TEMA 10: METABOLISMO

- Concepto de catabolismo e mecanismo xeral de obtención de enerxía (ATP, respiración, fermentación). Panorama xeral do catabolismo (glícidos, lípidos e aminoácidos).- Glicólise, ciclo de Krebs, β - oxidación. Cadea respiratoria. Fosforilación oxidativa.- Concepto de anabolismo. Esquema xeral do anabolismo (gliconeoxénese e lipoxénese).- Visisón integradora do metabolismo celular.

METABOLISMO

É o conxunto de reaccións químicas que teñen lugar no interior da célula. Nestas reaccións obtense ou gástase enerxía (normalmente en forma de ATP), dependendo de que a reacción sexa, respectivamente, de destrución ou construción de materia orgánica.

METABOLISMO : CATABOLISMO + ANABOLISMO

Anabolismo: construción de materia orgánica a partir de moléculas sinxelas. Require un aporte de enerxía (endergónica).

A + B + Enerxía ------------► AB

Catabolismo: degradación de materia orgánica en moléculas sinxelas. Obtense enerxía que se emprega no anabolismo.

Respiración Fotosíntese (autótrofos)Catabolismo ↕ Anabolismo↕

Fermentación Síntese de glícidos, lípidos e prot.(heterótr.)

Mentres que unha célula heterótrofa cataboliza moléculas de glicosa procedente do medio, unha célula autótrofa debe sintetizar previamente a glicosa antes de poder realizar o seu catabolismo.

CATABOLISMO

Nas células a respiración significa catabolismo. Consiste en transformacións químicas , a maioría, reaccións de oxidación-redución, que teñen lugar en presenza de encimas oxidorredutasas( deshidroxenasas, oxidasas).Unha molécula se oxida cando perde electróns e se reduce cando os gaña. Cando unha molécula perde hidróxenos , tamén se oxida, xa que un átomo de hidróxeno componse dun protón e un electrón.Polo que podemos dicir:

1

Oxidación:perda de e-, perda de H2 , ganancia de O2

Redución:, ganancia de e-, ganancia de H2 perda de O2.

Hai compostos dadores de e- ( que polo tanto se oxidan) e outros que os aceptan ( de modo que se reducen). Os que ceden son compostos orgánicos e os que aceptan poden ser:

- coencimas (NAD, NADP, FAD, FMN)- moléculas inorgánicas ( O2 , SO4

=,........)- moléculas orgánicas (ác. láctico, .......)

A captación de e- e H+ polos coencimas non é definitiva; é dicir, o que fan é transferilos dun substrato a outro, ata que ao final aparece unha molécula (orgánica ou inorgánica) chamada «aceptora final de e-».

e- e H+ e- e H+ Mat. org. (fermentación)Mat. org. --------------► Coenzimas ------------► Aceptor Dador Mat. inorg. (respiración)

Na respiración, se a molécula inorgánica aceptora é o O2, fálase de respiración aeróbica, se non é o O2 é anaeróbica.O anabolismo é diferente en organismos autótrofos ou hetrótrofos pero o catabolismo é semellante en ambos.

CATABOLISMO DE GLÍCIDOS

Previamente prodúcese a degradación de disacáridos e polisacáridos en monosacáridos. Ex:Sacarosa ---------------► glicosa + frutosa

sacarasa intestinal

Amidón--------►Maltosas--------►glicosas

Consiste na degradación dos azucres por oxidación. Consta de varias fases:● Glicólise -----------► Piruvato.

● Piruvato ------------► Acetil CoA

● Ciclo de krebs ---------►CO2 + NADH + H+ + FADH2.+ GTP

● Cadea respiratoria e Fosforilación oxidativa (síntese de ATP a partir dos H+ e e-).

2

GLICÓLISE

É a ruta metabólica que consiste na degradación da glicosa para obter 2 moléculas de piruvato ( ademais ATP e NADH). Ten lugar no citosol. Realízase en anaerobiose e ocorre en bacterias, plantas e animais.

Glicosa------------► 2 Piruvato + 2 ATP + 2 (NADH + H+) +2H20

A partir de aquí caben dúas posibilidades:

3

a) Se non hai osíxeno (fermentación). O piruvato transfórmase en lactato. Adoita ocorrer nas células musculares dos animais cando non hai suficiente osíxeno para efectuar un sobreesforzo físico e o piruvato procedente da glicólise non pode oxidarse de maneira aeróbica e transfórmase en ácido láctico. A acumulación de lactato ou ácido láctico da lugar a formación de pequenos cristais «maniotas». Deste xeito no catabolismo dunha molécula de glicosa só se producen 2 ATP.

2NAD+ 2NADH + 2H+ -----------------------------------► 2NADH + 2H+ 2NAD+

▲ │ ▲ │ │ └------------------┘

└---------------┘Glicosa----------------------------► 2 piruvato----------------------------► 2 Lactato + 2 H+

┌---------┐ ▼

2ADP + 2Pi 2ATP

Esta é a fermentación láctica, pero tamén pode ter lugar a fermentación alcohólica mediante a cal o piruvato, proveniente da glicólise, transfórmase en 2 moléculas de etanol e 2 de CO2, producindo 2 ATP ( esta fermentación estudarémola máis adiante)

b) Se a achega de osíxeno é suficiente ten lugar a respiración aeróbica (ciclo de Krebs, cadea respiratoria e fosforilación oxidativa)

FORMACIÓN DO ACETIL CoA A PARTIR DO PIRUVATO.O piruvato ao entrar na mitocondria se oxida e descarboxila (perde CO2) transformándose en Acetil CoA e obténdose CO2 e NADH.

NAD+ NADH + H+

▲ └------------┘

Piruvato -----------------------------------► Acetil CoA CH3-CO-COOH ┌--------------┐ CH3-CO-SCoA

▼ CoA CO2

CICLO DE KREBS Ten lugar na matriz mitocondrial.

No ciclo de Krebs prodúcese a oxidación total das moléculas combustibles da célula (monosacáridos, aminoácidos e ácidos graxos). Iníciase coa incorporación de moléculas de Acetil CoA que procede da degradación incompleta de monosacáridos, ác. graxos ou aminoácidos.

4

Acetil CoA-------------------►CO2 +*GTP + NADH + H+ + FADH2

O *GTP transfórmase en ATP.

5

CADEA RESPIRATORIA E FOSFORILACIÓN OXIDATIVAAo finalizar a glicólise e o ciclo de Krebs, os CoE: NADH + H+ e o FADH2 que se reduciron ao longo da glicólise e do ciclo de Krebs deben oxidarse de novo para volver estar dispoñibles como NAD+ e FAD+. Para iso deben perder os e- e H+ que gañaron. O último aceptor deses H+ e e- é o O2. Pero non llos ceden directamente, senón a través dunha serie de transportadores intermediarios que constitúen a cadea respiratoria ou cadea de transporte de electróns.Estes transportadores atópanse nas cristas mitocondriais e os e- circulan a través de todos eles, desde o NADH + H+ ata o O2 mediante reaccións de oxidación-redución.A enerxía liberada durante o transporte de e- desde NADH + H+ e o FADH2 ata o O2

utilízase para sintetizar ATP a partir de ADP + Pi, e a este proceso denomínaselle:

6

Fosforilación oxidativa (teoría quimiosmótica).A enerxía liberada nestas reaccións de oxido-redución utilízana os compoñentes da cadea respiratoria para bombear H+ (en contra de gradiente) desde a matriz mitocondrial ao espazo intermembranal. Desta forma xérase un gradiente electroquímico de H+ (forza protonmotriz). Cando os protóns (H+) volven atravesar a membrana cara á matriz (a favor dun gradiente), fano a través das ATP-sintetasas, utilizando esta enerxía dos protóns para a síntese de ATP. Un exemplo que explica como o gradiente protónico contén a enerxía para sintetizar ATP é a presa de auga. A presa de auga sería o gradiente protónico, a turbina sería a ATPasa e a electricidade sería o ATP.Por cada molécula de NADH + H+que chega á cadea transportadora se fosforilan 3 ADP + 3 Pi--------► 3 ATP e por cada unha de FADH2 fórmanse 2 ATP.Isto é debido a que a transferencia de e- provoca a saída de H+ cara ao espazo intermembranal por 3 sitios se partimos de NADH e por 2 se partimos do FADH.

A liberación gradual de enerxía nas oxidacións biolóxicas permite capturar maior cantidade de enerxía útil, que se almacena no ATP, sen que a temperatura varíe notablemente durante a respiración celular. Soamente no tecido adiposo pardo atopouse que o transporte de e- na cadea respiratoria está desacoplado da fosforilación oxidativa; debido a iso toda a enerxía despréndese en forma de calor, necesario, nestes casos, para reanimar aos animais que hibernan ou para manter a Tª corporal nos climas fríos. Outro exemplo sería o efecto de determinados velenos (cianuro ó CO) que tamén provocan ese desacoplamento.

RENDEMENTO ENERXÉTICO DA OXIDACIÓN TOTAL DA GLICOSAA reacción global é:

C6 H12 O 6 + 6 O2 --------------------------► 6 CO 2 + 6 H 2O +38 ATP

7

CATABOLISMO DE LÍPIDOS ( β-OXIDACIÓN)Permite a obtención de enerxía a partir da oxidación , sobre todo de triglicéridos e fosfolípidos. De que están compostas estas moléculas?Primeiro sofren a acción das lipasas do tubo dixestivo, que os degrada a glicerina + ácidos graxos; os ácidos graxos , unha vez chegan ás células , no citosol actívanse formando un enlace éster co CoA, para iso é necesaria unha molécula de ATP.Como consecuencia disto fórmase unha molécula de n-carbonos de Acil CoA que atravesa a membrana mitocondrial, os Acil CoA sofren o ataque de 4 encimas, que de forma cíclica arrincan moléculas de acetil CoA ( 2 carbonos) á cadea do ácido graxo, ata a degradación total do acil CoA a acetil CoA. Estas moléculas de Acetil CoA ingresarán no ciclo de Krebs do mesmo xeito que sucedía coas moléculas procedentes da glicolise.

A continuación o FADH2 e o NADH formados na β-oxidación se oxidan na cadea respiratoria e producen ATP e o acetil- CoA se oxida no ciclo de Krebs.

Así na β-oxidación dun ácido graxo de 18 átomos de carbonos farán falta 8 voltas, producíndose un total de 9 moléculas de acetil-CoA. Cantas de ATP se producirán?

8

CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS

*Aínda que non teñen función enerxética, o seu exceso, pode converterse en graxas:Aminoácidos-----►Cetoácidos-----► Acetil CoA.............► Ac. graxos..........► Graxas (almacénanse).

* En xaxúns prolongados se oxidarán para obter ATP.

A oxidacción dos aminoácidos consiste en: 1) Perda do grupo amino. 2) Oxidación da cadea carbonada

ANABOLISMO. En organismos heterótrofos

Construción de macromoléculas (lípidos, proteínas, glícidos, ácidos nucleicos). Para iso necesítase enerxía . ATP---------► ADP + Pi. Reaccións endergónicas.

ANABOLISMO DE GLÍCIDOS

1) Síntese de glicosa.2) Síntese de polímeros de glicosa ou outras hexosas.

1) Síntese de glicosa. Todas as células son capaces de fabricar glicosa a partir de moléculas obtidas do catabolismo doutros principios inmediatos, por medio dun proceso chamado gliconeoxénese. As células autótrofas poderán ademais obter glicosa a partir do CO2

atmosférico, mediante o ciclo de Calvin.

• Gliconeoxénese: Obtención de glicosa a partir do piruvato. Non é un proceso inverso á glicólise pois varían algúns enzimas e ten lugar parte na mitocondria e parte no citosol.

Onde empeza e onde acaba a gliconeoxénese? Onde ten lugar? Que se consume?

2) Glicoxenoxénese: Consiste na formación de glicóxeno a partir de glicosa. Este proceso permite almacenar o exceso de glicosa en forma de glicóxeno no fígado e músculo. Necesítase enerxía.

No caso de células vexetais que teñen amidón, a síntese é similar á do glicóxeno.

ANABOLISMO DE LÍPIDOS ( Lipoxénese)Posto que teñen ácidos graxos e glicerina haberá que obter, en primeiro lugar estes dous compostos; despois só teñen que unirse.

9

Síntese de ácidos graxos

Os ácidos graxos sintetízanse no citosol a partir do acetil CoA (formado a partir da degradación da glicosa, da β-oxidación dos ácidos graxos e da degradación dalgún aminoácido) A síntese de ácidos graxos consiste en sucesivas condensacións de moléculas de dous átomos de carbono (cada ácido graxo ten un nº par de átomos de carbono).

Síntese de glicerina

A partir da dihidroxiacetona obtida na glicólise. En realidade non se obtén glicerina, senón glicerol 3 fosfato:

Síntese de triacilglicéridos.

No tecido adiposo e no fígado ten lugar a esterificación de 3 ácidos graxos e glicerol ou glicerina dando lugar a formación de triacilglicéridos.

Os animais non poden converter os ácidos graxos en glicosa mentres que as plantas si porque os animais no posúen os enzimas que transforman o acetil CoA en oxalacetato, enzimas que si están presentes nas plantas.

FOTOSÍNTESE

- Importancia biolóxica da fotosíntese (reacción global da fotosíntese para a formación dunha molécula de glicosa).- A fase luminosa: fotolise, fotorreducción e fotofosforilación (cíclica e acíclica).- A fase escura: a fixación de CO2 (breve descritiva do ciclo de Calvin).- Factores que afectan á intensidade fotosintética.

A fotosíntese é un proceso polo cal, determinados seres chamados fotosíntéticos ( algunhas bacterias, algas e plantas), son capaces de transformar a enerxía solar en enerxía química (ATP) e poder redutor (NADPH2), e desta forma converter a materia inorgánica

10

(auga e CO2) en materia orgánica. Ademais en devandito proceso libérase osíxeno á atmosfera.

A fotosíntese ten dúas fases:- Fase fotoquímica (luminosa): nela cáptase a enerxía luminosa transformándoa

en ATP (enerxía química) e NADPH2 (poder redutor). Ten lugar nos tilacoides dos cloroplastos.

- Fase biosíntética: na cal sintetízase materia orgánica a partir da inorgánica (CO2, N, S,...) Utilizando a enerxía química (ATP) e o poder redutor (NADPH) da fase anterior. Ten lugar no estroma do cloroplasto.

Este proceso é posible grazas á existencia dunhas moléculas chamadas pigmentos fotosintéticos, capaces de captar enerxía luminosa.

FASE FOTOQUÍMICA OU LUMINOSA

A clorofila é a substancia encargada de transformar a enerxía luminosa en enerxía química, atópase na membrana dos cloroplastos e existen dous tipos de fotosistemas: o fotosistema I (FS I) e o fotosistema II (FS II).-Cando a enerxía

luminosa captada polos pigmentos fotosintéticos chega ao do FS I da clorofila (chamado P700 por absorber luz de

lonxitude de onda de 700 nm), esta excítase e cede electróns a unha molécula transportadora de electróns, que á súa vez os transfire a outra. Iníciase así unha cadea de transporte electrónico que termina cando os electróns son captados polo NADP+, que se reduce así a NADPH.

2 e + 2 H + + NADP + -------------------------►NADPH + H +

Como consecuencia do proceso descrito, a clorofila P700 do fotosistema I quedou cun déficit electrónico. Para que volva funcionar é preciso que recupere os electróns perdidos. Estes electróns recupéraos desde o FS II como describimos a continuación.

11

-No FS II, cando o P680 da clorofila é excitado pola luz, cedendo electróns a un transportador electrónico que á súa vez os transfire a outro. Prodúcese así unha cadea de transporte electrónico, similar á indicada anteriormente, que finaliza cando os electróns son recuperados polo pigmento fotosintético P700 do FS I. É agora a clorofila P680 do FS II a que queda oxidada e necesita volver ao seu estado inicial. Os electróns que ten que recuperar proceden da auga que por fotolise descomponse:

H2O --------------► 2 H + +2 e - + ½ O2

Fotofosforilación acíclica. O transporte electrónico consome só unha parte da enerxía luminosa absorbida para formar o NADPH, co resto fórmase ATP. A teoría quimiosmótica dá unha explicación á forma en que este proceso ten lugar e que é semellante ao que ocorre na fosforilación oxidativa mitocondrial.Durante o transporte electrónico entre o FS II e o FS I, parte da enerxía que perden os electróns, empréganse para bombear protóns, en contra de gradiente, desde o estroma ao espazo tilacoidal. Cando os protóns volven ao estroma a favor de gradiente fano a través dunha ATPasa, o que dá como resultado a síntese de ATP: ADP + Pi ---------► ATP.

Fotofosforilación cíclicaA redución do CO2 que dará lugar á formación de glicosa na fase biosintética,

require máis cantidade de ATP que de NADPH + H+ . Para conseguilo os cloroplastos posúen este sistema, no que os electróns non chegan ao NADP+ , senón que regresan antes ao FS I

Resumindo, a diferenza entre a fotofosforilación acíclica e cíclica é a seguinte:

- Acíclica(transporte acíclico de e-)

- Interveñen o fotosistema I e II- Se o dador de electróns é o H2O se desprende O2 (nas bacterias fotosintéticas pode

ser o SH2 ou determinados compostos orgánicos).- Fórmase ATP e NADPH .

- Cíclica.- Actúa só o fotosistema I.(os electróns en lugar de reducir ao NADP+ volven ao

PSI.)- Fórmase ATP pero non NADPH .- Nunca hai liberación de osíxeno.

Onde ocorre cada proceso?a) fotolise da auga H2 O---------► 2H + + 1/2 O2

Este proceso ocorre na membrana do tilacoide

12

b) Fotorredución.do NADP

NADP + + 2H + + 2e----------► NADPH + H +

Isto ocorre na membrana dos tilacoides

c) Fotofosforilación, é dicir formación de ATP a partir de ADP + Pi. Ten lugar na membrana do tilacoide.

FASE BIOSINTÉTICA OU FASE ESCURA

Realízase simultaneamente coa fase luminosa, pero non necesita luz. Ocorre no estroma dos cloroplastos. Nela convértese a materia inorgánica (CO2 , N03

-, SO4=) en orgánica,

utilizando o ATP e o NADPH2 da fase luminosa, como fonte de enerxía e poder redutor respectivamente.

Fotosíntese do carbono

A redución do carbono (CO2) ten lugar no estroma do cloroplasto mediante un proceso cíclico de reaccións chamado ciclo de Calvin. Este ciclo comeza coa incorporación do CO2

atmosférico a un composto de 5 carbonos, a ribulosa 1-5 difosfato (este proceso está catalizado polo encima ribulosa difosfato carboxilasa-oxidasa, RUBISCO, que é o encima máis abundante na biosfera ), dando orixe a un composto intermedio de 6 átomos de carbono, que se descompón en dous de tres.Ao final do proceso obtéñense dúas moléculas de gliceraldehido 3 fosfato ( 3 átomos de carbono).

CO2

Ribulosa 1,5 difosfato-------►Molécula de 6 carbonos inestable----► 2 Ac. 3Fosfoglicérido

(5 C) 2 ADP

ATP ADP + Pi 2 ATP 2 NADP+ 2 NADPH

2 Gliceraldehido 3.P ◄------------------------------------- 2 Ac. 1,3 Difosfoglicérico (G3P)

Parte do Gliceraldehido 3.P volve ao ciclo e outra parte emprégase para a :- Síntese de glicosa .............. (gliconeoxénese) ........ Sacarosa..... almidón- Síntese de ac. Graxos, Síntese de glicerina, Síntese de aminoácidos

13

Citosol

De cada tres moléculas de CO2

expórtanse ao citosol unha de G3P, de modo que para formar unha molécula de glicosa (que ten............. carbonos), fan falta 6 moléculas de CO2.

FACTORES QUE REGULAN A ACTIVIDADE FOTOSINTÉTICA.

a) Concentración de CO2 no medio. O CO 2 favorece o desenvolvemento da fotosíntese ata un límite.

b) O aumento da concentración de osíxeno diminúe a actividade fotosintética, debido a que favorece a fotorrespiración.

c) Humidade, o grao relativo de mesma determina o grao de apertura ou peche de estomas. Se estes péchanse diminúe a entrada de CO2, polo tanto, diminúe a fotosíntese.

d) Temperatura, en xeral favorece a fotosíntese, pero ata un punto, pois se se eleva moito pode inactivar os encimas que interveñen.

e) Intensidade luminosa, do mesmo xeito que no caso anterior favorece a fotosíntesis ata un límite que podería alterar distintas moléculas.

f) Lonxitude de onda da luz. Repasa como infúen as diferentes lonxitudes de onda na fase luminosa.

g) Nutrientes: existen distintos elementos limitantes para a fotosíntese como o Mg, que forma parte da molécula de clorofila, o Cl, Ca, etc A ecuación xeral da Fotosíntese quedaría así:6 CO2 + 6 H2O + 12 NADPH2 + 18 ATP----------------► C6 H12 O6 + 6 O2

14