Misión 8: Metabolismo celular

El metabolismo es el conjunto de reacciones que ocurren en el interior de las células para satisfacer sus necesidades. Estas reacciones se unen a través de rutas o vías metabólicas, donde los productos de una reacción constituyen los reactivos de la siguiente. Se diferencian dos tipos de reacciones metabólicas, la catabólicas y las anabólicas.

- Los organismos que pueden llevara a cabo estos procesos se dividen en autótrofos si parten de moléculas orgánicas sencillas y heterótrofos si parten de moléculas orgánicas elaboradas por otros seres vivos.

- Según de donde obtengan la fuente de energía se dividen en fotosintéticos (de la luz solar) y quimiosintéticos (de la energía que desprenden ciertas reacciones químicas)

CATABOLISMO

Las rutas catabólicas son rutas de degradación de moléculas complejas a moléculas más sencillas, es decir que se llevan a cabo reacciones de oxidación. En el catabolismo se obtiene energía en forma de moléculas de moléculas de ATP.

Esta energía puede ser liberada por la ruptura de los enlaces del producto inicial o ya bien porque el producto final es menos energético ya que los electrones están más cerca del núcleo y por tanto la energía restante es liberada.

Dentro del catabolismo diferenciamos principalmente entre respiración y fermentaciones.

La respiración es la ruta catabólica en la que interviene la cadena transportadora de electrones y su producto final es una molécula inorgánica. En función del agente oxidante distinguimos:

-La respiración aeróbica: el agente oxidante es el O2 y al reducirse y aceptar electrones y protones forma H2o.

-La respiración anaeróbica: el agente oxidante es un ión como el ion nitrato que al reducirse forma el ion nitrato.

-La fermentación: proceso catabólico en el cual no interviene la cadena transportadora de electrones y cuyo producto final es un compuesto orgánico.

Dentro del catabolismo hablamos de diversas rutas en las que las más importantes serían el catabolismo de los lípidos conocido como Hélice de Lynen, en el que se obtiene una gran cantidad de energía, alrededor de 100 ATP. Por cada vuelta del ciclo obtenemos 1 Acetil-CoA que su destino posiblemente sea el Ciclo de Krebs y posteriormente la cadena transportadora de electrones, además de poder reductor, utilizado en la cadena de transporte de electrones para sintetizar energía. El catabolismo de los glúcidos (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones), centrandonos en la glucosa, en un primer ocurre la glucólisis en el citosol de la célula, degradándose hasta 2 Piruvatos y obteniendo con ella ATP y poder reductor. Este ácido pirúvico se degrada a Acetil-CoA y se une al ácido oxalacético para dar el ácido cítrico y comenzar el Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial. Y finalmente todo el poder reductor obtenido se transforma en ATP gracias a la cadena transportadora de electrones. Dependiendo de si es una célula eucariota o procariota obtenemos 36 o 38 ATP. Finalmente, en las fermentaciones como son la alcoholica, la láctica, la butírica y la pútrida, al no degradarse completamente la molécula, ya que no se produce la cadena transportadora de electrones, solo se obtienen 2 ATP producidos en la glucólisis y sus productos son utilizados en la industria.

ANABOLISMO

El anabolismo consiste en reacciones redox y endotérmicas en las cuales a partir de una molécula sencilla se forma una molécula más compleja gastando en este proceso energía obtenida en reacciones catabólicas. En los organismos autótrofos dependiendo de la fuente de energía se llevará a cabo la fofosíntesis (luz) o la quimiosíntesis (reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos)

Especialmente, destacamos la fotosíntesis, esta transforma la energía luminosa en energía química, se lleva a cabo en los cloroplastos, más concretamente, en los pigmentos fotosintéticos situados en el interior de los tilacoides. La fotosíntesis se divide en dos fases la fase luminosa y la fase oscura.

La fase luminosa o dependiente de la luz consta de otras dos fases:

-Acíclica: En esta etapa ocurren tres procesos: la fotólisis del agua, la fotoforilación del ADP y la fotorreducción del NADH. Los fotosistemas II y I captan los fotones de luz los que genera un transporte de electrones en la membrana de los tilacoides. Además para reponer los electrones transferidos el fotosistema II provoca una ruptura de una molécula de agua pe da lugar a O2 y dos protones. En la cadena de electrones intervienen también participan complejo citocromos, plastoquinona, plastocianina, ferredoxina y ATP- sintetasa. Es la fase en la que se obtiene la mayor parte necesaria para pasar a la fase oscura, de 4 H+ se obtiene 1,33 ATP.

-Cíclica: Se encarga de producir energía necesaria complementaria a la obtenida en la fase acíclica, para la fase oscura, solo actúa el fotosistema I, por tanto no habrá una descomposición de agua. Los electrones entran en la cadena transportadora de electrones permitiendo el flujo de protones que al pasar por la ATP-sintetasa producirá 2ATP.

En la fase oscura tiene lugar el ciclo de Calvin que es una serie de reacciones bioquímicas que se producen durante la fase oscura se la fotosíntesis. Se pueden distinguir dos fases:

La fijación de CO2: a la ribulosa-1,5-difosfato, gracias a la acción de la enzima rubisco y da lugar a un compuesto de 6 átomos de carbono, que se disocia en 2 moléculas de ácido-3-fosfoglicérico (3 carbonos).

La reducción del CO2 fijado: tras una serie de reacciones en las que se gastan 2 ATP y se reducen 2 NADH el ácido-3-fosfoglicérico se reduce y da lugar a gliceraldehído-3-fosfato. El ciclo podría continuar con el ciclo de las pentosas-fosfato, con la síntesis de glucosa, fructosa, almidón, ácidos grasos o aminoácidos.

ENZIMAS

Por otro lado, es importante conocer que en todo tipo de reacciones intervienen las enzimas, que son biocatalizadores ya que aumentan la velocidad (cantidad de producto en unidad de tiempo) al disminuir la energía necesaria para que se produzca la reacción. Así mismo, estas no se consumen durante la reacción, ya que hay la misma cantidad de enzimas al principio que al final de la reacción. Sin embargo, se diferencian de los catalizadores inorgánicos ya que las enzimas:

1. Presentan una alta especificidad que se muestra en diferentes grados (absoluta, de grupo y de clase) y diferentes formas (complementariedad, por ajuste inducido y por apretón de manos).

2. Actúan siempre a la temperatura del ser vivo.

3. Tienen una alta actividad ya que consiguen aumentar mucho más la velocidad de la reacción que los catalizadores inorgánicos.

4. Su masa molecular es mucho más elevada.

En cuanto a características generales de las enzimas destacamos que: Son hidrosolubles, por lo que pueden actuar a nivel intracelular o extracelular, son activadas por iones o proenzimas, pueden presentar formas moleculares diferentes a las enzimas pero que catalizan la misma reacción química, llamadas isoenzimas y son proteínas globulares, excepto las Ribozimas que son moléculas de ARN y cuya función es catalizar la pérdida o ganancia de nucleótidos.

Las enzimas pueden actuar en reacciones de:

-Reacciones de un único sustrato: tras la unión del sustrato a la enzima y la finalización de la reacción química, se separan la enzima y el producto final.

-Reacciones de dos sustratos: ambos sustratos se unen a la vez a la enzima y tras producirse la reacción se separan ambos productos de la enzima; no obstante, también podemos encontrar las reacciones de dos sustratos llamadas ping-pong, en las que la enzima atrae a un sustrato y del que se desprende una pequeña parte. Después, la enzima atrae al segundo sustrato, que se une a ella y a la porción del primer sustrato. Y finalmente de desprenden los productos de la enzima.

Así mismo, estas reacciones pueden verse afectadas por diversos factores como pueden ser la variación de temperatura o pH, si esto ocurre, la enzima se desnaturalizaría y por tanto dejaría de cumplir su función o por la aparición de inhibidores. Estos inhibidores pueden ser de tipo irreversible, reversible competitivos, reversibles no competitivos o reversibles acompetitivos.

La velocidad de estas reacciones es llamada cinética enzimática. La cantidad de enzimas es constante pero si aumenta la cantidad de sustrato, aumenta la velocidad de la reacción ya que se aumenta la probabilidad de que el sustrato de adhiera a la enzima. No obstante, cuando la velocidad llega a un punto en el que se mantiene constante es porque ha llegado a su máxima velocidad y esto es conocido como la saturación enzimática.

Las enzimas se pueden clasificar en base a su función:

1. Oxidoreductoras: llevan a cabo reaciones de oxido-reducción.

2. Transferasas: Transfieren radicales de un sustrato a otro.

3. Hidrolasas: Rompen enlaces gracias a la presencia de H2O.

4. Liasas: Rompen enlaces sin la intervención de agua.

5. Isomerasas: Dan lugar a isómeros.

6. Ligasas y sintetasas: Intervienen en la unión de moléculas o grupos.

Aunque también se pueden clasificar según a su estructura:

1.Enzimas estrictamente proteicas.

2. Holoenzimas: constituidas por una parte proteica (apoenzima) y otra no proteica (cofactor). Dentro del cofactor podemos diferenciar entre cofactor inorgánico y coenzimas.

Los coenzimas los dividimos en coenzimas de oxidación y reducción (encargados del transporte de protones y electrones como el NAD+, NADP+ y el FAD) y coenzimas de transferencia (encargados del transporte de radicales como por ejemplo el ATP). Muchas veces los coenzimas o son vitaminas o las poseen.

En cuanto a las vitaminas diferenciamos entre las liposolubles (solubles en disolventes orgánicos) como las vitaminas A, D, E, K y vitaminas hidrosolubles (solubles en agua) como el complejo B y la vitamina C.

A continuación os dejo los apuntes tomados durante la visualización de los vídeos que la profesora nos dejó en la lesson plan para que nos sirviesen de apoyo para repasar y clarificar conceptos. Hay apuntes tanto de los vídeos del catabolismo como de anabolismo, espero que os sirvan de ayuda:

A continuación también os dejo los esquemas generales que siempre solemos hacer al terminar cada unidad, espero que os sirvan para relacionar los conceptos y entenderlo todo de manera más visual:

CATABOLIMO:

ANABOLISMO:

Por último, como síntesis del tema, debíamos responder a preguntas sobre el anabolismo. Me ha venido muy bien para repasar, afianzar conceptos y ver que partes del temario llevo mejor y en qué me tengo que detener más a la hora de estudiar:

PREGUNTAS DEL ANABOLISMO

2.- Indica las semejanzas y las diferencias entre fotosíntesis y quimiosíntesis.

Una diferencia es que la fotosíntesis ocurre en plantas en cualquier liugar donde haya luz suficiente mientras que la quimiosíntesis se da en microorganismos que se desarrollan lejos de la luz solar. La fotosíntesis la realizan principalmente las plantas, algas, cianobacterias y bacterias fotosintéticas y la quimiosíntesis es llevada a cabo por algunas bacterias, como las quimioautótrofas. Se parecen en que ambos procesos pertenecen a un anabolismo autótrofo, es decir, se pueden alimentar por sí mismos y son los que posibilitan la vida de los demás organismos (animales, hongos, protozoos y bacterias heterótrofas).

4.- ¿Qué se entiende por fotólisis del agua y cuántas moléculas han de sufrir este proceso, para generar una molécula de O2?

Consiste en la ruptura de los enlaces químicos del agua. La fotólisis es la disociación de moléculas orgánicas complejas por efecto de la luz. Es el proceso en el que se basa la fotosíntesis. La fotólisis del agua es la ruptura de la molécula de H2O mediante el poder oxidante que posee el ión p680+ que rompe la molécula de H2O en 1 e- que es aceptado por la clorofila p680+, en 2 protones H+ que son aceptados por la coenzima NADP para pbtener NADPH2, y O2 que es liberado hacia la atmósfera.

Según la reacción:

luz

H2O à 2H+ + 2e- + ½ O2

Podemos ver que se necesitarían 2 moléculas de agua para obtener una de oxígeno.

5.- Tanto en la respiración mitocondrial como en la fase luminosa acíclica hay enzimas que trabajan con NADH o NADPH, una cadena transportadora de electrones y ATP-sintetasas, pero hay cietas diferencias. Responde a las cuestiones de la siguiente tabla:

7.- ¿En qué orgánulos de la célula eucariota transcurren los siguientes procesos metabólicos?

1. β-oxidación de los ácidos grasos -> Mitocondria (matriz)

2. Fotofosforilación -> Cloroplasto (tilacoide)

3. Glucólisis -> Citoplasma

4. Fosforilación oxidativa -> Mitocondria

5. Captación de luz por el complejo antena -> Cloroplastos (tilacoides)

6. Ciclo de Calvin -> Cloroplastos

7. Ciclo de los ácidos tricarboxílicos -> Mitocondria (matriz)

ACTIVIDADES P.A.U.

19.- Describa los procesos principales que ocurren durante la fase dependiente de la luz (fase luminosa) de la fotosíntesis. (Opción A-Junio 2004)

La fase luminosa ocurre en presencia de luz, en la membrana tilacoidal, y en ella los pigmentos fotosintéticos se encargan de captar la energía lumínica y la transforman en energía química. Se puede realizar de dos maneras:

La fase luminosa acíclica se inicia con la llegada de fotones al fotosistema II. Su pigmento diana P680 se excita y pierde tantos electrones como fotones absorbe. Tras esto, existe un transporte de electrones a lo largo de la membrana tilacoidal. Para reponer los electrones que perdió el pigmento P680 se produce la hidrólisis de agua, con la cual se desprende oxígeno. Por último, los protones son introducidos en el interior del tilacoide y se crea una diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana. Esto hace salir protones a través de las ATP sintetasas con la consiguiente síntesis de ATP que se acumula en el estroma. Por otro lado, hay fotones que también inciden en el fotosistema I, donde la clorofila P700 pierde dos electrones que son captados por aceptores sucesivos. Los electrones que la clorofila pierde son repuestos por la plastocianina. Al final los electrones pasan a la enzima NADPreductasa y se forma NADPH. En la fase luminosa cíclica sólo interviene el fotosistema I, se crea un flujo de electrones que da lugar a ATP. Su finalidad es generar más ATP imprescindible para realizar la fase oscura posterior.

Dependiendo de la necesidad de ATP o de NADPH, se realiza la fase cíclica o la acíclica.

20.- Defina y diferencie los siguientes pares de conceptos referidos a los microorganismos: autótrofo/heterótrofo; quimiosintético/fotosintético; aerobio/ anaerobio. (Opción B-Junio 2002)

-Autótrofo/heterótrofo: Los organismos heterótrofos son aquellos que su objetivo es la síntesis de su propia materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas mientras que los organismos autótrofos son aquellos que sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas orgánicas sencillas. La diferencia es que los autótrofos fabrican sus nutrientes y alimento por sí mismo mientras que los heterótrofos precisan de otros organismos para llegar a obtenerlo.

-Quimiosintético/fotosintético: La quimiosíntesis y la fotosíntesis son las 2 formas de realizar el anabolismo autótrofo. Por un lado, el quimiosintético se aprovecha de la energía desprendida en la oxidación de ciertas moléculas y el fotosintético utiliza la energía luminosa o luz solar.

-Anaerobio/aerobio: Anaerobio es aquel organismo que no necesita de oxígeno para vivir y aerobio es aquel organismo que precisa de oxígeno para poder vivir. La diferencia entre ambos es que en la respiración aerobia el aceptor final de electrones es una molécula de oxígeno (O2), y en la anaerobia el aceptor final de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno.