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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 COy 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 la Sintetasa Cítrica
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 la Deshidrogenasa Isocítrica
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 la Deshidrogenasa Alfa-Ceto-Glutárica
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 la Succinil-CoA Sintetasa
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 la Deshidrogenasa Succínica
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 la Deshidrogenasa Málica
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 Reviewed by RabwinparaCristo on septiembre 12, 2017 Rating: 5

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