T12 - Catabolismo aerobio y anaerobio.

T12 – CATABOLISMO AERÓBICO Y ANAERÓBICO.

1. Introducción al catabolismo.2. Catabolismo aeróbico. Glucólisis.3. Respiración celular (I): ciclo de Krebs.4. Respiración celular (II): cadena respiratoria,5. Balance energético de la respiración celular.6. Otras rutas metabólicas.7. Catabolismo anaeróbico: fermentaciones.

T12. Catabolismo aeróbico y anaeróbico.

ANTECEDENTES PAU:

2002 – Septiembre: respiración celular y fermentaciones;2003 – Junio: localización intracelular de la respiración celular;2003 – Septiembre: fermentaciones, tipos, localización intracelular e importancia económica;2004 – Septiembre: fosforilación oxidativa;2005 – Septiembre: ciclo de Krebs, objetivo principal y localización intracelular;

procedencia del acetil-CoA;fosforilación oxidativa;

2006 – Junio: vías metabólicas de la glucosa;2006 – Septiembre: comparación entre fosforilación oxidativa y fotosintética;2007 – Septiembre: la glucólisis y su localización intracelular;

fermentaciones y su localización intracelular;importancia industrial de las fermentaciones y microorganismos implicados;

2009 – Junio: comparación entre el metabolismo autótrofo y heterótrofo;fosforilación oxidativa y cadena de transportes de electrones;

2010 – Junio: identificación de la reacción de fermentación alcohólica, cómo y dónde ocurre, usos; relacionar diversos procesos metabólicos con la estructura celular en la que ocurren;

2010 – Septiembre: definición de organismo aerobio y anaerobio, ejemplos;

• CATABOLISMOCATABOLISMO: tipo de reacción metabólica en la que se produce la degradación oxidativa de moléculas orgánicas.– Finalidad: obtención de energía para que la célula realice sus

funciones vitales.

“Las moléculas orgánicas se ´degradan químicamente´ (rompen) mediante reacciones de oxidación, con el fin de generar energía para que la célula pueda hacer sus funciones vitales”

“Reacciones en las que se transfieren átomos de H o e- de un átomo o molécula (la que se oxida) a otra (que se reduce)”


1 – Introducción al catabolismo.

¿QUÉ SIGNIFICA DEGRADACIÓN OXIDATIVADEGRADACIÓN OXIDATIVA?

¿QUÉ SON REACCIONES DE OXIDACIÓNREACCIONES DE OXIDACIÓN?

REACCIONES DE REDUCCIÓN-OXIDACIÓN (REDOX)REACCIONES DE REDUCCIÓN-OXIDACIÓN (REDOX)

• CARACTERÍSTICAS generales:– Toda oxidación requiere una reducción.– Moléculas que ceden [e-] o [e- + p+] (como átomos de H) → moléculas oxidadas.– Moléculas que reciben [e-] o [e- + p+] (como átomos de H) → moléculas reducidas.– La rotura de enlaces para la eliminación del H en las reacciones de oxidación libera

grandes cantidades de energía.



REACCIONES DE REDUCCIÓN-OXIDACIÓN (REDOX)REACCIONES DE REDUCCIÓN-OXIDACIÓN (REDOX)

Átomo o molécula OXIDADA

Átomo o molécula

REDUCIDA

Energía

e-

H

• CARACTERÍSTICAS en los procesos metabólicos de los seres vivos:– En el metabolismo se suceden secuencias de reacciones REDOX en las

que se transfieren átomos de H o e- de un compuesto a otro.– Nucleótidos como el NAD+, NADP+ o FAD se llaman

TRANSPORTADORES DE HIDRÓGENO.• Captan los átomos de H liberados por las moléculas oxidadas y los

transfieren a las moléculas aceptoras para que se reduzcan.



MOLÉCULAS DADORAS DE H (se oxidan)

MOLÉCULAS ACEPTORAS DE H (se reducen)

H H

NAD+ NADP+ FAD (transportadores de H)

NAD+ NADP+ FAD (transportadores de H)

• Ejemplos:

Cl + Na → Na+ + Cl-

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H20 + energía

6CO2 + 6H2O + energía → C6H12O6 + 6O2



• ¿Quién se oxida y quién se reduce?• Na pierde 1e- → se oxida a Na+

• Cl gana 1 e- → se reduce a Cl-

• ¿El e- viaja sólo o en compañía?•Viaja sólo, sino lo haría como átomo de H.

• ¿Qué compuesto es C6H12O6?• Glucosa.

• En la 1ª reacción. ¿quién se oxida? ¿El e- viaja sólo o en compañía?• La glucosa, pierde 12 H (se oxida) y los gana el oxígeno (se reduce).

• En la 2ª reacción ¿qué está ocurriendo?• El agua pierde los 12H (se oxida) y los gana el CO2, que se reduce formando glucosa.

• ¿Qué representan ambas reacciones?•1ª oxidación de la glucosa; 2ª fotosíntesis.

• Si el aceptor de e- es:– O2→ los seres vivos son AEROBIOS (catabolismo aeróbio).

– Etanol, ácido láctico → los seres vivos son ANAEROBIOS (catabolismo anaeróbio).



MOLÉCULAS DADORAS DE e- (se oxidan)

MOLÉCULAS ACEPTORAS DE e- (se reducen)

e- e-

O2

Etanol, ácido

láctico

• CATABOLISMO AERÓBICO:CATABOLISMO AERÓBICO:– El aceptor de e- es el O2.

– Comprende varias rutas metabólicas que acaban obteniendo ATP.


2 – Catabolismo aeróbico. Glucólisis.

• La mayoría de organismos no se alimentan de glucosa.

¿Cómo extraen energía de las grasas y de las proteínas?

El ciclo de Krebs es un gran “centro de comunicaciones” para el metabolismo energético.



• Dentro del Catabolismo aeróbico, una ruta importante es la de DEGRADACIÓN DE LOS CARBOHIDRATOS de la dieta.



OXIDACIÓN DE LA GLUCOSAOXIDACIÓN DE LA GLUCOSA

Etapa I: Glucólisis Glucólisis. Etapa II: RespiraciónRespiración.

Ciclo de Krebs Cadena respiratoria

• LUGAR: citosol.• ORGANISMOS: tanto en procariotas como

eucariotas.• OBJETIVO: obtener ATP y NADH.• ETAPAS: 9.• BALANCE (por cada molécula de glucosa):

– 2 moléculas de ácido pirúvico.– 2 moléculas de ATP.– 2 moléculas de NADH.



Glucólisis.1 GLUCOSA

2 ÁCIDO PIRÚVICO

• Es una serie de 9 reacciones, cada una catalizada por una enzima específica.

• El esqueleto de Carbono de la glucosa se desmiembra y sus átomos se reordenan

paso a paso.





RESUMENRESUMEN


3 – Respiración celular (I): ciclo de Krebs.

OXIDACIÓN DE LA GLUCOSAOXIDACIÓN DE LA GLUCOSACC66HH1212OO66

Etapa I: Glucólisis Glucólisis. Etapa II: RespiraciónRespiración.

Ciclo de Krebs(matriz

mitocondrial)

Cadena respiratoria(crestas mitocondriales)

CO2

H2OATP

2 Ácido pirúvico2 ATP2 NADH

1. El ácido pirúvico pasa a la matriz mitocondrial.2. Ácido pirúvico → oxidación → Acetil coenzima A (acetil CoA).BALANCE: 2 ácido pirúvico → 2 NADH + 2 acetil CoA(la acetil CoA conecta la Glucólisis con el ciclo de Krebs).



Ciclo de Krebs (Etapa inicial)

• LUGAR: matriz de la mitocondria (no se requiere O2).

• OBJETIVO: obtener energía y poder reductor.

• ETAPAS: cadena cíclica de 8 reacciones.• BALANCE (por cada molécula de glucosa):

– 2 moléculas de ATP.– 6 moléculas de NADH.– 2 moléculas de FADH2.


Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico.


1. Acetilo + Ácido oxalacético → Ácido cítrico.2. El Ácido cítrico comienza el ciclo que se cierra cuando se

vuelve a regenerar el Ácido oxalacético.



BALANCE:BALANCE:Por cada vuelta del ciclo de Krebs SE

CONSUME:• 1 acetilo.• 1 ácido oxalacético (que se

regenera).

Por cada vuelta del ciclo SE GENERA:• 3 NADH.• 1 FADH2.

• 1 GTP (→ ATP) .(se necesitan 2 vueltas para oxidar 1

molécula de glucosa)

Por cada molécula de glucosa SE FORMAN:

• 6 NADH.• 2 FADH2.

• 2 GTP (→ 2 ATP).



• RESUMIENDO LO QUE SABEMOS HASTA EL MOMENTO DE LA OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA…OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA…




4 – Respiración celular (II): cadena respiratoria.

La C6H12O6 que inició la glucolisis ya está oxidada

ATP2 de la glucolisis

+ 2 del ciclo de Krebs

En los transportadores de e-

NAD+ y FAD

La energía de sus enlaces se ha utilizado para producir:

La mayoría

• OBJETIVO de la CADENA RESPIRATORIA:liberar la energía de los transportadores de e- para fabricar ATP.

• OBJETIVO de la CADENA RESPIRATORIA:liberar la energía de los transportadores de e- para fabricar ATP.

• Los electrones son conducidos a través de una cadena de aceptores de e-.(Cadena de Transporte de Electrones)(Cadena de Transporte de Electrones)

• Cada aceptor recibe e- del aceptor precedente y los cede al aceptor siguiente.• Los e- van de aceptor a aceptor bajando a niveles energéticos inferiores.



Cadena de transporte de e-Cadena de transporte de e-

¿Cómo se libera la energía almacenada en el NADH y FADH2?

NIVEL ENERGÉTICO ALTO(< Potencial Reducción)

NIVEL ENERGÉTICO BAJO(> Potencial Reducción)

POTENCIAL DE REDUCCIÓN:• Medida de la tendencia del agente reductor a perder electrones.• Los electrones tienden a fluir espontáneamente de valores más negativos a más positivos.

POTENCIAL DE REDUCCIÓN:• Medida de la tendencia del agente reductor a perder electrones.• Los electrones tienden a fluir espontáneamente de valores más negativos a más positivos.

POR UN LADO…• Los componentes de la cadena transportadora de e- forman 3 complejos enzimáticos que

atraviesan la membrana mitocondrial interna.• La energía que se libera cuando los e- pasan a niveles energéticos inferiores, los complejos

enzimáticos la emplean en bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana (por cada 2 e- que van desde el NADH hasta el O2, se bombean 10 protones).

• Los protones no pueden volver a la matriz ya que la membrana mitocondrial interna es impermeable a ellos → se crea un GRADIENTE ELECTROQUÍMICO GRADIENTE ELECTROQUÍMICO matriz/espacio inetemembrana → este gradiente genera una FUERZA PROTOMOTRIZFUERZA PROTOMOTRIZ.

POR OTRO LADO…• En la membrana mitocondrial interna también hay un complejo enzimático llamado ATP-ATP-

SINTETASASINTETASA, a través del cuál SÍSÍ pueden fluir los protones de nuevo a la matriz.• La FUERZA PROTOMOTRIZ impulsa a los protones a la matriz a través del ATP-SINTETASA,

catalizándose ATP en la matriz mitocondrial.• Por cada 3 protones que fluyen a través del ATP-SINTETASA → 1 ATP



Fosforilación oxidativaFosforilación oxidativa

La energía liberada en la cadena transportadora se emplea para fabricar ATP en un proceso llamado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA según la teoría del ACOPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICOACOPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICO.La energía liberada en la cadena transportadora se emplea para fabricar ATP en un proceso

llamado FOSFORILACIÓN OXIDATIVA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA según la teoría del ACOPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICOACOPLAMIENTO QUIMIOSMÓTICO.

ADP + Pi → ATP

• A medida que los e- van descendiendo a niveles energéticos menores, liberan energía que sirve para transportar H+ creando un gradiente electroquímico. Esta acumulación de H+ genera una fuerza protomotriz que impulsa los H+ a través de las ATP-sintetasa permitiendo sintetizar el ATP.



Se calcula que se sintetizan:• 3 ATP por cada NADH.• 2 ATP por cada FADH2.

• ETAPA 1. GLUCOLISIS (en el citoplasma).Proceso anaerobio en el que la glucosa (6C) se escinde en 2 moléculas de ácido pirúvico (3C) de manera similar a como lo hacen los organismos fermentadores.Se eliminan 4 H (4 e- y 4 H+) que son aceptados por 2 moléculas de NAD+ sobrando 2 H+ que quedan libres en el citoplasma.

Glucosa (6C) → 2 Piruvato (3C) + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP• ETAPA 2. RESPIRACIÓN CELULAR (en la mitocondria).

– Etapa 2a: DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA Y CICLO DE KREBS (en la matriz).Sigue oxidándose el ácido pirúvico: los átomos de C se oxidan a CO 2. Los átomos de H (H+ y e- se utilizan para reducir: 3 NAD+ → 3 NADH y 1 FAD → 1 FADH2.

2 Piruvato → 2 Acetil-CoA (2C) + 2 NADH + 2 CO2

2 Acetil-CoA (2C) → 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2

– Etapa 2b: TRANSFERENCIA ELECTRÓNICA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (en la membrana mitocondrial interna).Cadena respiratiria: La oxidación de NADH y FADH2 obtenidas previamente libera e- que pasan por la cadena respiratoria hasta llegar el O2 y formar H2O.

Fosforilación oxidativa: Asociados a la cadena anterior hay una serie de proteínas transportadoras que crean un gradiente de H+ que permitirá a las ATPasas fabricar ATP.



RESUMEN – Oxidación de la glucosa.RESUMEN – Oxidación de la glucosa.


5 – Balance energético de la respiración celular.

• El 40% de la energía desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en forma de ATP.

• Es un rendimiento elevado, por ejemplo, en los coches sólo aprovechamos el 25% de la energía contenida en el combustible.


5 – Balance energético de la respiración celular.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN DE LA GLUCOSARENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA

1 mol de glucosa

36 ATP

680 Kcal

Almacenan en sus enlaces 266 Kcal


6 – Otras rutas metabólicas.

OXIDACIÓN DE AMINOÁCIDOS

TRANSPORTE y β-OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS

CO2

H2OATP

• Se desaminan (eliminación del grupo amino).•El grupo amino se excreta como urea.

•El esqueleto de carbono se convierte:•Grupo Acetilo.•Compuesto que entra en la glucólisis.•Compuesto que entra en Ciclo de Krebs.

• Se desaminan (eliminación del grupo amino).•El grupo amino se excreta como urea.

•El esqueleto de carbono se convierte:•Grupo Acetilo.•Compuesto que entra en la glucólisis.•Compuesto que entra en Ciclo de Krebs.

• Se cortan en fragmentos 2 Carbonos.•En mitocondrias y peroxisomas.•Entran en Ciclo de Krebs como Acetil-CoA.

• Se cortan en fragmentos 2 Carbonos.•En mitocondrias y peroxisomas.•Entran en Ciclo de Krebs como Acetil-CoA.

ProteínasProteínas GrasasGrasas

Aminoácidos Glicerol + Ácidos Grasos

Los aminoácidos no pueden almacenarse y tampoco pueden excretarse, por ello se utilizan como combustible metabólico para obtener energía.



Oxidación de aminoácidos.Oxidación de aminoácidos.

• Los ácidos grasos son importantes depósitos de energía metabólica. Para iniciar su metabolización primero es necesario separarlos del resto ce la molécula lipídica. Para ello, las lipasas en el citoplasma.

• Los acilglicéridos se rompen obteniendo una molécula de glicerina y los ácidos grasos correspondientes.

• Los fosfolípidos se hidrolizan obteniendo glicerina y ácido fosfórico.• La glicerina se fosforila y oxida en

dihidroxicetona-P que puede isomerizarse en G3P, entrando a la glucólisis.

• Entrada en la mitocondria, los ácidos grasos se activan uniéndose a un acetil-CoA y la carnitina los transporta al interior de la matriz.


6 – Otras rutas metabólicas.Transporte y β-Oxidación de ácidos

grasos.Transporte y β-Oxidación de ácidos

grasos.

La L-carnitina en nuestro organismo es sintetizada en el hígado y el riñón a partir de la lisina con ayuda de la metionina, tres vitaminas (C, B3 y B6) y el Fe. Facilita la metabolización de las grasas. A las mujeres embarazadas se les suministra porque se produce un fuerte descenso en sangre por la demanda del feto.

La L-carnitina en nuestro organismo es sintetizada en el hígado y el riñón a partir de la lisina con ayuda de la metionina, tres vitaminas (C, B3 y B6) y el Fe. Facilita la metabolización de las grasas. A las mujeres embarazadas se les suministra porque se produce un fuerte descenso en sangre por la demanda del feto.

• Los Acil-CoA que son largas cadenas hidrocarbonadas de ácidos grasos unidas a un coenzima A son fragmentadas mediante la hidrólisis y oxidación obteniendo:

• Un Acetil-CoA (pequeña molécula de 2 carbonos con un CoA) que pasa al ciclo de Krebs.• Un nuevo acil-CoA con 2 carbonos menos que vuelve a empezar el ciclo hasta romperse competamente.



La β-oxidación consigue que de un ácido graso saturado se liberen tantas unidades de Acetil-CoA como permita su número par de átomos de carbono.

CATABOLISMO ANAERÓBICO:CATABOLISMO ANAERÓBICO:• El El aceptor final de eaceptor final de e-- es una es una MOLÉCULA ORGÁNICA SENCILLA.MOLÉCULA ORGÁNICA SENCILLA.

• Las rutas de degradación de la glucosa se llaman Las rutas de degradación de la glucosa se llaman FERMENTACIONESFERMENTACIONES..• Son propias de Son propias de bacterias y levadurasbacterias y levaduras..• También se producen enTambién se producen en animales animales cuando el O cuando el O22 escasea ( escasea (excepto neuronas que excepto neuronas que

muerenmueren).).• Energéticamente son poco rentables (Energéticamente son poco rentables (2 ATP 2 ATP por cada molécula de glucosa).por cada molécula de glucosa).


7 – Catabolismo anaeróbico: fermentaciones.

• Pasos por los que el ÁCIDO PIRÚVICO (glucólisis) → ETANOL.1. Ácido pirúvico → Acetaldehído (se desprende CO2).2. Acetaldéhído → Etanol (alcohol deshidrogenasa: oxida el NADH,

reduce el acetaldehido).

• ORGANISMOS: células vegetales, hongos, bacterias.• Saccharomyces cerevisae o levadura (hongo):

» Utilizada industrialmente para la fabricación de vino o cerveza.» Aerobios facultativos.



Fermentación ETÍLICA.Fermentación ETÍLICA.


Fermentación LÁCTICA.Fermentación LÁCTICA.


• Pasos por los que el ÁCIDO PIRÚVICO (glucólisis) → ÁCIDO LÁCTICO.1. Ácido pirúvico → Ácido Láctico (láctico deshidrogenasa: oxida el

NADH, reduce ácido pirúvico).

• ORGANISMOS:• Bacterias: yogur, queso, leche fermentada.• Células musculares de vertebrados durante ejercicios intensos.

• SENTIDO DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA EN CÉLULAS MUSCULARES DE VERTEBRADOS:

• En ejercicios intensos, la frecuencia respiratoria aumenta para aumentar el suministro de O2.

• Este incremento de O2 puede no ser suficiente para satisfacer los requerimientos de céls. Musculares.

• La glucolisis continúa y el ácido pirúvico → ácido láctico que:» ↓ pH del músculo.» Reduce capacidad contracción de fibras musculares → fatiga y cansancio muscular.» NADH → NAD+, sin el cual la glucólisis no podría continuar.

• Cuando el O2 es más abundante y disminuye la demanda de ATP: ácido láctico → ácido pirúvico.



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