Metabolismo y respiración celular
La vida es el recambio continuo de materia con el
medio exterior y cesa cuando
termina este recambio. El metabolismo es
un continuo intercambio de materias con el medio,
y comprende las multiples reacciones que
transforman las sustancias provenientes del entorno en otros compuestos y energía, que son utilizables
por la célula. Al mismo tiempo que se realiza la eliminación al medio de sustancias
no aprovechables y energía en forma de calor
Podemos decir que el
metabolismo sustenta las funciones de:
•
Incorporación de los nutrientes.
•
Obtención de la energía química necesaria para la
vida a partir de la degradación de sustancias provenientes del medio o del
propio organismo.
•
Síntesis y degradación de las distintas biomoléculas
requeridas en las funciones estructurales y especiales y
•
Eliminación de las sustancias de desecho.
Al analizar las funciones del
metabolismo, es evidente que existen dos vertientes contrarias entre sí, el
anabolismo y el catabolismo, pero que se complementan íntimamente y no pueden
existir de forma independiente:
El anabolismo: Es un
proceso de síntesis relacionado con las funciones crecimiento, reparación y
reproducción.
- Comprende
las reacciones de síntesis
- Sintetizan
compuestos de mayor complejidad a partir de compuestos más sencillos.
- Este
proceso consume energía en forma de ATP
- Sus
reacciones son por lo general endergónicas.
- Sus
reacciones son generalmente de reducción
- Utilizan
cofactores reducidos como NADPH+H+, FADH2, NADH +H+
- Liberan
cofactores oxidados
- En
el anabolismo los compuestos se reducen y los cofactores se oxidan.
- Tiene
origen convergente y su destino es divergente (debido a que a partir de un
número reducido de moléculas se origina la diversidad de macromoléculas.
- Son
procesos no espontaneo al tener que suministrar energía ΔG
+
El catabolismo: Es un
proceso de degradación de compuestos relacionados con la función de producir
energía metabólicamente utilizable.
- Comprende
reacciones degradativas.
- Degradan
compuestos más complejos transformándolos en compuestos de menor complejidad estructural.
- Libera
energía en forma de ATP.
- Sus
reacciones son generalmente exergónicas. ΔG –
- Sus
reacciones son generalmente de oxidación.
- Utiliza
cofactores oxidados como NADP,
FAD, FMN Y NADH
- Libera
cofactores reducidos
- En
esta vertiente los compuestos degradados se oxidan y los cofactores se
reducen.
- Tiene
origen divergente y su destino es convergente debido parte de un gran
número de macromoléculas se origina un metabolito común el Acetil Coa.
- Son
procesos espontáneos al liberar energía ΔG -
Organización del Metabolismo
Tanto los procesos catabólicos
como anabólicos se organizan formando vías o ciclos metabólicos, que tienen
características similares:
•
Las reacciones se suceden unas a otras y las
transformaciones ocurren de forma gradual. Comenzando con una sustancia
inicial, que se va transformando paso a paso en el producto final. Entre los metabolitos inicial
y final se encuentran los metabolitos intermediarios.
•
Cada vía cumple determinadas funciones, como pueden
ser la obtención de energía metabólica o la síntesis de una molécula.
•
Las reacciones sucesivas están catalizadas por enzimas.
•
Las vías están reguladas generalmente en una de las
reacciones iniciales.
•
Al menos una reacción de la vía o ciclo es
irreversible.
•
Tienen localización celular característica.
•
Participan cofactores.
•
La vía puede ser anabólica o catabólica.
Vías Metabólicas
En las vías metabólicas se determinan fácilmente el
sustrato inicial y el producto final. Secuencias de reacciones que se suceden unas a
otras, y las transformaciones que en ellas ocurren se verifican de forma
gradual
Comenzando con una
sustancia inicial y esta se va transformando paso a paso, y gradualmente hasta
formar el producto final, los
compuestos intermediarios son los metabolitos intermediarios, Las
reacciones sucesivas están catalizadas por enzimas la vía está regulada, y esta recae casi siempre en las
reacciones
Iniciales de la vía y esta reacción
es irreversible y se considera marcapaso.
A ↔ B→ C↔D↔ E↔ F↔ G→ P
Observen que la reacción
catalizada por la enzima E2 es irreversible, lo que constituye un punto de regulación
de esta vía, siendo inhibida por el producto final P.
También se observa la
participación de cofactores como el ATP.
Ciclos Metabólicos
Este constituye una secuencia
cerrada de reacciones, el producto de cada reacción siempre es el sustrato de la
siguiente, siendo difícil precisar el sustrato inicial y el producto final. Los
productos finales están involucrados en las reacciones iniciales
Respiración Celular.
La respiración es un proceso
donde se produce la transformación de la energía química contenida en los
nutrientes teniendo como aceptor final
el oxígeno en energía metabólica y calor.
La respiración celular es un
proceso localizado en las mitocondrias, mediante el cual la energía química
contenida en los nutrientes es convertida en ATP, dióxido de carbono, agua y
calor.
Comprende tres etapas:
•
El ciclo de Krebs. Se localiza en la matriz
mitocondrial, su alimentador(iniciador) el Acetil coa y sus productos son GTP,
2 molécula de CO2 y 4 pares
de moléculas de hidrógeno y tiene carácter anfibólico
•
La cadena transportadora de electrones. Se
localiza a nivel de la membrana interna
de la mitocondria, tiene como sustrato los equivalentes de reducción (NADH Y
FADH2) y el producto es un
gradiente electroquímico de protones generado
en la CTE , tiene
carácter catabólico.
•
La fosforilación oxidativa. Se localiza en la
membrana interna mitocondrial en las crestas mitocondriales, su sustrato es el
gradiente electroquímico de protones, y sus productos finales son ATP, H2O
y calor , tiene carácter anabolico
Al conjunto de los últimos dos
procesos se le denomina cadena respiratoria.
Antes de comenzar con el
estudio del ciclo de Krebs, abordaremos el origen y destino de su principal
alimentador que es la Acetil
coenzima A.
Orígenes y Destinos del AcetiL CoA
Producto de la degradación de
los glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos se obtiene la acetil coenzima A, que
será degradada en el ciclo de Krebs.
Este compuesto participa además
en la síntesis de colesterol, ácidos grasos y cuerpos cetónicos.
Los glúcidos, constituye la fuente principal de Acetil
Coa en la mayoría de los tejidos. El
ácido pirúvico, producto de la degradación de los glúcidos, se convierte en
acetil-COA en la reacción catalizada por un complejo enzimático, el de la Pirúvico deshidrogenasa
Ácido pirúvico + COA + NAD+ →
Acetil-CoA + NADH + CO2 + H+
Presenta mecanismo de regulación covalente y
alostérica
En su forma fosforilada es inactiva favorecida por
el Acetil Coa y el NADH y la desfosrilacion y activación es favorecida por el
calcio, magnesio y el pirúvico a su vez
la desfosforilacion es desfavorecida por
el ATP y el NADH
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs, ciclo de los
ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico, es una vía metabólica en la
cual el grupo acetilo de la acetil CoA proveniente del catabolismo de glúcidos,
lípidos y aminoácidos se degrada totalmente hasta dos moléculas de dióxido de
carbono y cuatro pares de hidrógenos en forma de cofactores reducidos, que
pasan posteriormente a la cadena respiratoria.
Por tanto es la vía degradativa
final del metabolismo de glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos.
Su localización celular es la
matriz mitocondrial, excepto la reacción de la deshidrogenasa succínica, que se
encuentra asociada en la membrana mitocondrial interna, formando parte de uno
de los complejos de la cadena respiratoria.
Secuencia de Reacciones del Ciclo de Krebs.
- Reacción
de
Esta reacción condensa el ácido
oxalacético, metabolito inicial del ciclo con la acetil CoA, formando ácido
cítrico. Es una reacción irreversible y constituye una de las más importantes
en la regulación del ciclo. La disponibilidad de ácido oxalacético determina la
velocidad del ciclo. Presenta regulación
alostérica donde la disponibilidad de
acetil coa y oxalacético favorece la mayor actividad de la enzima mientras que
el NADH la desfavorecen
- Reacción
de
En esta reacción el ácido cítrico se transforma en ácido
isocítrico.
La reacción de la deshidrogenasa
isocítrica es un importante punto de regulación del ciclo. En ella el ácido
isocítrico se descarboxila convirtiéndose en ácido alfa-ceto-glutárico y el NAD
oxidado se reduce. Esta es regulada por la disponibilidad de NAD+,
ADP y Ca2+ que son sus efectores positivos mientras que el NADH, ATP
- Reacción
de
El ácido alfa-ceto-glutárico se
descarboxila oxidativamente por la acción de la enzima deshidrogenasa
alfa-ceto-glutárica y se transforma en succinil- CoA.
En esta reacción se reduce una
molécula de NAD oxidado y se libera dióxido de carbono. Irreversible inhiben esta enzima el Succinil
Coa y el NADH y es activada por el
calcio
- Reacción de
A continuación el succinil CoA,
se transforma en ácido succínico por la acción de la enzima succinil CoA
sintetasa. La energía liberada en esta reacción por la ruptura del enlace
tioéster del succinil CoA se utiliza para la síntesis de una molécula de GTP,
mediante el mecanismo de fosforilación a nivel de sustrato.
Se entiende por fosforilación a
nivel de sustrato al proceso de síntesis de ATP o sus equivalentes, mediante la
transferencia de energía de un enlace presente en un sustrato, sin la
participación de la fosforilación oxidativa.
El GTP es equivalente a un ATP.
- Reacción de
El ácido succínico por acción
de la deshidrogenasa succínica se oxida, transformándose en ácido fumárico.
En esta reacción se reduce una
molécula de FAD.
.
- Reacción de
A continuación el ácido
fumárico se transforma en ácido málico
El ácido málico por la acción
de la enzima deshidrogenasa málica se transforma en ácido oxalacético, con lo
cual se completa el ciclo.
En esta reacción se produce una
molécula de NAD reducido.
- Rendimiento
energético del ciclo de Krebs.
En las reacciones del ciclo, se
obtienen cofactores reducidos, que serán utilizados posteriormente en la cadena
respiratoria para la síntesis de ATP.
En la degradación del grupo
acetilo del acetil CoA se obtienen 10 ATP, uno de los cuales es
sintetizado en el propio ciclo por el mecanismo de fosforilación a nivel de
sustrato y el resto en la cadena respiratoria.
Por cada NAD reducido se
produce 2.5 ATP, mientras que por cada FAD reducido se obtiene 1.5
ATP.
- Se
hace resumen parcial y preguntas de comprobación.
Continúa la proyección de la videorientadora desde la Diapo 23 hasta la 40.
Relaciones MetabólicasCracter
anfibolico
Como ya conocen, los glúcidos,
lípidos y aminoácidos al degradarse se incorporan al ciclo de Krebs en forma de
acetil CoA o de algunos de sus metabolitos intermediarios. Estos son también
metabolitos iniciales de vías anabólicas:
•
El ácido cítrico participa en la síntesis de ácidos
grasos.
•
El ácido alfa-ceto-glutárico en la síntesis de aminoácidos
(glutámico).
•
El succinil CoA en la síntesis del grupo hemo dela
HB y los citocromos.
•
El ácido málico en la síntesis de glúcidos.
•
El ácido oxalacético en la síntesis de aminoácidos
(aspártico).
Al analizar estas relaciones
metabólicas, podemos decir que el ciclo de Krebs es la vía central del
metabolismo, ya que permite relacionar las vías anabólicas y catabólicas.
La participación de sus
metabolitos en diferentes vías metabólicas, hace que la concentración de los
mismos varíe según las condiciones del metabolismo, de ahí que sea necesario un
mecanismo que mantenga dentro de límites normales la concentración de los
metabolitos del ciclo.
Anaplerosis
La anaplerosis( son reacciones
de relleno) es el mecanismo que mantiene el nivel fisiológico de los
metabolitos intermediarios del ciclo, ya que los mismos participan en vías de
síntesis de otros compuestos.
La principal enzima
anaplerótica del ciclo es la carboxilasa pirúvica, que transforma el ácido pirúvico en ácido
oxalacético.
Pirúvico +CO2 + ATP → Oxalacético + ADP +Pi +
COaSH
El ciclo de Krebs cumple las funciones
de:
•
Obtención de energía mediante la degradación total
del acetil CoA proveniente del catabolismo de los glúcidos, lípidos y
aminoácidos.
•
Sus metabolitos intermediarios participan en
procesos anabólicos, por ejemplo: el ácido cítrico en la síntesis de ácidos
grasos y el succinil CoA en la del grupo hemo.
Al poseer características
catabólicas y también anabólicas, se plantea que el ciclo de Krebs tiene
carácter anfibólico.
Regulación del Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs se regula por
diversos mecanismos, incluso por reacciones que no pertenecen al mismo.
Orientaremos el estudio de los puntos de regulación más importantes
•
A nivel de la sintetasa cítrica, que varía su
actividad en dependencia de la disponibilidad de acetil CoA y ácido
oxalacético. Este último es muy importante y su concentración varía según las
condiciones fisiológicas y la relación entre el NAD reducido y el oxidado.
•
A nivel de la deshidrogenasa isocítrica, que es
activada alostéricamente por el ADP e inhibida por el ATP y el NAD reducido.
•
A nivel de la deshidrogenasa alfa-ceto-glutárica,
que se inhibe por el succinil CoA y el NAD reducido.
En el ciclo de Krebs, se
obtienen cofactores reducidos, los mismos son reoxidados en la cadena
transportadora de electrones para la obtención de energía.
Cadena Transportadora de Electrones
La cadena transportadora de
electrones es el proceso mediante el cual los equivalentes de reducción, es
decir, los hidrógenos o electrones de los cofactores reducidos, provenientes
del ciclo de Krebs y otras vías metabólicas, reaccionan con el oxígeno de forma
gradual, formando agua y liberando energía.
La energía liberada se dispone
en forma de un gradiente de protones entre las dos caras de la membrana
mitocondrial interna.
Para comprender cómo se origina
el gradiente de protones, es necesario conocer los transportadores de la
cadena.
En la cadena transportadora de
electrones ocurren una serie de reacciones de oxidación-reducción de forma
secuencial.
Los transportadores que
intervienen en ella son de dos tipos:
•
Los que transportan hidrógeno, como la
coenzima Q y las flavoproteínas y
•
Los que transportan electrones, que son los
citocromos, las ferrosulfoproteínas y las cuproproteínas.
Cada uno de estos
transportadores presenta una afinidad característica por los electrones, que se
expresa en forma de un potencial de reducción y se disponen en forma de
complejos.
Los electrones van pasando de
un complejo a otro hasta llegar al oxígeno, sustancia que presenta el potencial
más positivo.
Los equivalentes de reducción
se incorporan a la cadena transportadora de electrones por dos sitios:
•
El NAD reducido a través del complejo I, que se
denomina NAD reducido-coenzima Q reductasa.
•
El FAD reducido a través del complejo II, que se
denomina succínico-coenzima Q reductasa.
Ambos complejos entregan sus
equivalentes a la coenzima Q que los cede al complejo III o coenzima Q
reducida-citocromo c reductasa.
El complejo III da sus
electrones al citocromo c, el que posteriormente los entrega al complejo IV o
citocromo oxidasa.
Finalmente el complejo IV los
cede al oxígeno formándose agua.
La gran cantidad de energía que
cede al medio la formación de agua, al distribuirse entre los transportadores
se libera de forma gradual, facilitando su utilización por la célula, lo que
constituye su importancia biológica.
Según el tamaño de los complejos los sitúa en
posiciones fijas dentro de la membrana y los equivalentes de reducción pasan de uno a
otro mediante la coenzima Q y el citocromo c, que son moléculas pequeñas.
El transporte electrónico
provoca un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio
intermembranoso de la forma que se muestra.
Como resultado del mismo se
genera una diferencia de pH y de cargas eléctricas entre la matriz mitocondrial
y el espacio intermembranoso, siendo positiva la parte del espacio
intermembranoso.
La combinación de la diferencia
de pH y de potencial eléctrico recibe el nombre de fuerza protón motriz.
Fosforilación Oxidativa
La fosforilación oxidativa es
el proceso de síntesis de ATP, que se produce de forma acoplada al transporte
de electrones en la membrana interna de la mitocondria.
Se ha comprobado que el sitio
de síntesis de ATP es el complejo V de la cadena respiratoria o ATP sintetasa.
Estructura de la ATP Sintetasa
El complejo V o ATP sintetasa
está formado por tres porciones:
•
La cabeza, llamada subunidad F1, sitio donde se
sintetiza el ATP.
•
El cuello, que une la cabeza con la membrana y…..
•
La base, que se encuentra dentro de la membrana y
que es por donde pasan los protones desde el espacio intermembranoso a la
matriz mitocondrial.
El paso de los protones a
través de dicha enzima, desde el espacio intermembranoso hasta la matriz
mitocondrial se acopla a la síntesis de ATP.
La forma en que se produce el
transporte de los equivalentes de reducción hasta el oxígeno y el proceso de
síntesis de ATP se resumen en el próximo esquema.
Los complejos bombean protones
desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso.
El paso de los protones hacia
la matriz mitocondrial por la ATP
sintetasa, se acopla con la síntesis de ATP.
Teoría Quimiosmótica
La teoría quimiosmótica de la
fosforilación oxidativa, plantea que:
•
Al ser transportados los electrones por los
complejos de la cadena respiratoria, se crea un gradiente de protones.
•
La membrana interna de la mitocondria es impermeable
a los protones.
•
Los transportadores de electrones están organizados
en la membrana de forma vectorial de modo que los protones son extraídos de la
matriz hacia el espacio intermembranoso y así se genera un gradiente y….
•
La
ATP sintetasa está empotrada en la membrana y situada
vectorialmente. La misma libera el ATP sintetizado por ella hacia la matriz.
La regulación de la respiración
celular se efectúa a varios niveles:
•
A nivel del ciclo de Krebs depende de la
disponibilidad de acetil CoA y de ácido oxalacético. Además, la relación
ATP/ADP regula la actividad de la deshidrogenasa isocítrica y la deshidrogenasa
alfacetoglutárica.
•
A nivel de la
ATP sintetasa, que se inhibe por la presencia de iones de
calcio, pobre gradiente protónico y relación ATP/ADP alta.
•
También influye la actividad de la cadena
transportadora de electrones, que es regulada por la disponibilidad de
cofactores reducidos.
Efectos de los Inhibidores de la Cadena Transportadora
de Electrones
Hay sustancias que inhiben la
cadena transportadora de electrones, porque se unen a uno de los
transportadores impidiendo su funcionamiento. Un ejemplo lo constituye el
cianuro, monóxido de carbono.
Los inhibidores del transporte
de electrones detienen:
•
El consumo de oxígeno.
•
La formación de agua.
•
La oxidación de los sustratos.
•
La síntesis de ATP y
•
Disipan el gradiente de protones.
Efectos
de los Inhibidores de la Fosforilación OXIDATIVA
Por otra parte la fosforilación
oxidativa es inhibida por sustancias como la oligomicina, que inactivan la ATP sintetasa.
Estas sustancias detienen:
•
El consumo de oxígeno.
•
La formación de agua.
•
La oxidación de los sustratos.
•
La síntesis de ATP y
•
Se alcanza el pH límite, que es la máxima diferencia
de pH entre las dos caras de la membrana mitocondrial interna.
EFECTOS
DE LOS DESACOPLADORES DE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Los desacopladores de la
fosforilación oxidativa son sustancias que hacen permeable la membrana
mitocondrial interna a los protones, disipando su gradiente, provocando:
•
Aumento del consumo de oxígeno,
•
De la formación de agua,
•
De la oxidación de los sustratos,
•
Detención de la síntesis de ATP,
•
Disipación del gradiente de protones y
•
Liberación de energía en forma de calor.
Entre estas sustancias se
encuentran el dicumarol y el 2-4 dinitrofenol.
Hay que señalar que también
existen desacopladores fisiológicos, que ayudan a regular la temperatura
corporal, como es el caso de las hormonas tiroideas.
- Se
hace resumen parcial y preguntas de comprobación.
·
Se orienta el estudio independiente y las
tareas docentes para el logro de los objetivos
propuestos, estimular el aprendizaje y ofrecer potencialidades educativas para
la búsqueda y adquisición de conocimientos y el desarrollo de habilidades de
los estudiantes durante la consolidación,
práctica docente y la evaluación, para
lo cual deberán ante todo revisar el CD y la guía didáctica con las
orientaciones del tema para cada una de las actividades que tendrán en la
semana.
CONCLUSIONES
·
Se hace un resumen
generalizador de los principales aspectos tratados en la conferencia.
o
El metabolismo es un proceso continuo de
intercambio se sustancias, energía e información con el medio, que caracteriza
a los seres vivos y consta de dos vertientes; el anabolismo y el catabolismo.
o
La respiración celular se efectúa en la
mitocondria y consta de tres procesos acoplados entre sí: el ciclo de Krebs, la
cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa.
o
El ciclo de Krebs es la vía central del
metabolismo que cumple funciones anabólicas y catabólicas, por lo que presenta
carácter anfibólico; se acopla a la cadena transportadora de electrones
mediante los cofactores reducidos, que se reoxidan en la misma.
o
La cadena transportadora de electrones se
acopla a la fosforilación oxidativa mediante un gradiente de protones que
garantiza la utilización adecuada de la energía por la célula.
o
Existen sustancias que inhiben la cadena
transportadora de electrones, la fosforilación oxidativa o provocan el
desacoplamiento entre las mismas, mediante la modificación estructural de
alguno de sus componentes.
- Se
orienta la bibliografía
- Se
motiva la próxima actividad que tratará el esqueleto de los miembros.
Metabolismo y respiración celular
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Reviewed by RabwinparaCristo
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septiembre 12, 2017
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