electrones se genera un
transporte de protones por parte de los complejos I, II y III desde la
matriz hacia el espacio intermembranoso
Como la membrana interna es impermeble a los H+, se
genera un gradiente electroquímico entre el espacio
intermembranoso y la matriz mitocondrial,que es aprovechado
por la bomba ATP-asa para devolver de nuevo los protones y
generar ATP( por cada dos protones que retornan se sintetiza un
ATP).
Se calcula que el NADH cede 2 electrones y en su
transporte se libera energía para bombear 6H+ ( por cada
FADH2 se bombean 4 H+). De manera que :
1NADH+H+/3ATP 1 FADH2/2ATP La hipótesis que explica el acoplamiento de los procesos redox
y el transporte de H+ es la hipótesis quimiosmótica, y su
resultado es la fosforilación oxidativa.
BALANCE EN MOLES DE ATP EN LA RESPIRACIÓN CELULAR
( Una molécula de glucosa)
EUCARIOTAS
PROCARIOTAS
Coenzimas
reducidos y
ATP
Moles de ATP
(totales)
Moles de ATP
(totales)
2 NADH
2 ATP
4 ATP
2 ATP
6 ATP
2 ATP
Descarboxilación 2 NADH
del ac. pirúvico
6 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
36 ATP
38 ATP
Proceso
Glucolisis
C. de Krebs
Balance global
6 NADH
2 FADH2
2 GTP
¿QUÉ SUCEDE CON EL NADH DE ORIGEN
HIALOPLASMÁTICO EN LOS EUCARIOTAS?
Hemos visto que por cada NADH que ingresa en la cadena de
electrones se obtienen 3 ATP. En los organismos eucariotas, el NADH
que se origina en la glucolisis (hialoplasma) por cada glucosa sólo
puede originar 2 ATP. Esto es debido a que el NADH no puede
atravesar directamente la membrana mitocondrial y utiliza una
lanzadera que cede los electrones al FAD que hay en el interior de la
mitocondria, reduciéndose a FADH2. Esto no sucede en procariotas.
BALANCE DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA DE 1
GLUCOSA (c.eucariota)
Proceso
Sustancia
inicial
Sustancia
final
coenzimas
reducidos
y ATP
Glucosa
2 ac.
pirúvico
2 NADH
2 ATP
4 ATP
2 ATP
Descarboxilación 2 ac.
del ac. pirúvico pirúvico
2 acetilCoA
2 CO2
2 NADH
6 ATP
4 CO2
6 NADH
2 FADH2
2 GTP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
Glucolisis
C. de KREBS
Balance global
C6H12O6 + 6O2
2 acetilCoA
Glucosa
6 CO2
+ 636ADP
+ 36Pi
O2
6 H2O
Moles de
ATP
(totales)
36 ATP
6CO2 + 6H2O + 36 ATP
ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LOS PROCESOS
DE RESPIRACIÓN CELULAR
6
6
2
2
ATP
NADH2
36
2 CO2
4
2 NADH2
2NADH2
6NADH2
2FADH2
6
6
61
Si comparamos ambos procesos: catabolismo
aeróbico y fermentación vemos que el rendimiento del
primero es mayor ( 38 ATP por molécula de glucosa)
que el del segundo (2 ATP por mol. de glucosa).
Evolutivamente, el mayor rendimiento energético
de los organismos aeróbicos fue muy importante ya
que les permitó conquistar todos los ambientes,
produciéndose una gran variedad de formas de vida,
cada una adaptada a un nicho ecológico determinado,
es lo que se llama radiación adaptativa.
RESERVA DE GLÚCIDOS
La concentración de glucosa en sangre debe permanecer
constante. El exceso de glucosa se acumula en hígado y
músculo (animales) en forma de glucógeno. Al completarse
esta reserva el resto de glucosa se almacena en forma de
grasa.
- El glucógeno del músculo aporta el combustible a las
células musculares para su contracción.
- El glucógeno hepático suministra glucosa al resto de los
tejidos ( en ayuno esta reserva se agot en menos de 24h).
La principal reserva energética la proporcionan los lípidos
que se almacenan en el tejido adiposo (9Kcal/g)
CATABOLISMO DE LOS
LÍPIDOS
En los animales los ac. grasos se almacenan en el tejido
adiposo en forma de triglicéridos y se movilizan gracias a las
lipasas.
Lipasas
Citoplasma
Ingresa en la glucolisis como
gliceraldehído 3 P
Matriz
mitocondrial
Citoplasma
1 ATP
R-COOH + CoA- SH
Ac. Graso
Cadena transporte
de electrones
R-COS- CoA
AcilCoA
Acil-CoA
Membran externa
sintetasa
mitocondrial
C. de Krebs
1 AMP - 1 P+ 1Pi
Para atravesar la membrana
mitodcondrial utiliza como
lanzadera la carnitina
n Acetil-CoA
e- H+
e- H+
NADH2
FADH2
Ac. graso (18 C) Hélice de Lynen (8 vueltas)
β- Oxidación ó
Hélice de Lynen
(Matriz mitocondrial y
peroxisomas).
Vegetales: peroxisomas
146 ATP
En los animales constituyen la principal reserva energética
CATABOLISMO DE LAS
PROTEÍNAS
!
Transaminación
Proteínas de
la dieta
-NH2
Α-cetoglutarato
AMINOÁCIDOS
Transaminasas
Coenzima B6
C. KREBS
Preferentemente en el hígado
Desaminación
oxidativa
Glutamato dh
NH3
Hígado y riñones
NH3
Ac. úrico
Proteínas
corporales
Ciclo de Hígado
la urea (citosol y
mitocondrias)
Urea
Biosíntesis
Nucleótidos
Coenzimas
Neurotransmisores
Hormonas
Porfirinas
Oxidación de la cadena carbonada
Esqueleto
carbonado
C. de Krebs
GLUCOSA
ÁCIDOS
GRASOS
CO2 , H2 O energía
POLISACÁRIDOS
LÍPIDOS
PROTEÍNAS
3º
1º
Ac grasos
Glicerina
Aminoácidos
2º
2º
Acetil-CoA
CO2
3º
ATP
H 2O
1º
H y eTransportadores de electrones
O2
NH3
Anabolismo
Catabolismo
Pentosas
Hexosas
ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO
NADH
CO2