4. Presentación Diciembre 2011

ECOEM -Biología y Geología
Diciembre 2011 - V2 y S2
Tema 43: ANABOLISMO CELULAR
Tema 44: CATABOLISMO CELULAR
__________________
Exposiciones orales
__________________
Competencias Básicas (cont.)
Repaso formulación objetivos/contenidos
Diseño de la UD
__________________
Modelos de Programación / Dudas sobre programación
y UD
TEMA 43.- ANABOLISMO
ANABOLISMO CELULAR
RUTAS DE SÍNTESIS DE LOS PRINCIPALES
PRECURSORES MACROMOLECULARES
FOTOSÍNTESIS
Degradativas
Oxidativas
Exergónicas
Convergentes
De Síntesis
Reductoras (Poder
reductora - NADH /
NADPH)
Endergónicas (ATP)
Divergentes
ANABOLISMO CELULAR
FASES biosíntesis de precursores Fotosíntesis/
Quimiosíntesis
(monómeros)
biosíntesis de polímeros
Tipos
•Autótrofo (Foto/quimiosintéticos)
•Heterótrofos (Todas las células)
Fotosíntesis
Luz
Fase
Luminosa
ATP/NADPH
Fase
Se produce en la membrana de los tilacoides de cloroplastos eucariotas o en lam
Oscura
procariotas. Consta de un gran número
de reacciones químicas dependientes de la luz qu
pueden agrupar en los siguientes procesos:
Glúcidos
•
Absorción de la luz y excitación de la molécula de clorofila.
CO2,
• NO3-Transporte de electrones, que va asociado
a la obtención de
3.2.
FASE LUMÍNICA.
(Fotofosforilación), y la obtención de poder reductor (NADPH).
Hay varios tipos de clorofilas. Las más importantes son la clorofila "a" y la "b". Desde
punto de vista químico tienen una estructura formada por un anillo tetrapirrólico o de porfiri
que presenta un átomo central de magnesio, del anillo sale una larga cola de fitol de carác
apolar, soluble en los lípidos, responsable de la fijación del pigmento a las membranas. Junto
las clorofilas presentes en los tilacoides de los cloroplastos (en las membranas), hay otr
pigmentos accesorios los carotenoides y ficobilinas.
Luz: Onda-partícula
a,b
FASE LUMÍNICA
Membrana Tilacoides / Lamelas
Absorción Luz / Excitación Cl.
Cadena transporte e-Fotofosforilación (ATP)
-Poder reductor (NADPH)
perder el electrón la clorofila queda cargada positivamente, esta molécula inestable vue
condición normal al aceptar un electrón que le cede el dador de electrones situado
proximidad. En cada fotosistema los dadores y aceptores de electrones son distintos, a
Componente X/
los transportadores y el centro de reacción
FASE LUMÍNICA
Absorción Luz / Excitación Cl.
Platocianina
Cuando el Fotosistema I absorbe un fotón, el P700 cede su electrón a un
primario denominado componente X, y lo recupera de un dador llamado plastocianina.
En el Fotosistema II, el P680 cede su electrón al absorber e fotón a un aceptor
feofitina, y lo recupera de la molécula de agua que actúa como dador primario de electro
Fotosistema II
Fotosistema I
Feofitina/Agua
Centro colector de luz
Cadena transporte eFASE LUMÍNICA
-Fotofosforilación (ATP)
Biología-Geología (Secundaria), Tema 43 (Borrador)
Pág. 8
-Poder
reductor
(NADPH)
Fotofosforilación no cíclica
Fotosistema I
fotosistema II
•
Fotofosforilación cíclica.
Con la fotofosforilación no cíclica se obtiene NADPH y ATP que se utilizan en la
fase oscura para reducir al CO2 y sintetizar glucosa, pero resulta que estas
reacciones precisan de mayor cantidad de ATP que de NADPH, para conseguir
entonces más ATP sin obtener poder reductor, los cloroplastos disponen de otro
sistema de fosforilación, en el que los electrones de la ferredoxina no se dirigen
hacia el NADP+, sino que son transferidos a la Plastoquinona del Fotosistema II,
de aquí los electrones van al complejo de citocromos y de estos a la Plastocianina
que termina cediéndolos a la clorofila que los perdió al iluminarse. En este
proceso los electrones al pasar por los citocromos producen liberación de energía
que como explica la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, se utiliza para obtener
ATP. Como es un proceso cíclico se llama Fotofosforilación cíclica. En este tipo de
fotofosforilación no interviene el fotosistema II. El que ocurra un tipo u otro de
Fotofosforilación, está regulado por la concentración de NADP+/NADPH.
Fotofosforilación
cíclicacíclica.
[NADP+/
•
Fotofosforilación
NADPH]
Fotosistema I
Con la fotofosforilación no cíclica se obtiene NADPH y ATP que se utilizan en la
fase oscura para reducir al CO2 y sintetizar glucosa, pero resulta que estas
reacciones precisan de mayor cantidad de ATP que de NADPH, para conseguir
entonces más ATP sin obtener poder reductor, los cloroplastos disponen de otro
sistema de fosforilación, en el que los electrones de la ferredoxina no se dirigen
hacia el NADP+, sino que son transferidos a la Plastoquinona del Fotosistema II,
de aquí los electrones van al complejo de citocromos y de estos a la Plastocianina
que termina cediéndolos a la clorofila que los perdió al iluminarse. En este
proceso los electrones al pasar por los citocromos producen liberación de energía
que como explica la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, se utiliza para obtener
ATP. Como es un proceso cíclico se llama Fotofosforilación cíclica. En este tipo de
fotofosforilación no interviene el fotosistema II. El que ocurra un tipo u otro de
Fotofosforilación, está regulado por la concentración de NADP+/NADPH.
FASE OSCURA
el ciclo de Calvin se distinguen tres fases:
Ciclo
de Calvin-Benson
Ribulosa 1,5, difosfato
carboxilasaoxidasa
1 mo. de 3-fosogliceraldehido
requiere 9 ATP y 6 NADPH
Fase de fijación del CO2 (carboxilación). El CO2 reacciona con Ribulosa-1,5difosfato, formando un compuesto inestable de 6 C que inmediatamente se
FASE OSCURA
Plantas
C3
Fotorrespiración
CO2 a la célula de la vaina se gasta un ATP.
FASE OSCURA
Ciclo de Hatch-Slack
Plantas
C4
Sin
3.3.2. ASIMILACIÓN REDUCTORA DEL NITRÓGENO Y EL AZUFRE.
Fotorrespiración
almacena para la síntesis posterior del resto de aminoácidos y nucleótid
reductasa” y por último
amoníaco
se incorpora
grupo
de la Glutam
utilizanel
como
coenzimas
los NADPH como
formados
en laamino
fase lumínica.
ASIMILACIÓN REDUCTORA DEL
NITRÓGENO Y EL AZUFRE
almacena para la síntesis posterior del resto de aminoácidos y nucleótidos. Las citada
utilizan como coenzimas los NADPH formados en la fase lumínica.
Algunas bacterias pueden reducir también el nitrógeno molecular. Esta fijación, aunque
supone mucho gasto energético, es importante en ecosistemas pobres en nitrógeno orgánico.
Algunas bacterias pueden reducir también el nitrógeno molecula
supone mucho gasto energético, es importante en ecosistemas pobres e
Algunas bacterias pueden reducir también el nitrógeno molecular. Esta fijació
supone mucho gasto energético, es importante en ecosistemas pobres en nitrógeno o
Algunas bacterias
Casi todos los organismos autótrofos reducen el azufre, que toman del medio en forma
de sulfatos, primero a sulfito y luego a sulfhídrico, que se incorpora como grupo “tiol” del
aminoácido cisteina.
Casi todos los organismos autótrofos reducen el azufre, que tom
de sulfatos, primero a sulfito y luego a sulfhídrico, que se incorpora
aminoácido cisteina.
Casi todos los organismos autótrofos reducen el azufre, que toman del medio
de sulfatos, primero a sulfito y luego a sulfhídrico, que se incorpora como grupo
aminoácido cisteina.
QUIMIOSÍNTESIS Energía
oxidación de sustratos inorgánicos
dadores de electrones
H2, NH3, NO2-, H2S, S, Fe2+
Nitrificación
Nitrosomonas
2NH4+ + 3O2 à
2NO2_ +4H+ +2H2O+70Kcal/mol.
Nitrocbacter
NO2_ + 1/2 O2 ! NO3_ + 17 Kcal/mol.
QUIMIOSÍNTESIS
Oxidación del Azufre
Energía
Acidificación del suelo
2S +3O2 +2H2O --> 2SO42- + 4H+ + 118Kcal/mol.
H2S+1/2O2 --> S + H2O + 41Kcal/mol.
Oxidación del Hidrógeno / Metano
H2 + 1/2 O2 ---> H2O + 56 Kcal/mol.
CH4 +2O2 --->2H2O + 220Kcal/mol.
Oxidación de iones ferrosos
2S +3O2 +2H2O --> 2SO42- + 4H+ + 118Kcal/mol.
H2S+1/2O2 --> S + H2O + 41Kcal/mol.
Fijación N atmosférico
Azotobacter; Rhizobyum
RUTAS DE SÍNTESIS DE LOS PRECURSORES
MACROMOLECULARES
•Anabolismo de los glúcidos
•Anabolismo de los ácidos grasos y la glicerina
•Anabolismo de los aminoácidos
•Anabolismo de los nucleótidos
aminoácidos,
lactato
piruvato
glicerol
cualquiera de los
intermediarios del Ciclo de
Krebs (Acetil-CoA y
Succinil-CoA)
GLUCONEOGÉNESIS
Biología-Geología (Secundaria), Tema 43 (Borrador)
Pág. 16
-Síntesis de Glucosa
-Formación de polisacáridos y
otros glúcidos
GLUCONEOGÉNESIS
-piruvato en fosfoenolpiruvato,
-fructosa 1,6 difosfato en fructosa 6 fosfato
-glucosa 6 fosfato en glucosa.
GLUCOLISIS
A partir de la glucosa se forma otros monosacáridos, disacáridos y polisacáridos, que
Biología-Geología (Secundaria), Tema 43 (Borrador)
ANABOLISMO
DE LOS ÁCIDOS GRASOS Y
LA GLICERINA
Paso del AcetilCoA al citosol
Biología-Geología (Secundaria), Tema 43 (Borrador)
ANABOLISMO DE LOS ÁCIDOS GRASOS
Pág. 18
ANABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS
Plantas y microorganismos:
Síntesis
Animales:
Síntesis (no esenciales)
Ingestión (esenciales)
Formación del esqueleto carbonado: a partir de
algunos de los intermediarios de la glucólisis o
del ciclo de Krebs (piruvato, fosfoenolpiruvato,
oxalacetato, ...)
El origen del grupo amino
Autótrofos: a partir del ión amonio (NH4+)
Heterótrofos: a partir de otros aminoácidos ingeridos
ANABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS
El Ácido Glutámico: partir de amoniaco y ácido α- cetoglutárico
La Glutamina: a partir del ácido glutámico
Prolina: ácido glutámico
Alanina; Ácido aspártico: transaminación desde el glutámico
Asparragina: partir del ácido succínico
Serina: parte del ácido 3-P-glicérico
Glicina: a partir de la Serina
ANABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS
Metionina y Treonina: a partir de la homoserina, que a su vez proviene del
ácido aspártico.
Cisteina: a partir de la Metionina
Lisina: -condensación del ácido pirúvico con el semialdehído
aspártico (bacterias y plantas)
-condensación del Acetil CoA y el ácido α-cetoglutárico (hongos)
Isoleucina;Valina; Leucina: a partir del ácido pirúvico
Ornitina: a partir del ácido glutámico.
Arginina: a partir de la citrulina
Histidina: Comienza con el 5-P-Ribosil-1-PP, al que se le une ATP.
ANABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS
proceden de la hidrólisis de ácidos nucleicos
generalmente se reciclan para sintetizar otros
Ex-novo
Ribosa y la desoxirribosa: ruta de las pentosas
Ácido fosfórico: componente habitual de las células
Bases nitrogenadas: complejas secuencias de reacciones que parten de los
esqueletos carbonados de diversos aminoácidos
púricos
Los átomos de nitrógeno y parte
de los átomos de carbono del
anillo púrico proceden de la
glicina, el aspartato y la
glutamina; el tetrahidrofolato y
el CO2 aportan los restantes
átomos de carbono
pirimidínicos
el anillo de pirimidina se forma en
primer lugar, para en un segundo paso
unirse al fosforribosilpirofosfato. Las
moléculas precursoras para la síntesis
de las bases nitrogenadas pirimidínicas
son un aminoácido, el aspartato y un
metabolito intermediario del ciclo de la
urea, el carbamoil-fosfato.
TEMA 44.- CATABOLISMO
CATABOLISMO CELULAR
RUTAS DE DEGRADACIÓN DE LAS
PRINCIPALES BIOMOLÉCULAS
RESPIRACIÓN CELULAR Y FERMENTACIÓN
Degradativas
Oxidativas
Exergónicas
Convergentes
ASPECTOS GENERALES
tres fases
Preparatoria: grandes moléculas se descomponen
en moléculas sencillas
Intermedia: se obtienen moléculas más sencillas
(ácido pirúvico o acetil CoA)
Final: ácido pirúvico / acetil-CoA se transforman en
CO2 y H2O.
Grado de
Oxidación
Respiración
Fermentación
intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Todas las reacciones que forman una ruta
metabólica están catalizadas por enzimas específicas.
Catabolismo de proteínas, polisacáridos y lípidos
RESPIRACIÓN CELULAR
Un reductor
La glucosa
Un oxidante
Oxidantes intermedios (NAD y FAD)
Oxidante final: O2 (aerobia)/ sustancia
distinta del O2 (anaerobia)
Enzimas
RESPIRACIÓN AEROBIA
C6H12O6 +6O2 +6H2O--->6CO2 +12H2O+Energía
la glucólisis
la formación de Acetil-CoA
el ciclo de Krebs
fosforilación oxidativa
(asociada al transporte de electrones hasta el O2)
ión H+ en el medio donde ocurre la reacción. (NAD+  NADH + H+).
GLUCOLISIS (Ruta de Embden-Meyerhof)
Fosfoglucoiso
merasa
por cada molécula de glucosa se obtienen dos moléculas de ácido pirúvico,
dos moléculas de ATP (se gastan 2 y se forman 4) y dos moléculas de NADH
podemos considerar que en este proceso se originan dos moléculas de Acetil CoA, 2NADH +
2H+ + 2 CO2 a partir de una glucosa.
FORMACIÓN DE ACETIL COENZIMA A
CO2
Si 3.1.3.
tenemos
enDE
cuenta
de A.
una
molécula
de glucosa se forman dos ácidos
CICLO
KREBSque
O DEL
CÍTRICO
(A. TRICARBOXÍLICOS).
pirúvico, podemos considerar que en este proceso se originan dos moléculas
Consiste en la oxidación total de los dos átomos de carbono del resto “acetilo”, que se
AcetilenCoA,
2NADH
+de2H+
+ 2Los
CO2
a partir
glucosa.
van ade
eliminar
forma
de dióxido
carbono.
electrones
de de
alta una
energía
obtenidos en las
7.
2
El ácido fumárico se hidrata a ácido málico mediante la enzima “fumarasa”.
CICLO DE KREBS O DEL A. CÍTRICO (A. TRICARBOXÍLICOS)
8.
En la última
reacción
el ácido
málico(2se
mediante lados
enzima
Por cada molécula
de Acetil
CoA que
se oxida
C)oxida
se desprenden
CO2 “malato
y se obtiene una
+
deshidrogenasa”
dependiente
del
coenzima
NAD
que
se
reduce
a
NADH
+
H
,
molécula de GTP (ATP) otra de FADH2 y tres de NADH. De una molécula de glucosa
(dos
Acetil CoA) se obtienen el doble de moléculas citadas.
Biología-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
Pág. 10
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
transportadores
de electrones
están(2situados
en la cadena
transportadora
en orden
Por cada Los
molécula
de Acetil CoA
que se oxida
C) se desprenden
dos
CO2 y se obtiene
una
decreciente respecto al potencial “óxido-reducción” que permite que los electrones salten de
molécula
de GTP (ATP) otra de FADH2 y tres de NADH. De una molécula de glucosa (dos
unos a otros describiendo suaves cascadas. En cada transferencia electrónica se libera cierta
Acetil
CoA)son
se reacciones
obtienen elredox
dobleque
de moléculas
citadas.la cantidad depende
cantidad de energía
(ya que
son exergónicas),
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
ogía-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
(hipótesis quimiosmótica de Mítchell)
Pág.
ATP, la mayoría de ellos mediante la fosforilación oxidativa en las mitocondrias y el re
BALANCE ENERGÉTICO
produce en la glucólisis por fosforilaciones “a nivel de sustrato”.
36 ATP
Algunos autores al presentar el rendimiento energético de la oxidación completa d
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RESPIRACIÓN ANAEROBIA
Bacterias Desnitrificantes: Utilizan el nitrato como aceptor de
electrones (nitrato reductasa).
Los productos finales de la desnitrificación son nitrógeno, oxido nítrico y
oxido nitroso.
Bacterias Sulfatorreductoras. Utilizan sulfato como aceptor
final de electrones.
Originan como producto final SH2.
Bacterias Metanógenas. Utilizan CO2 como aceptor final
de los electrones, reduciéndolo hasta CH4.
Homoacetógenas, que reducen el CO2 hasta acetato.
FERMENTACIÓN
Biología-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
Butírica
F. Láctica
Glucosa + 2 P + 2 ADP →
2 ácido láctico + 2 ATP
Pág. 15
Pútrida
F. Alcohólica
Glucosa + 2 P + 2 ADP → 2 alcohol
Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus
etílico + 2 CO2 + 2 ATP
casei y Streptococcus lactis
Saccharomyces
•
Fermentación láctica: es la fermentación que origina
como producto final e
FERMENTACIÓN
Biología-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
Pág. 17
balance energético es por tanto negativo para la fermentación que es un proceso derrochador.
COMPARACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE
Conceptos
Respiración
considerados
Aerobia
¿Necesitan oxígeno?
Si
Sustrato que pueden Cualquier biomolécula
oxidar
Primer
aceptor
de NAD
electrones
Aceptor
final
de Oxígeno
electrones
Productos en los que
se transforman los
aceptores finales de
electrones
Productos en los que
se
transforma
el
carbono del sustrato
H 2O
Hay una oxidación
total del sustrato, por
lo que se transforma
en CO2
CATABOLISMO
Fermentación
Anaerobia
No
No
Cualquier biomolécula Preferentemente
glúcidos y prótidos
NAD
NAD
Moléculas inorgánicas Una
molécula
como
sulfatos, orgánica
que
nitratos, CO2, etc.
generalmente procede
del propio sustrato
El aceptor reducido
Algún
compuesto
orgánico como etanol
o ácido láctico
Hay una oxidación
total del sustrato, por
lo que se transforma
en CO2
Hay una oxidación
parcial del sustrato
que
origina
compuestos orgánicos
como etanol o ácido
láctico,
también
puede aparecer CO2
OTRAS RUTAS DE DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA
Ruta de Entner-Doudoroff
Ruta de las pentosas fosfato
Ruta de la Fosfocetolasa o de WarburgDickens
de los glúcidos, otras que provienen del catabolismo de otras biomoléculas para seguir, a partir
de aquí la ruta catabólica estudiada al considerar el catabolismo de la glucosa.
CATABOLISMO DE OTRAS BIOMOLÉCULAS
gía-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
CATABOLISMO DE LÍPIDOS
CATABOLISMO DE LÍPIDOS
CATABOLISMO DE PROTEINAS
iología-Geología (Secundaria), Tema 44 (Borrador)
.3.
Pág. 25
CATABOLISMO DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
Aunque los ácidos nucleicos no constituyen ninguna fuente de energía, también pueden
er utilizados por las células como combustible metabólico. También hay que tener en cuenta
ue, a nivel endógeno, los ácidos nucleicos, en particular los ARNs, presentan cierta tasa de
ecambio, determinando en muchos casos la necesidad de eliminar el exceso de los mismos.
pueden convertirse en ácido glutámico, A. aspártico o en alanina, que pueden
originar ácido cetoglutárico, oxalacético o pirúvico mediante una posterior
transaminación, y estas sustancias integrarse en las rutas respiratorias.
CATABOLISMO DE PROTEINAS
CATABOLISMO DE ÁCIDOS NUCLEICOS
Aunque los ácidos nucleicos no constituyen ninguna fuente de
energía, también pueden ser utilizados por las células
como combustible metabólico. También hay que tener en
cuenta que, a nivel endógeno, los ácidos nucleicos, en particular
los ARNs, presentan cierta tasa de recambio, determinando
en muchos casos la necesidad de eliminar el exceso de los
mismos.
Los ácidos nucleicos son degradados a nucleótidos por
acción de las enzimas ADNasas y ARNasas, la acción
posterior de fosfatasas elimina el grupo fosfato,
permitiendo la obtención de nuncleósidos. Estos por la acción de
nucleosidasas se escinden en su pentosa y la base nitrogenada. Las
bases nitrogenadas pueden reciclarse para formar nuevos
nucleótidos, o bien si no son necesarias, son degradadas.
METABOLISMO CELULAR: ATP
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
1ª.- La energía no se crea ni se destruye
2ª.- El desorden va en aumento en el universo
+
Energía
luz /
enlaces mol. orgánicas
ORDEN
-
CÉLULA
Calor
Sistema
Abierto
Intercambio de Materia / Energía
METABOLISMO CELULAR: ATP
DENTRO DE LA CÉLULA
ENERGÍA QUÍMICA ALMACENADA MOLÉCULAS
cede e
se Oxida
+
Acepta H
+
e +H =H
acepta e
Reacciones
RedOx
se Reduce
+
Cede H
Transporte de electrones
3 coenzimas: NAD+, NADP y FAD
METABOLISMO CELULAR: ATP
ATP + H2O -> ADP + P + Energía (7,3 kcal/mol)
ADP + H2O -> AMP + P + Energía (7,3 kcal /mol).
A+B → A-B
ATP → ADP+P
Glucosa + ATP → Glucosa-P + ADP
FORMACIÓN DE ATP
-Fosforilación a nivel de sustrato
-Fosforilación asociada al transporte de electrones:
-Fosforilación oxidativa (Mitocondrias)
-Fotofosforilación (Cloroplastos)
de una cadena transportadora, desde una molécula que se oxida y los cede hast
un aceptor final. Estas cadenas transportadoras de electrones se sitúan en l
membrana interna de las mitocondrias y en la membrana tilacoidal de lo
cloroplastos, por lo tanto habrá dos procesos de este tipo: la fosforilación
oxidativa que tiene lugar en las mitocondrias y fotofosforilación que s
Fosforilación
asociada al transporte de electrones:
produce en los cloroplastos durante la fase luminosa de la fotosíntesis.
METABOLISMO CELULAR: ATP