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Catabolismo Marta Gutiérrez del Campo Vías del catabolismo CATABOLISMO Es la parte del metabolismo que consiste en la transformación de moléculas orgánicas o biomoléculas complejas en moléculas sencillas y en el almacenamiento de la energía química desprendida en forma de enlaces de fosfato y de moléculas de ATP, mediante la destrucción de las moléculas que contienen gran cantidad de energía en los enlaces covalentes que la forman, en reacciones químicas exotérmicas. Catabolismo Fermentación Respiración Oxidación total de la materia orgánica. Oxidación parcial de la materia orgánica Los productos de reacción no contienen energía. Los productos de reacción contienen todavía energía Se libera toda la energía. Se libera poca energía El aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Aerobia Aceptor final el O2 Anaerobia Aceptor final molécula inorgánica distinta del O2 Fermentación Alcohólica Fermentación láctica Glucólisis DEFINICIÓN Conjunto de reacciones que degradan la glucosa (C6) transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico (PYR) (C3). Estas reacciones se realizan en el hialoplasma de la célula. Es un proceso anaerobio, que no necesita oxígeno, y en el que por cada molécula de glucosa (GLU) se obtienen 2 ATP y 2 NADH+ H+. http://www.youtube.com/watch?v=yNOKj5JwULM&feature=related Glucólisis ETAPAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Fosforilación. Isomerización. Nueva fosforilación. Rotura de la molécula. Oxidación por el NAD+ al mismo tiempo se produce una fosforilación. Desfosforilación. Isomerización. Formación de un doble enlace. Desfosforilación. Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 Ácido pirúvico + 2ATP + 2NADH + 2 H+ + 2H2O Glucolisis Fase Preparatoria Glucolisis Fase Preparatoria Glucolisis Fase Preparatoria Glucolisis Fase Preparatoria Glucolisis ISOMERIZACIÓN DE LAS TRIOSAS P P TRIOSA FOSFATO Dihidroxiacetona ISOMERASA Gliceraldehído fosfato 3-fosfato Glucolisis Fase de Beneficios OPTENCIÓN DEL PODER REDUCTOR NAD P NADH H P P P Gliceraldehído 1,3Difosfoglicerato 3-fosfato DESHIDROGENASA Fosforilación a nivel de sustrato Glucolisis Fase de Beneficios RECUPERACIÓN DE ATP P ADP ATP P FOSFOGLICERATO 1,3Difosfoglicerato QUINASA P 3-Fosfoglicerato Glucolisis Fase de Beneficios ISOMERIZACIÓN P P FOSFOGLICERATO MUTASA 2-Fosfoglicerato 3-Fosfoglicerato Glucolisis Fase de Beneficios DESHIDRATACIÓN P 2-Fosfoglicerato P ENOLASA Fosfoenolpiruvato Glucolisis Fase de Beneficios RECUPERACIÓN DE ATP ADP ATP P Fosfoenolpiruvato PIRUVATO QUINASA 3 Piruvato Glucólisis CARACTERÍSTICAS Y SIGNIFICADO BIOLÓGICO DE LA GLUCOLISIS 1. 2. 3. 4. 5. 6. Se realiza tanto en procariotas como en eucariotas. En los eucariotas se realiza en el hialoplasma. Se trata de una degradación parcial de la glucosa. Es un proceso anaerobio que permite la obtención de energía a partir de los compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno La cantidad de energía obtenida por mol de glucosa es escasa (2 ATP). La glucolisis fue, probablemente, uno de los primeros mecanismos para la obtención de energía a partir de sustancias orgánicas en la primitiva atmósfera sin oxígeno de la Tierra. ETAPAS CLAVES DE LA GLUCOSIS. Un punto crucial es la etapa 5. Si el NADH no vuelve a oxidare la ruta se detendrá. El modo de oxidarse dependerá de la disponibilidad de oxigeno. a) En condiciones aerobias, el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transforma en grupos acetilo, que formaran el acetil coenzima A que ingresara en la respiración celular. b) En condiciones anaerobias el NADH se oxida a NAD+ mediante la reducción de ácido pirúvico. Regulación de la glucólisis Vías del catabolismo pirúvico Para evitar que la glucolisis se detenga por un exceso de ácido pirúvico (PYR) y NADH+H + o por falta de NAD+, se necesitan otras vías que eliminen los productos obtenidos y recuperen los substratos imprescindibles. 1. Respiración aerobia (catabolismo aerobio). Cuando hay oxígeno, el pirúvico es degradado completamente obteniéndose dióxido de carbono (CO2). El NADH+H + y otras coenzimas reductoras obtenidas son oxidadas y los electrones transportados hacia el oxígeno (O2), recuperándose el NAD+ y obteniéndose H2O. Este proceso se realiza en los eucariotas en las mitocondrias. 2. Fermentación (Catabolismo anaeróbico). Cuando no hay oxígeno el ácido pirúvico se transforma de diferentes maneras sin degradarse por completo a CO2 y H2O. Este proceso tiene como objetivo la recuperación del NAD+ . En los eucariotas se realiza en el hialoplasma. Vías del catabolismo pirúvico RESPIRACION CELULAR O EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA) DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO PIRÚVICO 1. Descarboxilación. El ácido pirúvico (PYR) va a perder el grupo CO2 correspondiente al primer carbono, el carbono que tiene la función ácido. 2. Oxidación. Al perderse el primer carbono, el segundo pasa de tener un grupo cetona a tener un grupo aldehído. Este grupo se oxidará a grupo ácido (ácido acético) por acción del NAD+. En el proceso interviene una sustancia, la coenzima-A (HS-CoA) que se unirá al ácido acético para dar acetil-coenzima A (ACA). Vías del catabolismo pirúvico RESPIRACION CELULAR O EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA) EL CICLO DEL CITRATO (CÍTRICO) O CICLO DE KREBS. Ruta metabólica a través de la cual el ácido acético unido a la coenzima-A va a completar su oxidación en la matriz mitocondrial. ii. Es la vía más importante para el catabolismo de las sustancias orgánicas. iii. No sólo va a ser la última etapa de la degradación de los azucares, otros compuestos orgánicos (los ácidos grasos y determinados aminoácidos) van a ser también degradados a acetil-CoA (ACA) e integrados en el ciclo de Krebs. i. Vías del catabolismo pirúvico RESPIRACION CELULAR O EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA) EL CICLO DEL CITRATO (CÍTRICO) O CICLO DE KREBS. iv. El ciclo de Krebs, como todo proceso cíclico, no tiene más principio o fin que el que nosotros queramos ponerle. Condensación del acetil - CoA 2 S - CoA + 3 CITRATO SINTASA HS - CoA Acetil - CoA Oxalacetato Citrato Isomerización del ácido cítrico ACONITASA Citrato Isocitrato Oxidación del ácido isocítrico + NAD NADH+H+ ISOCITRATO DESHIDROGENASA Isocitrato a-cetoglutarato Descarboxilación oxidativa del a-cetoglutarato + NAD NADH+H+ HS - CoA DESHIDROGENASA a-cetoglutarato S - CoA Succinil-CoA Desacilación del Succinil-CoA GDP + Pi S - CoA Succinil-CoA SUCCINIL-CoA SINTETASA GTP HS - CoA Succinato Oxidación del Succinato FAD Succinato + FADH SUCCINATO DESHIDROGENASA Fumarato Hidratación del Fumarato 2 FUMARATO HIDRATASA Fumarato Malato Oxidación del malato a oxalacetato + NAD NADH+H+ MALATO DESHIDROGENASA Malato Oxalacetato Vías del catabolismo pirúvico RESPIRACION CELULAR O EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA) EL CICLO DEL CITRATO (CÍTRICO) O CICLO DE KREBS. BALANCE ENERGÉTICO Vías del catabolismo pirúvico RESPIRACION CELULAR O EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA) LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA (CADENA RESPIRATORIA). 1. Consiste en un transporte de electrones desde las coenzimas reducidas, NADH+H + o FADH2, hasta el oxígeno. Este transporte se realiza en la membrana de las crestas mitocondriales. 2. Se recuperarán las coenzimas transportadoras de electrones en su forma oxidada 3. Es en este proceso donde se obtendrá la mayor parte de la energía contenida en la glucosa y otros compuestos orgánicos, que será almacenada en forma de ATP. 4. Como producto de desecho se obtendrá agua. Vías del catabolismo pirúvico ECUACIONES GLOBALES DE LAS DIFERENTES VÍAS DE DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA y RENDIMIENTO ENERGÉTICO EN MOLES DE ATP POR MOL DE GLUCOSA Balance global de la respiración de la glucosa Los NADH + H+ generados en el citoplasma pasan al interior de la mitocondria y en la cadena de transporte electrónico rinden 3 ATP (y no 2 como viene en vuestro libro). Hay casos en que rinde solo 2 ATP. Los NADH + H+ que se generan en la matriz mitocondrial general 3 ATP al pasar por la cadena electrónica. Los FADH2 formados en la matriz mitocondrial solo generan 2 ATP en la cadena de transporte de electrones. El GTP generado en el ciclo de Krebs se cuenta como un ATP Glucosa + 6O2 + 38 ADP + 38 Pi 6 CO2 + 44 H2O + 38 ATP Glucosa + 6 O2 6CO2 + 6 H2O 38 ADP + 38 Pi 38 ATP + 38 H2O Gº’ = -686 kcal/mol Gº’ = 7,3 kcal/mol x 38 = +263 kcal/mol Eficacia (263 / 686) X 100 = 38% RUTA DEL EMPLEO DE GLUCOSA EN CONDICIONES AEROBIAS RENDIMIENTO: 30 ATP (procedentes de 10xNADH) + 4 ATP (procedentes de 2xFADH2) + 6 ATP – 2 ATP= 38 ATP (2 ATP pueden emplearse en la entrada de 2xNADH de la glicolisis en la mitocondria) Glucolisis ATP ATP ADP Glucosa (6 C) Glucosa 6P (6C) Fructosa 6P (6C) Oxidación del piruvato NADH H+ Oxalacetato (4C) NAD+ Pi ADP Fructosa 1,6 diP (6C) NADH H+ ATP NAD+ Acetil CoA (2C) Piruvato (3C) Citrato (6C) Gliceraldehido 1,3 diP (3C) x2 3-fosfoglicérico (3C) ADP Fosfoenolpiruvato (3C) CoA 2-fosfoglicérico (3C) H2O NAD+ NADH H+ FADH2 Succínico (4C) CoA GTP ADP ATP GDP + Pi ATP Isocitrato (6C) H2O FAD+ ADP x2 Málico (4C) Fumárico (4C) Gliceraldehido 3P (3C) x2 CO2 NAD+ NADH H+ Succinil co A (4C) α-cetoglutarico (5C) CO2 Cadena respiratoria Cadena de transporte electrónico MME NADH H+ CO2 Ciclo del citrato (ciclo de Krebs) H+ H+ NAD+ MMI NADH H+ H+ H+ H+ Síntesis ATP H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ eH+ NAD+ H+ FADH2 H+ 2H + ½ O2 H2O ADP+Pi H+ ATP Vías del catabolismo pirúvico LAS FERMENTACIONES ANAERÓBICAS (RESPIRACIÓN ANAEROBIA) La oxidación del NADH+H + y del FADH2 en la cadena respiratoria tiene como aceptor final de los electrones al oxígeno. Si no hay oxígeno, el NADH+H + y el FADH2 se acumulan y los procesos de obtención de energía se interrumpen. En estas condiciones, condiciones anaerobias o de falta de oxígeno, ciertos microorganismos y, por ejemplo, nuestras células musculares, recuperan las coenzimas oxidadas por diversas vías metabólicas conocidas bajo el nombre de fermentaciones anaeróbicas. Según el producto obtenido, tendremos las siguientes fermentaciones: Fermentación láctica. Fermentación alcohólica. Fermentación FERMENTACIÓN LÁCTICA NADH H 3 Piruvato NAD LACTATO DESHIDROGENASA 3 Lactato Fermentación FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA 2 NADH H NAD 2 3 PIRUVATO DESCARBOXILASA Piruvato 3 ALCOHOL DESHIDROGENASA Acetaldehído 3 Etanol RUTA DEL EMPLEO DE GLUCOSA EN CONDICIONES ANAEROBIAS RENDIMIENTO: 4 ATP – 2 ATP = 2 ATP Glucolisis ATP Glucosa (6 C) ADP Glucosa 6P (6C) ATP Fructosa 6P (6C) NAD+ Pi ADP Fructosa 1,6 diP (6C) NADH H+ Gliceraldehido 3P (3C) Gliceraldehido 1,3 diP (3C) x2 ATP Piruvato (3C) ADP ATP 3-fosfoglicérico (3C) ADP Fosfoenolpiruvato (3C) 2-fosfoglicérico (3C) H2O CO2 Acetaldehido (2C) NAD+ x2 NAD+ Etanol (2C) Lactato (3C) Fermentación alcohólica Fermentación láctica EN PRESENCIA DE 02 EN AUSENCIA DE 02 4 ATP Glucosa 2ATP GLUCOLISIS 4 ATP Glucosa 2 H2O GLUCOLISIS 2ATP 2 H2O 2 NADH OXIDACIÓN DEL PIRUVATO 2 NADH 2 NADH 2 CO2 FERMENTACIÓN 2 FADH2 2 H2O CICLO DE KREBS (Ciclo del citrato) 6 NADH 4 CO2 CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO 34 ATP 2 Etanol 2 CO2 2 ATP O2 2 Lactato RENDIMIENTO TOTAL 38 ATP RENDIMIENTO TOTAL 2 ATP Otras rutas metabólicas OXIDACION DE LOS ACIDOS GRASOS ß-OXIDACIÓN DE ACIDOS GRASOS. Los ácidos grasos son moléculas que suponen importantes depósitos de energía para la célula. En un primer término los triglicéridos deben ser hidrolizados en el citoplasma por la acción de las lipasas, originándose glicerol y sus correspondientes ácidos grasos. Los ácidos grasos inmediatamente son degradados en la mitocondria en la ß-oxidación y el glicerol pasa a la ruta catabólica glucolítica. Rendimiento Energético Fase I β – Oxidación del ácido graso activado Acetil-CoA Fase II Fase III Reacción NADH + H+ , FADH2 Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico Cadena Respiratoria Mitocondrial Producción ATP Oxidación de palmitato a palmitoil CoA -2 Oxidación de 8 Acetil CoA 8 x 12 = 96 Oxidación de 7 FADH2 7 x 2 = 14 Oxidación de 7 NADH 7 X 3 = 21 Neto Palmitato CO2 +H2O 129 Balance energético de la -Oxidación de los Ácidos Grasos Por cada vuelta se obtiene: 1 FADH2, 1 NADH y 1 Acetil-CoA. Para el ácido palmítico, de 16 átomos de carbono (en siete vueltas) se obtiene: 7 FADH2, 7NADH y 8 AcetilCoA Por cada Acetil-CoA en el ciclo de Krebs se obtiene: 3NADH, 1 FADH2 y 1GTP. 3 x 3 ATP + 1 x 2 ATP + 1 GTP = 12 ATP 8 Acetil-CoA rinden 8 x 12 = 96 ATP 7 FADH2 rinden 7 x 2 = 14 ATP 7 NADH rinden 7 x 3 = 21 ATP ATP AMP + PPi ATP + AMP 2 ADP 2 ATP PPi 2 Pi En total: 96 + 14 + 21 = 131 ATP, pero se consumen dos ATP en la activación del ácido graso al final quedan 129 ATP. Con una eficacia en torno al 40%, como en la respiración de la glucosa. Otras rutas metabolicas OXIDACION DE AMINOÁCIDOS Los aminoácidos excedentes no pueden almacenarse y tampoco pueden excretarse. Por ello los aminoácidos excedentes se utilizan como combustible para obtener energía. Catabolismo se distinguen dos tipos Fermentación puede ser Aerobia Anaerobia según el sustrato puede ser de Lípidos Glúcidos Proteínas son convertidos en por hidrólisis se obtiene Glicerina Aminoácidos Glucosa se incorpora a sufren Nucleótidos en su degradación se elimina sufren son hidrolizados Glucólisis -oxidación se genera Esqueleto carbonado Grupo amino por oxidación y descarboxilación origina Acetil Co A entra en el genera Coenzimas son FADH2 Ciclo de Krebs se oxidan en la Ac fosfórico Púricas Desaminación oxidativa Cadena precisa de respiratoria donde ocurre la Ac. úrico Urea O2 actúa de Forforilación oxidativa su degradación da Aceptor final de electrones el último aceptor no es el genera ATP su síntesis se explica por la Pirimidínica Transaminación genera CO2 Bases nitrogenadas son NH4+ mediante donde se obtiene Pentosas en en forma de Ac.Pirúvico puede seguir el camino de NADH + H+ son degradadas en se descomponen en Putrefacción Ac. grasos Ac. nucleicos Hipótesis quimiosmótica se utiliza para la síntesis de su degradación da Butírica puede ser Alcohólica Rendimiento energético generan bajo Láctica Respiración